WO2016115704A1 - 一种可检测21项几何误差的激光测量系统与方法 - Google Patents

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Definitions

  • Figure 17 is a schematic diagram of Z-axis measurement of 21 geometric error laser measuring methods of the present invention.
  • the second structure of the laser light redirecting unit 2 includes a combination of splitting pentagonal prisms 2021, 2022. Adjusting the laser six-degree-of-freedom error while measuring the position and direction of the unit 1 to obtain the measurement light parallel to the X-axis direction, and shifting the combination of the splitting pentagonal prisms 2021 and 2022 into the exiting optical path of the laser six-degree-of-freedom error simultaneous measurement unit 1, and adjusting the splitting light
  • the positions of the pentagonal prisms 2021 and 2022 are such that the laser six-degree-of-freedom error simultaneous measurement unit 1 emits light perpendicularly incident to the spectacle pentagonal prism 2021, and the reflected light of the spectroscopic pentagonal prism 2021 is perpendicularly incident on the spectroscopic pentagonal prism 2022, which can be simultaneously parallel to the measured numerical control Three measuring lights of the X, Y and Z axes of a machine tool, machining center or coordinate measuring machine.

Abstract

一种可检测21项几何误差的激光测量系统，其中，夹持工件部件和夹持刀具部件两者之一安装激光六自由度误差同时测量单元（1）与激光光线转向单元（2），另一个安装几何误差敏感单元（3），所述的激光光线转向单元（1）在安装状态下具有多个可切换的工作姿态或多部件组合，通过旋转或平移操作，将来自所述的激光六自由度误差同时测量单元（1）的激光光束依次分光或转向到平行于X、Y、Z轴的方向上，并将来自所述的几何误差敏感单元（3）的激光光束分光或转向到所述的激光六自由度误差同时测量单元（1）。该系统结构简单、操作方便，一次安装、分步测量，可得到三个相互垂直的直线运动导轨的21项几何误差。还公开了一种可检测21项几何误差的激光测量方法。

Description

一种可检测21项几何误差的激光测量系统与方法 技术领域
本发明涉及一种可检测21项几何误差的激光测量系统与方法，用于数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备，属于空间几何精度检测领域，尤其涉及一种一次安装、分步测量得到数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备三个相互垂直的直线运动导轨21项几何误差的激光测量系统与方法。
本发明的XYZ空间坐标系中，术语“21项几何误差”包括沿X轴的6个自由度误差、沿Y轴的6个自由度误差、沿Z轴的6个自由度误差、X轴与Y轴之间的垂直度误差、Y轴与Z轴之间的垂直度误差、Z轴与X轴之间的垂直度误差。
背景技术
德国专利DE10341594A1公开了一种直接测量数控机床、加工中心或三坐标测量机几何误差的测量方法，该方法利用分光元件将激光干涉仪的测量光分光到平行于数控机床、加工中心或三坐标测量机的三直线运动轴的方向上，利用激光干涉仪直接测量各直线运动轴的几何误差，然而，该系统的分光元件较多，导致其系统结构复杂，系统安装调节困难，特别是，无法测量三直线运动轴的滚转角误差。
市场上，还不存在结构简单、操作方便，一次安装、分步测量，可直接测量得到三个相互垂直的直线运动导轨的共21项几何误差的系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种数控机床、加工中心和三坐标测量机等精密加工与测量设备三个相互垂直的直线运动导轨21项几何误差激光测量系统，其结构简单、操作方便，一次安装、分步测量，可直接测量得到三个相互垂直的直线运动导轨的共21项几何误差。
为此，根据本发明的一个方面，提供了一种21项几何误差激光测量系统，主要由激光六自由度误差同时测量单元、激光光线转向单元和几何误差敏感单元等部分组成；其中，所述的激光六自由度误差同时测量单元与所述的几何误差敏感单元配合使用，能分别测量得到数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备的三个直线运动导轨或运动台（简称三轴）的位置误差、水平和竖直方向直线度误差、俯仰角、偏摆角、滚转角等6项几何误差，三轴共计18项误差；所述的激光光线转向单元能将来自所述的激光六自由度误差同时测量单元的激光光束分光或转向到平行于数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备的三轴的方向上，并能将来自所述的几何误差敏感单元的激光光束分光或转向到所述的激光六自由度误差同时测量单元，完成对应轴的六自由度误差同时测量，同时通过三轴直线度误差的数据处理得到三轴相互之间的垂直度误差。
优选地，所述的几何误差敏感单元主要包括三个相互垂直的六自由度误差敏感部件，所述的三个六自由度误差敏感部件分别对数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备的三个相互垂直的直线运动轴的六项几何误差敏感；所述的几何误差敏感单元还可以由两个相互垂直的六自由度误差敏感部件组成，所述的两个六自由度误差敏感部件分别对数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备的两个相互垂直的直线运动轴的六项几何误差敏感，所述的两个六自由度误差敏感部件之中的一个六自由度误差敏感部件旋转90°之后对数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备的第三个直线运动轴的六项几何误差敏感。
优选地，所述的六自由度误差敏感部件包括两个光线后向反射元件和一个光线分光元件；所述的光线后向反射元件对直线运动轴的位置误差、水平和竖直方向直线度误差敏感；所述的光线分光元件对直线运动轴的俯仰角、偏摆角敏感；所述的两个光线后向反射元件的组合对直线运动轴的滚转角敏感；所述的光线后向反射元件可采用角锥棱镜，所述的光线分光元件可采用平面分光镜。
优选地，所述的激光光线转向单元主要由转向棱镜或分光、转向棱镜组合而成；所述的转向棱镜包括多角棱镜或直角棱镜，通过移动或转动转向棱镜等方式，将来自激光六自由度误差同时测量单元的测量光束分步转向，分别形成平行于被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备三直线运动轴的测量光束；所述的分光、转向棱镜组合还可由两个分光多角棱镜的组合或两个直角半透半反棱镜的组合，可同时将来自激光六自由度误差同时测量单元的测量光束分光成平行于被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备三直线运动轴的三束测量光。
根据本发明的另外一个方面，提供了一种一次安装、分步测量得到数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备21项几何误差的方法，用于所述的21项几何误差激光测量系统中，包含以下步骤：
(1) 安装测量系统：将激光六自由度误差同时测量单元与激光光线转向单元独立或整体固定在被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备的夹持工件部件，将几何误差敏感单元固定在被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备的夹持刀具部件。
(2) 调整测量系统：调整被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备的三轴到达ISO230-1等相关测量标准或要求规定的起始位置，并使几何误差敏感单元尽可能的靠近激光光线转向单元，此位置记做测量起点；配合调整激光光线转向单元和激光六自由度误差同时测量单元的位置和方向，根据所述的激光光线转向单元中不同的激光光线转向结构，同时或分步得到平行于被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备X、Y、Z轴的测量光束。
(3) 测量X轴的六自由度误差：通过激光光线转向单元将激光六自由度误差同时测量单元出射的光束射向到平行于被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备X轴的方向上，控制数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备运动，使得21项几何误差激光测量系统处于测量起点位置；激光六自由度误差同时测量单元配合几何误差敏感单元上对应的六自由度误差敏感部件测量得到X轴起始点的六自由度误差，包括位置误差、水平和竖直方向直线度误差、俯仰角、偏摆角、滚转角等6项几何误差；控制X轴沿正方向运动，按ISO230-1等相关测量标准或要求规定的间距移动至下一个测量点，移动过程中保持Y轴和Z轴静止，激光六自由度误差同时测量单元测量得到该点的六自由度误差；如此逐点测量直至X轴到达最后一个测量点并测量得到该点的六自由度误差，停止运动，通过以上步骤可得到X轴上所有测量点的六自由度误差；控制X轴按照相同间距反向移动并再次逐点测量，得到所有测量点的六自由度误差。由此可逐点静态测量X轴上各测量点正向、反向移动时的六自由度误差，重复以上步骤可多次静态得到X轴各点正向、反向移动时的六自由度误差；类似地，可控制X轴由测量起点匀速运动至轴上最远测量点并再次匀速返回至测量起点，激光六自由度误差同时测量单元配合几何误差敏感单元上对应的六自由度误差敏感部件连续测量，可动态测量得到X轴上所有规定的测量点正向、反向移动时的六自由度误差。
(4) 测量Y轴的六自由度误差：通过激光光线转向单元将激光六自由度误差同时测量单元出射的光束射向到平行于被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备Y轴的方向上，按照(3)所述的步骤控制Y轴运动，可以逐点静态得到或连续动态得到Y轴各点正向、反向移动时的六个自由度误差。
(5) 测量Z轴的六自由度误差：通过激光光线转向单元将激光六自由度误差同时测量单元出射的光束射向到平行于被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备Z轴的方向上，按照(3)所述的步骤控制Z轴运动，可以逐点静态得到或连续动态得到Z轴各点正向、反向移动时的六个自由度误差。
(6) 数据处理：通过以上(3)、(4)、(5)所述的测量步骤，可以分步逐点静态得到或连续动态得到被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备X、Y、Z轴各点正向、反向移动时的六个自由度误差，三轴共计18项几何误差；按ISO 230-1等测量标准或要求进行数据处理可以得到X、Y、Z三个运动轴相互之间的3项垂直度误差，以上共计21项几何误差。
改变以上(3)、(4)、(5)测量步骤中X、Y、Z轴测量的先后顺序，并不影响本方法的测量结果；将几何误差敏感单元固定在被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备的夹持工件部件，将激光六自由度误差同时测量单元与激光光线转向单元整体固定在被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备的夹持刀具部件，重复以上(1)~(6)测量步骤可以得到同样的结果。
本发明具有以下有益效果：
(1) 本发明中的六自由度误差敏感部件由两个光线后向反射元件和一个光线分光元件组成，仅需两束测量光便可实现单轴的六自由度误差同时测量。系统的分光元件少，集成度高。
(2) 本发明只需一次安装便能够对数控机床、加工中心或三坐标测量机的三个直线运动轴进行检测，极大地提高了检测效率。
(3) 本发明采用激光光线转向单元获得三束相互垂直的测量光，作为垂直度误差测量的参考基线，可通过三轴的几何误差测量进一步得出三项垂直度误差。
综上所述，本发明所述的测量系统结构简单，光学元件少，系统集成度高，可通过一次安装、分步测量数控机床、加工中心和三坐标测量机等精密加工与测量设备三个直线运动导轨的共21项几何误差。
现有技术中，还没有成熟的六自由度误差同时测量仪。本发明不仅能够同时测量单轴的六自由度误差，而且实现了21项几何误差的测量基础是单轴六自由度误差同时测量。本发明系统体积小、集成性高、测量精度高，能实时补偿激光漂移，系统的抗干扰能力较强。
传统测量方法中，三个相互垂直的参考基线采用机械部件或光学元件获得，需要多次手动安装，因此，会引入安装误差。而本发明的激光光线转向单元由转向元件或多个分光、转向元件组成，依靠光学元件本身的光学特性和控制其旋转90度的精密电动转轴，同时或分步得到平行于三直线运动轴的三束测量光，作为3项垂直度误差测量的参考基线。
传统的多轴测量方法在测量不同轴时需要重新安装来重新对准测量单元和移动单元，且测量参数有限，测量效率低。而本发明具有激光光线转向单元和由多个相互垂直的六自由度误差敏感部件组成的几何误差敏感单元，在系统安装之后和实际测量之前，调整六自由度误差同时测量单元和激光光线转向单元的位置和方向获得三束互相垂直的测量光，通过三轴自身的运动实现三束测量光与三个六自由度误差敏感部件的对准。调整完毕后便可根据相关测量标准控制三轴运动，系统分步测量三轴的几何误差。系统仅需一次安装便可分步测量三轴，得到21项误差，不仅极大地提高了测量效率，同时也减少了人为调整误差。
附图说明
图1为本发明21项几何误差激光测量系统第一实施例的结构示意图。
图2为本发明21项几何误差激光测量系统第二实施例的结构示意图。
图3为本发明第一种激光光线转向单元的示意图。
图4为本发明第二种激光光线转向单元的示意图。
图5为本发明第三种激光光线转向单元的示意图。
图6为本发明第四种激光光线转向单元的示意图。
图7为本发明第一种几何误差敏感单元的示意图。
图8为本发明第二种几何误差敏感单元的示意图。
图9为本发明第三种几何误差敏感单元的示意图。
图10为本发明第四种几何误差敏感单元的示意图。
图11为本发明第五种几何误差敏感单元的示意图。
图12为本发明X轴六自由度误差同时测量原理图。
图13为本发明Y轴六自由度误差同时测量原理图。
图14为本发明21项几何误差激光测量方法测量起点的示意图。
图15为本发明21项几何误差激光测量方法X轴测量示意图。
图16为本发明21项几何误差激光测量方法Y轴测量示意图。
图17为本发明21项几何误差激光测量方法Z轴测量示意图。
具体实施方式
如图1所示，根据本发明的一种21项几何误差激光测量系统，主要由激光六自由度误差同时测量单元1、激光光线转向单元2和几何误差敏感单元3等部分组成，所述的几何误差敏感单元3固定在被测数控机床、加工中心或三坐标测量机的夹持刀具部件上，所述的激光六自由度误差同时测量单元1与激光光线转向单元2都固定在被测数控机床、加工中心或三坐标测量机的夹持工件部件上。
如图2所示，所述的几何误差敏感单元3也可固定在被测数控机床、加工中心或三坐标测量机的夹持工件部件上，而所述的激光六自由度误差同时测量单元1与激光光线转向单元2也可整体固定在被测数控机床、加工中心或三坐标测量机的夹持刀具部件上。
如图3所示，所述的激光光线转向单元2主要由五角棱镜2011实现对来自激光六自由度误差同时测量单元1的激光光束的转向。通过手动或电动方式将五角棱镜2011移出激光六自由度误差同时测量单元1的出射光路，调节激光六自由度误差同时测量单元1的位置和方向，可得到平行于X轴的至所述的几何误差敏感单元301的测量光束；通过手动或电动的方式将五角棱镜2011移入激光六自由度误差同时测量单元1的出射光路，调节五角棱镜2011使得测量光垂直其表面入射，可得到平行于Y轴的至所述的几何误差敏感单元302的测量光束；随后以平行于X轴并且经过五角棱镜2011入射面中心的直线为旋转轴，通过与五角棱镜2011固定在一起的精密旋转部件将五角棱镜2011旋转90°，可得到平行于Z轴的至所述的几何误差敏感单元303的测量光束。由此，可通过激光光线转向单元2的第一种结构分步地得到平行于被测数控机床、加工中心或三坐标测量机X、Y、Z轴的三束测量光。
如图4所示，所述的激光光线转向单元2的第二种结构包括分光五角棱镜2021、2022的组合。调节激光六自由度误差同时测量单元1的位置和方向得到平行于X轴方向的测量光，将分光五角棱镜2021、2022的组合移入激光六自由度误差同时测量单元1的出射光路，调节分光五角棱镜2021和2022的位置使得激光六自由度误差同时测量单元1的出射光垂直入射分光五角棱镜2021，分光五角棱镜2021的反射光垂直入射分光五角棱镜2022，便可同时得到平行于被测数控机床、加工中心或三坐标测量机X、Y、Z轴的三束测量光。
如图5所示，所述的激光光线转向单元2的第三种结构主要由直角棱镜2031实现对来自激光六自由度误差同时测量单元1的激光光束的转向。通过手动或电动方式将直角棱镜2031移出激光六自由度误差同时测量单元1的出射光路，调节激光六自由度误差同时测量单元1的位置和方向，可得到平行于X轴的至所述的几何误差敏感单元301的测量光束；通过手动或电动的方式将直角棱镜2031移入激光六自由度误差同时测量单元1的出射光路，调节直角棱镜2031使得测量光垂直其表面入射，可得到平行于Y轴的至所述的几何误差敏感单元302的测量光束；随后以平行于X轴并且经过直角棱镜2031入射面中心的直线为旋转轴，通过与直角棱镜2031固定在一起的精密旋转部件将直角棱镜2031旋转90°，可得到平行于Z轴的至所述的几何误差敏感单元303的测量光束。由此，可通过激光光线转向单元2的第三种结构分步地得到平行于被测数控机床、加工中心或三坐标测量机X、Y、Z轴的三束测量光。
如图6所示，所述的激光光线转向单元2的第四种结构包括半透半反棱镜2041、2042的组合。调节激光六自由度误差同时测量单元1的位置和方向得到平行于X轴方向的测量光，将半透半反棱镜2041、2042的组合移入激光六自由度误差同时测量单元1的出射光路，调节半透半反棱镜2041和2042的位置使得激光六自由度误差同时测量单元1的出射光垂直入射半透半反棱镜2041，半透半反棱镜2041的反射光垂直入射半透半反棱镜2042，便可同时得到平行于被测数控机床、加工中心或三坐标测量机X、Y、Z轴的三束测量光。
由图3-6可看出，通过四种不同结构的激光光线转向单元2都能同时或分步地得到平行于被测数控机床、加工中心或三坐标测量机X、Y、Z轴的测量光。各转向棱镜或分光、转向棱镜组合的光学特性不同会使得激光六自由度误差同时测量单元1的两束测量光被激光光线转向单元2转向后在垂直于传播方向上的相对顺序的不同，因此，不同结构的激光光线转向单元2也将配合不同结构的几何误差敏感单元3 。
如图7所示，所述的几何误差敏感单元3的第一种结构配合所述的激光光线转向单元2的第一种结构。所述的几何误差敏感单元3主要包括三个相互垂直的六自由度误差敏感部件301、302、303，所述的三个六自由度误差敏感部件301、302、303分别对数控机床、加工中心或三坐标测量机的X、Y、Z轴的六自由度误差敏感。
所述的六自由度误差敏感部件301包括两个光线后向反射元件3011、3012和一个光线分光元件3013；所述的光线后向反射元件3011对X轴的位置误差、水平和竖直方向直线度误差敏感；所述的光线分光元件3013对X轴的俯仰角、偏摆角敏感；所述的两个光线后向反射元件3011、3012的组合对X轴的滚转角敏感。
所述的六自由度误差敏感部件302包括两个光线后向反射元件3021、3022和一个光线分光元件3023；所述的光线后向反射元件3021对Y轴的位置误差、水平和竖直方向直线度误差敏感；所述的光线分光元件3023对Y轴的俯仰角、偏摆角敏感；所述的两个光线后向反射元件3021、3022的组合对Y轴的滚转角敏感。
所述的六自由度误差敏感部件303包括两个光线后向反射元件3031、3032和一个光线分光元件3033；所述的光线后向反射元件3031对Z轴的位置误差、水平和竖直方向直线度误差敏感；所述的光线分光元件3033对Z轴的俯仰角、偏摆角敏感；所述的两个光线后向反射元件3031、3032的组合对Z轴的滚转角敏感。
图8、图9、图10分别为所述的几何误差敏感单元3的第二种、第三种和第四种结构，分别对应所述的激光光线转向单元2的第二种、第三种和第四种结构，均包括三个相互垂直的六自由度误差敏感部件301、302、303，所述的三个六自由度误差敏感部件301、302、303分别对数控机床、加工中心或三坐标测量机的X、Y、Z轴的六自由度误差敏感。六自由度误差敏感部件301、302、303中光线后向反射元件和光线分光元件的位置对应激光六自由度误差同时测量单元1的两束测量光经过激光光线转向单元2之后入射到六自由度误差敏感部件301、302、303上的位置。
如图11所示，所述的几何误差敏感单元3的第五种结构主要包括两个相互垂直的六自由度误差敏感部件301、302，所述的六自由度误差敏感部件301、302分别对数控机床、加工中心或三坐标测量机X轴和Z轴的六自由度误差敏感，所述的六自由度误差敏感部件301绕Z轴旋转90°后对数控机床、加工中心或三坐标测量机Y轴的六自由度误差敏感。
图7~图11中，所述的光线后向反射元件3011、3012、3021、3022、3031、3032可采用角锥棱镜，所述的光线分光元件3013、3023、3033可采用平面分光镜，也可采用直接镀在光线后向反射元件相应位置上的分光膜。
如图3所示，激光光线转向单元2的第一种结构采用五角棱镜2011分步地得到平行于被测数控机床、加工中心或三坐标测量机X、Y、Z的测量光。由于五角棱镜2011不改变激光六自由度误差同时测量单元1出射的两测量光在传播方向上的相对顺序，也不改变俯仰角和偏摆角测量中光线分光元件3012、3023、3033反射的角度测量光相对角度测量基线的角度位置关系，因此应用在本系统，可对各直线运动轴的六自由度误差同时进行测量的最优实施例中。
如图12所示，所述的激光六自由度误差同时测量单元1配合六自由度误差敏感部件301可直接同时测量被测数控机床、加工中心或三坐标测量机X轴的六自由度误差，所述的激光六自由度误差同时测量单元1包括双频激光光源101，1/4波片102、107，偏光分光器103、106，分光器104、108、109，光线后向反射元件105，光线反射元件110、114，探测器111、112、113、116、118，透镜115、117；所述的六自由度误差敏感部件301包括光线后向反射元件3011、3012，光线分光元件3013。
在图12中，几何误差敏感单元3以及六自由度误差敏感部件301沿X轴运动至轴上某点，激光光线转向单元2中的五角棱镜2011置于激光六自由度误差同时测量单元1的测量光路之外。
双频激光光源101的出射光经过1/4波片102后被偏光分光器103分光，反射光在分光器104继续分光，分光器104的透射光作为干涉测长的参考光，偏光分光器103的透射光被光线后向反射元件3011反射后被分光器108分光，分光器108的透射光与光线后向反射元件105的反射光干涉由探测器111接收并测量X轴该点的位置误差；
分光器108的反射光被分光器109分光，分光器109的反射光由探测器112接收并测量出X轴该点的水平和竖直直线度误差；
分光器109的透射光经过光线反射元件110、透镜117之后被探测器118接收并测量出测量光传播过程中的角度漂移；
分光器104的反射光经过偏光分光器106和1/4波片107后在光线分光元件3013上分光，反射光再次经过1/4波片107被偏光分光器106反射，经过光线反射元件114和透镜115后被探测器116接收并测量X轴该点的俯仰角和偏摆角；
光线分光元件3013的透射光被光线后向反射元件3012反射后由探测器113接收并测量X轴该点的水平和竖直直线度误差；
探测器112和探测器113测量得到X轴上同一水平位置处两不同点的竖直直线度并可进一步得出X轴该点的滚转角。
如图13所示，所述的激光六自由度误差同时测量单元1配合激光光线转向单元2和几何误差敏感单元3可直接同时测量被测数控机床、加工中心或三坐标测量机Y轴或Z轴的六自由度误差。
几何误差敏感单元3以及六自由度误差敏感部件302沿Y轴运动至轴上某点，偏光分光器103的透射光和分光器104的反射光作为激光六自由度误差同时测量单元1的测量光平行于X轴出射，被激光光线转向单元2中的五角棱镜2011转向后平行于Y轴传播至六自由度误差敏感部件302；光线分光元件3023的反射光、光线后向反射元件3021和3022的反射光传播至激光光线转向单元2并被其转向至激光六自由度误差同时测量单元1并测得Y轴的六自由度误差。
同理，通过激光光线转向单元2将激光六自由度误差同时测量单元1的出射光转向至平行于Z轴的方向，激光六自由度误差同时测量单元1配合激光光线转向单元2和六自由度误差敏感部件303可测得Z轴的六自由度误差。
一种一次安装、分步测量得到21项几何误差的方法，用于所述的21项几何误差激光测量系统中，按以下步骤得到数控机床、加工中心或三坐标测量机的21项几何误差：
1) 测量系统安装：如图1所示，将激光六自由度误差同时测量单元1和激光光线转向单元2分别固定在被测数控机床、加工中心或三坐标测量机夹持工件部件上，将几何误差敏感单元3固定在被测数控机床、加工中心或三坐标测量机夹持刀具部件上。
2) 测量系统调整：如图14所示，调整被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备的三轴达到ISO230-1等相关测量标准或要求规定的起始位置，并使几何误差敏感单元3尽可能地靠近激光光线转向单元2，此位置记做测量起点；配合调整激光光线转向单元2和激光六自由度误差同时测量单元1的位置和方向，根据激光光线转向单元2中不同的激光光线转向结构，同时或分步得到平行于被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备X、Y、Z轴的测量光束。由激光转向单元2的固有特性可知三束测量光相互垂直，能够作为垂直度误差测量的参考基线。
3)测量X轴的六自由度误差: 如图15所示，将激光六自由度误差同时测量单元1出射的光束射向到平行于被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备X轴的方向上，控制数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备运动，使得21项几何误差激光测量系统处于测量起点位置；激光六自由度误差同时测量单元1配合几何误差敏感单元3上对应的六自由度误差敏感部件301测量得到X轴起始点的六自由度误差，包括位置误差、水平和竖直方向直线度误差、俯仰角、偏摆角、滚转角等6项几何误差；控制X轴沿正方向运动，按ISO230-1等相关测量标准或要求规定的间距移动至下一个测量点，移动过程中保持Y轴和Z轴静止，激光六自由度误差同时测量单元1测量得到该点的六自由度误差；如此逐点测量直至X轴到达最后一个测量点并测量得到该点的六自由度误差，停止运动，通过以上步骤可得到X轴上所有测量点的六自由度误差；控制X轴按照相同间距反向移动并再次逐点测量，得到所有测量点的六自由度误差。由此可逐点静态测量X轴上各测量点正向、反向移动时的六自由度误差，重复以上步骤可多次静态得到X轴各点正向、反向移动时的六自由度误差；类似地，可控制X轴由测量起点匀速运动至轴上最远测量点并再次匀速返回至测量起点，激光六自由度误差同时测量单元1配合几何误差敏感单元3上对应的六自由度误差敏感部件301连续测量，可动态测量得到X轴上所有规定的测量点正向、反向移动时的六自由度误差。
4) 测量Y轴的六自由度误差：如图16所示，通过激光光线转向单元2将激光六自由度误差同时测量单元1出射的光束射向到平行于被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备Y轴的方向上，按照步骤3）所述的方法控制Y轴运动，可以逐点静态得到或连续动态得到Y轴各点正向、反向移动时的六个自由度误差。
5) 测量Z轴的六自由度误差：如图17所示，通过激光光线转向单元2将激光六自由度误差同时测量单元1出射的光束射向到平行于被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备Z轴的方向上，按照步骤3）或4) 所述的方法控制Z轴运动，可以逐点静态得到或连续动态得到Z轴各点正向、反向移动时的六个自由度误差。
6) 数据处理: 通过步骤3)、4)、5)，可以分步逐点静态得到或连续动态得到被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备X、Y、Z轴各点正向、反向移动时的六个自由度误差，三轴共计18项几何误差; 根据X、Y、Z轴上各点的直线度误差，可得出各轴运动轨迹与对应测量光线即垂直度参考基线之间的夹角，从而进一步得出三轴之间的垂直度误差；以上共计21项几何误差。

Claims (10)

  1. 一种21项几何误差激光测量系统，主要由激光六自由度误差同时测量单元、激光光线转向单元和几何误差敏感单元等部分组成；其特征在于，所述的激光六自由度误差同时测量单元与所述的几何误差敏感单元配合使用，能分别测量得到数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备的三个直线运动导轨或运动台（简称三轴）的位置误差、水平和竖直方向直线度误差、俯仰角、偏摆角、滚转角等6项几何误差，三轴共计18项误差；所述的激光光线转向单元能将来自所述的激光六自由度误差同时测量单元的激光光束分光或转向到平行于数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备的三轴的方向上，并能将来自所述的几何误差敏感单元的激光光束分光或转向到所述的激光六自由度误差同时测量单元，完成对应轴的六自由度误差同时测量，同时通过三轴直线度误差的数据处理得到三轴相互之间的垂直度误差。
  2. 根据权利要求1所述的21项几何误差激光测量系统，其特征在于，所述的几何误差敏感单元主要包括三个相互垂直的六自由度误差敏感部件，所述的三个六自由度误差敏感部件分别对数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备的三个相互垂直的直线运动轴的六项几何误差敏感；所述的几何误差敏感单元还可以由两个相互垂直的六自由度误差敏感部件组成，所述的两个六自由度误差敏感部件分别对数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备的两个相互垂直的直线运动轴的六项几何误差敏感，所述的两个六自由度误差敏感部件之中的一个六自由度误差敏感部件旋转90°之后对数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备的第三个直线运动轴的六项几何误差敏感。
  3. 根据权利要求2所述的几何误差敏感单元，其特征在于，所述的六自由度误差敏感部件包括两个光线后向反射元件和一个光线分光元件；所述的光线后向反射元件对直线运动轴的位置误差、水平和竖直方向直线度误差敏感；所述的光线分光元件对直线运动轴的俯仰角、偏摆角敏感；所述的两个光线后向反射元件的组合对直线运动轴的滚转角敏感；所述的光线后向反射元件可采用角锥棱镜，所述的光线分光元件可采用平面分光镜。
  4. 根据权利要求1所述的21项几何误差激光测量系统，其特征在于，所述的激光光线转向单元主要由转向棱镜或分光、转向棱镜组合而成；所述的转向棱镜包括五角棱镜或直角棱镜，通过移动或转动转向棱镜等方式，将来自激光六自由度误差同时测量单元的测量光束分步转向，分别形成平行于被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备三直线运动轴的测量光束；所述的分光、转向棱镜组合还可由两个分光五角棱镜的组合或两个直角半透半反棱镜的组合，可同时将来自激光六自由度误差同时测量单元的测量光束分光成平行于被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备三直线运动轴的三束测量光。
  5. 一种一次安装分步测量得到数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备21项几何误差的方法，用于所述的21项几何误差激光测量系统中，其特征在于包含以下步骤：
    (1) 安装测量系统：将激光六自由度误差同时测量单元与激光光线转向单元独立或整体固定在被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备的夹持工件部件，将几何误差敏感单元固定在被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备的夹持刀具部件。
    (2) 调整测量系统：调整被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备的三轴到达ISO 230-1等相关测量标准或要求规定的起始位置，并使几何误差敏感单元尽可能的靠近激光光线转向单元，此位置记做测量起点；配合调整激光光线转向单元和激光六自由度误差同时测量单元的位置和方向，根据权利4所述的激光光线转向单元中不同的激光光线转向结构，同时或分步得到平行于被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备X、Y、Z轴的测量光束。
    (3) 测量X轴的六自由度误差：通过激光光线转向单元将激光六自由度误差同时测量单元出射的光束射向到平行于被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备X轴的方向上，控制数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备运动，使得21项几何误差激光测量系统处于测量起点位置；激光六自由度误差同时测量单元配合几何误差敏感单元上对应的六自由度误差敏感部件测量得到X轴起始点的六自由度误差，包括位置误差、水平和竖直方向直线度误差、俯仰角、偏摆角、滚转角等6项几何误差；控制X轴沿正方向运动，按ISO 230-1等相关测量标准或要求规定的间距移动至下一个测量点，移动过程中保持Y轴和Z轴静止，激光六自由度误差同时测量单元测量得到该点的六自由度误差；如此逐点测量直至X轴到达最后一个测量点并测量得到该点的六自由度误差，停止运动，通过以上步骤可得到X轴上所有测量点的六自由度误差；控制X轴按照相同间距反向移动并再次逐点测量，得到所有测量点的六自由度误差。由此可逐点静态测量X轴上各测量点正向、反向移动时的六自由度误差，重复以上步骤可多次静态得到X轴各点正向、反向移动时的六自由度误差；类似地，可控制X轴由测量起点匀速运动至轴上最远测量点并再次匀速返回至测量起点，激光六自由度误差同时测量单元配合几何误差敏感单元上对应的六自由度误差敏感部件连续测量，可动态测量得到X轴上所有规定的测量点正向、反向移动时的六自由度误差。
    (4) 测量Y轴的六自由度误差：通过激光光线转向单元将激光六自由度误差同时测量单元出射的光束射向到平行于被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备Y轴的方向上，按照(3)所述的步骤控制Y轴运动，可以逐点静态得到或连续动态得到Y轴各点正向、反向移动时的六个自由度误差。
    (5) 测量Z轴的六自由度误差：通过激光光线转向单元将激光六自由度误差同时测量单元出射的光束射向到平行于被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备Z轴的方向上，按照(3) 所述的步骤控制Z轴运动，可以逐点静态得到或连续动态得到Z轴各点正向、反向移动时的六个自由度误差。
    (6) 数据处理：通过以上(3)、(4)、(5)所述的测量步骤，可以分步逐点静态得到或连续动态得到被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备X、Y、Z轴各点正向、反向移动时的六个自由度误差，三轴共计18项几何误差；按ISO 230-1等测量标准或要求进行数据处理可以得到X、Y、Z三个运动轴相互之间的3项垂直度误差，以上共计21项几何误差。
    改变以上(3)、(4)、(5) 测量步骤中X、Y、Z轴测量的先后顺序，并不影响本方法的测量结果；将几何误差敏感单元固定在被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备的夹持工件部件，将激光六自由度误差同时测量单元与激光光线转向单元整体固定在被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备的夹持刀具部件，重复以上(1)~(6)测量步骤可以得到同样的结果。
  6. 根据权利要求5所述的一种一次安装分步测量得到数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备21项几何误差的方法，其特征在于，所述的激光六自由度误差同时测量单元和几何误差敏感单元中的六自由度误差敏感部件可分别被激光五自由度误差同时测量单元和几何误差敏感单元中的五自由度误差敏感部件、激光四自由度误差同时测量单元和几何误差敏感单元中的四自由度误差敏感部件，以及激光三自由度误差同时测量单元和几何误差敏感单元中的三自由度误差敏感部件替换，重复权利要求5所述的测量步骤，可分别一次安装分步测量得到数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备的18项几何误差、15项几何误差和12项几何误差。
  7. 一种可检测21项几何误差的激光测量系统，包括：激光六自由度误差同时测量单元、激光光线转向单元、几何误差敏感单元，其特征在于，夹持工件部件和夹持刀具部件两者之一安装激光六自由度误差同时测量单元与激光光线转向单元，另一个安装几何误差敏感单元，所述的激光光线转向单元在安装状态下具有多个可切换的工作姿态或多部件组合，通过旋转或平移操作，将来自所述的激光六自由度误差同时测量单元的激光光束依次分光或转向到平行于X、Y、Z轴的方向上，并将来自所述的几何误差敏感单元的激光光束分光或转向到所述的激光六自由度误差同时测量单元，完成对应轴的六自由度误差同时测量。
  8. 根据权利要求7所述的激光测量系统，其特征在于，用于精密加工与测量设备，优选地，用于数控机床、加工中心或三坐标测量机；和/或，
    所述的激光六自由度误差同时测量单元与所述的几何误差敏感单元配合使用，分别测量得到三个直线运动导轨或运动台的位置误差、水平和竖直方向直线度误差、俯仰角、偏摆角、滚转角；通过三轴直线度误差的数据处理得到三轴相互之间的垂直度误差；和/或，
    所述的几何误差敏感单元主要包括三个相互垂直的六自由度误差敏感部件，所述的三个六自由度误差敏感部件分别对三个相互垂直的直线运动轴的六项几何误差敏感；或者，所述的几何误差敏感单元还可以由两个相互垂直的六自由度误差敏感部件组成，所述的两个六自由度误差敏感部件分别对两个相互垂直的直线运动轴的六项几何误差敏感，所述的两个六自由度误差敏感部件之中的一个六自由度误差敏感部件旋转90°之后对第三个直线运动轴的六项几何误差敏感；和/或，
    所述的六自由度误差敏感部件包括两个光线后向反射元件和一个光线分光元件；所述的光线后向反射元件对直线运动轴的位置误差、水平和竖直方向直线度误差敏感；所述的光线分光元件对直线运动轴的俯仰角、偏摆角敏感；所述的两个光线后向反射元件的组合对直线运动轴的滚转角敏感；和/或，
    所述的光线后向反射元件采用角锥棱镜，所述的光线分光元件采用平面分光镜；和/或，
    所述的激光光线转向单元由转向棱镜或分光、转向棱镜组合而成；所述的转向棱镜包括多角棱镜(优选五角棱镜)或直角棱镜；或者，所述的分光、转向棱镜组合为两个分光多角棱镜的组合或两个直角半透半反棱镜的组合，可同时将来自激光六自由度误差同时测量单元的测量光束分光成平行于被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备三直线运动轴的三束测量光。
  9. 一种一次安装、分步测量得到数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备21项几何误差的检测方法，其特征在于，包含以下步骤：
    安装测量系统：将激光六自由度误差同时测量单元与激光光线转向单元独立或整体安装在夹持工件部件和夹持刀具部件两者之一上，将几何误差敏感单元固定在夹持工件部件和夹持刀具部件中的另外一个上；
    调整测量系统：调整三轴达到预定的起始位置，并使几何误差敏感单元尽可能地靠近激光光线转向单元，此位置记做测量起点；通过旋转或平移切换所述的激光光线转向单元在安装状态下的多个工作姿态或多部件组合，同时或分步得到平行于X、Y、Z轴的三束测量光束；三束测量光相互垂直，作为垂直度误差测量的参考基线；
    测量X轴的六自由度误差：通过激光光线转向单元将激光六自由度误差同时测量单元出射的光束射向到平行于X轴的方向上，保持数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备静止，使得激光测量系统处于测量起点位置；激光六自由度误差同时测量单元配合几何误差敏感单元上对应的六自由度误差敏感部件测量得到X轴起始点的六自由度误差，包括位置误差、水平和竖直方向直线度误差、俯仰角、偏摆角、滚转角；控制X轴沿正方向运动，按预定的间距移动至下一个测量点，逐点静态测量X轴上各测量点正向、反向移动时的六自由度误差；或者，控制X轴由测量起点匀速运动至轴上最远测量点并再次匀速返回至测量起点，激光六自由度误差同时测量单元配合几何误差敏感单元上对应的六自由度误差敏感部件连续测量，动态测量得到X轴上所有规定的测量点正向、反向移动时的六自由度误差；
    测量Y轴的六自由度误差：通过激光光线转向单元将激光六自由度误差同时测量单元出射的光束射向到平行于Y轴的方向上，逐点静态得到或连续动态得到Y轴各点正向、反向移动时的六个自由度误差；
    测量Z轴的六自由度误差：通过激光光线转向单元将激光六自由度误差同时测量单元出射的光束射向到平行于Z轴的方向上，逐点静态得到或连续动态得到Z轴各点正向、反向移动时的六个自由度误差；
    数据处理：通过三轴的直线度误差数据计算得到三轴运动轨迹与对应轴的测量光线即垂直度误差测量的参考基线的夹角，并进一步计算得到X、Y、Z三个运动轴相互之间的3项垂直度误差。
  10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的六自由度误差敏感部件分别被五自由度误差敏感部件、四自由度误差敏感部件，以及三自由度误差敏感部件替换，分别一次安装、分步测量得到18项几何误差、15项几何误差和12项几何误差。
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