一种基于激光干涉原理的机床几何误差测量装置

摘要

一种基于激光干涉原理的机床几何误差测量装置，包括机械跟踪装置及其上安装的激光测量装置；机械跟踪装置包括激光干涉仪，激光干涉仪通过干涉仪调整云台和工作台球铰链连接，工作台球铰链底部安装在机床连接台上；干涉仪承载云台同时安装在上安装座一、下安装座三连接的伸缩杆一、二上，伸缩杆末端的连接板上安装有刀头处球铰链与线性反射镜，伸缩杆上的下安装座一、二上装有固定旋转镜和线性干涉镜组；本发明通过伸缩杆增大激光干涉仪量程，通过球铰链为激光干涉仪空间姿态调整提供保证，有效提高数控加工中心几何误差测量效率，通过计算机协同处理测量数据，实现测量自动化，具有运动灵活、操作简单、测量高效的优点。

权利要求

1.一种基于激光干涉原理的机床几何误差测量装置，其特征在于：包括机械跟踪装置及其上安装的激光测量装置；

所述的机械跟踪装置，包括激光干涉仪(1)，激光干涉仪(1)连接在干涉仪调整云台(2)上，干涉仪调整云台(2)下方与工作台球铰链(4)相连接，工作台球铰链(4)底部安装在机床连接台(5)上；干涉仪调整云台(2)固定在上安装座(3)与下安装座三(23)上，上安装座(3)、下安装座三(23)插入伸缩杆一(11)、伸缩杆二(12)，并使用紧定螺钉将伸缩杆与安装座固定；伸缩杆一(11)与伸缩杆二(12)末端安装有连接板(6)，连接板(6)做成镂空状，以便光路通过，连接板(6)后部装有刀头处球铰链(7)，当机床进行进给运动时，通过工作台球铰链(4)、刀头处球铰链(7)的转动特性实现激光干涉仪(1)空间姿态调整；通过伸缩杆一(11)与伸缩杆二(12)被动拉伸实现跟随；

所述的激光测量装置包括下安装座一(21)、下安装座二(22)，下安装座一(21)与下安装座二(22)安装在伸缩杆一(11)与伸缩杆二(12)上，下安装座一(21)与下安装座二(22)上吸附有磁铁配位块一(13)与磁铁配位块二(17)，磁铁配位块一(13)上方通过镜组安装杆二(15)连接有镜组安装块二(14)，镜组安装块二(14)上安装有固定旋转镜(16)；磁铁配位块二(17)下方通过镜组安装杆三(18)连接有镜组安装块三(19)，镜组安装块三(19)上安装有线性干涉镜组(20)；线性干涉镜组(20)和固定旋转镜(16)垂直设置；

所述的连接板(6)前端装有通过镜组安装杆一(9)，镜组安装杆一(9)上连接有镜组安装块一(8)，镜组安装块一(8)安装有线性反射镜一(10)；

在测量过程中，刀头处球铰链(7)、工作台球铰链(4)的球心始终与线性反射镜一(10)、线性干涉镜组(20)中心重合。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光干涉原理的机床几何误差测量装置，其特征在于：所述的工作台球铰链(4)包括工作台球铰上盖(25)和与之连接的工作台球铰下座(26)，工作台球铰上盖(25)和工作台球铰下座(26)连接后将工作台球铰球头(24)包裹，形成球铰副。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光干涉原理的机床几何误差测量装置，其特征在于：所述的线性干涉镜组(20)包括前部的分光镜(27)和后部的线性反射镜二(28)，分光镜(27)通过螺钉与线性反射镜二(28)连接，构成线性干涉镜组，与线性反射镜一(10)共同构成测量所用干涉光路。

4.根据权利要求3所述的一种基于激光干涉原理的机床几何误差测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

将两光学精密球分别布置在激光干涉仪(1)下侧及线性反射镜一(10)后侧，其中两光学精密球球心与分光镜(27)、线性反射镜一(10)中心共线，光学精密球一球心与分光镜(27)中心距离L1，线性反射镜一(10)中心与光学精密球二球心距离L3，Li1为激光干涉仪读数，其中L‑Li1＝L1+L3＝LT，使激光通过固定旋转镜(16)发生反射垂直入射至分光镜(27)，光束入射分光镜(27)、线性反射镜一(10)后通过固定旋转镜(16)回到激光头接口，在此期间形成干涉，记录激光干涉仪(1)测量数值Li1，通过求解方程后可得LT，进而求得两光学精密球球心间距L；

使用时，控制机床在给定工作空间内进给运动，当主轴运动时，工作台球铰链(4)带动装置转动，实现角度跟随运动；同时，通过伸缩杆一(11)、伸缩杆二(12)被动拉伸运动，以适应不同长度测量，实现距离跟随运动；测量过程中通过计算机测量软件实时记录激光干涉仪(1)测量读数Li1；

假设通过4个不同点对机床进行测量，从机床面板读出工作台球铰球头(24)在不同位置下球心坐标4个，记为P1(x1，y1，z1)P2(x2，y2，z2)P3(x3，y3，z3)P4(x4，y4，z4)，记工作台球铰球头(24)球心所在点为基站点，球心坐标即为基站坐标，选取机床测量点为A(x,y,z),后利用GPS定位原理，列出方程如下：

其中：

Li1为激光干涉仪测量实时读数；

LT为工作台球铰球头(24)球心与分光镜(27)中心距离L1和线性反射镜一(10)中心与刀头处球铰链(7)球心距离L3之和；

Pi(xi,yi,zi)为第i个球心坐标，即当前测量状况下工作台球铰球头(24)球心坐标；

e为总误差，ex为x轴误差，ey为y轴误差，ez为z轴误差；

在求解方程后，得出A点实际坐标A`(x`,y`,z`)，与理论坐标相减，得到机床各直线轴总体误差，之后通过误差分离原理，分离出机床各直线轴几何误差。

说明书

一种基于激光干涉原理的机床几何误差测量装置

技术领域

[0001] 本发明涉及机床几何误差测量技术领域，特别涉及一种基于激光干涉原理的机床几何误差测量装置。

背景技术

[0002] 目前的机床几何误差测量包括激光跟踪仪、激光干涉仪等仪器，利用激光跟踪仪虽然在操作与测量时具有时效性，但价格昂贵，测量成本过高；而激光干涉仪测量虽然具有
较高精度，但测量每一项误差需重新搭建光路，耗时费力。

发明内容

[0003] 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种基于激光干涉原理的机床几何误差测量装置，有效提高数控加工中心几何误差测量效率，通过计算机协同处
理测量数据，实现测量自动化，具有运动灵活、操作简单、测量高效的优点。

[0004] 为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

[0005] 一种基于激光干涉原理的机床几何误差测量装置，包括机械跟踪装置及其上安装的激光测量装置；

[0006] 所述的机械跟踪装置，包括激光干涉仪1，激光干涉仪1连接在干涉仪调整云台2上，干涉仪调整云台2下方与工作台球铰链4相连接，工作台球铰链4底部安装在机床连接台
5上；干涉仪调整云台2固定在上安装座3与下安装座三23上，上安装座3、下安装座23插入伸
缩杆一11、伸缩杆二12，并使用紧定螺钉将伸缩杆与安装座固定；伸缩杆一11与伸缩杆二12
末端安装有连接板6，连接板6做成镂空状，以便光路通过，连接板6后部装有刀头处球铰链
7，当机床进行进给运动时，通过工作台球铰链4、刀头处球铰链7的转动特性实现激光干涉
仪1空间姿态调整；通过伸缩杆一11与伸缩杆二12被动拉伸实现跟随；

[0007] 所述的激光测量装置包括下安装座一21、下安装座二22，下安装座一21与下安装座二22安装在伸缩杆一11与伸缩杆二12上，下安装座一21与下安装座二22上吸附有磁铁配
位块一13与磁铁配位块二17，磁铁配位块一13上方通过镜组安装杆二15连接有镜组安装块
二14，镜组安装块二14上安装有固定旋转镜16；磁铁配位块二17下方通过镜组安装杆三18
连接有镜组安装块三19，镜组安装块三19上安装有线性干涉镜组20；线性干涉镜组20和固
定旋转镜16垂直设置；

[0008] 所述的连接板6前端装有通过镜组安装杆一9，镜组安装杆一9上连接有镜组安装块一8，镜组安装块一8安装有线性反射镜10；

[0009] 在测量过程中，刀头处球铰链7、工作台球铰链4的球心始终与线性反射镜10、线性干涉镜组20中心重合。

[0010] 所述的工作台球铰链4包括工作台球铰上盖25和与之连接的工作台球铰下座26，工作台球铰上盖25和工作台球铰下座26连接后将工作台球铰球头24包裹，形成球铰副。

[0011] 所述的线性干涉镜组20包括前部的分光镜27和后部的线性反射镜二28，分光镜27通过螺钉与线性反射镜二28连接，构成线性干涉镜组，与线性反射镜一10共同构成测量所
用干涉光路。

[0012] 基于一种基于激光干涉原理的机床几何误差测量装置的测量方法，包括以下步骤：

[0013] 将两光学精密球分别布置在激光干涉仪1下侧及线性反射镜10后侧，其中两光学精密球球心与分光镜27、线性反射镜一10中心共线，光学精密球1球心与分光镜27中心距离
L1，线性反射镜一10中心与光学精密球2球心距离L3，Li1为激光干涉仪读数，其中L‑Li1＝L1+
L3＝LT，使激光通过固定旋转镜16发生反射垂直入射至分光镜27，光束入射分光镜27、线性
反射镜一10后通过固定旋转镜16回到激光头接口，在此期间形成干涉，记录测量数值Li1，通
过求解方程后可得LT，进而求得两光学精密球球心间距L；

[0014] 使用时，控制机床在给定工作空间内进给运动，当主轴运动时，工作台球铰链4带动装置转动，实现角度跟随运动；同时，通过伸缩杆一11、伸缩杆二12被动拉伸运动，以适应
不同长度测量，实现距离跟随运动；测量过程中通过计算机测量软件实时记录测量读数Li1；

[0015] 从机床面板读出工作台球铰球头4在不同位置下球心坐标4个，记为P1(x1，y1，z1)P2(x2，y2，z2)P3(x3，y3，z3)P4(x4，y4，z4)，选取机床测量点为A(x，y，z),后利用GPS定位原理，列
出方程如下：

[0016]

[0017]

[0018] 其中：

[0019] Li1为激光干涉仪在第i个基站点与A点的距离；

[0020] LT为光学精密球1球心与分光镜27中心距离L1和线性反射镜一10中心与光学精密球2球心距离L3之和；

[0021] Pi(xi，yi，zi)为第i个基站点坐标；

[0022] e为总误差，ex为x轴误差，ey为Y轴误差，ez为Z轴误差；

[0023] 在求解方程后，得出A点实际坐标A｀(x`，y′，z`)，与理论坐标相减，得到机床各直线轴总体误差，之后通过误差分离原理，分离出机床各直线轴几何误差。

[0024] 本发明的有益效果：

[0025] 本发明利用激光干涉法实现距离测量，采用双球铰运动副为激光干涉仪的空间姿态调整提供保证，通过伸缩杆的被动拉伸实现跟随。同时满足高精度测量、三维空间测量、
动态测量等要求，且装置运动灵活、操作简单、测量高效，有效提高数控加工中心几何误差
测量效率，同时克服现有测量装置与方法测量成本过高的问题，通过计算机协同处理测量
数据，实现测量自动化。

附图说明

[0026] 图1为本发明基于激光干涉原理的机床几何误差测量装置的示意图。

[0027] 图2为图1的左视图。

[0028] 图3为本发明工作台球铰链4的示意图。

[0029] 图4为本发明线性干涉镜组20的示意图。

[0030] 图5为本发明的测量光路原理图。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图对本发明进行进一步详细说明。

[0032] 参照图1、图2，一种基于激光干涉原理的机床几何误差测量装置，包括机械跟踪装置及其上安装的激光测量装置；

[0033] 所述的机械跟踪装置，包括激光干涉仪1，激光干涉仪1通过螺纹连接固定在干涉仪调整云台2上，干涉仪调整云台2下方与工作台球铰链4相连接，工作台球铰链4底部安装
在机床连接台5上；干涉仪调整云台2固定在上安装座3与下安装座三23上，上安装座3、下安
装座23插入伸缩杆一11、伸缩杆二12，并使用紧定螺钉将伸缩杆与安装座固定；伸缩杆一11
与伸缩杆二12末端安装有连接板6，连接板6做成如图2所示的镂空状，以便光路通过，连接
板6后部装有刀头处球铰链7，当机床进行进给运动时，通过工作台球铰链4、刀头处球铰链7
的转动特性实现激光干涉仪1空间姿态调整；通过伸缩杆一11与伸缩杆二12被动拉伸实现
跟随。

[0034] 所述的激光测量装置包括下安装座一21、下安装座二22，下安装座一21与下安装座二22通过紧定螺钉安装在伸缩杆一11与伸缩杆二12第三段，伸缩杆一11与伸缩杆二12为
两个三段伸缩杆；下安装座一21与下安装座二22上通过磁力吸附有磁铁配位块一13与磁铁
配位块二17，磁铁配位块一13上方通过镜组安装杆二15连接有镜组安装块二14，镜组安装
块二14上安装有固定旋转镜16；磁铁配位块二17下方通过镜组安装杆三18连接有镜组安装
块三19，镜组安装块三19上安装有线性干涉镜组20；线性干涉镜组20和固定旋转镜16垂直
设置；

[0035] 所述的连接板6前端装有通过镜组安装杆一9，镜组安装杆一9上连接有镜组安装块一8，镜组安装块一8安装有线性反射镜一10；

[0036] 在测量过程中，刀头处球铰链7、工作台球铰链4的球心始终与线性反射镜10、线性干涉镜组20中心重合。

[0037] 参照图3，所述的工作台球铰链4包括工作台球铰上盖25和与之通过螺钉连接的工作台球铰下座26，工作台球铰上盖25和工作台球铰下座26连接后将工作台球铰球头24包
裹，形成球铰副。

[0038] 参照图4，所述的线性干涉镜组20包括前部的分光镜27和后部的线性反射镜二28，分光镜27通过螺钉与线性反射镜二28连接，构成线性干涉镜组，与线性反射镜10共同构成
测量所用干涉光路。

[0039] 参见图5，本发明的工作原理为：

[0040] 装配时：首先将激光干涉仪1通过螺钉连接固定在干涉仪调整云台2上，干涉仪调整云台2可实现激光干涉仪1的俯仰角度、水平距离的调整，以实现光路的对准。使用螺纹连
接将干涉仪调整云台2固定在上安装座3与下安装座三23上，干涉仪调整云台2下固定有工
作台球铰链4，工作台球铰链4安装于机床连接台5上，通过机床连接台5，将装置固定在机床
工作台上；刀头处球铰链7通过底部螺钉安装在连接板6上，刀头处球铰链7与机床主轴对
接；

[0041] 然后将磁铁配位块一13、磁铁配位块二17利用磁力吸附在通过紧定螺钉装在伸缩杆一11、伸缩杆二12的下安装座一21和下安装座二22上，镜组安装杆二15安装在磁铁配位
块一13上，镜组安装块二14紧定在镜组安装杆二15上并连接着固定旋转镜16，并且可借由
调整镜组安装块二14与镜组安装杆二15的相对角度来调整固定旋转镜16的水平方向，而磁
铁配位块二17下方有通过镜组安装杆三18和镜组安装块三19固定的线性干涉镜组20，刀头
处球铰链7通过底部螺钉安装在连接板6上，线性反射镜一10通过镜组安装块一8和镜组安
装杆一9安装在连接板6上，连接板6与伸缩杆一11，伸缩杆二12对接安装；

[0042] 最后将工作台球铰链4安装于机床连接台5上，通过机床连接台5，将装置固定在机床工作台上；刀头处球铰链7通过底部螺钉安装在连接板6上，刀头处球铰链7与机床主轴对
接，完成测量装置在机床上的安装。

[0043] 光路校准包括以下步骤：

[0044] 1)对激光干涉仪1进行预热；

[0045] 2)移动磁铁配位块一13、磁铁配位块二17使固定旋转镜16、线性干涉镜组20中心对齐，然后调整固定旋转镜16与线性干涉镜组20的角度，使得固定旋转镜16、线性干涉镜组
20的底面平行；随后对激光干涉仪1进行微调，校准光路；

[0046] 3)对线性反射镜一10的高度及角度进行调整，使其与线性干涉镜组20中心对齐，然后对激光干涉仪1进行微调，使得反射光路与激光路重合。

[0047] 基于一种基于激光干涉原理的机床几何误差测量装置的测量方法，包括以下步骤：

[0048] 将两光学精密球分别布置在激光干涉仪1下侧及线性反射镜一10后侧，其中两光学精密球球心与分光镜27、线性反射镜一10中心共线，光学精密球1球心与分光镜27中心距
离L1，线性反射镜一10中心与光学精密球2球心距离L3，Li1为激光干涉仪读数，其中L‑Li1＝
L1+L3＝LT，在建立测量光路时，使固定旋转镜16与分光镜27垂直，将其分别垂直固定，使激
光通过固定旋转镜16发生反射垂直入射至分光镜27，光束入射分光镜27、线性反射镜一10
后通过固定旋转镜16回到激光头接口，在此期间形成干涉，记录测量数值Li1，通过求解方程
后可得LT，进而求得两光学精密球球心间距L；

[0049] 使用时，控制机床在给定工作空间内进给运动，当主轴运动时，工作台球铰链4带动装置转动，实现角度跟随运动；同时，当机床主轴运动至激光干涉仪1远端时，伸缩杆一
11、伸缩杆二12被拉出，当主轴运动至激光干涉仪1近端时，伸缩杆一11、伸缩杆二12缩回，
通过伸缩杆一11、伸缩杆二12被动拉伸运动，以适应不同长度测量，实现距离跟随运动；测
量过程中通过计算机测量软件实时记录测量读数Li1。

[0050] 从机床面板读出工作台球铰球头4在不同位置下球心坐标4个，记为P1(x1，y1，z1)P1(x2，y2，z2)P1(x3，y3，z3)P1(x4，y4，z4)，选取机床测量点为A(x，y，z),后利用GPS定位原理，列
出方程如下：

[0051]

[0052]

[0053] 其中：

[0054] Li1为激光干涉仪在第i个基站点与A点的距离；

[0055] LT为光学精密球1球心与分光镜27中心距离L1和线性反射镜一10中心与光学精密球2球心距离L3之和；

[0056] Pi(xi，yi，zi)为第i个基站点坐标；

[0057] e为总误差，ex为x轴误差，ey为Y轴误差，ez为Z轴误差；

[0058] 在求解方程后，得出A点实际坐标A｀(x`，y`，z`)，与理论坐标相减，得到机床各直线轴总体误差，之后通过误差分离原理，分离出机床各直线轴几何误差。本发明装置具有良
好精度，可有效完成高速数控机床几何精度测量，装配简单，操作方便。