CN114623784A - 一种用于大长度导轨直线度测量的方法和系统 - Google Patents

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胡常安
杜文波
李建钢
吕菲
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Abstract

本发明公开了一种用于大长度导轨直线度测量的方法和系统，涉及几何误差测量技术领域。测量系统包括导轨、固定台架、运动平台、第一激光干涉仪、第一干涉镜组、第一反射镜组、第二激光干涉仪、第二干涉镜组和第二反射镜组，第一干涉镜组设置在第一激光干涉仪和第一反射镜组之间，第二干涉镜组设置在第二激光干涉仪和第二反射镜组之间，第一反射镜组和第二反射镜组设置在运动平台上，第一激光干涉仪和第二激光干涉仪设置在固定台架上；通过沿导轨长度方向移动运动平台，即可测得反射镜组移动的位移，从而测得导轨的直线度。采用本发明的测量方法测量可同时测量导轨x、y或x、z方向的位移，简化了测量步骤，减小了测量误差。

Description

一种用于大长度导轨直线度测量的方法和系统
技术领域
本发明涉及几何误差测量技术领域，尤其涉及一种用于大长度导轨直线度测量的方法和系统。
背景技术
直线度是指被测实际轮廓线相对于理想直线的变动量，是几何误差测量中比较基础的一项，是其它误差(如：平面度、垂直度、平行度、同轴度)测量的基础。导轨是机床的重要组成部分，导轨的直线度直接关系着机床各部件的相对位置关系和运动关系，关系着零件加工的质量，因此，直线度误差测量对于机加工具有重要意义。
目前，直线度测量主要分为传统测量法和激光测量法，传统测量法主要包括：水平仪法、测微仪法、钢丝法等，这些测量方法步骤繁琐，测量精度底、测量距离短，并且受环境影响较大；激光测量法主要包括激光光强测量法、激光相位测量法，对应的测量仪器主要有激光干涉仪、激光跟踪仪、激光自准直仪等；如图1所示，激光干涉仪的测量原理为：激光源发出的光束作为输入光束经由分光镜分成两路光，一路光作为参考光束经由第一反射镜反射，另一路光作为测量光束经由第二反射镜反射，经过反射的参考光束和测量光束经由分光镜合为一路，作为叠加光束输入到探测器，探测器将光信号转化成电信号，通过移动第二反射镜，探测器感知到光信号的变化，从而解析出线性位移的变化情况。激光干涉仪具有测量精度高的特点，可以实现0.4μm/1m精度的测量，但测量距离通常小于30m，测量距离短。
授权公告号为CN 110455226 A的中国发明专利公开了“一种激光准直收发一体式直线度测量的标定系统及方法”，其在XY平面内设置了一路平行于X方向的光路，并在垂直于X方向设置了另一光路，通过朝X方向移动位移台，即可同时测量X方向、Y方向的位移，但移动台的移动距离不大于1cm，无法实现更长距离的测量；文献[1]公开了“一种二维基线导轨直线度的测量方法”，实现了48m长导轨水平、竖直方向上直线度的一次性测量，并且测量结果不大于0.5mm，其中，激光束照在激光接收器上的二维PSD传感器光敏面上形成激光点，激光几何测量系统感应并采集光敏面上光斑的空间位置信息，即可同时完成水平方向、竖直方向上偏移量的测量，然而，光敏面上光斑的大小会直接影响测量结果的准确性，对于更高精度的测量则无法实现。
激光跟踪仪可以实现测量半径为80m范围内的测量，相比激光干涉仪，激光跟踪仪的测量范围更大，但在较长距离的测量过程中，激光跟踪仪的测量精度较低，最小误差仅能达到0.8107mm左右。在器件校准、误差溯源等领域，对测量结果的精确度较高，尤其是对于长度大于30m的大长度直线导轨平台等设备的直线度测量结果的误差精度要求较高，需要在0.45mm以内，才能满足标定的精确度要求。因此，如何实现长度大于30m的导轨直线度测量，并且将测量误差控制在0.45mm以内，是技术人员亟须解决的问题。
文献[1]：卞伟,郝彦彬,谢平,陈晓宁.一种二维基线导轨直线度的测量方法[J].上海计量测试,2019,46(05):17-20.
发明内容
本发明的目的之一至少在于，针对如何克服上述现有技术存在的问题，提供一种用于大长度导轨直线度测量的方法和系统，能够实现长度大于30m的导轨直线度测量，并且提高了测量精度；通过在导轨上设置两台激光干涉仪、与激光干涉仪配套的干涉镜组和反射镜组，能够同时测量导轨的x、y方向(x：导轨长度方向，y：导轨宽度方向)或x、z方向(z：导轨高度方向)的位移，进而测得导轨的水平直线度或垂直直线度，减小了测量误差。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下各方面。
一种用于大长度导轨直线度测量的方法，包括以下步骤：
步骤一：根据待测导轨的长度及测量精度要求，选择激光干涉仪作为直线度测量的主标准器，搭建测量平台；将固定台架和运动平台安装在导轨的表面上，将第一激光干涉仪、第二激光干涉仪平行布置在固定台架上，在导轨上安装第一干涉镜组和第二干涉镜组，在运动平台上安装第一反射镜组和第二反射镜组；调节磁力表座的位置，使第一激光干涉仪、第一干涉镜组、第一反射镜组处于同一直线上，第二激光干涉仪、第二干涉镜组、第二反射镜组处于同一直线上；以使第一激光干涉仪、第二激光干涉仪的激光沿着导轨长度方向出射，出射的激光作为导轨直线度测量的理想直线，并且能够被相应的干涉镜组、反射镜组接收或反射；
步骤二：调整测量平台；调整固定台架上的夹具，调整激光干涉仪的方向，使激光干涉仪的激光光路与大长度直线导轨的运动方向保持一致；
步骤三：采集数据；根据待测导轨的长度确定测量距离、采样点数和采样间隔；开启激光干涉仪，将运动平台沿导轨x方向移动到第一个测量点位置处，读取第一激光干涉仪、第二激光干涉仪的读数，获取第1组x、y方向的位移数据；将运动平台沿导轨x方向依次移动到其他测量点位置处，采集其他组x、y方向的位移数据，直至采集完成；
步骤四：分析采集的数据。
优选的，所述步骤一中，在固定台架上安装第三激光干涉仪、导轨上安装第三干涉镜组，将第三干涉镜组安装在第三激光干涉仪和第三反射镜组之间，第三干涉镜组与第二干涉镜组位于同一直线上，在运动平台上安装第三反射镜组，第三反射镜组与第二反射镜组位于同一直线上，第三激光干涉仪、第三干涉镜组和第三反射镜组位于同一直线上。
优选的，所述步骤三中，当待测导轨长度大于30m时，采用整段测量或分段测量方式测量导轨直线度；采用分段测量方式测量导轨直线度时，每段导轨测量的距离范围为0～30m。
优选的，所述步骤三中，采用整段测量方式测量导轨直线度时，将运动平台沿导轨x方向移动到第一个测量点位置处，读取第一激光干涉仪、第二激光干涉仪的读数，获取第1组x、y方向的位移数据；将运动平台沿导轨x方向依次移动到其他测量点位置处，采集其他组x、y方向的位移数据，直至采集完成。
优选的，所述步骤三中，采用分段测量方式测量导轨直线度时，先采集第一段导轨直线度数据，采集后旋动激光干涉仪的遮光罩以遮盖激光，将运动平台沿x的反方向移动3～5m，沿导轨的x方向移动第一干涉镜组、第二干涉镜组，使第一干涉镜组和第一反射镜组的相对位置关系、第二干涉镜组和第二反射镜组的相对位置关系与测量第1组数据时的相对位置关系保持一致；再次旋动遮光罩，使激光沿导轨长度方向出射，采用与第一段导轨相同的方法采集第二段导轨的直线度数据。
优选的，所述步骤三中，测量垂直直线度时，将第二激光干涉仪、第二干涉镜组和第二反射镜组向同一方向旋转90度，采用与采集x、y方向位移数据相同的方式采集x、z方向的位移数据。
优选的，所述步骤四中，采用端点法和\或最小二乘法拟合直线；采用端点法拟合直线时，第1组数据为直线的首端点，最后一组数据为直线的末端点，计算直线方程；采用端点法拟合分段测量的数据时，分别求出第一段、第二段直线，将第一段与第二段重复测量的数据采用最小二乘法拟合，拟合后重复采用端点法拟合整条直线。
一种用于大长度导轨直线度测量的系统，所述系统包括导轨、运动平台、固定台架及配套夹具、多个磁力表座及配套夹具、第一激光干涉仪、第一干涉镜组、第一反射镜组、第二激光干涉仪、第二干涉镜组和第二反射镜组；所述固定台架设置在导轨的表面上，所述第一激光干涉仪和第二激光干涉仪平行布置在固定台架的表面上，第一激光干涉仪和第二激光干涉仪配置为沿导轨的x方向发射激光；所述运动平台布置在导轨的表面上，所述第一反射镜组、第二反射镜组通过磁力表座及配套夹具安装在运动平台上，所述第一反射镜组、第二反射镜组位于同一直线上；所述第一干涉镜组设置在第一激光干涉仪和第一反射镜组之间，与第一激光干涉仪、第一反射镜组位于同一直线上；所述第二干涉镜组设置在第二激光干涉仪和第二反射镜组之间，与第二激光干涉仪、第二反射镜组位于同一直线上。
所述第一激光干涉仪中集成有激光源和探测器，第一干涉镜组中集成有第一分光镜和第一反射镜，第一反射镜组中集成有第二反射镜，所述第一反射镜、第二反射镜均为双平面反射镜；所述第二激光干涉仪中集成有激光源和探测器，所述第二干涉镜组中集成有第二分光镜和第三反射镜，第二反射镜组中集成有第四反射镜和第五反射镜，所述第三反射镜、第五反射镜为双平面反射镜。
优选的，所述系统还包括第三激光干涉仪、第三干涉镜组和第三反射镜组，所述第三反射镜组与第二反射镜组的结构相同；所述第三激光干涉仪设置在固定台架上，与第二激光干涉仪平行；所述第三反射镜组安装在运动平台上，与第二反射镜组平行；所述第三干涉镜组安装在导轨上，与第二干涉镜组平行；所述第三干涉镜组位于第三激光干涉仪和第三反射镜组之间，所述第三激光干涉仪、第三干涉镜组、第三反射镜组位于同一直线上。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：
通过在导轨上设置第一激光干涉仪、与第一激光干涉仪配套的第一干涉镜组和第一反射镜组，第二激光干涉仪、第二干涉镜组和第二反射镜组，并使第一干涉镜组位于第一激光干涉仪和第一反射镜组之间，第二干涉镜组位于第二激光干涉仪和第二反射镜组之间，第一反射镜组和第二反射镜组设置在运动平台上，通过移动运动平台，能够同时测量导轨的x、y方向或x、z方向的位移，进而测得导轨的水平直线度或垂直直线度。
通过整段测量或分段测量方式测量，能够实现导轨长度大于30m的直线度测量，并且将测量误差控制在0.45mm内，大幅度提高了大长度导轨直线度测量的精度。
附图说明
图1是现有技术的激光干涉仪测量原理图。
图2是本发明示例性实施例的大长度导轨直线度测量系统示意图。
图3是图2所示的测量系统光路示意图。
图4是本发明示例性实施例的大长度导轨直线度测量流程图。
图5是第一段导轨通过端点法拟合的偏移量dn与测量点位置关系示意图。
图6是第二段导轨通过端点法拟合的偏移量dn与测量点位置关系示意图。
图7是整段导轨通过端点法拟合的偏移量dn与测量点位置关系示意图。
图8是整段导轨通过最小二乘法拟合的偏移量dn与测量点位置关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，以使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图2所示，本发明示例性实施例的大长度导轨直线度测量系统包括导轨1、运动平台2、固定台架3及配套夹具、多个磁力表座4及配套夹具、第一激光干涉仪5、第一干涉镜组51、第一反射镜组52、第二激光干涉仪6、第二干涉镜组61和第二反射镜组62。
其中，固定台架3设置在导轨1的表面上，第一激光干涉仪5和第二激光干涉仪6平行布置在固定台架3的表面上，第一激光干涉仪5和第二激光干涉仪6配置为沿导轨1的x方向发射激光，使得激光沿导轨的长度方向出射，并作为导轨直线度测量的理想直线；运动平台2布置在导轨1的表面上，可沿导轨1来回移动，运动平台2的表面上设置有两个磁力表座4，一磁力表座4上安装有第一反射镜组52，另一磁力表座4上安装有第二反射镜组62，第一反射镜组52和第二反射镜组62位于同一直线上；第一反射镜组52与磁力表座4通过夹具固定，第一反射镜组52的光学中心与第一激光干涉仪5的光学中心位于同一直线上，第一干涉镜组51设置在第一反射镜组52、第一激光干涉仪5之间，第一干涉镜组51的光学中心与第一反射镜组52的光学中心、第一激光干涉仪5的光学中心位于同一直线上，第一干涉镜组51通过磁力表座4配套的夹具与磁力表座4固定；第二反射镜组62与磁力表座4通过夹具固定，第二反射镜组62的光学中心与第二激光干涉仪6的光学中心位于同一直线上，第二干涉镜组61设置在第二反射镜组62、第二激光干涉仪6之间，第二干涉镜组61的光学中心与第二反射镜组62的光学中心、第二激光干涉仪6的光学中心位于同一直线上，以减小测量误差，提高测量的准确性，第二干涉镜组61通过磁力表座4配套的夹具与磁力表座4固定。
参考图3，第一激光干涉仪5中集成有激光源1和探测器1，第一干涉镜组51中集成有第一分光镜和第一反射镜，第一反射镜组52中集成有第二反射镜，第一反射镜、第二反射镜均为双平面反射镜；第二激光干涉仪6中集成有激光源2和探测器2，第二干涉镜组61中集成有第二分光镜和第三反射镜，第二反射镜组62中集成有第四反射镜和第五反射镜，第三反射镜、第五反射镜为双平面反射镜。
第一激光干涉仪5的激光源1发出的光束作为输入光束1输入到第一干涉镜组51中，在第一分光镜的作用下分成两束光；一束作为参考光束1经由第一反射镜反射，回到第一分光镜；另一束作为测量光束1经由第二反射镜反射，回到第一分光镜；参考光束1和测量光束1在第一分光镜的作用下合成叠加光束1，叠加光束1入射到探测器1中；运动平台2在x方向上移动，带动第一反射镜组52在x方向产生位移，探测器1根据光信号的变化情况计算出干涉条纹的数目和强度，并将计算结果传输到计算机中，经过计算机的运算即可获得第一反射镜组52的位移变化数据。
第二激光干涉仪6的激光源2发出的光束作为输入光束2输入到第二干涉镜组61中，在第二分光镜的作用下分成两束光；一束作为参考光束2经由第三反射镜反射，回到第二分光镜；另一束作为测量光束2经由第四反射镜反射，光路改沿y方向传输，沿y方向传输的测量光束2经由第五反射镜反射，回到第四反射镜，经由第四反射镜的反射作用，光路又改沿x方向传输；第四反射镜反射的测量光束2回到第二分光镜，与参考光束2在第二分光镜的作用下合成叠加光束2，叠加光束2入射到探测器2中；运动平台2在y方向的偏移(即偏离理想光路直线)带动第二反射镜组62在y方向产生位移(偏移范围较小，因此仍在第四反射镜的有效反射范围之内)，探测器2根据光信号的变化情况计算出干涉条纹的数目和强度，并将计算结果传输到计算机中，经过计算机的运算即可获得第二反射镜组62的位移变化数据。
参考图2，运动平台2沿导轨1的x方向运动，带动第一反射镜组52和第二反射镜组62同时沿x方向运动，在运动平台2沿导轨1的x方向运动的过程中，由于导轨本身误差等原因，并非沿着理想直线移动，因此会在y方向上产生相对位移，通过第一激光干涉仪5测得x方向上的位移，第二激光干涉仪6测得y方向上的位移，进而测得水平方向(xy平面内)的直线度。在其他实施方式中，还可以将第二激光干涉仪6、第二干涉镜组61和第二反射镜组62向同一方向旋转90度，从而同时测得导轨x方向、z方向上的位移，实现对垂直方向(xz平面内)直线度的测量。
在进一步优选的实施方式中，可以通过增设第三激光干涉仪，与第三激光干涉仪配套的第三干涉镜组和第三反射镜组来同时测量x、y、z方向上的位移，进而同时测得导轨水平方向、垂直方向的直线度。第三激光干涉仪设置在固定台架3上，与第二激光干涉仪6平行；第三反射镜组的结构与第二反射镜组62的结构相同，第三反射镜组安装在运动平台2上，与第二反射镜组62平行；第三干涉镜组安装在导轨1上，与第二干涉镜组61平行；第三干涉镜组位于第三激光干涉仪和第三反射镜组之间，第三激光干涉仪的光学中心与第三干涉镜组的光学中心、第三反射镜组的光学中心位于同一直线上。通过移动运动平台2，即可同时测得x、y、z方向上的位移。
采用本发明示例性实施例的大长度导轨直线度测量系统进行大长度导轨直线度测量的方法如图4所示，主要包括以下步骤：
搭建测量平台
根据待测导轨的长度及测量精度要求，选择激光干涉仪作为直线度测量的主标准器，将固定台架3和运动平台2安装在导轨1的表面上，将第一激光干涉仪5和第二激光干涉仪6平行布置在固定台架3上；在导轨1上安装第一干涉镜组51和第二干涉镜组61，在运动平台2上安装第一反射镜组52和第二反射镜组62，第一干涉镜组51、第一反射镜组52、第二干涉镜组61、第二反射镜组62均通过磁力表座4及配套的夹具固定；调节磁力表座4的位置，使第一激光干涉仪5、第一干涉镜组51、第一反射镜组52处于同一直线上，第二激光干涉仪6、第二干涉镜组61、第二反射镜组62处于同一直线上；调节磁力表座4上的夹具，使第一激光干涉仪5、第一干涉镜组51、第一反射镜组52的光学中心处于同一直线上，第二激光干涉仪6、第二干涉镜组61、第二反射镜组62的光学中心处于同一直线上，使得干涉镜组、反射镜组可以接收或反射激光干涉仪中激光源发出的激光，激光经过干涉镜组、反射镜组作用可以回到激光干涉仪中，并被探测器接收。
当同时测量水平直线度和垂直直线度时，在导轨上增设第三激光干涉仪、与第三激光干涉仪配套的第三干涉镜组和第三反射镜组，在固定台架3上安装第三激光干涉仪、导轨1上安装第三干涉镜组、运动平台2上安装第三反射镜组，将第三干涉镜组安装在第三激光干涉仪和第三反射镜组之间，并使第三激光干涉仪、第三干涉镜组和第三反射镜组位于同一直线上，第三干涉镜组与第二干涉镜组61位于同一直线上，第三反射镜组与第二反射镜组62位于同一直线上。
调整测量平台
在测量平台搭建完成后，通过调整固定台架3上的夹具，调整两台激光干涉仪的方向，使激光干涉仪的激光光路与大长度直线导轨的运动方向保持一致，激光干涉仪发出的激光作为大长度导轨直线度测量的参考直线。
采集数据
根据待测导轨的长度确定测量距离、测量方式，当待测导轨长度大于30m时，采用整段测量或分段测量方式测量导轨直线度，当采用分段测量方式测量时，每段测量距离范围为0～30m；测量距离确定后，确定采样频率，根据导轨的长度确定采样点数，采样点数过少，则采集的数据较少(例如导轨长30m，采样点数为3个)，会增大导轨直线度测量误差，影响测量准确性，采样点过多，则采集的数据较多(例如导轨长30m，采样点数为200个)，会增大测量难度和数据处理的难度；采样间隔可均等，也可不均等。根据采集的数据处理方式，当采用分段测量方式测量导轨直线度时，第一段导轨与第二段导轨可以有重复测量部分。例如：对50m长导轨的直线度进行测量时，第一段测量距离为30m，第二段测量距离为25m，第二段导轨与第一段导轨有5m的重复测量部分，采用等距方式确定第一段、第二段采样间隔，采样间隔为1m，对第一段、第二段导轨连续采样，第一段采样点数为31个，第二段采样点数为26个。
采样点数确定之后，开启第一激光干涉仪5和第二激光干涉仪6，预热5～10min后，采集导轨的水平直线度数据；将运动平台2沿导轨1的x方向移动到第一个测量点位置处，根据第一激光干涉仪5的读数确定采样点在x方向的准确位置，并读取该位置处第二激光干涉仪6的读数，从而获取第1组x、y方向的位移数据；采集后将运动平台2依次移动到其他测量点位置处进行采样，采集其他组x、y方向的位移数据，直至采集完成。
当采用分段测量方式测量导轨的水平直线度时，先采集第一段导轨的直线度数据，将运动平台2沿导轨1的x方向移动到第一个测量点位置处，根据第一激光干涉仪5的读数确定采样点在x方向的准确位置，并读取该位置处第二激光干涉仪6的读数，从而获取第1组x、y方向的位移数据；采集后将运动平台2依次移动到其他测量点位置处进行采样，采集其他组x、y方向的位移数据，直至采集完成；第一段导轨的直线度数据采集完成后，为确保测量人员的安全，旋动第一激光干涉仪5和第二激光干涉仪6的遮光罩，遮盖激光，将运动平台2沿x的反方向移动3～5m，保持运动平台2不动，沿导轨1的x方向移动第一干涉镜组51、第二干涉镜组61，使第一干涉镜组51和第一反射镜组52的相对位置关系、第二干涉镜组61和第二反射镜组62的相对位置关系与测量第1组数据时的相对位置关系保持一致；保持一致后，再次旋动遮光罩，使激光沿导轨长度方向出射，采用与第一段导轨相同的测量方式采集第二段导轨的直线度数据。例如：对50m导轨的直线度测量过程中，以第一激光干涉仪5的测量数据作为采样点的选取依据，获取对应的第二激光干涉仪6的读数，第一段导轨等间隔采样的具体数值如表1所示。
表1第一段导轨采样点位置与激光干涉仪读数
Figure BDA0003554634140000121
表1对应的偏移量dn与测量点位置的关系如图5所示。
测量垂直直线度时，将第二激光干涉仪6、第二干涉镜组61和第二反射镜组62向同一方向旋转90度，采用与采集x、y方向位移数据相同的方式采集x、z方向的位移数据。同时采集x、y、z方向的数据时，开启第三激光干涉仪，沿导轨1的x方向依次移动运动平台2，即可同时测量水平直线度、垂直直线度。
分析采集的数据
采用端点法或最小二乘法分析采集的数据，当采用整段测量方式测量导轨的直线度时，端点法的直线方程为：y＝kx+b(x表示第一反射镜组沿导轨长度方向的位移，y表示第二反射镜组沿导轨宽度方向的位移)，根据第1组测量点坐标(x1,y1)和最后一组测量点坐标(xn,yn)，直线方程又可表示为：
Figure BDA0003554634140000131
根据直线方程计算
Figure BDA0003554634140000132
根据测量点(xn,yn)到直线的距离dn＝yn-(kxn+b)，求出各测量点的偏移量，从而得到直线度H＝d(max)-d(min)，当n为端点时，d＝0。
当采用分段测量方式测量导轨直线度、并采用端点法拟合直线时，分别求出第一段、第二段导轨的直线，将第二段与第一段重复测量部分的数据进行最小二乘拟合成一个函数，并将第二段数据拟合到重复部分的函数中，将第一段数据与第二段拟合的数据合并后，重复采用端点法相关公式得到整条导轨的直线度值。
根据表1的数据，为了直观展示计算结果且不改变直线的斜率，可以将测量点位置序号作为x方向坐标的值，以第1组数据为直线的首端点，取(x1＝1，y1＝-0.0003)，第31组数据为直线的末端点，取(x31＝31，y31＝29999.5286)，求得第一段导轨的直线方程为：y＝999.9843x-999.9846。参考图5，测量点偏移量的最大值为0.2654mm，为第19个测量点的偏移量；测量点偏移量的最小值为-0.0864mm，为第7个测量点的偏移量；直线度H＝0.3517mm。第二段导轨的偏移量dn与测量点位置的关系如图6所示，直线度H＝0.1288mm，直线方程为y＝1000.0203x-1000.0203。
第二段与第一段重复测量部分的数据如表2所示，采用最小二乘法将(0，1000.0203，2000.037，3000.0523，4000.0667，5000.0785)拟合到(24999.7178，25999.6812，26999.6461，27999.6075，28999.5734，29999.5286)中，重复采用端点法形成的直线方程为y＝999.9780x-999.9783，整段导轨的直线度H＝0.4277mm，偏移量dn与测量点位置的关系如图7所示。
表2第一段、第二段导轨重复测量部分采样点位置与激光干涉仪读数
Figure BDA0003554634140000141
采用最小二乘法拟合直线时，测量值偏差的加权平方和D最小。最小二乘法拟合的直线为：y＝kx+b，测量点(xi,yi)到直线的距离di为：di＝yi-(kxi+b)，测量值偏差的加权平方和
Figure BDA0003554634140000142
对k、b进行偏微分求解：
Figure BDA0003554634140000143
Figure BDA0003554634140000144
整理得：
Figure BDA0003554634140000145
Figure BDA0003554634140000146
求解
Figure BDA0003554634140000147
最小二乘法拟合的直线方程为：y＝999.9779x-999.8123，直线度H＝0.4280mm，偏移量dn与测量点位置的关系如图8所示。
以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于大长度导轨直线度测量的方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一：根据待测导轨的长度及测量精度要求，选择激光干涉仪作为直线度测量的主标准器，搭建测量平台；将固定台架(3)和运动平台(2)安装在导轨(1)的表面上，将第一激光干涉仪(5)、第二激光干涉仪(6)平行布置在固定台架(3)上，在导轨(1)上安装第一干涉镜组(51)和第二干涉镜组(61)，在运动平台(2)上安装第一反射镜组(52)和第二反射镜组(62)；调节磁力表座(4)的位置，使第一激光干涉仪(5)、第一干涉镜组(51)、第一反射镜组(52)处于同一直线上，第二激光干涉仪(6)、第二干涉镜组(61)、第二反射镜组(62)处于同一直线上；
步骤二：调整测量平台；调整固定台架(3)上的夹具，调整激光干涉仪的方向，使激光干涉仪的激光光路与大长度直线导轨的运动方向保持一致；
步骤三：采集数据；根据待测导轨的长度确定测量距离、采样点数和采样间隔；开启激光干涉仪，将运动平台(2)沿导轨x方向移动到第一个测量点位置处，读取第一激光干涉仪(5)、第二激光干涉仪(6)的读数，获取第1组x、y方向的位移数据；将运动平台(2)沿导轨x方向依次移动到其他测量点位置处，采集其他组x、y方向的位移数据，直至采集完成；
步骤四：分析采集的数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一中，在固定台架(3)上安装第三激光干涉仪、导轨(1)上安装第三干涉镜组，将第三干涉镜组安装在第三激光干涉仪和第三反射镜组之间，第三干涉镜组与第二干涉镜组(61)位于同一直线上，在运动平台(2)上安装第三反射镜组，第三反射镜组与第二反射镜组(62)位于同一直线上，第三激光干涉仪、第三干涉镜组和第三反射镜组位于同一直线上。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三中，当待测导轨长度大于30m时，采用整段测量或分段测量方式测量导轨直线度；采用分段测量方式测量导轨直线度时，每段导轨测量的距离范围为0～30m。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤三中，采用整段测量方式测量导轨直线度时，将运动平台(2)沿导轨x方向移动到第一个测量点位置处，读取第一激光干涉仪(5)、第二激光干涉仪(6)的读数，获取第1组x、y方向的位移数据；将运动平台(2)沿导轨x方向依次移动到其他测量点位置处，采集其他组x、y方向的位移数据，直至采集完成。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤三中，采用分段测量方式测量导轨直线度时，先采集第一段导轨直线度数据，采集后旋动激光干涉仪的遮光罩以遮盖激光，将运动平台(2)沿x的反方向移动3～5m，沿导轨(1)的x方向移动第一干涉镜组(51)、第二干涉镜组(61)，使第一干涉镜组(51)和第一反射镜组(52)的相对位置关系、第二干涉镜组(61)和第二反射镜组(62)的相对位置关系与测量第1组数据时的相对位置关系保持一致；再次旋动遮光罩，使激光沿导轨长度方向出射，采用与第一段导轨相同的方法采集第二段导轨的直线度数据。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三中，测量垂直直线度时，将第二激光干涉仪(6)、第二干涉镜组(61)和第二反射镜组(62)向同一方向旋转90度，采用与采集x、y方向位移数据相同的方式采集x、z方向的位移数据。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤四中，采用端点法和\或最小二乘法拟合直线；采用端点法拟合直线时，第1组数据为直线的首端点，最后一组数据为直线的末端点，计算直线方程；采用端点法拟合分段测量的数据时，分别求出第一段、第二段直线，将第一段与第二段重复测量的数据采用最小二乘法拟合，拟合后重复采用端点法拟合整条直线。
8.一种用于大长度导轨直线度测量的系统，其特征在于，所述系统包括导轨(1)、运动平台(2)、固定台架(3)及配套夹具、多个磁力表座(4)及配套夹具、第一激光干涉仪(5)、第一干涉镜组(51)、第一反射镜组(52)、第二激光干涉仪(6)、第二干涉镜组(61)和第二反射镜组(62)；
其中，所述固定台架(3)设置在导轨(1)的表面上，所述第一激光干涉仪(5)和第二激光干涉仪(6)平行布置在固定台架(3)的表面上，第一激光干涉仪(5)和第二激光干涉仪(6)配置为沿导轨(1)的x方向发射激光；
所述运动平台(2)布置在导轨(1)的表面上，所述第一反射镜组(52)、第二反射镜组(62)通过磁力表座(4)及配套夹具安装在运动平台(2)上，所述第一反射镜组(52)、第二反射镜组(62)位于同一直线上；
所述第一干涉镜组(51)设置在第一激光干涉仪(5)和第一反射镜组(52)之间，与第一激光干涉仪(5)、第一反射镜组(52)位于同一直线上；所述第二干涉镜组(61)设置在第二激光干涉仪(6)和第二反射镜组(62)之间，与第二激光干涉仪(6)、第二反射镜组(62)位于同一直线上。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第一激光干涉仪(5)中集成有激光源和探测器，第一干涉镜组(51)中集成有第一分光镜和第一反射镜，第一反射镜组(52)中集成有第二反射镜，所述第一反射镜、第二反射镜均为双平面反射镜；所述第二激光干涉仪(6)中集成有激光源和探测器，所述第二干涉镜组(61)中集成有第二分光镜和第三反射镜，第二反射镜组(62)中集成有第四反射镜和第五反射镜，所述第三反射镜、第五反射镜为双平面反射镜。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统还包括第三激光干涉仪、第三干涉镜组和第三反射镜组，所述第三反射镜组与第二反射镜组(62)的结构相同；所述第三激光干涉仪设置在固定台架(3)上，与第二激光干涉仪(6)平行；所述第三反射镜组安装在运动平台(2)上，与第二反射镜组(62)平行；所述第三干涉镜组安装在导轨(1)上，与第二干涉镜组(61)平行；所述第三干涉镜组位于第三激光干涉仪和第三反射镜组之间，所述第三激光干涉仪、第三干涉镜组、第三反射镜组位于同一直线上。
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