CN106767395B - 一种用于直线导轨六项几何误差高分辨力高效测量系统及方法 - Google Patents

一种用于直线导轨六项几何误差高分辨力高效测量系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于直线导轨六项几何误差高分辨力高效测量系统及方法，该系统以高精度激光器和光电接收器为基准测量直线导轨的定位误差，利用四象限探测器测量直线导轨的直线度误差，俯仰误差，偏摆误差和滚转误差。该方法通过光路放大的原理，提高了测量直线导轨各项几何误差的分辨力。在测量的过程中，移动导轨上只需要安装三个测量镜，并且在直线导轨的一次运动中，该测量方法能够将六项几何误差全部测量出来。本发明提供的直线导轨六项几何误差测量方法能够有效地提高导轨几何误差的测量分辨力和效率。

Description

一种用于直线导轨六项几何误差高分辨力高效测量系统及 方法
技术领域
本发明涉及一种导轨运动精度测量领域，特别涉及一种用于直线导轨六项几何误差高分辨力高效测量系统及方法。
背景技术
直线导轨广泛应用于工业制造，精密测量等领域。导轨的制造精度、装配精度以及控制精度会直接影响导轨的运动精度。激光干涉仪作为传统的直线导轨精度检定设备具有精度高的优势，然而对于导轨六项几何误差的测量，激光干涉仪避免不了测量效率低的劣势。一种用于直线导轨六项几何误差高分辨力高效测量系统及方法仅需要直线导轨经过一次运动就能够得到六项几何误差，提高了测量效率，同时该方法通过光路放大的原理，提高了测量直线导轨各项几何误差的分辨力。
发明内容
本发明的目的在于以高分辨力高效率的形式测量直线导轨的运动误差，提供了一种直线导轨仅需要经过一次运动就能够得到六项几何误差的测量方法。
一种用于直线导轨六项几何误差高分辨力高效测量系统，该系统包括定位误差(position error)测量系统，直线度误差(straightness errors)测量系统，俯仰、偏摆误差(pitch error、yaw error)测量系统和滚转误差(roll error)测量系统。
如图1所示，该测量系统的各部分光学元件的位置关系如下：
定位误差测量系统由高精度激光器(1)、第一偏振分光镜(2)、第一角锥棱镜(3)、第二偏振分光镜(6)、第二角锥棱镜(7)、第一四分之一波片(8)、第五角锥棱镜(29)、第一平面反射镜(9)和光电接收器(10)构成；激光器(1)发出的圆偏振光经过第一偏振分光镜(2)时，S光经过第一角锥棱镜(3)和第一平面反射镜(9)的反射后作为参考光照射到光电接收器(10)上；作为测量光束的P光透射过第一偏振分光镜(2)和第二分光镜(5)后，进入第二偏振分光镜(6)。P光再透射过第二偏振分光镜(6)，经过第一四分之一波片(8)后变为圆偏振光，该圆偏振光经过第五角锥棱镜(29)的反射后，变为旋向相反的圆偏振光。该圆偏振光经过第一四分之一波片(8)后又变成了S光。S光经过第二偏振分光镜(6)和第二角锥棱镜(7)的反射后，再一次经过第一四分之一波片(8)，并由第五角锥棱镜(29)反射，随后通过第一四分之一波片(8)后变为了P光。该P光透射过第二偏振分光镜(6)、第一分光镜(4)和第一偏振分光镜(2)后，由第一平面反射镜(9)反射，并作为测量光束与参考光束的S光发生干涉，同时干涉光束由光电接收器(10)接收。
直线度误差测量系统由第二偏振分光镜(6)、第二角锥棱镜(7)、第一四分之一波片(8)、第五角锥棱镜(29)、第一分光镜(4)、直角棱镜反射镜(11)、第一四象限探测器(12)构成；经过第五角锥棱镜(29)的反射，并且透射过第一四分之一波片(8)后的P光在透射过第二偏振分光镜(6)后，经过第一分光镜(4)和直角棱镜反射镜(11)的反射后，照射在第一四象限探测器(12)的光敏面上，使之产生位置信号。
俯仰、偏摆误差测量系统由第二分光镜(5)、第三角锥棱镜(13)、第二四分之一波片(14)、第四角锥棱镜(15)、第三分光镜(16)、第一双凸透镜(17)、第二双凸透镜(18)、第二平面反射镜(28)、平凸透镜(19)、第二四象限传感器(20)构成；透射过第一偏振分光镜(2)后的P光，经过第二分光镜(5)和第三角锥棱镜(13)的反射后，透射过第二四分之一波片(14)，并且经过第四角锥棱镜(15)的反射和第二四分之一波片(14)的透射后变为了S光。该S光经过第三分光镜(16)的反射后，透射过第一双凸透镜(17)、第二双凸透镜(18)后照射到第二平面反射镜(28)上，并且被反射回来，再一次经过第二双凸透镜(18)、第一双凸透镜(17)后，透射过第三分光镜(16)。在透射过平凸透镜(19)后照射到第二四象限传感器(20)上，使之产生位置信号。
滚转误差测量系统由第三偏振分光镜(21)、第三四分之一波片(22)、第三双凸透镜(23)、光阑(24)、第四双凸透镜(25)、猫眼(27)、第三四象限探测器(26)和直线度测量系统构成；透射过第二四分之一波片(14)后的S光，在透射出第三分光镜(16)后，经过了第三偏振分光镜(21)的反射。透射光在经过第三四分之一波片(22)、第三双凸透镜(23)、光阑(24)和第四双凸透镜(25)后，再经过猫眼(27)的反射后，再一次经过第四双凸透镜(25)、光阑(24)、第三双凸透镜(23)和第三四分之一波片(22)，变为P光。P光透射过第三偏振分光镜(21)后照射到第三四象限探测器(26)上，使之产生位置信号。
高精度激光器(1)为单频激光器且发出的激光束偏振态为圆偏振光。
第一双凸透镜(17)和第二双凸透镜(18)共焦点，且焦点位于两透镜之间；单凸透镜(19)的焦点位于第二四象限探测器(20)的光敏面上。
第三双凸透镜(23)和第四双凸透镜(25)共焦点，且焦点位于两透镜之间，同时光阑(24)位于焦点位置。
猫眼(27)和第五角锥棱镜(29)的位置关于第二平面反射镜(28)对称，且猫眼和角锥棱镜距离平面反射镜的距离均为d。
该测量系统的实施方法如下：
如图1所示，测量系统固定平台(30)包括测量系统的主要光学元件，并且固定不动。直线导轨运动平台(31)包括三个随导轨运动的测量镜，即猫眼(27)、第五角锥棱镜(29)和第二平面反射镜(28)。激光器(1)发出的圆偏振光经过第一偏振分光镜(2)、第二偏振分光镜(6)后由第五角锥棱镜(29)反射，最终由第一平面反射镜(9)反射后照射到光电接收器(10)上，即第五角锥棱镜(29)在x方向上的定位误差由光电接收器(10)的读数反映；由第五角锥棱镜(29)反射回来的光，再经过第一分光镜(4)和直角棱镜反射镜(11)反射后照射在第一四象限探测器(12)上，即第五角锥棱镜(29)在y、z方向上的直线度误差由第一四象限探测器(12)的读数反映；由第二分光镜(5)反射的P光，两次经过第二四分之一波片(14)变成了S光。该S光再由第三分光镜(16)反射，经过第一双凸透镜(17)、第二双凸透镜(18)后被第二平面反射镜(28)反射，最后由单凸透镜(19)聚焦到第二四象限探测器(20)上，即第二平面反射镜(28)绕y、z旋转的俯仰角度误差和偏摆角度误差由第二四象限探测器(20)的读数反映；另一束S光透射过第三分光镜(16)，由第三偏振分光镜(21)反射后照射到猫眼(27)上。被猫眼(27)反射的光经过第三四分之一波片(22)后变为P光，透射过第三偏振分光镜(21)后照射到第三四象限探测器(26)上，即猫眼(27)在y、z方向上的直线度误差由第三四象限探测器(26)的读数反映。最后利用第一四象限探测器(12)和第三四象限探测器(26)得到的两个z方向上的直线度误差计算被测导轨的滚转误差。
附图说明
图1为一种用于直线导轨六项几何误差高分辨力高效测量系统及方法示意图。
图2为定位误差测量系统示意图。
图3为直线度误差测量系统示意图。
图4为偏摆、俯仰角误差测量系统示意图。
图5为回转角误差测量系统示意图1。
图6为回转角误差测量系统示意图2。
图7为回转角误差测量系统示意图3。
图中标记：1-高精度激光器，2-第一偏振分光镜，3-第一角锥棱镜，4-第一分光镜，5-第二分光镜，6-第二偏振分光镜，7-第二角锥棱镜，8-第一四分之一波片，9-第一平面反射镜，10-光电接收器，11-直角棱镜反射镜，12-第一四象限探测器，13-第三角锥棱镜，14-第二四分之一波片，15-第四角锥棱镜，16-第三分光镜，17-第一双凸透镜，18-第二双凸透镜，19-平凸透镜，20-第二四象限探测器，21-第三偏振分光镜，22-第三四分之一波片，23-第三双凸透镜，24-光阑，25-第四双凸透镜，26-第三四象限探测器，27-猫眼，28-第二平面反射镜，29-第五角锥棱镜，30-测量系统固定平台，31-直线导轨运动平台。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施方式，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施方式1：
如图2所示，激光器(1)发出的圆偏振光经过第一偏振分光镜(2)时，S光经过第一角锥棱镜(3)和第一平面反射镜(9)的反射后作为参考光束照射到光电接收器(10)上。作为测量光束的P光透射过第一偏振分光镜(2)和第二分光镜(5)后，进入第二偏振分光镜(6)。P光再透射过第二偏振分光镜(6)，经过第一四分之一波片(8)后变为圆偏振光，该圆偏振光经过第五角锥棱镜(29)的反射后，变为旋向相反的圆偏振光。该圆偏振光经过第一四分之一波片(8)后又变成了S光。S光经过第二偏振分光镜(6)和第二角锥棱镜(7)的反射后，再一次经过第一四分之一波片(8)，并由第五角锥棱镜(29)反射，随后通过第一四分之一波片(8)后变为了P光。该P光透射过第二偏振分光镜(6)、第一分光镜(4)和第一偏振分光镜(2)后，由第一平面反射镜(9)反射，并作为测量光束与参考光束的S光发生干涉。根据光的偏振特性，测量光束四次经过第一四分之一波片(8)，因此在测量过程中，直线导轨运动平台(31)在x方向上产生定位误差δ1会使测量光束的光程增加4δ1。即定位误差δ1与光电接收器(10)的读数d1的关系如下：
实施方式2：
如图3所示，经过第五角锥棱镜(29)的反射，并且透射过第一四分之一波片(8)后的P光在透射过第二偏振分光镜(6)后，经过第一分光镜(4)和直角棱镜反射镜(11)的反射后，照在第一四象限探测器(12)的光敏面上，使之产生位置信号。根据光的偏振特性，测量光束四次经过第一四分之一波片(8)，因此在测量过程中，直线导轨运动平台(31)在y、z方向上产生直线度误差δ2会使第一四象限探测器(12)上的光斑产生4δ2的偏移。即直线度误差δ2与第一四象限探测器(12)的读数d2关系如下：
实施方式3：
如图4所示，透射过第一偏振分光镜(2)后的P光，经过第二分光镜(5)和第三角锥棱镜(13)的反射后，透射过第二四分之一波片(14)，并且经过第四角锥棱镜(15)的反射和第二四分之一波片(14)的透射后变为了S光。该S光经过第三分光镜(16)的反射后，透射过两个第一双凸透镜(17)、第二双凸透镜(18)后照射到第二平面反射镜(28)上，并且被反射回来，再一次经过第二双凸透镜(18)、第一双凸透镜(17)后，透射过第三分光镜(16)。在透射过平凸透镜(19)后照射到第二四象限探测器(20)上，使之产生位置信号。根据第一双凸透镜(17)、第二双凸透镜(18)和平凸透镜(19)的几何性质，可知α＝2ε1、因此在测量过程中，直线导轨运动平台(31)绕y、z轴旋转而产生的角度误差ε1会使第二四象限探测器(20)上的光斑产生d3的偏移。当第二双凸透镜(18)的焦距f2是第一双凸透镜(17)焦距f1的2倍时，直线度误差ε1与第二四象限探测器(20)的读数d3关系如下：
实施方式4：
如图5、图6、图7所示，透射过第二四分之一波片(14)后的S光，在透射出第三分光镜(16)后，经过了第三偏振分光镜(21)的反射。透射光在经过第三四分之一波片(22)、第三双凸透镜(23)、光阑(24)第四双凸透镜(25)后，再经过猫眼(27)的反射后，再一次经过第四双凸透镜(25)、光阑(24)、第三双凸透镜(23)和第三四分之一波片(22)，变为P光。P光透射过第三偏振分光镜(21)后照射到第三四象限探测器(26)上，使之产生位置信号。根据第三双凸透镜(23)、第四双凸透镜(25)和猫眼(27)的几何性质，可知e1＝2δ3、因此在测量过程中，直线导轨运动平台(31)在z方向上产生直线度误差δ3会使第三四象限探测器(26)上的光斑产生的偏移，直线度误差δ2会使第一四象限探测器(12)上的光斑产生4δ2的偏移。当第三双凸透镜(23)的焦距f4是第四双凸透镜(25)焦距f5的2倍时，滚转误差ε与第一四象限探测器(12)和第三四象限探测器(26)上读数d2、d4关系如下：
以雷尼绍XL80单频激光干涉仪为例，完全测量三坐标测量机三个导轨的18项几何误差所需要的时间要比使用一种用于直线导轨六项几何误差高分辨力高效测量系统及方法测量所需要的时间多将近两个小时。以测量导轨定位误差为例，使用一种用于直线导轨六项几何误差高分辨力高效测量系统及方法比不使用一种用于直线导轨六项几何误差高分辨力高效测量系统及方法测量分辨力提高了两倍。实验表明，通过使用一种用于直线导轨六项几何误差高分辨力高效测量系统及方法，能够实现较高分辨力和较高效率地测量导轨各项几何误差。

Claims (6)

1.一种用于直线导轨六项几何误差高分辨力高效测量系统，其特征在于：该系统包括定位误差测量系统，直线度误差测量系统，俯仰、偏摆误差测量系统和滚转误差测量系统；
各部分光学元件的位置关系如下，
定位误差测量系统由高精度激光器(1)、第一偏振分光镜(2)、第一角锥棱镜(3)、第二偏振分光镜(6)、第二角锥棱镜(7)、第一四分之一波片(8)、第五角锥棱镜(29)、第一平面反射镜(9)和光电接收器(10)构成；激光器(1)发出的圆偏振光经过第一偏振分光镜(2)时，S光经过第一角锥棱镜(3)和第一平面反射镜(9)的反射后作为参考光照射到光电接收器(10)上；作为测量光束的P光透射过第一偏振分光镜(2)和第二分光镜(5)后，进入第二偏振分光镜(6)；P光再透射过第二偏振分光镜(6)，经过第一四分之一波片(8)后变为圆偏振光，该圆偏振光经过第五角锥棱镜(29)的反射后，变为旋向相反的圆偏振光；该圆偏振光经过第一四分之一波片(8)后又变成了S光；S光经过第二偏振分光镜(6)和第二角锥棱镜(7)的反射后，再一次经过第一四分之一波片(8)，并由第五角锥棱镜(29)反射，随后通过第一四分之一波片(8)后变为了P光；该P光透射过第二偏振分光镜(6)、第一分光镜(4)和第一偏振分光镜(2)后，由第一平面反射镜(9)反射，并作为测量光束与参考光束的S光发生干涉，同时干涉光束由光电接收器(10)接收；
直线度误差测量系统由第二偏振分光镜(6)、第二角锥棱镜(7)、第一四分之一波片(8)、第五角锥棱镜(29)、第一分光镜(4)、直角棱镜反射镜(11)、第一四象限探测器(12)构成；经过第五角锥棱镜(29)的反射，并且透射过第一四分之一波片(8)后的P光在透射过第二偏振分光镜(6)后，经过第一分光镜(4)和直角棱镜反射镜(11)的反射后，照射在第一四象限探测器(12)的光敏面上，使之产生位置信号；
俯仰、偏摆误差测量系统由第二分光镜(5)、第三角锥棱镜(13)、第二四分之一波片(14)、第四角锥棱镜(15)、第三分光镜(16)、第一双凸透镜(17)、第二双凸透镜(18)、第二平面反射镜(28)、平凸透镜(19)、第二四象限传感器(20)构成；透射过第一偏振分光镜(2)后的P光，经过第二分光镜(5)和第三角锥棱镜(13)的反射后，透射过第二四分之一波片(14)，并且经过第四角锥棱镜(15)的反射和第二四分之一波片(14)的透射后变为了S光；该S光经过第三分光镜(16)的反射后，透射过第一双凸透镜(17)、第二双凸透镜(18)后照射到第二平面反射镜(28)上，并且被反射回来，再一次经过第二双凸透镜(18)、第一双凸透镜(17)后，透射过第三分光镜(16)；在透射过平凸透镜(19)后照射到第二四象限传感器(20)上，使之产生位置信号；
滚转误差测量系统由第三偏振分光镜(21)、第三四分之一波片(22)、第三双凸透镜(23)、光阑(24)、第四双凸透镜(25)、猫眼(27)、第三四象限探测器(26)和直线度测量系统构成；透射过第二四分之一波片(14)后的S光，在透射出第三分光镜(16)后，经过了第三偏振分光镜(21)的反射；透射光在经过第三四分之一波片(22)、第三双凸透镜(23)、光阑(24)和第四双凸透镜(25)后，再经过猫眼(27)的反射后，再一次经过第四双凸透镜(25)、光阑(24)、第三双凸透镜(23)和第三四分之一波片(22)，变为P光；P光透射过第三偏振分光镜(21)后照射到第三四象限探测器(26)上，使之产生位置信号。
2.根据权利要求1所述的一种用于直线导轨六项几何误差高分辨力高效测量系统，其特征在于：高精度激光器(1)为单频激光器且发出的激光束偏振态为圆偏振光。
3.根据权利要求1所述的一种用于直线导轨六项几何误差高分辨力高效测量系统，其特征在于：第一双凸透镜(17)和第二双凸透镜(18)共焦点，且焦点位于两透镜之间；单凸透镜(19)的焦点位于第二四象限传感器(20)的光敏面上。
4.根据权利要求1所述的一种用于直线导轨六项几何误差高分辨力高效测量系统，其特征在于：第三双凸透镜(23)和第四双凸透镜(25)共焦点，且焦点位于两透镜之间，同时光阑(24)位于焦点位置。
5.根据权利要求1所述的一种用于直线导轨六项几何误差高分辨力高效测量系统，其特征在于：猫眼(27)和第五角锥棱镜(29)的位置关于第二平面反射镜(28)对称，且猫眼和角锥棱镜距离平面反射镜的距离均为d。
6.利用权利要求1所述系统进行的一种用于直线导轨六项几何误差高分辨力高效测量方法，其特征在于：测量系统固定平台(30)包括测量系统的主要光学元件，并且固定不动；直线导轨运动平台(31)包括三个随导轨运动的测量镜，即猫眼(27)、第五角锥棱镜(29)和第二平面反射镜(28)；激光器(1)发出的圆偏振光经过第一偏振分光镜(2)、第二偏振分光镜(6)后由第五角锥棱镜(29)反射，最终由第一平面反射镜(9)反射后照射到光电接收器(10)上，即第五角锥棱镜(29)在x方向上的定位误差由光电接收器(10)的读数反映；由第五角锥棱镜(29)反射回来的光，再经过第一分光镜(4)和直角棱镜反射镜(11)反射后照射在第一四象限探测器(12)上，即第五角锥棱镜(29)在y、z方向上的直线度误差由第一四象限探测器(12)的读数反映；由第二分光镜(5)反射的P光，两次经过第二四分之一波片(14)变成了S光；该S光再由第三分光镜(16)反射，经过第一双凸透镜(17)、第二双凸透镜(18)后被第二平面反射镜(28)反射，最后由单凸透镜(19)聚焦到第二四象限传感器(20)上，即第二平面反射镜(28)绕y、z旋转的俯仰角度误差和偏摆角度误差由第二四象限传感器(20)的读数反映；另一束S光透射过第三分光镜(16)，由第三偏振分光镜(21)反射后照射到猫眼(27)上；被猫眼(27)反射的光经过第三四分之一波片(22)后变为P光，透射过第三偏振分光镜(21)后照射到第三四象限探测器(26)上，即猫眼(27)在y、z方向上的直线度误差由第三四象限探测器(26)的读数反映；最后利用第一四象限探测器(12)和第三四象限探测器(26)得到的两个z方向上的直线度误差计算被测导轨的滚转误差。
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