CN107238353B - 一种基于曲面基准件的旋转角测量方法 - Google Patents

一种基于曲面基准件的旋转角测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于曲面基准件的旋转角测量方法，在Z轴上安装差分光学测头，在与Z轴平行或同轴的旋转轴上卡固曲面基准件，所述差分光学测头位于所述曲面基准件的上方，所述差分光学测头设有两个结构相同的光学测头，在所述曲面基准件上设有与两光学测头对应的曲面Ⅰ和曲面Ⅱ，旋转轴旋转带动曲面基准件从初始位置AI旋转到位置AII处，两曲面上的测量点发生位移，通过测量点的位移量与旋转角之间的对应关系实现旋转角度的测量，采用双光学测头组合成差分测头的方法避免了对曲面基准件旋转轴的定位，采用该方法可以获得旋转轴的旋转角度，效率高，精度高，成本低，操作简单，为机床旋转轴的旋转角检测提供了新的方法。

Description

一种基于曲面基准件的旋转角测量方法
技术领域
本发明涉及一种旋转角测量方法，特别是涉及一种基于曲面基准件的旋转角测量方法。
背景技术
目前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。
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各轴的角度误差、定位误差、直线度误差、垂直度误差等，其中角度误差中的旋转角误差是最难测量的参数。目前国内外对机械导轨旋转轴的旋转角误差的检测还处于一种研究和探索阶段。为了检测旋转轴的旋转角误差，因此需要提出更多的旋转角测量方法。
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曲面基准件的旋转角测量方法，采用该方法可测量旋转轴的旋转角度。
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：一种基于曲面基准件的旋转角测量方法，在Z轴上安装差分光学测头，在与Z轴平行或同轴的旋转轴上卡固曲面基准件，在所述曲面基准件上至少设有曲面Ⅰ和曲面Ⅱ，所述差分光学测头设有一个数据处理模块和两个结构相同的光学测头，两个所述光学测头分别是光学测头Ⅰ和光学测头Ⅱ，所述光学测头的光轴与Z轴平行，所述差分光学测头位于所述曲面基准件的上方，两个所述光学测头光轴间的距离与曲面Ⅰ和曲面Ⅱ中心间的距离相等；所述光学测头包括激光器、孔径光阑、反射镜、分光棱镜、成像透镜和CCD相机，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内的任意一点，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；采用所述差分光学测头和所述曲面基准件测量旋转轴的旋转角，具体步骤如下：1)通过标定得出光学测头Ⅰ的光轴在光学测头Ⅰ的CCD相机中的位置坐标O1'(x'O1,y'O1)，通过标定得出光学测头Ⅱ的光轴在光学测头Ⅱ的CCD相机中的位置坐标O'2(x'O2,y'O2)；2)调整所述曲面基准件，使所述曲面Ⅰ位于光学测头Ⅰ的测量范围内，所述曲面Ⅱ位于所述光学测头Ⅱ的测量范围内，且所述曲面Ⅰ的中心线与所述光学测头Ⅰ的光轴平行，所述曲面Ⅱ的中心线与所述光学测头Ⅱ的光轴平行；此时曲面基准件位于第一位置AI处，曲面Ⅰ对应的测量点为A1(x1,y1)，曲面Ⅱ对应的测量点为A2(x2,y2)；3)所述数据处理模块按照以下步骤进行数据处理：3.1)获取测量点A1(x1,y1)的坐标，具体步骤为：3.1.1)获取光学测头Ⅰ的CCD相机中成像光斑中心位置坐标A1'(x1',y1')；3.1.2)将步骤3.1)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s1x、s1y；3.1.3)计算测量点A1斜率对应的角度：ξx1＝arctan(s1x/f)/2，ξy1＝arctan(s1y/f)/2，其中：ξx1代表测量点A1在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；ξy1代表测量点A1在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；s1x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；s1y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；3.1.4)计算测量点A1(x1,y1)的坐标：x1＝g(ξx1)，y1＝g(ξy1)，其中：g(x)代表一元函数；3.2)所述数据处理模块按照与步骤3.1)相同的步骤，获取测量点A2(x2,y2)的坐标为：x2＝g(ξx2)，y2＝g(ξy2)，其中：ξx2代表测量点A2在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；ξy2代表测量点A2在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；4)转动旋转轴，旋转轴带动曲面基准件旋转到第二位置AII处，此时曲面Ⅰ对应的测量点为A3(x3,y3)，曲面Ⅱ对应的测量点为A4(x4,y4)，所述数据处理模块按照与步骤3)相同的步骤进行数据处理，获得测量点A3(x3,y3)的坐标为：x3＝g(φx3)，y3＝g(φy3)，其中：φx3代表测量点A3在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；φy3代表测量点A3在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；获得测量点A4(x4,y4)的坐标为：x4＝g(φx4)，y4＝g(φy4)，其中：φx4代表测量点A4在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；φy4代表测量点A4在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；5)所述数据处理模块按照以下步骤进行数据处理，获取曲面基准件旋转的角度：5.1)计算位置A1(x1,y1)和位置A3(x3,y3)之间的距离：5.2)计算位置A2(x2,y2)和位置A4(x4,y4)之间的距离：5.3)计算曲面基准件旋转的角度：γ＝arctan((d1+d2)/d0)，其中：γ代表基准件旋转的角度；d0代表光学测头Ⅰ光轴和光学测头Ⅱ光轴的间距。
本发明具有的优点和积极效果是：基于光学曲面制造技术，利用曲面基准件的旋转角与两曲面上测量点的位移量间的一一对应关系实现旋转角度的测量，通过采用双光学测头组合成差分测头的测量方法避免了对曲面基准件旋转轴的定位，采用该方法可以获得旋转轴的旋转角度，效率高，精度高，成本低，操作简单，为机床旋转轴的旋转角检测提供了新的方法。
附图说明
图1为本发明应用的整体结构示意图；
图2为本发明采用的差分光学测头的结构示意图；
图3为本发明采用的光学测头的结构示意图；
图4为本发明应用的测量光路示意图；
图5为本发明应用的测量原理示意图。
图中：1、差分光学测头；1-1、光学测头Ⅰ；1-2、光学测头Ⅱ；2、曲面基准件；2-1、曲面Ⅰ；2-2、曲面Ⅱ；3、激光器；4、孔径光阑；5、反射镜；6、分光棱镜；7、成像透镜；8、CCD相机。
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至图5，一种基于曲面基准件的旋转角测量方法，在Z轴上安装差分光学测头1，在与Z轴平行或同轴的旋转轴上卡固曲面基准件2，在所述曲面基准件2上至少设有曲面Ⅰ2-1和曲面Ⅱ2-2，所述差分光学测头1设有一个数据处理模块和两个结构相同的光学测头，两个所述光学测头分别是光学测头Ⅰ1-1和光学测头Ⅱ1-2，所述光学测头的光轴与Z轴平行，所述差分光学测头1位于所述曲面基准件2的上方，两个所述光学测头光轴间的距离与曲面Ⅰ2-1和曲面Ⅱ2-2中心间的距离相等。
所述光学测头包括激光器3、孔径光阑4、反射镜5、分光棱镜6、成像透镜7和CCD相机8，所述激光器3发出的准直光束经所述孔径光阑4缩成细直光束，细直光束经所述反射镜5后入射到所述分光棱镜6中，1/2能量的反射光束投射到曲面内的任意一点，该点反射的光束经所述分光棱镜6透射后，通过所述成像透镜7成像在所述CCD相机8上。
采用所述差分光学测头1和所述曲面基准件2测量旋转轴的旋转角，具体步骤如下：
1)通过标定得出光学测头Ⅰ1-1的光轴在光学测头Ⅰ1-1的CCD相机中的位置坐标O1'(x'O1,y'O1)，通过标定得出光学测头Ⅱ1-2的光轴在光学测头Ⅱ1-2的CCD相机中的位置坐标O'2(x'O2,y'O2)。
2)调整所述曲面基准件2，使所述曲面Ⅰ2-1位于光学测头Ⅰ1-1的测量范围内，所述曲面Ⅱ2-2位于所述光学测头Ⅱ1-2的测量范围内，且所述曲面Ⅰ2-1的中心线与所述光学测头Ⅰ1-1的光轴平行，所述曲面Ⅱ2-2的中心线与所述光学测头Ⅱ1-2的光轴平行；此时曲面基准件2位于第一位置AI处，曲面Ⅰ2-1上对应的测量点为A1(x1,y1)，曲面Ⅱ2-2上对应的测量点为A2(x2,y2)。
3)所述数据处理模块按照以下步骤进行数据处理：
3.1)获取测量点A1(x1,y1)的坐标，具体步骤为：
3.1.1)获取光学测头Ⅰ1-1的CCD相机中成像光斑中心位置坐标A1'(x1',y1')；
3.1.2)将步骤3.1)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s1x、s1y；
3.1.3)计算测量点A1斜率对应的角度：
ξx1＝arctan(s1x/f)/2 (1)
ξy1＝arctan(s1y/f)/2 (2)
其中：ξx1代表测量点A1在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；
ξy1代表测量点A1在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；
s1x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；
s1y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7的焦距；
3.1.4)计算测量点A1(x1,y1)的坐标：
x1＝g(ξx1) (3)
y1＝g(ξy1) (4)
其中：g(x)代表一元函数；
3.2)所述数据处理模块按照与步骤3.1)相同的步骤，获取测量点A2(x2,y2)的坐标为：
x2＝g(ξx2) (5)
y2＝g(ξy2) (6)
其中：ξx2代表测量点A2在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；
ξy2代表测量点A2在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；
4)转动旋转轴，旋转轴带动曲面基准件2旋转到第二位置AII处，此时曲面Ⅰ2-1上对应的测量点为A3(x3,y3)，曲面Ⅱ2-2上对应的测量点为A4(x4,y4)，所述数据处理模块按照与步骤3)相同的步骤进行数据处理，获得测量点A3(x3,y3)的坐标为：
x3＝g(φx3) (7)
y3＝g(φy3) (8)
其中：φx3代表测量点A3在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；
φy3代表测量点A3在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；
获得测量点A4(x4,y4)的坐标为：
x4＝g(φx4) (9)
y4＝g(φy4) (10)
其中：φx4代表测量点A4在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；
φy4代表测量点A4在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；
5)所述数据处理模块按照以下步骤进行数据处理，获取曲面基准件2旋转的角度：
5.1)计算位置A1(x1,y1)和位置A3(x3,y3)之间的距离：
5.2)计算位置A2(x2,y2)和位置A4(x4,y4)之间的距离：
5.3)计算曲面基准件2旋转的角度：
γ＝arctan((d1+d2)/d0) (13)
其中：γ代表曲面基准件2旋转的角度；
d0代表光学测头Ⅰ1-1光轴和光学测头Ⅱ1-2光轴的间距。
本发明的应用实例：
在Z轴上安装差分光学测头1，在与Z轴平行或同轴的旋转轴上卡固曲面基准件2，本实例中曲面Ⅰ2-1为旋转抛物面Ⅰ和曲面Ⅱ2-2为旋转抛物面Ⅱ，采用以下步骤进行测量：
1)通过标定得出光学测头Ⅰ1-1的光轴在光学测头Ⅰ1-1的CCD相机中的位置坐标O1'(x'O1,y'O1)，通过标定得出光学测头Ⅱ1-2的光轴在光学测头Ⅱ1-2的CCD相机中的位置坐标O'2(x'O2,y'O2)；
2)调整所述曲面基准件2，使所述旋转抛物面Ⅰ2-1位于光学测头Ⅰ1-1的测量范围内，所述旋转抛物面Ⅱ位于所述光学测头Ⅱ1-2的测量范围内，且所述旋转抛物面Ⅰ的中心线与所述光学测头Ⅰ1-1的光轴平行，所述旋转抛物面Ⅱ的中心线与所述光学测头Ⅱ1-2的光轴平行；此时曲面基准件2位于第一位置AI处，旋转抛物面Ⅰ上对应的测量点为A1(x1,y1)，旋转抛物面Ⅱ上对应的测量点为A2(x2,y2)；
3)所述数据处理模块按照以下步骤进行数据处理：
3.1)获取测量点A1(x1,y1)的坐标，具体步骤为：
3.1.1)获取光学测头Ⅰ1-1的CCD相机中成像光斑中心位置坐标A1'(x1',y1')；
3.1.2)将步骤3.1)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s1x、s1y；
3.1.3)计算测量点A1斜率对应的角度：
ξx1＝arctan(s1x/f)/2 (14)
ξy1＝arctan(s1y/f)/2 (15)
其中：ξx1代表测量点A1在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；
ξy1代表测量点A1在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；
s1x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；
s1y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7的焦距；
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；
为得到旋转抛物面上任一点的斜率，对(16)式求一阶导数：
∴x1＝a2tanξx1 (19)
y1＝a2tanξy1 (20)
其中：ξx1代表测量点A1在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；
ξy1代表测量点A1在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；
同理，计算测量A2点的坐标：
x2＝a2tanξx2 (21)
y2＝a2tanξy2 (22)
其中：ξx2代表测量点A2在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；
ξy2代表测量点A2在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；
4)转动旋转轴，旋转轴带动曲面基准件2旋转到第二位置AII处，此时旋转抛物面Ⅰ上对应的测量点为A3(x3,y3)，旋转抛物面Ⅱ上对应的测量点为A4(x4,y4)，所述数据处理模块按照与步骤3)相同的步骤进行数据处理，获得测量点A3(x3,y3)的坐标为：
x3＝a2tanφx3 (23)
y3＝a2tanφy3 (24)
其中：φx3代表测量点A3在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；
φy3代表测量点A3在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；
同理，计算测量点A4的坐标：
x4＝a2tanφx4 (25)
y4＝a2tanφy4 (26)
其中：φx4代表测量点A4在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；
φy4代表测量点A4在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；
5)所述数据处理模块按照以下步骤进行数据处理，获取曲面基准件2旋转的角度：
5.1)计算位置A1(x1,y1)和位置A3(x3,y3)之间的距离：
5.2)计算位置A2(x2,y2)和位置A4(x4,y4)之间的距离：
5.3)计算曲面基准件2旋转的角度：
其中：γ代表曲面基准件旋转的角度；
d0代表光学测头Ⅰ1-1光轴和光学测头Ⅱ1-2光轴的间距。
本发明的工作原理为：
差分光学测头中光学测头Ⅰ和光学测头Ⅱ的两光束沿曲面的中心轴线方向分别投射到曲面基准件上点A1和点A2处，两光学测头分别测得点A1在和点A2在两曲面上的测量起始位置，当曲面基准件绕着O0旋转角度γ时，两光束在两曲面上的投射点将分别随之移动到点A3和点A4处，且不同旋转角度下两投射点的位移量不同，即两光束投射点的位移量与旋转角度有一一对应的关系，则可以根据两光束投射点的位移量求出携带曲面基准件滚转的运动部件的旋转角。
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)

1.一种基于曲面基准件的旋转角测量方法，其特征在于，在Z轴上安装差分光学测头，在与Z轴平行或同轴的旋转轴上卡固曲面基准件，在所述曲面基准件上至少设有曲面Ⅰ和曲面Ⅱ，所述差分光学测头设有一个数据处理模块和两个结构相同的光学测头，两个所述光学测头分别是光学测头Ⅰ和光学测头Ⅱ，所述光学测头Ⅰ的光轴和所述光学测头Ⅱ的光轴均与Z轴平行，所述差分光学测头位于所述曲面基准件的上方，两个所述光学测头Ⅰ和所述光学测头Ⅱ光轴间的距离与曲面Ⅰ和曲面Ⅱ中心间的距离相等；
所述光学测头Ⅰ和所述光学测头Ⅱ包括激光器、孔径光阑、反射镜、分光棱镜、成像透镜和CCD相机，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内的任意一点，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；
采用所述差分光学测头和所述曲面基准件测量旋转轴的旋转角，具体步骤如下：
1)通过标定得出光学测头Ⅰ的光轴在光学测头Ⅰ的CCD相机中的位置坐标O'1(x'O1,y'O1)，通过标定得出光学测头Ⅱ的光轴在光学测头Ⅱ的CCD相机中的位置坐标O'2(x'O2,y'O2)；
2)调整所述曲面基准件，使所述曲面Ⅰ位于光学测头Ⅰ的测量范围内，所述曲面Ⅱ位于所述光学测头Ⅱ的测量范围内，且所述曲面Ⅰ的中心线与所述光学测头Ⅰ的光轴平行，所述曲面Ⅱ的中心线与所述光学测头Ⅱ的光轴平行；此时曲面基准件位于第一位置AI处，曲面Ⅰ上对应的测量点为A1(x1,y1)，曲面Ⅱ上对应的测量点为A2(x2,y2)；
3)所述数据处理模块按照以下步骤进行数据处理：
3.1)获取测量点A1(x1,y1)的坐标，具体步骤为：
3.1.1)获取光学测头Ⅰ的CCD相机中成像光斑中心位置坐标A'1(x'1,y'1)；
3.1.2)将步骤3.1)中的光斑中心位置坐标A'1(x'1,y'1)转换为光斑中心距离光轴的距离s1x、s1y；
3.1.3)计算测量点A1斜率对应的角度：
ξx1＝arctan(s1x/f)/2
ξy1＝arctan(s1y/f)/2
其中：ξx1代表测量点A1在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；
ξy1代表测量点A1在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；
s1x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；
s1y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；
3.1.4)计算测量点A1(x1,y1)的坐标：
x1＝g(ξx1)
y1＝g(ξy1)
其中：g(x)代表一元函数；
3.2)所述数据处理模块按照与步骤3.1)相同的步骤，获取测量点A2(x2,y2)的坐标为：
x2＝g(ξx2)
y2＝g(ξy2)
其中：ξx2代表测量点A2在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；
ξy2代表测量点A2在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；
4)转动旋转轴，旋转轴带动曲面基准件旋转到第二位置AII处，此时曲面Ⅰ上对应的测量点为A3(x3,y3)，曲面Ⅱ上对应的测量点为A4(x4,y4)，所述数据处理模块按照与步骤3)相同的步骤进行数据处理，获得测量点A3(x3,y3)的坐标为：
x3＝g(φx3)
y3＝g(φy3)
其中：φx3代表测量点A3在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；
φy3代表测量点A3在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；
获得测量点A4(x4,y4)的坐标为：
x4＝g(φx4)
y4＝g(φy4)
其中：φx4代表测量点A4在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；
φy4代表测量点A4在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；
5)所述数据处理模块按照以下步骤进行数据处理，获取曲面基准件旋转的角度：
5.1)计算位置A1(x1,y1)和位置A3(x3,y3)之间的距离：
5.2)计算位置A2(x2,y2)和位置A4(x4,y4)之间的距离：
5.3)计算曲面基准件旋转的角度：
γ＝arctan((d1+d2)/d0)
其中：γ代表曲面基准件旋转的角度；
d0代表光学测头Ⅰ光轴和光学测头Ⅱ光轴的间距。
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