CN110449993A - 一种运动台直线位移测量及偏转检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运动台直线位移测量及偏转检测装置，所述激光干涉仪与机床活动连接，所述转接板与机床上的运动台固定连接，所述直角棱镜与所述转接板固定连接，并位于所述转接板与所述激光干涉仪之间，所述分束镜与机床固定连接，且位于所述激光干涉仪的一侧，所述PSD位置传感器与机床活动连接，并位于所述分束镜的下方。达到提高运动台直线位移测量及偏转检测装置的测量精度的目的。

Description

一种运动台直线位移测量及偏转检测装置

技术领域

本发明涉及精密测量技术领域，尤其涉及一种运动台直线位移测量及偏转检测装置。

背景技术

车床等设备上的运动台做直线运动时需要高精度定位测量，同时由于导轨加工误差及磨损、驱动电机及制动结构老化等原因，导致实际中机床直线运动台会产生偏转或偏移，导致定位测量出现误差，严重影响加工精度。

目前利用运动台直线位移测量及偏转检测装置实现对高精度机床直线运动台高精度定位测量和对偏移量的检测，但是现有的运动台直线位移测量及偏转检测装置的测量精度低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种运动台直线位移测量及偏转检测装置，旨在解决现有技术中的运动台直线位移测量及偏转检测装置的测量精度低的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的一种运动台直线位移测量及偏转检测装置，包括激光干涉仪、转接板、直角棱镜、分束镜和PSD位置传感器，所述激光干涉仪与机床活动连接，所述转接板与机床上的运动台固定连接，所述直角棱镜与所述转接板固定连接，并位于所述转接板与所述激光干涉仪之间，所述分束镜与机床固定连接，且位于所述激光干涉仪的一侧，所述PSD位置传感器与机床活动连接，并位于所述分束镜的下方。

其中，所述激光干涉仪为双频光学四倍程激光干涉仪，所述激光干涉仪包括壳体、激光器、偏振分光镜、第一四分之一波片、第二四分之一波片、固定镜和第一角锥棱镜。

其中，所述激光器与所述壳体固定连接，并位于所述壳体的内部，所述偏振分光镜与所述壳体固定连接，并位于所述激光器的输出光路的一侧，所述第一四分之一波片与所述壳体固定连接，并位于所述偏振分光镜的上方，所述第二四分之一波片与所述壳体固定连接，并位于所述偏振分光镜远离所述激光器的一端，所述固定镜设于所述第一四分之一波片的上方，所述第一角锥棱镜设于所述偏振分光镜远离所述第一四分之一波片的一端，所述直角棱镜设于所述第二四分之一波片远离所述偏振分光镜的一端，所述分束镜设于所述第二四分之一波片和所述直角棱镜之间。

其中，所述激光器的输出光路利用所述直角棱镜在双频光学四倍程激光干涉仪的干涉臂和测量臂中各走四个来回。

其中，所述激光器与所述壳体固定连接，并位于所述壳体的内部，所述偏振分光镜与所述壳体固定连接，并位于所述激光器的输出光路的一侧，且所述偏振分光镜的下方固定连接有所述分束镜，所述第一四分之一波片和所述第二四分之一波片分别与所述壳体固定连接，且所述第一四分之一波片位于所述偏振分光镜的左侧，所述第二四分之一波片位于所述偏振分光镜的下侧，所述固定镜和第一角锥棱镜分别与所述壳体固定连接，所述固定镜位于所述偏振分光镜的左侧，所述第一角锥棱镜位于所述偏振分光镜的右侧，所述直角棱镜设于所述第二四分之一波片的下方，且所述直角棱镜沿直线运动。

其中，所述激光器选用波长为632.8nm的氦氖激光器，且氦氖激光器产生双频激光。

其中，所述PSD位置传感器的波长范围为400nm～1000nm。

其中，所述PSD位置传感器的位置分辨率为500nm～800nm。

其中，所述PSD位置传感器的尺寸为20mm×20mm。

本发明的一种运动台直线位移测量及偏转检测装置，通过所述激光干涉仪与机床活动连接，所述转接板与机床上的运动台固定连接，所述直角棱镜与所述转接板固定连接，并位于所述转接板与所述激光干涉仪之间，所述分束镜与机床固定连接，且位于所述激光干涉仪的一侧，所述PSD位置传感器与机床活动连接，并位于所述分束镜的下方。其中调整所述激光干涉仪的位置，使标准光投射在所述PSD位置传感器上，以获得校准光斑的坐标值，然后根据坐标值调整所述PSD位置传感器的位置，使得校准光斑投射在三维坐标的轴心处，然后运动台在测量主轴沿设定的测量线段移动，由于所述PSD位置传感器可实现连续测量，运动台从初始点开始，在每两校准点之间通过所述PSD位置传感器可得到因运动台与测量直线之间偏差导致校准光束的光斑在二维坐标上产生的位移变化。在每个校准点的所述激光干涉仪可得到测量主轴方向上的位移值，以此测量运动台直线位移，当运动台沿设定测量线段从初始点开始做匀速运动的过程中，绕Z轴的旋转，即校准光束在所述PSD位置传感器上的光斑会在Y方向产生偏移量；当运动台绕Y轴的旋转，即校准光束在所述PSD位置传感器上的光斑会在X方向上产生偏移量；当运动台产生绕X轴的旋转，即校准光束在所述PSD位置传感器上的光斑会在X、Y方向都产生偏移量，由此测量出偏移量。从而获得提高运动台直线位移测量及偏转检测装置的测量精度的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的运动台直线位移测量及偏转检测装置的结构示意图。

图2是本发明的运动台直线位移发生偏转时的内部结构示意图。

图3是本发明的运动台直线位移发生偏转后，光束的光斑投影在二维坐标上的结构示意图。

图4是本发明的激光干涉仪的内部结构示意图。

100-运动台直线位移测量及偏转检测装置、10-激光干涉仪、11-壳体、12-激光器、13-偏振分光镜、14-第一四分之一波片、16-第二四分之一波片、17-固定镜、18-第一角锥棱镜、20-转接板、30-直角棱镜、40-分束镜、50-PSD位置传感器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1，本发明提供了一种运动台直线位移测量及偏转检测装置100，包括激光干涉仪10、转接板20、直角棱镜30、分束镜40和PSD位置传感器50，所述激光干涉仪10与机床活动连接，所述转接板20与机床上的运动台固定连接，所述直角棱镜30与所述转接板20固定连接，并位于所述转接板20与所述激光干涉仪10之间，所述分束镜40与机床固定连接，且位于所述激光干涉仪10的一侧，所述PSD位置传感器50与机床活动连接，并位于所述分束镜40的下方。

在本实施方式中，所述激光干涉仪10的型号为ZLM800，其原理为两相干光束频率产生一个小的频差(即拍频)，其中一束作为参考光，另一束作为测量光，照射在待测体上的反射镜。两束光最后在光电传感器上形成干涉，即干涉光是由光频为w的测试表面光波与光频为(w+Δw)的参考表面光波的合成。干涉场光强是以Δw为频率随时间做余弦变化的，该点的相位被调制为差频波的相位，通过检测该相位可以实现外差干涉计量。所述PSD位置传感器50的型号为DR13-PSD1315。

首先在测量线段中选取若干个等距点作为校准点，然后确定运动台的初始位置，通过目视引导的方式，采用视觉引导的方法调整所述激光干涉仪10的位置，由于所述激光干涉仪10读头发出光束，入射到所述直角棱镜30中，出射光经过所述分束镜40，一束光进入所述激光干涉仪10读头与参考光合束干涉光输出，另一束光入射到所述PSD位置传感器50上，因此通过调整所述激光干涉仪10的位置，使得校准光斑投射在所述PSD位置传感器50上的二维坐标的轴心处。

然后将运动台在测量主轴沿设定的测量线段移动，由于所述PSD位置传感器50可实现连续测量，运动台从初始点开始，在每两校准点之间通过所述PSD位置传感器50可得到因运动台与测量直线之间偏差导致校准光束的光斑在二维坐标上产生的位移变化。在每个校准点的所述激光干涉仪10可得到测量主轴方向上的位移值，重复上述检测步骤，完成整个测量线段的检测，利用所述激光干涉仪10对直线运动进行线性测量，提高了运动台位移直线测量精度。

设运动台直线运动方向为X轴方向，水平方向与X轴垂直的方向为Y轴方向，垂直于所述PSD位置传感器50为Z轴方向，当运动台沿设定测量线段从初始点开始做匀速运动的过程中，绕Z轴的旋转，即校准光束在所述PSD位置传感器50上的光斑会在Y方向产生偏移量；当运动台绕Y轴的旋转，即校准光束在所述PSD位置传感器50上的光斑会在X方向上产生偏移量；当运动台产生绕X轴的旋转，即校准光束在所述PSD位置传感器50上的光斑会在X、Y方向都产生偏移量，由此测量出偏移量，由于偏移量与运动台偏转角度有确定的计算公式，以此能够精确测量出运动台偏转角度，利用所述激光干涉仪10和所述PSD位置传感器50的组合，通过合理的校准光路设计，在实现直线位移高精度测量的同时，利用所述PSD位置传感器50可进行高精度高分辨率连续测量的特点，将运动台直线位移的偏转转换为校准光束光斑在二维坐标上的位移变化。同时该偏转大小与校准光斑的位移变化之间有确定的数学关系，还可以区别方向。方便进一步对测量结果进行校准补偿。进而提高运动台直线位移测量及偏转检测装置100的测量精度。

进一步地，所述激光干涉仪10为双频光学四倍程激光干涉仪，所述激光干涉仪10包括壳体11、激光器12、偏振分光镜13、第一四分之一波片14、第二四分之一波片16、固定镜17和第一角锥棱镜18。

在本实施方式中，双频光学四倍程激光干涉仪能够形成光学四倍程即四倍细分，在保证精度的前提下，能够提高所述运动台直线位移测量及偏转检测装置100的分辨率。

进一步地，所述激光器12与所述壳体11固定连接，并位于所述壳体11的内部，所述偏振分光镜13与所述壳体11固定连接，并位于所述激光器12的输出光路的一侧，所述第一四分之一波片14所述壳体11固定连接，并位于所述偏振分光镜13的上方，所述第二四分之一波片16与所述壳体11固定连接，并位于所述偏振分光镜13远离所述激光器12的一端，所述固定镜17设于所述第一四分之一波片14的上方，所述第一角锥18设于所述偏振分光镜13远离所述第一四分之一波片14的一端，所述直角棱镜30设于所述第二四分之一波片16远离所述偏振分光镜13的一端，所述分束镜40设于所述第二四分之一波片16和所述直角棱镜30之间。所述激光器12的输出光路利用所述直角棱镜30在双频光学四倍程激光干涉仪的干涉臂和测量臂中各走四个来回。所述激光器12选用波长为632.8nm的氦氖激光器，且氦氖激光器产生双频激光。

请参阅图4，在本实施方式中，所述激光器12为波长为632.8nm的氦氖激光器，氦氖激光器采用双频激光，由所述激光干涉仪10发出两束振动方向相互垂直的频差为20MHZ的线偏振光f1和f2，频率为f1的偏振光经过所述偏振分光镜13反射到所述第一四分之一波片14，再经过所述固定镜17反射回所述第一四分之一波片14，之后该偏振光经过所述偏振分光镜13透射至所述第一角锥棱镜18，偏振光经所述第一角锥棱镜18反射至所述偏振分光镜13，之后偏振光透射至所述第二四分之一波片16，所述第二四分之一波片16将偏振光透射至所述直角棱镜30，反射偏振光至所述分束镜40，所述分束镜将一束偏振光反射至所述PSD位置传感器50，另一束光透射至所述所述第二四分之一波片16，所述偏振分光镜13将偏振光透射至所述第一四分之一波片14，偏振光再经过所述固定镜17反射回所述第一四分之一波片14，之后该偏振光经过所述偏振分光镜13透射至所述第一角锥棱镜18，偏振光经所述第一角锥棱镜18反射至所述偏振分光镜13，之后进入所述激光干涉仪10读头与参考光合束干涉光输出，

频率为f2的偏振光经过所述偏振分光镜13反射到所述第一四分之一波片14，再经过所述固定镜17反射回所述第一四分之一波片14，之后该偏振光经过所述偏振分光镜13透射至所述第一角锥棱镜18，偏振光经所述第一角锥棱镜18反射至所述偏振分光镜13，之后偏振光透射至所述第二四分之一波片16，所述第二四分之一波片16将偏振光透射至所述直角棱镜30，反射偏振光至所述分束镜40，所述分束镜将一束偏振光反射至所述PSD位置传感器50，另一束光透射至所述所述第二四分之一波片16，所述偏振分光镜13将偏振光透射至所述第一四分之一波片14，偏振光再经过所述固定镜17反射回所述第一四分之一波片14，之后该偏振光经过所述偏振分光镜13透射至所述第一角锥棱镜18，偏振光经所述第一角锥棱镜18反射至所述偏振分光镜13，之后进入所述激光干涉仪10读头与参考光合束干涉光输出。

由于所述PSD位置传感器可实现连续测量，运动台从初始点开始，在每两校准点之间通过所述PSD位置传感器可得到因运动台与测量直线之间偏差导致校准光束的光斑在二维坐标上产生的位移变化，在每个校准点的所述激光干涉仪可得到测量主轴方向上的位移值，以此测量运动台直线位移。

当所述激光干涉仪10的光程倍数越大，其光学非线性误差越小，当所述激光干涉仪10的光程倍数为四倍时，所述激光干涉仪10的干涉臂和测量臂中各走四个来回，有效减小所述激光干涉仪10的光学非线性误差，提高其测量精度。

进一步地，所述激光器12与所述壳体11固定连接，并位于所述壳体11的内部，所述偏振分光镜13与所述壳体11固定连接，并位于所述激光器12的输出光路的一侧，且所述偏振分光镜13的下方固定连接有所述分束镜40，所述第一四分之一波片14和所述第二四分之一波片16分别与所述壳体11固定连接，且所述第一四分之一波片14位于所述偏振分光镜13的左侧，所述第二四分之一波片16位于所述偏振分光镜13的下侧，所述固定镜17和第一角锥棱镜18分别与所述壳体11固定连接，所述固定镜17位于所述偏振分光镜13的左侧，所述第一角锥棱镜18位于所述偏振分光镜13的右侧，所述直角棱镜30设于所述第二四分之一波片16的下方，且所述直角棱镜30沿直线运动。所述激光器选用波长为632.8nm的氦氖激光器，且氦氖激光器产生双频激光。

请参阅图2和图3：在本实施方式中，所述激光器12为波长为632.8nm的氦氖激光器，氦氖激光器采用双频激光，偏振态分别为P和S的偏振光，其中P偏振光穿透所述偏振分光镜13，经所述第一四分之一波片14入射到直角棱镜30上，然后再经过所述第二四分之一波片16返回所述偏振分光镜13。由于经过所述第一四分之一波片14和所述第二四分之一波片16，偏振态发生变化，透射变成反射，入射到所述第一角锥棱镜18中。再从第一角锥镜18射入偏振分光镜13，依然是反射，再次经所述第一四分之一波片14入射到直角棱镜30上，然后再经过所述第二四分之一波片16返回偏振分光镜13。由于通过所述第一四分之一波片14和所述第二四分之一波片16，偏振态发生变化，反射变为透射，输出。经所述直角棱镜30返回偏振分光镜13过程中，经所述分束镜40，一束进入所述PSD位置传感器50。得到光斑位置。当所述直角棱镜30发生偏转，则返回的光束在分束镜50上的位置发生变化，即入射到所述PSD位置传感器50上的光斑位置发生变化，得到偏移量。

S光经所述偏振分光镜13，为反射，经所述第一四分之一波片14入射到固定镜17上，反射光再经过所述第二四分之一波片16返回所述偏振分光镜13。由于通过所述第一四分之一波片14和所述第二四分之一波片16，偏振态发生变化，反射变为透射，通过所述偏振分光镜13，进入所述第一角锥棱镜18。然后出射到所述偏振分光镜13，偏振态不变，通过所述偏振分光镜13，经所述第一四分之一波片14入射到固定镜17上。反射光再经过所述第二四分之一波片14返回所述偏振分光镜13。由于通过所述第一四分之一波片14和所述第二四分之一波片16，偏振态发生变化，透射变反射，输出。最终两束光合束，形成干涉。

当所述激光干涉仪10的光程倍数越大，其光学非线性误差越小，当所述激光干涉仪10的光程倍数为四倍时，所述激光干涉仪10的干涉臂和测量臂中各走四个来回，有效减小所述激光干涉仪10的光学非线性误差，提高其测量精度。

进一步地，所述PSD位置传感器50的波长范围为400nm～1000nm。所述PSD位置传感器50的位置分辨率为500nm～800nm。所述PSD位置传感器50的尺寸为20mm×20mm。

在本实施方式中，所述PSD位置传感器50是一种能测量光点在探测器表面上连续位置的光学探测器。是一种新型的光电器件，或称为坐标光电池。它是一种非分割型器件，可将光敏面上的光点位置转化为电信号。所述PSD位置传感器50由p衬底、pin光电二极管及表面电阻组成。具有位置分辨率高，响应速度快和处理电路简单等优点，其中将所述PSD位置传感器50的波长范围设置为400nm～1000nm，所述PSD位置传感器50的位置分辨率设置为500nm～800nm，所述PSD位置传感器50的尺寸设置为20mm×20mm，能够最大程度上保证所述PSD位置传感器50的探测范围，提高测量精度。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种运动台直线位移测量及偏转检测装置，其特征在于，

包括激光干涉仪、转接板、直角棱镜、分束镜和PSD位置传感器，所述激光干涉仪与机床活动连接，所述转接板与机床上的运动台固定连接，所述直角棱镜与所述转接板固定连接，并位于所述转接板与所述激光干涉仪之间，所述分束镜与机床固定连接，且位于所述激光干涉仪的一侧，所述PSD位置传感器与机床活动连接，并位于所述分束镜的下方。

2.如权利要求1所述的运动台直线位移测量及偏转检测装置，其特征在于，

所述激光干涉仪为双频光学四倍程激光干涉仪，所述激光干涉仪包括壳体、激光器、偏振分光镜、第一四分之一波片、第二四分之一波片、固定镜和第一角锥棱镜。

3.如权利要求2所述的运动台直线位移测量及偏转检测装置，其特征在于，

所述激光器与所述壳体固定连接，并位于所述壳体的内部，所述偏振分光镜与所述壳体固定连接，并位于所述激光器的输出光路的一侧，所述第一四分之一波片与所述壳体固定连接，并位于所述偏振分光镜的上方，所述第二四分之一波片与所述壳体固定连接，并位于所述偏振分光镜远离所述激光器的一端，所述固定镜设于所述第一四分之一波片的上方，所述第一角锥棱镜设于所述偏振分光镜远离所述第一四分之一波片的一端，所述直角棱镜设于所述第二四分之一波片远离所述偏振分光镜的一端，所述分束镜设于所述第二四分之一波片和所述直角棱镜之间。

4.如权利要求3所述的运动台直线位移测量及偏转检测装置，其特征在于，

所述激光器的输出光路利用所述直角棱镜在双频光学四倍程激光干涉仪的干涉臂和测量臂中各走四个来回。

5.如权利要求2所述的运动台直线位移测量及偏转检测装置，其特征在于，

所述激光器与所述壳体固定连接，并位于所述壳体的内部，所述偏振分光镜与所述壳体固定连接，并位于所述激光器的输出光路的一侧，且所述偏振分光镜的下方固定连接有所述分束镜，所述第一四分之一波片和所述第二四分之一波片分别与所述壳体固定连接，且所述第一四分之一波片位于所述偏振分光镜的左侧，所述第二四分之一波片位于所述偏振分光镜的下侧，所述固定镜和第一角锥棱镜分别与所述壳体固定连接，所述固定镜位于所述偏振分光镜的左侧，所述第一角锥棱镜位于所述偏振分光镜的右侧，所述直角棱镜设于所述第二四分之一波片的下方，且所述直角棱镜沿直线运动。

6.如权利要求4或5所述的运动台直线位移测量及偏转检测装置，其特征在于，

所述激光器选用波长为632.8nm的氦氖激光器，且氦氖激光器产生双频激光。

7.如权利要求1至6任一项所述的运动台直线位移测量及偏转检测装置，其特征在于，

所述PSD位置传感器的波长范围为400nm～1000nm。

8.如权利要求7所述的运动台直线位移测量及偏转检测装置，其特征在于，

所述PSD位置传感器的位置分辨率为500nm～800nm。

9.如权利要求8所述的运动台直线位移测量及偏转检测装置，其特征在于，

所述PSD位置传感器的尺寸为20mm×20mm。