CN109974586B - 用于激光追踪仪几何误差又一补偿装置 - Google Patents

用于激光追踪仪几何误差又一补偿装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于激光追踪仪几何误差又一补偿装置，该补偿装置分为两个部分，即猫眼垂直移动结构和激光追踪仪回转结构。猫眼垂直移动结构分为立柱导轨结构、激光准直结构和定位误差补偿结构三个部分。激光追踪仪回转结构由激光追踪仪、电动二维平台和精密转台构成。本发明能够有效地补偿由几何误差引起的系统测量误差，提高激光追踪仪测量精度，同时也保证了基于多边法的激光跟踪测量系统的可靠性。

Description

用于激光追踪仪几何误差又一补偿装置
技术领域
本发明涉及一种激光测量领域，特别涉及一种用于激光追踪仪几何误差补偿装置。
背景技术
激光追踪仪是工业测量领域中一种高精度的大尺寸测量仪器。具有测量空间大、测量效率高、测量精度高、操作简单等特点，类似于便携式三坐标测量机，并广泛应用于船舶制造、汽车制造、飞行器制造等领域。激光追踪仪是基于多边法原理的测量系统，专用于校准三坐标测量机、数控机床等高档数控装备。虽然多边法是各种利用激光跟踪测量系统校准数控装备的方法中理论精度最高的方法，但也要求激光追踪仪自身具有较高的测量精度。然而，目前并没有关于激光追踪仪几何误差的补偿装置以及补偿方法。因此，用于激光追踪仪几何误差又一补偿装置能够有效地提高系统测量精度，同时也保证了基于多边法的激光跟踪测量系统的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于补偿激光追踪仪由几何误差(即加工误差和安装误差)引起的系统测量误差，提供了用于激光追踪仪几何误差又一补偿装置。
根据一种验证激光追踪测量系统标准球面反射镜减小轴系跳动误差方法可知，垂直回转轴系和水平回转轴系的回转误差不会影响激光追踪仪的测量精度。根据一种以标准球为反射装置的激光跟踪测量系统几何误差补偿方法可知，激光追踪仪的系统测量精度仅由各项几何误差决定，与目标靶镜的被测距离无关。
本发明采用的技术方案为用于激光追踪仪几何误差又一补偿装置，该补偿装置分为两个部分，即猫眼垂直移动结构6和激光追踪仪回转结构。猫眼垂直移动结构6分为立柱导轨结构7、激光准直结构8和定位误差补偿结构9三个部分。激光追踪仪回转结构由激光追踪仪4、电动二维平台3和精密转台2构成。
如图1所示，该激光追踪仪几何误差补偿装置中各部分光学元件的位置关系如下：
将猫眼垂直移动结构6和精密转台2安装在大理石平台1上，并保证大理石平台1的台面与基准面水平。调整猫眼垂直移动结构6的位置，使猫眼19的中心与精密转台2的轴线保持一米的标准距离。将电动二维平台3安装在精密转台2的台面上，激光追踪仪4固定在电动二维平台3上。调整电动二维平台3，使激光追踪仪4的中心过精密转台2的回转轴线。
如图2所示，猫眼垂直移动结构6由立柱导轨结构7、激光准直结构8、定位误差补偿结构9构成，并配有定位孔板10、电脑11、数据线12以及总连接板13。猫眼垂直移动结构6的功能在于保证猫眼19能够在行程内沿垂直基准面的方向移动，且具有较好的直线度与定位精度。
如图3所示，立柱导轨结构7自上而下依次为猫眼19、U型连接架18、第一手动滑台17、L型连接架、垂直滑台16和钢架14。钢架14侧面沿垂直方向开有两列直径6.6mm的通孔，每一列八个孔，每两个孔间距为25mm。L型连接架15背面开有两列公称直径6mm的螺纹孔，每两个孔间距为25mm。通过螺纹连接，能够改变L型连接架15在钢架14上的高度位置。垂直滑台16的最大行程为25mm，并通过螺纹连接的方式安装在L型连接架15上。第一手动二维滑台17通过螺纹连接的方式安装在垂直滑台16的上端。U型连接架18通过螺纹连接的方式安装在第一手动二维滑台17的上端。猫眼19通过螺纹连接的方式安装在U型连接架18的内部。
如图4所示，激光准直结构8自上而下依次为第二手动二维滑台25、PSD连接板24、PSD模块23、第一五角棱镜21和激光器20。第二手动二维滑台25通过螺纹连接的方式安装在总连接板13的下表面，并通过PSD连接板24与PSD模块23安装在一起。激光器20发出的准直激光束22被第一五角棱镜21改变方向后沿垂直方向照射到PSD模块23上。
如图5所示，定位误差补偿结构9自上而下依次为第三手动二维滑台32、支柱31、二维角度调整架30、平面反射镜29、第二五角棱镜27和激光干涉仪26。第三手动二维滑台32通过螺纹连接的方式安装在总连接板13的下表面，并通过PSD支柱31、二维角度调整架30与平面反射镜29安装在一起。激光干涉仪26发出的定位激光束28被第二五角棱镜27改变方向后沿垂直方向照射到平面反射镜29上。
与现有技术相比较，本发明通过使用激光追踪仪几何误差补偿装置，能够有效地补偿由几何误差引起的系统测量误差，提高激光追踪仪测量精度，同时也保证了基于多边法的激光跟踪测量系统的可靠性。
附图说明
图1为用于激光追踪仪几何误差又一补偿装置示意图。
图2为猫眼垂直移动结构示意图。
图3为立柱导轨结构示意图。
图4为激光准直结构示意图。
图5为定位误差补偿结构示意图。
图中标记：1-大理石平台，2-精密转台，3-电动二维平台，4-激光追踪仪，5-激光追踪仪激光束，6-猫眼垂直移动结构，7-立柱导轨结构，8-激光准直结构，9-定位误差补偿结构，10-定位孔板，11-电脑，12-数据线，13-总连接板，14-钢架，15-L型连接架，16-垂直滑台，17-第一手动二维滑台，18-U型连接架，19-猫眼，20-激光器，21-第一五角棱镜，22-准直激光束，23-PSD模块，24-PSD连接板，25-第二手动二维滑台，26-激光干涉仪，27-第二五角棱镜，28-定位激光束，29-平面反射镜，30-二维角度调整架，31-支柱，32-第三手动二维滑台。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施方式，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
如图2和图3所示，钢架14通过螺纹连接的方式安装在定位孔板10上，L型连接架15通过螺纹连接的方式安装在在钢架14上。垂直滑台16通过螺纹连接的方式安装在L型连接架15上。第一手动二维滑台17通过螺纹连接的方式安装在垂直滑台16的上端。U型连接架18通过螺纹连接的方式安装在第一手动二维滑台17的上端。猫眼19通过螺纹连接的方式安装在U型连接架18内部的上端。总连接板13通过螺纹连接的方式安装在U型连接架18内部的下端。
如图2和图4所示，第二手动二维滑台25通过螺纹连接的方式安装在总连接板13的下表面，并通过PSD连接板24与PSD模块23安装在一起。激光器20和第一五角棱镜21安装在定位孔板10上。激光器20发出的准直激光束22被第一五角棱镜21改变方向后沿垂直方向照射到PSD模块23上。
如图2和图5所示，第三手动二维滑台32通过螺纹连接的方式安装在总连接板13的下表面，并通过PSD支柱31、二维角度调整架30与平面反射镜29安装在一起。激光干涉仪26和第二五角棱镜27安装在定位孔板10上。激光干涉仪26发出的定位激光束28被第二五角棱镜27改变方向后沿垂直方向照射到平面反射镜29上。
如图2所示，当猫眼垂直移动结构6安装完毕后，需要对激光器20、第一五角棱镜21、激光干涉仪26和第二五角棱镜27的位置进行调节，使激光器20发出的准直激光束22对准PSD模块23的中心，激光干涉仪26发出的定位激光束28照射到平面反射镜29上并反射回激光干涉仪26的内部，并与参考光束形成干涉。激光准直结构8的作用在于补偿立柱导轨结构7的直线度误差，定位误差补偿结构9的作用在于补偿立柱导轨结构7的定位误差，从而保证猫眼19能够沿垂直基准面的方向，准直且精确地移动。
如图1所示，将猫眼垂直移动结构6和精密转台2放置在大理石平台1上，并保持猫眼19的中心距离精密转台2轴线一米的位置。将二维电动平台3放置在精密转台2上，激光追踪仪4放置在二维电动平台3上。调整二维电动平台3，使激光追踪仪4的中心过精密转台2的回转轴线。
测量过程如下：
第一，将L型连接架15调至钢架14的最低位置，并使激光追踪仪4实现对猫眼19的跟踪。第二，精密转台2完成±180°的旋转，同时记录激光追踪仪4的测量数据。第三，L型连接架15沿垂直基准面向上的方向以固定步长移动，并再次使精密转台2完成±180°的旋转，同时记录激光追踪仪4的测量数据。在此过程中，通过电脑11实时记录PSD模块23和激光干涉仪26的测量数据。当L型连接架15移动到钢架14的最高位置时，即完成激光追踪仪4全测量空间的数据获取。最终绘制出几何误差图谱。
通过使用用于激光追踪仪几何误差又一补偿装置，能够有效地补偿由几何误差引起的系统测量误差，提高激光追踪仪测量精度，同时也保证了基于多边法的激光跟踪测量系统的可靠性。
对所公开实施案例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明，对本实施案例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的。本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施案例中体现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施案例，而是要求符合本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种用于激光追踪仪几何误差补偿装置，其特征在于：该补偿装置分为两个部分，即猫眼垂直移动结构（6）和激光追踪仪回转结构；猫眼垂直移动结构（6）分为立柱导轨结构（7）、激光准直结构（8）和定位误差补偿结构（9）三个部分；激光追踪仪回转结构由激光追踪仪（4）、电动二维平台（3）和精密转台（2）构成；
猫眼垂直移动结构（6）和精密转台（2）安装在大理石平台（1）上，并保证大理石平台（1）的台面与基准面水平；调整猫眼垂直移动结构（6）的位置，使猫眼（19）的中心与精密转台（2）的轴线保持一米的标准距离；将电动二维平台（3）安装在精密转台（2）的台面上，激光追踪仪（4）固定在电动二维平台（3）上；调整电动二维平台（3），使激光追踪仪（4）的中心过精密转台（2）的回转轴线；
猫眼垂直移动结构（6）由立柱导轨结构（7）、激光准直结构（8）、定位误差补偿结构（9）构成，并配有定位孔板（10）、电脑（11）、数据线（12）以及总连接板（13）；猫眼垂直移动结构（6）的功能在于保证猫眼（19）能够在行程内沿垂直基准面的方向移动。
2.根据权利要求1所述的一种用于激光追踪仪几何误差补偿装置，其特征在于：立柱导轨结构（7）自上而下依次为猫眼（19）、U型连接架（18）、第一手动二维滑台（17）、L型连接架、垂直滑台（16）和钢架（14）；钢架（14）侧面沿垂直方向开有两列直径6.6mm的通孔，每一列八个孔，每两个孔间距为25mm；L型连接架（15）背面开有两列公称直径6mm的螺纹孔，每两个孔间距为25mm；通过螺纹连接，能够改变L型连接架（15）在钢架（14）上的高度位置；垂直滑台（16）的最大行程为25mm，并通过螺纹连接的方式安装在L型连接架（15）上；第一手动二维滑台（17）通过螺纹连接的方式安装在垂直滑台（16）的上端；U型连接架（18）通过螺纹连接的方式安装在第一手动二维滑台（17）的上端；猫眼（19）通过螺纹连接的方式安装在U型连接架（18）的内部。
3.根据权利要求1所述的一种用于激光追踪仪几何误差补偿装置，其特征在于：激光准直结构（8）自上而下依次为第二手动二维滑台（25）、PSD连接板（24）、PSD模块（23）、第一五角棱镜（21）和激光器（20）；第二手动二维滑台（25）通过螺纹连接的方式安装在总连接板（13）的下表面，并通过PSD连接板（24）与PSD模块（23）安装在一起；激光器（20）发出的准直激光束（22）被第一五角棱镜（21）改变方向后沿垂直方向照射到PSD模块（23）上。
4.根据权利要求1所述的一种用于激光追踪仪几何误差补偿装置，其特征在于：定位误差补偿结构（9）自上而下依次为第三手动二维滑台（32）、PSD支柱（31）、二维角度调整架（30）、平面反射镜（29）、第二五角棱镜（27）和激光干涉仪（26）；第三手动二维滑台（32）通过螺纹连接的方式安装在总连接板（13）的下表面，并通过PSD支柱（31）、二维角度调整架（30）与平面反射镜（29）安装在一起；激光干涉仪（26）发出的定位激光束（28）被第二五角棱镜（27）改变方向后沿垂直方向照射到平面反射镜（29）上。
5.根据权利要求1所述的一种用于激光追踪仪几何误差补偿装置，其特征在于：钢架（14）通过螺纹连接的方式安装在定位孔板（10）上，L型连接架（15）通过螺纹连接的方式安装在在钢架（14）上；垂直滑台（16）通过螺纹连接的方式安装在L型连接架（15）上；第一手动二维滑台（17）通过螺纹连接的方式安装在垂直滑台（16）的上端；U型连接架（18）通过螺纹连接的方式安装在第一手动二维滑台（17）的上端；猫眼（19）通过螺纹连接的方式安装在U型连接架（18）内部的上端；总连接板（13）通过螺纹连接的方式安装在U型连接架（18）内部的下端。
6.根据权利要求1所述的一种用于激光追踪仪几何误差补偿装置，其特征在于：
第二手动二维滑台（25）通过螺纹连接的方式安装在总连接板（13）的下表面，并通过PSD连接板（24）与PSD模块（23）安装在一起；激光器（20）和第一五角棱镜（21）安装在定位孔板（10）上；激光器（20）发出的准直激光束（22）被第一五角棱镜（21）改变方向后沿垂直方向照射到PSD模块（23）上。
7.根据权利要求1所述的一种用于激光追踪仪几何误差补偿装置，其特征在于：
第三手动二维滑台（32）通过螺纹连接的方式安装在总连接板（13）的下表面，并通过PSD支柱（31）、二维角度调整架（30）与平面反射镜（29）安装在一起；激光干涉仪（26）和第二五角棱镜（27）安装在定位孔板（10）上；激光干涉仪（26）发出的定位激光束（28）被第二五角棱镜（27）改变方向后沿垂直方向照射到平面反射镜（29）上。
8.根据权利要求1所述的一种用于激光追踪仪几何误差补偿装置，其特征在于：
当猫眼垂直移动结构（6）安装完毕后，需要对激光器（20）、第一五角棱镜（21）、激光干涉仪（26）和第二五角棱镜（27）的位置进行调节，使激光器（20）发出的准直激光束22对准PSD模块（23）的中心，激光干涉仪（26）发出的定位激光束（28）照射到平面反射镜（29）上并反射回激光干涉仪（26）的内部，并与参考光束形成干涉；激光准直结构（8）的作用在于补偿立柱导轨结构（7）的直线度误差，定位误差补偿结构（9）的作用在于补偿立柱导轨结构（7）的定位误差，从而保证猫眼（19）能够沿垂直基准面的方向，准直且精确地移动。
9.根据权利要求1所述的一种用于激光追踪仪几何误差补偿装置，其特征在于：
将猫眼垂直移动结构（6）和精密转台（2）放置在大理石平台（1）上，并保持猫眼（19）的中心距离精密转台（2）轴线一米的位置；将二维电动平台（3）放置在精密转台（2）上，激光追踪仪（4）放置在电动二维平台（3）上；调整电动二维平台（3），使激光追踪仪（4）的中心过精密转台（2）的回转轴线。
10.根据权利要求1所述的一种用于激光追踪仪几何误差补偿装置，其特征在于：补偿装置的测量过程如下：
第一，将L型连接架（15）调至钢架（14）的最低位置，并使激光追踪仪（4）实现对猫眼（19）的跟踪；第二，精密转台（2）完成±180°的旋转，同时记录激光追踪仪（4）的测量数据；第三，L型连接架（15）沿垂直基准面向上的方向以固定步长移动，并再次使精密转台（2）完成±180°的旋转，同时记录激光追踪仪（4）的测量数据；在此过程中，通过电脑（11）实时记录PSD模块（23）和激光干涉仪（26）的测量数据；当L型连接架（15）移动到钢架（14）的最高位置时，即完成激光追踪仪（4）全测量空间的数据获取；最终绘制出几何误差图谱。
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