基于望远系统的激光多自由度精密测量系统

摘要

本发明涉及基于望远系统的激光多自由度精密测量系统。该系统包括移动机构和固定机构，移动机构产生三束平行光；固定机构包括并列排列的第一测量望远机构、第二测量望远机构、第三测量望远机构，三个测量望远机构的入射口分别与移动机构发出的三束平行光对应，出射口分别对应设有光电接收器，第二测量望远机构的出射口与光电接收器之间依次设有两个反射器和一个透镜。本发明用于测量垂直于行进方向的两个直线度误差和三个角度误差，光路调整简单；光学器件少，结构简单、体积小，安装调整方便，可获得高精度快速的测量；本装置还可以与激光干涉仪等测长技术一起完成六自由度全姿态的测量。

权利要求

1.基于望远系统的激光多自由度精密测量系统，包括移动机构（1）,移动机构（1）包括依次对应排列的激光器（2）、第一分束器（3）、第二分束器（4）和第三反射器（6），第一分束器（3）的透射口与第二分束器（4）的入射口对应，第二分束器（4）的透射口与第三反射器（6）入射口对应；与第二分束器（4）的反射口相对应设有激光准直望远镜（5）；移动机构（1）产生三束平行光，其特征在于：还包括固定机构（7）,所述固定机构（7）包括并列排列的第一测量望远机构（15）、第二测量望远机构（16）、第三测量望远机构（9），且光束的入射口均位于同一侧，出射口均位于另一侧；第一测量望远机构（15）的出射口外侧对应处设有第一光电接收器（14）；第二测量望远机构（16）的出射口外侧对应设有第一反射器（13），第一反射器（13）的反射口外侧对应设有第二反射器（12），第二反射器（12）的反射口外侧对应设有透镜（11），透镜（11）的出射口对应设有第二光电接收器（8）；第三测量望远机构（9）的出射口外侧对应设有第三光电接收器（10）；

所述第一测量望远机构（15）、第二测量望远机构（16）和第三测量望远机构（9）为望远镜系统：其中第一测量望远机构（15）和第三测量望远机构（9）的入射口均为目镜，出射口均为物镜；第二测量望远机构（16）的入射口为物镜，出射口为目镜。

2.根据权利要求1所述的基于望远系统的激光多自由度精密测量系统，其特征在于：

所述的第一测量望远机构（15）、第二测量望远机构（16）和第三测量望远机构（9）是开普勒式望远镜系统或伽利略式望远镜系统。

3.根据权利要求1所述的基于望远系统的激光多自由度精密测量系统，其特征在于：

所述的第一光电接收器（14）、第二光电接收器（8）、第三光电接收器（10）是光电位置传感器（PSD）或象限探测器或电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器。

4.根据权利要求1所述的基于望远系统的激光多自由度精密测量系统，其特征在于：

所述的透镜（11）是单透镜或组合透镜。

5.根据权利要求1所述的基于望远系统的激光多自由度精密测量系统，其特征在于：

所述的第一反射器（13）和第二反射器（12）是反射镜或折转棱镜。

说明书

基于望远系统的激光多自由度精密测量系统

技术领域

[0001] 本发明属于物体沿直线导轨运动时对其运动的多自由度误差或运动姿态进行高精度测量的技术领域，具体涉及一种基于望远系统的激光多自由度精密测量系统。 背景技术

[0002] 在机械制造、机械加工、测量、控制等很多领域，直线导轨或一维平移台都有广泛应用。直线导轨有六项误差，除定位误差外，其余五项为几何误差，分别是俯仰角、偏摆角、滚转角以及垂直于行进方向的两个直线度。随着技术水平的提高和发展，对导轨精度的需求越来越高，随之对导轨多自由度误差的检测要求也越来越高。由于科学实验过程中环境限制，误差溯源的科学性以及实验过程的高效性等要求，开发方便快捷并且高精度的多自由度测量系统日益得到工程、实验人员的重视。

[0003] 现在国内外最常见的多自由度测量方法是用激光干涉仪，比如HP5529A动态校正仪。但这类系统每次测量一项参数都需要重新调整仪器，且测量过程需要使用不同类型的测量附件，不仅测量周期十分烦琐和漫长，造成大量的人力和机时的浪费，而且测量精度受测量人员和测量环境变化影响较大。因此，发展同时测量多自由度几何误差的激光系统是目前普遍面临的重要问题。国内外相关领域对以上问题进行了研究，发展了应用激光技术同时测量多自由度的几种方法,概括起来分为以下几类：如 [孙长库, 周富强, 刘越, 叶声华. 六自由度测试系统[J]. 仪器仪表学报, 1998,(04)]； “基于协作靶标的六自由度测量系统的设计方法”[Kim J.-A., Bae E.W., Kim S.H., Kwak Y.K. Design methods for six-degree-of-freedom displacement measurement systems using cooperative targets (2002) Precision Engineering, 26 (1), pp. 99-104.]。技术：如 [刘永东, 王佳, 梁晋文. 动态目标全姿态激光跟踪测量[J]. 激光与红外, 1999,(03)]；“六自由度测量设备和方法”[Device and method for measuring six degrees of freedom,美国专利公布号：US2010/0128259A1，2010]；“基于激光的坐标测量设备和方法”[Laser-based coordinate measuring device and laser-based method for measuring coordinates，美国专利号：US7800758B1,2010] 。该方法已有商用产品，如美国API公司的激光跟踪仪。该方法测量范围大，速度高，适合宏观尺度的测量，而直线导轨的五个几何误差均属于微小量，故不能充分发挥其性能。如“在磁悬浮系统中使用CCD相机实时测量位置和姿态”[Lin Chin E., Hou Ann-San Real-time position and attitude sensing using CCD cameras in magnetic suspension system applications (1995) IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 44 (1), pp. 8-13.]，该系统需要对多个CCD进行标定，而且对振动敏感，滚转角测量精度比其他误差低；“基于摄像机且使用旋转镜的靶标六自由度测量和跟踪”；[Camera based six degree of freedom target measuring and target tracking device with rotatable mirror，美国专利号US7576847B2，2009]，该方法也需要对相机做精确标定。如[匡翠方, 冯其波, 张斌, 张志峰, 陈士谦. 激光六维参数同时测量的数学模型[J]. 仪器仪表学报, 2006,(04)]；“基于激光的直线导轨六自由度几何误差高精度测量”[Liu C.-H., Jywe W.-Y., Hsu C.-C., Hsu T.-H. Development of a laser-based high-precision six-degrees-of-freedom motion errors measuring system for linear stage (2005) Review of Scientific Instruments, 76 (5), art. no. 055110]； “六自由度传感器”[Six degree of freedom sensor，美国专利号5883803，1999]；“运动平台直线度测量装置”[Straightness measuring apparatus for moving stage，美国专利号US6559955B2,2003]；“通过三面反射镜测量刚体六自由度误差的装置”[Apparatus for measuring 6-degree-of-freedom motions of rigid body by using three-facet mirror，美国专利号：US6678059B2,2004]； [一种激光六自由度同时测量装置，专利号200520147401.6，2007]。该类方法已有商用产品，如美国API公司的“五轴/六轴测量系统”[five-axis/six-axis laser measuring system，美国专利号：6049377，2000],并形成一定市场。这些方法使用非接触式测量，电磁干扰小，结构紧凑，测量精度较高，但是对多自由度误差的放大倍率受到原理的限制，难以获得更大的提高。

[0004] 到目前为止，出现了多种多自由度同时测量的技术和装置，这些技术已取得一定的应用，但也存在一些问题。故发明光学结构简单、体积小、高速度、更高精度的多自由度测量系统与方法是该领域的发展趋势。

发明内容

[0005] 为了实现对物体沿直线导轨运动时的运动偏摆角、俯仰角、滚转角和垂直于行进方向的两个直线度误差的同时测量，配合激光干涉仪或其他测长技术实现对定位误差的同时测量，即实现六自由度测量，本发明提供一种基于望远系统的激光多自由度精密测量系统。

[0006] 实现上述目的的技术解决方案是这样的。

[0007] 基于望远系统的激光多自由度精密测量系统包括移动机构1，由激光器、一个以上的分束器和反射器组成，产生三束平行光；

[0008] 还包括固定机构7，所述固定机构7包括并列排列的第一测量望远机构15、第二测量望远机构16、第三测量望远机构9，且光束的入射口均位于同一侧，出射口均位于另一侧；第一测量望远机构15的出射口外侧对应处设有第一光电接收器14；第二测量望远机构16的出射口外侧对应设有第一反射器13，第一反射器13的反射口外侧对应设有第二反射器12，第二反射器12的反射口外侧对应设有透镜11，透镜11的出射口对应设有第二光电接收器8；第三测量望远机构9的出射口外侧对应设有第三光电接收器10；

[0009] 所述第一测量望远机构15、第二测量望远机构16和第三测量望远机构9为望远镜系统：其中第一测量望远机构15和第三测量望远机构9的入射口均为目镜，出射口均为物镜；第二测量望远机构16的入射口为物镜，出射口为目镜。

[0010] 所述的第一测量望远机构15、第二测量望远机构16和第三测量望远机构9是开普勒式望远镜系统或伽利略式望远镜系统。

[0011] 所述的第一光电接收器14、第二光电接收器8、第三光电接收器10是光电位置传感器（PSD）或象限探测器或电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器。

[0012] 所述的透镜11是单透镜或组合透镜。

[0013] 所述的第一反射器13和第二反射器12是反射镜或折转棱镜。

[0014] 本发明与背景技术相比所具有的有益技术效果是：

[0015] 其一、移动机构发出三束平行光束，用于测量垂直于行进方向的两个直线度误差和三个角度误差，光学器件少，光路调整简单；

[0016] 其二、望远系统的视放大率及透镜焦距共同决定系统测量的灵敏度，在不改变光路结构的情况下，选取不同倍率的望远系统和不同焦距的透镜可实现不同的灵敏度；

[0017] 其三、本装置结构简单、体积小、安装调整方便，可获得高精度快速的测量；

[0018] 其四、本装置还可以与激光干涉仪等测长技术一起完成六自由度全姿态的测量。

[0019] 当透镜11焦距为10mm，第一测量望远机构15、第二测量望远机构16和第三测量望远机构9视放大率均为10，第一测量望远机构15和第三测量望远机构9光轴距离为10mm，第一光电接收器14、第二光电接收器8和第三光电接收器10的位置检测精度是1μm时，系统测量精度为：两个直线度误差测量精度为0.1μm，俯仰角和偏摆角误差测量精度为2"，滚转角误差测量精度为2"。改变测量望远机构的视放大率和透镜焦距等参数，测量精度随之提高。

附图说明

[0020] 图1为本发明结构示意图。

[0021] 图2为第二光束入射的望远系统对角度误差放大的原理示意图。

[0022] 图3为第一光束或第三光束入射的望远系统对位移误差放大的原理示意图。 [0023] 图4为激光多自由度测量系统测量滚转角误差的原理示意图。

[0024] 上述图中：移动机构1、激光器2、第一分束器3、第二分束器4、激光准直望远镜5、第三反射器6、固定机构7、第二光电接收器8、第三测量望远机构9、第三光电接收器10、透镜11、第二反射器12、第一反射器13、第一光电接收器14、第一测量望远机构15、第二测量望远机构16、第三激光光束17、第二激光光束18、第一激光光束19。

具体实施方式

[0025] 下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

[0026] 实施例1：

[0027] 参见图1，基于望远系统的激光多自由度精密测量系统包括固定机构和移动机构。移动机构1固定在导轨运动副上，随运动副沿直线导轨运动，固定机构7固定在测量导轨一端。

[0028] 移动机构1包括依次对应排列的激光器2、第一分束器3、第二分束器4和第三反射器6，第一分束器3的透射口与第二分束器4的入射口对应，第二分束器4的透射口与第三反射器6入射口对应；与第二分束器4的反射口相对应设有激光准直望远镜5。第一分束器3和第二分束器4均将入射光束分为反射光和透射光两路光束。移动机构1产生三束平行光，即第一激光光束19、第二激光光束18和第三激光光束17。

[0029] 固定机构7包括并列排列的第一测量望远机构15、第二测量望远机构16、第三测量望远机构9；第一测量望远机构15的入射口与第一分束器3的反射口对应，第一测量望远机构15的出射口外侧对应处设有第一光电接收器14；第二测量望远机构16的入射口与激光准直望远镜5的出射口对应，第二测量望远机构16的出射口外侧对应设有第一反射器13，第一反射器13的反射口外侧对应设有第二反射器12，第二反射器12的反射口外侧对应设有透镜11，透镜11的出射口对应设有第二光电接收器8；第三测量望远机构9的入射口与第三反射器6出射口对应，第三测量望远机构9的出射口外侧对应设有第三光电接收器10。第一测量望远机构15、第二测量望远机构16和第三测量望远机构9均为开普勒式望远镜系统：其中第一测量望远机构15和第三测量望远机构9的入射口均为目镜，出射口均为物镜；第二测量望远机构16的入射口为物镜，出射口为目镜。第一光电接收器14、第二光电接收器8和第三光电接收器10均采用光电位置传感器（PSD）（也可以采用象限探测器或电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器）；透镜11采用单透镜；第一反射器13、第二反射器12和第三反射器6采用反射镜。

[0030] 实施例2：

[0031] 与实施例1不同的是，第一测量望远机构15、第二测量望远机构16和第三测量望远机构9为伽利略式望远镜系统；透镜11采用组合透镜。

[0032] 其余结构同实施例1。

[0033] 实施例3：

[0034] 与实施例1不同的是，第一光电接收器14、第二光电接收器8和第三光电接收器10采用电荷耦合器件(CCD)，第一反射器13、第二反射器12和第三反射器6采用折转棱镜。

[0035] 其余结构同实施例1。

[0036] 参见图2、图3、图4，说明测量五自由度误差的原理和方法：

[0037] 假定初始时，直线导轨运动部分的姿态使得第一激光光束19、第二激光光束18和第三激光光束17分别和第一测量望远机构15、第二测量望远机构16和第三测量望远机构9的光轴重合。

[0038] 激光器2发出的高稳定激光束经第一分束器3、由第二分束器4分束得到第二激光光束18，再经激光准直望远镜5后入射到第二测量望远机构16，由物镜入射，目镜出射。当第二激光光束18随直线导轨运动副有一定的俯仰角和偏摆角变化时，第二激光光束18入射前相对于第二测量望远机构16的光轴有一定角度变化，第二激光光束18经第二测量望远机构16出射后，与光轴的夹角被相应放大，在经过第一反射器13、第二反射器12依次反射后由透镜11聚焦到第二光电接收器8上。

[0039] 如图2所示，若第二激光光束18相对于第二测量望远机构16的光轴夹角为 ，第二激光光束18经第二测量望远机构16出射后，与光轴的夹角为 。由望远系统的放大率公式可知：

[0040] （1）

[0041] 若导轨移动部分的俯仰角和偏摆角分别变化 和 后。第二光电接收器8上光点位置为：

[0042] （2）

[0043] （3）

[0044] 式中 和 为第二光电接收器8上的光点位置坐标， 和 分别为直线导轨几何误差造成的俯仰角和偏摆角变化量，f 为透镜11的焦距，L为第二测量望远机构16的视放大率。

[0045] 因此通过检测第二激光光束18在第二光电接收器8上光点位置变化，通过信号处理可以求得俯仰角和偏摆角误差。

[0046] 激光器发出的光束经分束器和反射器后得到第一激光光束19和第三激光光束17，作为测量两个直线度误差和滚转角的基准光线。第一激光光束19和第三激光光束17分别经过第一测量望远机构15和第三测量望远机构9，由目镜入射物镜出射，然后分别被第一光电接收器14和第三光电接收器10接收。当导轨运动副由于垂直于行进方向的两个直线度误差以及滚转角变化时，会造成第一激光光束19或第三激光光束17入射到第一测量望远机构15或第三测量望远机构9之前相对于其光轴的偏离，光束从望远系统出射后，该偏离被放大。

[0047] 如图3所示，若第一激光光束19或第三激光光束17相对于第一测量望远机构15或第三测量望远机构9的光轴有偏移量 ，第一激光光束19或第三激光光束17经第一测量望远机构15或第三测量望远机构9出射后，对光轴的偏移量为 。由望远系统的放大率公式可知：

[0048] （4）[0049] 若直线导轨的运动副在x轴和y轴分别有大小为x和y的跳动时，引起第一激光光束19、第三激光光束17相对于第一测量望远机构15、第三测量望远机构9的光轴有相应大小的偏移量，则第三光电接收器10和第一光电接收器14上光点位置分别为：

[0050] （5）

[0051] （6）

[0052] 如图4所示，当导轨的移动部分有滚转角 时，将造成第一激光光束19、第三激光光束17相对于第一测量望远机构15、第三测量望远机构9的光轴有附加的偏移量 和，考虑这一附加偏移，第三光电接收器10上光点位置为：

[0053] （7）

[0054] （8）

[0055] 第一光电接收器14上光点位置变化为：

[0056] （9）

[0057] （10）

[0058] 式中 、 为第三光电接收器10上的光点位置坐标， 、 为第一光电接收器14上的光点位置坐标， 、 为导轨两个方向的直线跳动量， 为导轨的滚转角误差，d为第三测量望远机构9和第二测量望远机构15的光轴之间的距离。

[0059] 公式5-10是近似公式，因为第三光电接收器10和第一光电接收器14上的光点位置还受到俯仰角和偏摆角的影响，这个影响随望远系统的视放大率增大而减小，可通过信号处理完全消除。根据第三光电接收器10和第一光电接收器14上的光点位置，通过信号处理对俯仰角和偏摆角解耦合即可求得被测物体垂直于行进方向的两个直线度误差和滚转角误差。

[0060] 由于初始位置的假定，在公式5-10中，直线导轨的多自由度误差都是相对与望远系统光轴的。在系统实际使用中，这一假定通常不满足，这时只需对公式5-10等式两边分别取微分，即可得到第三光电接收器10、第二光电接收器8、第一光电接收器14上的光点位置变化与直线导轨多自由度误差的关系式。由于直线导轨多自由度误差数量级都很小，因此这种微分运算是在工程误差允许范围内的。