CN105841650A - 用激光干涉仪检测高精度触发式测头重复精度的装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用激光干涉仪检测高精度触发式测头重复精度的装置及检测方法，包括：设置于水平工作面上的载物台、能够往复运动的自动滑台、用于计算得出触发式测头重复精度的信号处理模块、用于分别测量自动滑台运动位置坐标的触发式测头和激光干涉仪线性测量组件；所述的触发式测头和激光干涉仪线性测量组件用于分别将测得的位置坐标值记录，并传输给测头信号处理模块。本发明所述的用激光干涉仪检测高精度触发式测头重复精度的装置及检测方法，有效的避免了在机测量中预行程误差及测量余弦误差，以便对高精度触发式测头精度的分析和误差补偿。

Description

用激光干涉仪检测高精度触发式测头重复精度的装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种高精度触发式测头重复精度领域，具体涉及一种用激光干涉仪检测高精度触发式测头重复精度的装置及检测方法。

背景技术

目前，精密测头的发展有悠久的历史，最早能够追溯到上世纪20年代电感测微仪的出现；但真正快速发展却得益于上世纪50年代末三坐标测量机出现。迄今,精密测头通常分为接触式测头与非接触式测头两种,其中接触式测头又分为机械式测头、触发式测头和扫描式测头；非接触式测头分为激光测头和光学视频测头。

机械式测头又称接触式硬测头,是精密量仪使用较早的一种测头。通过测头测端与被测工件直接接触进行定位瞄准而完成测量，主要用于手动测量。该类测头结构简单、操作方便，但精度不高，很难满足当前数控精密量仪的要求，除了个别场合，目前这种测头已很少使用。

目前市面上广泛存在的精密测头是触发式测头。第一个触发式测头于1972年由英国Renishaw公司研制。触发式测头的测量原理是当测头测端与被测工件接触时精密量仪发出采样脉冲信号，并通过仪器的定位系统锁存此时测端球心的坐标值，以此来确端定测与被测工件接触点的坐标。该类测头具有结构简单、使用方便、制作成本低及较高触发精度等优点，是三维测头中应用最广泛的测头。但该类测头也存在各向异性(三角效应)、预行程等误差，限制了其测量精度的进一步提高，最高精度只能达零点几微米。在精密量仪上采用触发式测头进行测量时，通常是两点定线、三点定面、三点或四点定圆等方法，其实质是用几个点的坐标来确定理想几何要素的尺寸大小。

激光干涉仪是以光波为载体，以光波波长为单位的一种计量测量方法，具有测量精度高、测量速度快、测量范围大等优点。通过与不同光学组件结合，能够实现对直线度、垂直度、角度、平面度、平行度等几何精度的测量。其工作原理是由激光器发射单一频率光束射入线性干涉镜，然后分成两道光束，一道光束作为参考光束射向连接分光镜的反射镜，而第二道透射光束为测量光束则通过分光镜射入第二个反射镜，这两道光束再反射回到分光镜，重新汇聚之后返回激光器，其中会有一个探测器检测两道光束之间的干涉。若光程差没有变化时，探测器会在相长性和相消性干涉的两极之间找到稳定的信号。若光程差有变化时，探测器会在每一次光程变化时，在相长性和相消性干涉的两极之间找到变化信号，这些变化会被计算并用来测量两个光程之间的差异变化，以此实现对相关几何精度的测量。

从整体上考察，近年来无论哪类精密测头主要向着精度更高、尺寸更小、互换性更好、综合功能更强、数字化的方向发展。由于触发式测头成本低、结构简单，并能满足常用的测量要求，在一定时期内仍是市场上应用最多的测头，其发展方向是尺寸小、集成度高、精度高、各向异性小。目前，Renishaw公司占据了该类测头全世界90％的市场，在近期内这种状况还不会得到改变。

高精度触发式测头的测量不确定度主要由三部分误差组成，即机械复位机构的复位误差，触球的球度误差和传感器的发讯误差，对触发式测头精度检测往往是很难的，目前国内的检测基本为在机测量，考虑到在机检测所处环境的复杂性，对测头精度的分析和误差补偿技术的研究有待进一步地深入。在机检测触发式测头系统的误差来源也是多方面的，比如测量预行程误差、测量余弦误差等，只能通过大量的实验来测定各种测量参数对在机检测测头精度的影响，因此人们急需一种便于测量高精度触发式测头重复精度的装置及检测方法。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种用激光干涉仪检测高精度触发式测头重复精度的装置及检测方法，用于解决现有的高精度触发式测头，在机测量中存在所处环境的复杂性，比如测量预行程误差、测量余弦误差等缺点。本发明采用的技术手段如下：

一种用激光干涉仪检测高精度触发式测头重复精度的装置，包括：设置于水平工作面上的载物台、能够往复运动的自动滑台、用于计算得出触发式测头重复精度的信号处理模块、用于分别测量自动滑台运动位置坐标的触发式测头和激光干涉仪线性测量组件；所述的触发式测头和激光干涉仪线性测量组件用于分别将测得的位置坐标值记录，并传输给测头信号处理模块。

作为优选所述的触发式测头底部设置有用于接触自动滑台的测针，所述的触发式测头位于自动滑台的上方，固定于载物台的架体上。

作为优选所述的所述激光干涉仪线性测量组件包括线性测量组件和移动测量镜组；所述激光干涉仪线性测量组件的线性测量组件固定在载物台上，移动测量镜组固定在自动滑台上。

作为优选所述的测头信号处理模块为英特尔X64或X86系列中央处理器。

一种检测方法，包括以下步骤：

—自动滑台在载物台上往复运动。

—触发式测头测量自动滑台的位置坐标信息，并记录。

—激光干涉仪线性测量组件测量自动滑台的位置坐标信息，并记录。

—触发式测头和激光干涉仪线性测量组件不断将测得的运动位置坐标值信息传输给测头信号处理模块，计算得出触发式测头的重复精度。

作为优选当自动滑台往复运动，触发式测头底部的测针同自动滑台接触，测头信号触发，并记录位置坐标值。

作为优选所述重复精度的计算公式为：

σ²＝∑(X_i-X_bar)²/n (1)

其中，i＝1,2,3……n，X_bar为平均值；单位为μm；Min为样本中最小值；Max为样本中最大值；2*σ为样本的2倍标准差；σ为标准偏差；2σ使用正态分布95％置信水平估计。

与现有技术相比较，本发明所述的用激光干涉仪检测高精度触发式测头重复精度的装置及检测方法，具有用于分别测量自动滑台运动位置坐标的触发式测头和激光干涉仪线性测量组件；所述的触发式测头和激光干涉仪线性测量组件用于分别将测得的位置坐标值记录，并传输给测头信号处理模块，计算得出触发式测头重复精度，有效的避免了在机测量中预行程误差及测量余弦误差，以便对高精度触发式测头精度的分析和误差补偿。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的结构示意图。

图2是国外产品测得数据图。

图3是国内产品测得数据图。

其中：1、载物台，2、自动滑台，3、触发式测头，4、测针，5、激光干涉仪线性测量组件，6、测头信号处理模块。

具体实施方式

如图1所示，一种用激光干涉仪检测高精度触发式测头重复精度的装置，包括：设置于水平工作面上的载物台1、能够往复运动的自动滑台2、用于计算得出触发式测头3重复精度的信号处理模块6、用于分别测量自动滑台2运动位置坐标的触发式测头3和激光干涉仪线性测量组件5；所述的触发式测头3和激光干涉仪线性测量组件5用于分别将测得的位置坐标值记录，并传输给测头信号处理模块6。

所述的触发式测头3底部设置有用于接触自动滑台2的测针4，所述的触发式测头3位于自动滑台2的上方，固定于载物台1的架体上。

所述的所述激光干涉仪线性测量组件5包括线性测量组件和移动测量镜组；所述激光干涉仪线性测量组件5的线性测量组件固定在载物台1上，移动测量镜组固定在自动滑台2上，即移动端的自动滑台2上固定反射镜，固定端的载物台1上固定分光镜。

所述的测头信号处理模块6为英特尔X64或X86系列中央处理器，将信号传输到计算机，计算机上有一个数据采集及处理软件的“上位机软件”进行处理。

本发明装置特点在于整体结构设计简单，能有效的降低成本，减少实验人员的工作量，安装方便，占用空间小，能够通过测试准确地对触发式测头的重复精度进行检测。

一种检测方法，包括以下步骤：

—自动滑台2在载物台1上往复运动。

—触发式测头3测量自动滑台2的位置坐标信息，并记录。

—激光干涉仪线性测量组件5测量自动滑台2的位置坐标信息，并记录；当自动滑台2往复运动，触发式测头3底部的测针4同自动滑台2接触，测头信号触发，并记录位置坐标值。

—触发式测头3和激光干涉仪线性测量组件5不断将测得的运动位置坐标值信息传输给测头信号处理模块6，计算得出触发式测头3的重复精度。

所述重复精度的计算公式为：

σ²＝∑(X_i-X_bar)²/n (1)

其中，i＝1,2,3……n，X_bar为平均值；单位为μm；Min为样本中最小值；Max为样本中最大值；2*σ为样本的2倍标准差；σ为标准偏差，它反映了数据相对于平均值的离散程度。用途：估算样本的标准偏差。2σ使用正态分布95％置信水平估计。

激光干涉仪反馈为纳米级，通过对“上位机软件”进行设置，最终显示的分辨率达到纳米级，这样计算出来的数据更为准确及可靠。

通过以上的检测方法就能够测得高精度触发式测头的重复精度。该方法的优点是整体结构设计简单，能有效的降低成本，减少实验人员的工作量，安装方便，占用空间小，能够通过测试准确地对触发式测头的重复精度进行检测。

通过在实验室内对国内外触发式测头产品用以上检测装置进行检测所测得的可靠数据。图2为对国外产品所测得的数据，其中：Min＝-0.394、Max＝0.556、2*σ＝0.3722；图3为对国内产品所测得的数据。其中：Min＝-0.95、Max＝0.748、2*σ＝0.94589。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用激光干涉仪检测高精度触发式测头重复精度的装置，其特征在于包括：

设置于水平工作面上的载物台(1)、

能够往复运动的自动滑台(2)、

用于计算得出触发式测头(3)重复精度的信号处理模块(6)、

用于分别测量自动滑台(2)运动位置坐标的触发式测头(3)和激光干涉仪线性测量组件(5)；

所述的触发式测头(3)和激光干涉仪线性测量组件(5)用于分别将测得的位置坐标值记录，并传输给测头信号处理模块(6)。

2.根据权利要求1所述的用激光干涉仪检测高精度触发式测头重复精度的装置，其特征在于：

所述的触发式测头(3)底部设置有用于接触自动滑台(2)的测针(4)，所述的触发式测头(3)位于自动滑台(2)的上方，固定于载物台(1)的架体上。

3.根据权利要求1或2所述的用激光干涉仪检测高精度触发式测头重复精度的装置，其特征在于：

所述的所述激光干涉仪线性测量组件(5)包括线性测量组件和移动测量镜组；

所述激光干涉仪线性测量组件(5)的线性测量组件固定在载物台(1)上，移动测量镜组固定在自动滑台(2)上。

4.根据权利要求1或2所述的用激光干涉仪检测高精度触发式测头重复精度的装置，其特征在于：

所述的测头信号处理模块(6)为英特尔X64或X86系列中央处理器。

5.一种检测方法，其特征在于包括以下步骤：

—自动滑台(2)在载物台(1)上往复运动；

—触发式测头(3)测量自动滑台(2)的位置坐标信息，并记录；

—激光干涉仪线性测量组件(5)测量自动滑台(2)的位置坐标信息，并记录；

—触发式测头(3)和激光干涉仪线性测量组件(5)不断将测得的运动位置坐标值信息传输给测头信号处理模块(6)，计算得出触发式测头(3)的重复精度。

6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于：

当自动滑台(2)往复运动，触发式测头(3)底部的测针(4)同自动滑台(2)接触，测头信号触发，并记录位置坐标值。

7.根据权利要求5或6所述的检测方法，其特征在于：

所述重复精度的计算公式为：

σ²＝∑(X_i-X_bar)²/n (1)

其中，i＝1,2,3……n，X_bar为平均值；单位为μm；Min为样本中最小值；Max为样本中最大值；2*σ为样本的2倍标准差；σ为标准偏差；2σ使用正态分布95％置信水平估计。