CN110081823A - 一种机床五自由度几何运动误差测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机床五自由度几何运动误差测量系统，包括激光发射单元、四自由度误差测量单元和滚转误差测量单元；激光发射单元和滚转误差测量端相对基座位置固定，四自由度误差测量单元和滚转误差测量单元中矩形反射镜随载物台移动；四自由度误差测量单元由两个内置二维位移光电传感器感测激光发射单元发出的激光信号，通过两个传感器的输出获得沿机床载物台移动方向上的直线度误差和角度误差；滚转误差测量单元基于激光自准直原理，通过内置的二维位移光电传感器测得沿载物台移动方向上的滚转角误差。本发明通过测量能够获得机床五个自由度的几何运动误差，辅助机床安装、调校时的快速测量。
Description
技术领域
本发明属于机床精度检测领域，特别涉及一种机床五自由度几何运动误差测量系统。
背景技术
随着精密加工技术的日新月异，越来越多的高精密机床被应用于制造业。机床几何运动误差的大小是决定其整体加工精度的重要指标。因此，机床几何运动误差的获取对于机床的装配、调校及误差补偿有着重要意义。对于传统三轴机床来说，每一根线性移动导轨存在六个自由度的几何运动误差，包括定位误差、垂直和水平直线度误差的三个移动误差，以及俯仰、偏摆和滚转角误差的三个转动误差。目前工业上机床几何运动误差的测量方法主要有激光干涉仪测量法、激光跟踪仪测量法、球杆仪测量法和工件测试法。
激光干涉仪测量法测量精度高，但是对测量环境的要求较高，容易受到干扰导致测量结果存在偏差，且该方法针对不同自由度误差的测量需要更换不同的镜组重新调整干涉光路，测量过程繁琐，效率较低；激光跟踪仪测量法的量程大，能够针对机床工作空间内任一坐标点进行测量，但其精度低，跟踪仪的安装位置和测量点的选取造成的测量不确定度大；球杆仪安装与调校方便快捷，测量方法简单，但其测量精度受到金属球球度和球座圆度影响，对两者的加工精度要求较高，且测量过程中仪器部件的重量所产生的压力会对检测精度造成影响；工件测试法可通过标定对机床各项误差进行分离，但其测量耗时较长，测量标准件笨重。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种结构简单、成本低、安装及调校方便的机床五自由度几何运动误差测量系统，特别实现对机床五自由度几何运动误差进行高精度快速测量。
本发明为解决问题采用如下技术方案：
本发明机床五自由度几何运动误差测量系统，所述机床包括基座和载物台，所述基座为固定设置，所述载物台配合设置在所述基座上，并能够沿设置在基座上的线性导轨移动；其结构特点是：所述测量系统包括激光发射单元、四自由度误差测量单元和滚转误差测量单元，所述滚转误差测量单元由滚转误差测量端和矩形反射镜构成；所述激光发射单元位于基座的一端头，所述滚转误差测量单元中的滚转误差测量端位于基座的一侧部；所述激光发射单元和滚转误差测量端相对于基座位置固定；所述四自由度误差测量单元固定在载物台上，随载物台移动，四自由度误差测量单元是由两个内置的二维位移光电传感器感测激光发射单元发出的激光信号，根据两个二维位移光电传感器的输出信号获得沿载物台移动方向上的直线度误差和角度误差；所述滚转误差测量单元基于激光自准直原理，通过内置的二维位移光电传感器获得垂直于载物台移动方向上的俯仰角误差。
本发明机床五自由度几何运动误差测量系统的特点也在于：
所述激光发射单元由第一半导体激光器、第一偏振分光棱镜、第一四分之一波片、平面反射镜、角度微调装置以及第一滤光片组成；
所述第一半导体激光器发射出的激光依次经过第一偏振分光棱镜和第一四分之一波片之后在平面反射镜上形成反射光，所述反射光经第一滤光片形成第一出射光，以所述第一出射光作为所述四自由度误差测量单元的输入信号；
在所述四自由度误差测量单元中，由其第二滤光片接受所述第一出射光，经分光棱镜出射为两束相互垂直的光，其中一束直接投射至第一两维位移光电传感器，另一束经过第一聚焦透镜投射至第二两维位移光电传感器；在所述四自由度误差测量单元跟随载物台发生直线位移或者角度偏转后，通过检测第一两维位移光电传感器和第二两维位移光电传感器的输出信号获得沿载物台移动方向上的直线度误差和角度误差。
本发明机床五自由度几何运动误差测量系统的特点也在于：
所述激光发射单元中内置的平面反射镜固定在角度微调装置上，利用所述角度微调装置调整平面反射镜的偏转角度，获得设定光轴角度的第一出射光；
所述四自由误差测量单元固定在第一两维位移移动平台上，所述第一两维位移移动平台固定在竖直调整架上，利用所述竖直调整架在竖直方向上进行位移粗调，利用所述第一两维位移移动平台在竖直方向和水平方向上进行位移细调，以保证投射在第一两维位移光电传感器上的光点在感测线性区域的有效检测；
所述第二两维位移光电传感器固定在第二两维位移移动平台上，利用所述第二两维位移移动平台在竖直方向和水平方向上进行位移细调，以保证投射在第二两维位移光电传感器上的光点在感测线性区域的有效检测。
本发明机床五自由度几何运动误差测量系统的特点也在于：所述滚转误差测量单元中的矩形反射镜安装在载物台的侧面，随载物台移动；在所述滚转误差测量端中，其内置第二半导体激光器发射的激光依次经过第二偏振分光棱镜、第二四分之一波片和第三滤光片之后入射到矩形反射镜上，在所述矩形反射镜上形成的反射光束沿原光路返回，再次经过第二偏振分光棱镜后再经第二聚焦透镜聚焦，投照至第三两维位移光电传感器；在矩形反射镜随载物台发生滚转后，通过检测第三两维位移光电传感器的输出信号，获得垂直于载物台移动方向上的俯仰角误差，即为沿载物台移动方向上的滚转角误差。
本发明机床五自由度几何运动误差测量系统的特点也在于：所述第三两维位移光电传感器固定在第三两维位移移动平台上，利用所述第三两维位移移动平台在竖直方向和水平方向上进行位移细调，以保证投射在第三两维位移光电传感器上的光点在感测线性区域的有效检测。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明将测量沿机床载物台移动方向上的滚转误差转化为测量垂直于机床载物台移动方向上的俯仰角误差，通过四自由度误差测量和滚转误差测量相结合的方式极大地简化了五自由度误差测量的光路结构。
2、本发明中测量光路通过高精度两维位移光电传感器和基于激光自准直原理的角度传感器保证了测量精度，光路结构精巧简单，无需更换测量镜组，可同时测量机床运行过程中的五个自由度误差，解决了采用激光干涉仪测量机床多自由度几何运动误差操作繁琐，耗时长的问题，提高了测量效率。
3、本发明通过角度微调装置、竖直调整架和两维位移移动平台之间的组合，实现了激光光轴的准直，其准直过程简便，易于操作。
4、本发明将检测获得的测量数据通过蓝牙传输的方式发送给计算机，避免了机床运行过程中，拖动数据传输线造成接口松动的干扰。
附图说明
图1为本发明测量系统示意图；
图2为本发明中激光发射单元内部结构示意图；
图3为本发明中四自由度误差测量单元内部结构示意图；
图4为本发明中滚转误差测量端内部结构示意图；
图5为本发明中矩形反射镜结构示意图；
图6a和图6b为本发明针对一龙门机床的直线度误差测量结果；
图7a、图7b和图7c为本发明针对一龙门机床的角度误差测量结果；
图中标号：1基座；2载物台；3激光发射单元；4a第一半导体激光器；4b第二半导体激光器；5a第一偏振分光棱镜；5b第二偏振分光棱镜；6a第一四分之一波片；6b第二四分之一波片；7平面反射镜；8角度微调装置；9a第一滤光片；9b第二滤光片；9c第三滤光片；10四自由度误差测量单元；11分光棱镜；12a第一两维位移光电传感器；12b第二两维位移光电传感器；12c第三两维位移光电传感器；13a第一聚焦透镜；13b第二聚焦透镜；14竖直调整架；15a第一两维位移移动平台；15b第二两维位移移动平台；15c第三两维位移移动平台；16滚转误差测量端；17矩形反射镜。
具体实施方式
参见图1，本实施例中机床包括基座1和载物台2，基座1为固定设置，载物台2配合设置在基座1上，并能够沿设置在基座1上的线性导轨移动。
如图1所示，本实施例中五自由度几何运动误差测量系统包括激光发射单元3、四自由度误差测量单元10和滚转误差测量单元，滚转误差测量单元由滚转误差测量端16和矩形反射镜17构成；激光发射单元3位于基座1的一端头，滚转误差测量单元中的滚转误差测量端16位于基座1的一侧部；激光发射单元3和滚转误差测量端16相对于基座1位置固定；四自由度误差测量单元10固定在载物台2上，随载物台2移动；以针对机床X轴向进行检测为例，激光发射单元3和四自由度误差测量单元10均处在X轴线上；并且，激光发射单元3和四自由度误差测量单元10的中心轴线处在同一水平面上，以保证由激光发射单元3发出的第一出射光能够入射至四自由度误差测量单元10。
四自由度误差测量单元10是由两个内置的二维位移光电传感器感测激光发射单元3发出的激光信号，根据两个二维位移光电传感器的输出信号获得沿载物台移动方向上的直线度误差和角度误差；滚转误差测量单元基于激光自准直原理，通过内置的二维位移光电传感器获得垂直于载物台移动方向上的俯仰角误差。
具体实施中，相应的结构设置也包括：
如图1和图2所示，激光发射单元3由第一半导体激光器4a、第一偏振分光棱镜5a、第一四分之一波片6a、平面反射镜7、角度微调装置8以及第一滤光片9a组成；第一半导体激光器4a发射出的激光依次经过第一偏振分光棱镜5a和第一四分之一波片6a之后在平面反射镜7上形成反射光，反射光经第一滤光片9a形成第一出射光，以第一出射光作为四自由度误差测量单元10的输入信号；具体实施中，设置第一半导体激光器4a的出射光以45°角入射至平面反射镜7。
如图1、图2和图3所示，在四自由度误差测量单元10中，由其第二滤光片9b接受第一出射光，经分光棱镜11出射为两束相互垂直的光，其中一束直接投射至第一两维位移光电传感器12a，另一束经过第一聚焦透镜13a投射至第二两维位移光电传感器12b；在四自由度误差测量单元10跟随载物台2发生直线位移或者角度偏转后，通过检测第一两维位移光电传感器12a和第二两维位移光电传感器12b的输出信号获得沿载物台2移动方向上的直线度误差和角度误差。具体实施中，第一两维位移光电传感器12a和第二两维位移光电传感器12b的中心轴线应处在同一水平面上，二者的夹角固定为90°。
为了实现调整，激光发射单元3中内置的平面反射镜7固定在角度微调装置8上，利用角度微调装置8调整平面反射镜7的偏转角度，获得设定光轴角度的第一出射光。
四自由误差测量单元10固定在第一两维位移移动平台15a上，第一两维位移移动平台15a固定在竖直调整架14上，利用竖直调整架14在竖直方向上进行位移粗调，利用第一两维位移移动平台15a在竖直方向和水平方向上进行位移细调，以保证投射在第一两维位移光电传感器12a上的光点在感测线性区域的有效检测。
第二两维位移光电传感器12b固定在第二两维位移移动平台15b上，利用第二两维位移移动平台15b在竖直方向和水平方向上进行位移细调，以保证投射在第二两维位移光电传感器12b上的光点在感测线性区域的有效检测。
具体实施中，在固定好激光发射单元3和四自由度误差测量单元10之后，需要对激光发射单元3发射出的第一出射光进行光轴准直，以保证测量的准确性。准直过程如下：首先将载物台2移动至靠近激光发射单元3的一端，此为测量起始点，调整第一两维位移移动平台15a和竖直调整架14，使得第一出射光的光点打在第一两维位移光电传感器12a的感测中心，此时第一两维位移光电传感器12a的输出信号为0值，或接近0值；随后将载物台2移动至远离激光发射单元3的另一端，此为测量终点；载物台2移动的距离视测量距离要求而定；此时由于未准直过的激光光轴和机床载物台2移动轴线之间存在夹角，导致传感器上感测到的光点跑偏，第一两维位移光电传感器12a的输出信号改变；调整角度微调装置8，改变第一出射光的光轴角度，配合第一两维位移移动平台15a的位移细调，使得第一两维位移光电传感器12a的输出信号再次为0值，或接近0值，调整完毕之后将载物台2移动至靠近激光发射单元3的一端，观察第一两维位移光电传感器12a的输出信号是否仍为0值，或接近0值，如果第一两维位移光电传感器12a的输出信号不为0值，则重复进行光轴的准直调整，直到当载物台2位于测量起始点或终点的位置时，第一两维位移光电传感器12a的输出信号始终为0值，或接近0值，则激光光轴准直完毕。
如图1、图4和图5所示，本实施例中滚转误差测量单元中的矩形反射镜17安装在载物台2的侧面，随载物台2移动；在滚转误差测量端16中，其内置第二半导体激光器4b发射的激光依次经过第二偏振分光棱镜5b、第二四分之一波片6b和第三滤光片9c之后入射到矩形反射镜17上，在矩形反射镜17上形成的反射光束沿原光路返回，再次经过第二偏振分光棱镜5b后再经第二聚焦透镜13b聚焦，投照至第三两维位移光电传感器12c；在矩形反射镜17随载物台2发生滚转后，通过检测第三两维位移光电传感器12c的输出信号，获得垂直于载物台2移动方向上的俯仰角误差，此误差即为载物台2沿机床移动方向上的滚转角误差。
为了实现调整，第三两维位移光电传感器12c固定在第三两维位移移动平台15c上，利用第三两维位移移动平台15c在竖直方向和水平方向上进行位移细调，以保证投射在第三两维位移光电传感器12c上的光点在感测线性区域的有效检测。
具体实施中，在测量起始点固定好滚转误差测量端16和矩形反射镜17之后，通过第三两维位移移动平台15c在竖直方向和水平方向上进行位移细调，使得第二半导体激光器4b发射出的激光打在第三两维位移光电传感器12c的感测中心,此时第三两维位移光电传感器12c的输出信号为0，或接近0值。滚转误差测量单元只需在测量起始点调整光点位置，载物台2移动过程中所造成的传感器输出信号改变即为机床载物台2在移动方向上的滚转角误差。
本发明中三个两维位置光电传感器输出的信号经过电路处理之后，通过蓝牙传输的方式将四自由度误差测量单元10和滚转误差测量单元测得的误差信号发送给计算机。蓝牙通讯的方式避免了机床运行过程中，拖动数据传输线造成接口松动的干扰。
为测试五自由度几何运动误差测量系统的性能，针对一龙门机床进行五个自由度误差的检测，机床载物台沿X轴方向移动，测量总行程为1.5m，重复测量5次。直线度误差测量结果如图6a和图6b所示，其中图6a所示的Y向直线度误差的测量重复性为1.78μm，图6b所示的Z向直线度误差的测量重复性为1.64μm。角度误差测量结果如图7a、图7b和图7c所示，其中图7a所示的俯仰角误差的测量重复性为3.38"，图7b所示的偏摆角误差的测量重复性为2.89"，图7c所示的滚转角误差测量的重复性为4.93"。
表1所示为本发明所能实现的性能参数。
表1
| 直线度误差测量 | 角度误差测量 | |
| 机床测量最大行程 | 1.5m | 1.5m |
| 测量范围 | ±100μm | ±200" |
| 测量分辨率 | 0.1μm | 0.5" |
| 测量重复性 | 2μm | 5" |
本发明能够实现机床五个自由度几何运动误差的同时测量，测量效率高，操作简单，测量精度满足实际需求。
Claims (5)
1.一种机床五自由度几何运动误差测量系统，所述机床包括基座(1)和载物台(2)，所述基座(1)为固定设置，所述载物台(2)配合设置在所述基座(1)上，并能够沿设置在基座(1)上的线性导轨移动；其特征是：所述测量系统包括激光发射单元(3)、四自由度误差测量单元(10)和滚转误差测量单元，所述滚转误差测量单元由滚转误差测量端(16)和矩形反射镜(17)构成；所述激光发射单元(3)位于基座(1)的一端头，所述滚转误差测量单元中的滚转误差测量端(16)位于基座(1)的一侧部；所述激光发射单元(3)和滚转误差测量端(16)相对于基座(1)位置固定；所述四自由度误差测量单元(10)固定在载物台(2)上，随载物台(2)移动；四自由度误差测量单元(10)是由两个内置的二维位移光电传感器感测激光发射单元(3)发出的激光信号，根据两个二维位移光电传感器的输出信号获得沿载物台移动方向上的直线度误差和角度误差；所述滚转误差测量单元基于激光自准直原理，通过内置的二维位移光电传感器获得垂直于载物台移动方向上的俯仰角误差。
2.根据权利要求1所述的机床五自由度几何运动误差测量系统，其特征是：
所述激光发射单元(3)由第一半导体激光器(4a)、第一偏振分光棱镜(5a)、第一四分之一波片(6a)、平面反射镜(7)、角度微调装置(8)以及第一滤光片(9a)组成；
所述第一半导体激光器(4a)发射出的激光依次经过第一偏振分光棱镜(5a)和第一四分之一波片(6a)之后在平面反射镜(7)上形成反射光，所述反射光经第一滤光片(9a)形成第一出射光，以所述第一出射光作为所述四自由度误差测量单元(10)的输入信号；
在所述四自由度误差测量单元(10)中，由其第二滤光片(9b)接受所述第一出射光，经分光棱镜(11)出射为两束相互垂直的光，其中一束直接投射至第一两维位移光电传感器(12a)，另一束经过第一聚焦透镜(13a)投射至第二两维位移光电传感器(12b)；在所述四自由度误差测量单元(10)跟随载物台(2)发生直线位移或者角度偏转后，通过检测第一两维位移光电传感器(12a)和第二两维位移光电传感器(12b)的输出信号获得沿载物台(2)移动方向上的直线度误差和角度误差。
3.根据权利要求2所述的机床五自由度几何运动误差测量系统，其特征是：
所述激光发射单元(3)中内置的平面反射镜(7)固定在角度微调装置(8)上，利用所述角度微调装置(8)调整平面反射镜(7)的偏转角度，获得设定光轴角度的第一出射光；
所述四自由误差测量单元(10)固定在第一两维位移移动平台(15a)上，所述第一两维位移移动平台(15a)固定在竖直调整架(14)上，利用所述竖直调整架(14)在竖直方向上进行位移粗调，利用所述第一两维位移移动平台(15a)在竖直方向和水平方向上进行位移细调，以保证投射在第一两维位移光电传感器(12a)上的光点在感测线性区域的有效检测；
所述第二两维位移光电传感器(12b)固定在第二两维位移移动平台(15b)上，利用所述第二两维位移移动平台(15b)在竖直方向和水平方向上进行位移细调，以保证投射在第二两维位移光电传感器(12b)上的光点在感测线性区域的有效检测。
4.根据权利要求1或2所述的机床五自由度几何运动误差测量系统，其特征是：所述滚转误差测量单元中的矩形反射镜(17)安装在载物台(2)的侧面，随载物台(2)移动；在所述滚转误差测量端(16)中，其内置第二半导体激光器(4b)发射的激光依次经过第二偏振分光棱镜(5b)、第二四分之一波片(6b)和第三滤光片(9c)之后入射到矩形反射镜(17)上，在所述矩形反射镜(17)上形成的反射光束沿原光路返回，再次经过第二偏振分光棱镜(5b)后再经第二聚焦透镜(13b)聚焦，投照至第三两维位移光电传感器(12c)；在矩形反射镜(17)随载物台(2)发生滚转后，通过检测第三两维位移光电传感器(12c)的输出信号，获得垂直于载物台(2)移动方向上的俯仰角误差，即为沿载物台(2)移动方向上的滚转角误差。
5.根据权利要求4所述的机床五自由度几何运动误差测量系统，其特征是：所述第三两维位移光电传感器(12c)固定在第三两维位移移动平台(15c)上，利用所述第三两维位移移动平台(15c)在竖直方向和水平方向上进行位移细调，以保证投射在第三两维位移光电传感器(12c)上的光点在感测线性区域的有效检测。
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