CN115790374A - 一种基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置，包括转角测量组件、位移测量组件、俯仰角测量组件及姿态检测光干涉模组，转角测量组件包括固定座、旋转座及转角测量光干涉模组，旋转座与固定座转动连接；转角测量光干涉模组设于旋转座上以测量旋转座的转动角度；位移测量组件包括移动座及位移测量光干涉模组，移动座滑动地设于旋转座上，位移测量光干涉模组设于旋转座及移动座上，以测量移动座的位移；俯仰角测量组件包括俯仰座及俯仰角测量光干涉模组，俯仰座转动地装设于移动座上，俯仰角测量光干涉模组装设在移动座及俯仰座上，以测量俯仰座的摆动角度；姿态检测光干涉模组装设于俯仰座上。其能够提高对主轴旋转偏离情况测量的精度。

Description

一种基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置

技术领域

本发明涉及测量装置，具体涉及一种基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置。

背景技术

机床的精度直接影响加工工件的精度，而机床要保证准确的精度，主轴是关键。主轴是数控机床中的核心设备之一，担负着从机床电动机接受动力并将之传递给其他机床部件的重要责任。工作中，要求主轴必须承担着一定的载荷量，以及保持适当的旋转速度的前提条件下，带动其控制范围内的工作或者刀具，绕主轴旋转中心线进行旋转，主轴的旋转精度决定了机床的加工精度。

主轴的旋转精度是以其瞬时旋转中心线与理想旋转中心线的相对位置来决定。在主轴正常工作旋转时，由于主轴、轴承等的制造精度和装配、调整精度，主轴的转速、轴承的设计和性能以及主轴部件动态特征等机械原因，造成了主轴的瞬时旋转中心线往往会与理想旋转中心线在位置上产生一定的偏离。在加工过程中，主轴可能会沿与轴垂直的方向发生径向跳动，或以轴上某点以中心，发生角度摆动等，这些运动都会降低主轴的旋转精度。

因此，当机床修理后，或是当该机床用于加工一新的工件时，都需要在正式加工前检验机床工作时的主轴旋转偏离的情况，以根据测得数据采取相应的加工控制策略。现有主轴的精度测量方法主要有：

(1)静态测量法：其是一种在低速旋转环境下测定主轴旋转精度的方法，具体操作流程是，在无载荷条件下手动缓慢转动主轴，或控制主轴进行低速转动，利用千分表进行测量，测出最大度数和最小，计算二者之差，即为主轴的旋转精度。然而，该方法具有以下缺点：一是静态测量法是在低速旋转环境下，而不是在主轴实际工作速度下进行的测量，因此，不能够反映出真正的主轴旋转精度；二是利用千分表进行测量为接触式测量，测量时千分表需与主轴表面相抵，千分表给与主轴一在主轴实际加工时不存在的径向力，该径向力会加剧主轴旋转时的偏离幅度，影响对主轴旋转偏离情况的测量精度。

(2)动态测量法：其是一种在主轴实际的工作转速下，采用非接触式测量装置，测出主轴旋转时的偏离情况。目前普遍采用的测量方法是：将一个标准圆球安装在主轴上，再将两个位移传感器以互成直角的方式，安装在主轴运动的两个敏感方向上，主轴旋转时，两个位移传感器同时测量回转轴在不同敏感方向上的误差信息，测量信号经放大后，由信号分析仪器或电子计算机进行处理，将结果输出到示波器上，或绘制出相应的误差图形曲面。这种测量方法能够比较真实、全面地反应主轴的旋转精度情况，然，其采用位移传感器来检测主轴旋转的偏移情况，位移传感器测量精度通常仅到微米级，传感器通常安装在主轴相关联的底座上，其会跟随主轴振动其也会产生相应的振动，导致动态测量的精度降低，难以满足一些高精密机床的需求。

发明内容

本发明旨在至少解决上述背景技术中提出的技术问题之一，提供一种基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置，其能够提高对主轴旋转偏离情况测量的精度。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置，包括转角测量组件、位移测量组件、俯仰角测量组件及姿态检测光干涉模组，转角测量组件包括固定座、旋转座及转角测量光干涉模组，旋转座与固定座转动连接，并能够相对固定座绕一第一轴线自转；转角测量光干涉模组装设于旋转座上，以测量旋转座的转动角度；位移测量组件包括移动座及位移测量光干涉模组，移动座滑动地装设于旋转座上，位移测量光干涉模组装设于旋转座及移动座上，以测量移动座相对旋转座滑动的位移；俯仰角测量组件包括俯仰座及俯仰角测量光干涉模组，俯仰座转动地装设于移动座上，并能够相对移动座绕一第二轴线摆动，第二轴线与第一轴线及移动座的可滑动方向均垂直，俯仰角测量光干涉模组装设在移动座及俯仰座上，以测量俯仰座相对移动座的摆动角度；姿态检测光干涉模组装设于俯仰座上，用于检测旋转座的转动角度、移动座滑动的位移及俯仰座的摆动角度是否与主轴偏离情况一致。

进一步地，旋转座包括座体、随动齿轮及两个移动齿条，座体与固定座转动连接，随动齿轮固定于座体上，随动齿轮的中心轴与第一轴线同轴；两移动齿条均滑动地装设于座体上并分别与随动齿轮的相对两侧啮合，转角测量光干涉模组装设于座体及两移动齿条上。

进一步地，转角测量光干涉模组包括转角测量光源、转角测量分光镜、转角测量直角反射镜、两个转角测量角锥反射棱镜及一转角测量光电探测器，转角测量光源、转角测量分光镜、转角测量直角反射镜均固定于座体上，转角测量分光镜装设于转角测量光源的出射光路上，转角测量直角反射镜位于转角测量分光镜背向转角测量光源的一侧，两个转角测量角锥反射棱镜分别固定于两移动齿条上，转角测量光电探测器位于转角测量分光镜背向转角测量角锥反射棱镜的一侧；转角测量分光镜将转角测量光源的出射光一部分反射至其中一转角测量角锥反射棱镜上，经该转角测量角锥反射棱镜折射后平行出射并再次经过转角测量分光镜入射到转角测量光电探测器上；转角测量分光镜将转角测量光源出射光的另一部分投射至转角测量直角反射镜上，转角测量直角反射镜将投射过来的出射光反射至另一转角测量角锥反射棱镜上，经对应的转角测量角锥反射棱镜折射后平行出射，并依次经过转角测量直角反射镜、转角测量分光镜入射到转转角测量光电探测器上。

进一步地，位移测量光干涉模组包括位移测量光源、位移测量分光镜、移动反射镜、固定反射镜及位移测量光电探测器，位移测量光源、位移测量分光镜及移动反射镜均固定于移动座上，固定反射镜固定于旋转座上，位移测量分光镜及固定反射镜依次设于位移测量光源发射光的光路上，移动反射镜及位移测量光电探测器分别设于位移测量分光镜的相对两侧；位移测量分光镜将位移测量光源的出射光一部分反射至移动反射镜上，经该移动反射镜反射后经过位移测量分光镜入射到位移测量光电探测器上；位移测量分光镜将位移测量光源的出射光另一部分沿位移测量光源出射光的光路投射至固定反射镜上，经固定反射镜反射后经过位移测量分光镜反射到位移测量光电探测器上。

进一步地，所述基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置还包括设于位移测量光源出射光的光路上并位于位移测量分光镜与固定反射镜之间的光路折叠组件，光路折叠组件包括沿位移测量光源出射光的光路相对间隔设置的两个反射镜组，两反射镜组分别固定于移动座及旋转座上，两反射镜组之间形成间隔腔；每一反射镜组包括两排第一直角棱镜、一平行四边形反射镜及一第二直角棱镜；每排第一直角棱镜中的若干第一直角棱镜沿第一方向排列，所述第一方向与间隔腔的长度方向平行，第一直角棱镜用对应的两直角面对光产生反射；每一反射镜组中两排第一直角棱镜沿与所述第一方向及所述位移测量光源出射光的光路方向均垂直的第二方向设置；两反射镜组的第一直角棱镜的斜面相对，两反射镜组的第一直角棱镜错开设置；平行四边形反射镜设置于其中一排第一直角棱镜中的相邻两个第一直角棱镜之间；第二直角棱镜设置于对应反射镜组的一端，且第二直角棱镜与第一直角棱镜相互垂直，第二直角棱镜的主截面朝向对应反射镜组的第一直角棱镜，第二直角棱镜用对应的两直角面对光产生反射；每一反射镜组的第二直角棱镜的斜面与另一反射镜组对应端的两排第一直角棱镜的斜面相对，两反射镜组的第二直角棱镜分别位于光路折叠组件的相对两端；位移测量光源的出射光经由其中一组反射镜组的平行四边形反射镜入射，经由两反射镜组的多个第一直角棱镜及第二直角棱镜反射后经由另一组反射镜组的平行四边形反射镜出射。

进一步地，俯仰座包括支座、两固定齿轮、两连接架及两滑动齿条，支座转动地装设于移动座上，两固定齿轮分别固定于支座的相对两侧，两连接架分别与移动座固定连接，两滑动齿条分别滑动地装设于两连接架上且分别与两固定齿轮啮合，支座受力绕第二轴线转动，通过两固定齿轮分别驱动两滑动齿条滑动，俯仰角测量光干涉模组装设于移动座及两滑动齿条上。

进一步地，俯仰角测量光干涉模组包括俯仰角测量光源、俯仰角测量分光镜、第一直角反射镜、第二直角反射镜、第三直角反射镜、第一角锥棱镜、第二角锥棱镜及一俯仰角测量光电探测器，俯仰角测量光源、俯仰角测量分光镜、第一直角反射镜、第二直角反射镜、第三直角反射镜及俯仰角测量光电探测器均固定于移动座上，第一角锥棱镜及第二角锥棱镜分别固定于两滑动齿条上；俯仰角测量分光镜将俯仰角测量光源的出射光一部分反射至第一直角反射镜上，并依次经过第一直角反射镜、第二直角反射镜的反射后入射至第一角锥棱镜上，经第一角锥棱镜反射后平行出射并依次经过第二直角反射镜、第一直角反射镜及俯仰角测量分光镜透射到俯仰角测量光电探测器上；俯仰角测量分光镜将位移测量光源出射光的另一部分投射至第三直角反射镜上，经第三直角反射镜反射后入射至第二角锥棱镜，再经过第二角锥棱镜反射后平行出射，并依次经过第三直角反射镜、俯仰角测量分光镜反射到俯仰角测量光电探测器上。

进一步地，基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置上开设有供主轴活动穿过的检测孔，检测孔贯通固定座、旋转座、移动座及俯仰座；姿态检测光干涉模组包括均固定于俯仰座上的位置检测光源、第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第一光电探测器及第二光电探测器；第一分光镜将位置检测光源的出射光分为第一光束及第二光束，其中，第一分光镜将第一光束反射至第二分光镜上，第二分光镜将第一光束分为第一光束A及第一光束B，第二分光镜将第一光束A投射至第一反射镜上，并被第一反射镜再反射至第二分光镜上，第二分光镜将部分第二光束A反射至第一光电探测器上；第二分光镜将第一光束B反射至检测孔中的主轴上，主轴将第一光束B反射至第二分光镜，第二分光镜将部分第一光束B投射至第一光电探测器上；第一分光镜将第二光束投射至第三分光镜上，第三分光镜将第二光束分为第二光束A及第二光束B，第三分光镜将部分第二光束A投射至第二反射镜上，该部分第二光束A被第二反射镜再反射至第三分光镜上，第三分光镜将部分第二光束A反射至第二光电探测器上；第三分光镜将第二光束B反射至检测孔中的主轴上，主轴将第二光束B再反射至第三分光镜上，部分第二光束B透过第三分光镜以投射至第二光电探测器上。

进一步地，固定座上贯通开设有与第一轴线同轴的第一通孔，旋转座上贯通开设有与第一轴线同轴的第二通孔，移动座上贯通开设有第三通孔，俯仰座上贯通开设有第四通孔，第一通孔、第二通孔、第三通孔及第四通孔依次连通以组成所述检测孔，第一光束B及第二光束B均汇聚至第四通孔的中心轴上。

进一步地，姿态检测光干涉模组还包括两个固定于俯仰座上的光补偿镜，其中一光补偿镜位于第一反射镜及第二分光镜之间，另一光补偿镜位于第一反射镜及第三分光镜之间。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

上述基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置使用时，可采用动态测量方法在主轴处于实际的工作转速下进行测量，当主轴旋转工作时，通过旋转座的旋转、移动座的移动及俯仰座的摆动模拟主轴旋转的偏离姿态，在此过程中，通过姿态检测光干涉模组可以判断得到旋转座的转动角度、移动座的移动距离及俯仰座的俯仰角度是否与主轴偏离姿态一致。在旋转座的旋转、移动座的移动及俯仰座的摆动的过程中，可通过转角测量光干涉模组、位移测量光干涉模组及俯仰角测量光干涉模组测量得到旋转座的转动角度、移动座的移动距离及俯仰座的俯仰角度，该移动距离即对应于主轴旋转时产生的径向跳动，该转动角度对应于主轴上测量点在机床工作面上围绕机床Z轴转动产生的方位角，该俯仰角度对应于主轴瞬时旋转中心线相对机床Z轴的摆角。由于基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置采用转角测量光干涉模组、位移测量光干涉模组、俯仰角测量光干涉模组及姿态检测光干涉模组对主轴旋转偏离情况进行测试，其精度与干涉采用的光源波长相关，精度可达到纳米级，同时，转角测量光干涉模组、位移测量光干涉模组、俯仰角测量光干涉模组及姿态检测光干涉模组均安装在该基于光干涉的主轴偏离情况测量装置上而与主轴无接触，不受主轴旋转时产生的振动的影响，测量精度得以提高，能够满足高精密机床的需求。

附图说明

图1为本发明一较佳实施方式的基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置的立体图；图 2为图1所示基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置的后视图；图3为图1所示基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置在另一视角的立体图；图4为图3所示基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置在另一视角的立体图；图5为图4所示基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置的俯视图；图6为图5所示基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置沿A-A线的剖视结构示意图；图7为本发明较佳实施方式的基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置的固定座与旋转座的结构示意图；图8为本发明较佳实施方式的基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置的旋转座内部的结构示意图，图8中虚线表示光束；图9为本发明较佳实施方式的基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置的固定座、旋转座与俯仰座的结构示意图；图10为本发明较佳实施方式的基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置的旋转座与移动座内部的结构示意图，图10中虚线表示光束；图11为图10的俯视结构示意图，图11中虚线表示光束；图12为图11沿B-B线的剖视结构示意图，图12中虚线表示光束；图13为本发明较佳实施方式的基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置中光路折叠组件的立体图；图14为图13所示光路折叠组件在另一视角的立体图；图15为图13所示光路折叠组件的俯视图，进入光路折叠组件的光束沿光路A运动；图16为图13所示光路折叠组件的右视图；图17为图13所示光路折叠组件的仰视图；图18为图13所示光路折叠组件的左视图；图19为图13所示光路折叠组件的俯视图，进入光路折叠组件的光束沿光路E出射；图20为图18所示光路折叠组件其中一反射镜组相对另一反射镜组运动后的示意图；图21为图5去掉部分俯仰座及其中一姿态检测光干涉模组外罩后的结构示意图，图21中虚线表示光束；图22(a)为初始状态下第一光电探测器检测到的光能量分布图，第一光电探测器检测到的光能量分布图中的X轴与移动座21的宽度方向平行，Y轴与第一轴线平行；图22(b)为初始状态下第二光电探测器检测到的光能量分布图，第二光电探测器检测到的光能量分布图中的X轴与移动座21的长度方向平行，Y轴与第一轴线平行；图23(a)为主轴旋转发生偏离后第一光电探测器检测到的光能量分布图，图23(b)为主轴旋转发生偏离后第二光电探测器检测到的光能量分布图；图24(a) 为旋转座调整到位后第一光电探测器检测到的光能量分布图，图24(b)为旋转座调整到位后第二光电探测器检测到的光能量分布图；图25(a)为俯仰座调整到位后第一光电探测器检测到的光能量分布图，图25(b)为俯仰座调整到位后第二光电探测器检测到的光能量分布图；图26(a) 为移动座调整到位后第一光电探测器检测到的光能量分布图，图26(b)为移动座调整到位后第二光电探测器检测到的光能量分布图；图27为计算旋转座转动角度的示意图；图28为计算俯仰座摆动角度的示意图；

主要元件符号说明

10、转角测量组件；12、固定座；120、第一通孔；14、旋转座；140、座体；141、滑道；142、第二通孔；143、安装腔；145、随动齿轮；146、移动齿条；147、安装块；16、转角测量光干涉模组；161、转角测量光源；162、转角测量分光镜；163、转角测量直角反射镜；164、转角测量角锥反射棱镜；165、转角测量光电探测器；167、窗镜；17、旋转驱动件；171、从动齿轮；172、旋转驱动电机；173、蜗轮；20、位移测量组件；21、移动座；211、导轨；213、第三通孔；214、收容槽；215、固定槽；216、通光孔；217、避让通道；23、位移测量光干涉模组；231、位移测量光源；232、位移测量分光镜；233、固定反射镜；234、移动反射镜； 235、位移测量光电探测器；24、光路折叠组件；240、反射镜组；241、间隔腔；242、第一直角棱镜；243、平行四边形反射镜；244、第二直角棱镜；245、直角面；246、斜面；247、反射面；248、入射出射面；249、主截面；25、移动驱动机构；251、丝杆电机；253、丝杆； 30、俯仰角测量组件；31、俯仰座；310、支座；311、第四通孔；312、固定腔；313、固定齿轮；315、连接架；317、滑动齿条；32、连接机构；321、固定耳；323、连接轴；34、俯仰角测量光干涉模组；341、俯仰角测量光源；342、俯仰角测量分光镜；343、第一直角反射镜；344、第二直角反射镜；345、第三直角反射镜；346、第一角锥棱镜；347、第二角锥棱镜；348、俯仰角测量光电探测器；349、第四直角反射镜；36、摆动驱动件；361、摆动驱动电机；363、驱动齿轮；365、被动齿轮；40、姿态检测光干涉模组；41、位置检测光源；42、第一分光镜；43、第二分光镜；44、第三分光镜；45、第一反射镜；46、第二反射镜；47、第一光电探测器；48、第二光电探测器；491、柱面镜；492、光补偿镜；400、外罩；50、第一轴线；60、第二轴线；70、检测孔；200、主轴。

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它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参见图1，本发明一较佳实施方式提供一种基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置，包括转角测量组件10、位移测量组件20、俯仰角测量组件30及姿态检测光干涉模组40。

请一并参见图5、图6至图8，转角测量组件10包括固定座12、旋转座14及转角测量光干涉模组16。其中，固定座12用于与外部支架(图未示)固定连接。固定座12上贯通开设有第一通孔120。旋转座14与固定座12转动连接，并能够相对固定座12绕一第一轴线50 自转，第一轴线50与第一通孔120的中心轴同轴。转角测量光干涉模组16装设于旋转座14 上，以测量旋转座14的转动角度。在本实施方式中，旋转座14包括座体140、随动齿轮145 及两个与座体14滑动连接的移动齿条146，座体140与固定座12转动连接，在本实施方式中，座体140的大致中心位置贯通开设有一端与第一通孔120连通的第二通孔142，第二通孔142的中心轴与第一轴线50同轴。旋转座14的座体140内设有安装腔143，安装腔143 用于安装转角测量光干涉模组16。随动齿轮145固定于座体140的安装腔143内，随动齿轮 145的中心轴与第一轴线50同轴。两移动齿条146平行且滑动地装设于座体140的安装腔143 内并分别与随动齿轮145的相对两侧啮合。

在本实施方式中，转角测量光干涉模组16装设于旋转座14上并收容于安装腔143内，以通过旋转座14对转角测量光干涉模组16进行更好地保护，具体地，转角测量光干涉模组 16装设于座体140及两移动齿条146上。在本实施方式中，转角测量光干涉模组16包括转角测量光源161、转角测量分光镜162、转角测量直角反射镜163、两个转角测量角锥反射棱镜164及一转角测量光电探测器165。转角测量光源161、转角测量分光镜162、转角测量直角反射镜163均固定于座体140的安装腔143内。转角测量光源161优选采用激光发射器，转角测量分光镜162设于转角测量光源161的出射光路上，转角测量直角反射镜163位于转角测量分光镜162背向转角测量光源161的一侧，两个转角测量角锥反射棱镜164均收容于安装腔143内且分别固定于两移动齿条146上，转角测量光电探测器165收容于安装腔143 内并设于转角测量分光镜162背向转角测量角锥反射棱镜164的一侧，用于探测光能量。

转角测量分光镜162将转角测量光源161的出射光一部分反射至其中一转角测量角锥反射棱镜164上，该部分出射光经该转角测量角锥反射棱镜164折射后平行出射并经过转角测量分光镜162入射到转角测量光电探测器165上；转角测量分光镜162将转角测量光源161 的出射光的另一部分沿出射光的光路投射至转角测量直角反射镜163上，转角测量直角反射镜163将投射过来的出射光反射至另一转角测量角锥反射棱镜164上，经对应的转角测量角锥反射棱镜164折射后平行出射，并依次经过转角测量直角反射镜163、转角测量分光镜162 入射到转角测量光电探测器165上。

在本实施方式中，转角测量光干涉模组16还包括两个窗镜167，两个窗镜167均固定于座体140的安装腔143内，其中一窗镜167设于转角测量直角反射镜163与对应侧的转角测量角锥反射棱镜164之间，另一窗镜167设于转角测量分光镜162与对应侧的转角测量角锥反射棱镜164之间。窗镜167通常采用玻璃镜片、塑料镜片如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)镜片等制成，具有较佳的透光性。窗镜167上可镀透射膜(图未示)。

请再次参见图1，转角测量组件10还包括旋转驱动件17，旋转驱动件17与旋转座14的座体140连接，以驱动旋转座14绕第一轴线50旋转。在本实施方式中，旋转驱动件17包括从动齿轮171、旋转驱动电机172及蜗轮173，从动齿轮171固定于固定座12上，从动齿轮 171的中心轴与第一轴线50同轴；旋转驱动电机172固定于旋转座14的座体140上并与蜗轮173连接，蜗轮173与从动齿轮171啮合。使用时，旋转驱动电机172驱动蜗轮173转动，由于从动齿轮173固定于固定座12上保持不动，因此，蜗轮173转动时能够带动旋转驱动电机172及旋转座14一同转动。

请一并参见图2、图5及图6，位移测量组件20包括移动座21及位移测量光干涉模组23，移动座21滑动地装设于旋转座14上，位移测量光干涉模组23装设于旋转座14及移动座21上，以测量移动座21相对旋转座14滑动的位移。

在本实施方式中，移动座21滑动地装设于旋转座14的座体140上，并位于座体140背向从动齿轮171的一侧，具体地，请一并参见图4，座体140背向蜗轮173的一侧上设有滑道141，移动座21面向座体140的侧面上设有导轨211，滑道141与导轨211滑动配合，以将移动座21的旋转座14的座体140滑动连接在一起，且移动座21的可滑动方向与第一轴线 50垂直。移动座21的大致中心位置开设有第三通孔213，第三通孔213的一端与第二通孔 142背向第一通孔120的一端连通。移动座21内设收容槽214。

请一并参见图10至图12，在本实施方式中，位移测量光干涉模组23包括位移测量光源 231、位移测量分光镜232、固定反射镜233、移动反射镜234及位移测量光电探测器235，位移测量光源231、位移测量分光镜232及固定反射镜233均收容于收容槽214中并且固定于移动座21上，其中，位移测量光源231优选采用激光发射器，固定反射镜233固定于旋转座14上，具体地，旋转座14还包括安装块147，安装块147固定于座体140面向移动座21 的侧面上，移动座21面向旋转座14的侧面上凹设有固定槽215，移动座21通过固定槽215 滑动地套接于安装块147上，固定槽215面向位移测量光源231的侧壁上贯通开设有供光束通过的通光孔216，固定反射镜233收容于固定槽215内并与安装块147固定连接，具体地，安装块147面向位移测量光源231的一端凹设有安装槽(未标示)，固定反射镜233固定于安装块147的安装槽内。位移测量分光镜232及固定反射镜233沿位移测量光源231的发射光出射方向依次设置，移动反射镜234及位移测量光电探测器235分别设于位移测量分光镜 232的相对两侧，位移测量光电探测器235用于探测光能量。

位移测量分光镜232将位移测量光源231的出射光一部分反射至移动反射镜234上，经该移动反射镜234反射后经过位移测量分光镜232入射到位移测量光电探测器235上；位移测量分光镜232将位移测量光源231的出射光的另一部分投射至固定反射镜233上，经固定反射镜233反射后并经过位移测量分光镜232反射到位移测量光电探测器235上。

请一并参见图13至图20，在本实施方式中，基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置还包括设于位移测量光源231的出射光路上并位于位移测量分光镜232与固定反射镜233之间的光路折叠组件24，光路折叠组件24包括沿位移测量光源231出射光的光路相对间隔设置的两个反射镜组240，两反射镜组240分别固定于移动座21及旋转座14上，两反射镜组240之间形成间隔腔241。在本实施方式中，其中一反射镜组240固定于安装块147面向位移测量光源231的端面上；另一反射镜组240固定于移动座21上。

每一反射镜组240包括两排第一直角棱镜242、一平行四边形反射镜243及一第二直角棱镜244，其中，每排第一直角棱镜242中若干第一直角棱镜242沿第一方向排列，所述第一方向与间隔腔241的长度方向平行；第一直角棱镜242用对应的两直角面245对光产生反射；每一反射镜组240中两排第一直角棱镜242沿与所述第一方向及所述位移测量光源231 出射光的光路方向均垂直的第二方向分布设置；第一直角棱镜242的两直角面245上均镀履有反射膜(图未示)。两反射镜组240的第一直角棱镜242的斜面246相对，两反射镜组240 的第一直角棱镜242错开设置；在本实施方式中，两个反射镜组240关于光路折叠装置的中心点对称，第一直角棱镜242的直角与另一排第一直角棱镜242中相邻两第一直角棱镜242 的相接处相对。

平行四边形反射镜243设置于其中一排第一直角棱镜242中的相邻两个第一直角棱镜242 之间。在本实施方式中，平行四边形反射镜243与对应排的若干第一直角棱镜242位于同一平面上。平行四边形反射镜243包括两个平行相对的反射面247及两个平行相对的入射出射面248。两个反射面247分别面向对应排相邻的两个第一直角棱镜242，两个反射面247上均镀履有反射膜(图未示)，其中一入射出射面248面向另一反射镜组240。

在本实施方式中，每一反射镜组240设有平行四边形反射镜243的一排第一直角棱镜242 包括六个第一直角棱镜242，六个第一直角棱镜242平均分为两组，平行四边形反射镜243 设置在对应排的两组第一直角棱镜242之间；每一反射镜组240未设有平行四边形反射镜243 的一排第一直角棱镜242中包括七个第一直角棱镜242。

第二直角棱镜244设置于对应反射镜组240的其中一端，且第二直角棱镜244与第一直角棱镜242相互垂直，第二直角棱镜244的主截面朝向对应反射镜组240的第一直角棱镜242，第二直角棱镜244的斜面246与另一反射镜组240的第一直角棱镜242的斜面246相对。第二直角棱镜244用对应的两直角面245对光产生反射，从而将光束从另一反射镜组240其中一排的第一直角棱镜242反射至另一反射镜组240另一排的第一直角棱镜242内。在本实施方式中，第二直角棱镜244的两直角面245上均镀履有反射膜(图未示)。

在本实施方式中，两反射镜组240的总体长度大致相等。反射镜组240组装时，可以直接将第一直角棱镜242、平行四边形反射镜243及第二直角棱镜244通过胶水等相互连接在一起，然后通过胶水等固定在安装块147或移动座21上；或可将反射镜组240的第一直角棱镜242、平行四边形反射镜243及第二直角棱镜244先固定在一固定架上，然后再将该固定架固定在安装块147或移动座21上，以更方便安装。

位移测量分光镜232将位移测量光源231的出射光的另一部分投射至其中一反射镜组240 的平行四边形反射镜243上，该光束从其中一反射镜组240的平行四边形反射镜243入射，经由两反射镜组240的第一直角棱镜242及第二直角棱镜244反射后经由另一组反射镜组240 的平行四边形反射镜243出射至固定反射镜233上，同理，被固定反射镜233反射的光束经由其中一组反射镜组240的平行四边形反射镜243入射，经由两反射镜组240的第一直角棱镜242及第二直角棱镜244反射后经由另一组反射镜组240的平行四边形反射镜243朝位移测量分光镜232出射，具体地：假设设有平行四边形反射镜243的一排第一直角棱镜242为第一排第一直角棱镜，未设有平行四边形反射镜243的一排第一直角棱镜242为第二排第一直角棱镜；

光束从其中一反射镜组240中平行四边形反射镜243的入射出射面248入射，依次通过该平行四边形反射镜243两个反射面247的反射后经由该平行四边形反射镜243的另一入射出射面248出射至另一反射镜组240的第一排第一直角棱镜的其中一第一直角棱镜242中；

光束进入第一直角棱镜242中后，被第一直角棱镜242的两个直角面245反射，沿光路 A交替在中两反射镜组240中第一排的若干第一直角棱镜242中进行反射，直至到达一第二直角棱镜244中；该第二直角棱镜244的直角面245将入射的光束沿光路B反射至第二排第一直角棱镜中；

光束进入第二排的第一直角棱镜242中后，被第二排的第一直角棱镜242的两个直角面 245反射，沿光路C交替在两反射镜组240中第二排的若干第一直角棱镜242中进行反射，直至到达另一第二直角棱镜244中；该另一第二直角棱镜244的直角面245将入射的光束沿光路D反射至第一排的第一直角棱镜242中；

光束进入第一排的第一直角棱镜242中后，被第一排的第一直角棱镜242的两个直角面 245反射，沿光路E交替在中两反射镜组240中第一排的若干第一直角棱镜242中进行反射，直至到达另一平行四边形反射镜243中；光束从另一平行四边形反射镜243的入射出射面248 入射，依次通过该平行四边形反射镜243两个反射面247的反射后经由该另一平行四边形反射镜243的另一入射出射面248出射。

因此，入射的光束依次经由光路A、B、C、D、E通过两反射镜组240的所有第一直角棱镜242及第二直角棱镜244，在此过程中，光束在间隔腔241折返次数为(n+1)次，即光束穿过间隔腔241的次数为(n+1)次，n为光路折叠组件24中第一直角棱镜242及第二直角棱镜244的数量之和。在本实施方式中，光束在间隔腔241折返的次数为29次；又由于其中一反射镜组240背向位移测量分光镜232的一侧设有固定反射镜233，从光路折叠组件24出射的光束会被固定反射镜233发射再次进入光路折叠组件24中进行多次反射，最后再从光路折叠组件24出射，此时，光束穿过间隔腔241的次数为2(n+1)次，在本实施方式中，光束在间隔腔241折返的次数为58次。相应的，若其中一反射镜组240相对另一反射镜组240 位移△d，光束通过光路折叠组件24后的光程变化量为2(n+1)*Δd，其光程为原来位移△ d的2(n+1)倍。

请再次参见图1，位移测量组件20还包括移动驱动机构25，移动驱动机构25固定于旋转座14上并与移动座21连接，以驱动移动座21直线移动。在本实施方式中，移动驱动机构25包括丝杆电机251及丝杆253，丝杆电机251固定于旋转座14的座体140上并与丝杆253 连接；丝杆253与移动座21的可滑动方向平行并与移动座21螺纹连接。丝杆电机251驱动丝杆253转动，通过丝杆253驱使移动座21相对旋转座14移动。

请一并参见图2、图3、图5及图6，俯仰角测量组件30包括俯仰座31及俯仰角测量光干涉模组34，俯仰座31转动地装设于移动座21上，并能够相对移动座21绕一第二轴线60 摆动，第二轴线60与第一轴线50及移动座21的可滑动方向均垂直；俯仰角测量光干涉模组 34装设在移动座21及俯仰座31上，以测量俯仰座31相对移动座21摆动的摆动角度。

在本实施方式中，俯仰座31包括支座310、两固定齿轮313、两连接架315及两滑动齿条317。支座310转动地装设于移动座21上，请一并参见图4，在本实施方式中，支座310 通过连接机构32与移动座21转动连接，具体为：连接机构32包括两个固定耳321及一连接轴323，两个固定耳321分别固定于移动座21的相对两侧，连接轴323的相对两端分别与两个固定耳321固定连接，连接轴323位于第二轴线60上，支座310转动地套设于连接轴323 上。在本实施方式中，支座310的大致中心位置还开设有第四通孔311，第四通孔311沿第一轴线50的方向贯通支座310的相对两侧，第四通孔311的一端与第三通孔213背向第二通孔213的一端连通。支座310内还设有固定腔312。

两固定齿轮313分别固定于俯仰座31支座310的相对两侧，在本实施方式中，两固定齿轮313为不完全齿轮，两固定齿轮313沿移动座21的可滑动方向分别设于连接轴323的相对两侧。两连接架315分别与移动座21固定连接，两滑动齿条317分别滑动地装设于两连接架 315上且分别与两固定齿轮313啮合，在本实施方式中，滑动齿条317的可滑动方向与第一轴线50平行。支座310受力绕第二轴线60转动时，通过两固定齿轮313分别驱动两滑动齿条317滑动。

在本实施方式中，俯仰角测量光干涉模组34装设于移动座21及两滑动齿条317上。请一并参见图10及图11，俯仰角测量光干涉模组34包括俯仰角测量光源341、俯仰角测量分光镜342、第一直角反射镜343、第二直角反射镜344、第三直角反射镜345、第一角锥棱镜346(图6)、第二角锥棱镜347(图6)及一俯仰角测量光电探测器348。俯仰角测量光源 341、俯仰角测量分光镜342、第一直角反射镜343、第二直角反射镜344、第三直角反射镜 345及俯仰角测量光电探测器348均固定于移动座21上且均收容于收容槽214内；其中，俯仰角测量光源341优选采用激光发射器，俯仰角测量分光镜342位于俯仰角测量光源341的出射光的光路上，第一直角反射镜343设于俯仰角测量分光镜342的其中一条分光光路上，第二直角反射镜344设于第一直角反射镜343的一侧；第三直角反射镜345设于俯仰角测量分光镜342的另一条分光光路上，俯仰角测量光电探测器348设于俯仰角测量分光镜342背向第一直角反射镜343的一侧。第一角锥棱镜346及第二角锥棱镜347分别固定于两滑动齿条317上且均位于收容槽214外，收容槽214的槽壁上对应两滑动齿条317开设有供光束进出收容槽214的避让通道217，以使第一角锥棱镜346及第二角锥棱镜347能够接收到来自收容槽214内的光束，并能够将接收到的光束反射进入收容槽214中。

俯仰角测量分光镜342将俯仰角测量光源341的出射光的一部分反射至第一直角反射镜 343上，并依次经第一直角反射镜343、第二直角反射镜344的反射后入射至第一角锥棱镜 346上，经第一角锥棱镜346反射后平行出射并依次经过第二直角反射镜344、第一直角反射镜343及俯仰角测量分光镜342透射到俯仰角测量光电探测器348上；俯仰角测量分光镜342 将位移测量光源231的出射光的另一部分投射至第三直角反射镜345上，经第三直角反射镜 345反射后入射至第二角锥棱镜347，再经过第二角锥棱镜347反射后平行出射，并依次经过第三直角反射镜345、俯仰角测量分光镜342反射到俯仰角测量光电探测器348上。

在本实施方式中，俯仰角测量光干涉模组34还包括第四直角反射镜349，第四直角反射镜349固定于移动座21上并收纳于移动座21的收容槽214内，第四直角反射镜349设于俯仰角测量光源341与俯仰角测量分光镜342之间，用于改变俯仰角测量光源341的光束的出射方向，进而调整俯仰角测量光源341的安装位置，使俯仰角测量光干涉模组34各个元件的安装位置布局更合理，以减少装置所需的面积。

请再次参见图3，俯仰角测量组件30还包括摆动驱动件36，摆动驱动件36与俯仰座31 连接，以驱动俯仰座31绕第二轴线60摆动。在本实施方式中，摆动驱动件36包括摆动驱动电机361、驱动齿轮363及被动齿轮365，摆动驱动电机361固定于移动座21上并与驱动齿轮363连接；被动齿轮365为不完全齿轮，被动齿轮365固定于俯仰座31的支座310上并与其中一滑动齿条317同侧设置，被动齿轮365与驱动齿轮363啮合。摆动驱动电机361驱动驱动齿轮363旋转，旋转的驱动齿轮363带动被动齿轮365转动，进而驱使与被动齿轮365 固定的俯仰座31绕第二轴线60摆动。

在本实施方式中，基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置上开设有供主轴200活动穿过的检测孔70，检测孔70贯通固定座12、旋转座14、移动座21及俯仰座31；具体地，固定座12的第一通孔120、旋转座14的第二通孔142、移动座21的第三通孔213及俯仰座31 的第四通孔311共同组成所述检测孔70。姿态检测光干涉模组40装设于俯仰座31上，用于检测旋转座14的转动角度、移动座21的移动距离及俯仰座31的摆动角度是否与检测孔70 内的主轴200的偏离情况一致。

请一并参见图21，在本实施方式中，姿态检测光干涉模组40包括均固定于俯仰座31支座310上的位置检测光源41、第一分光镜42、第二分光镜43、第三分光镜44、第一反射镜45、第二反射镜46、第一光电探测器47及第二光电探测器48。其中，位置检测光源41优选采用激光发射器，第一分光镜42设于位置检测光源41出射光的光路上；第二分光镜43及第三分光镜44分别设于第一分光镜42的两条分光光路上；第一反射镜45位于第二分光镜43 背向第一分光镜42的一侧；第二反射镜46位于第三分光镜44背向第一分光镜42的一侧；第一光电探测器47设于第二分光镜43背向检测孔70的一侧，第二光电探测器48设于第三分光镜44背向检测孔70的一侧。

第一分光镜42将位置检测光源41的出射光分为第一光束及第二光束，其中：

第一分光镜42将第一光束反射至第二分光镜43上，第二分光镜43将第一光束分为第一光束A及第一光束B，第二分光镜43将第一光束A投射至第一反射镜45上，并被第一反射镜45再反射至第二分光镜43上，第二分光镜43将部分第二光束A反射至第一光电探测器 47上；第二分光镜43将第一光束B反射至检测孔70中的主轴200上，主轴200将第一光束 B反射至第二分光镜43，第二分光镜43将部分第一光束B投射至第一光电探测器47上；

第一分光镜42将第二光束投射至第三分光镜44上，第三分光镜44将第二光束分为第二光束A及第二光束B，第三分光镜44将第二光束A投射至第二反射镜46上，并被第二反射镜46再反射至第三分光镜44上，第三分光镜44将部分第二光束A反射至第二光电探测器 48上；第三分光镜44将第二光束B反射至检测孔70中的主轴200上，主轴200将第二光束 B再反射至第三分光镜44上(由于主轴200通常为金属制成，且主轴200表面通常较为光滑，因此，其对光的反射率能够满足产生光干涉条纹的要求)，部分第二光束B透过第三分光镜 44以投射至第二光电探测器48上。第一光电探测器47及第二光电探测器48均用于检测光的能量。

在本实施方式中，姿态检测光干涉模组40还包括两个柱面镜491，两个柱面镜491均固定在俯仰座31的支座310上，其中一柱面镜491设于第二分光镜43与检测孔70之间，另一柱面镜491设于第三分光镜44与检测孔70之间。柱面镜491用于将第一光束B及第二光束B汇聚于检测孔70的主轴200上，且第一光束B的汇聚点及第二光束B的汇聚点均位于第四通孔311的中心，从而确保第一光电探测器47及第二光电探测器48能够探测到干涉条纹。

在本实施方式中，姿态检测光干涉模组40还包括两个固定于俯仰座31支座310上的光补偿镜492，其中一光补偿镜492位于第一反射镜45及第二分光镜43之间，另一光补偿镜 492位于第二反射镜46及第三分光镜44之间。通过设置光补偿镜492能够确保达到第一光电探测器47及第二光电探测器48的用于形成干涉条纹的光束能量接近，进而确保形成清晰的干涉条纹。在本实施方式中，姿态检测光干涉模组40固定于一外罩400中，外罩400固定于俯仰座31的支座310上，姿态检测光干涉模组40通过外罩400与俯仰座31固定连接。通过将姿态检测光干涉模组40固定于一外罩400，更方便姿态检测光干涉模组40的安装。

在本实施方式中，姿态检测光干涉模组40设置为两组，两组姿态检测光干涉模组40环绕检测孔70间隔设置，且两组姿态检测光干涉模组40还可沿第一轴线50间隔设置。通过两组姿态检测光干涉模组40能够分别对检测孔70内主轴200上的不同点进行检测，根据多点的检测结果来判断旋转座14的转动角度、移动座21的移动距离及俯仰座31的俯仰角度是否与检测孔70内的主轴200的偏离情况一致，能够使判断的结果更加准确。可以理解，姿态检测光干涉模组40也可以根据需要设置为一组或两组以上。

在本实施方式中，转角测量光干涉模组16、位移测量光干涉模组23及俯仰角测量光干涉模组34均采用迈克尔光干涉原理，转角测量光电探测器165、位移测量光电探测器235、俯仰角测量光电探测器348、第一光电探测器47及第二光电探测器48均为CCD图像传感器，其能够将探测到的光辐射转换成电量，使用时，将CCD图像传感器的输出信号接到示波器、图像显示器或其他信号存储、设备中，就可以使CCD图像传感器检测到的信号再现以得到光的能量分布图。CCD图像传感器的结构属于现有技术，为省略篇幅，这里不再赘述。具体地，采用该基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置检测主轴200旋转的偏离情况时，步骤大致如下：

S1，将主轴200穿设在检测孔70中，将固定座12通过螺栓等连接件固定于外部支架上；

S2，打开转角测量光源161、位移测量光源231、俯仰角测量光源341及位置检测光源 41，通过旋转旋转座14、移动移动座21或摆动俯仰座31，调节该基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置至初始位置，在初始位置时，第一通孔120、第二通孔142、第三通孔213及第四通孔311的中心均位于第一轴线50上，且第一轴线50位于主轴200的中心轴线上，也即机床的Z轴上，且旋转座14、移动座21及俯仰座31均位于与主轴200中心轴线垂直的平面，即机床的X轴与Y轴所在的加工平面上。在此过程中，通过CCD相机观察第一光电探测器47及第二光电探测器48探测到的光能量分布图可判断该基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置调整是否到位：具体地，根据光的干涉原理，当第一光电探测器47及第二光电探测器48探测到的光能量分布均匀时，表示第一通孔120、第二通孔142、第三通孔213及第四通孔311的中心均位于主轴200的中心轴线上，该基于光干涉的主轴200旋转偏离情况测量装置的位置调整到位；如图22所示，图22的(a)为第一光电探测器47探测到的光能量分布图，图22的(b)为第二光电探测器48探测到的光能量分布图，当第一光电探测器47及第二光电探测器48探测到的光能量均为均匀分布时，表示该基于光干涉的主轴200旋转偏离情况测量装置的位置调整到位。

S3，在机床的主轴200端面上安装待加工的工件，开启机床，使主轴200按照所需的转速旋转对工件进行加工，在此过程中，当主轴200由于工件重量或其他因素的影响发生旋转偏离时，第一光电探测器47及第二光电探测器48探测到的光能量分布图发生变化，不再分布均匀，例如图23所示，其是当主轴200向机床的X轴和Y轴都偏离0.0001°的角度时，第一光电探测器47及第二光电探测器48探测到的光能量分布图：

S4，转动旋转座14，观察第一光电探测器47及第二光电探测器48探测到的光能量分布图，当第一光电探测器47的光能量分布图条纹左右对称，同时，第二光电探测器48的光能量分布图条纹接近竖直时，旋转座14旋转调整到位，如图24所示，此时，旋转座14的转动角度与主轴200上测量点在机床加工平面(即机床X轴与Y轴所在平面)上绕机床Z轴的旋转角度一致，在本实施方式中，测量点为第一光束B、第二光束B与主轴200中心轴的交点G，如图21所示；在此过程中，通过随动齿轮145及两个移动齿条146的配合，将旋转座14的转动运动转化为两个移动齿条146的直线移动，由于转角测量光干涉模组16的两个转角测量角锥反射棱镜164分别固定于两移动齿条146的同一端，两个转角测量角锥反射棱镜164随移动齿条146移动的距离d1相同，d1即为计算旋转座14的转动角度所需的参数；

S5，摆动俯仰座31，观察第一光电探测器47及第二光电探测器48探测到的光能量分布图，当第一光电探测器47的光能量分布图左右对称且上下也对称，条纹呈竖直状态，同时，第二光电探测器48的光能量分布图竖直时，如图25所示，俯仰座31摆动调整到位，此时，俯仰座31的摆动角度与主轴200的中心轴相对机床Z轴的摆动角度一致；在此过程中，通过两固定齿轮313及两滑动齿条317的配合，将俯仰座31的摆动转化为两滑动齿条317的直线滑动，由于俯仰角测量光干涉模组34的第一角锥棱镜346及第二角锥棱镜347固定在两滑动齿条317上，因此，第一角锥棱镜346及第二角锥棱镜347随两滑动齿条317的滑动而移动，且第一角锥棱镜346及第二角锥棱镜347移动的距离相同，设第一角锥棱镜346与第二角锥棱镜347移动的距离为d2,d2为计算俯仰座31摆动角度所需的参数；

S6，移动移动座21，观察第一光电探测器47及第二光电探测器48探测到的光能量分布图，当第一光电探测器47的光能量分布图与第二光电探测器48的光能量分布图再次均属于分布均匀状态时(图26所示)，移动座21调整到位，此时，第一轴线50再次位于主轴200的中心轴上。在此过程中，固定反射镜233固定于旋转座14上保持不动，移动反射镜234固定于移动座21上并随移动座21直线运动，设移动反射镜234相对固定反射镜233移动为d3， d3为主轴200的径向跳动位移；

通过上述步骤S1-S6即可将该基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置由初始位置调整为旋转偏离后的主轴200姿态一致。

主轴200旋转的偏离值计算如下：

在步骤S4调整过程中，观察转角测量光电探测器165所探测得到的光的能量分布图像，得到在旋转座14调整过程中两个转角测量角锥反射棱镜164相对移动的位移d1。具体地，在本实施方式中，观察转角测量光电探测器165所探测得到的光的能量分布图像中光强明暗交替的次数来得到两个转角测量角锥反射棱镜164相对移动的位移d1。例如，当光的能量分布图像的明亮程度变化一次，即从一亮到一暗，说明两个转角测量角锥反射棱镜164相对移动了1/4波长，再变化依次，即从暗变亮，两个转角测量角锥反射棱镜164又相对移动了1/ 4波长，从亮→暗→亮的过程是两转角测量角锥反射棱镜164相对移动了1/2波长，设光能量分布图像中光强明暗交替的次数为N₁，则两转角测量角锥反射棱镜164相对移动的距离 d1＝N₁λ₁/4，λ₁为转角测量光源161所发出的入射光波长，N₁为转角测量光电探测器165探测得到的光能量分布图像中光强明暗交替的次数。因此，根据观察到的转角测量光电探测器 165探测得到的光的能量分布图像中光强明暗交替的次数即可获得两转角测量角锥反射棱镜 164相对移动的位移d1。

请参见图27，设随动齿轮145上任意一点在旋转座14转动前的位置为D1，旋转座14绕第一轴线50，即第一通孔120的中心转动到位后旋转座14转动角度为α，此时，随动齿轮145上该点的位置为D2，位置D1至D2的弧长为L1，弧长为L1为该点在旋转座14转动α角度后走过的路程，由于将旋转座14的转动运动转化为两个移动齿条146的直线移动，因此，移动齿条146的直线移动距离与旋转座14上该点的走过的路程相等，即弧长L1的值与2d1 的值相等，根据弧长的计算公式L1＝απR/180，因为弧长L1值与2d1的值相等，即d1＝απ R/90，R为第一通孔120的中心O1至位置D1的距离，其可由该基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置的制造参数得到，因此，获得值d1后，即可通过弧长的计算公式计算得到旋转座14转动角度α，且旋转座14转动角度α与主轴200上测量点G在机床工作面上绕机床Z 轴转动的角度相等。

同理，在步骤S5调整过程中，观察俯仰角测量光电探测器348所探测得到的光的能量分布图像中光强明暗交替的次数来得到第一角锥棱镜346与第二角锥棱镜347相对移动的位移 d2。d2＝N₂λ₂/4，λ₂为俯仰角测量光源341所发出的入射光波长，N₂为俯仰座31摆动过程中俯仰角测量光电探测器348所探测到的光能量分布图的明暗交替次数。

请参见图28，设俯仰座31固定齿轮313上某一点在俯仰座31转动前的位置为E1，俯仰座31绕第二轴线60转动到位后俯仰座31转动角度为β，此时，俯仰座31固定齿轮313上该点的位置为E2，该点从E1至E2位置经过的路径为弧长L2，由于将俯仰座31的转动运动转化为滑动齿条313的直线移动，因此，滑动齿条313的直线移动距离与俯仰座31上该点经过的路径相等，即弧长L2的值与2d2的值相等，根据弧长的计算公式L2＝βπr/180，因为弧长L2值与2d2的值相等，即d2＝βπr/90，r为连接轴323中心O2至点E1的长度，其可由该基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置的制造参数得到，因此，获得值d2后，即可通过弧长的计算公式计算得到旋转座14转动角度β，且旋转座14转动角度β与主轴200相对加工平面摆动的的摆动偏角相等。

在步骤S6调整过程中，观察位移测量光电探测器235所探测得到的光的能量分布图像中光强明暗交替的次数或条纹的移动来得到移动反射镜234相对固定反射镜233移动的位移d3，具体地，在本实施方式中，移动反射镜234与固定反射镜233相互垂直，此时，光能在整个 CCD图像传感器上是均匀的，移动反射镜234与固定反射镜233相对移动，是在CCD整个面上产生光强的交替变化，就是说整个面从亮到暗再从暗到亮的变化，因此，在本实施方式中，通过观察位移测量光电探测器235所探测得到的光的能量分布图像中光强明暗交替的次数来得到移动反射镜234相对固定反射镜233移动的位移d3，d3＝N₃λ₃/4，λ₁为位移测量光源231 所发出的入射光波长，N₃为移动反射镜234相对固定反射镜233移动过程中光的能量分布图像中光强明暗交替的次数。可以理解，移动反射镜234与固定反射镜233也可以不相互垂直，此时，光能在整个CCD图像传感器上产生直的干涉条纹，移动反射镜234与固定反射镜233 相对移动，是在CCD整个面上产生干涉条纹的移动，此时，可通过观察转角测量光电探测器 165所探测得到的光的能量分布图像中条纹的移动来得到移动反射镜234相对固定反射镜233 移动的位移d3，d3＝N₃ ^’λ₃/2，N₃ ^’为移动反射镜234相对固定反射镜233移动过程中光的能量分布图像中干涉条纹左右移动的数量。

在本实施方式中，由于设置有光路折叠组件24，移动反射镜234与其中一反射镜组240 一同运动，移动反射镜234相对固定反射镜233移动的距离与两个反射镜组240相对移动的距离Δd相等，因此，当移动反射镜234相对固定反射镜233移动d3距离时，d3＝2(n+1)*Δd，则移动反射镜234相对固定反射镜233实际位移的距离为Δd＝d3/2(n+1)。

此外，经过研究发现，在步骤S4中，主轴200朝不同方向偏转时，旋转座14转动过程中转角测量光电探测器165所探测得到的光能量分布图像中条纹的偏向也不同，因此，在旋转座14转动过程中可通过观察转角测量光电探测器165所探测得到的光能量分布图像中条纹的偏向来判断得到主轴200的偏转方向。

本实施方式的基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置，其将主轴旋转过程中主轴的瞬时旋转中心线相对理想旋转中心线的偏离情况分解为主轴上测量点G在机床工作面上围绕机床Z轴转动产生的方位角、主轴上测量点G的径向位移及主轴瞬时旋转中心线相对机床Z轴的摆角。使用时，采用动态测量方法在主轴200处于实际的工作转速下进行测量，当主轴200 旋转工作时，通过旋转座14的旋转、移动座21的移动及俯仰座31的摆动模拟主轴200旋转的偏离状态，在此过程中，通过姿态检测光干涉模组40可以判断得到旋转座14的转动角度、移动座21的移动距离及俯仰座31的俯仰角度是否与主轴200偏离情况一致，当一致时，表示主轴200旋转偏离情况测量装置姿态与主轴200旋转偏离后的姿态一致。而在旋转座14的旋转、移动座21的移动及俯仰座31的摆动的过程中，可通过转角测量光干涉模组16、位移测量光干涉模组23及俯仰角测量光干涉模组34测量同时测量得到旋转座14的转动角度、移动座21的移动距离及俯仰座31的俯仰角度，该移动距离即对应于主轴200旋转时产生的径向跳动，该转动角度对应于主轴上测量点G在机床工作面上围绕机床Z轴转动产生的方位角，该俯仰角度对应于主轴瞬时旋转中心线相对机床Z轴的摆角。由于基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置采用转角测量光干涉模组16、位移测量光干涉模组23、俯仰角测量光干涉模组34及姿态检测光干涉模组40对主轴200旋转偏离情况进行测试，其精度与光干涉采用的光源波长相关，精度可达到纳米级，同时，转角测量光干涉模组16、位移测量光干涉模组23、俯仰角测量光干涉模组34及姿态检测光干涉模组40均安装在该基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置上而与主轴200无接触，不受主轴200旋转时产生的振动的影响，测量精度得以提高，能够满足高精密机床的需求。

中国发明专利申请CN106425691A公开了一种基于激光干涉原理的精密主轴回转精度检测装置及方法，其精密主轴回转精度检测光路包括用于安装所需仪器的箱体，安装于箱体中的激光发射器、4个光学凸透镜、半透半反镜、基准球以及CCD相机，部分激光光束将由方箱上的圆孔射出打在靶球上，靶球通过延伸杆安装在精密主轴上。分析原理对CCD相机采集到的激光干涉图样进行分析，获得精密主轴的转速以及三向位移误差。本发明方便用于工程检测，无需误差分离，能够同时检测精密主轴的转速、轴向和径向位移误差，并且测量精度达到纳米量级。然而，其在实际使用时，还存在以下缺陷：(1)由于其需要计算光程差，而光程差计算较为困难，因此，其需要在主轴端部安装靶球，根据靶球的特殊形状来计算得到光程差，再根据计算得到的光程差获得精密主轴的转速、轴向和径向位移误差。其只能在主轴端部安装靶球，无法安装其他非圆球状的不规则元件，否则难以计算光程差，因此，其无法在主轴端部安装实际所要加工的零件的情况下检测主轴旋转的偏离情况，其检测结果可能与实际使用和理想状态差距较大，导致测量精度降低。(2)中国发明专利申请CN106425691A 中采用的是干涉测试系统固定不动，通过计算激光发射器入射光与反射光光程差的方式来获得主轴的偏离情况，然而，其光程差的计算条件苛刻，其需要在主轴位移量相对靶球半径很小，入射光与反射光的夹角可忽略的前提下进行估算，其计算得到的光程差误差较大，且随着主轴位移量增加，其计算得到的光程差误差就会越大，导致其所能测量的位移范围小，超测量范围则装置和算法无效。

本发明实施例的基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置，采用基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置跟随主轴运动的方式来进行测量，当该装置与主轴偏离的姿态保持一致时，通过设置在装置上的转角测量光干涉模组16、位移测量光干涉模组23、俯仰角测量光干涉模组34即可测量得到该装置的偏离情况，进而得到主轴200的偏离情况，具体地，对于旋转座14的转动角度的计算，本实施例通过随动齿轮145及两个移动齿条146的配合，将旋转座14 的转动运动转化为两个移动齿条146的直线移动，将转角测量光干涉模组16的转角测量角锥反射棱镜164固定在移动齿条146上，因此，可通过转角测量光干涉模组16方便地测量得到转角测量角锥反射棱镜164移动的距离，再根据测量得到转角测量角锥反射棱镜164移动的距离计算得到旋转座14的转动角度；对于移动座21的移动位移的计算，位移测量光干涉模组23的固定反射镜233固定于旋转座14上，移动反射镜234固定于移动座21上并随移动座 21移动，此时，移动反射镜234相对于固定反射镜233移动的距离即为位移测量光干涉模组 23计算径向位移所需的参数；对于俯仰座31的俯仰角度的计算，本实施例通过两固定齿轮 313及两滑动齿条317的配合，将俯仰座31的摆动转化为两滑动齿条317的直线滑动，将俯仰角测量光干涉模组34的第一角锥棱镜346及第二角锥棱镜347分别固定在两滑动齿条317 上，因此，可通过俯仰角测量光干涉模组34方便地测量得到第一角锥棱镜346及第二角锥棱镜347移动的距离，再根据测量得到第一角锥棱镜346或第二角锥棱镜347移动的距离计算得到俯仰座31的转动角度；可见，本实施例无需计算光程差，无需靶球的配合，允许其在主轴200端面上根据需要安装实际加工的元件，测量时更符合主轴200实际加工的情况，测量精度更高；且其无需计算光程差，避免光程差计算复杂需标准球、靶球等配合导致测量条件苛刻的问题，可防止光程差的估算等过程给主轴200精度测量带来的误差，除了能保证测量精度外，还可对主轴200大角度的偏离进行测量。此外，本实施例可通过转角测量光干涉模组16、位移测量光干涉模组23、俯仰角测量光干涉模组34直接测量得到主轴200的径向位移及偏转角度，相较于其通过做靶球中心运动轨迹的投影图的方式来获得主轴200的径向位移误差等，测量结果更为精确。

本发明实施例的基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置还包括光路折叠组件24，光束进入光路折叠组件24后能够在两反射镜组240之间进行多次反射后再出射，增加了光程变化量，其光程变化量为实际位移△d的2(n+1)倍，能够提高位移检测的灵敏度，进而能够进一步提高位移测量的精度。此外，两反射镜组240通过平行四边形反射镜243的设置，能够使从光路折叠组件24出射的出射光与进入光路折叠组件24的入射光平行，进而更方便光路的调整，也更方便后续位移的计算。

可以理解，还可以通过手动方式驱动旋转座14、移动座21及俯仰座31运动。可以理解，本实施例的基于光干涉的主轴200旋转偏离情况测量装置可用于机床，例如，车床、磨床等的主轴200的旋转精度的测量。可以理解，旋转驱动件17、移动驱动机构25及摆动驱动件36的结构不限于本实施例，其也可以采用现有技术中其他结构的驱动装置。可以理解，第一直角棱镜242的数量不限于本实施例，其也可以根据需要设置为其他数目。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (10)

1.一种基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置，其特征在于，包括：

转角测量组件(10)，包括固定座(12)、旋转座(14)及转角测量光干涉模组(16)，旋转座(14)与固定座(12)转动连接，并能够相对固定座(12)绕一第一轴线(50)自转；转角测量光干涉模组(16)装设于旋转座(14)上，以测量旋转座(14)的转动角度；

位移测量组件(20)，包括移动座(21)及位移测量光干涉模组(23)，移动座(21)滑动地装设于旋转座(14)上，位移测量光干涉模组(23)装设于旋转座(14)及移动座(21)上，以测量移动座(21)相对旋转座(14)滑动的位移；

俯仰角测量组件(30)，包括俯仰座(31)及俯仰角测量光干涉模组(34)，俯仰座(31)转动地装设于移动座(21)上，并能够相对移动座(21)绕一第二轴线(60)摆动，第二轴线(60)与第一轴线(50)及移动座(21)的可滑动方向均垂直，俯仰角测量光干涉模组(34)装设在移动座(21)及俯仰座(31)上，以测量俯仰座(31)相对移动座(21)的摆动角度；以及

姿态检测光干涉模组(40)，其装设于俯仰座(31)上，用于检测旋转座(14)的转动角度、移动座(21)滑动的位移及俯仰座(31)的摆动角度是否与主轴(200)偏离情况一致。

2.如权利要求1的基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置，其特征在于，旋转座(14)包括座体(140)、随动齿轮(145)及两个移动齿条(146)，座体(140)与固定座(12)转动连接，随动齿轮(145)固定于座体(140)上，随动齿轮(145)的中心轴与第一轴线(50)同轴；两移动齿条(146)均滑动地装设于座体(140)上并分别与随动齿轮(145)的相对两侧啮合，转角测量光干涉模组(16)装设于座体(140)及两移动齿条(146)上。

3.如权利要求2的基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置，其特征在于，转角测量光干涉模组(16)包括转角测量光源(161)、转角测量分光镜(162)、转角测量直角反射镜(163)、两个转角测量角锥反射棱镜(164)及一转角测量光电探测器(165)，转角测量光源(161)、转角测量分光镜(162)、转角测量直角反射镜(163)均固定于座体(140)上，转角测量分光镜(162)装设于转角测量光源(161)的出射光路上，转角测量直角反射镜(163)位于转角测量分光镜(162)背向转角测量光源(161)的一侧，两个转角测量角锥反射棱镜(164)分别固定于两移动齿条(146)上，转角测量光电探测器(165)位于转角测量分光镜(162)背向转角测量角锥反射棱镜(164)的一侧；

转角测量分光镜(162)将转角测量光源(161)的出射光一部分反射至其中一转角测量角锥反射棱镜(164)上，经该转角测量角锥反射棱镜(164)折射后平行出射并再次经过转角测量分光镜(162)入射到转角测量光电探测器(165)上；

转角测量分光镜(162)将转角测量光源(161)出射光的另一部分投射至转角测量直角反射镜(163)上，转角测量直角反射镜(163)将投射过来的出射光反射至另一转角测量角锥反射棱镜(164)上，经对应的转角测量角锥反射棱镜(164)折射后平行出射，并依次经过转角测量直角反射镜(163)、转角测量分光镜(162)入射到转转角测量光电探测器(165)上。

4.如权利要求1的基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置，其特征在于，位移测量光干涉模组(23)包括位移测量光源(231)、位移测量分光镜(232)、移动反射镜(234)、固定反射镜(233)及位移测量光电探测器(235)，位移测量光源(231)、位移测量分光镜(232)及移动反射镜(234)均固定于移动座(21)上，固定反射镜(233)固定于旋转座(14)上，位移测量分光镜(232)及固定反射镜(233)依次设于位移测量光源(231)发射光的光路上，移动反射镜(234)及位移测量光电探测器(235)分别设于位移测量分光镜(232)的相对两侧；

位移测量分光镜(232)将位移测量光源(231)的出射光一部分反射至移动反射镜(234)上，经该移动反射镜(234)反射后经过位移测量分光镜(232)入射到位移测量光电探测器(235)上；

位移测量分光镜(232)将位移测量光源(231)的出射光另一部分沿位移测量光源(231)出射光的光路投射至固定反射镜(233)上，经固定反射镜(233)反射后经过位移测量分光镜(232)反射到位移测量光电探测器(235)上。

5.如权利要求4的基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置，其特征在于，所述基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置还包括设于位移测量光源(231)出射光的光路上并位于位移测量分光镜(232)与固定反射镜(233)之间的光路折叠组件(24)，光路折叠组件(24)包括沿位移测量光源(231)出射光的光路相对间隔设置的两个反射镜组(240)，两反射镜组(240)分别固定于移动座(21)及旋转座(14)上，两反射镜组(240)之间形成间隔腔(241)；

每一反射镜组(240)包括两排第一直角棱镜(242)、一平行四边形反射镜(243)及一第二直角棱镜(244)；

每排第一直角棱镜(242)中的若干第一直角棱镜(242)沿第一方向排列，所述第一方向与间隔腔(241)的长度方向平行，第一直角棱镜(242)用对应的两直角面对光产生反射；每一反射镜组(240)中两排第一直角棱镜(242)沿与所述第一方向及所述位移测量光源(231)出射光的光路方向均垂直的第二方向设置；两反射镜组(240)的第一直角棱镜(242)的斜面相对，两反射镜组(240)的第一直角棱镜(242)错开设置；

平行四边形反射镜(243)设置于其中一排第一直角棱镜(242)中的相邻两个第一直角棱镜(242)之间；

第二直角棱镜(244)设置于对应反射镜组(240)的一端，且第二直角棱镜(244)与第一直角棱镜(242)相互垂直，第二直角棱镜(244)的主截面朝向对应组的第一直角棱镜(242)，第二直角棱镜(244)用对应的两直角面对光产生反射；每一反射镜组(240)的第二直角棱镜(244)的斜面与另一反射镜组(240)对应端的两排第一直角棱镜(242)的斜面相对，两反射镜组(240)的第二直角棱镜(244)分别位于光路折叠组件(24)的相对两端；

位移测量光源(231)的出射光经由其中一组反射镜组(240)的平行四边形反射镜(243)入射，经由两反射镜组(240)的多个第一直角棱镜(242)及第二直角棱镜(244)反射后经由另一组反射镜组(240)的平行四边形反射镜(243)出射。

6.如权利要求1的基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置，其特征在于，俯仰座(31)包括支座(310)、两固定齿轮(313)、两连接架(315)及两滑动齿条(317)，支座(310)转动地装设于移动座(21)上，两固定齿轮(313)分别固定于支座(310)的相对两侧，两连接架(315)分别与移动座(21)固定连接，两滑动齿条(317)分别滑动地装设于两连接架(315)上且分别与两固定齿轮(313)啮合，支座(310)受力绕第二轴线(60)转动，通过两固定齿轮(313)分别驱动两滑动齿条(317)滑动，俯仰角测量光干涉模组(34)装设于移动座(21)及两滑动齿条(317)上。

7.如权利要求6的基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置，其特征在于，俯仰角测量光干涉模组(34)包括俯仰角测量光源(341)、俯仰角测量分光镜(342)、第一直角反射镜(343)、第二直角反射镜(344)、第三直角反射镜(345)、第一角锥棱镜(346)、第二角锥棱镜(347)及一俯仰角测量光电探测器(348)，

俯仰角测量光源(341)、俯仰角测量分光镜(342)、第一直角反射镜(343)、第二直角反射镜(344)、第三直角反射镜(345)及俯仰角测量光电探测器(348)均固定于移动座(21)上，第一角锥棱镜(346)及第二角锥棱镜(347)分别固定于两滑动齿条(317)上；

俯仰角测量分光镜(342)将俯仰角测量光源(341)的出射光一部分反射至第一直角反射镜(343)上，并依次经过第一直角反射镜(343)、第二直角反射镜(344)的反射后入射至第一角锥棱镜(346)上，经第一角锥棱镜(346)反射后平行出射并依次经过第二直角反射镜(344)、第一直角反射镜(343)及俯仰角测量分光镜(342)透射到俯仰角测量光电探测器(348)上；

俯仰角测量分光镜(342)将位移测量光源(231)出射光的另一部分投射至第三直角反射镜(345)上，经第三直角反射镜(345)反射后入射至第二角锥棱镜(347)，再经过第二角锥棱镜(347)反射后平行出射，并依次经过第三直角反射镜(345)、俯仰角测量分光镜(342)反射到俯仰角测量光电探测器(348)上。

8.如权利要求1的基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置，其特征在于，基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置上开设有供主轴(200)活动穿过的检测孔(70)，检测孔(70)贯通固定座(12)、旋转座(14)、移动座(21)及俯仰座(31)；

姿态检测光干涉模组(40)包括均固定于俯仰座(31)上的位置检测光源(41)、第一分光镜(42)、第二分光镜(43)、第三分光镜(44)、第一反射镜(45)、第二反射镜(46)、第一光电探测器(47)及第二光电探测器(48)；

第一分光镜(42)将位置检测光源(41)的出射光分为第一光束及第二光束，其中，

第一分光镜(42)将第一光束反射至第二分光镜(43)上，第二分光镜(43)将第一光束分为第一光束A及第一光束B，第二分光镜(43)将第一光束A投射至第一反射镜(45)上，并被第一反射镜(45)再反射至第二分光镜(43)上，第二分光镜(43)将部分第二光束A反射至第一光电探测器(47)上；第二分光镜(43)将第一光束B反射至检测孔(70)中的主轴(200)上，主轴(200)将第一光束B反射至第二分光镜(43)，第二分光镜(43)将部分第一光束B投射至第一光电探测器(47)上；

第一分光镜(42)将第二光束投射至第三分光镜(44)上，第三分光镜(44)将第二光束分为第二光束A及第二光束B，第三分光镜(44)将部分第二光束A投射至第二反射镜(46)上，该部分第二光束A被第二反射镜(46)再反射至第三分光镜(44)上，第三分光镜(44)将部分第二光束A反射至第二光电探测器(48)上；第三分光镜(44)将第二光束B反射至检测孔(70)中的主轴(200)上，主轴(200)将第二光束B再反射至第三分光镜(44)上，部分第二光束B透过第三分光镜(44)以投射至第二光电探测器(48)上。

9.如权利要求8的基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置，其特征在于，固定座(12)上贯通开设有与第一轴线(50)同轴的第一通孔(120)，旋转座(14)上贯通开设有与第一轴线(50)同轴的第二通孔(142)，移动座(21)上贯通开设有第三通孔(213)，俯仰座(31)上贯通开设有第四通孔(311)，第一通孔(120)、第二通孔(142)、第三通孔(213)及第四通孔(311)依次连通以组成所述检测孔(70)，第一光束B及第二光束B均汇聚至第四通孔(311)的中心轴上。

10.如权利要求8的基于光干涉的主轴旋转偏离情况测量装置，其特征在于，姿态检测光干涉模组(40)还包括两个固定于俯仰座(31)上的光补偿镜(492)，其中一光补偿镜(492)位于第一反射镜(45)及第二分光镜(43)之间，另一光补偿镜(492)位于第一反射镜(46)及第三分光镜(44)之间。

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