CN116538913A - 旋转轴系五自由度误差运动高精度测量装置及测量方法 - Google Patents
旋转轴系五自由度误差运动高精度测量装置及测量方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116538913A CN116538913A CN202310528611.2A CN202310528611A CN116538913A CN 116538913 A CN116538913 A CN 116538913A CN 202310528611 A CN202310528611 A CN 202310528611A CN 116538913 A CN116538913 A CN 116538913A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- detector
- shaft system
- error motion
- diffraction
- rotating shaft
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 64
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 title description 11
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 33
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 44
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 claims description 12
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 11
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 7
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 6
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims description 5
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 5
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 claims description 4
- NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N (2s)-2-[[4-[2-(2,4-diaminoquinazolin-6-yl)ethyl]benzoyl]amino]-4-methylidenepentanedioic acid Chemical compound C1=CC2=NC(N)=NC(N)=C2C=C1CCC1=CC=C(C(=O)N[C@@H](CC(=C)C(O)=O)C(O)=O)C=C1 NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N 0.000 claims description 3
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 3
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims description 3
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000004044 response Effects 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 241001270131 Agaricus moelleri Species 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/70—Wind energy
- Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明公开一种旋转轴系五自由度误差运动高精度测量装置及测量方法，包括旋转轴系轴向误差运动、俯仰误差运动、径向误差运动测量装置。本发明通过斜射式激光三角法和刀片衍射现象实现测量旋转轴系在轴向方向的误差运动；通过自准直原理和小孔衍射现象实现测量旋转轴系在俯仰方向的误差运动；通过曲面边缘衍射现象实现测量径向方向的误差运动，最终实现旋转轴系的五自由度误差运动高精度测量。
Description
技术领域
本发明属于精密测量领域，尤其涉及一种基于衍射原理的旋转轴系五自由度误差运动高精度测量装置及测量方法。
背景技术
旋转轴系是一种能够高精度地旋转的机械结构，它广泛应用于关节臂式坐标测量机、精密转台、全站仪、激光跟踪仪等测量仪器中。由于制造和装配过程中不可避免的误差，旋转轴系在旋转时会产生一些不期望的运动(即径向、轴向和俯仰误差运动)，这些误差会严重影响旋转轴系的精度。
因此，对于这些高精度测量仪器，检校和消除旋转轴系误差是非常必要的。目前常见的测量方法有利用电容式位移传感器进行测量、基于机器视觉的误差测量方法和采用传统光学的测量方法。但是这些方法都有一定的局限性和缺点，如在采用电容式位移传感器进行测量时，小直径轴的弯曲表面会导致电容式传感器电场失真，产生测量误差，并且测量精度会受到电容传感器的响应频率限制。在采用机器视觉的方法进行测量时，测量精度较低并且响应速度较差，难以测量高转速的旋转轴系误差运动。在采用传统光学进行测量时，存在安装困难，光路复杂、不便携等缺点。专利CN202010521028.5发明了一种基于平顶锥形凸台式光学元件的旋转轴系五自由度误差运动测量方法，难以实现平台锥形凸台式光学元件高精度加工进而影响测量精度。专利CN201910734340.X发明了一种基于斜射式激光三角法原理实现直线位移台的直线度误差测量，但仅能实现亚微米级的测量精度。
因此，在现有技术水平下，还有必要提出一种新颖、有效、简便、高响应、低成本的旋转轴系误差运动的测量装置及测量方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于衍射原理的旋转轴系五自由度误差运动高精度测量装置及测量方法。
为实现上诉发明目的，本发明的技术方案是：
一种旋转轴系五自由度误差运动高精度测量装置，包括旋转轴系轴向误差运动、旋转轴系俯仰误差运动测量装置、旋转轴系径向误差运动测量装置，其中，
所述旋转轴系轴向误差运动测量装置设置在旋转轴系的上方，包括第一激光源(1)、第一分束棱镜(2)、第一平面反射镜(3)、第一PD探测模块(4)、旋转轴系(7)；
所述旋转轴系轴向误差运动测量装置通过斜射式激光三角法和刀片衍射现象实现旋转轴系轴向误差运动测量。第一激光源(1)发出的光束经过第一分束棱镜(2)部分激光束到达第一平面反射镜(3)，反射到旋转轴系(7)上方的第二平面反射镜(701)，再通过反射到达第一PD探测模块(4)的刀片(402)，形成刀片衍射现象，衍射图样被第一PD探测模块(4)的PD探测器(401)捕捉，根据PD探测器(401)所接收到的能量来计算光束移动的距离，最后通过斜射式激光三角法来实现旋转轴系轴向误差运动测量；
所述旋转轴系俯仰误差运动测量装置设置在旋转轴系的上方，包括第一激光源(1)、第一分束棱镜(2)、旋转轴系(7)、小孔(5)、四象限探测器(6)；
所述旋转轴系俯仰误差运动测量装置通过自准直原理和小孔衍射现象实现旋转轴系俯仰误差运动测量。第一激光源(1)发出的光束经过第一分束棱镜(2)、部分激光束到达旋转轴系(7)上方的第二平面反射镜(701)，经过反射原路返回，透过第一分束棱镜(2)到达小孔(5)，形成小孔衍射现象。通过自准直原理实现旋转轴系俯仰误差运动的初步测量，通过小孔衍射现象放大光斑、提高光斑的成像分辨率，进而实现高精度旋转轴系俯仰误差运动测量。
所述旋转轴系径向误差运动测量装置设置在旋转轴系的径向方向，包括第二激光源(8)、第二分束棱镜(9)、第三分束棱镜(10)、第一直角棱镜(11)、第二PD探测模块(12)、第三PD探测模块(13)、第二直角棱镜(14)、第四分束棱镜(15)；
所述旋转轴系径向误差运动测量装置通过曲面边缘衍射现象实现旋转轴系径向误差运动测量。第二激光源(8)发出的光束经过第二分束棱镜(9)形成两束光强相等的激光束，其中一束光束到达第三分束棱镜(10)又形成两束光强相等的光束，其中一束光束到达第一直角棱镜(11)反射后，与另一束平行光束经过旋转轴系(7)的两侧曲面边缘部分，形成曲面边缘衍射现象，两个衍射图案分别被PD探测器(1301)和PD探测器(1302)捕捉，另外一边同样被PD探测探测器(1201)和PD探测探测器(1202)捕捉。将一个方向的两个信号进行差分，实现旋转轴系径向误差运动测量。
优选的，所述第一激光源(1)以及第二激光源(8)发出的激光束光斑在旋转轴系静止时均位于第二PD探测模块(12)、第三PD探测模块(13)中探测器敏感区域的中间位置。
优选的，所述第一激光源(1)以及第二激光源(8)发出的光束直径与第一PD探测模块(4)、第二PD探测模块(12)、第三PD探测模块(13)的探测器敏感区域边长相等。
本发明还提供了一种旋转轴系五自由度误差运动高精度测量方法，所述的旋转轴系轴向误差运动测量过程为：
激光光波在传播方向上横向遇到刀片(402)的刀刃时，发生衍射或弯曲，光波中没有被刀刃切断的部分继续向传播方向移动，刀刃部分信号会发生弯曲，衍射光产生刀片衍射的结果为：
L1为第一激光源(1)到刀刃(402)处的距离，L2为刀刃(402)到PD探测器(401)的距离；刀刃的曲率半径用ρ来表示；高斯光束α从第一激光源(1)入射到距离光源L1的刀刃(402)上；高度h是y轴从入射光束中心到刀刃(402)的距离；在z＝0处的入射场(E)可以用球形波表示为式(1)
其中，k0表示空气中的波数；j为虚数；
利用傅里叶变换公式，可以导出横波；
其中，∫∫Aperturedxdy表示对入射波的面积分，用于计算光通量，kx、ky分别表示x、y方向上的波数；
用边缘横波的逆傅里叶变换作为方程，可以得到第一PD探测模块(4)位置衍射和横向场之和在z＝z0处的Et；
其中，∫∫k-space dkxdky表示实空间的图像数据傅里叶变换，e为自然对数，总电场波数/>和从入射到衍射场的距离矢量/>如下
其中，Ex、Ey、Ez表示x、y、z方向上的电场；kx，ky，kz为x、y、z方向上的波数；为x、y、z方向上的距离矢量，/>为x、y、z方向上的单位大小；
在z轴附近测量，则假定场测量在轴上(x0＝0，y0＝0，L2>0)，利用入射场的傅里叶反变换关系定义出沿z轴被测衍射场，并将其写成误差函数形式
其中，erfc()表示误差互补函数；
将衍射场和共轭衍射场相乘，计算出由地形光滑而清晰的刀片边缘引起的总功率P
对于PD探测器(401)接收到的功率可以表示为
其中，Ptot为激光束的总功率，
激光束在探测器垂直方向移动的距离与PD探测器(401)所接收到的功率成线性关系，根据PD探测器(401)所接收到的能量来计算光束移动的距离；
利用斜射式激光三角法测量，旋转轴系(7)在z方向移动的距离δz与激光束移动的距离成几何关系，当旋转轴系(7)在z方向进行轴向运动时，激光束也随之运动，PD探测器(401)所接收到的能量发生改变,δz可以用式(10)表示。
δz＝f(Pout,β) (10)
其中，β为反射后的光束与z轴的夹角；
因此实现旋转轴系的轴向误差运动测量。
本发明还提供了一种旋转轴系五自由度误差运动高精度测量方法，旋转轴系的俯仰误差运动测量过程为：
通过自准直原理得到俯仰运动的初步位移。通过小孔衍射现象，得到较高的光斑成像分辨率，四象限探测器(6)捕捉到的光斑边缘部分更加清晰，提高了装置的精度。俯仰运动位移εx、εy由式(11)(12)得出；
εx＝f(QPDx,l1,l2,a) (11)
εy＝f(QPDy,l1,l2,a) (12)
其中，QPDx、QPDy为四象限探测器(6)的输出，l1为小孔(5)到旋转轴系(7)的第二平面反射镜(701)的距离，l2为小孔(5)到四象限探测器(6)的距离，a为小孔的直径。
本发明还提供了一种旋转轴系五自由度误差运动高精度测量方法，旋转轴系径向误差运动测量方法为：
采用曲面边缘衍射原理，当激光波在传播方向上遇到弯曲的边缘时，发生衍射或弯曲，光波中没有被阻挡的入射波、衍射波和反射波相互叠加，沿表面射线传播；入射在曲率半径为R的旋转轴系(7)的曲面边缘的电磁波产生入射波(1601)、衍射波(1603)、和反射波(1602)，沿表面传播；总电场由三个波的总和表示，并且可以在探测器上观察到，总和可以表示光学平台的散射，对衍射场使用空间域菲涅尔积分，假设具有高斯强度分布的第二激光源(8)不发散，与旋转轴系(7)的曲面边缘和PD探测器(1201)之间的距离L2相比，PD探测器(1201)尺寸相对较小，并且PD探测器(1201)沿着光传播轴放置，则可以只考虑入射波(1601)和边缘衍射波(1603)，两个波相互叠加，在PD探测器(1201)平面产生干涉条纹，
可以用高斯分布来表示入射场
其中，E0表示入射场的振幅，k0表示空气中的波数，α表示光束直径，入射场在曲面边产生的衍射场相互叠加，叠加波可以通过傅里叶变换(FFT)来获得，总场/>(入射场和衍射场的总和)可以通过叠加波的逆傅里叶来得到；
沿z轴测量的总场可以表示为
其中，∫∫k-spacedkxdky表示实空间的图像数据傅里叶变换，∫∫Aperturedxdy表示对入射波的面积分，kx、ky表示在x、y方向上的波数，是坐标系中从i到j的位置向量；
最后，PD探测器(1201)处总场的功率可以计算为
其中，<>*表示的复共轭，并且CED在PD探测器(1201)处感应的总功率将通过每个探测器平面处的总场和共轭场相乘并在PD探测器(1201)尺寸(m×m)上积分来计算；
在x方向上放置了PD探测器(1201)和PD探测器(1202)，在y方向上放置了PD探测器(1301)和PD探测器(1302)以差分配置收集每个光束的总功率；
第二PD探测模块(12)和第三探测模块(13)的输出分别可表示为
其中，P1(x)、P2(x)为PD探测器(1201)和PD探测器(1202)的输出，P1(y)、P2(y)为PD探测器(1301)和PD探测器(1302)的输出；
旋转轴系(7)在x和y轴方向上进行移动时，第二PD探测模块(12)和第三PD探测模块(13)输出的功率改变，实现旋转轴系径向误差运动测量；其移动距离δx、δy由公式(18)、公式(19)可以得出。
δx＝kPOUT(X) (18)
δy＝kPOUT(Y) (19)其中，k为常数系数。
与现有技术相比较，本发明的有益成果是：
本发明专利基于衍射原理的旋转轴系五自由度误差运动高精度测量装置及测量方法所采用的材料和制造装置成本远低于传统测量仪器设备。本发明相比于传统测量仪器设备而言，便于集成到精密机床、关节臂式坐标测量机、激光跟踪仪等设备上，具有较高的响应速度，能够测量高速旋转的旋转轴，测量精度高，最终实现旋转轴系的五自由度误差运动高精度实时测量并进行实施补偿。
附图说明
此处的附图被并入说明书并构成说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并于说明说一起用于解释本发明的原理
图1为本发明基于衍射原理的旋转轴系五自由度误差运动高精度测量装置示意图；
图2为本发明中旋转轴系轴向误差运动测量原理示意图；
图3为本发明中刀片衍射原理示意图；
图4为本发明中旋转轴系俯仰误差运动测量原理示意图；
图5为本发明中曲面边缘衍射原理示意图；
图6为本发明中旋转轴系径向误差运动测量原理示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种基于衍射原理的旋转轴系五自由度误差运动高精度测量装置及测量方法，包括旋转轴系轴向误差运动、俯仰误差运动、径向误差运动测量装置及测量方法。所述旋转轴系轴向误差运动测量装置和旋转轴系俯仰误差运动测量装置位于旋转轴系的上方，所述旋转轴系径向误差运动测量装置位于旋转轴系的径向方向。
如图1所示，所述旋转轴系轴向误差运动测量装置设置在旋转轴系的上方，包括第一激光源(1)、第一分束棱镜(2)、第一平面反射镜(3)、第一PD探测模块(4)、旋转轴系(7)。
如图2所示，所述旋转轴系轴向误差运动测量装置通过斜射式激光三角法和刀片衍射现象实现旋转轴系轴向误差运动测量。第一激光源(1)发出的光束经过第一分束棱镜(2)部分激光束到达第一平面反射镜(3)，反射到旋转轴系(7)上方的第二平面反射镜(701)，再通过反射到达第一PD探测模块(4)的刀片(402)，形成刀片衍射现象，衍射图样被PD探测器(401)捕捉。
如图3所示，所述旋转轴系轴向误差运动测量装置及测量方法采用刀片衍射原理，即当激光光波在传播方向上横向遇到刀片(402)的刀刃时，它会发生衍射现象或弯曲，光波中没有被刀刃切断的部分继续向传播方向移动，刀刃部分信号会发生弯曲。可以从数学方面推导出衍射光产生刀片衍射的结果。L1为第一激光源(1)到刀刃(402)处的距离，L2为刀刃(402)到PD探测器(401)的距离。刀刃的曲率半径用ρ来表示。高斯光束α从第一激光源(1)入射到距离光源L1的刀刃(402)上。高度h是y轴从入射光束中心到刀刃(402)的距离。在z＝0处的入射场(E)可以用球形波表示为式(1)
其中，k0表示空气中的波数，j为虚数；
利用傅里叶变换公式，可以导出横波
其中，∫∫Aperturedxdy表示对入射波的面积分，用于计算光通量，kx、ky分别表示x、y方向上的波数；
用边缘横波的逆傅里叶变换作为方程，可以得到探测器位置衍射和横向场之和在z＝z0处的Et。
其中，∫k-space dkxdky表示实空间的图像数据傅里叶变换，e为自然对数，总电场波数/>和从入射到衍射场的距离矢量/>如下
其中，Ex、Ey、Ez表示x、y、z方向上的电场；kx，ky，Kz为x、y、z方向上的波数；为x、y、z方向上的距离矢量，/>为x、y、z方向上的单位大小；
如果PD探测器尺寸足够小，在z轴附近测量，则假定场测量在轴上(x0＝0，y0＝0，L2>0)。因此，可以利用入射场的傅里叶反变换关系定义出沿z轴被测衍射场，并将其写成误差函数形式
其中，erfc()表示误差互补函数。
误差系数是一个复杂参数的互补误差函数。因此，将衍射场和共轭衍射场相乘，就可以计算出由地形光滑而清晰的刀片边缘引起的总功率P，
对于本发明中PD探测器(401)接收到的功率可以表示为
其中，Ptot为激光束的总功率
因此，在本发明中激光束在探测器垂直方向移动的距离与PD探测器(401)所接收到的功率成线性关系。基于此原理，可以根据PD探测器(401)所接收到的能量来计算光束移动的距离。
所述旋转轴系轴向误差运动测量装置及测量方法采用斜射式激光三角法进行测量。旋转轴系(7)在z方向移动的距离δz与激光束移动的距离成几何关系。当旋转轴系(7)在z方向进行轴向运动时，激光束也随之运动，PD探测器(401)所接收到的能量发生改变,δz可以用式(10)表示。
δz＝f(Pout,β) (10)其中，β为反射后的光束与z轴的夹角。
因此，本发明根据斜射式激光三角法和刀片衍射现象，实现旋转轴系的轴向误差运动测量。
如图1所示，所述旋转轴系俯仰误差运动测量装置设置在旋转轴系的上方，包括第一激光源(1)、第一分束棱镜(2)、旋转轴系(7)、小孔(5)、四象限探测器(6)。
所述旋转轴系俯仰误差运动测量装置及测量方法的第一激光源(1)发出的光束经过第一分束棱镜(2)、部分激光束到达旋转轴系(7)上方的第二平面反射镜(701)，经过反射原路返回，透过第一分束棱镜(2)到达小孔(5)，形成小孔衍射现象，衍射图样被四象限探测器(6)捕捉。
如图4所示，所述旋转轴系俯仰误差运动测量装置通过自准直原理和小孔衍射现象实现旋转轴系俯仰误差运动测量。虚线为发生俯仰运动后，旋转轴系(7)的倾斜变化和四象限探测器(6)中光斑的位置变化。当旋转轴系(7)发生俯仰运动产生较小的俯仰位移时，根据自准直原理，可以在四象限探测器(6)处产生较大的位移，实现旋转轴系俯仰误差运动初步测量。特别地，本发明在四象限探测器(6)之前放置了一个孔径和距离合适的小孔。当激光束经过小孔时，根据惠更斯－菲涅耳原理，光线偏离原来的直线传播方向，形成一些明暗相间的光环，称为小孔衍射现象。通过小孔衍射现象，激光束的光斑得到放大，旋转轴系(7)的俯仰运动会使得四象限探测器(6)产生更大位移的变化，提高了装置的灵敏度和精度。其次，通过小孔衍射现象，可以得到较高的光斑成像分辨率，四象限探测器(6)捕捉到的光斑边缘部分更加清晰，因而提高了装置的分辨率和精度。其俯仰运动位移εx、εy由式(11)(12)得出。
εx＝f(QPDx,l1,l2,a) (11)
εy＝f(QPDy,l1,l2,a) (12)
其中，QPDx、QPDy为四象限探测器(6)的输出，l1为小孔(5)到旋转轴系(7)的第二平面反射镜的距离，l2为小孔(5)到四象限探测器(6)的距离，a为小孔的直径。
因此，本发明通过自准直原理和小孔衍射现象，实现了旋转轴系的俯仰误差运动测量。
如图1所示，所述旋转轴系径向误差运动测量装置设置在旋转轴系的径向方向，包括第二激光源(8)、第二分束棱镜(9)、第三分束棱镜(10)、第一直角棱镜(11)、第二PD探测模块(12)、第三PD探测模块(13)、第二直角棱镜(14)、第四分束棱镜(15)。
如图6所示，所述旋转轴系径向误差运动测量装置通过曲面边缘衍射现象实现旋转轴系径向误差运动测量。第二激光源(8)发出的光束经过第二分束棱镜(9)形成两束光强相等的激光束，其中一束光束到达第三分束棱镜(10)又形成两束光强相等的光束，之后一束光束到达第一直角棱镜(11)反射与另一束平行光束经过旋转轴系(7)的两侧曲面边缘部分，形成曲面边缘衍射现象，两个衍射图案分别被PD探测探测器(1301)和PD探测探测器(1302)捕捉，另外一边同样被PD探测探测器(1201)和PD探测探测器(1202)捕捉。
如图5所示，所述旋转轴系径向误差运动测量装置及测量方法采用曲面边缘衍射原理，即当激光波在传播方向上遇到弯曲的边缘时，会发生衍射现象或弯曲。光波中没有被阻挡的入射波、衍射波和反射波相互叠加，沿表面射线传播。入射在曲率半径为R的旋转轴系(7)的曲面边缘的电磁波产生入射波(1601)、衍射波(1603)、和反射波(1602)，沿表面传播。RB、SB和DSB分别表示反射边界、阴影边界和深阴影边界。这种表面射线场也可以在在过渡区域被激发，并且可以被分离成类似KED的三个不同区域。总电场可以由三个波的总和表示，并且可以在探测器上观察到。这个总和可以表示光学平台的散射，对衍射场使用空间域菲涅尔积分。假设具有高斯强度分布的第二激光源(8)不发散，与旋转轴系(7)的曲面边缘和PD探测器(1201)之间的距离L2相比，PD探测器(1201)尺寸相对较小，并且PD探测器(1201)沿着光传播轴放置，则可以只考虑入射波(1601)和边缘衍射波(1603)。两个波相互叠加，在PD探测器(1201)平面产生干涉条纹。
可以用高斯分布来表示入射场
其中，E0表示入射场的振幅，k0表示空气中的波数，α表示光束直径。入射场在曲面边产生的衍射场相互叠加，叠加波可以通过傅里叶变换(FFT)来获得，总场/>(入射场和衍射场的总和)可以通过叠加波的逆傅里叶来得到。
沿z轴测量的总场可以表示为
其中，∫∫k-spacedkxdky表示实空间的图像数据傅里叶变换，∫∫Aperturedxdy表示对入射波的面积分，kx、ky表示在x、y方向上的波数，是坐标系中从i到j的位置向量。
最后，PD探测器(1201)处总场的功率可以计算为
其中，<>*表示的复共轭，并且CED在PD探测器(1201)处感应的总功率将通过每个探测器平面处的总场和共轭场相乘并在PD探测器(1201)尺寸(m×m)上积分来计算。
如图6所示，本发明在x方向上放置了PD探测器(1201)和PD探测器(1202)，在y方向上放置了PD探测器(1301)和PD探测器(1302)以差分配置收集每个光束的总功率，这消除了对激光强度的依赖性。其第二PD探测模块(12)和第三探测模块(13)的输出分别可表示为
其中，P1(x)、P2(x)为PD探测器(1201)和PD探测器(1202)的输出，P1(y)、P2(y)为PD探测器(1301)和PD探测器(1302)的输出。
旋转轴系(7)在x和y轴方向上进行移动时，第二PD探测模块(12)和第三PD探测模块(13)输出的功率改变，实现旋转轴系径向误差运动测量。其移动距离δx、δy由公式(18)、公式(19)可以得出。
δx＝kPOUT(X) (18)
δy＝kPOUT(Y) (19)其中，k为常数系数。
此装置最终可以实现旋转轴系的五自由度误差运动高精度测量。
以上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。
Claims (6)
1.一种旋转轴系五自由度误差运动高精度测量装置，其特征在于，包括旋转轴系轴向误差运动测量装置、旋转轴系俯仰误差运动测量装置、旋转轴系径向误差运动测量装置，其中，
所述旋转轴系轴向误差运动测量装置设置在旋转轴系的上方，包括第一激光源(1)、第一分束棱镜(2)、第一平面反射镜(3)、第一PD探测模块(4)、旋转轴系(7)；
所述旋转轴系轴向误差运动测量装置通过斜射式激光三角法和刀片衍射现象实现旋转轴系轴向误差运动测量；第一激光源(1)发出的光束经过第一分束棱镜(2)部分激光束到达第一平面反射镜(3)，反射到旋转轴系(7)上方的第二平面反射镜(701)，再通过反射到达第一PD探测模块(4)的刀片上，形成刀片衍射现象，衍射图样被第一PD探测模块(4)的PD探测器(401)捕捉，根据PD探测器(401)所接收到的能量来计算光束移动的距离，最后通过斜射式激光三角法来实现旋转轴系轴向误差运动测量；所述旋转轴系俯仰误差运动测量装置设置在旋转轴系的上方，包括第一激光源(1)、第一分束棱镜(2)、旋转轴系(7)、小孔(5)、四象限探测器(6)；
所述旋转轴系俯仰误差运动测量装置通过自准直原理和小孔衍射现象实现旋转轴系俯仰误差运动测量；第一激光源(1)发出的光束经过第一分束棱镜(2)、部分激光束到达旋转轴系(7)上方的第二平面反射镜(701)，经过反射原路返回，透过第一分束棱镜(2)到达小孔(5)，形成小孔衍射现象；通过自准直原理实现旋转轴系俯仰误差运动的初步测量，通过小孔衍射现象放大光斑、提高光斑的成像分辨率，进而实现高精度旋转轴系俯仰误差运动测量；
所述旋转轴系径向误差运动测量装置设置在旋转轴系的径向方向，包括第二激光源(8)、第二分束棱镜(9)、第三分束棱镜(10)、第一直角棱镜(11)、第二PD探测模块(12)、第三PD探测模块(13)、第二直角棱镜(14)、第四分束棱镜(15)；
所述旋转轴系径向误差运动测量装置通过曲面边缘衍射现象实现旋转轴系径向误差运动测量；第二激光源(8)发出的光束经过第二分束棱镜(9)形成两束光强相等的激光束，其中一束光束到达第三分束棱镜(10)又形成两束光强相等的光束，其中一束光束到达第一直角棱镜(11)反射后，与另一束平行光束经过旋转轴系(7)的两侧曲面边缘部分，形成曲面边缘衍射现象，两个衍射图案分别被PD探测器(1301)和PD探测器(1302)捕捉，另外一边同样被PD探测探测器(1201)和PD探测探测器(1202)捕捉；将一个方向的两个信号进行差分，实现旋转轴系径向误差运动测量。
2.根据权利要求1所述的一种旋转轴系五自由度误差运动高精度测量装置，其特征在于，所述第一激光源(1)以及第二激光源(8)发出的激光束光斑在旋转轴系静止时均位于第二PD探测模块(12)、第三PD探测模块(13)中探测器敏感区域的中间位置。
3.根据权利要求1所述的一种旋转轴系五自由度误差运动高精度测量装置，其特征在于，所述第一激光源(1)以及第二激光源(8)发出的光束直径与第一PD探测模块(4)、第二PD探测模块(12)、第三PD探测模块(13)的探测器敏感区域边长相等。
4.一种如权利要求1-3中任一项权利要求所述的一种旋转轴系五自由度误差运动高精度测量方法，其特征在于，所述的旋转轴系轴向误差运动测量过程为：
激光光波在传播方向上横向遇到刀片(402)的刀刃时，发生衍射或弯曲，光波中没有被刀刃切断的部分继续向传播方向移动，刀刃部分信号会发生弯曲，
衍射光产生刀片衍射的结果为：
L1为第一激光源(1)到刀刃(402)处的距离，L2为刀刃(402)到PD探测器(401)的距离；刀刃的曲率半径用ρ来表示；高斯光束α从第一激光源(1)入射到距离光源L1的刀刃(402)上；高度h是y轴从入射光束中心到刀刃(402)的距离；在z＝0处的入射场(E)可以用球形波表示为式(1)
其中，k0表示空气中的波数；j为虚数；
利用傅里叶变换公式，可以导出横波；
其中，∫∫Aperturedxdy表示对入射波的面积分，用于计算光通量，kx、ky分别表示x、y方向上的波数；
用边缘横波的逆傅里叶变换作为方程，可以得到第一PD探测模块(4)位置衍射和横向场之和在z＝z0处的Et；
其中，∫∫k-space dkxdky表示实空间的图像数据傅里叶变换，e为自然对数，
总电场波数/>和从入射到衍射场的距离矢量/>如下
其中，Ex、Ey、Ez表示x、y、z方向上的电场；kx，ky，Kz为x、y、z方向上的波数；为x、y、z方向上的距离矢量，/>为x、y、z方向上的单位大小；
在z轴附近测量，则假定场测量在轴上(x0＝0，y0＝0，L2>0)，利用入射场的傅里叶反变换关系定义出沿z轴被测衍射场，并将其写成误差函数形式
其中，erfc()表示误差互补函数；
将衍射场和共轭衍射场相乘，计算出由地形光滑而清晰的刀片边缘引起的总功率P，
对于PD探测器(401)接收到的功率可以表示为
其中，Ptot为激光束的总功率，
激光束在探测器垂直方向移动的距离与PD探测器(401)所接收到的功率成线性关系，根据PD探测器(401)所接收到的能量来计算光束移动的距离；
利用斜射式激光三角法测量，旋转轴系(7)在z方向移动的距离δz与激光束移动的距离成几何关系，当旋转轴系(7)在z方向进行轴向运动时，激光束也随之运动，PD探测器(401)所接收到的能量发生改变,δz可以用式(10)表示，
δz＝f(Pout,β) (10)
其中，β为反射后的光束与z轴的夹角；
因此实现旋转轴系的轴向误差运动测量。
5.一种如权利要求1-3中任一项权利要求所述的一种旋转轴系五自由度误差运动高精度测量方法，其特征在于，旋转轴系的俯仰误差运动测量过程为：
通过自准直原理得到俯仰运动的初步位移；通过小孔衍射现象，得到较高的光斑成像分辨率，四象限探测器(6)捕捉到的光斑边缘部分更加清晰，提高装置的分辨率和精度；其俯仰运动位移εx、εy由式(11)(12)得出；
εx＝f(QPDx,l1,l2,a) (11)
εy＝f(QPDy,l1,l2,a) (12)
其中，QPDx、QPDy为四象限探测器(6)的输出，l1为小孔(5)到旋转轴系(7)的第二平面反射镜(701)的距离，l2为小孔(5)到四象限探测器(6)的距离，a为小孔的直径。
6.一种如权利要求1-3中任一项权利要求所述的一种旋转轴系五自由度误差运动高精度测量方法，其特征在于，旋转轴系径向误差运动测量方法为，
采用曲面边缘衍射原理，当激光波在传播方向上遇到弯曲的边缘时，发生衍射或弯曲，光波中没有被阻挡的入射波、衍射波和反射波相互叠加，沿表面射线传播；入射在曲率半径为R的旋转轴系(7)的曲面边缘的电磁波产生入射波(1601)、衍射波(1603)、和反射波(1602)，沿表面传播；总电场由三个波的总和表示，并且可以在探测器上观察到，总和可以表示光学平台的散射，对衍射场使用空间域菲涅尔积分，假设具有高斯强度分布的第二激光源(8)不发散，与旋转轴系(7)的曲面边缘和PD探测器(1201)之间的距离L2相比，PD探测器(1201)尺寸相对较小，并且PD探测器(1201)沿着光传播轴放置，则可以只考虑入射波(1601)和边缘衍射波(1603)，两个波相互叠加，在PD探测器(1201)平面产生干涉条纹，
可以用高斯分布来表示入射场
其中，E0表示入射场的振幅，k0表示空气中的波数，α表示光束直径，入射场在曲面边产生的衍射场相互叠加，叠加波可以通过傅里叶变换(FFT)来获得，总场/>(入射场和衍射场的总和)可以通过叠加波的逆傅里叶来得到；
沿z轴测量的总场可以表示为
其中，，∫∫k-spacedkxdky表示实空间的图像数据傅里叶变换，∫∫Aperturedxdy表示对入射波的面积分，kx、ky表示在x、y方向上的波数，是坐标系中从i到j的位置向量；
最后，PD探测器(1201)处总场的功率可以计算为
其中，<>*表示的复共轭，并且CED在PD探测器(1201)处感应的总功率将通过每个探测器平面处的总场和共轭场相乘并在PD探测器(1201)尺寸(m×m)上积分来计算；
在x方向上放置了PD探测器(1201)和PD探测器(1202)，在y方向上放置了PD探测器(1301)和PD探测器(1302)以差分配置收集每个光束的总功率；
第二PD探测模块(12)和第三探测模块(13)的输出分别可表示为
其中，P1(x)、P2(x)为PD探测器(1201)和PD探测器(1202)的输出，P1(y)、P2(y)为PD探测器(1301)和PD探测器(1302)的输出；
旋转轴系(7)在x和y轴方向上进行移动时，第二PD探测模块(12)和第三PD探测模块(13)输出的功率改变，实现旋转轴系径向误差运动测量；其移动距离δx、δy由公式(18)、公式(19)可以得出，
δx＝kPOUT(X) (18)δy＝kPOUT(Y) (19)其中，k为常数系数。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310528611.2A CN116538913A (zh) | 2023-05-11 | 2023-05-11 | 旋转轴系五自由度误差运动高精度测量装置及测量方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310528611.2A CN116538913A (zh) | 2023-05-11 | 2023-05-11 | 旋转轴系五自由度误差运动高精度测量装置及测量方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116538913A true CN116538913A (zh) | 2023-08-04 |
Family
ID=87457375
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310528611.2A Pending CN116538913A (zh) | 2023-05-11 | 2023-05-11 | 旋转轴系五自由度误差运动高精度测量装置及测量方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116538913A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117168362A (zh) * | 2023-11-03 | 2023-12-05 | 中国电子产品可靠性与环境试验研究所（（工业和信息化部电子第五研究所）（中国赛宝实验室）） | 一种三轴运动平台垂直度测量装置及方法 |
-
2023
- 2023-05-11 CN CN202310528611.2A patent/CN116538913A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117168362A (zh) * | 2023-11-03 | 2023-12-05 | 中国电子产品可靠性与环境试验研究所（（工业和信息化部电子第五研究所）（中国赛宝实验室）） | 一种三轴运动平台垂直度测量装置及方法 |
| CN117168362B (zh) * | 2023-11-03 | 2023-12-29 | 中国电子产品可靠性与环境试验研究所（（工业和信息化部电子第五研究所）（中国赛宝实验室）） | 一种三轴运动平台垂直度测量装置及方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| WO2017107777A1 (zh) | 一种旋转对称未知非球面面形误差的测量方法及其测量装置 | |
| JP4312602B2 (ja) | 非球面表面および波面の走査干渉計 | |
| US8525983B2 (en) | Device and method for measuring six degrees of freedom | |
| US4897536A (en) | Optical axis displacement sensor with cylindrical lens means | |
| CN100460811C (zh) | 一种提高直线度测量灵敏度的方法与装置 | |
| CN106643505B (zh) | 一种验证激光追踪测量系统标准球面反射镜减小轴系跳动误差方法 | |
| CN111580072B (zh) | 测绘仪器和校准测绘仪器的方法 | |
| CN102155927A (zh) | 一种基于激光自准直的二维微角度测量装置 | |
| CN104360095B (zh) | 一种基于无衍射光束的瞬时转速测量方法、装置及系统 | |
| CN1831469A (zh) | 基于psd的动态光电自准直仪 | |
| CN116538913A (zh) | 旋转轴系五自由度误差运动高精度测量装置及测量方法 | |
| CN101298981A (zh) | 平面倾斜角度的光栅衍射条纹测量法 | |
| CN112066913B (zh) | 一种测量球面曲率半径的方法 | |
| US4775236A (en) | Laser based roundness and diameter gaging system and method of using same | |
| EP2793042B1 (en) | Positioning device comprising a light beam | |
| CN111288927B (zh) | 基于法向跟踪的自由曲面差动共焦测量方法及装置 | |
| US4600301A (en) | Spinning disk calibration method and apparatus for laser Doppler velocimeter | |
| CN206725192U (zh) | 离轴抛物面反射镜的离轴量和焦距测量装置 | |
| CN102445854A (zh) | 工件台垂向位置测量系统 | |
| CN106840030B (zh) | 一种二维长程面形检测装置及检测方法 | |
| CN112857257A (zh) | 一种高精度面型测量系统 | |
| CN112432766A (zh) | 一种激光扫描振镜性能检测方法 | |
| CN109520443B (zh) | 一种基于组合面型基准件的滚转角测量方法 | |
| TW201530100A (zh) | 光學量測系統及以此系統量測線性位移、轉動角度、滾動角度之方法 | |
| CN113483726B (zh) | 一种小型化、高精度三维角度运动误差测量方法与系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |