CN109186503A - 基于四面锥形直角等腰反射棱镜的直线度误差测量系统 - Google Patents

基于四面锥形直角等腰反射棱镜的直线度误差测量系统 Download PDF

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李杏华
吕泽奎
苏智琨
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/26—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes
    • G01B11/27—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes for testing the alignment of axes

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Abstract

本发明涉及一种基于四面锥形直角等腰反射棱镜的直线度误差测量系统，包括激光光源及准直系统、反射棱镜、物镜、图像传感器和图像处理设备，其中，所述的激光光源及准直系统为圆光斑激光光源，激光光源出射光线经准直系统后为水平光线；所述物镜为凸透镜，对反射光线起汇聚作用；所述图像传感器，置于物镜的像方焦平面上，与图像处理设备相连接；所述反射棱镜为四面锥形直角等腰反射棱镜，为测量系统的体外反射镜，两组相对的侧面互相垂直，四个侧面均为等腰三角形，底面为正方形，剖面为等腰直角三角形，固定在机床主轴上。

Description

基于四面锥形直角等腰反射棱镜的直线度误差测量系统
技术领域
本发明属于测量技术领域，特别是一种直线度误差测量系统。
背景技术
直线度误差是指被测实际轮廓线相对理想直线的变动量，是形位误差测量中经常遇到的形位误差。其主要测量方法有拉钢丝法、光隙法等等，后来自准直光管和准直望远镜在直线度误差测量中广泛使用起来。在使用准直原理测量直线度误差等几何量时，一般用平面镜作为反光镜，但是使用平面镜时要求平面镜面与准直仪器垂直才能接受反射光，不适用于准直仪器和反光镜具有高度差的情况。解决的方法是将直角棱镜作为反光镜，其特点是当棱镜水平安装时，俯仰方向只需大致对准，光束能射至棱镜即可，不需要严格垂直。
中国专利CN101545761A公布了一种多自由度光学测量系统，该发明使用两个直角棱镜作为误差敏感单元，可以应用于二维小角度或微位移的测量。但是使用常用的直角棱镜作为误差敏感单元并没有充分发挥出直角棱镜的光学特点，一旦棱镜反射面出现损坏如不及时更换棱镜，测量系统将无法正常工作。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、更换方便的直线度误差测量系统，该系统利用四面锥形直角等腰反射棱镜的光学特性和结构特性，代替原自准直系统中的平面反光镜或直角棱镜，使用该系统测量机床导轨直线度误差，光线更加稳定，更换更加方便。技术方案如下：
一种基于四面锥形直角等腰反射棱镜的直线度误差测量系统，包括激光光源及准直系统、反射棱镜、物镜、图像传感器和图像处理设备，由反射棱镜反射出来的光线在图像传感器上形成的光斑的位置会发生变化，经过图像处理设备分析处理及后续计算，得到直线度误差，其中，
所述的激光光源及准直系统为圆光斑激光光源，激光光源出射光线经准直系统后为水平光线；
所述物镜为凸透镜，对反射光线起汇聚作用；
所述图像传感器，置于物镜的像方焦平面上，与图像处理设备相连接；
其特征在于：
所述反射棱镜为四面锥形直角等腰反射棱镜，为测量系统的体外反射镜，两组相对的侧面互相垂直，四个侧面均为等腰三角形，底面为正方形，剖面为等腰直角三角形，固定在机床主轴上。
优选地，根据四面锥形直角等腰反射棱镜的尺寸制作一个前端开口的立方体腔体，在立方体腔体的相对的两壁设有限位槽，用以限制反射棱镜的前后运动；立方体腔体的后壁设有承接孔用于承接反射棱镜的顶点，在立方体腔体的顶面、底面和两个侧面上均设有螺纹孔，配合调整螺栓和承接孔用以调整反射棱镜的前后位移，将反射棱镜在立方体腔体中固定好后，再将立方体腔体与机床主轴相连接，并使其进光一面与水平光线垂直。
本发明具有的优点和积极效果是：利用四面锥形直角等腰反射棱镜的光学特性和结构特性，代替原自准直系统中的平面反光镜或直角棱镜，使用该装置测量机床导轨直线度误差，光线更加稳定，更换更加方便，测量精度较高。
附图说明
图1为四面锥形直角等腰反射棱镜及其三视图；
图2为机床X轴Z方向直线度误差测量示意图；
图3为机床X轴Y方向直线度误差测量示意图；
图4为四面锥形直角等腰反射棱镜的安装示意图。
图中：1-激光光源及其准直系统、2-四面锥形直角等腰反射棱镜、3-物镜、4-图像传感器、5-图像处理
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：
如图1-图3所示，一种基于四面锥形直角等腰反射棱镜的直线度误差测量系统，包括激光光源及准直系统1、四面锥形直角等腰反射棱镜2、物镜3、图像传感器4和图像处理设备5。所述的激光光源及准直系统1为圆光斑激光器，激光光源出射光线经准直系统后为水平光线；所述四面锥形直角等腰反射棱镜2为测量系统的体外反射镜，其特征在于四棱锥的两组相对的侧面互相垂直，四个侧面均为等腰三角形，底边为正方形，剖面为等腰直角三角形，它通过固定装置安装在机床主轴上；所述物镜3为凸透镜，对反射光线起汇聚作用；所述图像传感器4为二维CCD图像传感器，可以感受图像的二维信息，图像传感器4安装在物镜3的像方焦平面上，通过电缆与图像处理设备5相连接。
本发明的测量方法是：由激光光源及准直系统发出准直激光束，经过四面锥形直角等腰反射棱镜反射后经过物镜的准直汇聚成像于图像传感器上。其中四面锥形直角等腰反射棱镜安装在机床主轴上，作为机床导轨直线度误差的误差敏感单元，随机床主轴做三维直线运动。激光光源及准直系统、物镜、图像传感器和图像处理设备固定在机床工作台上，且图像传感器安装在物镜的像方焦平面上。当四面锥形直角等腰反射棱镜随机床主轴做直线运动时，由其反射出来的光线在图像传感器上形成的光斑的位置会发生变化，经过图像处理设备分析处理及后续计算，就可以得到机床导轨的直线度误差。
如图1所示，四面锥形直角等腰反射棱镜2为测量系统的体外反射镜，其特征在于四棱锥的两组相对的侧面互相垂直，四个侧面均为等腰三角形，底边为正方形，剖面为等腰直角三角形，它通过固定装置安装在机床主轴上。当光线透过四面锥形直角等腰反射棱镜的底面射至任一侧面并发生反射后，均会反射至该侧面反射面相对的侧面继续反射，此时反射光线会通过棱镜底面而从棱镜内部射出，并且出射光线与入射光线平行。四面锥形直角等腰反射棱镜有两组相对的侧面反射面，每组反射面可以等效为一只直角棱镜，即一只四面锥形直角等腰反射棱镜可以等效为两只直角棱镜。通常只使用其中一组侧面反射面当作反射工作面，当其中一组侧面反射面损坏时，可以调整四面锥形直角等腰反射棱镜的安装位置使另外一组侧面反射面变成反射工作面而使系统继续运行。
如图2所示，当将四面锥形直角等腰反射棱镜安装在机床主轴上使之随主轴沿X轴做直线运动时，由于机床在X轴方向运动的Z方向存在直线度误差，会使反射棱镜的位置发生上变化，这种变化会造成测量光线的光路改变，这种光路改变会造成成像光斑的位置发生变化，我们测得成像光斑质心的位置变化再通过计算即可得到机床X轴Z向的直线度误差。由光路图可知，当反射棱镜在Z方向有ΔZ的位移时，图像传感器上的光斑图像会有2ΔZ的变化。为使测量过程更加合理、可重复，我们使机床主轴按等节距的方式做直线往返运动，即机床先沿直线按每步50mm做直线运动，共走20步，走完20步再逆方向按相同步距走至出发点，获得测量数据。
如图3所示，当将四面锥形直角等腰反射棱镜安装在机床主轴上使之随主轴沿X轴做直线运动时，由于机床在X轴方向运动的Y方向存在直线度误差，会使反射棱镜的位置发生上变化，这种变化会造成测量光线的光路改变，这种光路改变会造成成像光斑的位置发生变化，我们测得成像光斑质心的位置变化再通过计算即可得到机床X轴Y向的直线度误差。由光路图可知，当反射棱镜在Y方向有ΔY的位移时，图像传感器上的光斑图像会有2ΔY的变化。为使测量过程更加合理、可重复，我们使机床主轴按等节距的方式做直线往返运动，即机床先沿直线按每步50mm做直线运动，共走20步，走完20步再逆方向按相同步距走至出发点，获得测量数据。
如图4所示，将四面锥形直角等腰反射棱镜安装到立方体腔体中，在立方体腔体的两壁设有限位槽，限制反射棱镜的前后运动；立方体腔体的后壁设有承接孔用于承接反射棱镜的顶点，并通过胶水进行粘合，承接孔与调整螺栓连接用以调整反射棱镜的前后位移；立方体腔体的上下左右均设有一个螺纹孔，配合调整螺栓来调整反射棱镜的上下左右位姿，使其进光一面与水平光线垂直。反射棱镜在立方体腔体中固定好后，再将立方体腔体与机床主轴相连接，即可通过机床主轴带动反射棱镜运动。当反射棱镜一组侧面反射面发生损坏，可以调整反射棱镜位置使其另一组侧面反射面成为反射工作面。
本发明的原理：本发明利用四面锥形直角等腰反射棱镜的光学特性和结构特性，代替原自准直系统中的平面反光镜或直角棱镜，使用该装置测量机床导轨直线度误差，光线更加稳定，更换更加方便，测量精度较高。
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 (2)

1.一种基于四面锥形直角等腰反射棱镜的直线度误差测量系统，包括激光光源及准直系统、反射棱镜、物镜、图像传感器和图像处理设备，由反射棱镜反射出来的光线在图像传感器上形成的光斑的位置会发生变化，经过图像处理设备分析处理及后续计算，得到直线度误差。其中，
所述的激光光源及准直系统为圆光斑激光光源，激光光源出射光线经准直系统后为水平光线；
所述物镜为凸透镜，对反射光线起汇聚作用；
所述图像传感器，置于物镜的像方焦平面上，与图像处理设备相连接；
其特征在于：
所述反射棱镜为四面锥形直角等腰反射棱镜，为测量系统的体外反射镜，两组相对的侧面互相垂直，四个侧面均为等腰三角形，底面为正方形，剖面为等腰直角三角形，固定在机床主轴上。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，根据四面锥形直角等腰反射棱镜的尺寸制作一个前端开口的立方体腔体，在立方体腔体的相对的两壁设有限位槽，用以限制反射棱镜的前后运动；立方体腔体的后壁设有承接孔用于承接反射棱镜的顶点，在立方体腔体的顶面、底面和两个侧面上均设有螺纹孔，配合调整螺栓和承接孔用以调整反射棱镜的前后位移，将反射棱镜在立方体腔体中固定好后，再将立方体腔体与机床主轴相连接，并使其进光一面与水平光线垂直。
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