CN106863013A - 一种直线进给系统的多自由度误差同时测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种直线进给系统的多自由度误差同时测量装置及方法，所述装置中，直线进给系统包括机床，固定在机床上的导轨，与导轨配合的若干滑块，以及固定在滑块上且分别与导轨滑动连接的移动工作台和静止工作台；所述测量装置包括固定在移动工作台上移动端、固定在静止工作台上固定端和上位机；所述的移动端包括竖直放置的第一直角棱镜，水平放置的第二直角棱镜，以及半透半反镜；所述的固定端包括激光器，第一分光棱镜，反射镜，第二分光棱镜，准直透镜，以及三个PSD位置探测器；上位机的输入端分别连接第一PSD位置探测器、第二PSD位置探测器和第三PSD位置探测器的输出端，用于通过数据处理得到移动工作台的俯仰角、偏摆角和滚转角。

Description

一种直线进给系统的多自由度误差同时测量装置及方法

技术领域

本发明涉及机床直线轴运动精度的测量，具体为一种直线进给系统的多自由度误差同时测量装置及方法。

背景技术

直线导轨是数控机床、加工中心等高精密加工和测量装备的重要组成部件，其制造和装配误差是影响上述设备加工和测量精度的主要因素。由于直线导轨存在制造误差和装配误差，因此安装到直线导轨上面的工作台总是存在六个自由度的几何运动误差，三个线性误差以及三个角度误差，提高机床精度的基本方法有误差防止法以及误差补偿法，误差防止法主要是通过各种手段来减小误差源，但是成本昂贵。误差补偿法是利用仪器测量、分析、归纳从而来找到误差源规律，从而建立误差补偿模型，提高机床的加工精度。

误差补偿的基础是数控机床各项误差元素的检测，因此对于机床几何运动误差的精密检测是提高机床精度的前提。根据ISO-230-1标准的要求，需要对机床的21项误差进行测量，其中就包括直线进给系统工作台的六个自由度误差测量，但是现有工业的测量装置简陋，测量精度低测量时间长，因此在精度达到要求的情况下将测量时间压缩到最短是很必要的，因此研制能够对于多自由度误差的同时测量的装置能有效的减小测量时间。

现有的能够同时测量直线进给系统多自由度误差的方法主要有激光干涉法和激光几何法；激光干涉法能够单独的测量出除了滚转角之外的其他五个自由度的误差，但是大部分在测量过程中只能单个进行测量，能够同时测量多自由度的干涉法测量仪器价格昂贵，并不能有效的减短测量时间。激光几何法能够实现多自由度的同时测量，但是相对精度较低，在测量过程中各误差之间进行串扰，尤其是定位误差对于角度测量的影响。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种直线进给系统的多自由度误差同时测量装置及方法，提升了测量过程中的简易性，减少了在机床测量过程中花费的时间，极大的提高了效率。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种直线进给系统的多自由度误差同时测量装置，其中，直线进给系统包括机床，固定在机床上的导轨，与导轨配合的若干滑块，以及固定在滑块上且分别与导轨滑动连接的移动工作台和静止工作台；所述测量装置包括固定在移动工作台上移动端、固定在静止工作台上固定端和上位机；

所述的移动端包括竖直放置的第一直角棱镜，水平放置的第二直角棱镜，以及半透半反镜；

所述的固定端包括激光器，第一分光棱镜，反射镜，第二分光棱镜，准直透镜，以及三个PSD位置探测器；第一分光棱镜设置在激光器发射光路上形成第一反射光和第一透射光；

第一分光棱镜、第二分光棱镜、半透半反镜、准直透镜和第三PSD位置探测器形成俯仰角与偏摆角的耦合单元；第二分光棱镜设置在第一透射光路或者第一反射光经反射镜后的光路上形成第二透射光；半透半反镜设置在第二透射光路上形成第三透射光和第三反射光；第三反射光经第二分光棱镜和准直透镜由第三PSD位置探测器接收；

第一分光棱镜、反射镜、第一直角棱镜和第一PSD位置探测器形成偏摆角与滚转角的耦合单元；第三透射光或第一反射光经反射镜的光作为第一直角棱镜的入射光，第一直角棱镜的出射光由第一PSD位置探测器接收；

第一分光棱镜、第二直角棱镜和第二PSD位置探测器形成俯仰角与滚转角的耦合单元；第一透射光或第三透射光经第二直角棱镜由第二PSD位置探测器接收；

上位机的输入端分别连接第一PSD位置探测器、第二PSD位置探测器和第三PSD位置探测器的输出端，用于通过数据处理得到移动工作台的俯仰角、偏摆角和滚转角。

优选的，第一直角棱镜和第二直角棱镜的斜面共面设置，第一PSD位置探测器和第二PSD位置探测器的接收面共面设置。

优选的，所述的移动端还包括装配底座；装配底座的底部固定在移动工作台上，第一直角棱镜和第二直角棱镜的斜面均贴合固定在装配底座前端面内侧；装配底座前端面上对应第一直角棱镜和第二直角棱镜的入射光路和出射光路分别设置对应的光通孔；对应第一直角棱镜或第二直角棱镜入射光路的光通孔上同轴设置固定在前端面上的半透半反镜夹具；第一直角棱镜和第二直角棱镜的直角端分别设置直角棱镜夹具，两个直角棱镜夹具分别通过第一直角棱镜端盖和第二直角棱镜端盖与装配底座后端面固定。

进一步，所述的半透半反镜夹具包括环状本体和内侧设置有环状凹台，环状凹台用于加持固定半透半反镜，环状本体通过螺栓固定在移动端装配体底座的前端面外侧。

进一步，所述的直角棱镜夹具顶部设置直角槽用于与直角棱镜的直角接触贴合，底部设置两个定位孔，底部两个侧面分别设置直角槽两个边垂直的螺纹孔。

再进一步，第一直角棱镜端盖和第二直角棱镜端盖上均设置有端盖连接孔、棱镜夹具固定孔和螺丝调节孔；第一直角棱镜端盖和第二直角棱镜端盖分别通过端盖连接孔固定连接在装配底座的后端面，棱镜夹具固定孔与定位孔配合，螺丝调节孔与螺纹孔同轴设置。

优选的，第一分光棱镜、第二分光棱镜和反射镜通过笼式框架固定连接为一个整体。

优选的，第二分光棱镜通过笼式框架与准直透镜同轴连接，准直透镜滑动设置在笼式框架上。

一种直线进给系统的多自由度误差同时测量方法，基于本发明所述的测量装置，包括如下步骤，

步骤1，打开激光器，通过偏摆角与滚转角的耦合单元中的第一PSD位置探测器测得的光斑水平位移量d_3x；

步骤2，通过俯仰角与滚转角的耦合单元中的第二PSD位置探测器测得的光斑竖直位移量d_9y；

步骤3，通过俯仰角与偏摆角的耦合单元中的第三PSD位置探测器测得两个光斑位移变化量d_13x以及d_13y；

步骤4，通过上位机对步骤1、2和3中得到的四个位移量进行数据处理，得到以下关系式，

其中：d为光线在直角棱镜中入射光和出射光之间的距离，n为棱镜的折射率，L为直角棱镜斜边的长度，z₀+Δz为每一次测量时直角棱镜斜面距离PSD位置探测器的距离，其中z₀为初始测量位置直角棱镜斜面距离PSD的距离，Δz为每次移动的距离，f为准直透镜的焦距，α为移动工作台的俯仰角，β为移动工作台的偏摆角，γ为移动工作台的滚转角；

步骤5，将步骤4中的关系式解耦关系之后得到移动工作台的俯仰角、偏摆角和滚转角，其结果如下，

优选的，步骤4中得到的关系式中不考虑安装误差。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明是建立在耦合模型上的一种多自由度误差测量，能够将多个角度的耦合关系解耦求解，忽略单独测量过程中误差之间的串扰带来的误差，通过这个装置，利用3个PSD位置探测器检测的四个位移量以及分光棱镜分解的两个光路就可以解耦俯仰、偏摆、滚转三个角度，求解相应的角度，减小了在光路调节过程中的难度，能够有效的测量出直线进给系统的俯仰、偏摆、滚转三个角度误差。

附图说明

图1为本发明实例中所述测量装置的测量原理结构示意图。

图2a为本发明实例中所述半透半反镜与第一直角棱镜对应时移动端装配底座正面轴测图。

图2b为本发明实例中所述半透半反镜与第一直角棱镜对应时移动端装配底座背面轴测图。

图2c为本发明实例中所述半透半反镜与第一直角棱镜对应时移动端装配底座内部装配图。

图3为本发明实例中所述棱镜夹具的结构示意图。

图4为本发明实例中所述半透半反镜夹具的结构示意图。

图5a为本发明实例中所述第一直角棱镜端盖的结构示意图。

图5b为本发明实例中所述第二直角棱镜端盖的结构示意图。

图6a为本发明实例中所述半透半反镜与第二直角棱镜对应时移动端装配底座正面轴测图。

图6b为本发明实例中所述半透半反镜与第二直角棱镜对应时移动端装配底座背面轴测图。

图6c为本发明实例中所述半透半反镜与第二直角棱镜对应时移动端装配底座内部装配图。

图1中，第一分光棱镜1，反射镜2，第一PSD位置探测器3，第一直角棱镜4，第一直角棱镜夹具5，第二直角棱镜夹具6，第二直角棱镜7，半透半反镜8，第二PSD位置探测器9，第二分光棱镜10，准直透镜11，笼式框架12，第三PSD位置探测器13，环状本体1401，环状凹台1402，半透半反镜夹具14，装配体底座15，第一直角棱镜端盖16，第二直角棱镜端盖17，棱镜夹具18，定位孔1801，螺纹孔1802，端盖连接孔19，棱镜夹具固定孔20，螺丝调节孔21，移动端101，固定端201，上位机301。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种直线进给提供的多自由度误差同时测量装置及方法，能同时测量直线进给系统工作台俯仰、偏摆、滚转三个角度偏差测量，在测量过程中以测量光线作为基准，用三个PSD作为测量元件进行测量。所述测量装置包括移动端101、固定端201和上位机301。

移动端101包括竖直放置的第一直角棱镜4，作为俯仰角和滚转角以及定位距离的耦合单元核心部件；固定第一直角棱镜4的第一直角棱镜夹具5，放置在第二直角棱镜6前面的半透半反镜8作为俯仰角和偏摆角的耦合单元核心部件；固定第二直角棱镜6的第二直角棱镜夹具6，水平放置的第二直角棱镜7作为偏摆角和滚转角以及定位距离的耦合单元核心部件。其中第一直角棱镜4和第二直角棱镜7的斜面调整在一个平面之内。

固定端包括放置在入射光光路的第一分光棱镜1，对第一分光棱镜1的第一反射光进行第二次反射的反射镜2，检测光线经过竖直放置直角棱镜后发生位移变化的第一PSD位置探测器3，对第一分光棱镜1的第一透射光进行第二次透射的第二分光棱镜10，检测第二分光棱镜10的第二透射光通过半透半反镜8在水平放置的第二直角棱镜7中反射后位移变化的第二PSD位置探测器9，用于第二透射光经过半透半反镜8反射回来的第三反射光经第二分光棱镜10反射后进行准直聚焦的准直透镜11，用于固定准直透镜11的笼式框架12，以及用于检测经准直透镜11准直后的光束的第三PSD位置探测器13，其中第二PSD位置探测器9和第一PSD位置探测器3放置于一个平面内。

上位机301通过USB连接三个PSD位置探测器，用于检测第一PSD位置探测器3、第二PSD位置探测器9、第三PSD位置探测器13上面光斑变化的数据测量采集。

通过上位机301测量出的第一PSD位置探测器3上的水平位移量d_3x以及在第二PSD位置探测器9上的竖直位移量d_9y，还有在第三PSD位置探测器13上面检测到的两个位移变化量d_13x以及d_13y，在不考虑安装误差的情况下，有以下关系式：

其中：d为光线在直角棱镜中入射光和出射光之间的距离，n为直角棱镜的折射率，L为直角棱镜斜边的长度，z₀+Δz为每一次测量时直角棱镜距离PSD位置探测器的距离，f为准直透镜的焦距，α为移动工作台的俯仰角，β为移动工作台的偏摆角，γ为移动工作台的滚转角。解耦关系之后可以得到以下结果：

三个角度偏差时可以由上式解出。

为了保证移动端水平放置直角棱镜与竖直放置直角棱镜斜面尽可能在一个平面之内，设计了一个用于固定水平放置的第二直角棱镜7和竖直放置的第一直角棱镜4以及半透半反镜8的装置，当半透半反镜8与第一直角棱镜4对应时，如图2a、图2b和图2c所示；当半透半反镜8与第二直角棱镜7对应时，如图6a、图6b和图6c所示；其包括半透半反镜夹具14、移动端装配体底座15、第一直角棱镜端盖16、第二直角棱镜端盖17和直角棱镜夹具18。本优选实例中以如图2a、图2b和图2c所示的半透半反镜8与第一直角棱镜4对应为例进行说明。

在固定端部分中，为了保证经过第一分光棱镜1分光后两束光的平行度，用笼式框架12将第一分光棱镜1和第二分光棱镜10还有反射镜2连接成一个整体。

为了保证经过半透半反镜8反射后进入第二分光棱镜2之后经过反射的光线与准直透镜11的同轴度，用笼式框架12将准直透镜11与第二分光棱镜10连接起来。

为了使第三PSD位置探测器13位于准直透镜11的焦平面上，应该使准直透镜11或者第三PSD位置探测器13位置可调，此处设计为准直透镜11在笼式框架12上滑动可调。

为了定位夹紧直角棱镜，设计了如图3所示的棱镜夹具18，其中在底部有两个定位孔1801，顶部设置直角槽用于与直角棱镜的直角接触贴合，两个侧面有两个用于调节螺丝的进给从而来调节压紧力大小的螺纹孔1802，螺纹孔1802与直角槽的两个边垂直。

为了转接半透半反镜8与移动端装配体底座2，设计了如图4所示的半透半反镜夹具14，包括环状本体1401和内侧设置有环状凹台1402，环状凹台用于加持固定半透半反镜8，环状本体通过螺栓固定在移动端装配体底座2的外侧。

为了在外部调节螺丝的进给量改变压紧力，设计了如图5a和图5b所示的第一直角棱镜端盖16和第二直角棱镜端盖17；均设置有端盖连接孔19、棱镜夹具固定孔20和螺丝调节孔21；棱镜夹具固定孔20与直角棱镜夹具18底部定位孔1801配合，螺丝调节孔21与直角棱镜夹具18两侧的螺纹孔1802同轴设置。

具体的，如图1所示，直线进给系统包括机床，固定在机床上的导轨，与导轨配合的若干滑块，以及固定在滑块上与导轨滑动连接的移动工作台和静止工作台。固定端201固定在静止工作台上，移动端101固定在移动工作台上，通过导轨运动副沿着导轨运动，作为敏感元件感知测量工作台每个位置的角度偏差。

其中，固定端201包括，激光器及其放置在发射光路上的第一分光棱镜1，以及偏摆角与滚转角的耦合单元，俯仰角与滚转角的耦合单元和俯仰角与偏摆角的耦合单元中的固定部件。

偏摆角与滚转角的耦合单元包括：用于将第一分光棱镜1的第一反射光进行90度偏转的反射棱镜2，以及第一PSD位置探测器3；第一PSD位置探测器3用于检测第一反射光在竖直放置的第一直角棱镜4中先经过一次折射入射，然后在第一直角棱镜4内部经过两次反射，最后再折射出射之后的光线在水平方向上的位移变化。

俯仰角与滚转角的耦合单元包括：用于将第一分光棱镜1的第一透射光进行两次分解的第二分光棱镜10，以及第二PSD位置探测器9；第二PSD位置探测器9用于检测第一透射光在水平放置的第二直角棱镜7中先经过一次折射入射，然后在第二直角棱镜7内部经过两次反射，最后再折射出射之后的光线在竖直方向上的位移变化。

俯仰角与偏摆角的耦合单元包括：半透半反镜8，第二分光棱镜10，准直透镜11，以及第三PSD位置探测器13；

第二分光棱镜10用于将第一分光棱镜1的第一透射光进行两次分解，以及接收将半透半反镜8反射回来的第三反射光；也就是第三反射光经半透半反镜8反射之后回射到第二分光棱镜10中；

准直透镜11，用于将第三反射光经过第二分光棱镜10中的一次折射入射，再通过一次反射，最后折射出射的光线进行光斑准直的，准直透镜11通过笼式框架12固定设置；

PSD位置探测器13放置于准直透镜11焦平面的射出光线上，用于检测由于半透半反镜8检测出来的俯仰角和偏摆角引起的光线位置变化的。

其中，移动端101包括：用于固定第一直角棱镜4竖直放置的第一夹具5，用于感知滚转角与偏摆角的竖直放置的第一直角棱镜4，用于感知滚转角与俯仰角的水平放置的第二直角棱镜7，用于固定第二直角棱镜水平放置的第二夹具6，用于感知俯仰角和偏摆角引起的位移变化，对第二分光棱镜10的第二透射光进行反射的半透半反镜8。第二直角棱镜7接收经过第二分光棱镜10的第二透射光，再经过半透半反镜8后的第三透射光的光线进入。

在使用操作时，由激光器发射出高稳定性的准直激光束之后，经过第一分光棱镜1分成第一透射和第一反射两束光，其中第一透射光经过第二分光棱镜10又被分成第二透射和第二反射两束光，其中第二反射光不过任何处理弃用；第二透射光入射到半透半反镜8上之后又分成第三透射和第三反射两束光，第三反射光回射到第二分光棱镜10中然后反射到准直透镜11中，最终被第三PSD位置探测器13检测光斑在水平变化前后的位移变化d_13x以及在竖直方向上前后的位移变化d_13y；经半透半反镜8分解的两束光其中第三透射光进入水平放置的第二直角棱镜7中，经过反射之后出射光在竖直方向上被第二PSD位置探测器9检测到光斑前后变化的位移d_9y；经第一分光棱镜1分成的第一反射光被反射镜2转向90度，入射到竖直放置的第一直角棱镜4中经过反射在水平方向被第一PSD位置探测器3检测到d_13x，最终由式(1)与式(2)进行数据处理得到俯仰、偏摆、滚转三个角度误差。

数据处理时，通过上位机301的第一PSD位置探测器3上的水平位移量d_3x以及在第二PSD位置探测器9上的竖直位移量d_9y，还有在第三PSD位置探测器13上面检测到的两个位移变化量d_13x以及d_13y，在不考虑安装误差的情况下，有以下关系式：

其中：第一直角棱镜4和第二直角棱镜7相同，控制两者入射光和出射光距离相同，且棱镜端面共面设置；第一PSD位置探测器3和第二PSD位置探测器9的接收端面共面设置；d为光线在直角棱镜中入射光和出射光之间的距离，n为棱镜的折射率，L为直角棱镜斜边的长度，z₀+Δz为每一次测量时直角棱镜距离PSD位置探测器的距离，其中z₀为初始测量位置直角棱镜斜面距离PSD的距离，Δz为每次移动的距离，f为准直透镜的焦距，α为移动工作台的俯仰角，β为移动工作台的偏摆角，γ为移动工作台的滚转角。解耦关系之后可以得到以下结果：

从而能够通过测量出来的四个位移偏差d_13y、d_13x、d_3x、d_9y与几个角度之间的几何关系推算出三个角度。

Claims (10)

1.一种直线进给系统的多自由度误差同时测量装置，其中，直线进给系统包括机床，固定在机床上的导轨，与导轨配合的若干滑块，以及固定在滑块上且分别与导轨滑动连接的移动工作台和静止工作台；其特征在于，所述测量装置包括固定在移动工作台上移动端(101)、固定在静止工作台上固定端(201)和上位机(301)；

所述的移动端(101)包括竖直放置的第一直角棱镜(4)，水平放置的第二直角棱镜(7)，以及半透半反镜(8)；

所述的固定端(201)包括激光器，第一分光棱镜(1)，反射镜(2)，第二分光棱镜(10)，准直透镜(11)，以及三个PSD位置探测器；第一分光棱镜(1)设置在激光器发射光路上形成第一反射光和第一透射光；

第一分光棱镜(1)、第二分光棱镜(10)、半透半反镜(8)、准直透镜(11)和第三PSD位置探测器(13)形成俯仰角与偏摆角的耦合单元；第二分光棱镜(10)设置在第一透射光路或者第一反射光经反射镜(2)后的光路上形成第二透射光；半透半反镜(8)设置在第二透射光路上形成第三透射光和第三反射光；第三反射光经第二分光棱镜(10)和准直透镜(11)由第三PSD位置探测器(13)接收；

第一分光棱镜(1)、反射镜(2)、第一直角棱镜(4)和第一PSD位置探测器(3)形成偏摆角与滚转角的耦合单元；第三透射光或第一反射光经反射镜(2)的光作为第一直角棱镜(4)的入射光，第一直角棱镜(4)的出射光由第一PSD位置探测器(3)接收；

第一分光棱镜(1)、第二直角棱镜(7)和第二PSD位置探测器(9)形成俯仰角与滚转角的耦合单元；第一透射光或第三透射光经第二直角棱镜(7)由第二PSD位置探测器(9)接收；

上位机(301)的输入端分别连接第一PSD位置探测器(3)、第二PSD位置探测器(9)和第三PSD位置探测器(13)的输出端，用于通过数据处理得到移动工作台的俯仰角、偏摆角和滚转角。

2.根据权利要求1所述的一种直线进给系统的多自由度误差同时测量装置，其特征在于，第一直角棱镜(4)和第二直角棱镜(7)的斜面共面设置，第一PSD位置探测器(3)和第二PSD位置探测器(9)的接收面共面设置。

3.根据权利要求1所述的一种直线进给系统的多自由度误差同时测量装置，其特征在于，所述的移动端(101)还包括装配底座(15)；装配底座(15)的底部固定在移动工作台上，第一直角棱镜(4)和第二直角棱镜(7)的斜面均贴合固定在装配底座(15)前端面内侧；装配底座(15)前端面上对应第一直角棱镜(4)和第二直角棱镜(7)的入射光路和出射光路分别设置对应的光通孔；对应第一直角棱镜(4)或第二直角棱镜(7)入射光路的光通孔上同轴设置固定在前端面上的半透半反镜夹具(14)；第一直角棱镜(4)和第二直角棱镜(7)的直角端分别设置直角棱镜夹具(18)，两个直角棱镜夹具(18)分别通过第一直角棱镜端盖(16)和第二直角棱镜端盖(17)与装配底座(15)后端面固定。

4.根据权利要求3所述的一种直线进给系统的多自由度误差同时测量装置，其特征在于，所述的半透半反镜夹具(14)包括环状本体(1401)和内侧设置有环状凹台(1402)，环状凹台用于加持固定半透半反镜(8)，环状本体通过螺栓固定在移动端装配体底座(2)的前端面外侧。

5.根据权利要求3所述的一种直线进给系统的多自由度误差同时测量装置，其特征在于，所述的直角棱镜夹具(18)顶部设置直角槽用于与直角棱镜的直角接触贴合，底部设置两个定位孔(1801)，底部两个侧面分别设置直角槽两个边垂直的螺纹孔(1802)。

6.根据权利要求5所述的一种直线进给系统的多自由度误差同时测量装置，其特征在于，第一直角棱镜端盖(16)和第二直角棱镜端盖(17)上均设置有端盖连接孔(19)、棱镜夹具固定孔(20)和螺丝调节孔(21)；第一直角棱镜端盖(16)和第二直角棱镜端盖(17)分别通过端盖连接孔(19)固定连接在装配底座(15)的后端面，棱镜夹具固定孔(20)与定位孔(1801)配合，螺丝调节孔(21)与螺纹孔(1802)同轴设置。

7.根据权利要求1所述的一种直线进给系统的多自由度误差同时测量装置，其特征在于，第一分光棱镜(1)、第二分光棱镜(10)和反射镜(2)通过笼式框架(12)固定连接为一个整体。

8.根据权利要求1所述的一种直线进给系统的多自由度误差同时测量装置，其特征在于，第二分光棱镜(10)通过笼式框架(12)与准直透镜(11)同轴连接，准直透镜(11)滑动设置在笼式框架(12)上。

9.一种直线进给系统的多自由度误差同时测量方法，其特征在于，基于权利要求2所述的测量装置，包括如下步骤，

步骤1，打开激光器，通过偏摆角与滚转角的耦合单元中的第一PSD位置探测器(3)测得的光斑水平位移量d_3x；

步骤2，通过俯仰角与滚转角的耦合单元中的第二PSD位置探测器(9)测得的光斑竖直位移量d_9y；

步骤3，通过俯仰角与偏摆角的耦合单元中的第三PSD位置探测器(13)测得两个光斑位移变化量d_13x以及d_13y；

步骤4，通过上位机(301)对步骤1、2和3中得到的四个位移量进行数据处理，得到以下关系式，

$\begin{array}{c}{d}_{3x}=d\mathrm{\γ}+\frac{1}{n}L\mathrm{\β}+\left(z_0+\mathrm{\Δ}z\right)\left(2\mathrm{\β}\right)\\ d_{9y}=d\mathrm{\γ}-\frac{1}{n}L\mathrm{\α}+\left(z_0+\mathrm{\Δ}z\right)\left(-2\mathrm{\α}\right)\\ d_{13x}=2f\mathrm{\β}\\ d_{13y}=2f\mathrm{\α}\end{array}---\left(1\right);$

其中：d为光线在直角棱镜中入射光和出射光之间的距离，n为棱镜的折射率，L为直角棱镜斜边的长度，z₀+Δz为每一次测量时直角棱镜斜面距离PSD位置探测器的距离，其中z₀为初始测量位置直角棱镜斜面距离PSD的距离，Δz为每次移动的距离，f为准直透镜的焦距，α为移动工作台的俯仰角，β为移动工作台的偏摆角，γ为移动工作台的滚转角；

步骤5，将步骤4中的关系式解耦关系之后得到移动工作台的俯仰角、偏摆角和滚转角，其结果如下，

$\begin{array}{c}\mathrm{\α}=\frac{d_{13y}}{2f}\\ \mathrm{\β}=\frac{d_{13x}}{2f}\\ \mathrm{\γ}=\frac{d_{13y}{d}_{3x}+d_{13x}{d}_{9y}}{d\left(d_{13y}+d_{13x}\right)}\end{array}---\left(2\right).$

10.根据权利要求9所述的一种直线进给系统的多自由度误差同时测量方法，其特征在于，步骤4中得到的关系式中不考虑安装误差。