CN107234487B - 基于组合面型基准件的运动部件多参数检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于组合面型基准件的运动部件多参数检测方法，在沿Z轴设置的运动部件上安装光学测头，在与Z轴垂直的平台上卡固组合面型基准件，在所述组合面型基准件上设有曲面阵列和平面阵列，运动部件位于所述组合面型基准件的上方；运动部件带动光学测头从初始位置沿左右方向平移到曲面阵列上A_I、A_II处，通过测量点斜率对应的角度计算其坐标，进而计算运动部件在X、Y两个方向上的位移；同理，光学测头平移到平面阵列上的A_III处时，通过成像光斑在CCD相机中的位置，计算出运动部件绕X、Y两个方向的转角。本发明一次测量可以同时获得运动部件的四项参数，效率高，精度高，操作简单，为机床误差检测与辨识提供了新的思路。

Description

基于组合面型基准件的运动部件多参数检测方法

技术领域

本发明涉及一种运动部件多参数检测方法，特别是一种基于组合面型基准件的运动部件多参数检测方法。

背景技术

机床误差检测领域中，使用较为广泛的机床误差检测仪器有激光干涉仪和球杆仪，由于自身检测原理上的因素，这些仪器在应用于多轴数控机床的误差检测中存在各自的不足：如激光干涉仪调整复杂，一次测量只能获得一个参数，操作要求高，难以实现自动化、快速化，并且价格昂贵，一般企业不具备；球杆仪无法随意规划测量路径，为旋转轴误差辨识的测量步骤设计和理论解耦算法研究增加了难度，且球杆仪以磁力座配合精密球进行接触式测量，需要在低速下运动以保证测量精度，很难适应快速化趋势。一维球列适合各轴的直线标定，但对角度误差检测不具优势，而多轴机床各轴之间的相对误差对加工精度影响非常大。

针对复杂异型零件的加工，多轴数控加工技术凭借其灵活、高效、高精的特点得到了广泛应用和推广，为满足定期精度校准的需要，高效的机床误差检测与辨识方法就成为亟待解决的问题。

多轴数控机床的几何误差检测项目主要包括运动轴的角度误差、定位误差、直线度误差和垂直度误差等，为了检测运动轴的上述误差量，需要提供一种运动轴多参数检测方法，该方法应该操作简单，检测效率高。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种基于组合面型基准件的运动部件多参数检测方法，该方法操作简单，检测效率高。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种基于组合面型基准件的多参数检测方法，在沿Z轴设置的运动部件上安装光学测头，在与Z轴垂直的平台上卡固组合面型基准件，在所述组合面型基准件上设有曲面阵列和平面阵列，运动部件位于所述组合面型基准件的上方；所述光学测头包括激光器、孔径光阑、反射镜、分光棱镜、成像透镜、CCD相机以及数据处理模块，所述激光器发出的准直光束经所述孔径光阑缩成细直光束，细直光束经所述反射镜后入射到所述分光棱镜中，1/2能量的反射光束投射到曲面阵列和平面阵列上的任意一点，该点反射的光束经所述分光棱镜透射后，通过所述成像透镜成像在所述CCD相机上；采用所述光学测头和所述组合面型基准件测量运动部件在X、Y两个方向上的位移和绕X、Y两个方向的转角，具体步骤如下：1)通过标定得出光学测头的光轴在CCD相机中的位置坐标O(x₀，y₀)，调整所述光学测头的光束和所述组合面型基准件上的曲面中心线以及平面法线平行；2)运动部件带动光学测头沿左右方向平移到曲面阵列上的第一位置A_I处，此时曲面阵列上对应的测量点为A₁(x₁，y₁，z₁)，所述数据处理模块按照以下步骤进行数据处理：2.1)获取CCD相机中成像光斑中心位置坐标A₁′(x₁′，y₁′)；2.2)将步骤2.1)中的光斑中心位置坐标A₁′(x₁′，y₁′)转换为光斑中心距离光轴的距离S_1x、S_1y；2.3)计算测量点A₁斜率对应的角度：ξ_x＝arctan(s_1x/f)/2，ξ_y＝arctan(s_1y/f)/2，其中：ξ_x代表测量点A₁在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；ξ_y代表测量点A₁在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；f代表成像透镜的焦距；2.4)计算测量点A₁(x₁，y₁，z₁)的坐标：x₁＝g(ξ_x)，y₁＝g(ξ_y)，其中：g(x)代表一元函数；3)运动部件带动光学测头沿左右方向平移到曲面阵列上的第二位置A_II处，此时曲面阵列上对应的测量点为A₂(x₂，y₂，z₂)，数据处理过程同步骤2)，测量点A₂(x₂，y₂，z₂)的坐标为：x₂＝g(φ_x)，y₂＝g(φ_y)，其中：Φ_x代表测量点A₂在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；Φ_y代表测量点A₂在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；4)数据处理模块计算运动部件在X、Y两个方向上的位移：M＝g(φ_x)-g(ξ_x)+P，N＝g(φ_y)-g(ξ_y)+Q，其中：M代表运动部件在X方向的位移；N代表运动部件在Y方向的位移；P代表第i个曲面和第j个曲面的中心线在X方向的距离；Q代表第i个曲面和第j个曲面的中心线在Y方向的距离；5)运动部件带动光学测头沿左右方向平移到平面阵列上的第三位置A_III处，此时平面阵列上对应的测量点为A₃(x₃，y₃，z₃)，运动部件绕X、Y两个方向的转角为ε_x、ε_y，所述数据处理模块按照以下步骤进行数据处理：5.1)获取CCD相机中成像光斑中心位置坐标A₃′(x₃′，y₃′)；5.2)将步骤5.1)中的光斑中心位置坐标A₃′(x₃′，y₃′)转换为光斑中心距离光轴的距离S_3x、S_3y；5.3)计算运动部件在位置A_III处的两个转角：ε_x＝arctan(s_3x/f)/2，ε_y＝arctan(s_3y/f)/2，其中：ε_x代表运动部件在位置A_III处绕X轴的转角；ε_y代表运动部件在位置A_III处绕Y轴的转角；f代表成像透镜的焦距。

本发明具有的优点和积极效果是：基于光学曲面制造技术，采用光学非接触测头测量组合面型基准件上的曲面阵列和平面阵列，一次测量可获得4项参数，相比激光干涉仪，极大地提高了检测效率，操作简单；组合面型基准件可根据实际测量需要进行拼接，具有较宽的检测范围；随着自由曲面制造技术的发展，面型加工精度可达纳米级别，因此采用组合面型基准件检测机床误差，具有较高的精度潜力，特别适用于机床等需要定期进行误差检测的多轴系统。

附图说明：

图1为本发明应用的结构示意图；

图2为本发明应用的光路图。

图中：1、光学测头；1-1、激光器；1-2、孔径光阑；1-3、反射镜；1-4、分光棱镜；1-5、成像透镜；1-6、CCD相机；2、组合面型基准件，2-1、曲面，2-2平面。

具体实施方式：

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1和图2，一种基于组合面型基准件的运动部件多参数检测方法，在沿Z轴设置的运动部件上安装光学测头1，在与Z轴垂直的平台上卡固组合面型基准件2，在所述组合面型基准件2上设有曲面2-1阵列和平面2-2阵列，运动部件位于所述组合面型基准件2的上方。

所述光学测头1包括激光器1-1、孔径光阑1-2、反射镜1-3、分光棱镜1-4、成像透镜1-5、CCD相机1-6以及数据处理模块，所述激光器1-1发出的准直光束经所述孔径光阑1-2缩成细直光束，细直光束经所述反射镜1-3后入射到所述分光棱镜1-4中，1/2能量的反射光束投射到曲面阵列和平面阵列上的任意一点，该点反射的光束经所述分光棱镜1-4透射后，通过所述成像透镜1-5成像在所述CCD相机1-6上。

采用所述光学测头1和所述组合面型基准件2测量运动部件在X、Y两个方向上的位移和绕X、Y两个方向的转角，具体步骤如下：

1)通过标定得出所述光学测头1的光轴在所述CCD相机中1-6的位置坐标O(x₀，y₀)，调整所述光学测头1的光束和所述组合面型基准件2上的曲面2-1中心线以及平面2-2法线平行；

2)运动部件带动光学测头1沿左右方向平移到曲面2-1阵列第一位置A_I处，此时曲面2-1阵列上对应的测量点为A₁(x₁，y₁，z₁)，所述数据处理模块按照以下步骤进行数据处理：

2.1)获取CCD相机中成像光斑中心位置坐标A₁′(x₁′，y₁′)；

2.2)将步骤2.1)中的光斑中心位置坐标A₁′(x₁′，y₁′)转换为光斑中心距离光轴的距离S_1x、S_1y；

2.3)计算测量点A₁斜率对应的角度：

ξ_x＝arctan(s_1x/f)/2 (1)

ξ_y＝arctan(s_1y/f)/2 (2)

其中：ξ_x代表测量点A₁在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；

ξ_y代表测量点A₁在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；

f代表成像透镜的焦距；

2.4)计算测量点A₁(x₁，y₁，z₁)的坐标：

x₁＝g(ξ_x) (3)

y₁＝g(ξ_y) (4)

其中：g(x)代表一元函数。

3)运动部件带动光学测头沿左右方向平移到曲面2-1阵列上第二位置A_II处，此时曲面阵列2-1上对应的测量点为A₂(x₂，y₂，z₂)，数据处理过程同步骤2)，测量点A₂(x₂，y₂，z₂)的坐标为：

x₂＝g(φ_x) (5)

y₂＝g(φ_y) (6)

其中：Φ_x代表测量点A₂在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；

Φ_y代表测量点A₂在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角。

4)数据处理模块计算运动部件在X、Y两个方向上的位移：

M＝g(φ_x)-g(ξ_x)+P (7)

N＝g(φ_y)-g(ξ_y)+Q (8)

其中：M代表运动部件在X方向的位移；

N代表运动部件在Y方向的位移；

P代表第i个曲面和第j个曲面的中心线在X方向的距离；

Q代表第i个曲面和第j个曲面的中心线在Y方向的距离。

5)运动部件带动光学测头沿左右方向平移到平面阵列上的第三位置A_III处，此时平面2-2阵列上对应的测量点为A₃(x₃，y₃，z₃)，运动部件绕X、Y两个方向的转角为ε_x、ε_y，所述数据处理模块按照以下步骤进行数据处理：

5.1)获取CCD相机1-6中成像光斑的位置A₃′(x₃′，y₃′)；

5.2)将步骤5.1)中的光斑中心位置坐标A₃′(x₃′，y₃′)转换为光斑中心距离光轴的距离S_3x、S_3y；

5.3)计算运动部件在位置A_III处的两个转角：

ε_x＝arctan(s_3x/f)/2 (9)

ε_y＝arctan(s_3y/f)/2 (10)

其中：ε_x代表运动部件在位置A_III处绕X轴的转角；

ε_y代表运动部件在位置A_III处绕Y轴的转角；

f代表成像透镜的焦距。

本发明的应用实例：

将处于标定状态的光学测头1安装在机床的Z轴上，组合面型基准件卡固在工作台上，在组合面型基准件上设置旋转抛物面阵列和平面阵列，采用以下步骤进行测量：

1)通过标定得出光学测头的光轴在CCD相机中的位置坐标O(x₀，y₀)，使所述光学测头的光束和机床Z轴平行；

2)机床Z轴带动光学测头水平移动到旋转抛物面阵列上的第一位置A_I，此时旋转抛物面阵列上对应的测量点为A₁(x₁，y₁，z₁)，获取此时CCD相机中成像光斑的位置A₁′(x₁′，y₁′)，并转换为光斑中心距离光轴的距离S_1x、S_1y，然后计算测量点A₁斜率对应的角度：

ξ_x＝arctan(s_1x/f)/2 (11)

ξ_y＝arctan(s_1y/f)/2 (12)

其中：ξ_x代表测量点A₁在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；

ξ_y代表测量点A₁在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；

S_1x代表第一个测量点的成像光斑的中心在X轴方向距离系统光轴的距离；

S_1y代表第一个测量点的成像光斑的中心在Y轴方向距离系统光轴的距离；

f代表成像透镜的焦距，

最后计算测量点A₁的坐标：

∵旋转抛物面的面型公式为：

其中：a²为旋转抛物面的特征参数；

对(13)式求一阶导数，可得到曲面上任一点的斜率为：

∴

x₁＝a²tanξ_x (16)

y₁＝a²tanξ_y (17)

其中：S_1x代表成像光斑A₁′的中心在X轴方向距离系统光轴的距离；

S_1y代表成像光斑A₁′的中心在Y轴方向距离系统光轴的距离；

3)机床Z轴带动光学测头水平移动到旋转抛物面阵列上第二位置A_II，此时旋转抛物面阵列上对应的测量点为A₂(x₂，y₂，z₂)，获取此时CCD相机中成像光斑的位置A₂′(x₂′，y₂′)；

同步骤2)可以计算测量点A₂的坐标：

x₂＝a²tanφ_x (18)

y₂＝a²tanφ_y (19)

4)计算机床Z轴在X、Y两个方向上的位移M、N：

M＝a²tanφ_x-a²tanξ_x+P (20)

N＝a²tanφ_y-a²tanξ_y+Q (21)

其中：M代表Z轴在X方向的位移；

N代表Z轴在Y方向的位移；

P代表第i个曲面和第j个曲面的中心线在X方向的距离；

Q代表第i个曲面和第j个曲面的中心线在Y方向的距离。

5)机床Z轴带动光学测头沿左右方向平移到位于平面阵列上的第三位置A_III处，此时平面阵列上对应的测量点为A₃(x₃，y₃，z₃)，机床Z轴绕X、Y两个方向的转角为ε_x、ε_y，获取此时CCD相机中成像光斑的位置A₃′(x₃′，y₃′)；计算机床Z轴在位置A_III处的两个转角：

ε_x＝arctan(s_3x/f)/2 (22)

ε_y＝arctan(s_3y/f)/2 (23)

其中：ε_x代表Z轴在位置A_III处绕X轴的转角；

ε_y代表Z轴在位置A_III处绕Y轴的转角；

f代表成像透镜的焦距。

本发明的工作原理为：

如图2，与旋转抛物面中心轴线平行的光束投射到曲面上任意一点时，曲面上除去顶点位置处各点的切线均与XOY平面存在夹角，且不同位置处的角度值不同，故不同测量点在CCD相机中的位置不同，即曲面上的坐标点与CCD相机中光斑的位置有一一对应的关系，因此可以根据光斑的位置求出旋转抛物面上点的坐标，进而求出携带光学测头的运动部件在X、Y两个方向上的位移。

同理，对于平面，根据光的反射定律可知，当入射角改变时，反射光线相对于组合面型基准件的夹角会发生改变，因此CCD相机中成像光斑的位置会改变，根据CCD相机中的光斑位置坐标变化可以求取运动部件绕X、Y两个方向的转角。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于组合面型基准件的运动部件多参数检测方法，其特征在于，在沿Z轴设置的运动部件上安装光学测头，在与Z轴垂直的平台上卡固组合面型基准件，在所述组合面型基准件上设有曲面阵列与平面阵列，运动部件位于所述组合面型基准件的上方；

所述光学测头包括激光器、孔径光阑、反射镜、分光棱镜、成像透镜、CCD相机以及数据处理模块，所述激光器发出的准直光束经所述孔径光阑缩成细直光束，细直光束经所述反射镜后入射到所述分光棱镜中，1/2能量的反射光束投射到曲面阵列和平面阵列上的任意一点，该点反射的光束经所述分光棱镜透射后，通过所述成像透镜成像在所述CCD相机上；采用所述光学测头和所述组合面型基准件测量运动部件在X、Y两个方向上的位移和绕X、Y两个方向的转角，具体步骤如下：

1)通过标定得出光学测头的光轴在CCD相机中的位置坐标O(x₀，y₀)，调整所述光学测头的光束和所述组合面型基准件上的曲面中心线以及平面法线平行；

2)运动部件带动光学测头沿左右方向平移到曲面阵列上的第一位置A_I处，此时曲面阵列上对应的测量点为A₁(x₁，y₁，z₁)，所述数据处理模块按照以下步骤进行数据处理：

2.1)获取CCD相机中成像光斑中心位置坐标A₁′(x₁′，y₁′)；

2.2)将步骤2.1)中的光斑中心位置坐标A₁′(x₁′，y₁′)转换为光斑中心距离光轴的距离S_1x、S_1y；

2.3)计算测量点A₁斜率对应的角度：

ξ_x＝arctan(s_1x/f)/2

ξ_y＝arctan(s_1y/f)/2

其中：ξ_x代表测量点A₁在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；

ξ_y代表测量点A₁在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；

f代表成像透镜的焦距；

2.4)计算测量点A₁(x₁，y₁，z₁)的坐标：

x₁＝g(ξ_x)

y₁＝g(ξ_y)

其中：g(x)代表一元函数；

3)运动部件带动光学测头沿左右方向平移到曲面阵列上的第二位置A_II处，此时曲面阵列上对应的测量点为A₂(x₂，y₂，z₂)，数据处理过程同步骤2)，测量点A₂(x₂，y₂，z₂)的坐标为：

x₂＝g(φ_x)

y₂＝g(φ_y)

其中：Φ_x代表测量点A₂在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；

Φ_y代表测量点A₂在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；

4)数据处理模块计算运动部件在X、Y两个方向上的位移：

M＝g(φ_x)-g(ξ_x)+P

N＝g(φ_y)-g(ξ_y)+Q

其中：M代表运动部件在X方向的位移；

N代表运动部件在Y方向的位移；

P代表第i个曲面和第j个曲面的中心线在X方向的距离；

Q代表第i个曲面和第j个曲面的中心线在Y方向的距离；

5)运动部件带动光学测头沿左右方向平移到平面阵列上的第三位置A_III处，此时平面阵列上对应的测量点为A₃(x₃，y₃，z₃)，运动部件绕X、Y两个方向的转角为ε_x、ε_y，所述数据处理模块按照以下步骤进行数据处理：

5.1)获取CCD相机中成像光斑中心位置坐标A₃′(x₃′，y₃′)；

5.2)将步骤5.1)中的光斑中心位置坐标A₃′(x₃′，y₃′)转换为光斑中心距离光轴的距离S_3x、S_3y；

5.3)计算运动部件在位置A_III处的两个转角：

ε_x＝arctan(s_3x/f)/2

ε_y＝arctan(s_3y/f)/2

其中：ε_x代表运动部件在位置A_III处绕X轴的转角；

ε_y代表运动部件在位置A_III处绕Y轴的转角；

f代表成像透镜的焦距。