CN114719787A - 一种基于平行光路的多自由度检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于平行光路的多自由度检测装置，由激光发射单元、激光接收单元和信号处理单元构成；激光发射单元固定设置在被测轴的前方，利用光束分束单元将经过准直的激光分成两路平行光束出射；激光接收单元与工作台随动，利用光电探测单元接收两束平行光，以感测直线度误差和角度误差；信号处理单元进行信号处理实现误差检测。本发明具有两路严格平行光束，光路简单，易于调整，能够实现包括两个直线度误差和三个角度误差在内的五个自由度测量，尤其是针对滚转角误差的测量无需进行误差补偿，兼顾长距离和大量程。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光精密测量技术，更具体地说是一种基于平行光路的多自由度检测装置，尤其适于长距离机床运动的多自由度误差或运动姿态的同时检测。
背景技术
数控机床、三坐标测量机等由于设计、零件加工、结构装配等过程不理想，使得整机在装配完成后存在几何误差，因此制约了其加工和测量精度。对数控机床、三坐标测量机进行几何误差检测及补偿，是保证机床和坐标测量机加工和测量精度的重要手段。
单轴运动平台存在沿运动方向的定位误差、垂直于运动方向的二维直线度误差(水平直线度误差和竖直直线度误差)、角度误差(俯仰角误差、偏摆角误差、滚转角误差)等六个自由度误差；现有技术中，主流几何误差测量方法包括：传统的千分尺直线度测量；激光干涉测量；激光准直测量，以及激光自准直测量。在兼具高精度、高可靠性的同时，如何实现多自由度误差同时测量，提高测量效率，是国内外机床检测行业聚焦解决的技术问题之一。
用于实现滚转角测量的多自由度测量系统是多自由度测量系统的难点，在已有的包括滚转角误差测量的多自由度测量系统中主要存在如下问题：
1、激光干涉仪搭配特定镜组用于实现滚转角测量，但不同几何误差量测量需搭配不同镜组，成本昂贵，光学系统复杂；
2、采用水平仪作为测角仪器用于实现水平面滚转角测量，但对于垂直运动轴无法进行测量，限制了系统进一步集成发展；
3、基于激光准直测量的平行光束法可以实现两个直线度误差及滚转角误差共三个自由度的测量，结合其它模组，可以完成多自由度测量，其结构简单，精度较高。但是，所涉及的两束平行光束采用分光棱镜等镜组分光产生，平行度难以保障，并由此对滚转测量带来了附加误差，限制了测量距离和量程。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种基于平行光路的多自由度检测装置，通过严格两路平行光束的平行度保证测量精度，实现包括滚转角在内的五自由度同时检测。
本发明为实现发明目的采用如下技术方案：
本发明基于平行光路的多自由度检测装置的特点是由激光发射单元、激光接收单元和信号处理单元构成；
所述激光发射单元固定设置在被测轴的前方，包括激光器、准直透镜和光束分束单元，所述光束分束单元包括：偏振分光棱镜、1/4波片、第一角锥棱镜和第二角锥棱镜；利用所述光束分束单元将经过准直的激光分成两路平行光束出射；
所述激光接收单元固定设置在被测轴工作台上，与工作台随动以感测运动中的工作台的几何误差，所述激光接收单元包括分光棱镜、聚焦透镜和光电探测单元，利用光电探测单元接收两束平行光，以感测包括两个直线度误差和三个角度误差在内的五个自由度误差；
所述信号处理单元包括下位机信号处理单元和上位机信号处理单元，利用下位机信号处理单元进行信号处理实现误差检测，利用上位机信号处理单元实现数据交互、显示和存储。
本发明基于平行光路的多自由度检测装置的特点也在于：
在所述激光发射单元中，偏振分光棱镜、1/4波片和第一角锥棱镜处在同一轴线，且1/4波片和第一角锥棱镜位于偏振分光棱镜的透射方向，第二角锥棱镜位于偏振分光棱镜的反射方向，由激光器发出的线偏振光经准直透镜准直为平行光源；
所述平行光源经偏振分光棱镜透射并经1/4波片入射第一角锥棱镜，在所述第一角锥棱镜中呈180°转折，再经1/4波片返回偏振分光棱镜，并经偏振分光棱镜反射形成第一测量光；
所述平行光源经偏振分光棱镜反射至第二角锥棱镜，并在第二角锥棱镜中呈180°转折，形成第二测量光；利用第一角锥棱镜和第二角锥棱镜对入射光束的180°转折保证第一测量光和第二测量光的平行度。
本发明基于平行光路的多自由度检测装置的特点也在于：所述激光接收单元中的光电探测单元为三个位置探测器，分别是第一位置探测器、第二位置探测器和第三位置探测器；所述第一位置探测器和第二位置探测器的光敏面处在同一平面的不同位置处，用于感测所述工作台的不同位置的直线度误差；其中：所述第一位置探测器用于接收第一测量光，用于感测第一位置探测器所处位置的工作台在水平方向和在竖直方向上的直线度误差；所述第二测量光经分光棱镜等强平分为两束，所述第二位置探测器接收分光棱镜的透射光，用于感测第二位置探测器所处位置的工作台在水平方向和竖直方向上的直线度误差；所述第三位置探测器和聚焦透镜位于分光棱镜的反射方向，且第三位置探测器在聚焦透镜焦平面处，用于感测工作台的俯仰角和偏摆角误差；通过对第一位置探测器和第二位置探测器测量获得的竖直方向的直线度误差进行差分获得工作台滚转角误差。
本发明基于平行光路的多自由度检测装置的特点也在于：
针对所述工作台建立O-XYZ坐标系，沿工作台运动方向为X轴，与X轴垂直且沿水平方向为Y轴，沿竖直方向为Z轴；绕Z轴旋转形成偏摆角误差，绕Y轴旋转形成俯仰角误差，绕X轴旋转形成滚转角误差；
由式(1)计算获得工作台的水平直线度误差ΔY1和竖直直线度误差ΔZ1：
由式(2)计算获得工作台的偏摆角误差Δα和俯仰角误差Δβ：
由式(3)计算获得工作台的滚转角误差Δγ：
其中：
Δy1为第一位置探测器上光斑沿Y轴的位移值；
k1为通过标定实验获得的水平直线度误差ΔY1与Δy1之间的比例系数；
Δz1为第一位置探测器上光斑沿Z轴的位移值；
k2为通过标定实验获得的竖直直线度误差ΔZ1与Δz1之间的比例系数；
f为聚焦透镜的焦距；
Δx3为第三位置探测器上光斑沿X轴的位移值；
Δz3为第三位置探测器上光斑沿Z轴的位移值；
L为第一测量光和第二测量光之间的距离。
本发明基于平行光路的多自由度检测装置的特点也在于：
将所述激光发射单元设置在二维角度运动平台上，并将所述激光接收单元设置在二维位移运动平台上，通过调节二维角度运动平台改变光束方向，配合调节二维位移运动平台，实现系统测量前的对光准直。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明利用角锥棱镜对入射光束180°折返的特性实现两束测量光严格平行，不受器件加工、安装的影响；
2、与传统平行光路多自由度测量方法相比，本发明中两束测量光严格平行，有效避免了滚转角测量结果因引入光束不平行带来附加测量误差，无需进行误差补偿；
3、与传统平行光路多自由度测量方法相比，本发明中滚转角测量量程不在受测量距离限制，在测量前完成好光路准直，即可保证两束光光斑在全行程始终位于PSD光敏面内，同时兼顾长距离和大量程两个特点；
4、本发明能够实现机床多自由度几何误差同时测量，配合激光干涉仪可以实现六个自由度的测量；
5、本发明选用PSD为探测器件，测量范围大，配合调节机构可有效降低光路准直难度；6、本发明光路结构简单、体积小、重量轻、可以实现高精度测量。
附图说明
图1为本发明平行光路多自由度测量系统原理图；
图2为本发明中平行光路原理图；
图中标号：1激光发射单元，2激光接收单元，3信号处理单元，101激光器，102准直透镜，103偏振分光棱镜，104为1/4波片，105第一角锥棱镜，106第二角锥棱镜，107二维角度运动台，201第一位置传感器，202第二位置传感器，203第三位置传感器，204分光棱镜，205聚焦透镜，206二维位移运动台，301下位机信号处理单元，302上位机信号处理单元。
具体实施方式
参见图1和图2，本实施例中基于平行光路的多自由度检测装置由激光发射单元1、激光接收单元2和信号处理单元3构成。
激光发射单元1固定设置在被测轴的前方，包括激光器101、准直透镜102和光束分束单元，光束分束单元包括偏振分光棱镜103、1/4波片104、第一角锥棱镜105和第二角锥棱镜106；利用光束分束单元将经过准直的激光分成两路平行光束出射。
激光接收单元2固定设置在被测轴工作台上，与工作台随动以感测运动中的工作台几何误差，激光接收单元2包括分光棱镜204、聚焦透镜205和光电探测单元，利用光电探测单元接收两束平行光，以感测包括两个直线度误差和三个角度误差在内的五个自由度误差。
信号处理单元3包括下位机信号处理单元301和上位机信号处理单元302，利用下位机信号处理单元301进行信号处理实现误差检测，利用上位机信号处理单元302实现数据交互、显示和存储。
如图1所示，在激光发射单元1中，偏振分光棱镜103、1/4波片104和第一角锥棱镜105处在同一轴线，且1/4波片104和第一角锥棱镜105位于偏振分光棱镜103的透射方向，第二角锥棱镜106位于偏振分光棱镜103的反射方向。由激光器101发出的线偏振光经准直透镜102准直为平行光源。
由准直透镜102出射的平行光源中P偏振态部分经偏振分光棱镜103透射并经1/4波片104入射第一角锥棱镜105，在第一角锥棱镜105中呈180°转折，再经1/4波片104返回偏振分光棱镜103，并经偏振分光棱镜103反射形成第一测量光108。
由准直透镜102出射的平行光源中S偏振态部分经偏振分光棱镜103反射至第二角锥棱镜106，并在第二角锥棱镜106中呈180°转折，形成第二测量光109；利用第一角锥棱镜105和第二角锥棱镜106对入射光束的180°转折保证第一测量光108和第二测量光109的平行度。
具体实施中，偏振分光棱镜103、1/4波片104和第一角锥棱镜105入射截面大小相同，第二角锥棱镜106入射截面的大小大于第一角锥棱镜105，以尽可能增加测量光108与测量光109之间的距离L；激光器101和准直透镜102的轴线位于偏振分光棱镜103透射轴线靠X正方向，第二角锥棱镜106轴线位于偏振分光棱镜103反射轴线靠Y负方向，以尽可能增加测量光108与测量光109之间的距离L。
本实施例中激光接收单元2中的光电探测单元为三个位置探测器，分别是第一位置探测器201、第二位置探测器202和第三位置探测器203。
根据布莱恩原则，由于角误差的存在，工作台各点直线度误差并不相同。将第一位置探测器201和第二位置探测器202的光敏面处在同一平面的不同位置处，用于感测工作台的不同位置的直线度误差；其中：第一位置探测器201用于接收第一测量光108，用于感测第一位置探测器201所处位置的工作台在水平方向和在竖直方向上的直线度误差；第二测量光109经分光棱镜204等强平分为两束，第二位置探测器202接收分光棱镜204的透射光，用于感测第二位置探测器202所处位置的工作台在水平方向和竖直方向上的直线度误差；具体实施中，第一探测器201和第二探测器202的中心距离应和第一测量光108和第二测量光109距离相等，以保证光斑位于探测器最佳测量区。
第三位置探测器203和聚焦透镜205位于分光棱镜204的反射方向，且第三位置探测器203在聚焦透镜205焦平面处，用于感测工作台的俯仰角和偏摆角误差；通过对第一位置探测器201和第二位置探测器202测量获得的竖直方向的直线度误差进行差分获得工作台滚转角误差。
具体实施中，针对工作台建立O-XYZ坐标系，沿工作台运动方向为X轴，与X轴垂直且沿水平方向为Y轴，沿竖直方向为Z轴；绕Z轴旋转形成偏摆角误差，绕Y轴旋转形成俯仰角误差，绕X轴旋转形成滚转角误差；
由式(1)计算获得工作台的水平直线度误差ΔY1和竖直直线度误差ΔZ1：
由式(2)计算获得工作台的偏摆角误差Δα和俯仰角误差Δβ：
由式(3)计算获得工作台的滚转角误差Δγ：
其中：
Δy1为第一位置探测器201上光斑沿Y轴的位移值；
k1为通过标定实验获得的水平直线度误差ΔY1与Δy1之间的比例系数；
Δz1为第一位置探测器201上光斑沿Z轴的位移值；
k2为通过标定实验获得的竖直直线度误差ΔZ1与Δz1之间的比例系数；
f为聚焦透镜205的焦距；
Δx3为第三位置探测器203上光斑沿X轴的位移值；
Δz3为第三位置探测器203上光斑沿Z轴的位移值；
L为第一测量光108和第二测量光109之间的距离。
具体实施中，将激光发射单元1设置在二维角度运动平台107上，并将激光接收单元2设置在二维位移运动平台206上，通过调节二维角度运动平台107改变光束方向，配合调节二维位移运动平台206，实现系统测量前的对光准直。
在安装激光器时调节激光管旋向，设置激光器101发出的线偏振光通过偏振分光棱镜103后呈1：1的分光比。
图2所示为平行光路实现原理，光学器件安装时，由于工件加工、安装不理想，使得各器件实际相对位置和理想情况存在差异。角锥棱镜对入射光束能够实现严格的180°折返，因此，无需考虑角锥棱镜安装误差，以理想情况对待。对于偏振分光棱镜，存在安装角度误差θ。线偏振光透射偏振分光棱镜103时透射光不受θ影响，在被第一角锥棱镜105原方向折返后，在偏振分光棱镜103反射面处反射时将会产生相同的角度偏转。线偏振光在偏振分光棱镜反射面反射时，反射光同样会发生相同的角度偏转，经过第二角锥棱镜106原方向折返后，不在经过偏振分光棱镜103。可以看出，由于偏振分光棱镜安装角度误差θ的存在，第一测量光108和第二测量光109将发生相同角度偏折，但二者之间相对角度关系仍保持严格平行，不受θ影响。
Claims (5)
1.一种基于平行光路的多自由度检测装置，其特征是：由激光发射单元(1)、激光接收单元(2)和信号处理单元(3)构成；
所述激光发射单元(1)固定设置在被测轴的前方，包括激光器(101)、准直透镜(102)和光束分束单元，所述光束分束单元包括：偏振分光棱镜(103)、1/4波片(104)、第一角锥棱镜(105)和第二角锥棱镜(106)；利用所述光束分束单元将经过准直的激光分成两路平行光束出射；
所述激光接收单元(2)固定设置在被测轴工作台上，与工作台随动以感测运动中的工作台的几何误差，所述激光接收单元(2)包括分光棱镜(204)、聚焦透镜(205)和光电探测单元，利用光电探测单元接收两束平行光，以感测包括两个直线度误差和三个角度误差在内的五个自由度误差；
所述信号处理单元(3)包括下位机信号处理单元(301)和上位机信号处理单元(302)，利用下位机信号处理单元(301)进行信号处理实现误差检测，利用上位机信号处理单元(302)实现数据交互、显示和存储。
2.根据权利要求1所述的基于平行光路的多自由度检测装置，其特征是：
在所述激光发射单元(1)中，偏振分光棱镜(103)、1/4波片(104)和第一角锥棱镜(105)处在同一轴线，且1/4波片(104)和第一角锥棱镜(105)位于偏振分光棱镜(103)的透射方向，第二角锥棱镜(106)位于偏振分光棱镜(103)的反射方向，由激光器(101)发出的线偏振光经准直透镜(102)准直为平行光源；
所述平行光源经偏振分光棱镜(103)透射并经1/4波片(104)入射第一角锥棱镜(105)，在所述第一角锥棱镜(105)中呈180°转折，再经1/4(104)波片返回偏振分光棱镜(103)，并经偏振分光棱镜(103)反射形成第一测量光(108)；
所述平行光源经偏振分光棱镜(103)反射至第二角锥棱镜(106)，并在第二角锥棱镜(106)中呈180°转折，形成第二测量光(109)；利用第一角锥棱镜(105)和第二角锥棱镜(106)对入射光束的180°转折保证第一测量光(108)和第二测量光(109)的平行度。
3.根据权利要求2所述的基于平行光路的多自由度检测装置，其特征是：
所述激光接收单元(2)中的光电探测单元为三个位置探测器，分别是第一位置探测器(201)、第二位置探测器(202)和第三位置探测器(203)；所述第一位置探测器(201)和第二位置探测器(202)的光敏面处在同一平面的不同位置处，用于感测所述工作台的不同位置的直线度误差；其中：所述第一位置探测器(201)用于接收第一测量光(108)，用于感测第一位置探测器(201)所处位置的工作台在水平方向和在竖直方向上的直线度误差；所述第二测量光(109)经分光棱镜(204)等强平分为两束，所述第二位置探测器(202)接收分光棱镜(204)的透射光，用于感测第二位置探测器(202)所处位置的工作台在水平方向和竖直方向上的直线度误差；所述第三位置探测器(203)和聚焦透镜(205)位于分光棱镜(204)的反射方向，且第三位置探测器(203)在聚焦透镜(205)焦平面处，用于感测工作台的俯仰角和偏摆角误差；通过对第一位置探测器(201)和第二位置探测器(202)测量获得的竖直方向的直线度误差进行差分获得工作台滚转角误差。
4.根据权利要求3所述的基于平行光路的多自由度检测装置，其特征是：
针对所述工作台建立O-XYZ坐标系，沿工作台运动方向为X轴，与X轴垂直且沿水平方向为Y轴，沿竖直方向为Z轴；绕Z轴旋转形成偏摆角误差，绕Y轴旋转形成俯仰角误差，绕X轴旋转形成滚转角误差；
由式(1)计算获得工作台的水平直线度误差ΔY1和竖直直线度误差ΔZ1：
由式(2)计算获得工作台的偏摆角误差Δα和俯仰角误差Δβ：
由式(3)计算获得工作台的滚转角误差Δγ：
其中：
Δy1为第一位置探测器(201)上光斑沿Y轴的位移值；
k1为通过标定实验获得的水平直线度误差ΔY1与Δy1之间的比例系数；
Δz1为第一位置探测器(201)上光斑沿Z轴的位移值；
k2为通过标定实验获得的竖直直线度误差ΔZ1与Δz1之间的比例系数；
f为聚焦透镜(205)的焦距；
Δx3为第三位置探测器(203)上光斑沿X轴的位移值；
Δz3为第三位置探测器(203)上光斑沿Z轴的位移值；
L为第一测量光(108)和第二测量光(109)之间的距离。
5.根据权利要求1所述的基于平行光路的多自由度检测装置，其特征是：将所述激光发射单元(1)设置在二维角度运动平台(107)上，并将所述激光接收单元(2)设置在二维位移运动平台(206)上，通过调节二维角度运动平台(107)改变光束方向，配合调节二维位移运动平台(206)，实现系统测量前的对光准直。
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| WO2016123812A1 (zh) * | 2015-02-06 | 2016-08-11 | 浙江理工大学 | 具有六自由度检测的激光外差干涉直线度测量装置及方法 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 曹睿;张斌;冯其波;方恒楚;由凤玲;: "多自由度误差同时测量中的滚转角测量方法", 光学学报, no. 12 * |
Also Published As
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|---|---|
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