CN105547344B - 一种测试设备校准装置及其校准方法 - Google Patents
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Abstract
一种测试设备校准装置及其校准方法，本发明属于几何量计量测试设备，解决现有大尺寸测试设备校准装置存在的投资额大，功能单一，不利于推广应用的问题，用于几何量大尺寸设备综合校准。本发明的测试设备校准装置，包括导轨、激光干涉仪、头座、工作台、尾座和处理器；本发明的校准方法利用高精度五维激光干涉仪的精密测长、两维测角及两维自准直功能，精确给出以不同姿态安装在导轨上的实物标准器(或标靶)处于相应位置的特征量；本发明解决了大型专用测试设备技术状态和检测结果准确性得不到有效的控制的问题，为产品研制和产品的质量提升提供快速准确的计量保障。
Description
技术领域
本发明属于几何量计量测试设备，具体涉及一种测试设备校准装置及其校准方法，用于几何量大尺寸设备综合校准。
背景技术
现有用于几何量大尺寸测试设备校准的标准装置均采用重型花岗岩精密基线导轨系统作为运行平台，该系统需要近千万资金投入，且功能不全(缺测长机所具有的内尺寸与外尺寸精确测量功能以及线纹比较仪所具有的刻线间距精确测量功能，)不利于推广应用；而成熟的测长机和线纹比较仪等设备测量范围小，功能单一，无法解决形式多样复杂且量大面广的各类专用测试设备的校准与核查难题。
为清楚理解本发明，设立XYZ空间直角坐标系，如图1所示，原点为O，XOZ平面和纸面重合，X轴为纸面左右水平方向，Z轴与X轴垂直，为纸面上下方向，Y轴垂直于XOZ平面(纸面)；同时，定义在XOZ平面内绕原点O(Y轴)的旋转角称为偏摆角α；定义在YOZ平面内绕原点O(X轴)的的旋转角称为俯仰角β。
本发明中，测长类大尺寸测试设备是指测量范围在0～18m的内径千分尺、拉杆尺、伸缩尺等用于长度尺寸测量的大尺寸计量器具和大型产品制造安装调试与检验用的专用工装及专用量规等生产检验共用的几何量大型专用测量设备。
线纹类大尺寸测试设备是指测量范围在0～100m的光栅尺、标准钢卷尺、磁栅、容栅、编码器、感应同步器标尺、殷钢尺、基线尺、线纹尺、因瓦水准标尺、专用划线钢带和测量范围在0～18m的碳纤维标准尺、金属标尺平面图像标准尺、三维测量设备专用标准尺等。
大尺寸三维测试设备是指具有空间三维坐标测量和不规则形面测量功能的激光几何量测量系统、三维扫描测量系统、三维影像测量系统、全站仪工业测量系统、激光跟踪仪测量系统、激光雷达测量系统等测量范围不小于5m的空间大尺寸测量系统设备。
发明内容
本发明提供一种测试设备校准装置，同时提供利用该校准装置对测试设备的校准方法，解决现有大尺寸测试设备校准装置存在的投资额大，功能单一，不利于推广应用的问题。
本发明所提供的一种测试设备校准装置，包括导轨、激光干涉仪、头座、工作台、尾座和处理器，所述导轨沿X轴方向固定设置，导轨左右两端分别固定有激光干涉仪的激光头和尾座，导轨上激光头和尾座之间自左向右依次安装有头座和工作台，所述头座和工作台各自分别能够沿导轨水平移动，其特征在于：
所述激光干涉仪为五维激光干涉仪，包括激光头、反射镜和光电接收靶，能够同步实时测量显示出头座沿导轨移动时的线性距离、移动轨迹在XOY平面投影的直线度、移动轨迹在XOZ平面投影的直线度、偏摆角α和俯仰角β共5个参量；
所述头座沿Z轴方向垂直于导轨，头座的左侧面和顶面分别装有激光干涉仪的反射镜和光电接收靶；头座的右侧面装有工业COMS相机和活动测量头，所述活动测量头和头座的右侧面之间装有压力传感器；
所述尾座的左侧面装有固定测杆，固定测杆左端部装有测头，测头能够沿X轴方向进行调整，并具有α角和β角的调整功能；工作时，将所述测头的测量轴线调整为与所述活动测量头的测量轴线同轴；
所述工作台为五维浮动工作台，能够相对于导轨沿X、Y、Z方向移动，并具有α角和β角的调整功能，以便于调整被校设备的状态；
所述激光头、压力传感器、工业COMS相机分别通过导线连接所述处理器，由处理器进行数据采集和处理。
利用所述测试设备校准装置对测长类大尺寸测试设备的校准方法，包括下述步骤：
一、调整激光头，使其光轴与导轨轴线平行，激光头光轴作为基准轴线，并记录被校设备轴线与基准轴线间的距离H1，所述被校设备轴线为活动测量头和测头的轴线；
二、沿X轴驱动头座，使得活动测量头与尾座上固定测杆的测头接触，将所述测头测量轴线调整为和所述活动测量头的测量轴线同轴后通过处理器设置为初始零位；
三、再将头座沿导轨轴线向左移动，至活动测量头与测头之间距离为A0+200mm，其中A0为被校设备轴向长度标称值，然后通过相应的工装夹具将被校设备沿其轴向安装在五维浮动工作台上；
四、向右驱动头座，使得活动测量头和测头分别与被校设备左右两端面接触，沿X、Y、Z、α、β五维方向调整工作台，使被校设备测量轴线与校准装置的基准轴线同轴或平行；
五、通过激光干涉仪采集头座沿X轴移动时的线性距离Li、移动轨迹在XOY平面投影的直线度ΔZi、移动轨迹在XOZ平面投影的直线度ΔYi、俯仰角β共4维参量，计算被校设备轴向长度L：
六、将头座(3)沿导轨轴线向左移动，与被校设备分离，再重复步骤四和步骤五3～5次，以多次计算L值的算术平均值为最终校准结果。
利用所述测试设备校准装置对线纹类大尺寸测试设备的校准方法，包括下述步骤：
一、调整激光头，使其光轴与导轨轴线平行，激光头光轴作为基准轴线；
二、向左驱动头座至极限位置，将被校设备安置在导轨的工作台面上，沿Y方向调整被校设备测量轴线，使其与基准轴线同轴或平行，记录被校设备测量轴线与基准轴线间的距离H2，所述被校设备测量轴线为线纹类大尺寸测试设备轴线；
三、沿X方向驱动头座并沿Z方向调整工业COMS相机，使得被校设备的全部刻线或校准点均能清晰成像在工业COMS相机的显示屏上；
四、沿X方向驱动头座，使COMS相机瞄准被校设备零位位置后通过处理器设置为初始零位；
五、依次沿X方向驱动头座至被校设备相应的刻线或校准点位置，采集头座沿X轴移动时的线性距离Di、移动轨迹在XOY平面投影的直线度ΔZi、移动轨迹在XOZ平面投影的直线度ΔYi、俯仰角β共4维参量，计算被校设备两个刻线或校准点之间距离D：
六、重复步骤四和步骤五1～3次，以多次计算D值的算术平均值为最终校准结果。
利用所述测试设备校准装置对大尺寸三维测试设备的校准方法，包括下述步骤：
一、调整激光头，使其光轴与导轨轴线平行，激光头光轴作为基准轴线；
二、将被校设备安放在校准装置导轨的左端或右端，并调整被校设备的位置，使其轴线与基准轴线同轴或平行；同时将被校设备的靶球或目标靶固定在头座上，使得被校设备处于工作状态并记录被校设备轴线与基准轴线间的距离在XOY平面的投影H3和在XOZ平面的投影H4；
三、根据被校设备的工作行程，在导轨的全长范围内，间隔500mm～1000mm均匀设定校准点位置，驱动头座(3)至导轨上某一校准点位置，作为校准装置的初始位置，校准装置和被校设备分别清零；
四、从初始位置向左或向右依次驱动头座(3)至相应的校准点位置，实时采集头座(3)沿X轴移动时初始位置至各校准点位置的线性距离Ai、移动轨迹在XOY平面投影的直线度ΔZi、移动轨迹在XOZ平面投影的直线度ΔYi、偏摆角α和俯仰角β共5维参量，计算初始位置至各校准点位置的线性距离A；
同时记录被校设备所测量的头座(3)沿X轴移动时初始位置至各校准点位置的线性距离Bi，i＝1、2、…、n，n为校准点的数量；
最后得到各校准点的示值误差Δi＝Bi-A；
五、重复步骤四3～5次，以多次示值误差Δi的算术平均值为各校准点的最终示值误差；
六、分别将被校设备安放在Z向的三个不同高度位置，使得被校设备距离基准轴线2m以上，且被校设备轴线垂直于基准轴线，按步骤四和步骤五得到三个不同位置的最终示值误差。
本发明利用高精度五维激光干涉仪、金属滑动导轨，通过系统集成构成具有激光干涉仪、测长机、线纹比较仪等精密仪器相关功能的多功能专用测试设备校准装置；多功能专用测试设备校准装置需要高精度的运行导轨，本发明采用普通金属直线导轨替代价值昂贵的花岗岩精密基线导轨。因此，如何保证和提升金属直线导轨的运行精度，是须解决突破的一个技术难点和关键技术。本发明在条件许可的情况下尽可能选用高品质的金属直线导轨，首先从硬件上保证其运行精度；以此为前提，再利用高精度五维激光干涉仪所具有的线性长度、偏摆角、俯仰角、直线度指标同步测量显示的特性，实时监测导轨滑动机构的运行精度，并通过测量分析处理软件对运行精度进行补偿或滑动机构的手动维调来提升校准装置的运行精度。
本发明校准方法的总体思想是：利用高精度五维激光干涉仪的精密测长、两维测角及两维自准直功能，精确给出通过专用测量工装或五维浮动工作台以不同姿态安装在导轨移动装置上的实物标准器(或标靶)处于相应位置的特征量；将被校准或核查的空间大尺寸测量系统和生产检验共用的大型专用测量设备分别安置在五维激光干涉仪的基准轴线位置和垂直于基准轴线的不同高度位置上，分别与校准/核查装置同步获取实物标准器(或标靶)处于各个位置时的特征量；通过测量分析软件实时分析比较被校准/核查设备获取的特征量与校准/核查装置所给出的标准特征量的差别来评定被校准/核查设备的精度性能。
本发明能够对产品建造过程中使用的各类大尺寸测量设备及时进行周期检定或校准以及使用前的精度确认与核查验证，用于控制各类型号产品生产检验共用的大型专用测量设备和空间大尺寸测量系统(大尺寸三维测量系统)的性能与精度指标，解决了大型专用测试设备技术状态和检测结果准确性得不到有效的控制的问题，为产品研制和产品的质量提升提供快速准确的计量保障。
附图说明
图1为XYZ空间直角坐标系示意图；
图2为本发明装置的主视图；
图3为本发明装置的俯视图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图2、图3所示，本发明所提供的一种测试设备校准装置，包括导轨1、激光干涉仪2、头座3、工作台4、尾座5和处理器6，所述导轨1沿X轴方向固定设置，导轨1左右两端分别固定有激光干涉仪2的激光头2A和尾座5，导轨上激光头2A和尾座5之间自左向右依次安装有头座3和工作台4，所述头座3和工作台4各自分别能够沿导轨1水平移动；
所述激光干涉仪2为五维激光干涉仪，包括激光头2A、反射镜2B和光电接收靶2C，能够同步实时测量显示出头座3沿导轨移动时的线性距离、移动轨迹在XOY平面投影的直线度、移动轨迹在XOZ平面投影的直线度、偏摆角α和俯仰角β共5个参量；
所述头座3沿Z轴方向垂直于导轨，头座3的左侧面和顶面分别装有激光干涉仪的反射镜2B和光电接收靶2C；头座3的右侧面装有工业COMS相机8和活动测量头9，所述活动测量头9和头座3的右侧面之间装有压力传感器9A；
所述尾座5的左侧面装有固定测杆10，固定测杆10左端部装有测头10A，测头10A能够沿X轴方向进行调整，并具有α角和β角的调整功能；工作时，将所述测头10A的测量轴线调整为与所述活动测量头9的测量轴线同轴；
所述工作台4为五维浮动工作台，能够相对于导轨沿X、Y、Z方向移动，并具有α角和β角的调整功能，以便于调整被测件的状态；
所述激光头2A、压力传感器9A、工业COMS相机8分别通过导线连接所述处理器6，由处理器6进行数据采集和处理。
实施例1，对测长类大尺寸测试设备(测量范围为70000mm～12000mm的伸缩尺的7000mm初始值)校准，包括下述步骤：
一、调整激光头2A，使其光轴与导轨轴线平行，激光头光轴作为基准轴线，并记录被校设备轴线与基准轴线间的距离H1＝100mm，所述被校设备轴线为活动测量头9和测头10A的轴线；
二、沿X轴驱动头座3，使得活动测量头9与尾座5上固定测杆10的测头10A接触，将所述测头10A测量轴线调整为和所述活动测量头9的测量轴线同轴后通过处理器6设置为初始零位；
三、再将头座3沿导轨轴线向左移动，至活动测量头9与测头10A之间距离为A0+200mm，其中A0为被校设备轴向长度标称值，然后通过相应的工装夹具将被校设备沿其轴向安装在五维浮动工作台4上；
四、向右驱动头座3，使得活动测量头9和测头10A分别与被校设备左右两端面接触，沿X、Y、Z、α、β五维方向调整工作台4，使被校设备测量轴线与校准装置的基准轴线同轴或平行；
五、通过激光干涉仪2采集头座3沿X轴移动时的线性距离Li＝7000.0016mm、移动轨迹在XOY平面投影的直线度ΔZi＝0.035mm、移动轨迹在XOZ平面投影的直线度ΔYi＝0.040mm、俯仰角β＝0.010mm/m共4维参量计算被校设备轴向长度L：
六、将头座(3)沿导轨轴线向左移动，与被校设备分离，再重复步骤四和步骤五3～5次，以多次计算L值的算术平均值为最终校准结果。
实施例2，对线纹类大尺寸测试设备(感应同步器标尺0～5000mm间距尺寸)的校准，包括下述步骤：
一、调整激光头2A，使其光轴与导轨轴线平行，激光头光轴作为基准轴线；
二、向左驱动头座3至极限位置，将被校设备安置在导轨1的工作台面上，沿Y方向调整被校设备测量轴线，使其与基准轴线同轴或平行，记录被校设备测量轴线与基准轴线间的距离H2＝400mm，所述被校设备测量轴线为线纹类大尺寸测试设备轴线；
三、沿X方向驱动头座3并沿Z方向调整工业COMS相机8，使得被校设备的全部刻线或校准点均能清晰成像在工业COMS相机的显示屏上；
四、沿X方向驱动头座3，使COMS相机8瞄准被校设备零位位置后通过处理器6设置为初始零位；
五、依次沿X方向驱动头座3至被校设备相应的刻线或校准点位置，采集头座3沿X轴移动时的线性距离Di＝5000.0265mm、移动轨迹在XOY平面投影的直线度ΔZi＝0.025mm、移动轨迹在XOZ平面投影的直线度ΔYi＝0.030mm、俯仰角β＝0.016mm/m共4维参量，计算被校设备两个刻线或校准点之间距离D：
六、重复步骤四和步骤五1～3次，以多次计算D值的算术平均值为最终校准结果。
实施例3，对大尺寸三维测试设备(激光雷达测量系统0～18000mm测量范围)的校准方法，包括下述步骤：
一、调整激光头2A，使其光轴与导轨轴线平行，激光头光轴作为基准轴线；
二、将被校设备安放在校准装置导轨的左端或右端，并调整被校设备的位置，使其轴线与基准轴线同轴或平行；同时将被校设备的靶球或目标靶固定在头座3上，使得被校设备处于工作状态并记录被校设备轴线与基准轴线间的距离在XOY平面的投影H3＝100mm，在XOZ平面的投影H4＝100mm；
三、根据被校设备激光雷达测量系统18000的工作行程，在导轨的全长范围内，每间隔1000mm设定一个校准点位置，共设定18个校准点位置，驱动头座3至导轨左端附近某一位置，作为校准装置和被校设备激光雷达测量系统的初始位置分别清零；
四、从初始位置向左或向右依次驱动头座3至1000mm、2000mm、……18000mm共18个校准点位置，实时采集头座3沿X轴移动时初始位置至各校准点位置的线性距离Ai、移动轨迹在XOY平面投影的直线度ΔZi、移动轨迹在XOZ平面投影的直线度ΔYi、偏摆角α和俯仰角β共5维参量，计算初始位置至各校准点位置的线性距离A；
同时记录被校设备所测量的头座3沿X轴移动时初始位置至各校准点位置的线性距离Bi，i＝1、2、…、18；
最后得到各校准点的示值误差Δi＝Bi-A；如表1所列：
表1
五、重复步骤四3次，以3次示值误差Δi的算术平均值为各校准点的最终示值误差；
六、分别将被校设备安放在Z向的三个不同高度位置，使得被校设备距离基准轴线2m以上，且被校设备轴线垂直于基准轴线，按步骤四和步骤五得到三个不同位置的最终示值误差。
Claims (4)
1.一种测试设备校准装置，包括导轨(1)、激光干涉仪(2)、头座(3)、工作台(4)、尾座(5)和处理器(6)，所述导轨(1)沿X轴方向固定设置，导轨(1)左右两端分别固定有激光干涉仪(2)的激光头(2A)和尾座(5)，导轨上激光头(2A)和尾座(5)之间自左向右依次安装有头座(3)和工作台(4)，所述头座(3)和工作台(4)各自分别能够沿导轨(1)水平移动，其特征在于：
所述激光干涉仪(2)为五维激光干涉仪，包括激光头(2A)、反射镜(2B)和光电接收靶(2C)，能够同步实时测量显示出头座(3)沿导轨移动时的线性距离、移动轨迹在XOY平面投影的直线度、移动轨迹在XOZ平面投影的直线度、偏摆角α和俯仰角β共5个参量；
所述头座(3)沿Z轴方向垂直于导轨，头座(3)的左侧面和顶面分别装有激光干涉仪的反射镜(2B)和光电接收靶(2C)；头座(3)的右侧面装有工业COMS相机(8)和活动测量头(9)，所述活动测量头(9)和头座(3)的右侧面之间装有压力传感器(9A)；
所述尾座(5)的左侧面装有固定测杆(10)，固定测杆(10)左端部装有测头(10A)，测头(10A)能够沿X轴方向进行调整，并具有α角和β角的调整功能；工作时，将所述测头(10A)的测量轴线调整为与所述活动测量头(9)的测量轴线同轴；
所述工作台(4)为五维浮动工作台，能够相对于导轨沿X、Y、Z方向移动，并具有α角和β角的调整功能，以便于调整被校设备的状态；
所述激光头(2A)、压力传感器(9A)、工业COMS相机(8)分别通过导线连接所述处理器(6)，由处理器(6)进行数据采集和处理。
2.利用权利要求1所述测试设备校准装置对测长类大尺寸测试设备的校准方法，包括下述步骤：
一、调整激光头(2A)，使其光轴与导轨轴线平行，激光头光轴作为基准轴线，并记录被校设备轴线与基准轴线间的距离H1，所述被校设备轴线为活动测量头(9)和测头(10A)的轴线；
二、沿X轴驱动头座(3)，使得活动测量头(9)与尾座(5)上固定测杆(10)的测头(10A)接触，将所述测头(10A)测量轴线调整为和所述活动测量头(9)的测量轴线同轴后通过处理器(6)设置为初始零位；
三、再将头座(3)沿导轨轴线向左移动，至活动测量头(9)与测头(10A)之间距离为A0+200mm，其中A0为被校设备轴向长度标称值，然后通过相应的工装夹具将被校设备沿其轴向安装在五维浮动工作台(4)上；
四、向右驱动头座(3)，使得活动测量头(9)和测头(10A)分别与被校设备左右两端面接触，沿X、Y、Z、α、β五维方向调整工作台(4)，使被校设备测量轴线与校准装置的基准轴线同轴或平行；
五、通过激光干涉仪(2)采集头座(3)沿X轴移动时的线性距离Li、移动轨迹在XOY平面投影的直线度ΔZi、移动轨迹在XOZ平面投影的直线度ΔYi、俯仰角β共4维参量，计算被校设备轴向长度L：
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六、将头座(3)沿导轨轴线向左移动，与被校设备分离，再重复步骤四和步骤五3～5次，以多次计算L值的算术平均值为最终校准结果。
3.利用权利要求1所述测试设备校准装置对线纹类大尺寸测试设备的校准方法，包括下述步骤：
一、调整激光头(2A)，使其光轴与导轨轴线平行，激光头光轴作为基准轴线；
二、向左驱动头座(3)至极限位置，将被校设备安置在导轨(1)的工作台面上，沿Y方向调整被校设备测量轴线，使其与基准轴线同轴或平行，记录被校设备测量轴线与基准轴线间的距离H2，所述被校设备测量轴线为线纹类大尺寸测试设备轴线；
三、沿X方向驱动头座(3)并沿Z方向调整工业COMS相机(8)，使得被校设备的全部刻线或校准点均能清晰成像在工业COMS相机的显示屏上；
四、沿X方向驱动头座(3)，使COMS相机(8)瞄准被校设备零位位置后通过处理器(6)设置为初始零位；
五、依次沿X方向驱动头座(3)至被校设备相应的刻线或校准点位置，采集头座(3)沿X轴移动时的线性距离Di、移动轨迹在XOY平面投影的直线度ΔZi、移动轨迹在XOZ平面投影的直线度ΔYi、俯仰角β共4维参量，计算被校设备两个刻线或校准点之间距离D：
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六、重复步骤四和步骤五1～3次，以多次计算D值的算术平均值为最终校准结果。
4.利用权利要求1所述测试设备校准装置对大尺寸三维测试设备的校准方法，包括下述步骤：
一、调整激光头(2A)，使其光轴与导轨轴线平行，激光头光轴作为基准轴线；
二、将被校设备安放在校准装置导轨的左端或右端，并调整被校设备的位置，使其轴线与基准轴线同轴或平行；同时将被校设备的靶球或目标靶固定在头座(3)上，使得被校设备处于工作状态并记录被校设备轴线与基准轴线间的距离在XOY平面的投影H3和在XOZ平面的投影H4；
三、根据被校设备的工作行程，在导轨的全长范围内，间隔500mm～1000mm均匀设定校准点位置，驱动头座(3)至导轨上某一校准点位置，作为校准装置的初始位置，校准装置和被校设备分别清零；
四、从初始位置向左或向右依次驱动头座(3)至相应的校准点位置，实时采集头座(3)沿X轴移动时初始位置至各校准点位置的线性距离Ai、移动轨迹在XOY平面投影的直线度ΔZi、移动轨迹在XOZ平面投影的直线度ΔYi、偏摆角α和俯仰角β共5维参量，计算初始位置至各校准点位置的线性距离A；
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同时记录被校设备所测量的头座(3)沿X轴移动时初始位置至各校准点位置的线性距离Bi，i＝1、2、…、n，n为校准点的数量；
最后得到各校准点的示值误差Δi＝Bi-A；
五、重复步骤四3～5次，以多次示值误差Δi的算术平均值为各校准点的最终示值误差；
六、分别将被校设备安放在Z向的三个不同高度位置，使得被校设备距离基准轴线2m以上，且被校设备轴线垂直于基准轴线，按步骤四和步骤五得到三个不同位置的最终示值误差。
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