CN110455226A - 一种激光准直收发一体式直线度测量的标定系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种激光准直收发一体式直线度测量的标定系统及方法。标定系统包括直线度测量机构、激光干涉仪激光头、激光干涉仪干涉镜、激光干涉仪角锥棱镜和位移台，直线度测量机构由激光器、二维位置探测器、固定端基座和角锥棱镜组成，激光器和二维位置探测器均固定在固定端基座上，激光器的出射激光照射到角锥棱镜，经过角锥棱镜后的回射激光照射到二维位置探测器上，所述角锥棱镜放置于位移台上；激光干涉仪角锥棱镜放置于位移台上，位移台能够沿x方向水平移动，激光干涉仪干涉镜放置在激光干涉仪激光头与激光干涉仪角锥棱镜之间，使激光干涉仪激光头内激光干涉从而实现位移台的位移测量。

Description

一种激光准直收发一体式直线度测量的标定系统及方法
技术领域
本发明属于仪器仪表技术领域，特别是一种激光准直收发一体式直线度测量的标定系统及方法。
背景技术
数控机床的加工精度是衡量机床性能高低的主要指标之一，直接影响零件的品质。随着机械制造业对零件精度要求持续不断的提高，“如何提高数控机床的加工精度”受到各国专家学者的普遍关注。误差测量补偿法通过测量机床的原始误差并利用空间误差模型解算出误差补偿值来减小机床误差，是一种经济有效的方法。常见的三轴数控机床有21项几何误差，分别是各轴对应的六自由度误差以及每两轴之间的正交误差，而六自由度误差包括定位误差、二维直线度误差、俯仰角、偏摆角以及滚转角，因此直线度误差在总误差中占据重要比例，进行高精度的直线度测量对于机床空间误差的解算至关重要。
机床误差静态校准体系比较成熟，但机床误差的动态测量与溯源仍然是当今世界亟待解决的工业难题。激光干涉仪是数控机床几何误差测量的常用仪器，基于激光干涉原理测量，可以进行高精度、连续的直线度测量，但每次测量前需要安装调整，测量周期长，且由于造价高、体积大等因素不能集成在数控机床中，只能用于机床误差的离线测量与校准。使用激光自准直仪和水平仪测量直线度时，需要配合桥板使用，桥板长度与角度的乘积为测量点的直线度误差，操作复杂，误差测量点有限，同样只能用于机床误差的离线测量与校准。激光束准直测量是直接利用激光束的直线性，可以快速测量机床直线度，且由于结构简单、成本低，便于集成在机床系统中，实现机床直线度误差的在线测量。
基于激光准直原理进行直线度测量时，激光器安装在固定端，测量时激光器位置不变。根据位置探测器的安装位置，可以将直线度测量结构分为两种。一种结构是将角锥棱镜安装在被测物上，利用角锥棱镜回射特性使出射的激光反射回固定端，在固定端安装位置探测器用来接收出射激光，这种结构称之为收发一体式；另一种结构将位置探测器直接安装在被测物上用来接收出射激光，这种结构称之为收发分体式。收发一体式直线度测量结构因其结构简单被广泛应用。
位置探测器的标定对于直线度测量至关重要，决定了直线度测量的精度，文献“激光五自由度误差同时测量的研究”(崔存星，硕士学位论文，北京交通大学，2012)中直线度测量为收发一体式结构，使用光栅测长仪和位移台对位置探测器进行标定，标定后直线度误差与光栅尺的偏差大多数不超过±1μm。文献“Low cost,compact 4-DOF measurementsystem with active compensation of beam angular drift error”(Y.Huang,K.C.Fan,W.Sun,S.Liu.Opt.Express vol.26,pp.17185,2018.)中使用激光多普勒干涉仪和位移台对位置探测器进行标定，标定后残差在±0.5μm以内。两篇文章中标定取得很好的效果，但均未提到标定系统本身引入的误差对标定结果的影响。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种激光准直收发一体式直线度测量的标定系统及方法。该标定系统使用激光干涉仪和位移台对直线度测量结构进行标定；通过标定系统结构建立标定误差模型，分析标定系统本身误差对标定结果的影响；减小标定系统本身误差对标定结果的影响。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种激光准直收发一体式直线度测量的标定系统，包括直线度测量机构、激光干涉仪激光头、激光干涉仪干涉镜、激光干涉仪角锥棱镜和位移台，所述直线度测量机构由激光器、二维位置探测器、固定端基座和角锥棱镜组成，激光器和二维位置探测器均固定在固定端基座上，激光器的出射激光照射到角锥棱镜，经过角锥棱镜后的回射激光照射到二维位置探测器上，所述角锥棱镜放置于位移台上；
激光干涉仪角锥棱镜放置于位移台上，位移台能够沿x方向水平移动，激光干涉仪激光头的出射激光与坐标系x方向平行并照射到激光干涉仪角锥棱镜上，经过激光干涉仪角锥棱镜的回射激光被激光干涉仪激光头接收，激光干涉仪干涉镜放置在激光干涉仪激光头与激光干涉仪角锥棱镜之间，使激光干涉仪激光头内激光干涉从而实现位移台的位移测量；位移台沿x方向运动能够实现标定二维位置探测器的x方向，将二维位置探测器旋转90°后能够实现标定二维位置探测器的z方向。
另一个技术方案为：基于激光准直收发一体式直线度测量的高精度标定方法，包括以下步骤：
步骤一：搭建基于激光准直收发一体式直线度测量的标定系统结构；
步骤二：建立基于激光准直收发一体式直线度测量标定系统结构的误差模型；具体步骤如下：
(201)计算阿贝误差；位移台沿x轴运动时，存在三个角度误差，分别是绕x方向旋转的εxx、绕y方向旋转的εyx、绕z方向旋转的εzx；存在三个阿贝偏位，分别是x方向阿贝偏位Lxx、y方向阿贝偏位Lyx、z方向阿贝偏位Lzx；当位移台移动时，角度εzx、εyx和阿贝偏位Lyx、Lzx造成的阿贝误差δxx1用(1)表示；
δxx1＝-εzxLyx+εyxLzx (1)
(202)计算角锥棱镜平行平板效应带来的误差；角锥棱镜有三个反射面，将角锥棱镜按照激光经过反射面的先后顺序展开，激光经过角锥棱镜等效看成经过平行平板，角锥棱镜的高度为h，则平行平板的厚度为2h；
角锥棱镜平行平板效应带来的误差为δxx2，用式(2)表示，其中n表示角锥棱镜的折射率；
其中，O1点为角锥棱镜的激光入射表面中心，O2为激光干涉仪角锥棱镜的激光入射表面中心，O1O′1为平行平板未旋转时的中心线，O1O″1为平行平板旋转后的中心线，A点为激光器的出射激光在平行平板表面的入射点，A′点为激光器的回射激光在未旋转平行平板表面的出射点，A″点为激光器的回射激光在旋转后平行平板表面的出射点，|O1O″1|x为O′1点与O″1点在x方向的距离；|A′A″|x为A′点与A″点在x方向的距离；Δxl为角锥棱镜旋转后激光器的回射激光在x方向的平移距离。
(203)计算总的标定系统误差模型δxx，由标定时的阿贝误差δxx1与角锥棱镜平行平板效应带来的误差δxx2组成，用式(3)表示；
调节阿贝偏位大小，令Lzx＝0、从而使标定系统误差为0，进而提高标定精度。可通过在激光干涉仪角锥棱镜下方放置垫块，使得Lzx＝0，沿y方向调整激光干涉仪角锥棱镜使得
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(1)本发明针对基于激光准直收发一体式直线度测量的标定系统建立了标定系统本身的误差模型，分析了阿贝误差与角锥棱镜平行平板效应对标定带来的误差，为减小标定系统本身误差、实现高精度直线度标定提供思路；
(2)本发明根据标定系统本身误差模型的分析结果，提出了基于激光准直收发一体式直线度测量的高精度标定方法，标定时通过调整激光干涉仪的阿贝偏位，消除阿贝误差与角锥棱镜平行平板效应带来的误差，提高标定精度。
附图说明
图1是通过标定系统进行直线度测量的部分结构示意图。
图2是标定系统的结构示意图。
图3是标定时的位移台移动时角度误差示意图。
图4是标定时的阿贝偏位示意图。
图5是角锥棱镜展开示意图。
图6是角锥棱镜展开后的平行平板旋转时激光光路变化示意图。
图7是角锥棱镜旋转时出射激光位置变化示意图。
图8是标定系统阿贝偏位调整示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
步骤一，搭建基于激光准直收发一体式直线度测量的标定系统结构；
如图1所示，基于激光准直收发一体式直线度测量结构由激光器1、二维位置探测器2、固定端基座3、角锥棱镜4构成，激光器1和二维位置探测器2同时固定在固定端基座3上，激光器1的出射激光5照射到角锥棱镜4，经过角锥棱镜4后的回射激光6照射到二维位置探测器2上，角锥棱镜4可放置在待测物体上实现直线度测量；
如图2所示，标定系统由基于激光准直收发一体式测量结构、激光干涉仪激光头7、激光干涉仪干涉镜8、激光干涉仪角锥棱镜9、位移台12构成；基于激光准直收发一体式测量结构中角锥棱镜4放置在位移台12上，激光器1的出射激光5与坐标系y方向平行并照射到角锥棱镜4上，经过角锥棱镜后的回射激光6照射到二维位置探测器2上；激光干涉仪角锥棱镜9放置在位移台12上，激光干涉仪激光头7的出射激光10与坐标系x方向平行并照射到激光干涉仪角锥棱镜9上，经过激光干涉仪角锥棱镜9的回射激光11被激光干涉仪激光头7接收，激光干涉仪干涉镜8放置在激光干涉仪激光头7与激光干涉仪角锥棱镜9之间，使激光干涉仪激光头7内激光干涉从而实现位移台12的位移测量；二维位置探测器2需要标定x、z两个方向，图中位移台12沿x方向运动，实现标定二维位置探测器2的x方向，标定二维位置探测器2的z方向时，将二维位置探测器2旋转90°即可，本实施例以标定二维位置探测器2的x方向为例说明，z方向标定不再赘述；
步骤二，建立基于激光准直收发一体式直线度测量标定系统结构的误差模型；
标定系统误差模型建立时，基于激光准直收发一体式直线度测量点认为是角锥棱镜4的激光入射表面中心O1，使用激光干涉仪的直线度测量点认为是激光干涉仪角锥棱镜9的激光入射表面中心O2，如图3所示，误差包括标定时引入的阿贝误差和角锥棱镜4平行平板效应带来的误差，模型建立步骤如下：
a.计算阿贝误差，如图4所示，位移台12沿x轴运动时，存在三个角度误差，分别是绕x方向旋转的εxx、绕y方向旋转的εyx、绕z方向旋转的εzx，这里角度的正负判断遵循右手螺旋法则；存在三个阿贝偏位，分别是x方向阿贝偏位Lxx、y方向阿贝偏位Lyx、z方向阿贝偏位Lzx，这里阿贝偏位的正负由对应坐标轴的方向确定，与坐标轴方向一致为正、反之为负；当位移台12移动时，角度εzx、εyx和阿贝偏位Lyx、Lzx造成的阿贝误差δxx1用(1)表示；
δxx1＝-εzxLyx+εyxLzx (1)
b.计算角锥棱镜4平行平板效应带来的误差，如图5所示，角锥棱镜4有三个反射面，按照激光经过的先后顺序命名为反射面1、反射面2、反射面3，将角锥棱镜4按照激光经过反射面的先后顺序展开，激光经过角锥棱镜4可等效看成经过平行平板，角锥棱镜4的高度为h，平行平板的厚度为2h；
激光器1的出射激光5方向不变，当位移台12有角度变化时，εzx会带来标定误差，此时平行平板沿z轴旋转εzx，前面分析阿贝误差时考虑得是O1点与O2点的误差，因此这里分析平行平板绕激光入射表面中心O1旋转带来的误差，如图6所示，为方便观察回射激光6的位置变化，图中将展开后的平行平板简略画，未旋转εzx时平行平板中心线为O1O′1，旋转εzx后，平行平板中心线为O1O″1，O′1点与O″1点在x方向的距离为|O1O″1|x；出射激光5从A点入射，回射激光6在A′点出射，旋转εzx后，出射激光5的入射点A位置不变，回射激光6的出射点平移至A″点，A′点与A″点在x方向的距离为|A′A″|x；角锥棱镜4旋转后，回射激光在x方向平移Δxl，造成直线度测量误差，如图7所示；在出射激光5不变及角锥棱镜4无角度εzx时，回射激光6在x方向平移距离是角锥棱镜4在x方向平移距离的2倍，且角锥棱镜4平行平板效应对标定的影响与阿贝误差对标定的影响相反，因此角锥棱镜4平行平板效应带来的误差为δxx2，用式(2)表示，其中n表示角锥棱镜3的折射率；
c.计算总的标定系统误差模型δxx，由标定时的阿贝误差δxx1与角锥棱镜4平行平板效应带来的误差δxx2组成，用(3)表示；
步骤三，基于标定系统误差模型提出一种高精度标定方法；
调节阿贝偏位大小，令Lzx＝0、从而使标定系统误差为0，进而提高标定精度；如图8所示，在激光干涉仪角锥棱镜9下方放置垫块13，使得Lzx＝0，沿y方向调整激光干涉仪角锥棱镜9，使得
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种激光准直收发一体式直线度测量的标定系统，其特征在于，包括直线度测量机构、激光干涉仪激光头(7)、激光干涉仪干涉镜(8)、激光干涉仪角锥棱镜(9)和位移台(12)，所述直线度测量机构由激光器(1)、二维位置探测器(2)、固定端基座(3)和角锥棱镜(4)组成，激光器(1)和二维位置探测器(3)均固定在固定端基座(3)上，激光器(1)的出射激光(5)照射到角锥棱镜(4)，经过角锥棱镜(4)后的回射激光(6)照射到二维位置探测器(2)上，所述角锥棱镜(4)放置于位移台(12)上；
激光干涉仪角锥棱镜(9)放置于位移台(12)上，位移台(12)能够沿x方向水平移动，激光干涉仪激光头(7)的出射激光(10)与坐标系x方向平行并照射到激光干涉仪角锥棱镜(9)上，经过激光干涉仪角锥棱镜(9)的回射激光(11)被激光干涉仪激光头(7)接收，激光干涉仪干涉镜(8)放置在激光干涉仪激光头(7)与激光干涉仪角锥棱镜(9)之间，使激光干涉仪激光头(7)内激光干涉从而实现位移台(12)的位移测量；位移台(12)沿x方向运动能够实现标定二维位置探测器(2)的x方向，将二维位置探测器(2)旋转90°后能够实现标定二维位置探测器(2)的z方向。
2.基于激光准直收发一体式直线度测量的高精度标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：搭建基于激光准直收发一体式直线度测量的标定系统结构；
步骤二：建立基于激光准直收发一体式直线度测量标定系统结构的误差模型；具体步骤如下：
(201)计算阿贝误差；位移台沿x轴运动时，存在三个角度误差，分别是绕x方向旋转的εxx、绕y方向旋转的εyx、绕z方向旋转的εzx；存在三个阿贝偏位，分别是x方向阿贝偏位Lxx、y方向阿贝偏位Lyx、z方向阿贝偏位Lzx；当位移台移动时，角度εzx、εyx和阿贝偏位Lyx、Lzx造成的阿贝误差δxx1用(1)表示；
δxx1＝-εzxLyx+εyxLzx (1)
(202)计算角锥棱镜平行平板效应带来的误差；角锥棱镜有三个反射面，将角锥棱镜按照激光经过反射面的先后顺序展开，激光经过角锥棱镜等效看成经过平行平板，角锥棱镜的高度为h，则平行平板的厚度为2h；
角锥棱镜平行平板效应带来的误差为δxx2，用式(2)表示，其中n表示角锥棱镜的折射率；
其中，O1点为角锥棱镜的激光入射表面中心，O2为激光干涉仪角锥棱镜的激光入射表面中心，O1O1′为平行平板未旋转时的中心线，O1O1″为平行平板旋转后的中心线，A点为激光器的出射激光在平行平板表面的入射点，A′点为激光器的回射激光在未旋转平行平板表面的出射点，A″点为激光器的回射激光在旋转后平行平板表面的出射点，|O1O1″|x为O1′点与O1″点在x方向的距离；|A′A″|x为A′点与A″点在x方向的距离；Δxl为角锥棱镜旋转后激光器的回射激光在x方向的平移距离。
(203)计算总的标定系统误差模型δxx，由标定时的阿贝误差δxx1与角锥棱镜平行平板效应带来的误差δxx2组成，用式(3)表示；
步骤三：调节阿贝偏位大小，令Lzx＝0、从而使标定系统误差为0，进而提高标定精度。
3.根据权利要求2所述基于激光准直收发一体式直线度测量的高精度标定方法，其特征在于，步骤三中通过在激光干涉仪角锥棱镜下方放置垫块，使得Lzx＝0，沿y方向调整激光干涉仪角锥棱镜使得
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