CN116202430A - 一种用于三维微位移滑块6自由度误差光学测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于精密测量技术领域，具体公开了一种用于三维微位移滑块6自由度误差光学测量系统，通过7个分光镜的分光后，照射到3个正交布置的反射式光栅上，使用6个二维光电位置传感器分别接收3个光栅衍射的±1级主极大光斑的位置，通过分析6个二维光电位置传感器上光斑位置的变化量，计算三维微位移滑块的6自由度误差。本发明测量系统中仅使用了一个激光光源，保证了三路测量光束波长的统一，使理想状态下的衍射角相等，减少由于波长不统一引入的系统误差。

Description

一种用于三维微位移滑块6自由度误差光学测量系统

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，特别涉及一种用于三维微位移滑块6自由度误差光学测量系统。

背景技术

三维微位移滑块广泛应用于工业制造、精密测量等领域。三维微位移滑块的制造精度、装配精度以及控制精度直接影响着精密滑台和精度导轨等直线运动副的运动精度。传统方法使用激光自准直仪、激光干涉仪、千分表、电感测微仪等组合系统实现三维微位移滑块6自由度误差的精密测量，无法避免测量效率低、测量系统复杂的问题。采用简单的测量系统快速实现三维微位移滑块6自由度误差的精密测量对提升精密滑台和精度导轨等运动精度起到至关重要的作用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中测量效率低、测量系统复杂的的缺陷，提供一种用于三维微位移滑块6自由度误差光学测量系统。

本发明提供了一种用于三维微位移滑块6自由度误差光学测量系统,包括三维微位移滑块、激光器以及沿激光器光路设置的7个分光镜，所述激光器的光轴沿y轴正方向放置，在y轴正方向上依次放置沿y轴和z轴分光的第一分光镜、沿y轴和x轴分光的第二分光镜以及沿y轴和x轴分光的第四分光镜；沿第二分光镜的x轴正方向放置沿x轴和y轴分光的第五分光镜；沿第一分光镜的z轴正方向放置沿z轴和x轴分光的第三分光镜；沿第三分光镜的x轴正方向放置沿x轴和y轴分光的第六分光镜；沿第六分光镜的y轴正方向放置沿y轴和z轴分光的第七分光镜；

所述三维微位移滑块的三个正交平面上设置有x向角度位移台、y向角度位移台和z向角度位移台，在所述x向角度位移台上设置x向反射式光栅，在所述y向角度位移台上设置y向反射式光栅，在所述z向角度位移台上设置z向反射式光栅。

进一步的方案为，经过所述第四分光镜反射的激光束、经过所述第五分光镜反射的激光束和经过所述第七分光镜反射的激光束垂直且相交于一点。

进一步的方案为，所述三维微位移滑块的质心放置于所述第四分光镜、第五分光镜、第七分光镜反射的激光束交点处。

进一步的方案为，所述x向角度位移台上设置有角度位移台第一调节旋钮、角度位移台第二调节旋钮和角度位移台第三调节旋钮；

所述角度位移台第一调节旋钮、角度位移台第二调节旋钮和角度位移台第三调节旋钮用于调节所述x向反射式光栅分别沿y轴、z轴和x轴旋转以使得x向+1级主极大衍射光束和x向-1级主极大衍射光束构成的光平面与x向反射式光栅的栅线垂直；

在平行于yoz的平面内安装x向第一光电位置传感器和x向第二光电位置传感器；

所述x向+1级主极大衍射光束位于所述x向第一光电位置传感器的中心；

所述x向-1级主极大衍射光束位于所述x向第二光电位置传感器的中心。

进一步的方案为，所述x向第一光电位置传感器和x向第二光电位置传感器通过两个镜架固定在光学平台上，或者将所述第一光电位置传感器和x向第二光电位置传感器设置在固定板上，且所述固定板中间开设有用于通过所述x向入射光束的通孔。

进一步的方案为，所述y向角度位移台上设置有角度位移台第一调节旋钮、角度位移台第二调节旋钮和角度位移台第三调节旋钮；

所述角度位移台第一调节旋钮、角度位移台第二调节旋钮和角度位移台第三调节旋钮用于调节所述y向反射式光栅分别沿x轴、z轴和y轴旋转以使得y向+1级主极大衍射光束和y向-1级主极大衍射光束构成的光平面与y向反射式光栅的栅线垂直；

在平行于xoz的平面内安装y向第一光电位置传感器和y向第二光电位置传感器；

所述y向+1级主极大衍射光束位于所述y向第一光电位置传感器的中心；

所述y向-1级主极大衍射光束位于所述y向第二光电位置传感器的中心。

进一步的方案为，所述y向第一光电位置传感器和y向第二光电位置传感器通过两个镜架固定在光学平台上，或者将所述y向第一光电位置传感器和y向第二光电位置传感器设置在固定板上，且所述固定板中间开设有用于通过y向入射光束的通孔。

进一步的方案为，所述z向角度位移台上设置有角度位移台第一调节旋钮、角度位移台第二调节旋钮和角度位移台第三调节旋钮；

所述角度位移台第一调节旋钮、角度位移台第二调节旋钮和角度位移台第三调节旋钮用于调节所述z向反射式光栅分别沿y轴、x轴和z轴旋转以使得z向+1级主极大衍射光束和z向-1级主极大衍射光束构成的光平面与z向反射式光栅的栅线垂直；

在平行于xoy的平面内安装z向第一光电位置传感器和z向第二光电位置传感器；

所述z向+1级主极大衍射光束位于所述z向第一光电位置传感器的中心；

所述z向-1级主极大衍射光束位于所述z向第二光电位置传感器的中心。

进一步的方案为，所述z向第一光电位置传感器和z向第二光电位置传感器通过两个镜架固定在光学平台上，或者z向第一光电位置传感器和z向第二光电位置传感器设置在固定板上，且所述固定板中间开设有用于通过z向入射光束的通孔。

进一步的方案为，所述激光器、第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜、第四分光镜、第五分光镜、第六分光镜和第七分光镜通过镜架固定在光学平台上。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明测量系统中仅使用了一个激光光源，保证了三路测量光束波长的统一，使理想状态下的衍射角相等，减少由于波长不统一引入的系统误差。

2、本发明测量系统中每个测量方向都使用了两个光电位置传感器，进行数据处理时具有数据平均效应，能够减小随机误差。

3、本发明用途广泛，尤其适用于精密滑台和精密导轨中的高精度三维微位移滑块。

附图说明

以下附图仅对本发明作示意性的说明和解释，并不用于限定本发明的范围，其中：

图1为一种用于三维微位移滑块6自由度误差光学测量系统示意图；

图2为x向测量模块示意图；

图3为y向测量模块示意图；

图4为z向测量模块示意图；

图5为三维微位移滑块与角度位移台的平面图；

图6为角度台调节装置示意图。

图中：1、激光器，2、第一分光镜，3、第二分光镜，4、第三分光镜，5、第四分光镜，6、第五分光镜，7、第六分光镜，8、第七分光镜，9、三维微位移滑块，10、x向角度位移台，11、x向反射式光栅，12、x向第一光电位置传感器，13、x向第二光电位置传感器，14、y向角度位移台，15、y向反射式光栅，16、y向第一光电位置传感器，17、y向第二光电位置传感器，18、z向角度位移台，19、z向反射式光栅，20、z向第一光电位置传感器，21、z向第二光电位置传感器，22、角度位移台第一调节旋钮，23、角度位移台第二调节旋钮，24、角度位移台第三调节旋钮，25、x向入射光束，26、x向+1级主极大衍射光束，27、x向-1级主极大衍射光束，28、y向入射光束，29、y向+1级主极大衍射光束，30、y向-1级主极大衍射光束，31、z向入射光束，32、z向+1级主极大衍射光束，33、z向-1级主极大衍射光束，34、钢球，35、钢球窝坑，36、角度位移台第二调节旋钮窝坑，37、角度位移台第一调节旋钮窝坑，38、角度位移台第三调节旋钮顶板，39、拉簧。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案、设计方法及优点更加清楚明了，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明采用1个激光光源，通过7个分光镜的分光后，照射到3个正交布置的反射式光栅上，使用6个二维光电位置传感器分别接收3个光栅衍射的±1级主极大光斑的位置，通过分析6个二维光电位置传感器上光斑位置的变化量，计算三维微位移滑块的6自由度误差，提出一种用于三维微位移滑块6自由度误差光学测量系统；如图1-5所示，包括激光器1、第一分光镜2、第二分光镜3、第三分光镜4、第四分光镜5、第五分光镜6、第六分光镜7、第七分光镜8、三维微位移滑块9、x向角度位移台10、x向反射式光栅11、x向第一光电位置传感器12、x向第二光电位置传感器13、y向角度位移台14、y向反射式光栅15、y向第一光电位置传感器16、y向第二光电位置传感器17、z向角度位移台18、z向反射式光栅19、z向第一光电位置传感器20、z向第二光电位置传感器21、角度位移台第一调节旋钮22、角度位移台第二调节旋钮23、角度位移台第三调节旋钮24、x向入射光束25、x向+1级主极大衍射光束26、x向-1级主极大衍射光束27、y向入射光束28、y向+1级主极大衍射光束29、y向-1级主极大衍射光束30、z向入射光束31、z向+1级主极大衍射光束32、z向-1级主极大衍射光束33、钢球34、钢球窝坑35、角度位移台第二调节旋钮窝坑36、角度位移台第一调节旋钮窝坑37、角度位移台第三调节旋钮顶板38、拉簧39。激光器1的光轴沿y轴正方向放置，在y轴正方向上依次放置沿y轴和z轴分光的第一分光镜2、沿y轴和x轴分光的第二分光镜3以及沿y轴和x轴分光的第四分光镜5；沿第二分光镜3的x轴正方向放置沿x轴和y轴分光的第五分光镜6；沿第一分光镜2的z轴正方向放置沿z轴和x轴分光的第三分光镜4；沿第三分光镜4的x轴正方向放置沿x轴和y轴分光的第六分光镜7；沿第六分光镜7的y轴正方向放置沿y轴和z轴分光的第七分光镜8。调节激光器1、第一分光镜2、第二分光镜3、第三分光镜4、第四分光镜5、第五分光镜6、第六分光镜7和第七分光镜8的空间位置，使经过第四分光镜5反射的激光束、经过第五分光镜6反射的激光束和经过第七分光镜8反射的激光束垂直且相交于一点。x向角度位移台10、y向角度位移台14和z向角度位移台18通过钢球34和两个拉簧39与三维微位移滑块9连接。钢球34顶在三维微位移滑块9的钢球窝坑35中。角度位移台第一调节旋钮22穿过拉簧39，顶在角度位移台第一调节旋钮窝坑37中。角度位移台第二调节旋钮23穿过拉簧39，顶在角度位移台第二调节旋钮窝坑36中。角度位移台第三调节旋钮24穿过拉簧39，顶在角度位移台第三调节旋钮顶板38上。

如图1所示，将三维微位移滑块9的质心放置于第四分光镜、第五分光镜、第七分光镜反射的激光束交点处，并分别在三维微位移滑块9的三个正交平面上安装x向角度位移台10、y向角度位移台14和z向角度位移台18。采用胶粘的方式，在x向角度位移台10上固定x向反射式光栅11，在y向角度位移台14上固定y向反射式光栅15，在z向角度位移台18上固定z向反射式光栅19。

如图2和图6所示，调节x向角度位移台10的角度位移台第一调节旋钮22，使x向角度位移台10绕钢球34旋转，进而实现x向反射式光栅11绕y轴的旋转。调节x向角度位移台10的角度位移台第二调节旋钮23，使x向角度位移台10绕钢球34旋转，进而实现x向反射式光栅11绕z轴的旋转。调节x向角度位移台10的角度位移台第三调节旋钮24，使x向角度位移台10绕钢球34旋转，进而实现x向反射式光栅11绕x轴的旋转。调整至x向+1级主极大衍射光束26和x向-1级主极大衍射光束27构成的光平面与x向反射式光栅11的栅线垂直时为止。

如图3和图6所示，调节y向角度位移台14的角度位移台第一调节旋钮22，使y向角度位移台14绕钢球34旋转，进而实现y向反射式光栅15绕x轴旋转。调节y向角度位移台14的角度位移台第二调节旋钮23，使y向角度位移台14绕钢球34旋转，进而实现y向反射式光栅15绕z轴旋转。调节y向角度位移台14的角度位移台第三调节旋钮24，使y向角度位移台14绕钢球34旋转，进而实现y向反射式光栅15绕y轴旋转。调整至y向+1级主极大衍射光束29和y向-1级主极大衍射光束30构成的光平面与y向反射式光栅15的栅线垂直时为止。

如图4和图6所示，调节z向角度位移台18的角度位移台第一调节旋钮22，使z向角度位移台18绕钢球34旋转，进而实现z向反射式光栅19绕y轴旋转。调节z向角度位移台18的角度位移台第二调节旋钮23，使z向角度位移台18绕钢球34旋转，进而实现z向反射式光栅19绕x轴旋转。调节z向角度位移台18的角度位移台第三调节旋钮24，z向角度位移台18绕钢球34旋转，进而实现z向反射式光栅19绕z轴旋转。调整至z向+1级主极大衍射光束32和z向-1级主极大衍射光束33构成的光平面与z向反射式光栅19的栅线垂直时为止。

如图1所示，在平行于yoz的平面内安装x向第一光电位置传感器12和x向第二光电位置传感器13。调整x向第一光电位置传感器12的位置，使x向+1级主极大衍射光束26照射到x向第一光电位置传感器12的中心。调整x向第二光电位置传感器13的位置，使x向-1级主极大衍射光束27照射到x向第二光电位置传感器13的中心。在平行于xoz的平面内安装y向第一光电位置传感器16和y向第二光电位置传感器17。调整y向第一光电位置传感器16的位置，使y向+1级主极大衍射光束29照射到y向第一光电位置传感器16的中心。调整y向第二光电位置传感器17的位置，使y向-1级主极大衍射光束30照射到y向第二光电位置传感器17的中心。在平行于xoy的平面内安装z向第一光电位置传感器20和z向第二光电位置传感器21。调整z向第一光电位置传感器20的位置，使z向+1级主极大衍射光束32照射到z向第一光电位置传感器20的中心。调整z向第二光电位置传感器21的位置，使z向-1级主极大衍射光束33照射到z向第二光电位置传感器21的中心。

如图1所示，激光器1、第一分光镜2、第二分光镜3、第三分光镜4、第四分光镜5、第五分光镜6、第六分光镜7和第七分光镜8可以通过专用镜架固定在光学平台上。x向第一光电位置传感器12和x向第二光电位置传感器13可以通过两个通用镜架固定在光学平台上，也可以作为整体安装在一个固定板上，且固定板中间需开有一个能够通过x向入射光束25的孔。y向第一光电位置传感器16和y向第二光电位置传感器17可以通过两个通用镜架固定在光学平台上，也可以作为整体安装在一个固定板上，且固定板中间需开有一个能够通过y向入射光束28的孔。z向第一光电位置传感器20和z向第二光电位置传感器21可以通过两个通用镜架固定在光学平台上，也可以作为整体安装在一个固定板上，且固定板中间需开有一个能够通过z向入射光束31的孔。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (8)

1.一种用于三维微位移滑块6自由度误差光学测量系统，包括激光器(1)以及沿激光器(1)光路设置的7个分光镜，其特征在在于，所述激光器(1)的光轴沿y轴正方向放置，在y轴正方向上依次放置沿y轴和z轴分光的第一分光镜(2)、沿y轴和x轴分光的第二分光镜(3)以及沿y轴和x轴分光的第四分光镜(5)；沿第二分光镜(3)的x轴正方向放置沿x轴和y轴分光的第五分光镜(6)；沿第一分光镜2的z轴正方向放置沿z轴和x轴分光的第三分光镜(4)；沿第三分光镜4的x轴正方向放置沿x轴和y轴分光的第六分光镜(7)；沿第六分光镜7的y轴正方向放置沿y轴和z轴分光的第七分光镜(8)；三维微位移滑块(9)位于经7个分光镜分光后的光束交汇处；

所述三维微位移滑块(9)的三个正交平面上设置有x向角度位移台(10)、y向角度位移台(14)和z向角度位移台(18)，在所述x向角度位移台(10)上、y向角度位移台(14)、z向角度位移台(18)上均设置有反射式光栅。

2.根据权利要求1所述的一种用于三维微位移滑块6自由度误差光学测量系统，其特征在于，经过所述第四分光镜(5)反射的激光束、经过所述第五分光镜(6)反射的激光束和经过所述第七分光镜(8)反射的激光束垂直且相交于一点。

3.根据权利要求2所述的一种用于三维微位移滑块6自由度误差光学测量系统，其特征在于，所述三维微位移滑块(9)的质心放置于所述第四分光镜(5)、第五分光镜(6)、第七分光镜(8)反射的激光束交点处。

4.根据权利要求1所述的一种用于三维微位移滑块6自由度误差光学测量系统，其特征在于，所述x向角度位移台(10)、y向角度位移台(14)和z向角度位移台(18)上均设置有角度位移台第一调节旋钮(22)、角度位移台第二调节旋钮(23)和角度位移台第三调节旋钮(24)；

所述角度位移台第一调节旋钮(22)、角度位移台第二调节旋钮(23)和角度位移台第三调节旋钮(24)用于调节各方向的反射式光栅分别沿y轴、z轴和x轴旋转。

5.根据权利要求4所述的一种用于三维微位移滑块6自由度误差光学测量系统，其特征在于，所述各方向的反射式光栅分别沿y轴、z轴和x轴旋转以使得各方向的两条衍射光束构成的光平面与反射式光栅的栅线垂直。

6.根据权利要求5所述的一种用于三维微位移滑块6自由度误差光学测量系统，其特征在于，分别在平行于各方向的平面内安装光电位置传感器，用于获取所述衍射光束的位置。

7.根据权利要求6所述的一种用于三维微位移滑块6自由度误差光学测量系统，其特征在于，每个方向的平面内的所述光电位置传感器设置有两个，所述各方向的两条衍射光束分别位于两个所述光电位置传感器的中心。

8.根据权利要求7所述的一种用于三维微位移滑块6自由度误差光学测量系统，其特征在于，所述各方向的两条衍射光束包括x向+1级主极大衍射光束(26)、x向-1级主极大衍射光束(27)、y向+1级主极大衍射光束(29)、y向-1级主极大衍射光束(30)、z向+1级主极大衍射光束(32)、z向-1级主极大衍射光束(33)。

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