CN110230999B - 一种直线运动系统五自由度误差同步测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直线运动系统五自由度误差同步测量装置及方法，包括固定发射单元、移动测量单元以及信号处理单元；四个二维PSD位敏传感器检测到的光电信号经信号处理电路后通过USB与上位机连接，倾角传感器通过蓝牙与上位机通讯，通过测量分析模块的处理可解耦得到直线运动系统的水平方向直线度、竖直方向直线度、俯仰角、偏摆角和滚转角误差。本发明严格的位置关系设计使得光学元件装配误差对测量结果的影响可以忽略不计。所有的测量数据均由传感器直接测得，而不是通过建立复杂的数学模型间接计算得到，减少了使用复杂数学计算而产生的误差。

Description

一种直线运动系统五自由度误差同步测量装置及方法

【技术领域】

本发明属于精密直线运动轴的几何运动精度测量领域，涉及一种直线运动系统五自由度误差同步测量装置及方法。

【背景技术】

滚动直线导轨是高端精密装备中最常采用的直线导轨副形式，以机床为例，典型的直线运动系统中，包含安装导轨的基础支撑大件、两根或两根以上导轨、每根导轨上都安装有若干个滑块、安装于滑块上的移动直线运动系统工作台、以及用于直线运动系统工作台驱动的丝杠、轴承、伺服电机等部件。直线运动系统在进给时总是存在六项几何运动误差：沿运动方向的定位误差Δz、垂直于运动方向的水平直线度误差Δx、竖直直线度误差Δy，绕x轴旋转的俯仰角误差α，绕y轴旋转的偏摆角误差β以及绕z轴旋转的滚转角误差γ。各误差项直接影响到机器设备的加工精度或测量精度，因此，直线运动系统工作台的位姿误差检测是指导高端精密装备装配及最终质检过程必要的一环。

改善直线运动系统的精度已成为高档数控机床及制造业发展的重点工作。得到直线运动系统各项几何运动误差正确可靠的数据是补偿和提高机床精度的前提。精密直线运动系统的装配精度要求极高，往往达到微米级，这对测量技术提出了很高的要求。

传统的激光干涉测量仪器每次设置只能测量一项误差，导致测量组件的反复拆装，影响测量效率。通过四个或者更多的激光跟踪仪可以实现多自由度误差同时检测，但其测量结果通过机床运动模型间接求得，复杂的数学计算过程会导致不必要的测量误差。现有的多自由度误差同时测量系统光路复杂，涉及到的光学元件较多，成本高昂，光路调节较为复杂繁琐。对于大部分的多自由度测量系统，激光束的漂移、各项误差之间的串扰等因素对最终的测量结果都有影响，目前还没有比较有效的误差补偿模型，在提高测量精度方面始终存在一些缺陷，不能很好地满足实际需求。很多测量系统的移动部分连接电缆，影响了其实际工程使用。此外，现有的多自由度误差测量系统在建立数学模型时，没有考虑到将测量得到数据和机床直线运动系统的误差统一起来，不能保证测量模型的运动中心与直线运动系统工作台的实际运动中心一致，未能有效合理地使用测量数据来正确的评定机床性能。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于多传感器融合技术，能够同时测量直线运动系统水平方向直线度、竖直方向直线度、俯仰角、偏摆角和滚转角五自由度误差的直线运动系统五自由度误差同步测量装置及测量方法，本发明不仅能节省时间，还能对机床等精密装备的精度进行正确的评估。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种直线运动系统五自由度误差同步测量装置，包括固定发射单元、移动测量单元以及信号处理单元；

固定发射单元安装于固定单元底板固定在三脚架云台上，包括准直激光器，准直激光器的出射光经第一二维调整镜和第二二维调整镜反射后进入第一立方体分光棱镜，经过第一立方体分光棱镜的反射光进入用于检测激光平漂移的第一PSD位敏传感器，透射光进入移动测量单元；

移动测量单元固定在直线运动系统工作台上，包括平面分光薄膜、角锥棱镜和倾角传感器，进入移动测量单元的透射光进入平面分光薄膜，平面分光薄膜将该透射光分为两束，一束透射光，一束反射光；反射光原路返回至第一立方体分光棱镜被反射依次进入转向棱镜、第一透镜和用于测量直线运动系统俯仰偏摆角误差的第二PSD位敏传感器；经过平面分光薄膜的透射光进入角锥棱镜，经过角锥棱镜的出射光进入第二立方体分光棱镜，经第二立方体分光棱镜分光后，透射光进入用于测量直线运动系统二维直线度的第三PSD位敏传感器，反射光经第二透镜进入用于检测激光角度漂移的第四PSD位敏传感器；

信号处理单元包括信号采集处理电路和测量分析模块，四个二维PSD位敏传感器检测到的光电信号经信号处理电路后通过USB与上位机连接，倾角传感器通过蓝牙与上位机通讯，通过测量分析模块的处理可解耦得到直线运动系统的水平方向直线度、竖直方向直线度、俯仰角、偏摆角和滚转角误差。

本发明进一步的改进在于：

第一二维调整镜和第二二维调整镜的结构相同，第一二维调整镜通过第一转向基座安装于固定单元底板上，第二二维调整镜通过第二转向基座安装于固定单元底板上。

第一PSD位敏传感器和第二PSD位敏传感器的结构相同，均包括PSD安装基座和一维位移微调平台，PSD安装基座固定在一维位移微调平台，一维位移微调平台安装于固定单元底板上；第一PSD位敏传感器和第二PSD位敏传感器均设置于各自的PSD安装基座内。

第一PSD位敏传感器和第二PSD位敏传感器的一维位移微调平台上，分别设置有第一PSD微位移基座和第二PSD微位移基座。

移动测量单元包括外部壳体，以及安装于外部壳体内的分光薄膜，角锥棱镜和倾角传感器；外部壳体的侧面上开设有圆孔，圆孔中设置有通光端盖，两个通光柱设置于通光端盖上；其中一个通光柱与平面分光薄膜和角锥棱镜的入射光路共轴，另一个通光柱与角锥棱镜的出射光路共轴。

第一立方体分光棱镜的两端均设置有可调光阑；第二立方体分光棱镜入射端设置有可调光阑。

一种直线运动系统五自由度误差测量方法，包括以下步骤：

步骤1：预热准直激光器；

步骤2：将固定发射单元安装在三脚架上，将移动测量单元固定在直线运动系统工作台上，以直线运动系统工作台的T型槽为安装基准，使激光束与导轨进给方向一致；

步骤3：调节两个紧凑的第一二维调整镜和第二二维调整镜对准初始激光束，直到观察到激光束全部入射进入第一立方体分光棱镜两端的可调光阑内；重复移动直线运动系统工作台，监测反射光束在PSD位敏传感器的光斑位置，调整三脚架云台，使固定发射单元在全行程上能够接收移动单元的反射测量光束，并且反射光束均投射在传感器的有效探测面积中心；

步骤4：信号处理单元完成采集参数设定，包括光电位置传感器、倾角传感器采样频率和采样时间的设置以及测量装置信息的输入；

步骤5：将直线运动系统工作台移动到起始参考位置，将该位置处四个PSD位敏传感器和倾角传感器检测的数据发送回计算机；移动直线运动系统工作台，读取不同位置处PSD位敏传感器的信号，记录数据，直到滑块移动到另一侧极限位置，完成整个测量过程；

步骤6：通过信号处理单元的处理可解耦得到直线运动系统的水平方向直线度、竖直方向直线度、俯仰角、偏摆角和滚准角误差，具体如下：

俯仰角：

偏摆角：

滚转角：

水平方向直线度：

竖直方向直线度：

其中，d_1x和d_1y、d_2x和d_2y、d_3x和d_3y、d_4x和d_4y分别为四个PSD测得水平和竖直方向光斑位移值；n为BS和角锥棱镜的折射率；f₁和f₂分别为第一透镜和第二透镜的焦距；γ_m为倾角传感器的测量值；θ为倾角传感器的安装误差；a、b、c分别为角锥棱镜到测量坐标系的阿贝臂，其由移动测量单元的安装位置决定；h为角锥棱镜入射面到顶点的距离；l为激光器出射光束传播到第四PSD位敏传感器的距离，为测量系统固定值；l₁和l₂分别为激光器入射到角锥棱镜的传播距离和角锥棱镜出射光束到达第二PSD位敏传感器的距离，该距离由装置的安装位置和导轨移动的距离得到。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明直线运动系统五自由度误差同步测量装置，通过设置多个传感器，能够同时测量直线运动系统的水平方向直线度、竖直方向直线度、俯仰角、偏摆角和滚转角五自由度误差，只需一次设定即可沿线性轴同时测量直线运动系统5个自由度的误差。其次，本发明移动测量单元与固定单元之间无电缆连接，分光薄膜和角锥棱镜分别作为俯仰偏摆角和二维直线度的敏感元件将激光束反射回固定接收单元，倾角传感器使用充电电池供电，与上位机通过蓝牙传输数据测量滚转角，避免了测量过程中由于电缆拖拽可能会引起误差。最后，本发明严格的位置关系设计使得光学元件装配误差对测量结果的影响可以忽略不计。所有的测量数据均由传感器直接测得，而不是通过建立复杂的数学模型间接计算得到，减少了使用复杂数学计算而产生的误差。

进一步的，本发明以准直的激光束为测量基准，测量过程中突然断光对测量结果无影响。

进一步的，本发明激光漂移测量模块可以分别补偿由于激光器自身的热漂移、空气折射率变化和大气随机扰动引起的光束平漂移和角度漂移对测量结果的影响。

进一步的，本发明通过三个姿态角度解耦其对于二维直线度测量的干扰。

进一步的，本发明两个微位移平台的调节使得PSD光敏面位于透镜焦平面处。

进一步的，本发明分光薄膜的使用有效避免了因为分光镜厚度导致激光束折射偏移带来的误差。

进一步的，本发明特殊的出射光束调光装置设计和移动单元进光零部件设计，简化了调整步骤，减少了调整时间。

【附图说明】

图1为本发明固定发射单元的轴侧图；

图2为本发明固定发射单元和移动测量单元的轴侧图；

图3为本发明PSD位敏传感器的结构示意图；

图4为本发明二维调整镜的结构示意图；

图5为本发明移动测量单元的轴侧图

图6a为本发明移动测量单元通光端盖的正面示意图；

图6b为本发明移动测量单元通光端盖的背面示意图。

其中，1-准直激光器；2-第一二维调整镜；3-第二二维调整镜；4-第一立方体分光棱镜；5-第一PSD位敏传感器；6-转向棱镜；7-第一透镜；8-第二PSD位敏传感器；9-第二立方体分光棱镜；10-第三PSD位敏传感器；11-第二透镜；12-第四PSD位敏传感器；13-可调光阑；14-激光器V型基座；15-第一转向基座；16-第二转向基座；17-第一分光基座；18-第二分光基座；19-第一PSD微位移基座；20-第二PSD微位移基座；21-固定单元底板；22-平面分光薄膜；23-角锥棱镜；24-倾角传感器；25-通光端盖；26-通光柱；27-外部壳体；28-一维位移微调平台；29-PSD安装基座；30-L型安装座。

【具体实施方式】

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明基于多传感器融合技术，提出了一种能同时测量直线运动系统水平方向直线度、竖直方向直线度和三个空间姿态角度的直线运动系统五自由度误差同步测量装置，包括固定发射单元、移动测量单元以及信号处理单元。

典型的直线运动系统中，包含安装导轨的基础支撑大件、两根或两根以上导轨、每根导轨上都安装有若干个滑块、安装于滑块上的移动直线运动系统工作台、以及用于直线运动系统工作台驱动的丝杠、轴承、伺服电机等部件。固定发射单元安装在三脚架云台上以调节激光相对于测量轴的位置，移动测量单元固定在直线运动系统工作台上，以直线运动系统工作台的T型槽为安装基准，使激光束与导轨进给方向一致。

如图1和图2所示，固定发射单元包括准直激光器1、第一二维调整镜2、第二二维调整镜3、第一立方体分光棱镜4、第二立方体分光棱镜9、三个可调光阑13、转向棱镜6、第一透镜7、第二透镜11、四个二维PSD位敏传感器等元件、激光器V型安装基座14、第一转向基座15、第二转向基座16、第一分光基座17、第二分光基座18、第一PSD微位移基座19、第二PSD微位移基座20和固定单元底板21。

如图1和图4所示，准直激光器安装于V型安装基座14上，第一二维调整镜2、第二二维调整镜3分别通过L型安装座30与第一转向基座15、第二转向基座16连接，L型安装座30与基座接触部分设置有供螺栓通过的U型槽，通过螺纹与基座紧固连接，安装基座上设置有斜45°的限位凸台，通过U型槽相对于螺栓的前后移动实现二维调整镜的位置粗调，调节光学调整架背部的调节螺钉实现平面镜的姿态细调。为了减小光学元件和传感器安装误差对测量结果的影响，第一立方体分光棱镜4、转向棱镜6、第一透镜7安装于第一分光基座17上，将其连接为一个整体，第二立方体分光棱镜9、第二透镜11、第三PSD位敏传感器10安装于第二分光基座18中，将其连接为一个整体。如图3所示，PSD安装基座29固定在一维位移微调平台28上，使得PSD光敏面位于透镜的焦平面处。

如图5所示，移动测量单元包括外部壳体27、平面分光薄膜22、角锥棱镜23、倾角传感器24及其供电电路和蓝牙通讯电路、通光端盖25和通光柱26。

特殊的出射光束调光装置设计和移动单元进光零部件设计，简化了调整步骤，减少了调整时间。具体的，在安装第一立方体分光棱镜4的笼式框架两端连接两个可调光阑，当激光光束全部进入光阑内，可认为激光此时已平行出射。在移动测量单元壳体27的前端面对应角锥棱镜的位置开有圆孔，通光端盖25通过内侧设置的凸台与其配合，通过螺纹连接与前端面贴合，两个通光柱26通过螺纹与端盖连接，分别对应角锥棱镜入射光束和出射光束位置，通光位置关于端盖圆心对称。

信号处理单元包括信号采集处理电路和测量分析模块。四个二维PSD位敏传感器检测到的光电信号经信号处理电路后通过USB与上位机连接，倾角传感器通过蓝牙与上位机通讯，通过测量分析模块的处理可解耦得到直线运动系统的水平方向直线度、竖直方向直线度、俯仰角、偏摆角和滚转角误差。

本发明的工作过程如下：

如图1所示，准直激光器1发出被准直过的激光束，经第一二维调整镜2和第二二维调整镜3的调节，平行入射到第一立方体分光棱镜4中，入射光被分为两束，其中反射光束投射到第一PSD位敏传感器5，用于检测激光的平漂移，透射光束经13-可调光阑13投射到移动测量单元；移动测量单元共设置有两个通光柱26，其中一个与平面分光薄膜22以及角锥棱镜23的入射光路同轴，另一个与角锥棱镜23的出射光路同轴；由可调光阑13投射来的透射光从通光柱26进入，经平面分光薄膜22后分为两束光，其中反射光束原路返回，依次经过可调光阑13、第一立方体分光棱镜4和转向棱镜6，最终经第一透镜7投射进入第二PSD位敏传感器8，用于测量直线运动系统的俯仰偏摆角误差，透射光束进入角锥棱镜23，经过三个直角面依次反射后，出射光线始终平行入射光线，仅产生二维方向的平行位移，然后光束进入第二立方体分光棱镜9被分为两束光，其中透射光束进入第三PSD位敏传感器10，用于测量直线运动系统的二维直线度，反射光束经第二透镜11后投射到第四PSD位敏传感器12，用于检测激光的角度漂移。滚转角的测量通过移动测量单元的倾角传感器24实现，传感器内部以重力方向为基准，采用单摆的原理。

第一立方体分光棱镜4、平面分光薄膜22、转向棱镜6、第一透镜7、第二PSD位敏传感器8构成俯仰偏摆耦合测量模块，第二立方体分光棱镜9、角锥棱镜23、第三PSD位敏传感器10构成二维直线度耦合测量模块，第一立方体分光棱镜4、第二立方体分光棱镜9、第二透镜11、第一PSD位敏传感器5、第四PSD位敏传感器12构成激光漂移检测补偿模块，第一PSD位敏传感器5用于检测激光的平漂移，第二PSD位敏传感器8用于测量直线运动系统的俯仰偏摆角度，第三PSD位敏传感器10用于测量水平和竖直直线度，第四PSD位敏传感器12用于检测激光的角漂移。滚转角测量模块包括倾角传感器、供电电路和蓝牙通讯电路。

为了保证固定单元所有的光学传感器光敏面的中心在同一高度，光学元件和PSD均安装于经过严格尺寸设计的安装基座上，且固定单元底板21对于每个安装基座接触面均设置有定位凹槽，保证了各个元件和传感器的相对位置。其中，准直激光器1安装在V型基座上，两个二维调整镜通过L型安装座转接到转向基座上，保证激光的出射方向和出射高度，两个可调反射镜的存在避免了使用体积较大的位移平台，降低了系统对激光器装配精度的要求。为了减小光学元件和传感器安装误差对测量结果的影响，第一立方体分光棱镜4、转向棱镜6、第一透镜7安装于第一分光基座17上，将其连接为一个整体，第二立方体分光棱镜9、第二透镜11、第三PSD位敏传感器10安装于第二分光基座18中，将其连接为一个整体。PSD安装基座29固定在一维位移微调平台28上，使得PSD光敏面位于透镜的焦平面处。所有的光学元件和传感器基座均通过底板上的凹槽定位，最大限度地保证了各个元件之间的相对位置。

本发明直线运动系统五自由度误差测量方法，包括以下步骤：

步骤1：测量前需将激光器预热半小时以上达到稳定状态；

步骤2：将固定发射单元安装在三脚架上，将移动测量单元固定在直线运动系统工作台上，以直线运动系统工作台的T型槽为安装基准，使激光束与导轨进给方向一致；

步骤3：初始激光束的对准是通过调节两个紧凑的第一二维调整镜2、3实现的，直到观察到激光束全部入射进入第一立方体分光棱镜4两端的光阑内。调整三脚架云台，重复移动直线运动系统工作台，通过PSD观测软件监测反射光束在传感器的光斑位置，使固定单元在全行程上能够接收移动单元的反射测量光束，并且反射光束尽量投射在传感器的有效探测面积中心；

步骤4：在专用测量软件中完成采集参数设定，包括光电位置传感器、倾角传感器采样频率及采样时间的设置以及测量装置相关信息的输入；

步骤5：将直线运动系统工作台移动到起始参考位置，将该位置处四个PSD位敏传感器和倾角传感器检测的数据发送回计算机，由计算机程序记录储存；移动直线运动系统工作台，读取不同位置处传感器的信号，记录数据，直到滑块移动到另一侧极限位置，完成整个测量过程。

步骤6：通过测量分析软件的计算处理可解耦得到直线运动系统的水平方向直线度、竖直方向直线度、俯仰角、偏摆角和滚准角误差：

俯仰角：

偏摆角：

滚转角：

水平方向直线度：

竖直方向直线度：

其中，d_1x和d_1y、d_2x和d_2y、d_3x和d_3y、d_4x和d_4y分别为四个PSD测得水平和竖直方向光斑位移值，n为BS和角锥棱镜的折射率，f₁和f₂分别为第一透镜7和第二透镜11的焦距，γ_m为倾角传感器的测量值，θ为倾角传感器的安装误差，a、b、c分别为角锥棱镜到测量坐标系的阿贝臂，其有移动测量单元的安装位置决定，h为角锥棱镜入射面到顶点的距离，l为激光器出射光束传播到第四PSD位敏传感器12的距离，为测量系统固定值，l₁和l₂分别为激光器入射到角锥棱镜的传播距离和角锥棱镜出射光束到达第二PSD位敏传感器8的距离，该距离通过装置的安装位置和导轨移动的距离即可得到。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种直线运动系统五自由度误差同步测量装置，其特征在于，包括固定发射单元、移动测量单元以及信号处理单元；

固定发射单元安装于固定单元底板(21)固定在三脚架云台上，包括准直激光器(1)，准直激光器(1)的出射光经第一二维调整镜(2)和第二二维调整镜(3)反射后进入第一立方体分光棱镜(4)，经过第一立方体分光棱镜(4)的反射后，反射光进入用于检测激光平漂移的第一PSD位敏传感器(5)，透射光进入移动测量单元；

移动测量单元固定在直线运动系统工作台上，包括平面分光薄膜(22)、角锥棱镜(23)和倾角传感器，进入移动测量单元的透射光进入平面分光薄膜(22)，平面分光薄膜(22)将该透射光分为两束，一束透射光，一束反射光；反射光原路返回至第一立方体分光棱镜(4)被反射依次进入转向棱镜(6)、第一透镜(7)和用于测量直线运动系统俯仰偏摆角误差的第二PSD位敏传感器(8)；经过平面分光薄膜(22)的透射光进入角锥棱镜(23)，经过角锥棱镜(23)的出射光进入第二立方体分光棱镜(9)，经第二立方体分光棱镜(9)分光后，透射光进入用于测量直线运动系统二维直线度的第三PSD位敏传感器(10)，反射光经第二透镜(11)进入用于检测激光角度漂移的第四PSD位敏传感器(12)；

信号处理单元包括信号采集处理电路和测量分析模块，四个二维PSD位敏传感器检测到的光电信号经信号处理电路后通过USB与上位机连接，倾角传感器通过蓝牙与上位机通讯，通过测量分析模块的处理可解耦得到直线运动系统的水平方向直线度、竖直方向直线度、俯仰角、偏摆角和滚转角误差。

2.根据权利要求1所述的直线运动系统五自由度误差同步测量装置，其特征在于，第一二维调整镜(2)和第二二维调整镜(3)的结构相同，第一二维调整镜(2)通过第一转向基座(15)安装于固定单元底板(21)上，第二二维调整镜(3)通过第二转向基座(16)安装于固定单元底板(21)上。

3.根据权利要求1所述的直线运动系统五自由度误差同步测量装置，其特征在于，第一PSD位敏传感器(5)和第二PSD位敏传感器(8)的结构相同，均包括PSD安装基座(29)和一维位移微调平台(28)，PSD安装基座(29)固定在一维位移微调平台(28)，一维位移微调平台(28)安装于固定单元底板(21)上；第一PSD位敏传感器(5)和第二PSD位敏传感器(8)均设置于各自的PSD安装基座内。

4.根据权利要求3所述的直线运动系统五自由度误差同步测量装置，其特征在于，第一PSD位敏传感器(5)和第二PSD位敏传感器(8)的一维位移微调平台(28)上，分别设置有第一PSD微位移基座(19)和第二PSD微位移基座(20)。

5.根据权利要求1所述的直线运动系统五自由度误差同步测量装置，其特征在于，移动测量单元包括外部壳体(27)，以及均安装于外部壳体(27)内的分光薄膜、角锥棱镜(23)和倾角传感器(24)；外部壳体(27)的侧面上开设有圆孔，圆孔中设置有通光端盖(25)，两个通光柱(26)设置于通光端盖(25)上；其中一个通光柱与平面分光薄膜(22)和角锥棱镜(23)的入射光路共轴，另一个通光柱与角锥棱镜(23)的出射光路共轴。

6.根据权利要求1所述的直线运动系统五自由度误差同步测量装置，其特征在于，第一立方体分光棱镜(4)的两端均设置有可调光阑(13)；第二立方体分光棱镜(9)入射端设置有可调光阑。

7.一种采用权利要求1-5任一项所述装置的直线运动系统多自由度误差测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：预热准直激光器；

步骤2：将固定发射单元安装在三脚架上，将移动测量单元固定在直线运动系统工作台上，以直线运动系统工作台的T型槽为安装基准，使激光束与导轨进给方向一致；

步骤3：调节两个紧凑的第一二维调整镜(2)和第二二维调整镜(3)对准初始激光束，直到观察到激光束全部入射进入第一立方体分光棱镜(4)两端的可调光阑(13)内；重复移动直线运动系统工作台，监测反射光束在PSD位敏传感器的光斑位置，调整三脚架云台，使固定发射单元在全行程上能够接收移动单元的反射测量光束，并且反射光束均投射在传感器的有效探测面积中心；

步骤4：信号处理单元完成采集参数设定，包括光电位置传感器、倾角传感器采样频率和采样时间的设置以及测量装置信息的输入；

步骤5：将直线运动系统工作台移动到起始参考位置，将该位置处四个PSD位敏传感器和倾角传感器(24)检测的数据发送回计算机；移动直线运动系统工作台，读取不同位置处PSD位敏传感器的信号，记录数据，直到滑块移动到另一侧极限位置，完成整个测量过程；

步骤6：通过信号处理单元的处理可解耦得到直线运动系统的水平方向直线度、竖直方向直线度、俯仰角、偏摆角和滚准角误差，具体如下：

俯仰角：

偏摆角：

滚转角：

水平方向直线度：

竖直方向直线度：

其中，d_1x和d_1y、d_2x和d_2y、d_3x和d_3y、d_4x和d_4y分别为四个PSD位敏传感器测得水平和竖直方向光斑位移值；n为分光棱镜BS和角锥棱镜的折射率；f₁和f₂分别为第一透镜(7)和第二透镜(11)的焦距；γ_m为倾角传感器的测量值；θ为倾角传感器的安装误差；a、b、c分别为角锥棱镜到测量坐标系的阿贝臂，其由移动测量单元的安装位置决定；h为角锥棱镜入射面到顶点的距离；l为激光器出射光束传播到第四PSD位敏传感器(12)的距离，为测量系统固定值；l₁和l₂分别为激光器入射到角锥棱镜的传播距离和角锥棱镜出射光束到达第二PSD位敏传感器(8)的距离，该距离由装置的安装位置和导轨移动的距离得到。

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