CN105157560B - 一种三自由度精密激光检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三自由度精密激光检测装置，包括：直角镜架组件、X向过渡镜架组件、Y向过渡镜架组件、激光尺A、激光尺B及激光尺C；直角镜架组件设置在运动平台上，所述运动平台设置在待测件固定底座上，所述待测件固定底座的一个侧面通过Y向过渡镜架组件与激光尺C相连，和与激光尺C相连的固定底座的一个侧面相邻的另一个固定底座的侧面通过X向过渡镜架组件分别与激光尺B及激光尺A相连。本方案采用四倍频(即光程差为移动距离的四倍)激光尺作为测量元件，经光路改变后因增加直角镜可实现光程差倍增，即光程差为移动距离的八倍，使得测量分辨率提高一倍，测量精度更高。
Description
技术领域
本发明涉及精密激光检测技术领域，尤其涉及XYθ三自由度运动且偏转中心非固定的检测装置及检测方法。
背景技术
激光干涉仪因分辨率高、非接触、受环境影响小、反应灵敏等优点广泛应用于各种精密测量系统中，但传统的线性测量激光尺无法满足测量带有偏转运动的角位移和线位移。
目前存在的激光干涉仪，如图1所述，往往只能测单独的平移运动，当待测运动部件带有偏转时则无法捕获到反射光进行干涉测量。另外，传统的角度编码器适用于固定中心的转动角位移测量，而旋转中心存在较大偏移的情况下则无法测量。
因此，如何设计一种能够同时高精度测量XYθ三自由度运动且偏转中心非固定的检测装置，是本领域技术人员亟需解决的。
发明内容
为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种XYθ三自由度精密激光检测装置。本方案所提供的检测手段采用现有的双倍光程差激光尺，通过设计光路可实现XYθ三自由度精密激光检测。本方案具有测量分辨率高，可测偏转角度大，XYθ位移同时测量的优点，特别是适用于转动中心非固定的情况。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
一种三自由度精密激光检测装置，包括：直角镜架组件、X向过渡镜架组件、Y向过渡镜架组件、激光尺A、激光尺B及激光尺C；
所述直角镜架组件设置在运动平台上，所述运动平台设置在待测件固定底座上，所述待测件固定底座的一个侧面通过Y向过渡镜架组件与激光尺C相连，和与激光尺C相连的固定底座的一个侧面相邻的另一个固定底座的侧面通过X向过渡镜架组件分别与激光尺B及激光尺A相连；三个不同的入射光路分别经过对应的激光尺、过渡镜架组件及直角镜架组件形成参考光束及目标光束，对参考光束及目标光束进行处理得到相应测点的运动距离s1、s2及s3，根据该运动距离s1、s2及s3得运动平台z向转角θz，运动平台X向位移x,运动平台Y向运动位移y。
所述三个不同的入射光路分别经过对应的激光尺、过渡镜架组件及直角镜架组件形成参考光束及目标光束，对参考光束及目标光束进行处理得到相应测点的运动距离s1、s2及s3，具体为；
入射光路经过激光尺A、直角镜架组件、X向过渡镜架组件形成参考光束及目标光束，参考光束与目标光束相互干涉经感光元件处理可实现测得A点延X方向运动距离为s1；
入射光路经过激光尺B、直角镜架组件、X向过渡镜架组件形成参考光束及目标光束，参考光束与目标光束相互干涉经感光元件处理可实现测得B点延X方向运动距离为s2；
入射光路经过激光尺C、直角镜架组件、Y向过渡镜架组件形成参考光束及目标光束，参考光束与目标光束相互干涉经感光元件处理可实现测得C点延Y方向运动距离为s3。
所述根据该运动距离s1、s2及s3得运动平台z向转角θz，运动平台X向位移x,运动平台Y向运动位移y，其计算公式为：
其中，A,B,C为待检测点；A点，B点中点与平台旋转中心O1点连线平行于X方向，所述C点与平台旋转中心O1点连线平行于Y方向；C点与O1点距离为L，A点与B点距离为d，A点延X方向运动距离为s1,B点延X方向运动距离为s2,C点延Y方向运动距离为s3。
所述直角镜架组件包括支撑架，所述支撑架的一个侧面设置有第六镜框，第六镜框上设置有两个直角镜，与第六镜框所在侧面相邻的另一个支撑架的侧面上设置有第七镜框及第八镜框，所述第七镜框及第八镜框上也分别设置有两个直角镜。
所述直角镜为目标镜片。
所述支撑架上设置有两个方孔。
所述第七镜框及第八镜框上也分别设置有两个直角镜，所述直角镜的斜面相互平行或共面；
第六镜框上设置有两个直角镜，所述直角镜的斜面相互平行或共面。
所述X向过渡镜架组件包括X向镜架，所述X向镜架的上面上设置有第一镜框及第二镜框，所述第一镜框及第二镜框上分别设置有一个平面镜，所述X向镜架的下面上设置有第三镜框，第三镜框上从左至右依次设置有三个平面镜。
所述第三镜框上从左至右依次设置有三个平面镜，三个平面镜为光路过渡镜片。
所述第一镜框及第二镜框上分别设置有一个平面镜，平面镜为参考镜片。
所述X向镜架上设置有两个方孔。
所述Y向过渡镜架组件包括Y向镜架，所述Y向镜架的上面上设置有第四镜框，所述第四镜框上设置有一个平面镜，所述Y向镜架的下面上设置有第五镜框，所述第五镜框上从左至右依次设置有二个平面镜。
所述Y向镜架设置有一个方孔。方孔的作用在于激光穿过，入射和反射都经过。
所述第五镜框上从左至右依次设置有二个平面镜，二个平面镜为光路过渡镜片。
所述第四镜框上设置有一个平面镜，平面镜为参考镜片。
本发明的有益效果：
1.本方案采用四倍频(即光程差为移动距离的四倍)激光尺作为测量元件，经光路改变后因增加直角镜可实现光程差倍增，即光程差为移动距离的八倍，使得测量分辨率提高一倍，测量精度更高。
2.本方案采用直角镜作为目标反射镜，因为当入射角垂直于直角镜斜面时，直角镜反射光路与入射光路相互平行，而与入射角大小无关，所以当待测运动件存在偏转运动时依然可测得运动位移。克服了平面反射镜在存在偏转条件下无法测量的缺陷。
3.本方案为实现XYθ三个方向位移同时测量，采用精确测量三个点线位移的方式，转角的测量可由计算间接得出，而非直接测量。
4.激光尺A，激光尺B安装在待测运动部件的同侧，可消除因运动部件的转动带来的直角镜内光程变化误差值；激光尺A，激光尺B安装在待测运动部件的异测则会倍增这种误差。
附图说明
图1为现有激光尺原理图；
图2为待测运动部件线位移及角位移变化模拟图；
图3为XYθ三自由度精密激光检测原理图；
图4为XYθ三自由度精密激光检测装置实例图；
图5a X向过渡镜架组件俯视图；
图5b X向过渡镜架组件仰视图；
图5c X向过渡镜架组件三维示意图；
图5d X向过渡镜架组件正视图；
图5e X向过渡镜架组件侧视图；
图6a Y向过渡镜架组件正视图；
图6b Y向过渡镜架组件侧视图；
图6c Y向过渡镜架组件三维示意图；
图6d Y向过渡镜架组件俯视图；
图7为直角镜架组件结构示意图；
图中，1.激光尺C 2.Y向过渡镜架组件 3.待测件固定部分 4.激光尺A 5.激光尺B6.X向过渡镜架组件 7.运动平台 8.直角镜架组件，11.分束器，12.第一四分之一玻片，13.目标镜片，14.参考镜片，15.第二四分之一玻片，16.反光镜，17.角锥镜；
6-1.第一镜框，6-2.第一平面镜，M1 6-3.X向镜架，6-4.第二平面镜M2，6-5.第二镜框，6-6.第五平面镜M5，6-7.第三镜框，6-8.第四平面镜M4，6-9.第三平面镜M3；
2-1.第七平面镜M7，2-2.第七平面镜M8，2-3.第四镜框，2-4.Y向镜架，2-5.第六平面镜M6，2-6.第五镜框；
8-1.第五直角镜R5，8-2.第六直角镜R6，8-3.第六镜框，8-4.第七镜框，8-5.第四直角镜R4，8-6.第三直角镜R3，8-7.第八镜框 8-8.第二直角镜R2，8-9.第一直角镜R1，8-10支撑架；
图3中：M1代表第一平面镜M1，M2代表第二平面镜M2，M3代表第三平面镜M3，M4代表第四平面镜M4，M5代表第五平面镜M5，M6代表第六平面镜M6，M7代表第七平面镜M7，M8代表第八平面镜M8，R1代表第一直角镜R1，R2代表第二直角镜R2，R3代表第三直角镜R3，R4代表第四直角镜R4，R5代表第五直角镜R5，R6代表第六直角镜R6。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行详细说明：
一种XYθ三自由度精密激光检测装置实例，其结构如图3-4所示，包括：激光尺C1，Y向过渡镜架组件2，待测件固定部分3，激光尺A4激光尺B 5，X向过渡镜架组件6，运动平台7，直角镜架组件8。
如图7所示，直角镜架组件8包括：第五直角镜R5(8-1)，第六直角镜R6(8-2)，第六镜框(8-3)，第七镜框(8-4)，第四直角镜R4(8-5)，第三直角镜R3(8-6)，第八镜框(8-7)，第二直角镜R2(8-8)，第一直角镜R1(8-9)，支撑架(8-10)。
如图5a-5e所示，X向过渡镜架组件6包括：第一镜框(6-1)，第一平面镜M1(6-2)，X向镜架(6-3)，第二平面镜M2(6-4)，第二镜框(6-5)，第五平面镜M5(6-6)，第三镜框(6-7)，第四平面镜M4(6-8)，第三平面镜M3(6-9)。
如图6a-6d，Y向过渡镜架组件2包括；第七平面镜M7(2-1)，第八平面镜M8(2-2)，第四镜框(2-3)，Y向镜架(2-4)，第六平面镜M6(2-5)，第五镜框(2-6)。
直角镜架组件8与运动平台7相连；X向过渡镜架组件6与待测件固定部分3相连；Y向过渡镜架组件2与待测件固定部分3相连。
第一平面镜M1(6-2)，第二平面镜M2(6-4)，第三平面镜M3(6-9)，第四平面镜M4(6-8)，第五平面镜M5(6-6)分别与X向过渡镜架支撑相连。
第一直角镜R18-9)，第二直角镜R2(8-8)，第三直角镜R3(8-6)，第四直角镜R4(8-5)，第五直角镜R5(8-1)，第六直角镜R6(8-2)分别与直角镜架支撑相连。
第六平面镜M6(2-5)，第七平面镜M7(2-1)，第八平面镜M8(2-2)分别与Y向过渡镜架支撑相连。
第一直角镜R18-9)，第二直角镜R2(8-8)，第三直角镜R3(8-6)，第四直角镜R4(8-5)，第五直角镜R5(8-1)，第六直角镜R6(8-2)结构完全相同。
第一平面镜M1(6-2)，第二平面镜M2(6-4)，第三平面镜M3(6-9)，第四平面镜M4(6-8)，第五平面镜M5(6-6)位于运动平台7的同侧；
第一直角镜R18-9)，第二直角镜R2(8-8)，第三直角镜R3(8-6)，第四直角镜R4(8-5)的斜面外法线同向。
第一平面镜M1(6-2)，第二平面镜M2(6-4)，第三平面镜M3(6-9)，第四平面镜M4(6-8)，第五平面镜M5(6-6)相互平行或共面。
第一直角镜R18-9)，第二直角镜R2(8-8)，第三直角镜R3(8-6)，第四直角镜R4(8-5)斜面共面；第五直角镜R5(8-1)，第六直角镜R6(8-2)的斜面共面。
第一平面镜M1(6-2)，第二平面镜M2(6-4)，第三平面镜M3(6-9)，第四平面镜M4(6-8)，第五平面镜M5(6-6)分别与第六平面镜M6(2-5)，第七平面镜M7(2-1)，第八平面镜M8(2-2)垂直。
第一直角镜R18-9)，第二直角镜R2(8-8)，第三直角镜R3(8-6)，第四直角镜R4(8-5)的斜面分别与第五直角镜R5(8-1)，第六直角镜R6(8-2)的斜面垂直。直角镜斜面为直角三角形其斜边所在的面。
第一平面镜M1(6-2)，第二平面镜M2(6-4)，第六平面镜M6(2-5)为参考镜片。
第一直角镜R18-9)，第二直角镜R2(8-8)，第三直角镜R3(8-6)，第四直角镜R4(8-5)，第五直角镜R5(8-1)，第六直角镜R6(8-2)为目标镜片。
第三平面镜M3(6-9)，第四平面镜M4(6-8)，第五平面镜M5(6-6)，第七平面镜M7(2-1)，第八平面镜M8(2-2)为光路过渡镜片。
下面结合图2-图7描述根据本发明XYθ三自由度精密激光检测装置实施例的工作过程。
参考图1所示，图1为现有四频程激光尺原理图不属于本发明内容。下面简要叙述该激光尺原理，入射光A0依次经分光镜11，平面反射镜16，第二四分之一玻片15，参考镜片14，第二四分之一玻片5，分束器11，角锥镜17，分束器11，反光镜16，第二四分之一玻片15，参考镜片14，第二四分之一玻片15，分束器11形成参考光束A1；入射光A0依次经分束器11，第一四分之一玻片12，目标镜片13，第一四分之一玻片12，分束器11，角锥镜17，分束器11，第一四分之一玻片12，目标镜片13，第一四分之一玻片12，分束器11形成入射目标光束A2；参考光束A1与目标光束A2相互干涉经感光元件等后续处理可实现精密测位移。
参考图2所示，待测运动平台存在XYθ三个自由度移动，实线为运动前位置，虚线为运动后位置，A,B,C为待检测点；所述A点，B点中点与平台旋转中心O1点连线平行于X方向，所述C点与平台旋转中心O1点连线平行于Y方向；所述C点与O1点距离为L，所述A点与B点距离为d，所述A点延X方向运动距离为s1,所述B点延X方向运动距离为s2,所述C点延Y方向运动距离为s3；根据运动学关系可求得运动平台z向转角θz，运动平台X向位移x,运动平台Y向运动位移y，如下：
参考图3所示，描述XYθ三自由度精密激光检测原理如下，激光尺为现有技术已做简要描述，在此不进行赘述。
入射光路A0依次经激光尺A4，第一平面镜M1(6-2)，激光尺A4，第一平面镜M1(6-2)，激光尺A4，形成参考光束A1；入射光路A0依次经激光尺A4，第二直角镜R2(8-8)，第四平面镜M4(6-8)，第二直角镜R2(8-8)，激光尺A4，第一直角镜R1(8-9)，第三平面镜M3，第一直角镜R1(8-9)，激光尺A4，形成入射目标光束A2；参考光束A1与目标光束A2相互干涉经感光元件等后续处理可实现精密测得A点延X方向运动距离为s1；
入射光路B0依次经激光尺B5，第二平面镜M2(6-4)，激光尺B5，第二平面镜M2(6-4)，激光尺B5，形成参考光束B1；入射光路B0依次经激光尺B5，第四直角镜R4(8-5)，第五平面镜M5(6-6)，第四直角镜R4(8-5)，激光尺B5，第三直角镜R3(8-6)，第四平面镜M4(6-8)，第三直角镜R3(8-6)，激光尺B5，形成入射目标光束B2；参考光束B1与目标光束B2相互干涉经感光元件等后续处理可实现精密测得B点延X方向运动距离为s2；
入射光路C0依次经激光尺C1，第六平面镜M6(2-5)，激光尺C1，第六平面镜M6(2-5)，激光尺C1，形成参考光束C1；入射光路C0依次经激光尺C1，第六直角镜R6(8-2)，第八平面镜M8，第六直角镜R6(8-2)，激光尺C1，第五直角镜R5(8-1)，第七平面镜M7(2-1)，第五直角镜R5(8-1)，激光尺C1，形成入射目标光束C2；参考光束C1与目标光束C2相互干涉经感光元件等后续处理可实现精密测得C点延Y方向运动距离为s3。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (9)
1.一种三自由度精密激光检测装置，其特征是，包括：直角镜架组件、X向过渡镜架组件、Y向过渡镜架组件、激光尺A、激光尺B及激光尺C；
所述直角镜架组件设置在运动平台上，所述运动平台设置在待测件固定底座上，所述待测件固定底座的一个侧面通过Y向过渡镜架组件与激光尺C相连，和与激光尺C相连的固定底座的一个侧面相邻的另一个固定底座的侧面通过X向过渡镜架组件分别与激光尺B及激光尺A相连；三个不同的入射光路分别经过对应的激光尺、过渡镜架组件及直角镜架组件形成参考光束及目标光束，对参考光束及目标光束进行处理得到相应测点的运动距离s1、s2及s3，根据该运动距离s1、s2及s3得运动平台z向转角θz，运动平台X向位移x,运动平台Y向运动位移y；
所述三个不同的入射光路分别经过对应的激光尺、过渡镜架组件及直角镜架组件形成参考光束及目标光束，对参考光束及目标光束进行处理得到相应测点的运动距离s1、s2及s3，具体为；
入射光路经过激光尺A、直角镜架组件、X向过渡镜架组件形成参考光束及目标光束，参考光束与目标光束相互干涉经感光元件处理可实现测得A点延X方向运动距离为s1；
入射光路经过激光尺B、直角镜架组件、X向过渡镜架组件形成参考光束及目标光束，参考光束与目标光束相互干涉经感光元件处理可实现测得B点延X方向运动距离为s2；
入射光路经过激光尺C、直角镜架组件、Y向过渡镜架组件形成参考光束及目标光束，参考光束与目标光束相互干涉经感光元件处理可实现测得C点延Y方向运动距离为s3。
2.如权利要求1所述的一种三自由度精密激光检测装置，其特征是，所述根据该运动距离s1、s2及s3得运动平台z向转角θz，运动平台X向位移x,运动平台Y向运动位移y，其计算公式为：
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其中，A,B,C为待检测点；A点，B点中点与平台旋转中心O1点连线平行于X方向，所述C点与平台旋转中心O1点连线平行于Y方向；C点与O1点距离为L，A点与B点距离为d，A点延X方向运动距离为s1,B点延X方向运动距离为s2,C点延Y方向运动距离为s3。
3.如权利要求1所述的一种三自由度精密激光检测装置，其特征是，所述直角镜架组件包括支撑架，所述支撑架的一个侧面设置有第六镜框，第六镜框上设置有两个直角镜，与第六镜框所在侧面相邻的另一个支撑架的侧面上设置有第七镜框及第八镜框，所述第七镜框及第八镜框上也分别设置有两个直角镜。
4.如权利要求3所述的一种三自由度精密激光检测装置，其特征是，所述直角镜为目标镜片；
所述支撑架上设置有两个方孔。
5.如权利要求1所述的一种三自由度精密激光检测装置，其特征是，所述X向过渡镜架组件包括X向镜架，所述X向镜架的上面上设置有第一镜框及第二镜框，所述第一镜框及第二镜框上分别设置有一个平面镜，所述X向镜架的下面上设置有第三镜框，第三镜框上从左至右依次设置有三个平面镜。
6.如权利要求5所述的一种三自由度精密激光检测装置，其特征是，所述第三镜框上从左至右依次设置有三个平面镜，三个平面镜为光路过渡镜片；
所述第一镜框及第二镜框上分别设置有一个平面镜，平面镜为参考镜片；
所述X向镜架上设置有两个方孔。
7.如权利要求1所述的一种三自由度精密激光检测装置，其特征是，所述Y向过渡镜架组件包括Y向镜架，所述Y向镜架的上面上设置有第四镜框，所述第四镜框上设置有一个平面镜，所述Y向镜架的下面上设置有第五镜框，所述第五镜框上从左至右依次设置有二个平面镜。
8.如权利要求7所述的一种三自由度精密激光检测装置，其特征是，所述Y向镜架设置有一个方孔；
所述第五镜框上从左至右依次设置有二个平面镜，二个平面镜为光路过渡镜片；
所述第四镜框上设置有一个平面镜，平面镜为参考镜片。
9.如权利要求3所述的一种三自由度精密激光检测装置，其特征是，所述第七镜框及第八镜框上也分别设置有两个直角镜，所述直角镜的斜面相互平行或共面；
第六镜框上设置有两个直角镜，所述直角镜的斜面相互平行或共面。
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