CN115435699A - 一种球列校准装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种球列校准装置,涉及几何量计量技术领域,可以包括:移动平台,用于安装待测球列,且能够带动待测球列移动到测量位置;激光干涉系统,位于移动平台的一侧,包括激光干涉仪、分光镜、测量镜和参考镜,激光干涉仪发出的激光经分光镜分成两束光束,两束光束分别入射到测量镜和参考镜,且经测量镜反射的测量光与经参考镜反射的参考光重合形成干涉条纹,其中,测量镜安装于移动平台上;测量头组件,安装于安装支架上,能够对待测球列进行测量,且测量头组件包括多个不同种类的测量头,安装支架架设于移动平台的上方;控制器,与移动平台、激光干涉系统以及测量头组件连接。本发明能够实现球列高精度溯源,并有效的提高测量精度。

Description

一种球列校准装置
技术领域
本发明涉及几何量计量技术领域技术领域,特别是涉及一种球列校准装置。
背景技术
近年来高端装备制造域科技水平不断提高,精密测量发挥着不可替代的重要支撑作用。作为智能制造必不可少的高精度数控机床、坐标测量机、关节臂等加工及检测设备,其能达到的精度高低直接影响所加工及检测的产品质量优劣。一维球列标准器结构紧凑、稳定性好,多用于评价高精度数控机床、坐标测量机精度溯源及误差分离。国际计量局(BIPM)已将球列列入了CMC(校准和测量能力)关键比对项目。
针对低精度要求的球列、球棒可直接利用高精度坐标测量机进行校准,但针对高精度的球列溯源需求,传统坐标机由于其探测误差较大难以满足工作需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种球列校准装置,以解决上述现有技术存在的问题,能够实现球列高精度溯源,并有效的提高测量精度。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
本发明提供一种球列校准装置,包括:
移动平台,用于安装待测球列,且能够带动所述待测球列移动到测量位置;
激光干涉系统,位于所述移动平台的一侧,包括激光干涉仪、分光镜、测量镜和参考镜,所述激光干涉仪发出的激光经所述分光镜分成测量光和参考光,所述测量光和所述参考光分别入射到所述测量镜和所述参考镜,且经所述测量镜反射的所述测量光与经所述参考镜反射的参考光重合形成干涉条纹,其中,所述测量镜安装于所述移动平台上;
测量头组件,安装于安装支架上,能够对所述待测球列进行测量,且所述测量头组件包括多个不同种类的测量头,其中,所述安装支架架设于所述移动平台的上方;
控制器,所述移动平台、所述激光干涉系统以及所述测量头组件均与所述控制器连接。
优选的,所述测量镜和所述参考镜均为角锥反射镜。
优选的,所述激光干涉仪和所述分光镜之间还依次设置有准直镜和扩束镜。
优选的,所述移动平台为气浮平台,所述待测球列安装于所述气浮平台上,所述气浮平台能够带动所述待测球列沿X轴方向移动以及沿Y轴方向移动。
优选的,所述移动平台上还安装有调节台,所述待测球列安装于所述调节台上,所述调节台能够调节所述待测球列的俯仰、角摆以及沿Y轴方向上的移动。
优选的,所述测量头组件包括非接触式光学测量头和电感测量头。
优选的,所述球列校准装置还包括传感器组件,所述传感器组件能够对所述待测球列的测量环境进行监测,且所述传感器组件与所述控制器连接。
优选的,所述传感器组件包括温度传感器、湿度传感器以及气压传感器;其中,所述移动平台安装于基座上,所述湿度传感器以及所述气压传感器安装于所述基座上;所述温度传感器设置有两个,其中一个所述温度传感器安装于所述基座上,另一个所述温度传感器安装于所述待测球列上。
优选的,所述安装支架为龙门支架,所述安装支架连接有Z轴驱动机构,所述Z轴驱动机构能够带动所述安装支架沿Z轴方向移动。
优选的,所述气浮平台以及所述安装支架上还安装有光栅系统,所述光栅系统与所述控制器连接。
本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果:
本发明中球列校准装置包括激光干涉系统,通过激光干涉原理实现球列高精度溯源,有效的提高测量精度,在精密制造领域有着广泛的应用前景;而且,本发明中测量头组件包括多个不同种类的测量头,通过多个测量头对待测球列进行测量,进一步地提高了测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例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为本发明实施例一中球列校准装置的正视图;
图2为本发明实施例一中球列校准装置的俯视图;
图3为本发明实施例一中光栅尺的结构示意图;
图4为本发明实施例一中调节台的调节原理图;
图1-图4中,1-控制器,2-激光干涉仪,3-分光镜,4-测量镜,5-非接触式光学测量头,6-电感测量头,7-龙门支架,8-待测球列,9-调节台,91-第一手轮,92-第二手轮,93-第三手轮,94-俯仰台,95-角摆台,96-Y方向位移台, 10-基座,11-传感器组件,12-气浮平台,13-参考镜,14-光栅尺,15-读数头;
图5为本发明实施例二中非接触式光学测量头的工作原理图;
图5中,101-光源,102-聚光镜,103-小孔光阑,104-CCD相机接收器, 105-分光棱镜,106-准直物镜,107-镜头组,108-待测球,109-控制器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种球列校准装置,以解决上述现有技术存在的问题,能够实现球列高精度溯源,并有效的提高测量精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1-图3所示,本实施例提供一种球列校准装置,主要包括移动平台、激光干涉系统、测量头组件以及控制器1等;其中,移动平台上用于安装待测球列8,且移动平台能够带动待测球列8移动到测量位置,以对待测球列8进行测量校准;激光干涉系统位于移动平台的一侧,主要包括激光干涉仪2、分光镜3、测量镜4和参考镜13,激光干涉仪2发出的激光经分光镜3分成测量光和参考光,测量光和参考光分别入射到测量镜4和参考镜13,并进行反射,且经测量镜4反射的测量光与经参考镜13反射的参考光重合形成干涉条纹,转化成电信号后经过处理计算得到相对位移量,其中,测量镜4安装于移动平台上;测量头组件安装于安装支架上,能够对待测球列8进行测量,且测量头组件包括多个不同种类的测量头,其中,安装支架架设于移动平台的上方;移动平台、激光干涉系统以及测量头组件均与控制器1连接,通过控制器1进行数据处理,以及对上述各个装置进行控制。
本实施例中球列校准装置包括激光干涉系统,通过激光干涉原理实现球列高精度溯源,有效的提高测量精度,在精密制造领域有着广泛的应用前景;而且,本实施例中测量头组件包括多个不同种类的测量头,通过多个测量头对待测球列8进行测量,进一步地提高了测量精度。
在本实施例中,测量镜4和参考镜13均优选为角锥反射镜,或者根据具体工作需要选择其它的反射镜;其中,测量镜4安装于移动平台上,并能够随移动平台移动,形成移动角锥反射镜,激光干涉仪2发出的光束入射到测量镜 4后,测量镜4能够反射部分光束,部分光束还能够穿过测量镜4,照射到待测球列8上。
在本实施例中,激光干涉仪2和分光镜3之间还依次设置有准直镜和扩束镜,使激光干涉仪2发出的光束经准直扩束后再由分光镜3分成两路。
在本实施例中,移动平台优选为气浮平台12,待测球列8安装于气浮平台12上,气浮平台12为二维气浮平台12,能够带动待测球列8沿X轴方向移动以及沿Y轴方向移动;其中,气浮平台12为本领域成熟现有技术,可以根据具体工作需要进行选择,具体地,气浮平台12安装于二维高精度气浮导轨上,通过X轴直线电机和Y轴直线电机能够带动气浮平台12沿X轴方向移动以及沿Y轴方向移动;本实施例中,通过气浮平台12带动待测球列8移动,能够提高移动精度。
进一步地,本实施例中移动平台上还通过螺栓安装有调节台9,待测球列 8安装于调节台9上,调节台9能够调节待测球列8的俯仰角度、角摆角度以及沿Y轴方向上的移动,通过调节台9对待测球列8进行调节,经一步地保证了位置精度。具体地,如图4所示,调节台9包括由上至下依次设置的俯仰台94、角摆台95和Y方向位移台96,在Y方向位移台96上设置有第三手轮 93,通过转动第三手轮93能够带动调节台9在Y轴方向移动,俯仰台94和角摆台95上分别安装有第一手轮91和第二手轮92,通过转动第一手轮91和第二手轮92能够调节待测球列8的俯仰角度、角摆角度。
其中,需要说明的是,调节台为本领域成熟现有技术,还可以根据工作需要选择其它结构的调节台,只要能够调节待测球列8的俯仰角度、角摆角度以及沿Y轴方向上的移动即可。
在本实施例中,安装支架为龙门支架7,安装支架连接有Z轴驱动机构, Z轴驱动机构能够带动安装支架沿Z轴方向移动;其中,Z轴驱动机构为Z轴直线电机;进一步地,气浮平台12和龙门支架7上还安装有光栅系统,光栅系统与控制器1连接,光栅系统包括光栅尺14,光栅尺14上安装有读数头15。
本实施例中,通过调节控制Y方向平移的手轮和旋转倾斜的旋钮,令待测球列8的首尾两端的球的Y坐标值相同,通过Z轴方向上的调整,令待测球列8上各球等高,并使激光干涉仪2与待测球列8的球心连线同轴,测量符合阿贝原则、可以有效提升测量精度。而且通过控制器1驱动X、Y、Z三个方向直线电机,通过光栅尺14上的读数头15记录位置,反馈给控制器1提供准确的位置信息,实现高精度定位;其中,光栅尺14及读数头15安装在平台相对运动的两个部件上,光栅尺14采用低膨胀材料,在保证平行度要求的情况下分别粘贴在X、Y、Z轴固定基座处,通过读数头15中的探测器记录在运动的过程中产生的干涉条纹,记录的电信号通过整形放大后,转换计算得到相对位移量。
在本实施例中,需要说明的是,X轴方向为与激光干涉仪2发射光线平行的方向,Y轴方向为在同一水平面上与X轴方向垂直的方向,Z轴方向为竖直方向。
在本实施例中,球列校准装置还包括传感器组件11,传感器组件11能够对待测球列8的测量环境进行监测,且传感器组件11与控制器1连接。
在本实施例中,待测球列8优选为一维球列,控制器1为现有成熟技术,可以根据具体工作需要进行选择,如选择常用的计算机、控制柜等。
在本实施例中,测量头组件包括非接触式光学测量头5和电感测量头6,或者还可以根据具体工作需要选择其它的测量头。
其中,非接触式光学测量头5利用待测标准球反射光成像原理,通过观察在计算机上所显示的像调整瞄准位置;此种非接触测量方式,消除了测量力和安装力对测量精度的影响。
非接触式光学测量头5的测量过程如下:
控制气浮平台12,令其沿X轴方向移动至测量镜4与激光干涉仪2最近处,将激光干涉仪2数值置零,以减小激光死程误差带来的影响;
操作气浮平台12,光学测量头移动到待测球列8中第一个球顶点位置,将非接触式光学测量头5移动至视场范围内;令球反射的狭缝成像于CCD表面,计算机屏幕显示图像位于中心零位;分别沿着X轴,Y轴方向给出微小位移,记录该位置激光读数及中心狭缝的补偿量,同时记录各传感器环境参数数值,并对该点读数进行修正处理;移动气浮平台12至下一个测量点,瞄准后记录该点激光数读数,以此类推,结束测量后,数据经处理计算得到待测球列8的球心距。
而电感测量头6则是利用电磁感应原理,实现位移量精确检测;具体地,电感测量头6优选为电感测微头,其固定于龙门支架7上,电感测量头6与待测物体接触产生微位移,当微位移量满足特定条件时,产生触发信号传递至控制器,并读取激光干涉仪2测量点数据。
电感测量头6的测量过程如下:
控制气浮平台12,令其沿X轴方向移动至测量镜4与激光干涉仪2最近处,将激光干涉仪2数值置零,以减小激光死程误差带来的影响;
操作气浮平台12,移动到待测球列8中第一个球顶点附近,并使电感测量头6移动至工作范围内,沿着X轴方向缓慢往复移动,记录电感测量头6 输出位移的极小值时向控制器发出信号,记录当前位置;沿着Y轴方向缓慢往复移动,重复上述步骤;找到两个方向的极值位置后,记录该位置激光读数及各传感器环境参数数值,并对该点读数进行修正处理;移动气浮平台12至下一个测量点,瞄准后记录该点激光数读数。
本实施例中,测量过程通过激光干涉仪2读数实现,激光干涉仪2波长可以直接溯源至国家标准,是迄今公认的高精度、高灵敏度的测量仪器,在高端制造领域应用广泛;将激光干涉仪2固定于基座10上,其发出的光束经过分光镜3分成两路,一束到达固定于基座10上的参考镜13形成参考光束;另一束到达固定于气浮平台12上的移动角锥反射镜(测量镜4)形成测量光束;返回的测量光和参考光重合形成干涉条纹,转化成电信号后经过处理计算得到相对位移量。
在本实施例中,传感器组件包括2个温度传感器、1个湿度传感器以及1 个气压传感器;其中,一个温度传感器吸附在待测球列上,其余传感器则稳定放置在基座10上;其中,上述传感器均采用高精度传感器,主要作用有两个:
1.实时采集温度、湿度、气压等环境数据,对激光波长进行补偿修正,具体如下:
λ激光波长采用Edlen公式进行修正:
Figure BDA0003846611260000071
(n-1)x=(n-1)N·[1+0.5327·(x-0.0004)],
Figure BDA0003846611260000072
ntpf=-f·(3.8020-0.0384·σ2)·10-10
式中,(n-1)N为标准状态下的空气折射率,σ为真空波数(单位:μm-1), (n-1)tp为标准干燥空气在温度t、压力p时的折射率,ntpf为含有f水蒸气分压力的湿空气对应的折射率,将折射率ntpf与真空状态下的波长λ0代入下面公式中,计算得到修正后的波长:
Figure BDA0003846611260000073
通过激光干涉仪2采集得到的干涉条纹总数为N,代入计算得到位移量S:
Figure BDA0003846611260000081
2.另一温度传感器固定于一维球列上,通过该温度传感器对一维球列热膨胀影响量进行补偿修正。
修正后的测量数据经处理计算得到球列球心距。
实施例二
如图5所示,本实施例中公开了非接触式光学测量头的工作原理,具体如下:
光源101的光线经由聚光镜102会聚,穿过小孔光阑103的光束经过分光棱镜105反射到准直物镜106后形成平行光线;平行光线经过镜头组107会聚到待测球108上,然后进行反射,在CCD相机接收器104上形成光斑并产生触发信号;信号状态传递至控制器109,记录下激光干涉仪102当前位置。
需要说明的是,对于本领域技术人员而言,显然本发明不限于上述示范性实施例的细节,而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下,能够以其他的具体形式实现本发明。因此,无论从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的,而且是非限制性的,本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定,因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内,不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种球列校准装置,其特征在于:包括:
移动平台,用于安装待测球列,且能够带动所述待测球列移动到测量位置;
激光干涉系统,位于所述移动平台的一侧,包括激光干涉仪、分光镜、测量镜和参考镜,所述激光干涉仪发出的激光经所述分光镜分成测量光和参考光,所述测量光和所述参考光分别入射到所述测量镜和所述参考镜,且经所述测量镜反射的所述测量光与经所述参考镜反射的参考光重合形成干涉条纹,其中,所述测量镜安装于所述移动平台上;
测量头组件,安装于安装支架上,能够对所述待测球列进行测量,且所述测量头组件包括多个不同种类的测量头,其中,所述安装支架架设于所述移动平台的上方;
控制器,所述移动平台、所述激光干涉系统以及所述测量头组件均与所述控制器连接。
2.根据权利要求1所述的球列校准装置,其特征在于:所述测量镜和所述参考镜均为角锥反射镜。
3.根据权利要求1或2所述的球列校准装置,其特征在于:所述激光干涉仪和所述分光镜之间还依次设置有准直镜和扩束镜。
4.根据权利要求1所述的球列校准装置,其特征在于:所述移动平台为气浮平台,所述待测球列安装于所述气浮平台上,所述气浮平台能够带动所述待测球列沿X轴方向移动以及沿Y轴方向移动。
5.根据权利要求1或4所述的球列校准装置,其特征在于:所述移动平台上还安装有调节台,所述待测球列安装于所述调节台上,所述调节台能够调节所述待测球列的俯仰、角摆以及沿Y轴方向上的移动。
6.根据权利要求1所述的球列校准装置,其特征在于:所述测量头组件包括非接触式光学测量头和电感测量头。
7.根据权利要求1所述的球列校准装置,其特征在于:所述球列校准装置还包括传感器组件,所述传感器组件能够对所述待测球列的测量环境进行监测,且所述传感器组件与所述控制器连接。
8.根据权利要求7所述的球列校准装置,其特征在于:所述传感器组件包括温度传感器、湿度传感器以及气压传感器;其中,所述移动平台安装于基座上,所述湿度传感器以及所述气压传感器安装于所述基座上;所述温度传感器设置有两个,其中一个所述温度传感器安装于所述基座上,另一个所述温度传感器安装于所述待测球列上。
9.根据权利要求1所述的球列校准装置,其特征在于:所述安装支架为龙门支架,所述安装支架连接有Z轴驱动机构,所述Z轴驱动机构能够带动所述安装支架沿Z轴方向移动。
10.根据权利要求4所述的球列校准装置,其特征在于:所述气浮平台以及所述安装支架上还安装有光栅系统,所述光栅系统与所述控制器连接。
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