CN110631523B - 一种精密二维转台轴间位置误差的测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种精密二维转台轴间位置误差的测量装置及方法，属于精密测量领域。所述的测量装置包括半导体激光器、光源固定基座、二维位置传感器、传感器固定座、连接板、二维角度调整架和XZ两轴平移升降台。所述的测量方法是使用固定在二维转台俯仰轴末端的激光器和二维位置传感器来测量两个指定位置上俯仰轴的旋转中心，通过比较两个中心坐标的差异，直接且容易地获得转台的轴间位置误差。本发明实现了二维转台轴间位置误差的高精度直接测量，不受单轴回转误差等其他参数对测量结果的影响；同时测量过程简单，测量精度高。
Description
技术领域
本发明属于精密测量领域，具体涉及一种使用半导体激光器与二维位置传感器测量二维转台轴间位置误差的装置及方法。
背景技术
精密二维转台由方位轴和俯仰轴两个正交的精密回转轴系构成，是先进制造、测试计量和精密仪器等领域的关键功能部件，例如五轴机床、激光跟踪仪、经纬仪、机器人等。
除了各旋转轴固有的几何误差和测角系统误差外，两轴间的位置误差也是重要误差，轴间位置误差包括：轴间不相交误差、轴间垂直度误差。目前针对转台精度影响因素的研究主要集中在单轴回转误差和角位置定位误差方面，而轴间不相交误差、轴间垂直度误差定量测量方法较少，通常采用建立复杂数学模型，多参数测量的方式进行间接测量，由于测量过程受其他项误差的影响，因此未知量拟合的准确性不能得到有效保证。
发明内容
本发明提出了一种测量二维转台轴间不相交误差(Δx)、轴间垂直度误差(α)的装置及方法。该方法使用固定在二维转台俯仰轴末端的激光器和二维位置传感器来测量两个指定位置上俯仰轴的旋转中心，通过比较两个中心坐标的差异，直接且容易地获得转台的轴间位置误差。
一种精密二维转台轴间位置误差的测量装置，所述的测量装置包括半导体激光器9、光源固定基座10、二维位置传感器8、传感器固定座7、连接板6、二维角度调整架11和XZ两轴平移升降台5。所述半导体激光器9安装在光源固定基座10上，光源固定基座10与二维角度调整架11的一端连接，二维角度调整架11的另一端与二维转台俯仰轴1的端部相连，且半导体激光器9、光源固定基座10及二维角度调整架11能跟随二维转台俯仰轴1同步稳定转动，二维转台方位轴2竖直设置；二维位置传感器8设置于传感器固定座7中，传感器固定座7通过连接板6安装在XZ两轴平移升降台5上，二维位置传感器8感测区域位于二维转台俯仰轴1的延长线上。
所述二维角度调整架11与二维转台俯仰轴1的连接方式为螺纹连接、卡扣连接、磁力吸附或胶接。
一种精密二维转台轴间位置误差的测量方法，包括以下步骤：
步骤1，测量指定位置1(如图2)处俯仰轴的旋转中心O1
步骤1-1：将二维位置传感器8固定在XZ两轴平移升降台5上，调整XZ两轴平移升降台5，使二维位置传感器8感测区域位于二维转台俯仰轴1的延长线上。
步骤1-2：将半导体激光器9装入光源固定基座10中，光源固定基座10的安装面连接二维角度调整架11，而后固定在二维转台俯仰轴1的端部A，且须使半导体激光器9、光源固定基座10及二维角度调整架11整体能跟随二维转台俯仰轴1正常转动。
步骤1-3：半导体激光器9与二维转台俯仰轴1整体绕二维转台俯仰轴1旋转，旋转过程中，虽然半导体激光器9不与二维转台俯仰轴1同轴，但是激光射在二维位置传感器8上的光点中心轨迹仍近似为一个圆，调整俯仰轴二维角度调整架11，使光点始终位于二维位置传感器8的感光区范围内，且光点中心轨迹圆的直径最小。
步骤1-4：二维转台俯仰轴1以10°为间隔，转动360°，二维位置传感器8捕获并记录二维转台俯仰轴1处在不同旋转角度时光点的位置。
步骤1-5：基于最小二乘原理以及各转动位置下采集的光点位置，建立最小化目标函数，拟合计算光点中心轨迹的圆心O1(x1，y1)，即为指定位置1处二维转台俯仰轴1的旋转中心。
步骤2，测量指定位置2(如图3)处二维转台俯仰轴1的旋转中心O2
步骤2-1：将二维转台绕二维转台方位轴2精确转动180°至位置2，且保持二维位置传感器8安装位置不变。
步骤2-2：将半导体激光器9装入光源固定基座10中，光源固定基座10的安装面连接二维角度调整架11，而后固定在二维转台俯仰轴1的另一端部B，且须使半导体激光器9、光源固定基座10及二维角度调整架11整体能跟随二维转台俯仰轴1正常转动。
步骤2-3：重复步骤1-3、1-4、1-5，得到位置2处二维转台俯仰轴1的旋转中心O2(x2，y2)。
步骤3，计算轴间位置误差Δx、α
步骤3-1：精准量取二维位置传感器8与二维转台方位轴2间的距离L。
步骤3-2：已知两个指定位置上光点轨迹圆的圆心O1、O2，二维位置传感器8与二维转台方位轴2间的距离为L，利用公式Δx＝(x2-x1)/2、
计算得到二维转台轴间不相交误差Δx、轴间垂直度误差α。
本发明的有益效果是实现了二维转台轴间位置误差的高精度直接测量，不受单轴回转误差等其他参数对测量结果的影响；同时测量过程简单，测量精度高。
附图说明
图1二维转台轴间位置误差测量装置；
图2二维转台轴间位置误差测量原理-位置1；
图3二维转台轴间位置误差测量原理-位置2。
图中：1二维转台俯仰轴；2二维转台方位轴；3转台底座；4安装基座；5XZ两轴平移升降台；6连接板；7传感器固定座；8二维位置传感器；9半导体激光器；10光源固定基座；11二维角度调整架；12转台俯仰轴的理想位置；13激光模块；14光点中心轨迹；15光点。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，详细描述本发明的技术方案。
步骤1，测量指定位置1(如图2)处俯仰轴的旋转中心O1
步骤1-1：如图1所示，将二维位置传感器8安装在传感器固定座7中，传感器固定座7安装在XZ两轴平移升降台5上，调整XZ两轴平移升降台5使二维位置传感器8的感测区域位于二维转台俯仰轴1的延长线上。
步骤1-2：将半导体激光器9装入光源固定基座10中，光源固定基座10的安装面连接二维角度调整架11；半导体激光器9、光源固定基座10、二维角度调整架11整体作为图2中具有调整结构的激光模块13，固定在二维转台俯仰轴1端部A，并且具有调整结构的激光模块13能跟随二维转台俯仰轴1正常转动。
步骤1-3：半导体激光器9与二维转台俯仰轴1同步俯仰轴旋转，旋转过程中，虽然半导体激光器9不与二维转台俯仰轴1同轴，但是激光射在二维位置传感器上8的光点中心轨迹14仍近似为一个圆，调整二维转台俯仰轴1端部的二维角度调整架11，使光点15始终位于二维位置传感器8的感光区范围内，且光点中心轨迹圆14的直径小于100μm。
步骤1-4：二维转台俯仰轴1转动360°，二维位置传感器8捕获并记录二维转台俯仰轴1处在不同旋转角度时光点15的位置。
步骤1-5：记各转动位置下采集的光点15坐标为(xi,yi)(i＝1,…,n)，光点中心轨迹圆14的方程为x2+y2+ax+by+c＝0，则光点15至圆心的距离为
建立最小二乘目标函数为公式(1)，F(a,b,c)对a,b,c求偏导，令偏导等于零，通过公式(2)求得a,b,c后，由公式(3)计算圆心O1的坐标值为(-155.1879μm,-29.0484μm)。
步骤2，测量指定位置2(如图3)处俯仰轴的旋转中心O2
步骤2-1：如图3所示，将二维转台绕方位轴2精确转动180°至位置2，且保持二维位置传感器8安装位置不能改变。
步骤2-2：将图1中半导体激光器9装入光源固定基座10中，光源固定基座10的安装面连接二维角度调整架11；半导体激光器9、光源固定基座10、二维角度调整架11整体作为图3中具有调整结构的激光模块13，固定在二维转台俯仰轴1的另一端部B，并且具有调整结构的激光模块13能跟随二维转台俯仰轴1正常转动。
步骤2-3：重复步骤1-3、1-4、1-5，得到位置2处二维转台俯仰轴1的旋转中心O2的坐标值为(147.7082μm,35.7851μm)。
步骤3，计算轴间位置误差Δx、α
步骤3-1：如图2所示，用游标卡尺量取二维位置传感器8与二维转台方位轴2之间的距离L为226.8mm。
步骤3-2：已知两个指定位置上光点中心轨迹圆14的圆心O1、O2，位置传感器8与二维转台方位轴2间的距离为L，利用公式Δx＝(x2-x1)/2、
计算得到二维转台轴间不相交误差Δx＝151.4μm、轴间垂直度误差α＝29.5″。
依据上述三个测量步骤，利用激光光点中心扫描形成的两个轨迹圆的圆心差异，结合位置传感器与二维转台间的距离，计算即可得到二维转台的轴间位置误差。与其他测量方法相比，本发明方法测量二维转台轴间位置误差具有直接、简单、精度高的优点；同时，它也适用于测量其他设备中轴间位置误差，如五轴机床、激光跟踪仪等。
Claims (4)
1.一种精密二维转台轴间位置误差的测量装置进行误差测量的方法，其特征在于，所述的测量装置包括半导体激光器(9)、光源固定基座(10)、二维位置传感器(8)、传感器固定座(7)、连接板(6)、二维角度调整架(11)和XZ两轴平移升降台(5)；所述半导体激光器(9)安装在光源固定基座(10)上，光源固定基座(10)与二维角度调整架(11)的一端连接，二维角度调整架(11)的另一端与二维转台俯仰轴(1)的端部相连，且半导体激光器(9)、光源固定基座(10)及二维角度调整架(11)能跟随二维转台俯仰轴(1)同步稳定转动，二维转台方位轴(2)竖直设置；二维位置传感器(8)设置于传感器固定座(7)中，传感器固定座(7)通过连接板(6)安装在XZ两轴平移升降台(5)上，二维位置传感器(8)感测区域位于二维转台俯仰轴(1)的延长线上；
所述的方法，包括以下步骤：
步骤1，测量指定位置1处俯仰轴的旋转中心；
步骤1-1：将二维位置传感器(8)固定在XZ两轴平移升降台(5)上，调整XZ两轴平移升降台(5)，使二维位置传感器(8)感测区域位于二维转台俯仰轴(1)的延长线上；
步骤1-2：将半导体激光器(9)装入光源固定基座(10)中，光源固定基座(10)的安装面连接二维角度调整架(11)，而后固定在二维转台俯仰轴(1)的端部A，且须使半导体激光器(9)、光源固定基座(10)及二维角度调整架(11)整体能跟随二维转台俯仰轴(1)正常转动；
步骤1-3：半导体激光器(9)与二维转台俯仰轴(1)整体绕二维转台俯仰轴(1)旋转，旋转过程中，虽然半导体激光器(9)不与二维转台俯仰轴(1)同轴，但是激光射在二维位置传感器(8)上的光点中心轨迹仍近似为一个圆，调整二维角度调整架(11)，使光点始终位于二维位置传感器(8)的感光区范围内，且光点中心轨迹圆的直径最小；
步骤1-4：二维转台俯仰轴(1)以10°为间隔，转动360°，二维位置传感器(8)捕获并记录二维转台俯仰轴(1)处在不同旋转角度时光点的位置；
步骤1-5：基于最小二乘原理以及各转动位置下采集的光点位置，建立最小化目标函数，拟合计算光点中心轨迹的圆心O1(xo1，yo1)，即为指定位置1处二维转台俯仰轴(1)的旋转中心；
步骤2，测量指定位置2处二维转台俯仰轴(1)的旋转中心
步骤2-1：将二维转台绕二维转台方位轴(2)精确转动180°至位置2，且保持二维位置传感器(8)安装位置不变；
步骤2-2：将半导体激光器(9)装入光源固定基座(10)中，光源固定基座(10)的安装面连接二维角度调整架(11)，而后固定在二维转台俯仰轴(1)的另一端部B，且须使半导体激光器(9)、光源固定基座(10)及二维角度调整架(11)整体能跟随二维转台俯仰轴(1)正常转动；
步骤2-3：重复步骤1-3、1-4、1-5，拟合计算此时的光点中心轨迹的圆心O2(xo2，yo2)，即为位置2处二维转台俯仰轴(1)的旋转中心；
步骤3，计算二维转台轴间不相交误差Δx、轴间垂直度误差α
步骤3-1：精准量取二维位置传感器(8)与二维转台方位轴(2)间的距离L；
步骤3-2：已知两个指定位置上光点轨迹圆的圆心O1、O2，二维位置传感器(8)与二维转台方位轴(2)间的距离为L，利用公式Δx＝(xo2-xo1)/2、
计算得到二维转台轴间不相交误差Δx、轴间垂直度误差α。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二维角度调整架(11)与二维转台俯仰轴(1)的连接方式为螺纹连接、卡扣连接、磁力吸附或胶接。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1-3中，光点中心轨迹圆的直径小于100μm。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述步骤1-5具体步骤为：
记各转动位置下采集的光点坐标为(xi,yi)，i＝1,…,n，光点中心轨迹圆的方程为x2+y2+ax+by+c＝0，则光点至圆心的距离为
建立最小二乘目标函数为公式(1)，F(a,b,c)对a,b,c求偏导，令偏导等于零，通过公式(2)求得a,b,c后，由公式(3)计算圆心O1的坐标值；
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