CN108731595A - 光学式转轴多自由度误差检测装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光学式转轴多自由度误差检测装置与方法，该装置包括一标准试棒与一感测模块，当使用时安装在动力机械的转轴与旋转平台之间，该标准试棒设有一圆柱形透镜以及一位于端部的反光面，该感测模块的上、下层各沿着X、Y轴向该圆柱形透镜射出一道雷射光，该感测模块的底层朝该反光面伸出一道斜向的雷射光，在动力机械的转轴旋转产生误差后，该感测模块接收雷射光的变化得出该标准试棒的位移变化信号供计算单元处理，检测出转轴与旋转平台之间的各种误差，由于装置是以容易取得的组件组成，能大幅降低使用的成本而可运用于各种动力机械的精度检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学式误差检测装置与方法，尤其涉及一种运用于动力机械的光学式转轴多自由度误差检测装置与方法。
背景技术
如图9所示，一般动力机械的转轴与旋转平台的旋转轴的误差源A可分成六个，其中在转轴时分为三个位置误差(δx(θ)、δy(θ)、δz(θ))以及一个角度偏摆误差(wobble，α)，在检测转轴时主要是透过δx(θ)、δy(θ)感测转轴径向误差，由δz(θ)感测轴向误差，然后藉由感测角度偏摆误差(wobble，α)得知转轴偏摆情形，而转轴下方的旋转平台则需另外感测三个X、Y、Z轴的旋转轴角度定位误差εx(θ)、εy(θ)与εz(θ)。
现有动力机械转轴的检测方法主要分为静态检测与动态检测两种方法。静态检测是利用标准试棒搭配千分表进行检测，读取千分表的数值即为转轴的回转误差，此量测方法有一重大缺点就是量测并非于实际转速下进行且误差包含了试棒安装的误差，因此无法反应转轴真正的回转精度；动态检测则能避免静态量测的缺点，目前大部分是使用LIONTARGA III PCB高速转轴动态偏摆量测仪进行感测，此仪器通常使用5个非接触式电容感探头，可量测转轴在实际转速下的回转误差、转轴偏摆、径向与轴向误差，检测方法通常是依据美国材料与试验协会(ASTM)标准编号(ASTM B5.54)的标准进行检测，但由于电容式探头价格相当昂贵，因此相当不易购买。
当动力机械例如加工机加工航天组件时，由于大部分的组件都是用刀具将实体块材进行高效率的移除而成，因此大部分加工时间都非常长。在工具机进行加工时，各项内外热源会造成工具机结构或组件热变形，导致加工定位精度的偏差，使得转轴(也就是主轴)在进行旋转加工一段时间后必定产生偏心，造成主轴在其轴向与径向上的跳动、主轴偏摆误差而丧失加工精度，这种误差必须加以解析才能提升加工精度。但如前所述，目前传统检测常用的方法是以昂贵的LION TARGA III PCB高速主轴动态偏摆量测仪对工具机的主轴进行动态的误差检测，由于成本高达一、两百万而使得使用者采购意愿不足，无法对高速旋转的工具机主轴的误差进行解析以提升加工的精度。
发明内容
由于现有动态检测动力机械转轴误差的设备十分昂贵，无法广泛地被采用来解析动力机械转轴在高速旋转下的误差。为此，本发明以市场上容易取得的组件来制造误差量测设备并执行检测误差的方法，可取代现有昂贵的检测仪器而能大幅降低使用的成本。
为达到上述目的，本发明提供一种光学式转轴多自由度误差检测装置，用于具有X轴、Y轴以及Z轴的动力机械且其构造包括：
一标准试棒，为竖直的杆体并设有一圆柱形透镜，在所述标准试棒的底端形成一反光面；以及
一与所述标准试棒配合的感测模块，设有一磁性座，在所述磁性座上结合一支架底座，在所述支架底座的周围以环绕设置的形态结合一传感器支架，在所述传感器支架的内侧之间形成一标准试棒量测区，以所述标准试棒量测区供所述标准试棒伸入，在所述传感器支架沿Z轴方向间隔设有一首层传感器组以及一次层传感器组，所述首层传感器组以可环绕所述标准试棒量测区的形态结合在所述传感器支架上，其包括一第一雷射头、一第二雷射头、一第一光点位移传感器以及一第二光点位移传感器，其中第一雷射头以及第一光点位移传感器结合在所述传感器支架对应X轴方向的相反两侧，第二雷射头以及第二光点位移传感器结合在所述传感器支架对应Y轴方向的相反两侧；
所述次层传感器组以可环绕所述标准试棒量测区的形态结合在所述传感器支架上，其包括一第三雷射头、一第四雷射头、一第三光点位移传感器以及一第四光点位移传感器，其中第三雷射头以及第三光点位移传感器结合在所述传感器支架对应X轴方向的相反两侧，第四雷射头以及第四光点位移传感器结合在所述传感器支架对应Y轴方向的相反两侧；在所述支架底座顶面的相反两侧分别结合一斜向雷射头以及一反射光点位移传感器，所述斜向雷射头的自由端朝内且朝上延伸，所述反射光点位移传感器在朝向所述标准试棒量测区的一侧形成一接收面。
进一步，本发明所述的传感器支架包括四个成对结合在所述支架底座对应X轴方向相反两侧以及Y轴方向相反两侧的载板，所述标准试棒量测区形成在四个载板之间；所述首层传感器组的第一雷射头、第二雷射头、第一光点位移传感器以及第二光点位移传感器分别结合在四载板中的各载板，所述次层传感器组的第三雷射头、第四雷射头、第三光点位移传感器以及第四光点位移传感器分别结合在四载板中的各载板。
进一步，本发明所述的首层传感器组结合在所述传感器支架的四载板上侧，所述次层传感器组结合在所述传感器支架的四载板下侧，当所述标准试棒伸入所述标准试棒量测区的中央时，所述圆柱形透镜较上侧的位置位于所述首层传感器之间，所述圆柱形透镜较下侧的位置位于所述次层传感器组之间，所述反光面的高度高于所述斜向雷射头以及所述反射光点位移传感器的高度，所述斜向雷射头射出的雷射光经由所述反光面的中心反射后会聚焦在所述接收面的中央。
进一步，本发明所述的斜向雷射头以及所述的反射光点位移传感器以对称的形态设于所述标准试棒量测区的范围内，所述斜向雷射头为斜向设置的柱形组件，所述斜向雷射头的轴心线与水平面的夹角为45度，所述反射光点位移传感器为斜向设置的柱形组件，所述接收面形成在所述反射光点位移传感器自由端的端面，所述接收面与水平面的夹角为45度。
较佳的，本发明所述的第一光点位移传感器、第二光点位移传感器、第三光点位移传感器、第四光点位移传感器以及反射光点位移传感器分别为一维光电式传感器、二维光电式传感器、位置传感器、CCD传感器或CMOS传感器。
前述光学式转轴多自由度误差检测装置在使用时，执行一光学式转轴多自由度误差检测方法，所述方法包括如下步骤：
安装检测装置：提供一种光学式转轴多自由度误差检测装置，将所述标准试棒安装在动力机械的转轴，又将所述感测模块安装在动力机械的平台，所述首层传感器组的中心与所述次层传感器组的中心沿Z轴方向的长度距离定义为一架设距离L；
将检测装置归零：将所述标准试棒移动至所述感测模块的标准试棒量测区中央，使第一雷射头射出的雷射光穿过所述圆柱形透镜后聚焦至第一光点位移传感器的中央，第二雷射头射出的雷射光穿过所述圆柱形透镜后聚焦至第二光点位移传感器的中央，第三雷射头射出的雷射光穿过所述圆柱形透镜后聚焦至第三光点位移传感器的中央，第四雷射头射出的雷射光穿过所述圆柱形透镜后聚焦至第四光点位移传感器的中央；调整所述反光面的高度，使所述斜向雷射头射出的雷射光照射到所述反光面的中心后反射至所述反射光点位移传感器的接收面的中央，所述标准试棒沿Z轴方向移动的距离Δz与所述反射的雷射光在所述接收面的中央朝旁移动的距离Δx的比值定义为一增益值K；
启动转轴旋转取得位移变化数据：启动动力机械的转轴旋转，当所述转轴偏心并使所述标准试棒位移时，第三光点位移传感器量测所述圆柱形透镜较下侧位置的Y轴位移变化Y1，所述第四光点位移传感器量测所述圆柱形透镜较下侧位置的X轴位移变化X1，所述第一光点位移传感器量测所述圆柱形透镜较上侧位置的Y轴位移变化Y2，所述第二光点位移传感器量测所述圆柱形透镜较上侧位置的X轴位移变化X2，所述反射光点位移传感器37的接收面量测反射的雷射光由接收面的中央朝旁移动距离Δx；以及
计算得出转轴与旋转轴的自由度误差：将上述位移变化的X1、Y1、X2、Y2的数据以及Δx的数据传输至一计算单元，配合架设距离L与增益值K代入下列方程式运算得出六个自由度的误差：
X轴方向径向误差：δx(θ)＝X1；
Y轴方向径向误差：δy(θ)＝Y1；
Z轴方向径向误差：Δz＝K×Δx；
角度偏摆误差(wobble)：
X轴方向角度定位误差：
Y轴方向角度定位误差：
进一步，本发明在所述安装检测装置的步骤前进行一取得检测装置的增益值的步骤，以仪器将所述标准试棒置于所述感测模块的标准试棒量测区的中央，随后调整所述反光面的高低位置，使所述感测模块的斜向雷射头射出的雷射光在照射到反光面的中心后，反射至所述反射光点位移传感器的接收面的中央，随后仪器沿Z轴方向移动所述标准试棒，以仪器校正的方式取得所述增益值K。
由于本发明上述的检测装置与检测方法，其中标准试棒容易制造，且感测模块能采用一般常见的光电组件制造，因此检测装置以及实施方法相较于现有的动态检测手段更为便宜，可大幅提升厂商采用的意愿，用于各种动力机械转轴与旋转轴精度检测，提升业界对高速旋转的动力机械转轴误差进行解析的普遍性，取得误差数据以改进动力机械转轴或工具机主轴的加工精度。
附图说明
图1是本发明较佳实施例的立体图；
图2是本发明较佳实施例部分放大的立体图；
图3是本发明较佳实施例俯视的剖面图；
图4是本发明较佳实施例俯视的剖面图；
图5是本发明较佳实施例感测模块部分剖面的前视图；
图6是本发明较佳实施例反光面反射雷射的示意图；
图7是本发明较佳实施例升降标准试棒使雷射光反射位置变化的状态图；
图8是本发明较佳实施例方法的步骤流程图；
图9是现有动力机械的转轴与旋转平台旋转轴误差源的示意图；
附图标记说明：
10 工具机 11 主轴
12 平台 20 标准试棒
21 圆柱形透镜 22 反光面
30 感测模块 31 磁性座
32 支架底座 33 传感器支架
331 载板 34 首层传感器组
341 第一雷射头 342 第二雷射头
343 第一光点位移传感器 344 第二光点位移传感器
35 次层传感器组 351 第三雷射头
352 第四雷射头 353 第三光点位移传感器
354 第四光点位移传感器 36 斜向雷射头
37 反射光点位移传感器 371 接收面
40 计算单元 50 标准试棒量测区
A 误差源 L 架设距离
Δz 距离 Δx 距离。
具体实施方式
为能详细了解本发明的技术特征及实用功效，并可依照说明书的内容来实施，进一步以如图式所示的较佳实施例，详细说明如下。
如图1至图5所示的较佳实施例，本发明提供一种光学式转轴多自由度误差检测装置，其使用时被设置在动力机械的转轴与平台，例如本较佳实施例是设置在一工具机10的主轴11与平台12之间，该工具机10至少具有X轴、Y轴以及Z轴，例如本较佳实施例中该工具机10是多轴工具机，该平台12是旋转平台。
本发明包括一标准试棒20以及一与该标准试棒20配合的感测模块30，为了计算该感测模块30量测该标准试棒20的结果，设有一以电连接或无线连接的方式接收该感测模块30的误差信号的计算单元40，本实施例实施时，以将该标准试棒20结合在该主轴11，并将该感测模块30结合在该平台12的形态实施，其中：
该标准试棒20是直杆体，该标准试棒20以竖直且同轴心的形态结合在该主轴11的底端，该标准试棒20设有一圆柱形透镜21，该圆柱形透镜21是可透光的圆柱体，该圆柱形透镜21可以是该标准试棒20上的一段，或是以该圆柱形透镜21构成整个标准试棒20，如本较佳实施例是以该圆柱形透镜21构成整个标准试棒20，在该圆柱形透镜21的自由端，也就是该标准试棒20底端的端面以镀膜的方式形成一反光面22，该反光面22是水平面。
该感测模块30是在该平台12的顶面结合一磁性座31，在该磁性座31上结合一支架底座32，在该支架底座32的周围以环绕的形态结合一传感器支架33，该传感器支架33包括四个成对结合在该支架底座32对应该工具机10X轴方向相反两侧以及Y轴方向相反两侧的载板331，各载板331是竖直的板体，在四个载板331的内侧之间形成一标准试棒量测区50，前述标准试棒20朝下伸入该标准试棒量测区50的中央。
在该传感器支架33的上侧以环绕该标准试棒量测区50的形态结合一首层传感器组34，包括一第一雷射头341、一第二雷射头342、一第一光点位移传感器343以及一第二光点位移传感器344，其中第一雷射头341及第一光点位移传感器343结合在该传感器支架33对应X轴方向相反两侧的两载板331上侧，第一雷射头341的中心与第一光点位移传感器343的中心左右相对，第二雷射头342以及第二光点位移传感器344结合在该传感器支架33对应Y轴方向相反两侧的两载板331上侧，第二雷射头342的中心与第二光点位移传感器344的中心前后相对。
在该传感器支架33的下侧以环绕该标准试棒量测区50的形态结合一次层传感器组35，包括一第三雷射头351、一第四雷射头352、一第三光点位移传感器353以及一第四光点位移传感器354，其中第三雷射头351以及第三光点位移传感器353结合在该传感器支架33对应X轴方向相反两侧的两载板331下侧，第三雷射头351的中心以及第三光点位移传感器353的中心左右相对，第四雷射头352以及第四光点位移传感器354结合在该传感器支架33对应Y轴方向相反两侧的两载板331下侧，第四雷射头352的中心以及第四光点位移传感器354的中心前后相对。首层传感器组34与次层传感器组35设置的位置上下对齐，首层传感器组34的中心与次层传感器组35的中心沿Z轴方向的长度距离定义为一架设距离L。
在该支架底座32位于该标准试棒量测区50范围内的顶面，沿X轴方向的相反两侧分别以对称的形态结合一斜向雷射头36以及一反射光点位移传感器37，该斜向雷射头36是斜向设置的柱形组件且自由端朝内且朝上延伸，该反射光点位移传感器37是斜向设置的柱形组件且自由端同样朝内且朝上延伸，在该反射光点位移传感器37自由端的端面形成一接收面371，该斜向雷射头36的轴心线与水平面的夹角为45度，该反射光点位移传感器37的接收面371与水平面的夹角为45度。
上述第一光点位移传感器343、第二光点位移传感器344、第三光点位移传感器353、第四光点位移传感器354以及反射光点位移传感器37可分别选用一维或二维光电式传感器、位置传感器、CCD传感器、CMOS传感器等非接触式光电传感器。当该工具机10还未启动，令该标准试棒20以及该感测模块30位于归零的位置时，上述第一雷射头341以及第二雷射头342分别射出的雷射光是正十字交错在该圆柱形透镜21较上侧位置的中心，第三雷射头351以及第四雷射头352分别射出的雷射光线是正十字交错在该圆柱形透镜21较下侧位置的中心，如图6所示，该斜向雷射头36射出的雷射光照射到反光面22的中心后反射至该反射光点位移传感器37的接收面371的中央。
在本发明安装在工具机10使用之前，能够以仪器将该标准试棒20置于该标准试棒量测区50的中央，调整该反光面22的高低位置，使该斜向雷射头36自由端中央射出的雷射光在照射到反光面22的中心后，能反射至该反射光点位移传感器37的接收面371的中央，如图7所示，随后沿Z轴方向移动该标准试棒20，以仪器校正的方式取得该标准试棒20沿Z轴方向移动的距离Δz与该反射的雷射光在该接收面371的中央朝旁移动的距离Δx的比值，该比值称为增益值K。
如图3所示，该第一雷射头341射出的雷射光穿过该圆柱形透镜21较上侧的位置后会聚焦至第一光点位移传感器343的中央，该第二雷射头342射出的雷射光穿过该圆柱形透镜21较上侧的位置后会聚焦至第二光点位移传感器344的中央；如图4所示，该第三雷射头351射出的雷射光穿过该圆柱形透镜21较下侧的位置后会聚焦至第三光点位移传感器353的中央，该第四雷射头352射出的雷射光穿过该圆柱形透镜21较下侧的位置后会聚焦至第四光点位移传感器354的中央；如图5、图6所示，该斜向雷射头36射出的雷射光照射到该反光面22的中心后会以90度夹角反射聚焦至该反射光点位移传感器37自由端的中央。
当该工具机10的主轴11开始高速旋转，该工具机10内部的机构因内部的热源或外部热源产生热变形，使该主轴11的位置偏心连带令该标准试棒20在该标准试棒量测区50中的位置移动时，由于该圆柱形透镜21较下侧位置的移动会造成射入的两条雷射光在该第三光点位移传感器353与第四光点位移传感器354上的聚焦位置变化，因此该第三光点位移传感器353可量测到该圆柱形透镜21较下侧位置的Y轴位移变化Y1，该第四光点位移传感器354则可量测到该圆柱形透镜21较下侧位置的X轴位移变化X1。
当该标准试棒20随主轴11的位置偏心而在该标准试棒量测区50中的位置移动时，由于该圆柱形透镜21较上侧位置的移动会造成射入的两条雷射光在该第一光点位移传感器343与第二光点位移传感器344上的聚焦位置变化，因此该第一光点位移传感器343可量测到该圆柱形透镜21较上侧位置的Y轴位移变化Y2，该第二光点位移传感器344则可量测到该圆柱形透镜21较上侧位置的X轴位移变化X2。当该标准试棒20随主轴11的位置偏心而在该标准试棒量测区50中的位置移动时，如图7所示，由于该标准试棒20沿Z轴方向位置的移动距离Δz会造成反光面22上下移动，使得反光面22反射的雷射光射至接收面371的位置产生变化，这时该反射光点位移传感器37的接收面371可量测到反射的雷射光由接收面371的中央朝旁移动距离Δx。
该计算单元40可以是单芯片或计算机，如本较佳实施例中该计算单元40是计算机，并且以电连接或无线连接的方式接收该次层传感器组35感测到的该圆柱形透镜21较下侧位置的X轴位移变化X1以及Y轴位移变化Y1，该首层传感器组34感测该圆柱形透镜21较上侧位置的X轴位移变化X2以及Y轴位移变化Y2，以及反射的雷射光由该接收面371的中央朝旁移动的距离Δx，再配合已知的架设距离L以及增益值K进行主轴11与平台12的旋转轴的误差运算。
本发明除上述较佳实施例，是将该反射光点位移传感器37的接收面371设为与水平面的夹角为45度的形态以外，该接收面371与水平面的夹角也可以是其他任意的角度，例如0度或60度的角度，只要该接收面371能接收到由该反光面22反射的雷射光即可；此外，该斜向雷射头36的轴心线与水平面的夹角除了是45度以外，也可以改变为其他的角度，只要由斜向雷射头36射出的雷射光能够照射到该反光面22的中心后反射至接收面371即可。当斜向雷射头36的轴心线与水平面的夹角改变，或者该接收面371与水平面的夹角改变时，本发明的增益值K的数值就会改变，这时需要先透过仪器再度校正，找出本发明新的增益值K。
本发明上述光学式转轴多自由度误差检测装置在使用时，执行一光学式转轴多自由度误差检测方法，如图8所示，所述方法包括如下步骤：
取得检测装置的增益值：以仪器将前述光学式转轴多自由度误差检测装置的标准试棒20置于该感测模块30的标准试棒量测区50的中央，随后调整该反光面22的高低位置，使该感测模块30的斜向雷射头36射出的雷射光在照射到反光面22的中心后，能反射至该反射光点位移传感器37的接收面371的中央，随后仪器沿Z轴方向移动该标准试棒20，以仪器校正的方式取得该标准试棒20沿Z轴方向移动的距离Δz与该反射的雷射光在该接收面371的中央朝旁移动的距离Δx的比值，该比值称为增益值K。
安装检测装置：将该光学式转轴多自由度误差检测装置的标准试棒20安装在动力机械的转轴，例如一工具机10的主轴11底端，又将一感测模块30安装在动力机械的平台，例如该工具机10的平台12，该工具机10是至少具有X轴、Y轴以及Z轴的多轴加工机，该平台12可为双轴平台或旋转平台。
将检测装置归零：启动工具机10移动主轴11与该标准试棒20，将该标准试棒20移动至该感测模块30的标准试棒量测区50的中央，将首层传感器组34环绕在该圆柱形透镜21较上侧位置的周围，又将次层传感器组35环绕在该圆柱形透镜21较下侧位置的周围，该第一雷射头341射出的雷射光穿过该圆柱形透镜21后聚焦至第一光点位移传感器343的中央，该第二雷射头342射出的雷射光穿过该圆柱形透镜21后聚焦至第二光点位移传感器344的中央，第三雷射头351射出的雷射光穿过该圆柱形透镜21后聚焦至第三光点位移传感器353的中央，该第四雷射头352射出的雷射光穿过该圆柱形透镜21后聚焦至第四光点位移传感器354的中央，该斜向雷射头36射出的雷射光照射到该标准试棒20的反光面22的中心后反射至该反射光点位移传感器37的接收面371的中央。
启动转轴旋转取得位移变化数据：启动工具机10的主轴11旋转，当主轴11高速旋转产生偏心的变化后，连带使该标准试棒20在该感测模块30内的位置移动，这时第三光点位移传感器353量测该圆柱形透镜21较下侧位置的Y轴位移变化Y1，该第四光点位移传感器354量测该圆柱形透镜21较下侧位置的X轴位移变化X1，该第一光点位移传感器343量测该圆柱形透镜21较上侧位置的Y轴位移变化Y2，该第二光点位移传感器344量测该圆柱形透镜21较上侧位置的X轴位移变化X2，该反射光点位移传感器37的接收面371可量测到反射的雷射光由接收面371的中央朝旁移动距离Δx。
计算得出转轴与旋转轴的自由度误差：该感测模块30将上述标准试棒20的位移变化包括X1、Y1、X2、Y2以及Δx的数据以电连接或无线连接的方式传输至所述计算单元40，配合架设距离L代入下列误差的程序运算而得出下列主轴11与平台12的旋转轴的六个自由度的误差：
X轴方向径向误差：δx(θ)＝X1；
Y轴方向径向误差：δy(θ)＝Y1；
Z轴方向径向误差：Δz＝K×Δx；
角度偏摆误差(wobble)：
X轴方向角度定位误差：
Y轴方向角度定位误差：
运用本发明的装置执行所述光学式转轴多自由度误差检测方法时，有两种安装装置的方式：第一种方式是将感测模块30架设于工具机10的主轴11底端，再将标准试棒20架设于工具机10的平台12，此种方式可感测动力机械转轴的四自由度误差，分别为δx(θ)、δy(θ)、Δz与角度偏摆误差(wobble，α)；第二种方式是将标准试棒20架设于工具机10的主轴11底端，再将感测模块30架设于工具机10的平台12，此种方式可感测动力机械转轴的六自由度误差，分别为δx(θ)、δy(θ)、Δz、εx(θ)与εy(θ)与角度偏摆误差(wobble，α)，此第二种架设的方式是前述方法的较佳实施例所采用的安装方式。
本发明的装置与方法的功效在于，该标准试棒20的形状容易制造，且感测模块30采用的组件，例如首层传感器组34以及次层传感器组35的组件都是一般常见的光电组件，因此由标准试棒20配合感测模块30组成的动态误差检测装置以及实施的方法更为便宜，可大幅降低动态检测工具机10主轴11的实施可能性的风险，未来可用于各种动力机械的转轴与旋转轴精度检测，提升业界对高速旋转的动力机械转轴误差进行解析的普遍性以提升动力机械精度或工具机的加工精度。
本发明有别于先前架构，可以感测转轴与旋转轴角度的误差变化，与先前单纯只能感测X、Y、Z轴位移变化的发明大大不同，提高了本发明应用于动力机械主轴与旋转轴的方便性，将可大幅被应用于动力机械的在线检测中，当检测时本发明至多可感测六个自由度误差。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明主张的权利范围，凡其它未脱离本发明所揭示的精神所完成的等效改变或修饰，均应包括在本发明的申请专利范围内。
Claims (7)
1.一种光学式转轴多自由度误差检测装置，使用在具有X轴、Y轴以及Z轴的动力机械中，其特征在于，其构造包括：
一标准试棒，为竖直的杆体并设有一圆柱形透镜，在所述标准试棒的底端形成一反光面；以及
一与所述标准试棒配合的感测模块，设有一磁性座，在所述磁性座上结合一支架底座，在所述支架底座的周围以环绕设置的形态结合一传感器支架，在所述传感器支架的内侧之间形成一标准试棒量测区，以所述标准试棒量测区供所述标准试棒伸入，在所述传感器支架沿Z轴方向间隔设有一首层传感器组以及一次层传感器组，所述首层传感器组以可环绕所述标准试棒量测区的形态结合在所述传感器支架，包括一第一雷射头、一第二雷射头、一第一光点位移传感器以及一第二光点位移传感器，其中第一雷射头以及第一光点位移传感器结合在所述传感器支架对应X轴方向的相反两侧，第二雷射头以及第二光点位移传感器结合在所述传感器支架对应Y轴方向的相反两侧；
所述次层传感器组以可环绕所述标准试棒量测区的形态结合在所述传感器支架，包括一第三雷射头、一第四雷射头、一第三光点位移传感器以及一第四光点位移传感器，其中第三雷射头以及第三光点位移传感器结合在所述传感器支架对应X轴方向的相反两侧，第四雷射头以及第四光点位移传感器结合在所述传感器支架对应Y轴方向的相反两侧；在所述支架底座顶面的相反两侧分别结合一斜向雷射头以及一反射光点位移传感器，所述斜向雷射头的自由端朝内且朝上延伸，所述反射光点位移传感器在朝向所述标准试棒量测区的一侧形成一接收面。
2.根据权利要求1所述的光学式转轴多自由度误差检测装置，其特征在于，其中，所述传感器支架包括四个成对结合在所述支架底座对应X轴方向相反两侧以及Y轴方向相反两侧的载板，所述标准试棒量测区形成在四个载板之间；所述首层传感器组的第一雷射头、第二雷射头、第一光点位移传感器以及第二光点位移传感器分别结合在四载板中的各载板，所述次层传感器组的第三雷射头、第四雷射头、第三光点位移传感器以及第四光点位移传感器分别结合在四载板中的各载板。
3.根据权利要求2所述的光学式转轴多自由度误差检测装置，其特征在于，其中所述首层传感器组结合在所述传感器支架的四载板上侧，所述次层传感器组结合在所述传感器支架的四载板下侧，当所述标准试棒伸入所述标准试棒量测区的中央时，所述圆柱形透镜较上侧的位置位于所述首层传感器之间，所述圆柱形透镜较下侧的位置位于所述次层传感器组之间，所述反光面的高度高于所述斜向雷射头以及所述反射光点位移传感器的高度，所述斜向雷射头射出的雷射光经由所述反光面的中心反射后聚焦在所述接收面的中央。
4.根据权利要求3所述的光学式转轴多自由度误差检测装置，其特征在于，其中所述斜向雷射头以及所述反射光点位移传感器以对称的形态设于所述标准试棒量测区的范围内，所述斜向雷射头为斜向设置的柱形组件，所述斜向雷射头的轴心线与水平面的夹角为45度，所述反射光点位移传感器为斜向设置的柱形组件，所述接收面形成在所述反射光点位移传感器自由端的端面，所述接收面与水平面的夹角为45度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学式转轴多自由度误差检测装置，其特征在于，其中所述第一光点位移传感器、所述第二光点位移传感器、所述第三光点位移传感器、所述第四光点位移传感器以及所述反射光点位移传感器分别是一维光电式传感器、二维光电式传感器、位置传感器、CCD传感器或CMOS传感器。
6.一种光学式转轴多自由度误差检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
安装检测装置：提供一种根据权利要求1所述的光学式转轴多自由度误差检测装置，将所述标准试棒安装在动力机械的转轴，又将所述感测模块安装在动力机械的平台，所述首层传感器组的中心与所述次层传感器组的中心沿Z轴方向的长度距离定义为一架设距离L；
将检测装置归零：将所述标准试棒移动至所述感测模块的标准试棒量测区中央，使第一雷射头射出的雷射光穿过所述圆柱形透镜后聚焦至第一光点位移传感器的中央，第二雷射头射出的雷射光穿过所述圆柱形透镜后聚焦至第二光点位移传感器的中央，第三雷射头射出的雷射光穿过所述圆柱形透镜后聚焦至第三光点位移传感器的中央，第四雷射头射出的雷射光穿过所述圆柱形透镜后聚焦至第四光点位移传感器的中央；调整所述反光面的高度，使所述斜向雷射头射出的雷射光照射到所述反光面的中心后反射至所述反射光点位移传感器的接收面的中央，所述标准试棒沿Z轴方向移动的距离Δz与所述反射的雷射光在所述接收面的中央朝旁移动的距离Δx的比值定义为一增益值K；
启动转轴旋转取得位移变化数据：启动动力机械的转轴旋转，当所述转轴偏心并使所述标准试棒位移时，第三光点位移传感器量测所述圆柱形透镜较下侧位置的Y轴位移变化Y1，所述第四光点位移传感器量测所述圆柱形透镜较下侧位置的X轴位移变化X1，所述第一光点位移传感器量测所述圆柱形透镜较上侧位置的Y轴位移变化Y2，所述第二光点位移传感器量测所述圆柱形透镜较上侧位置的X轴位移变化X2，所述反射光点位移传感器37的接收面量测反射的雷射光由接收面的中央朝旁移动距离Δx；以及
计算得出转轴与旋转轴的自由度误差：将上述位移变化的X1、Y1、X2、Y2的数据以及Δx的数据传输至一计算单元，配合架设距离L与增益值K代入下列方程式运算得出六个自由度的误差：
X轴方向径向误差：δx(θ)＝X1；
Y轴方向径向误差：δy(θ)＝Y1；
Z轴方向径向误差：Δz＝K×Δx；
角度偏摆误差(wobble)：
X轴方向角度定位误差：
Y轴方向角度定位误差：
7.根据权利要求6所述的光学式转轴多自由度误差检测方法，其特征在于，其中在所述安装检测装置的步骤前进行一取得检测装置的增益值的步骤，是以仪器将所述标准试棒置于所述感测模块的标准试棒量测区的中央，随后调整所述反光面的高低位置，使所述感测模块的斜向雷射头射出的雷射光在照射到反光面的中心后，反射至所述反射光点位移传感器的接收面的中央，随后仪器沿Z轴方向移动所述标准试棒，以仪器校正的方式取得所述增益值K。
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