CN110375652B - 可提高光束稳定性的长距离多自由度激光测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可提高光束稳定性的长距离多自由度激光测量系统,是以激光束为检测光源,激光发射器固定设置在基座上,多自由度误差测量单元为光源接收端,并固定设置在与被测机床导轨滑动配合的移动平板上;针对由激光发射器输出的激光束设置保护筒,使激光束在保护筒中进行传输;通过控制保护筒内部气体温度和压强,减小沿激光束传输方向上的温度梯度和压强梯度,为传输中的激光束提供温度和压强稳定的独立环境腔。本发明能有效阻隔外界局部热源干扰,抑制激光束的漂移,有效提升长距离机床导轨运动误差检测的精度。
Description
技术领域
本发明涉及长距离激光检测领域,尤其是一种应用在机床导轨运动误差检测中的长距离多自由度激光测量系统。
背景技术
近年来,随着精密加工的快速发展,越来越多的高精密机床被用于制造业。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。因此实时检测并修正机床运动误差对提高机床加工精度起着重要的作用。
目前工业上机床几何运动误差的测量方法主要有激光跟踪仪测量法、激光干涉仪测量法、球杆仪测量法和工件测试法。其中,激光跟踪仪测量法的量程大,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;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,测量过程繁琐,效率较低;球杆仪安装与调校方便快捷,但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。
现有技术中,结构简单、成本低、安装及调校方便的多自由度几何误差运动系统能够快速测量多自由度的运动误差。但是,在长距离机床导轨运动误差检测中,由于激光传输方向上温度梯度和压强梯度的存在造成空气折射率不均匀,激光束发生偏折,导致激光束漂移,从而降低了测量精度。
为抑制激光漂移,有双光束准直法,但其所用元件较多,调整困难,对双光束的平行性要求较高,在长距离范围内不易实现;也有固定点补偿法,但其激光漂移检测和测量不能同时进行,使得各测量点的光漂相关性降低,且不适于长距离检测;还有通过建立数学模型分离激光漂移带来的误差,但其考虑情况趋于理想化,并不适用环境温度存在不确定性变化的现场检测。
发明内容
本发明是为避免上述技术所存在的不足,提供一种可提高光束稳定性的长距离多自由度激光测量系统,通过减小温度梯度和压强梯度,保持系统中光路的稳定性,有效提高检测长距离多自由度机床导轨运动误差的精度。
本发明为实现发明目的采用如下技术方案:
本发明可提高光束稳定性的长距离多自由度激光测量系统是以激光发射器发出的激光束为检测光源,所述激光发射器位于被测机床导轨的前端,并固定设置在基座上,多自由度误差测量单元为光源接收端,所述多自由度误差测量单元固定设置在与被测机床导轨滑动配合的移动平板上。
本发明可提高光束稳定性的长距离多自由度激光测量系统的特点是:针对由激光发射器输出的激光束设置保护筒,使激光束在所述保护筒中进行传输;在所述保护筒的前端和后端的端面上一一对应设置气体入口和气体出口,通过控制保护筒内部气体温度和压强,减小沿激光束传输方向上的温度梯度和压强梯度,为传输中的激光束提供温度和压强稳定的独立环境腔。
本发明可提高光束稳定性的长距离多自由度激光测量系统的特点也在于:所述保护筒是由内层伸缩管和外层伸缩管构成的可伸缩的双层套管,在所述内层伸缩管和外层伸缩管之间形成外腔,在所述内层伸缩管中形成内腔;在外腔前端口设置外腔气体入口,在外腔后端口设置外腔气体出口;在内层伸缩管的前端口中心设置前端透光玻璃,在前端透光玻璃的外围设置内腔气体入口,在内层伸缩管的后端口中心设置后端透光玻璃,在后端透光玻璃的外围设置内腔气体出口,激光束经透光玻璃出入,并在内层伸缩管中传输;双层套管前端口固定设置在被测机床导轨的前端,双层套管后端口与移动平板联动,双层套管本体以被测机床导轨的上表面为支撑面,且随移动平板的移动而伸缩;通过控制内腔和外腔中的气体温度和压强,为传输在内层伸缩管中的激光束在测量全过程中具有温度和压强稳定的独立环境腔。
本发明可提高光束稳定性的长距离多自由度激光测量系统的特点也在于:设置储气箱,所述储气箱具有进气口和出气口,控制储气箱中的气体保持为恒温恒压状态;内腔气体入口与所述出气口相连通,内腔气体出口与进气口相连通,将所述内腔与储气箱形成气体连通回路,使内腔具有与储气箱相一致的恒温恒压状态。
本发明可提高光束稳定性的长距离多自由度激光测量系统的特点也在于:设置抽气泵,将所述外腔气体出口与抽气泵的抽气口相连通,并保持外腔气体入口为敞口;测量过程中保持抽气泵为开启状态,保持流动的气体使得在外腔内形成空气流层温度分布均匀,以此阻隔外界局部热源干扰,减小内腔由于外界温度变化引起的温度梯度。
本发明可提高光束稳定性的长距离多自由度激光测量系统的特点也在于:所述保护筒为单层筒,所述单层筒采用伸缩管,在所述伸缩管的前端口中心设置入口透光玻璃,在入口透光玻璃的外围设置伸缩管气体入口,在伸缩管的后端口中心设置出口透光玻璃,在出口透光玻璃的外围设置伸缩管气体出口,激光束经透光玻璃,并在所述伸缩管中传输。
本发明可提高光束稳定性的长距离多自由度激光测量系统的特点也在于:设置吹气泵,所述伸缩管气体入口与吹气泵的出气口相连通;设置吸气泵,所述伸缩管气体出口与吸气泵的吸气口相连通;在所述伸缩管中设置四只气体压强传感器,各气体压强传感器在沿激光束传输方向上均匀分布;控制电路根据所述四只气体压强传感器的检测信号控制吹气泵和/或吸气泵的工作状态。
本发明可提高光束稳定性的长距离多自由度激光测量系统的特点也在于:针对被测机床导轨的运动误差检测,吹气泵保持恒定功率进行吹气;吸气泵根据由四只压强传感器检测获得的最大压强差实时调整吸气泵的输出功率,使伸缩管内压强分布均匀,减小伸缩管内的压强梯度,获得稳定流场,以此阻隔外界局部热源干扰,减小伸缩管中在激光束传输方向上的温度梯度。
与已有技术相比,本发明有益效果体现在:
1、本发明由于在激光束周围建立温度和压强分布均匀的独立环境腔,有效的阻隔外部产生的热源,因此适用于工厂中热源干扰比较多的复杂环境中。
2、本发明可以通过更换不同长度和直径的伸缩管以适用尺寸不同的机床导轨运动误差测量,应用范围广泛。
3、本发明是将该系统搭建在机床导轨上,不影响机床的正常工作效率,操作简单,方便快捷。
4、本发明是从引起激光束偏移的源头入手,即温度梯度和压强梯度变化,并对此加以控制,从而有效的提高了机床导轨运动误差的测量精度。
附图说明
图1为本发明结构示意图,图1中A-A部位为剖视;
图2为本发明中保护筒采用可伸缩的双层套管的结构示意图;
图3为本发明中保护筒为单层筒,并采用波纹管的结构示意图;
图4为本发明中检测激光束漂移原理示意图;
图中标号:1激光发射器,2被测机床导轨,3外层伸缩管,4内层伸缩管,5外腔气体入口,6外腔气体出口,7内腔气体入口,8内腔气体出口,9前端透光玻璃,10后端透光玻璃,11多自由度误差测量单元,12储气箱,13抽气泵,14出气口,15进气口,16偏振分光器,17平面反射镜,18聚焦透镜,19四象限光电传感器,20伸缩管,21伸缩管气体入口,22伸缩管气体出口,23入口透光玻璃,24出口透光玻璃,25吹气泵,26吸气泵,27气体压强传感器,28控制电路。
具体实施方案
参见图1和图3,本实施例中可提高光束稳定性的长距离多自由度激光测量系统是以激光发射器1发出的激光束为检测光源,激光发射器1位于被测机床导轨2的前端,且固定设置在基座上,多自由度误差测量单元11为光源接收端,多自由度误差测量单元11固定设置在与被测机床导轨2滑动配合的移动平板上。
本实施例中,如图1和图3所示,针对由激光发射器1输出的激光束设置保护筒,使激光束在保护筒中进行传输;在保护筒的前端和后端的端面上一一对应设置气体入口和气体出口,通过控制保护筒内部气体温度和压强,减小沿激光束传输方向上的温度梯度和压强梯度,为传输中的激光束提供温度和压强稳定的独立环境腔。
参见图2,具体实施中,保护筒可以是由内层伸缩管4和外层伸缩管3构成的可伸缩的双层套管,在内层伸缩管4和外层伸缩管3之间形成外腔,在内层伸缩管4中形成内腔;在外腔前端口设置外腔气体入口5,在外腔后端口设置外腔气体出口6;在内层伸缩管4的前端口中心设置前端透光玻璃9,在前端透光玻璃的外围设置内腔气体入口7,在内层伸缩管4的后端口中心设置后端透光玻璃,在后端透光玻璃的外围设置内腔气体出口8,激光束经透光玻璃出入,并在内层伸缩管4中传输。
双层套管前端口固定设置在被测机床导轨2的前端,双层套管后端口与移动平板联动,双层套管本体以被测机床导轨2的上表面为支撑面,且随移动平板的移动而伸缩;通过控制内腔和外腔中的气体温度和压强,为传输在内层伸缩管4中的激光束在测量全过程中具有温度和压强稳定的独立环境腔。
设置储气箱12,储气箱12具有进气口15和出气口14,控制储气箱12中的气体保持为恒温恒压状态;内腔气体入口7与出气口14相连通,内腔气体出口8与进气口15相连通,将内腔与储气箱12形成气体连通回路,使内腔具有与储气箱12相一致的恒温恒压状态。
设置抽气泵13,将外腔气体出口6与抽气泵13的抽气口相连通,并保持外腔气体入口5为敞口;测量过程中保持抽气泵13为开启状态,保持流动的气体使得在外腔内形成空气流层温度分布均匀,以此阻隔外界局部热源干扰,减小内腔由于外界温度变化引起的温度梯度。
另一实施方式如图3所示,将保护筒设置为单层筒,单层筒采用伸缩管20,在伸缩管20的前端口中心设置入口透光玻璃23,在入口透光玻璃23的外围设置伸缩管气体入口21,在伸缩管20的后端口中心设置出口透光玻璃24,在出口透光玻璃24的外围设置伸缩管气体出口22,激光束经透光玻璃,并在伸缩管20中传输。
针对图3所示的实施方式,设置吹气泵25,伸缩管气体入口21与吹气泵25的出气口相连通;设置吸气泵26,伸缩管气体出口22与吸气泵26的吸气口相连通;在伸缩管20中设置四只气体压强传感器27,各气体压强传感器27在沿激光束传输方向上均匀分布;控制电路28根据四只气体压强传感器27的检测信号控制吹气泵25和/或吸气泵26的工作状态。
在图3所示的实施方式中,针对被测机床导轨2的运动误差检测,吹气泵25保持恒定功率进行吹气;吸气泵26根据由四只压强传感器检测获得的最大压强差实时调整吸气泵26的输出功率,使伸缩管20内压强分布均匀,减小伸缩管内的压强梯度,获得稳定流场,以此阻隔外界局部热源干扰,减小伸缩管中在激光束传输方向上的温度梯度。
具体实施中,激光发射器1选择为单频氦氖激光器(MI5000,SIOS),伸缩管是伸缩比为5:1的波纹管(MP06),吹气泵25的型号为GEBS12120P802C,吸气泵26的型号为GEBS1272805C。
测量原理如图4所示,由激光发射器1出射的平行激光束经偏振分光器16入射到平面反射镜17上发生反射,形成反射光,反射光进入偏振分光镜16后发生90度的偏转。光斑通过聚焦透镜18获得聚焦,聚焦在四象限光电传感器19上的光点位置着随平面反射镜17的偏转角度的变化而变化,由此检测获得平面反射镜17的偏航或俯仰的变化。
实验方式:将测量单元置于导轨的移动平板上,在机床导轨的周围设置局部热源,在未设置保护筒和设置单层保护筒的不同情况下,观察30分钟后激光束分别在X轴方向和在Y轴方向上形成的偏移量,获得实验数据如表1:
表1
激光束漂移量 | 未设置保护筒 | 设置单层保护筒 |
X方向(角秒) | 0.6641 | 0.1199 |
Y方向(角秒) | 0.8136 | 0.2825 |
表1所示的实验结果可见,通过控制保护筒内气流的温度和压强,可以将激光束在X轴方向上的偏移标准差由0.6641角秒减小到0.1199角秒,在Y轴方向上的偏移标准差从0.8136角秒减小到0.2825角秒,显然,本发明中设置单层保护筒的技术方案有效提高了激光束的稳定性,X轴方向的稳定性提高81.96%,Y轴方向的稳定性提高65.28%。通过设置单层保护筒,抗干扰能力大大提升,有效减少激光束的偏移。
根据表1所示的实验结果可以推断:采用具有双层套管结构的保护筒的技术方案抵制外界干扰的能力更强,对于提高长距离多自由度机床导轨运动误差检测精度的效果将更加显著。
Claims (6)
1.一种可提高光束稳定性的长距离多自由度激光测量系统,是以激光发射器(1)发出的激光束为检测光源,所述激光发射器(1)位于被测机床导轨(2)的前端,并固定设置在基座上,多自由度误差测量单元(11)为光源接收端,所述多自由度误差测量单元(11)固定设置在与被测机床导轨(2)滑动配合的移动平板上,其特征是:针对由激光发射器(1)输出的激光束设置保护筒,使激光束在所述保护筒中进行传输;在所述保护筒的前端和后端的端面上一一对应设置气体入口和气体出口,通过控制保护筒内部气体温度和压强,减小沿激光束传输方向上的温度梯度和压强梯度,为传输中的激光束提供温度和压强稳定的独立环境腔;
所述保护筒为单层筒或双层套管;
所述双层套管是由内层伸缩管(4)和外层伸缩管(3)构成的可伸缩的双层套管,在所述内层伸缩管(4)和外层伸缩管(3)之间形成外腔,在所述内层伸缩管(4)中形成内腔;在外腔前端口设置外腔气体入口(5),在外腔后端口设置外腔气体出口(6);在内层伸缩管(4)的前端口中心设置前端透光玻璃(9),在前端透光玻璃(9)的外围设置内腔气体入口(7),在内层伸缩管(4)的后端口中心设置后端透光玻璃(10),在后端透光玻璃(10)的外围设置内腔气体出口(8),激光束经透光玻璃出入,并在内层伸缩管(4)中传输;双层套管前端口固定设置在被测机床导轨(2)的前端,双层套管后端口与移动平板联动,双层套管本体以被测机床导轨(2)的上表面为支撑面,且随移动平板的移动而伸缩;通过控制内腔和外腔中的气体温度和压强,为传输在内层伸缩管(4)中的激光束在测量全过程中具有温度和压强稳定的独立环境腔。
2.根据权利要求1所述的可提高光束稳定性的长距离多自由度激光测量系统,其特征是:设置储气箱(12),所述储气箱(12)具有进气口(15)和出气口(14),控制储气箱(12)中的气体保持为恒温恒压状态;内腔气体入口(7)与所述出气口(14)相连通,内腔气体出口(8)与进气口(15)相连通,将所述内腔与储气箱(12)形成气体连通回路,使内腔具有与储气箱(12)相一致的恒温恒压状态。
3.根据权利要求2所述的可提高光束稳定性的长距离多自由度激光测量系统,其特征是:设置抽气泵(13),将所述外腔气体出口(6)与抽气泵(13)的抽气口相连通,并保持外腔气体入口(5)为敞口;测量过程中保持抽气泵(13)为开启状态,保持流动的气体使得在外腔内形成空气流层温度分布均匀,以此阻隔外界局部热源干扰,减小内腔由于外界温度变化引起的温度梯度。
4.根据权利要求1所述的可提高光束稳定性的长距离多自由度激光测量系统,其特征是:所述单层筒采用伸缩管(20),在所述伸缩管(20)的前端口中心设置入口透光玻璃(23),在入口透光玻璃的外围设置伸缩管气体入口(21),在伸缩管(20)的后端口中心设置出口透光玻璃(24),在出口透光玻璃的外围设置伸缩管气体出口(22),激光束经透光玻璃,并在所述伸缩管(20)中传输。
5.根据权利要求4所述的可提高光束稳定性的长距离多自由度激光测量系统,其特征是:设置吹气泵(25),所述伸缩管气体入口(21)与吹气泵(25)的出气口相连通;设置吸气泵(26),所述伸缩管气体出口(22)与吸气泵(26)的吸气口相连通;在所述伸缩管(20)中设置四只气体压强传感器(27),各气体压强传感器(27)在沿激光束传输方向上均匀分布;控制电路(28)根据所述四只气体压强传感器(27)的检测信号控制吹气泵(25)和/或吸气泵(26)的工作状态。
6.根据权利要求5所述的可提高光束稳定性的长距离多自由度激光测量系统,其特征是:针对被测机床导轨(2)的运动误差检测,吹气泵(25)保持恒定功率进行吹气;吸气泵(26)根据由四只压强传感器检测获得的最大压强差实时调整吸气泵(26)的输出功率,使伸缩管(20)内压强分布均匀,减小伸缩管内的压强梯度,获得稳定流场,以此阻隔外界局部热源干扰,减小伸缩管中在激光束传输方向上的温度梯度。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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