CN107462210B - 直线导轨的滚转角测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直线导轨的滚转角测量装置，包括自准直仪、第一五棱镜、第二五棱镜、平面反射镜、辅助直线导轨、辅助直线导轨控制器、待测直线导轨控制器和计算机，在测量过程中辅助直线导轨与待测直线导线保持相同方向、相近速度运动，实现待测直线导轨的滚转角测量。本发明避免使用长条镜作为体外反射镜，节约测量成本，克服了测量过程中辅助直线导轨的俯仰角、偏摆角和滚转角对待测直线导轨滚转角测量的串扰问题，提高测量精度。在该测量装置中，测量结果不受五棱镜位置与角度的影响，光路调节方便，具有测量速度快、测量成本低的特点。

Description

直线导轨的滚转角测量装置
技术领域
本发明涉及光电检测技术领域，具体涉及一种直线导轨滚转角的非接触式光学检测装置。
背景技术
机械导轨运动存在三个回转自由度或称为角度运动误差(俯仰、偏摆和滚转误差)。在高精密机械加工检测领域，这些角度运动误差会通过该方向上的阿贝臂造成阿贝误差，从而影响加工或者检测精度。在六自由度误差中，定位误差、二维直线度误差、俯仰角误差和偏摆角误差这五项误差可以利用目前已商品化的干涉仪进行高精度测量。但是，滚转角误差的测量存在很大困难，是六自由度误差中最难检测的一个参数，其检测方法一直处于摸索阶段。
张桐在2014年博士论文中提出一种基于角镜和斜方棱镜的双平行光束滚转角测量系统(在先技术[1]:张桐，“基于特殊棱镜的滚转角测量误差分析补偿方法的研究”)。在导轨运动过程中，通过两个探测器对返回光束的位置进行实时检测，通过直线度误差的测量得到滚转角的大小。该系统的主要缺点在于，导轨本身的俯仰角和偏摆角对滚转角的测量会产生串扰，影响滚转角的测量精度。
中国专利“一种导轨滚转角的非接触激光检测方法”(在先技术[2]:申请号200810150780.2，公开号CN 101354243A)，公开了一种导轨滚转角的非接触式激光检测方法。该方法通过偏振分光棱镜将直角棱镜的反射光分成两束，分别用两个光电探测器接收并产生电压信号，经过计算机处理得到被测导轨的滚转角。该方法优点在于，滚转角的敏感元件不携带电缆，待测导轨行程不受限制。但是，该方法的直接测量对象是光强，易受到背景光的影响，影响测量精度；且被测滚转角与测量系统的输出电压之间的线性关系区间较小，以牺牲动态范围换来测量精度和分辨率。
目前，可以采用商用自准直仪进行直线导轨的俯仰角和偏摆角的直接测量，但对于滚转角的测量，则需要配备一个尺寸和导轨行程相当的体外反射镜。测量精度需要通过严格控制体外反射镜的平面度来保证，而高平面度的长条镜加工制作成本很高。在本专利中，通过配备两个五棱镜，将光路稍作转换，可以完成待测直线导轨滚转角的测量。该方法可以克服在先技术[1]和在先技术[2]的不足，并且有望和俯仰偏摆角的测量系统进行集成。
发明内容
本发明的主要目的是，提供一种直线导轨的滚转角测量装置及方法，测量过程方便、测量速度快和成本低的特点。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种直线导轨的滚转角测量装置，其特征在于包含：自准直仪、第一五棱镜、第二五棱镜、平面反射镜、辅助直线导轨、辅助直线导轨控制器、待测直线导轨控制器和计算机，所述的平面反射镜安装在待测直线导轨上，平面反射镜的法线方向为Y方向，待测直线导轨的运动方向为X方向，同时与X方向和Y方向垂直的方向为Z方向；所述第一五棱镜的主截面位于XOZ平面内，与待测直线导轨运动方向平行；第二五棱镜的主截面位于YOZ平面内，与待测直线导轨的运动方向垂直，所述的第一五棱镜和第二五棱镜固定在辅助直线导轨上，辅助直线导轨的运动方向与待测直线导轨的运动方向平行；
从所述的自准直仪发出的平行光束，沿X方向入射至第一五棱镜上，经第一五棱镜绕Y轴偏转90度出射，该出射光入射至第二五棱镜，并经该第二五棱镜沿绕X轴偏转90度出射，该出射光垂直入射至平面反射镜，经平面反射镜反射后，反射光束再一次经过第二五棱镜和第一五棱镜原路返回至自准直仪，由自准直仪测量返回光束与其发出的平行光束的夹角，并将测量结果传送至计算机；
所述的辅助直线导轨控制器和待测直线导轨控制器分别连接辅助直线导轨和待测直线导轨，计算机通过辅助直线导轨控制器和待测直线导轨控制器分别控制辅助直线导轨和待测直线导轨保持相近速度、相同方向运动，使在待测直线导轨行程范围内测试光斑不脱离平面反射镜的反射面。
本发明的主要益处在于，结合商业化成熟的小角度精密测量设备自准直仪，配备两个五棱镜，可以实现两个直线导轨滚转角的互检，且测量结果不受五棱镜位置与角度的影响，光路调节方便。
附图说明
图1为待测直线导轨的滚转角测量装置；
图2为第一五棱镜2和第二五棱镜3的相对位置关系示意图；
图3为待测直线导轨角度误差示意图；
图4为第二五棱镜3主截面示意图；
图5为第二五棱镜3入射光与出射光示意图；
其中，1、自准直仪；2、第一五棱镜；3、第二五棱镜；4、平面反射镜；5、辅助直线导轨；6、待测直线导轨；7、辅助直线导轨控制器；8、待测直线导轨控制器；9：计算机。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的目的、技术方案和优点，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
本发明的滚转角测量方法基于以下原理实现的：
自准直仪光源经过第一五棱镜2和第二五棱镜3后，垂直入射至位于待测直线导轨6的平面反射镜4上，在进行滚转角测量过程中，辅助直线导轨5和待测直线导轨6保持相近速度、相同方向的运动。
由于辅助直线导轨5在运动过程中存在俯仰、偏摆和滚转角误差，在辅助直线导轨运动过程中，导致第一五棱镜2和第二五棱镜3存在一定角度的转动，使出射光方向发生一定的改变。在先技术[3]“五棱镜转动时出射光角度的变化”中，详细讨论了五棱镜各种条件下的转动对出射光角度的变化影响。特殊情况下，当光束垂直入射时，当五棱镜分别绕x轴、y轴和z轴转动θ角时，出射光的偏摆角变化为0、arctan(tanθsinθ)、0，出射光俯仰角的变化分别为θ、arctan(sinθ)、0；当θ角很小时，偏摆角变化可近似为0、θ2、0，俯仰角变化可近似为θ、θ、0，θ角单位为弧度。
如上所述，假设辅助直线导轨5在运动过程中的俯仰、偏摆和滚转角误差为θ1、θ2和θ3，第一五棱镜2和第二五棱镜3作为一个整体，相当于绕y轴、z轴和x轴转动θ1、θ2和θ3。对于光束垂直入射至第二五棱镜2上的情形，出射光束的偏摆角ε(X0Z平面)变化为0、θ22、0，和俯仰角η(Y0Z平面)变化为θ1、θ2、0。第一五棱镜2的出射光的偏摆角ε和俯仰角η变化，相当于第二五棱镜3会绕y轴、x轴转动ε、η角，绕z轴的转动角度为0，对于光束垂直入射至第二五棱镜3上的情形，第二五棱镜3的出射光束的偏摆角ε1(Y0Z平面)变化为0、0、0，和俯仰角η1(X0Z平面)变化为0、ε、0，角度单位为弧度。
由于第二五棱镜3的出射光束的偏摆角ε1与待测直线导轨7的滚转角方向一致，俯仰角η1与待测直线导轨7的偏摆角方向一致。本系统只关注滚转角(Y0Z平面)的测量，可以看出，由于使用了第一五棱镜2和第二五棱镜3，辅助直线导轨8的角度误差对第二五棱镜3出射光在Y0Z平面内不产生角度误差，对待测直线导轨6的滚转角测量不存在串扰问题。
基于以上原理，本发明中公开的一种直线导轨的滚转角测量装置的结果如图1所示。测量装置中，包括自准直仪1、第一五棱镜2、第二五棱镜3、平面反射镜4、辅助直线导轨5和辅助直线导轨控制器7、待测直线导轨控制器8、计算机9；
在该测量装置中：
平面反射镜4安装在待测直线导轨6上，平面反射镜4的法线方向为Y方向，待测直线导轨6的运动方向为X方向；
第一五棱镜2和第二五棱镜3安装在辅助直线导轨5上，辅助直线导轨5的运动方向与待测直线导轨6的运动方向平行；
辅助直线导轨控制器7和待测直线导轨控制器8分别连接辅助直线导轨5和待测直线导轨6，计算机9通过辅助直线导轨控制器7和待测直线导轨控制器8分别控制辅助直线导轨5和待测直线导轨6运动。
从自准直仪1发出的平行光束，沿X方向入射至第一五棱镜2上，经第一五棱镜2绕Y轴偏转90度出射，该出射光入射至第二五棱镜3，并经该第二五棱3镜沿绕X轴偏转90度出射，该出射光垂直入射至平面反射镜4，经平面反射镜反射4后，反射光束再一次经过第二五棱镜3和第一五棱镜2原路返回至自准直仪1，由自准直仪1测量返回光束与其发出的平行光束的夹角，并将测量结果传送至计算机9；
综上所述，本发明提供了一种直线导轨的滚转角测量装置及方法，主要益处在于：(1)在待测直线导轨6的滚转角测量过程中，辅助直线导轨5与待测直线导轨6保持相同方向、相近速度运动，可以避免使用长条镜作为体外反射镜；(2)通过将第一五棱镜2和第二五棱镜3置于辅助直线导轨5上，克服了测量过程中辅助直线导轨5的俯仰角、偏摆角和滚转角对待测直线导轨6滚转角测量的串扰问题；(3)测量结果不受第一五棱镜2和第二五棱镜3位置与角度的影响，光路调节方便；(4)辅助直线导轨5和待测直线导轨6的位置可以互换，实现辅助直线导轨5和待测直线导轨6滚转角的互检。

Claims (2)

1.一种直线导轨的滚转角测量装置，其特征在于包含：自准直仪(1)、第一五棱镜(2)、第二五棱镜(3)、平面反射镜(4)、辅助直线导轨(5)、辅助直线导轨控制器(7)、待测直线导轨控制器(8)和计算机(9)，所述的平面反射镜(4)安装在待测直线导轨(6)上，设该平面反射镜(4)的法线方向为Y方向，待测直线导轨(6)的运动方向为X方向，与X方向和Y方向垂直的方向为Z方向；所述第一五棱镜(2)的主截面位于XOZ平面内，与待测直线导轨(6)运动方向平行，第二五棱镜(3)的主截面位于YOZ平面内，与待测直线导轨(6)的运动方向垂直，所述的第一五棱镜(2)和第二五棱镜(3)固定在辅助直线导轨(5)上，辅助直线导轨(5)的运动方向与待测直线导轨(6)的运动方向平行；
从所述的自准直仪(1)发出的平行光束，沿X方向入射至第一五棱镜(2)上，经第一五棱镜(2)绕Y轴偏转90度出射，该出射光入射至第二五棱镜(3)，并经该第二五棱镜(3)沿绕X轴偏转90度出射，该出射光垂直入射至平面反射镜(4)，经平面反射镜(4)反射后，反射光束再一次经过第二五棱镜(3)和第一五棱镜(2)原路返回至自准直仪(1)，由自准直仪(1)测量返回光束与其发出的平行光束的夹角，并将测量结果传送至计算机(9)；
所述的辅助直线导轨控制器(7)和待测直线导轨控制器(8)分别连接辅助直线导轨(5)和待测直线导轨(6)，计算机(9)通过辅助直线导轨控制器(7)和待测直线导轨控制器(8)分别控制辅助直线导轨(5)和待测直线导轨(6)保持相近速度、相同方向运动，使在待测直线导轨(6)行程范围内测试光斑不脱离平面反射镜(4)的反射面。
2.根据权利要求1所述的一种直线导轨的滚转角测量装置，其特征在于，所述的辅助直线导轨(5)的运动行程不小于待测直线导轨(6)的运动行程。
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