CN114719753A - 运动承载导轨的六自由度误差检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种运动承载导轨的六自由度误差检测系统，由激光器、误差检测镜组、四象限传感器组和可调角锥棱镜构成；误差检测镜组和四象限传感器组固定安装在被测导轨上构成检测模块，激光器和可调角锥棱镜固定安装在机架上，且分设在检测模块的两侧，激光器出射的基准测量光在经过误差检测镜组之后入射至角锥棱镜，再返射至误差检测镜组作为参考测量光；基准测量光和参考测量光经在检测模块中经分离、干涉和解析获得被测导轨的六自由度误差。本发明利用光斑检测法和干涉检测法实现了导轨六自由度误差的同时检测，具有光路简单、抗干扰性强的优点，提高了导轨六自由度误差检测的精度。
Description
技术领域
本发明涉及导轨六自由度误差精密检测，尤其是涉及一种运动承载导轨的六自由度误差检测系统，用于同时检测导轨六自由度误差。
背景技术
在精密加工和测量技术领域中，作为主要运动承载工具的导轨对加工和测量的精度起着决定性的作用。为保证轴向运动精度，确定导轨运动中的各项误差，因此要对导轨的六自由度误差进行检测。目前六自由度测量方法主要分为接触式测量和非接触式测量两种，接触式测量方法多数采用坐标测量机和机械臂跟随系统进行测量，但由于导轨本身运动时的振动和接触测量时接触力的影响，接触式测量无法满足高精度测量需求。非接触式测量方法主要分为光学测量、声波测量和电磁测量，对于运作中的加工导轨，光学测量的动态性能明显优于另外两种测量方法，但由于测量导轨的六自由度误差的同时性需要，光学测量方法往往含有复杂的镜组，不仅增加了制造成本，而且装调步骤繁琐，对环境要求较高。因此目前缺少一种光学结构简单、可同时测量导轨六自由度误差的检测方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可同时检测导轨六自由度误差的方法和装置，同时具有光学结构简单和六自由度误差检测同时性的优点。尤其针对导轨的六自由度误差检测，满足在动态性能要求高、测量精度要求高的场景需求，实现六自由度误差同时检测，减少检测装置成本，为导轨误差补偿和检修工作提供准确的指导意见。
本发明为实现发明目的采用如下技术方案：
本发明运动承载导轨的六自由度误差检测系统的特点是：所述检测系统是由激光器、误差检测镜组、四象限传感器组和可调角锥棱镜构成；
所述误差检测镜组和四象限传感器组固定安装在被测导轨上构成检测模块，所述激光器和可调角锥棱镜固定安装在机架上，且分设在检测模块的两侧，由所述激光器出射的基准测量光在经过误差检测镜组之后入射至角锥棱镜，再由所述角锥棱镜返射至误差检测镜组作为参考测量光；
所述基准测量光和参考测量光经在所述检测模块中经分离、干涉和解析获得被测导轨的六自由度误差。
本发明运动承载导轨的六自由度误差检测系统的特点也在于：
建立三维坐标系O-XYZ：是以被测导轨横截面的几何中心为坐标原点，沿被测导轨的运动方向为X轴向，且朝向角锥棱镜所在一侧为X轴正向，在所述导轨横截面中，水平方向为Y轴方向，与XOY面垂直的方向为Z轴方向，在导轨横截面上形成YOZ面；
所述误差检测镜组中的第一分光镜、第一偏振分光镜和第二分光镜沿X轴正向依次排列为第一行镜组；误差检测镜组中的干涉棱镜组和第三分光镜沿X轴正向排列为第二行镜组，所述第二分光镜和第三分光镜在沿Y轴向间隔设置，所述第二分光镜和角锥棱镜在沿X轴向间隔设置；
由激光器出射的基准测量光经第一分光镜反射形成第一反射光束，并经第一分光镜透射形成第一透射光束；所述第一透射光束经第一偏振分光镜反射形成第二反射光束，并经第一偏振分光镜透射形成第二透射光束，所述第二反射光束和第二透射光束的偏振方向正交；所述第二透射光束经第二分光镜反射形成第三反射光束，并经第二分光镜透射形成第三透射光束；所述第三透射光束入射角锥棱镜，并经所述射角锥棱镜以平行光返回形成参考测量光，所述参考测量光经第三分光镜反射形成第四反射光束，并经第三分光镜透射形成第四透射光束；
所述四象限传感器包括第一四象限传感器、第二四象限传感器和第三四象限传感器；
所述第一反射光束经聚焦透镜成像在第一四象限传感器上为第一测量信号；
所述第三反射光束成像在第二四象限传感器上为第二测量信号；
所述第四反射光束成像在第三四象限传感器上为第三测量信号；
所述第二反射光束和第四透射光束汇聚于干涉棱镜组形成的干涉信号为第四测量信号；
依据所述第一测量信号获得被测导轨绕Y轴旋转产生的俯仰角误差α和绕Z轴旋转产生的偏摆角误差β；
依据所述第二测量信号和第三测量信号之间的差分信号，以及第二分光镜与第三分光镜之间的Y轴向距离获得被测导轨绕X轴旋转产生的滚转角误差γ；
依据所述第二测量信号获得被测导轨沿Y轴移动产生的Y轴向直线度误差εy；
依据所述第三测量信号获得被测导轨沿Z轴移动产生的Z轴向直线度误差εz；
依据所述第四测量信号获得被测导轨沿X轴移动产生的X轴向直线度误差εx；
本发明运动承载导轨的六自由度误差检测系的特点也在于：
所述俯仰角误差α由式(1)计算获得：
所述偏摆角误差β由式(2)计算获得：
所述滚转角误差γ由式(3)计算获得：
其中：
f为聚焦透镜的焦距；
z1为第一传感器上光斑在Z轴向的位移值；
x1为第一传感器上光斑在X轴向的位移值；
z2为第二传感器上光斑在Z轴向的位移值；
z3为第三传感器上光斑在Z轴向的位移值；
Δy为第二分光镜和第三分光镜在沿Y轴向上的设定距离；
所述Y轴向直线度误差εy由式(4)计算获得：
所述Z轴向直线度误差εz由式(5)计算获得：
所述X轴向直线度误差εx由式(6)计算获得：
εy＝k1x2 (4)
εz＝k2z3 (5)
εx＝k3Δx (6)
其中：
x2为第二传感器上光斑在Y轴向的位移值；
k1为通过标定实验获得的Y轴直线度误差εy与x2之间的比例系数；
z3为第三传感器上光斑在Z轴向的位移值；
k2为通过标定实验获得的Z轴直线度误差εz与z3之间的比例系数；
Δx为干涉棱镜组测得的光程差；
k3为通过标定实验获得的X轴直线度误差εx与Δx之间的比例系数；
本发明运动承载导轨的六自由度误差检测系统的特点也在于：按如下步骤完成检测系统的初步调整：
步骤1、调整激光器的设定位置使所述基准测量光经第一分光镜、第一偏振分光镜和第二分光镜的光学中心；
步骤2、调整第二传感器的设定位置，使其接收到的光斑位于第二传感器的中心；
步骤3、调整角锥棱镜的设定位置，使干涉棱镜组能够接收到干涉信号；
步骤4、调整第一传感器和第三传感器的设定位置，使各自接收到的光斑位于各自的中心。
本发明运动承载导轨的六自由度误差检测系统的特点也在于：
调整聚焦透镜的焦距，并随之调整第一传感器的设定位置，以获得针对俯仰角误差α和偏摆角误差β的设定检测精度和设定检测范围；
调整第二分光镜和第三分光镜在沿Y轴向上的设定距离Δy，以获得针对滚转角误差γ的设定检测精度；
调整第二分光镜和角锥棱镜之间在沿X轴向上的设定距离，以获得针对X轴向直线位移误差的设定检测范围。
本发明运动承载导轨的六自由度误差检测系统的特点也在于：所述四象限传感器组中各传感器或为位置敏感检测传感器PSD。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明检测系统光学结构简单、装调简单，检测效率高和环境抗干扰性强；
2、本发明检测系统中采用三个传感器实现导轨六自由度误差的同时检测，极大地降低了六自由度误差检测成本；
3、本发明检测系统针对滚转角误差γ采用第二测量信号与第三测量信号的差分信号进行计算，有效提高了测量精度。
附图说明
图1为本发明检测系统光路结构示意图；
图2a为本发明方法中关于俯仰角误差的测量光路图；
图2b为本发明方法中关于偏摆角误差的测量光路图；
图3为本发明方法中滚转角误差测量光路图；
图4a为本发明方法中沿Y向直线度误差测量光路图；
图4b为本发明方法中沿Z向直线度误差测量光路图；
图中标号：1激光器，2聚焦透镜，3第一分光镜，4第一偏振分光镜，5第二分光镜，6第三分光镜，7第一四象限传感器，8第二四象限传感器，9第三四象限传感器，10干涉棱镜组，11角锥棱镜，12导轨，a1第一反射光束，b1第一透射光束，a2第二反射光束，b2第二透射光束，a3第三反射光束，b3第三透射光束，a4第四反射光束，b4第四透射光束。
具体实施方式
本实施例中运动承载导轨的六自由度误差检测系统是由激光器1、误差检测镜组、四象限传感器组和可调角锥棱镜11构成。
如图1所示，误差检测镜组和四象限传感器组固定安装在被测导轨12上构成检测模块，激光器1和可调角锥棱镜11固定安装在机架上，且分设在检测模块的两侧，由激光器1出射的基准测量光在经过误差检测镜组之后入射至角锥棱镜11，再由角锥棱镜11返射至误差检测镜组作为参考测量光。
基准测量光和参考测量光经在检测模块中经分离、干涉和解析获得被测导轨12的六自由度误差。
具体实施中，固定激光器1和角锥棱镜11的机架基准面相对静止，以避免其它震动对检测系统的干扰，固定激光器1和角锥棱镜11的机架可以采用同一基准面，遵循基准面一致的原则，以此避免因基准不一致引起测量误差。
建立三维坐标系O-XYZ：是以被测导轨横截面的几何中心为坐标原点，沿被测导轨的运动方向为X轴向，且朝向角锥棱镜所在一侧为X轴正向，在所述导轨横截面中，水平方向为Y轴方向，与XOY面垂直的方向为Z轴方向，在导轨横截面上形成YOZ面；
被测导轨12的六自由度误差分别为：沿X轴向的直线度误差为εx；沿Y轴轴向的直线度误差为εy；沿Z轴向的直线度误差为εz；绕Y轴旋转产生的俯仰角误差为α；绕Z轴旋转产生的偏摆角误差为β；绕X轴旋转产生的滚转角误差为γ。
误差检测镜组中的第一分光镜3、第一偏振分光镜4和第二分光镜5沿X轴正向依次排列为第一行镜组；误差检测镜组中的干涉棱镜组10和第三分光镜6沿X轴正向排列为第二行镜组，第二分光镜5和第三分光镜6在沿Y轴向间隔设置，第二分光镜5和角锥棱镜11在沿X轴向间隔设置。
由激光器1出射的基准测量光经第一分光镜3反射形成第一反射光束a1，并经第一分光镜3透射形成第一透射光束b1；第一透射光束b1经第一偏振分光镜4反射形成第二反射光束a2，并经第一偏振分光镜4透射形成第二透射光束b2，第二反射光束a2和第二透射光束b2的偏振方向正交；第二透射光束b2经第二分光镜5反射形成第三反射光束a3，并经第二分光镜5透射形成第三透射光束b3；第三透射光束b3入射角锥棱镜11，并经射角锥棱镜11以平行光返回形成参考测量光，参考测量光经第三分光镜6反射形成第四反射光束a4，并经第三分光镜6透射形成第四透射光束b4。
四象限传感器包括第一四象限传感器7、第二四象限传感器8和第三四象限传感器9；第一反射光束a1经聚焦透镜2成像在第一四象限传感器7上为第一测量信号；第三反射光束a3成像在第二四象限传感器8上为第二测量信号；第四反射光束a4成像在第三四象限传感器9上为第三测量信号；第二反射光束a2和第四透射光束b4汇聚于干涉棱镜组10形成的干涉信号为第四测量信号。
干涉棱镜组10为解析干涉信号的整体模块。干涉棱镜组10的输入为偏振方向正交的、频率相同的、含有设定光程差的两束光线，输出为四个相位差为90°的电流信号，通过对四个电流信号进行信号处理，可得到两束光线的光程差。
依据第一测量信号获得被测导轨绕Y轴旋转产生的俯仰角误差α和绕Z轴旋转产生的偏摆角误差β；
依据第二测量信号和第三测量信号之间的差分信号，以及第二分光镜5与第三分光镜6之间的Y轴向距离获得被测导轨绕X轴旋转产生的滚转角误差γ；
依据第二测量信号获得被测导轨沿Y轴移动产生的Y轴向直线度误差εy；
依据第三测量信号获得被测导轨沿Z轴移动产生的Z轴向直线度误差εz；
依据第四测量信号获得被测导轨沿X轴移动产生的X轴向直线度误差εx。
开始测量前需对检测装置进行调零。首先调整图1所示的处在被测导轨12左端一侧的激光器1，使基准测量光经过第一行镜组的光学中心，确保基准测量光无偏斜角，不影响六自由度误差测量结果；然后，调整处在被测导轨12右端一侧的角锥棱镜11，使干涉棱镜组10能够接收到干涉信号；最后，微调三个四象限传感器，使各自的成像光斑都位于各自的中心处，此时，第一、二、三、四测量信号都为零，即可开启被测导轨12的六自由度误差测量程序。
如图2a所示，当被测导轨12含有绕Y轴旋转的俯仰角误差α时，第一反射光束a1会随之绕X轴旋转，与Y轴向方向产生夹角，经聚焦透镜2后，在第一四象限传感器7的光斑产生Z轴向位移z1；如图2b所示，当被测导轨含有绕Z轴旋转的偏摆角误差β时，第一反射光束会随着绕Z轴旋转，与Y轴向方向产生夹角，经聚焦透镜2后，在第一四象限传感器7的光斑产生X轴向位移x1；如图3所示，当被测导轨12含有绕X轴旋转的滚转角误差γ时，第三反射光束a3和第四反射光束a4均会绕X轴向旋转，与Y轴向产生夹角，在第二四象限传感器8、第三四象限传感器9上的光斑产生沿Z轴向的位移分别为z2和z3，已知第二四象限传感器8与第三四象限传感器9之间的Y向轴向距离为Δy。
俯仰角误差α由式(1)计算获得：
偏摆角误差β由式(2)计算获得：
滚转角误差γ由式(3)计算获得；
其中：
f为聚焦透镜2的焦距；z1为第一传感器7上光斑在Z轴向的位移值；x1为第一传感器7上光斑在X轴向的位移值；z2为第二传感器8上光斑在Z轴向的位移值；z3为第三传感器9上光斑在Z轴向的位移值；Δy为第二分光镜5和第三分光镜6在沿Y轴向上的设定距离。
如图4a所示，当被测导轨12含沿Y轴向直线度误差εy时，第三反射光束a3会产生沿X轴向的平移，在第二四象限传感器8上的光斑因此产生沿X轴向的位移x2；如图4b所示，当被测导轨12含沿Z轴向直线度误差εz时，第四反射光束(a4)产生沿Z轴向的平移，在第三四象限传感器9上的光斑因此产生沿Z轴向的位移z3；εy与x2之间的比例系数k1和εz与z3之间的比例系数k2由标定实验得到；如图1所示，基准测量光经第一分光镜3、第一偏振分光镜4汇聚至干涉棱镜组10中的光程为λ1，基准测量光经第一分光镜3、第一偏振分光镜4、第二分光镜5、角锥棱镜11、第三分光镜6汇聚至干涉棱镜组10中的光程程差为λ2，λ2与λ1之间的初始光程差为ψ1。当被测导轨12含沿X轴向直线度误差εx时，，λ1增大，λ2减小，二者的光程差为ψ2，两次光程差之间的变化量为Δx，Δx可由干涉棱镜组10所得的干涉信号得到，εx与Δx之间的比例系数k3由标定实验得到。
Y轴向直线度误差εy由式(4)计算获得，Z轴向直线度误差εz由式(5)计算获得，X轴向直线度误差εx由式(6)计算获得：
εy＝k1x2 (4)
εz＝k2z3 (5)
εx＝k3Δx (6)
其中：
x2为第二传感器8上光斑在Y轴向的位移值；k1为通过标定实验获得的Y轴直线度误差εy与x2之间的比例系数；z3为第三传感器9上光斑在Z轴向的位移值；k2为通过标定实验获得的Z轴直线度误差εz与z3之间的比例系数；Δx为干涉棱镜组10测得的光程差；k3为通过标定实验获得的X轴直线度误差εx与Δx之间的比例系数。
按如下步骤完成检测系统的初步调整：
步骤1、调整激光器1的设定位置使基准测量光经第一分光镜3、第一偏振分光镜4和第二分光镜5的光学中心；
步骤2、调整第二传感器8的设定位置，使其接收到的光斑位于第二传感器8的中心；
步骤3、调整角锥棱镜11的设定位置，使干涉棱镜组10能够接收到干涉信号；
步骤4、调整第一传感器7和第三传感器9的设定位置，使各自接收到的光斑位于各自的中心。
调整聚焦透镜2的焦距，并随之调整第一传感器7的设定位置，以获得针对俯仰角误差α和偏摆角误差β的设定检测精度和设定检测范围；
调整第二分光镜5和第三分光镜6在沿Y轴向上的设定距离Δy，以获得针对滚转角误差γ的设定检测精度；
调整第二分光镜5和角锥棱镜11之间在沿X轴向上的设定距离，以获得针对X轴向直线位移误差的设定检测范围。
四象限传感器组中各传感器或为位置敏感检测传感器PSD。
最后应说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；可以参考上述各实例对本发明的各项特征进行等同替换，这些替换并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种运动承载导轨的六自由度误差检测系统，其特征是：所述检测系统是由激光器、误差检测镜组、四象限传感器组和可调角锥棱镜构成；所述误差检测镜组和四象限传感器组固定安装在被测导轨上构成检测模块，所述激光器和可调角锥棱镜固定安装在机架上，且分设在检测模块的两侧，由所述激光器出射的基准测量光在经过误差检测镜组之后入射至角锥棱镜，再由所述角锥棱镜返射至误差检测镜组作为参考测量光；所述基准测量光和参考测量光经在所述检测模块中经分离、干涉和解析获得被测导轨的六自由度误差。
2.根据权利要求1所述的运动承载导轨的六自由度误差检测系统，其特征是：
建立三维坐标系O-XYZ：是以被测导轨横截面的几何中心为坐标原点，沿被测导轨的运动方向为X轴向，且朝向角锥棱镜所在一侧为X轴正向，在所述导轨横截面中，水平方向为Y轴方向，与XOY面垂直的方向为Z轴方向，在导轨横截面上形成YOZ面；
所述误差检测镜组中的第一分光镜(3)、第一偏振分光镜(4)和第二分光镜(5)沿X轴正向依次排列为第一行镜组；误差检测镜组中的干涉棱镜组(10)和第三分光镜(6)沿X轴正向排列为第二行镜组，所述第二分光镜(5)和第三分光镜(6)在沿Y轴向间隔设置，所述第二分光镜(5)和角锥棱镜(11)在沿X轴向间隔设置；
由激光器(1)出射的基准测量光经第一分光镜(3)反射形成第一反射光束(a1)，并经第一分光镜(3)透射形成第一透射光束(b1)；所述第一透射光束(b1)经第一偏振分光镜(4)反射形成第二反射光束(a2)，并经第一偏振分光镜(4)透射形成第二透射光束(b2)，所述第二反射光束(a2)和第二透射光束(b2)的偏振方向正交；所述第二透射光束(b2)经第二分光镜(5)反射形成第三反射光束(a3)，并经第二分光镜(5)透射形成第三透射光束(b3)；所述第三透射光束(b3)入射角锥棱镜(11)，并经所述射角锥棱镜(11)以平行光返回形成参考测量光，所述参考测量光经第三分光镜(6)反射形成第四反射光束(a4)，并经第三分光镜(6)透射形成第四透射光束(b4)；
所述四象限传感器包括第一四象限传感器(7)、第二四象限传感器(8)和第三四象限传感器(9)；
所述第一反射光束(a1)经聚焦透镜(2)成像在第一四象限传感器(7)上为第一测量信号；
所述第三反射光束(a3)成像在第二四象限传感器(8)上为第二测量信号；
所述第四反射光束(a4)成像在第三四象限传感器(9)上为第三测量信号；
所述第二反射光束(a2)和第四透射光束(b4)汇聚于干涉棱镜组(10)形成的干涉信号为第四测量信号；
依据所述第一测量信号获得被测导轨绕Y轴旋转产生的俯仰角误差α和绕Z轴旋转产生的偏摆角误差β；
依据所述第二测量信号和第三测量信号之间的差分信号，以及第二分光镜(5)与第三分光镜(6)之间的Y轴向距离获得被测导轨绕X轴旋转产生的滚转角误差γ；
依据所述第二测量信号获得被测导轨沿Y轴移动产生的Y轴向直线度误差εy；
依据所述第三测量信号获得被测导轨沿Z轴移动产生的Z轴向直线度误差εz；
依据所述第四测量信号获得被测导轨沿X轴移动产生的X轴向直线度误差εx。
3.根据权利要求2所述的运动承载导轨的六自由度误差检测系，其特征是：
所述俯仰角误差α由式(1)计算获得：
所述偏摆角误差β由式(2)计算获得：
所述滚转角误差γ由式(3)计算获得；
其中：
f为聚焦透镜(2)的焦距；
z1为第一传感器(7)上光斑在Z轴向的位移值；
x1为第一传感器(7)上光斑在X轴向的位移值；
z2为第二传感器(8)上光斑在Z轴向的位移值；
z3为第三传感器(9)上光斑在Z轴向的位移值；
Δy为第二分光镜(5)和第三分光镜(6)在沿Y轴向上的设定距离；
所述Y轴向直线度误差εy由式(4)计算获得：
所述Z轴向直线度误差εz由式(5)计算获得：
所述X轴向直线度误差εx由式(6)计算获得；
εy＝k1x2 (4)
εz＝k2z3 (5)
εx＝k3Δx (6)
其中：
x2为第二传感器(8)上光斑在Y轴向的位移值；
k1为通过标定实验获得的Y轴直线度误差εy与x2之间的比例系数；
z3为第三传感器(9)上光斑在Z轴向的位移值；
k2为通过标定实验获得的Z轴直线度误差εz与z3之间的比例系数；
Δx为干涉棱镜组(10)测得的光程差；
k3为通过标定实验获得的X轴直线度误差εx与Δx之间的比例系数。
4.根据权利要求3所述的运动承载导轨的六自由度误差检测系统，其特征是：
按如下步骤完成检测系统的初步调整：
步骤1、调整激光器(1)的设定位置使所述基准测量光经第一分光镜(3)、第一偏振分光镜(4)和第二分光镜(5)的光学中心；
步骤2、调整第二传感器(8)的设定位置，使其接收到的光斑位于第二传感器(8)的中心；
步骤3、调整角锥棱镜(11)的设定位置，使干涉棱镜组(10)能够接收到干涉信号；
步骤4、调整第一传感器(7)和第三传感器(9)的设定位置，使各自接收到的光斑位于各自的中心。
5.根据权利要求4所述的运动承载导轨的六自由度误差检测系统，其特征是：
调整聚焦透镜(2)的焦距，并随之调整第一传感器(7)的设定位置，以获得针对俯仰角误差α和偏摆角误差β的设定检测精度和设定检测范围；
调整第二分光镜(5)和第三分光镜(6)在沿Y轴向上的设定距离Δy，以获得针对滚转角误差γ的设定检测精度；
调整第二分光镜(5)和角锥棱镜(11)之间在沿X轴向上的设定距离，以获得针对X轴向直线位移误差的设定检测范围。
6.根据权利要求1所述的运动承载导轨的六自由度误差检测系统，其特征是：
所述四象限传感器组中各传感器或为位置敏感检测传感器PSD。
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