CN106247989B - 一种导轨滚转角现场标定及测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种导轨滚转角现场标定及测量装置及方法，包括双频激光器及位于其出射光光路中的第一分光棱镜，分光棱镜的透射光及后置器件作为测量模块，得到滚转角引起的相位差变化；分光棱镜的反射光路经过高反镜组后的反射光及后置器件作为标定模块，得到滚转角引起的第二角锥棱镜位移变化，最终通过计算机的处理，得到测量系统的现场放大倍数，进而实现导轨滚转角的精确测量。本发明利用半径已知的旋转角位台，将滚转角转化成位移进行测量得到滚转角度变化，同测量模块的相位差一起，求得现场实际放大倍数，提高了滚转角测量系统的精度。

Description

一种导轨滚转角现场标定及测量装置及方法
技术领域
本发明属于角度的光电测量领域，具体涉及一种导轨滚转角现场标定及测量装置及方法。
背景技术
滚转角误差作为高档机床几何误差的重要部分，其精度是衡量机床性能与加工精度的重要参考指标之一，它的测量技术水平是高档机床进行误差补偿进而实现高精度加工的前提和基础。
机械导轨运动副一般存在三个方向的角度误差，即俯仰角误差、偏摆角误差和滚转角误差。其中，俯仰角和偏转角误差可通过高精度激光干涉仪进行测量，测量技术已经成熟并能达到很高的精度；对于滚转角误差，由于其误差方向与测量光束方向垂直，无法引入额外的光程差，因而滚转角的测量相对困难，目前国内外还处于一种研究和探索阶段。
当前，国、内外的滚转角测量方法研究以激光外差干涉偏振相位法为主，公开号为CN1335483A的专利在偏振相位法的基础上，利用1/2波片将原有方法灵敏度在非线性增强的基础上再提高4倍。公开号为CN102654392A和CN102818541A的专利，在前述专利基础上将多次反射法融入偏振光的滚转角测量中，较大程度地提高了其测量分辨率。但是由于上述方法的测量放大倍数与各个光学器件的方位角度相关，在现场测量时，光路的搭建对放大倍数影响较大。因此，在实际应用中，其测量精度也难以保证。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种导轨滚转角现场标定及测量装置及方法，能够现场测量系统的放大倍数，很大程度的提高测量精度。
为了达到上述目的，一种导轨滚转角现场标定及测量装置，包括发射光束的双频激光器，双频激光器的出射光路上设置有第一分光棱镜，第一分光棱镜的透射光路上设置有第二分光棱镜，第二分光棱镜的透射光路依次设置有1/4波片和1/2波片，1/2波片的透射光路上设置有用于将光束反射回1/2波片的第一高反镜组，再次通过1/2波片的光路上依次设置有第二偏振片和第二光电探测器；
第一分光棱镜的反射光路上设置有用于将光束反射至偏振分光棱镜的第二高反镜组，偏振分光棱镜上方设置有第一角锥棱镜，偏振分光棱镜的透射光路上设置有第二角锥棱镜，偏振分光棱镜将反射光和透射光分别经过第一角锥棱镜和第二角锥棱镜反射回偏振分光棱镜，并通过第三偏振片反射至第三光电探测器；
第二分光棱镜的反射光路上依次设置有第一偏振片和第一光电探测器；
所述第一光电探测器和第二光电探测器连接相位计，第三光电探测器连接信号处理电路，相位计和信号处理电路均连接计算机；
所述1/2波片和第二角锥棱镜均固定在旋转角位台上，旋转角位台固定在导轨上的滑块上。
所述第一高反镜组包括呈90°设置的第一高反镜和第二高反镜。
所述第二高反镜组包括呈90°设置的第三高反镜和第四高反镜。
所述双频激光器出射光束方向与导轨滑块的运动方向平行。
所述旋转角位台的旋转轴与1/2波片的入射面垂直且与第二角锥棱镜的入射面平行。
一种导轨滚转角现场标定及测量方法，包括以下步骤：
步骤一，双频激光器发出的光束经过第一分光棱镜，被分为反射光和透射光，第一分光棱镜的透射光经过第二分光棱镜后，被分为反射光和透射光，其中反射光经第一偏振片后被第一光电探测器接受，作为信号一；
步骤二，由第二分光棱镜出射的透射光先经过1/4波片和1/2波片后，通过第一高反镜组进行反射，反射光再次经过1/2波片后，经过第二偏振片，最后被第二光电探测器接受，作为信号二；
步骤三，第一分光棱镜的反射光路通过第二高反镜组反射后经过偏振分光棱镜，被分为p光和s光，其中s光和p光由偏振分光棱镜反射和透射后分别经过第一角锥棱镜和第二角锥棱镜反射回偏振分光棱镜，并合成一束经过第三偏振片，后被第三光电探测器接受，作为信号三；
步骤四，信号一和信号二通过相位计鉴相得两信号的相位差变化量，并将数据传递给计算机；
步骤五，信号三通过信号处理电路得第二角锥棱镜的位移，并将数据传递给计算机；
步骤六，计算机根据信号一和信号二的相位差变化量以及第二角锥棱镜的位移计算出系统的现场放大倍数Glive；
步骤七，开始测量导轨滚转角时，将第一分光棱镜移开，移动导轨滑块，计算机即根据相位计测得的两信号相位差变化量及系统现场放大倍数计算出1/2波片即导轨滚转角Δαlive。
所述步骤六中，系统的现场放大倍数Glive的测量计算公式为：
其中，Δψ为导轨初始点处，旋转角位台的滚转角引起的信号一和信号二的相位差变化量，由相位计得到；r为旋转角位台的旋转半径；Δs为旋转角位台的滚转角引起的第二角锥棱镜的位移，由信号处理电路获得。
所述步骤七中，导轨的滚转角Δαlive的测量计算公式为：
其中，Δψlive为导轨的滚转角Δα引起的信号一和信号二的相位差变化量。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的装置通过双频激光器发射光束，使光束通过第一分光棱镜，第一分光棱镜的透射光及后置器件作为测量模块，得到滚转角引起的相位差变化；第一分光棱镜的反射光路经过高反镜组后的反射光及后置器件作为标定模块，得到滚转角引起的第二角锥棱镜位移变化，最终通过计算机的处理，得到测量系统的现场放大倍数，进而实现导轨滚转角的精确测量，本装置利用半径已知的旋转角位台，将滚转角转化成位移进行测量得到滚转角度变化，同测量模块的相位差一起，求得现场实际放大倍数，提高了滚转角测量系统的精度。
本发明的方法采用了半径已知的旋转角位台，将滚转角大小转化成位移变化量进行测量，对滚转角测量系统的放大倍数进行现场标定，提高了滚转角测量的精度，本发明适用于高精度的工业测量领域，尤其适用于精密导轨运动副、及以其为基础的设备如：高档数控机床的滚转角误差测量，其广泛应用可以较大的推动机床制造等工业的发展。
附图说明
图1为本发明的主要光路结构图；
图2为本发明的主要光路结构俯视图；
图3为本发明旋转角位台示意图；
其中，1、双频激光器，2、第一分光棱镜，3、第二分光棱镜，4、第一偏振片，5、第一光电探测器，6、1/4波片，7、1/2波片，8a、第一高反镜，8b、第二高反镜，9、第二偏振片，10、第二光电探测器，11、相位计，12、计算机，13a、第三高反镜，13b、第四高反镜，14、偏振分光棱镜，15、第一角锥棱镜，16、第二角锥棱镜，17、第三偏振片，18、第三光电探测器，19、信号处理电路，20、旋转角位台，21、导轨滑块，22、导轨。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1、图2和图3，一种导轨滚转角现场标定及测量装置，包括发射光束的双频激光器1，双频激光器1的出射光路上设置有第一分光棱镜2，第一分光棱镜2的透射光路上设置有第二分光棱镜3，第二分光棱镜3的透射光路依次设置有1/4波片6和1/2波片7，1/2波片7的透射光路上设置有用于将光束反射回1/2波片7的第一高反镜组，再次通过1/2波片7的光路上依次设置有第二偏振片9和第二光电探测器10；
第一分光棱镜2的反射光路上设置有用于将光束反射至偏振分光棱镜14的第二高反镜组，偏振分光棱镜14上方设置有第一角锥棱镜15，偏振分光棱镜14的透射光路上设置有第二角锥棱镜16，偏振分光棱镜14将反射光和透射光分别经过第一角锥棱镜15和第二角锥棱镜16反射回偏振分光棱镜14，并通过第三偏振片17反射至第三光电探测器18；
第二分光棱镜3的反射光路上依次设置有第一偏振片4和第一光电探测器5；
所述第一光电探测器5和第二光电探测器10连接相位计11，第三光电探测器18连接信号处理电路19，相位计11和信号处理电路19均连接计算机12；
所述1/2波片7和第二角锥棱镜16均固定在旋转角位台20上，旋转角位台20固定在导轨22上的滑块21上，双频激光器1出射光束方向与导轨滑块21的运动方向平行，旋转角位台20的旋转轴与1/2波片7的入射面垂直且与第二角锥棱镜16的入射面平行。
优选的，第一高反镜组包括呈90°设置的第一高反镜8a和第二高反镜8b，第二高反镜组包括呈90°设置的第三高反镜13a和第四高反镜13b。
一种导轨滚转角现场标定及测量方法，包括以下步骤：
步骤一，双频激光器1发出的光束经过第一分光棱镜2，被分为反射光和透射光，第一分光棱镜2的透射光经过第二分光棱镜3后，被分为反射光和透射光，其中反射光经第一偏振片4后被第一光电探测器5接受，作为信号一；
步骤二，由第二分光棱镜3出射的透射光先经过1/4波片6和1/2波片7后，通过第一高反镜组进行反射，反射光再次经过1/2波片7后，经过第二偏振片9，最后被第二光电探测器10接受，作为信号二；
步骤三，第一分光棱镜2的反射光路通过第二高反镜组反射后经过偏振分光棱镜14，被分为p光和s光，其中s光和p光由偏振分光棱镜14反射和透射后分别经过第一角锥棱镜15和第二角锥棱镜16反射回偏振分光棱镜14，并合成一束经过第三偏振片17，后被第三光电探测器18接受，作为信号三；
步骤四，信号一和信号二通过相位计11鉴相得两信号的相位差变化量，并将数据传递给计算机12；
步骤五，信号三通过信号处理电路19得第二角锥棱镜16的位移，并将数据传递给计算机12；
步骤六，计算机12根据信号一和信号二的相位差变化量以及第二角锥棱镜16的位移计算出系统的现场放大倍数Glive：
其中，Δψ为导轨初始点处，旋转角位台的滚转角引起的信号一和信号二的相位差变化量，由相位计得到；r为旋转角位台的旋转半径；Δs为旋转角位台的滚转角引起的第二角锥棱镜的位移，由信号处理电路获得。
步骤七，开始测量导轨滚转角时，将第一分光棱镜2移开，移动导轨滑块21，计算机12即根据相位计11测得的两信号相位差变化量及系统现场放大倍数计算出1/2波片7即导轨22滚转角Δαlive；
导轨的滚转角Δαlive的测量计算公式为：
其中，Δψlive为导轨21的滚转角Δα引起的信号一和信号二的相位差变化量。
本发明的一种导轨滚转角现场标定及测量装置，利用半径已知的旋转角位台，将滚转角转化成位移进行测量得到滚转角度变化，同测量模块的相位差一起，求得现场实际放大倍数，提高了滚转角测量系统的精度。
本发明适用于高精度的工业测量领域，尤其适用于精密导轨运动副、及以其为基础的设备如：高档数控机床的滚转角误差测量，其广泛应用可以较大的推动机床制造等工业的发展。
实施例：
如图1所示，设第二直角棱镜的中心与旋转角位台的距离为r，当旋转角位台滚转Δα时，第二角锥棱镜在其入射光束方向产生了的位移Δs为
Δs＝rsinΔα (1)
当滚转角大小非常小时，上式近似为
Δs＝rΔα (2)
则有
定义系统的现场放大倍数Glive为
其中，Δψ为导轨初始点处，旋转角位台的滚转引起的信号一和信号二的相位差变化量，由相位计得到；Δα为旋转角位台的滚转角大小。
将式(3)代入式(4)中，即可得
开始测量导轨滚转角时，将第一分光棱镜2移开，移动导轨滑块22，计算机12即根据相位计11测得的两信号相位差变化量及系统现场放大倍数计算出1/2波片7即导轨22滚转角Δαlive。
导轨滚转角Δαlive的数学表达式如下：
其中：Δψlive为导轨的滚转角Δα引起的信号一和信号二的相位差变化量数。
因此，该发明方法和装置具有放大倍数现场标定的优势，与现有滚转角测量方法相比，系统的精度更高，且安装调试更方便。能够为精密导轨运动副、高档数控机床等的滚转角测量提供更为精密和可靠的检测方法和技术。

Claims (8)

1.一种导轨滚转角现场标定及测量装置，其特征在于，包括发射光束的双频激光器(1)，双频激光器(1)的出射光路上设置有第一分光棱镜(2)，第一分光棱镜(2)的透射光路上设置有第二分光棱镜(3)，第二分光棱镜(3)的透射光路依次设置有1/4波片(6)和1/2波片(7)，1/2波片(7)的透射光路上设置有用于将光束反射回1/2波片(7)的第一高反镜组，再次通过1/2波片(7)的光路上依次设置有第二偏振片(9)和第二光电探测器(10)；
第一分光棱镜(2)的反射光路上设置有用于将光束反射至偏振分光棱镜(14)的第二高反镜组，偏振分光棱镜(14)上方设置有第一角锥棱镜(15)，偏振分光棱镜(14)的透射光路上设置有第二角锥棱镜(16)，偏振分光棱镜(14)将反射光和透射光分别经过第一角锥棱镜(15)和第二角锥棱镜(16)反射回偏振分光棱镜(14)，并通过第三偏振片(17)入射至第三光电探测器(18)；
第二分光棱镜(3)的反射光路上依次设置有第一偏振片(4)和第一光电探测器(5)；
所述第一光电探测器(5)和第二光电探测器(10)连接相位计(11)，第三光电探测器(18)连接信号处理电路(19)，相位计(11)和信号处理电路(19)均连接计算机(12)；
所述1/2波片(7)和第二角锥棱镜(16)均固定在旋转角位台(20)上，旋转角位台(20)固定在导轨(22)上的滑块(21)上。
2.根据权利要求1所述的一种导轨滚转角现场标定及测量装置，其特征在于，所述第一高反镜组包括呈90°设置的第一高反镜(8a)和第二高反镜(8b)。
3.根据权利要求1所述的一种导轨滚转角现场标定及测量装置，其特征在于，所述第二高反镜组包括呈90°设置的第三高反镜(13a)和第四高反镜(13b)。
4.根据权利要求1所述的一种导轨滚转角现场标定及测量装置，其特征在于，所述双频激光器(1)出射光束方向与导轨滑块(21)的运动方向平行。
5.根据权利要求1所述的一种导轨滚转角现场标定及测量装置，其特征在于，所述旋转角位台(20)的旋转轴与1/2波片(7)的入射面垂直且与第二角锥棱镜(16)的入射面平行。
6.权利要求1所述的一种导轨滚转角现场标定及测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，双频激光器(1)发出的光束经过第一分光棱镜(2)，被分为反射光和透射光，第一分光棱镜(2)的透射光经过第二分光棱镜(3)后，被分为反射光和透射光，其中反射光经第一偏振片(4)后被第一光电探测器(5)接受，作为信号一；
步骤二，由第二分光棱镜(3)出射的透射光先经过1/4波片(6)和1/2波片(7)后，通过第一高反镜组进行反射，反射光再次经过1/2波片(7)后，经过第二偏振片(9)，最后被第二光电探测器(10)接受，作为信号二；
步骤三，第一分光棱镜(2)的反射光路通过第二高反镜组反射后经过偏振分光棱镜(14)，被分为p光和s光，其中s光和p光由偏振分光棱镜(14)反射和透射后分别经过第一角锥棱镜(15)和第二角锥棱镜(16)反射回偏振分光棱镜(14)，并合成一束经过第三偏振片(17)，后被第三光电探测器(18)接受，作为信号三；
步骤四，信号一和信号二通过相位计(11)鉴相得两信号的相位差变化量，并将数据传递给计算机(12)；
步骤五，信号三通过信号处理电路(19)得第二角锥棱镜(16)的位移，并将数据传递给计算机(12)；
步骤六，计算机(12)根据信号一和信号二的相位差变化量以及第二角锥棱镜(16)的位移计算出系统的现场放大倍数Glive；
步骤七，开始测量导轨滚转角时，将第一分光棱镜(2)移开，移动导轨滑块(21)，计算机(12)即根据相位计(11)测得的两信号相位差变化量及系统现场放大倍数计算出1/2波片(7)即导轨(22)滚转角Δαlive。
7.根据权利要求6所述的一种导轨滚转角现场标定及测量装置的测量方法，其特征在于：所述步骤六中，系统的现场放大倍数Glive的测量计算公式为：
其中，Δψ为导轨初始点处，旋转角位台(20)的滚转角引起的信号一和信号二的相位差变化量，由相位计(11)得到；r为第二角锥棱镜(16)的顶点到旋转角位台(20)旋转中心的距离；Δs为旋转角位台(20)的滚转角引起的第二角锥棱镜(16)的位移，由信号处理电路(19)获得。
8.根据权利要求6所述的一种导轨滚转角现场标定及测量装置的测量方法，其特征在于：所述步骤七中，导轨的滚转角Δαlive的测量计算公式为：
其中，Δψlive为导轨(21)的滚转角Δα引起的信号一和信号二的相位差变化量。
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