CN113865482A - 一种用于同时测量旋转轴五自由度运动误差的系统 - Google Patents
一种用于同时测量旋转轴五自由度运动误差的系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113865482A CN113865482A CN202111061777.5A CN202111061777A CN113865482A CN 113865482 A CN113865482 A CN 113865482A CN 202111061777 A CN202111061777 A CN 202111061777A CN 113865482 A CN113865482 A CN 113865482A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- light
- prism
- error
- rotating shaft
- beam splitter
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 title claims abstract description 23
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 50
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 17
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 72
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 17
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 12
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 claims description 8
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 8
- 230000035559 beat frequency Effects 0.000 claims description 7
- CPBQJMYROZQQJC-UHFFFAOYSA-N helium neon Chemical group [He].[Ne] CPBQJMYROZQQJC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- 238000000034 method Methods 0.000 description 9
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 5
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000005305 interferometry Methods 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明提供了一种用于同时测量旋转轴五自由度运动误差的系统，包括：光路连接的光源、测量单元和误差敏感单元；光源为激光器，用于发出激光；测量单元用于对光源发出的激光进行处理并传输至误差敏感单元，并根据误差敏感单元返回的衍射光测量旋转轴五自由度运动误差；误差敏感单元包括环形光栅和第一角锥棱镜，环形光栅固定于第一角锥棱镜的斜面中心位置上，第一角锥棱镜的锥心端固定于旋转轴的端面中心位置处，且环形光栅、第一角锥棱镜以及旋转轴三者的旋转中心轴重合，误差敏感单元用于对测量单元入射的光进行衍射和回射。本系统可以实现旋转轴的五自由度运动误差同时测量，极大的提高了检测效率。
Description
技术领域
本发明涉及空间几何精度检测技术领域，尤其涉及一种用于同时测量旋转轴五自由度运动误差的系统。
背景技术
对旋转轴的多自由度运动误差的测量主要包括基于激光的干涉、衍射、准直以及几何光学等光学测量方法，以及通过球杆仪和R-test等进行旋转轴误差测量的非光学测量方法。上述的光学测量方法的测量精度较高，但受环境影响较大，其中，有的方法需要进行多次安装，而有的则需要伺服回转系统，从而导致引入多种误差。而球杆仪和R-test等进行旋转轴误差测量的非光学测量方法具有测量设备简单、使用方便等优点，但是这些光学测量方法基本都为间接测量，需要通过复杂的解耦计算来分离各个自由度的误差，不利于误差补偿。
专利CN106595480公开了一种用于测量转轴六自由度几何误差的激光测量系统及方法，可实现转轴六自由度几何误差同时测量，但是该方法仍需要伺服跟踪单元，从而引入伺服回转误差及安装误差等。
角锥棱镜常用于测量运动目标的直线度误差，光栅常用于测量角度误差，特别是利用角锥棱镜和环形光栅的绕旋转对称轴的旋转运动不影响回射光线的方向及空间位置的旋转对称特性，二者配合使用可以很好地测量旋转轴多自由度运动误差，但是现有技术中并未有相关技术内容。
因此，亟需一种结构简单、安装方便且无需伺服回转系统的可同时直接测量得到旋转轴五自由度运动误差的系统。
发明内容
本发明提供了一种用于同时测量旋转轴五自由度运动误差的系统，以解决现有技术问题中存在的缺陷。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种用于同时测量旋转轴五自由度运动误差的系统，包括：光路连接的光源1、测量单元17和误差敏感单元18；
光源1为激光器，用于发出激光；
测量单元17用于对光源1发出的激光进行处理并传输至误差敏感单元18，并根据误差敏感单元18返回的衍射光测量旋转轴五自由度运动误差；
误差敏感单元18包括环形光栅6和第一角锥棱镜7，环形光栅6固定于第一角锥棱镜7的斜面中心位置上，第一角锥棱镜的锥心端固定于旋转轴16的端面中心位置处，且环形光栅6、第一角锥棱镜7以及旋转轴三者的旋转中心轴重合，误差敏感单元18用于对测量单元入射的光进行衍射和回射。
优选地，测量单元17中的光电探测器根据误差敏感单元18的环形光栅6的衍射光(+1，0)级次或(-1，0)级次实现对旋转轴二维倾斜角度的测量，测量单元17中的光电探测器根据误差敏感单元18的环形光栅6的衍射光(0，0)级次实现对光线角度漂移的监测和对旋转轴二维径向跳动误差的测量；测量单元17通过第一偏振分光棱镜处的参考光和误差敏感单元18返回的环形光栅6的衍射光(0，0)级次透射的测量光干涉测量旋转轴轴向跳动误差。
优选地，测量单元17包括：光纤2、准直器3、二分之一波片4、第一偏振分光棱镜5、第一分光棱镜8、第一光电探测器9、第二分光棱镜10、第一透镜11、第二光电探测器12、第二透镜13、第三光电探测器14、第二角锥棱镜15以及干涉测量轴向跳动误差装置19；
其中，光纤2、准直器3、二分之一波片4、第一偏振分光棱镜5顺序连接作为入射光路，用于对光源的光进行处理并入射至误差敏感单元18；
第一偏振分光棱镜5与第二角锥棱镜15连接作为参考光路，光线在第一偏振分光棱镜5的偏振分光面处分解为两路振动方向相互垂直的线偏振光，其中一路线偏振光经参考光路反射后，作为干涉测量的参考光；
第一分光棱镜8用于接收误差敏感单元18的环形光栅6的(0，0)级次衍射光，并将衍射光进行透射和反射，反射光入射至第一光电探测器9作为第一出射光路，用于对旋转轴二维径向跳动误差的测量；
第一分光棱镜8的透射光入射至第二分光棱镜10进行透射和反射，反射光入射至第一透镜11和第二光电探测器12作为第二出射光路，用于实现对光线角度漂移的监测；
所述第二分光棱镜10的透射光入射至第一偏振分光棱镜5，通过第一偏振分光棱镜5直接透射出作为第三光路，第三光路的测量光与参考光路的参考光一同通过干涉测量轴向跳动误差装置，实现干涉测量旋转轴轴向跳动误差；
第二透镜13、第三光电探测器14顺序光路连接作为第四光路，根据误差敏感单元18的环形光栅6的衍射光(+1，0)级次或(-1，0)级次实现对旋转轴二维倾斜角度的测量。
优选地，光源1为单频激光器，所述干涉测量轴向跳动误差装置包括第三分光棱镜20、第二二分之一波片21、第二偏振分光棱镜22、第四光电探测器23、第六光电探测器24、四分之一波片25、第三偏振分光棱镜26、第五光电探测器27和第七光电探测器28；
第三分光棱镜20用于将第一偏振分光棱镜5入射的两偏振方向相互垂直的线偏振光分成两束光分别透射和反射，反射光经第二二分之一波片21后，相位延迟180°；然后经第二偏振分光棱镜22的偏振分光面后，两线偏振光在第二偏振分光棱镜22的平行和垂直方向上的分量分别发生干涉，并由第四光电探测器23和第六光电探测器24接收干涉信号，两干涉信号相位相差180°；
第三分光棱镜20的透射光经四分之一波片25改变偏振状态变成两转动方向相反的圆偏振光，且相位延迟90°，然后经第三偏振分光镜26分光后变成两对线偏振光，分别在第五光电探测器27和第七光电探测器28的输入端产生干涉，且探测到的信号相位相差180°；
第四至第七光电探测器的四路干涉信号通过计算处理实现旋转轴轴向跳动误差的测量。
优选地，光源1为双频激光器，所述系统中还包括位于准直器3和二分之一波片4之间的四分之一波片29和第三分光棱镜30；
所述干涉测量轴向跳动误差装置包括：第一检偏器31、第四光电探测器32、反射镜33、第二检偏器34、第五光电探测器35；
双频激光器1发出一束含有两个频率的光，依次经过光纤2、准直器3和四分之一波片29，转化为两束相互垂直的线偏振光，偏振光经过第三分光棱镜30分为两束，一束被反射到第一检偏器31上作为外差双频干涉光路的参考光，两束互垂直的线偏振光与第一检偏器31的透振方向成45°，在透振方向上的分量产生拍频信号，被第四光电探测器32接收，另一束透射光传输至二分之一波片4；
所述第三光路的测量光与参考光路的参考光被反射镜33共同反射，在通过第二检偏器34后产生拍频信号，被第五光电探测器35接收，第二检偏器33透振方向与相互垂直的线偏振光成45°的角度放置，第五光电探测器35和第四光电探测器32探测到的信号频率通过计算实现旋转轴轴向跳动误差的测量。
优选地，单频激光器为氦氖激光器或半导体激光器。
优选地，双频激光器为氦氖双频激光器。
优选地，环形光栅6为独立的实体环形光栅。
优选地，环形光栅6通过直接在第一角锥棱镜7的斜面上镀膜或刻蚀的方法得到。
优选地，第一角锥棱镜外部安装有外壳，用于通过将外壳固定于旋转轴16上，使得第一角锥棱镜的锥心端固定于旋转轴16的端面中心位置处。
由上述本发明的一种用于同时测量旋转轴五自由度运动误差的系统提供的技术方案可以看出，本系统具有如下有益效果：
1)本系统只需一次安装便能够对数控机床、加工中心等旋转轴的五自由度运动误差进行同时测量，极大的提高了检测效率；
2)本系统无需伺服回转系统，避免了伺服系统相关误差的引入，可以提高测量精度；
3)本系统可以对因激光器自身问题、空气折射率不均匀或空气扰动等影响所带来的激光线角度漂移进行监测修正，安装、调试简单快捷，不易受外界环境影响，适用性强，可以对数控机床、加工中心和激光跟踪仪等精密加工、精密测量以及精密控制设备中的旋转轴五自由度运动误差实现高精度快速测量。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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为实施例一的一种用于同时测量旋转轴五自由度运动误差的系统结构示意图；
图2为实施例一的一种用于同时测量旋转轴五自由度运动误差的系统结构的具体示意图；
图3为实施例一的误差敏感单元结构示意图；
图4为实施例二的一种用于同时测量旋转轴五自由度运动误差的系统结构示意图；
图5为实施例二的误差敏感单元18结构示意图；
图6为实施例二的第一角锥棱镜示意图；
附图标记说明：
1光源 2光纤 3准直器 4二分之一波片 5第一偏振分光棱镜 6环形光栅 7第一角锥棱镜 8第一分光棱镜 9第一光电探测器 10第二分光棱镜 11第一透镜 12第二光电探测器 13第二透镜 14第三光电探测器 15第二角锥棱镜 16旋转轴 17测量单元 18误差敏感单元 19干涉测量轴向跳动误差装置
20第三分光棱镜 21第二二分之一波片 22第二偏振分光棱镜 23第四光电探测器24第六光电探测器 25四分之一波片 26第三偏振分光棱镜 27第五光电探测器 28第七光电探测器
29四分之一波片 30第三分光棱镜 31第一检偏器 32第四光电探测器 33反射镜34第二检偏器 35第五光电探测器 36外壳。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式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方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
实施例一
图1为本实施例提供的一种用于同时测量旋转轴五自由度运动误差的系统结构示意图，为了更明确的对五自由度进行说明，本实施例中建立一个坐标系O-XYZ；待测旋转轴的旋转中心轴与Z轴平行，角锥棱镜及环形圆光栅的旋转对称轴也与Z轴平行，且与待测旋转轴的旋转中心轴重合；此时需要测量的旋转轴五自由度运动误差分别为：沿X、Y、Z三个方向平移的三个直线度误差δX、δY、δZ，绕X、Y两个坐标轴旋转的两个倾斜角度误差εX、εY。
参照图1，该系统包括：光路连接的光源1、测量单元17和误差敏感单元18。
光源1用于发出激光，本实施例中光源1为单频激光器，单频激光器可以为氦氖激光器或半导体激光器。它们发出单频偏振光或通过起偏器将发出的单频非偏振光转为单频偏振光。
测量单元17用于对光源1发出的激光进行处理并传输至误差敏感单元18，并根据误差敏感单元18返回的衍射光测量旋转轴五自由度运动误差。
通过图1可以看出，测量单元17包括：光纤2、准直器3、二分之一波片4、第一偏振分光棱镜5、第一分光棱镜8、第一光电探测器(四象限探测器)9、第二分光棱镜10、第一透镜11、第二光电探测器(光电位置探测器)12、第二透镜13、第三光电探测器(光电位置探测器)14、第二角锥棱镜15以及干涉测量轴向跳动误差装置19。
其中，光纤2、准直器3、二分之一波片4、第一偏振分光棱镜5顺序连接作为入射光路，用于对光源的光进行处理并入射至误差敏感单元18。
第一偏振分光棱镜5与第二角锥棱镜15连接作为参考光路，光线在第一偏振分光棱镜5的偏振分光面处分解为两路振动方向相互垂直的线偏振光，其中一路线偏振光经参考光路反射后，作为干涉测量的参考光。
第一分光棱镜8用于接收误差敏感单元18的环形光栅6的(0，0)级次衍射光，并将衍射光进行透射和反射，反射光入射至第一光电探测器9作为第一出射光路，用于对旋转轴二维径向跳动误差的测量。
第一分光棱镜8的透射光入射至第二分光棱镜10进行透射和反射，反射光入射至第一透镜11和第二光电探测器12作为第二出射光路，用于实现对光线角度漂移的监测。
第二分光棱镜10的透射光入射至第一偏振分光棱镜5，通过第一偏振分光棱镜5直接透射出作为第三光路，第三光路的测量光与参考光路的参考光一同通过干涉测量轴向跳动误差装置，实现干涉测量旋转轴轴向跳动误差。
第二透镜13、第三光电探测器14顺序光路连接作为第四光路，根据误差敏感单元18的环形光栅6的衍射光(+1，0)级次或(-1，0)级次实现对旋转轴二维倾斜角度的测量。
图3为误差敏感单元结构示意图，参照图3，误差敏感单元18包括环形光栅6和第一角锥棱镜7，环形光栅6固定于第一角锥棱镜7的斜面中心位置上，第一角锥棱镜的锥心端固定于旋转轴16的端面中心位置处，且环形光栅6、第一角锥棱镜7以及旋转轴的旋转中心轴重合，从图中可以看出，环形光栅6为独立的实体光栅。误差敏感单元18用于对测量单元入射的光进行衍射和回射。由于环形光栅和角锥棱镜均具有旋转对称特性，二者绕旋转对称轴的旋转运动不影响回射光线的方向及空间位置。测量单元17中的光电探测器根据误差敏感单元18的环形光栅6的衍射光(+1，0)级次或(-1，0)级次实现对旋转轴二维倾斜角度的测量，测量单元17中的光电探测器根据误差敏感单元18的环形光栅6的衍射光(0，0)级次实现对光线角度漂移的监测和对旋转轴二维径向跳动误差的测量，测量单元17通过第一偏振分光棱镜处的参考光和误差敏感单元18返回的环形光栅6的衍射光(0，0)级次透射的测量光干涉测量旋转轴轴向跳动误差。
图2为实施例一的具体结构示意图，参照图2可以看出，干涉测量轴向跳动误差装置包括第三分光棱镜20、第二二分之一波片21、第二偏振分光棱镜22、第四光电探测器(光电二极管)23、第六光电探测器(光电二极管)24、四分之一波片25、第三偏振分光棱镜26、第五光电探测器(光电二极管)27和第七光电探测器(光电二极管)28。
第三分光棱镜20用于将第一偏振分光棱镜5入射的两偏振方向相互垂直的线偏振光分成两束光分别透射和反射，反射光经第二二分之一波片21后，相位延迟180°；然后经第二偏振分光棱镜22的偏振分光面后，两线偏振光在第二偏振分光棱镜22的平行和垂直方向上的分量分别发生干涉，并由第四光电探测器23和第六光电探测器24接收干涉信号，两干涉信号相位相差180°。
第三分光棱镜20的透射光经四分之一波片25改变偏振状态变成两转动方向相反的圆偏振光，且相位延迟90°，然后经第三偏振分光镜26分光后变成两对线偏振光，分别在第五光电探测器27和第七光电探测器28的输入端产生干涉，且探测到的信号相位相差180°。
第四至第七光电探测器的四路干涉信号通过数字电路系统实现旋转轴轴向跳动误差的测量。
采用本实施例的系统用于同时测量旋转轴五自由度运动误差的具体原理如下：
单频激光器发出的偏振光经过光纤2进入对应的准直器3变为平行光，平行光由二分之一波片调整其偏振方向后，在第一偏振分光棱镜的偏振分光面处被分解为两路线偏振光，其中一路偏振光透射向固定在旋转轴16端面中心的误差敏感单元。
进入误差敏感单元的激光线首先入射到环形光栅6上发生一次衍射，分别取0级次以及+1级次或-1级次衍射光，两束衍射光经过第一角锥棱镜7反射回来后，再次经过环形光栅6发生第二次衍射，取(0，0)级次，同时取(+1，0)或(-1，0)级次衍射光。
进一步地，所述(0，0)级次衍射光以平行于入射光的方向入射到第一分光棱镜8上后分为两束光分别透射和反射出去，其中，反射光被第一光电探测器9接收，可用来测量旋转轴16沿X轴和沿Y轴的二维径向跳动误差δX、δY，而透射光入射到第二分光棱镜10上后也被分为两束光分别透射和反射。
进一步地，第二分光棱镜10的反射光经过第一透镜聚11焦后，会聚到第一透镜11像方焦点上的第二光电探测器12上，可用来同时监测因激光器本身问题或空气折射率不均匀或空气扰动等影响所带来的激光线角度漂移，而透射光入射到第一偏振分光棱镜5上后直接透射出去，并与在第一偏振分光棱镜5的偏振分光面处反射的参考光路的线偏振光共同实现干涉测量旋转轴沿Z轴的轴向跳动误差δZ，具体地，两偏振方向相互垂直的线偏振光经第三分光棱镜20后分成两束光分别透射和反射，其中，反射光经第二二分之一波片21后，相位延迟180°；而后经第二偏振分光棱镜22的偏振分光面后，两线偏振光在第二偏振分光棱镜的平行和垂直方向上的分量分别发生干涉，并由第四光电探测器23和第六光电探测器24接收干涉信号，两干涉信号相位相差180°。第三分光棱镜20的另一路光即透射光经四分之一波片25改变偏振状态变成两转动方向相反的圆偏振光，且相位延迟90°。而后经第三偏振分光镜26分光后变成两对线偏振光，分别在第五光电探测器27和第七光电探测器28的输入端产生干涉，且两探测器所探测到的信号相位相差180°。
利用第四至第七光电探测器的四路干涉信号，在模拟电路中以差动的形式放大，便可得到两路相差90°的正交信号，将这两路正交信号送入数字电路系统，完成误差修正以及计数细分等工作，便可实现旋转轴轴向跳动误差δZ的测量。
进一步地，所述(+1，0)或(-1，0)级次的衍射光经过第二透镜13聚焦后，会聚到第二透镜13像方焦点上的第三光电探测器14上，可完成旋转轴16绕X轴和绕Y轴的二维倾斜角度误差εX、εY的测量。
实施例二
图4为本实施例提供的一种用于同时测量旋转轴五自由度运动误差的系统结构示意图，为了更明确的对五自由度进行说明，本实施例中建立一个坐标系O-XYZ；待测旋转轴的旋转中心轴与Z轴平行，角锥棱镜及环形圆光栅的旋转对称轴也与Z轴平行，且与待测旋转轴的旋转中心轴重合；此时需要测量的旋转轴五自由度运动误差分别为：沿X、Y、Z三个方向平移的三个直线度误差δX、δY、δZ，绕X、Y两个坐标轴旋转的两个倾斜角度误差εX、εY。
参照图4，该系统包括：光路连接的光源1、测量单元17和误差敏感单元18。
本实施例中的光源1为双频激光器，双频激光器为氦氖双频激光器，它发出具有两个不同频率的偏振光。
测量单元17包括：光纤2、准直器3、四分之一波片29和第三分光棱镜30、二分之一波片4、第一偏振分光棱镜5、第一分光棱镜8、第一光电探测器(光电二极管)9、第二分光棱镜10、第一透镜11、第二光电探测器(四象限探测器)12、第二透镜13、第三光电探测器(光电位置探测器)14、第二角锥棱镜15以及干涉测量轴向跳动误差装置19。
图5为误差敏感单元结构示意图，参照图5，包括环形光栅6和第一角锥棱镜7，环形光栅6通过刻蚀的方式固定于第一角锥棱镜7的斜面中心位置上，第一角锥棱镜的锥心端固定于旋转轴16的端面中心位置处，且环形光栅6、第一角锥棱镜7以及旋转轴的旋转中心轴重合，误差敏感单元18用于对测量单元入射的光进行衍射和回射。需要说明的是环形光栅6的结构并不局限于本实施例的刻蚀方式，还可以为在第一角锥棱镜7的斜面上镀膜的方式来实现。
测量单元17中的光电探测器根据误差敏感单元18的环形光栅6的衍射光(+1，0)级次或(-1，0)级次实现对旋转轴二维倾斜角度的测量，测量单元17中的光电探测器根据误差敏感单元18的环形光栅6的衍射光(0，0)级次实现对光线角度漂移的监测和对旋转轴二维径向跳动误差的测量，测量单元17通过第一偏振分光棱镜处的参考光和误差敏感单元18返回的环形光栅(6)的衍射光(0，0)级次透射的测量光干涉测量旋转轴轴向跳动误差。
干涉测量轴向跳动误差装置包括：第一检偏器31、第四光电探测器(光电位置探测器)32反射镜33、第二检偏器34、第五光电探测器(光电二极管)35。
双频激光器1发出一束含有两个频率(分别为f1和f2)的光，分别为左旋偏振光和右旋偏振光。依次经过光纤2、准直器3和四分之一波片29，转化为两束相互垂直的线偏振光，偏振光经过第三分光棱镜30分为两束，一束被反射到第一检偏器31上作为外差双频干涉光路的参考光，两束相互垂直的线偏振光与第一检偏器31的透振方向成45°，在透振方向上的分量产生拍频信号，频率为f1-f2，被第四光电探测器32接收；另一束透射光传输至二分之一波片4，调整其偏振方向后射向第一偏振分光棱镜5，其中，频率为f1的线偏振光反射至第二角锥棱镜15，频率为f2的线偏振光透射向固定在旋转轴16端面中心的误差敏感单元。
进入误差敏感单元18的激光线首先入射到环形光栅6上发生一次衍射，分别取0级次和+1级次衍射光，两束衍射光经过第一角锥棱镜7反射回来后，再次经过环形光栅6发生第二次衍射，取(0，0)级次和(+1，0)级次衍射光。
(0，0)级次衍射光以平行与入射光的方向入射到第一分光棱镜8上后分为两束光分别透射和反射出去，其中，反射光被第一光电探测器9接收，可用来测量旋转轴16沿X轴和沿Y轴的二维径向跳动误差δX、δY，而透射光入射到第二分光棱镜10上后也被分为两束光分别透射和反射。
第二分光棱镜10的反射光经过第一透镜11聚焦后，会聚到透镜像方焦点上的第二光电探测器12上，可用来同时监测因激光器本身问题或空气折射率不均匀或空气扰动等影响所带来的激光线角度漂移，而透射光入射到第一偏振分光棱镜5上后直接透射出去，若旋转轴沿Z轴方向存在轴向跳动，那么透射光的频率根据多普勒效应将变为f2±Δf，它与由第二角锥棱镜15反射回来的频率为f1的线偏振光重新会合，两者被反射镜33共同反射，在通过第二检偏器34后产生频率为f1-(f2±Δf)的拍频信号，被第五光电探测器35接收，第二检偏器34透振方向同样与相互垂直的线偏振光成45°的角度放置。第五光电探测器35和第四光电探测器32探测到的信号频率相差
通过数字电路系统同步相减并倍频和累计计数便可求得旋转轴16沿Z轴的轴向跳动误差δZ。(+1，0)级次的衍射光经过第二透镜13聚焦后，会聚到透镜像方焦点上的第三光电探测器14上，可完成旋转轴绕X轴和绕Y轴的二维倾斜角度误差εX、εY的测量。
图6为本实施例的第一角锥棱镜示意图，参照图6，第一角锥棱镜外部安装有外壳36，用于通过将外壳固定于旋转轴16上，使得第一角锥棱镜的锥心端固定于旋转轴16的端面中心位置处。
本领域技术人员应能理解上述的应用类型仅为举例，其他现有的或今后可能出现的应用类型如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。
在实际应用中，上述信号处理装置也可以设置在系统内部的其它位置。本发明实施例并不局限上述部件的具体放置位置，上述部件在系统内部中的任何放置方式都在本发明实施例的保护范围中。
本领域技术人员应能理解，图1仅为简明起见而示出的部件的数量可能小于一个实际系统中的数量，但这种省略无疑是以不会影响对发明实施例进行清楚、充分的公开为前提的。
本领域技术人员应能理解，上述所举的根据用户信息决定调用策略仅为更好地说明本发明实施例的技术方案，而非对本发明实施例作出的限定。任何根据用户属性来决定调用策略的方法，均包含在本发明实施例的范围内。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种用于同时测量旋转轴五自由度运动误差的系统，其特征在于，包括：光路连接的光源(1)、测量单元(17)和误差敏感单元(18)；
光源(1)为激光器，用于发出激光；
测量单元(17)用于对光源(1)发出的激光进行处理并传输至误差敏感单元(18)，并根据误差敏感单元(18)返回的衍射光测量旋转轴五自由度运动误差；
误差敏感单元(18)包括环形光栅(6)和第一角锥棱镜(7)，环形光栅(6)固定于第一角锥棱镜(7)的斜面中心位置上，第一角锥棱镜的锥心端固定于旋转轴(16)的端面中心位置处，且环形光栅(6)、第一角锥棱镜(7)以及旋转轴三者的旋转中心轴重合，误差敏感单元(18)用于对测量单元入射的光进行衍射和回射。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，测量单元(17)中的光电探测器根据误差敏感单元(18)的环形光栅(6)的衍射光(+1，0)级次或(-1，0)级次实现对旋转轴二维倾斜角度的测量，测量单元(17)中的光电探测器根据误差敏感单元(18)的环形光栅(6)的衍射光(0，0)级次实现对光线角度漂移的监测和对旋转轴二维径向跳动误差的测量；测量单元(17)通过第一偏振分光棱镜处的参考光和误差敏感单元(18)返回的环形光栅(6)的衍射光(0，0)级次透射的测量光干涉测量旋转轴轴向跳动误差。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，测量单元(17)包括：光纤(2)、准直器(3)、二分之一波片(4)、第一偏振分光棱镜(5)、第一分光棱镜(8)、第一光电探测器(9)、第二分光棱镜(10)、第一透镜(11)、第二光电探测器(12)、第二透镜(13)、第三光电探测器(14)、第二角锥棱镜(15)以及干涉测量轴向跳动误差装置(19)；
其中，光纤(2)、准直器(3)、二分之一波片(4)、第一偏振分光棱镜(5)顺序连接作为入射光路，用于对光源的光进行处理并入射至误差敏感单元(18)；
第一偏振分光棱镜(5)与第二角锥棱镜(15)连接作为参考光路，光线在第一偏振分光棱镜(5)的偏振分光面处分解为两路振动方向相互垂直的线偏振光，其中一路线偏振光经参考光路反射后，作为干涉测量的参考光；
第一分光棱镜(8)用于接收误差敏感单元(18)的环形光栅(6)的(0，0)级次衍射光，并将衍射光进行透射和反射，反射光入射至第一光电探测器(9)作为第一出射光路，用于对旋转轴二维径向跳动误差的测量；
第一分光棱镜(8)的透射光入射至第二分光棱镜(10)进行透射和反射，反射光入射至第一透镜(11)和第二光电探测器(12)作为第二出射光路，用于实现对光线角度漂移的监测；
所述第二分光棱镜(10)的透射光入射至第一偏振分光棱镜(5)，通过第一偏振分光棱镜(5)直接透射出作为第三光路，第三光路的测量光与参考光路的参考光一同通过干涉测量轴向跳动误差装置，实现干涉测量旋转轴轴向跳动误差；
第二透镜(13)、第三光电探测器(14)顺序光路连接作为第四光路，根据误差敏感单元(18)的环形光栅(6)的衍射光(+1，0)级次或(-1，0)级次实现对旋转轴二维倾斜角度的测量。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述光源(1)为单频激光器，所述干涉测量轴向跳动误差装置包括第三分光棱镜(20)、第二二分之一波片(21)、第二偏振分光棱镜(22)、第四光电探测器(23)、第六光电探测器(24)、四分之一波片(25)、第三偏振分光棱镜(26)、第五光电探测器(27)和第七光电探测器(28)；
第三分光棱镜(20)用于将第一偏振分光棱镜(5)入射的两偏振方向相互垂直的线偏振光分成两束光分别透射和反射，反射光经第二二分之一波片(21)后，相位延迟180°；然后经第二偏振分光棱镜(22)的偏振分光面后，两线偏振光在第二偏振分光棱镜(22)的平行和垂直方向上的分量分别发生干涉，并由第四光电探测器(23)和第六光电探测器(24)接收干涉信号，两干涉信号相位相差180°；
第三分光棱镜(20)的透射光经四分之一波片(25)改变偏振状态变成两转动方向相反的圆偏振光，且相位延迟90°，然后经第三偏振分光镜(26)分光后变成两对线偏振光，分别在第五光电探测器(27)和第七光电探测器(28)的输入端产生干涉，且探测到的信号相位相差180°；
第四至第七光电探测器的四路干涉信号通过计算处理实现旋转轴轴向跳动误差的测量。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述光源(1)为双频激光器，所述系统中还包括位于准直器(3)和二分之一波片(4)之间的四分之一波片(29)和第三分光棱镜(30)；
所述干涉测量轴向跳动误差装置包括：第一检偏器(31)、第四光电探测器(32)、反射镜(33)、第二检偏器(34)、第五光电探测器(35)；
双频激光器(1)发出一束含有两个频率的光，依次经过光纤(2)、准直器(3)和四分之一波片(29)，转化为两束相互垂直的线偏振光，偏振光经过第三分光棱镜(30)分为两束，一束被反射到第一检偏器(31)上作为外差双频干涉光路的参考光，两束互垂直的线偏振光与第一检偏器(31)的透振方向成45°，在透振方向上的分量产生拍频信号，被第四光电探测器(32)接收，另一束透射光传输至二分之一波片(4)；
所述第三光路的测量光与参考光路的参考光被反射镜(33)共同反射，在通过第二检偏器(34)后产生拍频信号，被第五光电探测器(35)接收，第二检偏器(33)透振方向与相互垂直的线偏振光成45°的角度放置，第五光电探测器(35)和第四光电探测器(32)探测到的信号频率通过计算实现旋转轴轴向跳动误差的测量。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述的单频激光器为氦氖激光器或半导体激光器。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述的双频激光器为氦氖双频激光器。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，环形光栅(6)为独立的实体环形光栅。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，环形光栅(6)通过直接在第一角锥棱镜(7)的斜面上镀膜或刻蚀的方法得到。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一角锥棱镜外部安装有外壳，用于通过将外壳固定于旋转轴(16)上，使得第一角锥棱镜的锥心端固定于旋转轴(16)的端面中心位置处。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111061777.5A CN113865482B (zh) | 2021-09-10 | 2021-09-10 | 一种用于同时测量旋转轴五自由度运动误差的系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111061777.5A CN113865482B (zh) | 2021-09-10 | 2021-09-10 | 一种用于同时测量旋转轴五自由度运动误差的系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113865482A true CN113865482A (zh) | 2021-12-31 |
| CN113865482B CN113865482B (zh) | 2024-01-30 |
Family
ID=78995230
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111061777.5A Active CN113865482B (zh) | 2021-09-10 | 2021-09-10 | 一种用于同时测量旋转轴五自由度运动误差的系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113865482B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114440766A (zh) * | 2022-01-12 | 2022-05-06 | 北京交通大学 | 一种用于同时测量旋转轴六自由度运动误差的系统 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5541729A (en) * | 1992-04-21 | 1996-07-30 | Canon Kabushiki Kaisha | Measuring apparatus utilizing diffraction of reflected and transmitted light |
| CN104048597A (zh) * | 2014-06-13 | 2014-09-17 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 自适应共光路光栅干涉仪及其实现方法 |
| CN107228638A (zh) * | 2017-06-07 | 2017-10-03 | 郑州轻工业学院 | 基于光束漂移补偿的五自由度误差同时测量的方法与装置 |
| CN107255451A (zh) * | 2017-07-07 | 2017-10-17 | 浙江理工大学 | 角度补偿式激光外差干涉位移测量装置及方法 |
| CN107990838A (zh) * | 2017-11-09 | 2018-05-04 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 锥镜及柱面镜面形测量装置和测量方法 |
| CN108645343A (zh) * | 2018-05-02 | 2018-10-12 | 中国计量科学研究院 | 一种基于角锥棱镜反射的激光外差干涉测量装置和方法 |
| US20190314947A1 (en) * | 2018-04-13 | 2019-10-17 | National Chung Cheng University | Multi-degree-of-freedom error measurement system for rotary axes and method thereof |
-
2021
- 2021-09-10 CN CN202111061777.5A patent/CN113865482B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5541729A (en) * | 1992-04-21 | 1996-07-30 | Canon Kabushiki Kaisha | Measuring apparatus utilizing diffraction of reflected and transmitted light |
| CN104048597A (zh) * | 2014-06-13 | 2014-09-17 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 自适应共光路光栅干涉仪及其实现方法 |
| CN107228638A (zh) * | 2017-06-07 | 2017-10-03 | 郑州轻工业学院 | 基于光束漂移补偿的五自由度误差同时测量的方法与装置 |
| CN107255451A (zh) * | 2017-07-07 | 2017-10-17 | 浙江理工大学 | 角度补偿式激光外差干涉位移测量装置及方法 |
| CN107990838A (zh) * | 2017-11-09 | 2018-05-04 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 锥镜及柱面镜面形测量装置和测量方法 |
| US20190314947A1 (en) * | 2018-04-13 | 2019-10-17 | National Chung Cheng University | Multi-degree-of-freedom error measurement system for rotary axes and method thereof |
| CN108645343A (zh) * | 2018-05-02 | 2018-10-12 | 中国计量科学研究院 | 一种基于角锥棱镜反射的激光外差干涉测量装置和方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 吴冠豪等: "双光梳测距及其应用", 《中国激光》, vol. 48, no. 15, pages 250 - 267 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114440766A (zh) * | 2022-01-12 | 2022-05-06 | 北京交通大学 | 一种用于同时测量旋转轴六自由度运动误差的系统 |
| CN114440766B (zh) * | 2022-01-12 | 2023-12-26 | 北京交通大学 | 一种用于同时测量旋转轴六自由度运动误差的系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113865482B (zh) | 2024-01-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106595480B (zh) | 用于测量转轴六自由度几何误差的激光测量系统及方法 | |
| CN109579780B (zh) | 一种基于偏振分光自准直三维角度测量装置与方法 | |
| US7027162B2 (en) | System and method for three-dimensional measurement | |
| CN111412832B (zh) | 基于干涉仪模块的半导体激光六自由度误差测量系统 | |
| CN101377414B (zh) | 基于光束角漂动态补偿的二维小角度测量装置与方法 | |
| CN104321616A (zh) | 用于补偿激光跟踪仪中的轴承径向跳动的装置和方法 | |
| CN109470176B (zh) | 基于双光栅的高精度三维角度测量方法与装置 | |
| CN107702644B (zh) | 一种基于双psd的多自由度测量装置 | |
| CN113701640B (zh) | 一种三轴光栅尺 | |
| CN109579779B (zh) | 高精度高频响抗干扰大工作距自准直装置与方法 | |
| CN109579777B (zh) | 双光源高精度抗干扰大工作距自准直装置与方法 | |
| CN109631827B (zh) | 基于绝对角度测量的双光源高精度抗干扰大工作距自准直装置与方法 | |
| US9518816B2 (en) | Dual beam splitter interferometer measuring 3 degrees of freedom, system and method of use | |
| CN113865482B (zh) | 一种用于同时测量旋转轴五自由度运动误差的系统 | |
| JP2002213913A (ja) | レーザ測長器及びレーザ測長方法 | |
| US4807997A (en) | Angular displacement measuring interferometer | |
| US5028137A (en) | Angular displacement measuring interferometer | |
| US20230152451A1 (en) | SYSTEM FOR SIMULTANEOUSLY MEASURING 3DOF LGEs BY LASER AND METHOD THEREFOR | |
| Peña Arellano et al. | Interferometric measurement of angular motion | |
| CN114440766B (zh) | 一种用于同时测量旋转轴六自由度运动误差的系统 | |
| TW201530100A (zh) | 光學量測系統及以此系統量測線性位移、轉動角度、滾動角度之方法 | |
| CN113701625B (zh) | 一种六自由度测量光栅尺 | |
| JPS62200225A (ja) | ロ−タリ−エンコ−ダ− | |
| US5724130A (en) | Technique for the measurement and calibration of angular position | |
| US20230152452A1 (en) | METHOD FOR SIMULTANEOUSLY MEASURING MULTI DOF GEs BY LASER AND SYSTEM THEREFOR |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |