一种直线导轨六自由度几何误差测量装置及方法

摘要

本发明属于精密加工装备精密测量相关技术领域，其公开了一种直线导轨六自由度几何误差测量装置及方法，其包括固定单元及测量单元，固定单元包括分光棱镜、1/4波片、反射镜，其用于将激光束分裂成三束准直平行光；第四四象限探测器用于接收干涉条纹，继而实现直线导轨位置误差的测量；测量单元包括第一四象限探测器、第二四象限探测器及第三四象限探测器，第一四象限探测器、第二四象限探测器及第三四象限探测器分别用于接收三束准直平行光；对光斑的移动分量进行分离以得到直线导轨的水平直线度误差、垂直直线度误差、滚转角度误差、俯仰角度误差和偏摆角度误差。本发明提高了集成度及测量精度，适用性较强。

权利要求

1.一种直线导轨六自由度几何误差测量装置，其特征在于：所述测量装置包括固定单元及测量单元，所述固定单元包括第四四象限探测器(17)，所述第四四象限探测器(17)用于接收干涉条纹，继而依据所述干涉条纹来实现直线导轨的位置误差的测量；

所述测量单元包括第一四象限探测器(14)、第二四象限探测器(15)及第三四象限探测器(16)，所述第一四象限探测器(14)、所述第二四象限探测器(15)及所述第三四象限探测器(16)分别用于接收来自所述固定单元的三束准直平行光；不同的误差会引起光斑在所述测量单元的探测器上的相对位移，对光斑的移动分量进行有效分离即可得到所述直线导轨的水平直线度误差、垂直直线度误差、滚转角度误差、俯仰角度误差和偏摆角度误差；

所述固定单元还包括第一普通分光棱镜(4)、第二普通分光棱镜(5)、第一反射镜(10)及第二反射镜(11)，所述第一普通分光棱镜(4)用于将接收到的激光束分成两束，其中透射光记为P光，折射光记为S光，所述第一反射镜(10)用于对所述S光进行反射以改变光路而形成一束准直平行光，该准直平行光入射至所述第二四象限探测器(15)；所述第二普通分光棱镜(5)用于将P光再次分裂成两束，其中透射光记为P’光，折射光记为S’光；所述第二反射镜(11)用于改变S’光的光路而形成一束准直平行光，进而入射至所述第一四象限探测器(14)；

所述固定单元还包括偏振分光棱镜(6)、第一波片(7)、第二波片(8)、凸透镜(9)、第三反射镜(12)及第四四象限探测器(17)，所述第一波片(7)及所述第二波片(8)是1/4波片，所述第三反射镜(12)、所述第一波片(7)、所述偏振分光棱镜(6)、所述凸透镜(9)及所述第四四象限探测器(17)自上而下沿同一个竖直方向设置；所述第一普通分光棱镜(4)、所述第二普通分光棱镜(5)、所述偏振分光棱镜(6)及所述第二波片(8)依次沿第一水平方向设置；

所述测量单元还包括半透射半反射镜(13)，所述半透射半反射镜(13)位于所述第二波片(8)及所述第三四象限探测器(16)之间。

2.如权利要求1所述的直线导轨六自由度几何误差测量装置，其特征在于：所述偏振分光棱镜(6)用于将P’光再次被分裂成两束，其中透射光记为P”光，折射光记为S”光，S”光透过所述第一波片(7)后被所述第三反射镜(12)反射而原路返回，再次经过所述第一波片(7)、所述偏振分光棱镜(6)及所述凸透镜(9)后作为参考光入射到所述第四四象限探测器(17)上。

3.如权利要求2所述的直线导轨六自由度几何误差测量装置，其特征在于：P”光经过所述第二波片(8)后传播至所述半透射半反射镜(13)，在所述半透射半反射镜(13)的作用下一束反射激光原路反射，再次经过所述第二波片(8)、所述偏振分光棱镜(6)后作为测量光最终入射至所述第四四象限探测器(17)，参考光和测量光汇聚在所述第四四象限探测器(17)上形成干涉条纹，被所述半透射半反射镜(13)透射的光入射至所述第三四象限探测器(16)。

4.如权利要求1‑3任一项所述的直线导轨六自由度几何误差测量装置，其特征在于：所述测量装置还包括稳频氦氖激光器(1)、单模光纤(2)及准直器(3)，所述单模光纤(2)相背的两端分别连接所述稳频氦氖激光器(1)及所述准直器(3)。

5.如权利要求4所述的直线导轨六自由度几何误差测量装置，其特征在于：所述氦氖激光器用于发射激光束，所述激光束经由所述单模光纤(2)传输到所述准直器(3)，所述准直器(3)用于对所述激光束进行准直放大，经准直放大后的所述激光束进入所述固定单元。

6.一种直线导轨六自由度几何误差测量方法，其特征在于，该测量方法包括以下步骤：首先，提供权利要求1‑5任一项所述的直线导轨六自由度几何误差测量装置，并将所述固定单元安装在数控机床的固定平面上，同时将测量单元安装在数控机床的直线导轨的移动滑块上；之后，对所述测量装置进行光路调整后，开启所述数控机床，利用四象限探测器每隔一段预设距离采集一组光斑的位置数据；接着，根据各段预设距离中光斑的位置获得所述直线导轨各段的误差信息。

7.如权利要求6所述的直线导轨六自由度几何误差测量方法，其特征在于：位置误差的计算公式为：

ΔL＝Lm‑Lr

式中，Lm为实测位移；Lr为理论位移； N为干涉条纹的变化数量；为干涉条纹非整数倍变化量；λ为激光波长。

8.如权利要求6所述的直线导轨六自由度几何误差测量方法，其特征在于：水平直线度误差、垂直直线度误差、滚转角度误差、俯仰角度误差和偏摆角度误差的计算公式分别为：式中，l1和l2分别为探测器QD1和探测器QD2距离旋转中心轴线的距离； 和 分别为探测器QD1和探测器QD2的竖直分量；l3为探测器QD3与旋转轴线的距离， 为光斑QD1 QD2 QD3

在探测器竖直方向上的相对移动距离；h 、h 、h 分别为光斑在探测器QD1、探测器QD2及探测器QD3水平方向上的相对移动距离。

说明书

一种直线导轨六自由度几何误差测量装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于精密加工装备精密测量相关技术领域，更具体地，涉及一种直线导轨六自由度几何误差测量装置及方法。

背景技术

[0002] 直线导轨被广泛应用于精密数控加工机床和精密测量仪器，在沿导轨做直线运动过程中，由于导轨的制造和安装误差使得导轨存在六项几何误差，对加工质量和测量精度
存在较大影响。因此，对导轨六项运动误差和补偿具有重要意义。

[0003] 目前，主要测量仪器常采用商业激光干涉仪进行单项误差测量，但其存在过程复杂，耗时长，效率低和成本高等缺点。光栅衍射在角度误差测量中具有较好的分辨率和较高
的测量精度，但其不能进行位置误差、水平直线度误差测量；激光准直可以实现角度误差和
直线度误差测量，但不能实现位置误差测量，而激光准直和激光干涉相结合方法，普遍存在
装置结构复杂和各项误差间存在串扰从而对测量精度产生较大影响等缺点。

发明内容

[0004] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种直线导轨六自由度几何误差测量装置及方法，其通过光斑在探测器上的变化关系分析，建立误差全解耦算法，实现
度对直线导轨六种几何误差的分离，以最终到达直线导轨六自由度几何误差的同时测量，
如此所述测量装置不仅能够实现直线导轨六自由度几何误差的同时测量，实现对各项误差
的串扰进行有效解耦，而且高度集成化，操作简单，具有较高的测量效率和精度。

[0005] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种直线导轨六自由度几何误差测量装置，所述测量装置包括固定单元及测量单元，所述固定单元包括第四四象限探测
器，其用于接收干涉条纹，继而依据所述干涉条纹来实现直线导轨的位置误差的测量；

[0006] 所述测量单元包括第一四象限探测器、第二四象限探测器及第三四象限探测器，所述第一四象限探测器、所述第二四象限探测器及所述第三四象限探测器分别用于接收三
束准直平行光；不同的误差会引起光斑在所述测量单元的探测器上的相对位移，对光斑的
移动分量进行有效分离即可得到所述直线导轨的水平直线度误差、垂直直线度误差、滚转
角度误差、俯仰角度误差和偏摆角度误差。

[0007] 进一步地，所述固定单元还包括第一普通分光棱镜、第二普通分光棱镜、第一反射镜及第二反射镜，所述第一普通分光棱镜用于将接收到的激光束分成两束，其中透射光记
为P光，折射光记为S光，所述第一反射镜用于对所述S光进行反射以改变光路而形成一束准
直平行光，该准直平行光入射至所述第二四象限探测器；所述第二普通分光棱镜用于将P光
再次分裂成两束，其中透射光记为P’光，折射光记为S’光；所述第二反射镜用于改变S’光的
光路而形成一束准直平行光，进而入射至所述第一四象限探测器。

[0008] 进一步地，所述固定单元还包括偏振分光棱镜、第一波片、第二波片、凸透镜、第三反射镜及第四四象限探测器，所述第一波片及所述第二波片是1/4波片，所述第三反射镜、
所述第一波片、所述偏振分光棱镜、所述凸透镜及所述第四四象限探测器自上而下沿同一
个竖直方向设置；所述第一普通分光棱镜、所述第二普通分光棱镜、所述偏振分光棱镜及所
述第二波片依次沿第一水平方向设置。

[0009] 进一步地，所述偏振分光棱镜用于将P’光再次被分裂成两束，其中透射光记为P”光，折射光记为S”光，S”光透过所述第一波片后被所述第三反射镜反射而原路返回，再次经
过所述第一波片、所述偏振分光棱镜及所述凸透镜后作为参考光入射到所述第四四象限探
测器上。

[0010] 进一步地，所述测量单元还包括半透射半反射镜，所述半透射半反射镜位于所述第二波片及所述第三四象限探测器之间；P”光经过所述第二波片后传播至所述半透射半反
射镜，在所述半透射半反射镜的作用下一束反射激光原路反射，再次经过所述第二波片、所
述偏振分光棱镜后作为测量光最终入射至所述第四四象限探测器，参考光和测量光汇聚在
所述第四四象限探测器上形成干涉条纹，被所述半透射半反射镜透射的光入射至所述第三
四象限探测器。

[0011] 进一步地，所述测量装置还包括稳频氦氖激光器、单模光纤及准直器，所述单模光纤相背的两端分别连接所述稳频氦氖激光器及所述准直器。

[0012] 进一步地，所述氦氖激光器用于发射激光束，所述激光束经由所述单模光纤传输到所述准直器，所述准直器用于对所述激光束进行准直放大，经准直放大后的所述激光束
进入所述固定单元。

[0013] 按照本发明的另一个方面，提供了一种直线导轨六自由度几何误差测量方法，所述测量方法包括以下步骤：首先，提供权利要求1‑7任一项所述的直线导轨六自由度几何误
差测量装置，并将所述固定单元安装在数控机床的固定平面上，同时将测量单元安装在数
控机床的直线导轨的移动滑块上；之后，对所述测量装置进行光路调整后，开启所述数控机
床，利用四象限探测器每隔一段预设距离采集一组光斑的位置数据；接着，根据各段预设距
离中光斑的位置获得所述直线导轨隔断的误差信息。

[0014] 进一步地，位置误差的计算公式为：

[0015] ΔL＝Lm‑Lr

[0016] 式中，Lm为实测位移；Lr为理论位移； N为干涉条纹的变化数量；为干涉条纹非整数倍变化量；λ为激光波长。

[0017] 进一步地，水平直线度误差、垂直直线度误差、滚转角度误差、俯仰角度误差和偏摆角度误差的计算公式分别为：

[0018]

[0019] 式中，l1和l2分别为探测器QD1和探测器QD2距离旋转中心轴线的距离； 和分别为探测器QD1和探测器QD2的竖直分量；l3为探测器QD3与旋转轴线的距离，
QD1 QD2 QD3
为光斑在探测器竖直方向上的相对移动距离；h 、h 、h 分别为光斑在探测器QD1、探测
器QD2及探测器QD3水平方向上的相对移动距离。

[0020] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的直线导轨六自由度几何误差测量装置及方法主要具有以下有益效果：

[0021] 1.测量速度快/效率高：采用激光准直和激光干涉相结合的方法，可以实现直线导轨六自由度几何误差的同时测量，相比于传统单次单自由度检测方法，可大大提高其测量
效率，同时有利于解决不同误差项间测量组件的更换所引起的测量基准不统一的问题；此
外，高效的测量效率可为机床在使用过程中，提供有利的误差补偿参考，从而提高产品加工
质量。

[0022] 2.测量精度高：本发明采用一种误差解耦算法，可有效减少由于多自由度同时测量装置/方法上普遍存在的误差串扰对测量结果产生较大影响的问题，从根源上实现了对
误差的分离，提高了测量精度。

[0023] 3.测量范围大及实施方便：本发明采用激光干涉方法对位置度误差进行测量，与光栅尺测量方法相比，测量范围更大；同时，采用结构较为简单的测量单元，方便在机床移
动工作有限的操作空间上进行安装调试，仅需一次装调即可完成测量。

[0024] 4.采用本发明的测量装置及方法能够实现对直线导轨的六个自由度误差的同时测量，其具有结构简单紧凑、可误差解耦、测量精度高及测量速度快等优点，快速的检测方
法为机床的误差补偿提供有利的数据支撑。

附图说明

[0025] 图1是本发明提供的直线导轨六自由度几何误差测量装置的结构示意图；

[0026] 图2是图1中的直线导轨六自由度几何误差测量装置用于测量位置度误差的部分结构示意图；

[0027] 图3是图1中的直线导轨六自由度几何误差测量装置用于分析直线度误差的结构示意图；

[0028] 图4是图1中的直线导轨六自由度几何误差测量装置用于分析滚转角误差的结构示意图；

[0029] 图5是图1中的直线导轨六自由度几何误差测量装置用于测量俯仰角误差的结构示意图；

[0030] 图6是图1中的直线导轨六自由度几何误差测量装置用于分析偏摆角度误差的结构示意图。

[0031] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1‑稳频氦氖激光器，2‑单模光纤，3‑准直器，4‑第一普通分光棱镜，5‑第二普通分光棱镜，6偏振分光棱镜，
7‑第一波片，8‑第二波片，9‑凸透镜，10‑第一反射镜，11‑第二反射镜，12‑第三反射镜，13‑
半透射半反射镜，14‑第一四象限探测器，15‑第二四象限探测器，16‑第三四象限探测器，
17‑第四四象限探测器。

具体实施方式

[0032] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并
不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要
彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0033] 请参阅图1及图2，本发明提供的直线导轨六自由度几何误差测量装置，所述测量装置包括激光光源、固定单元及测量单元，所述激光光源用于向所述固定单元发出激光束，
所述固定单元用于将所述激光束分裂成三束准直平行光，同时其还有用于检测干涉条纹，
进而实现位置误差的测量，所述测量单元用于接收三束准直平行光，不同的误差会引起光
斑在所述测量单元的探测器上的相对位移，对光斑的移动分量进行有效分离即可得到水平
直线度误差、垂直直线度误差、滚转角度误差、俯仰角度误差和偏摆角度误差。

[0034] 所述激光光源包括稳频氦氖激光器1、单模光纤2及准直器3，所述单模光纤2相背的两端分别连接所述稳频氦氖激光器1及所述准直器3。所述稳频氦氖激光器1可以有效减
少波长的波动变化，从而提高位置误差测量精度。所述单模光纤2可以将所述氦氖激光器1
与测量单元分开，并将激光传导至测量单元上，有效消除了所述氦氖激光器1自身引起的激
光热漂移。工作时，所述激光光源安装在机床的外面；所述固定单元固定在所述机床的固定
平面上；所述测量单元安装在所述机床的直线导轨的移动滑块上。所述准直器用于对激光
光斑进行准直放大，选择合适的准直器，可以获得所需的光斑尺寸大小。

[0035] 工作时，所述氦氖激光器1发出激光束，所述激光束经由所述单模光纤2传输到所述准直器3，所述准直器3用于对所述激光束进行准直放大，经准直放大后的所述激光束进
入所述固定单元。

[0036] 所述固定单元包括第一普通分光棱镜4、第二普通分光棱镜5、偏振分光棱镜6、第一波片7、第二波片8、凸透镜9、第一反射镜10、第二反射镜11、第三反射镜12及第四四象限
探测器17，所述第一普通分光棱镜4、所述第二普通分光棱镜5、所述偏振分光棱镜6、所述第
二波片8、半透射半反射镜13及第三四象限探测器16依次沿第一水平方向设置。所述第一反
射镜10位于所述第一普通分光棱镜4的下方，所述第二反射镜11位于所述第二普通分光棱
镜5的上方。所述第三反射镜12、所述第一波片7、所述偏振分光棱镜6、所述凸透镜9及所述
第四四象限探测器17自上而下沿同一个竖直方向设置。本实施方式中，所述第一波片7及所
述第二波片8都是1/4波片；所述第四四象限探测器17简称为QD4。

[0037] 所述第一普通分光棱镜4将来自所述激光光源的激光束分成两束，其中透射光记为P光，折射光记为S光，S光经所述第一反射镜10反射而改变光路后，入射至所述测量单元。
P光继续向前传播，其在所述第二普通分光棱镜5的作用下再次被分成两束，其中透射光记
为P’光，折射光记为S’光，S’光在所述第二反射镜11的作用下改变光路后入射至所述测量
单元。P’光继续向前传播，并在所述偏振分光棱镜6的作用下再次被分裂成两束，其中透射
光记为P”光，折射光记为S”光，S”光透过所述第一波片7后被所述第三反射镜12反射而原路
返回，再次经过所述第一波片7、所述偏振分光棱镜6及所述凸透镜9后作为参考光入射到所
述第四四象限探测器17上。P”光继续向前传播，并经过所述第二波片8后传播至所述测量单
元。

[0038] 所述测量单元包括半透射半反射镜13、第一四象限探测器14、第二四象限探测器15及第三四象限探测器16，所述半透射半反射镜13与所述第三四象限探测器16沿水平方向
设置。透过所述第二波片8的准直平行光通过所述半透射半反射镜13后被所述第三四象限
探测器16所接收探测。S’光在所述第二反射镜11的作用下改变光路而形成准直平行光以被
所述第一四象限探测器14所接收探测。S光经所述第一反射镜10反射而形成准直平行光以
入射至所述第二四象限探测器15。上述三束准直平行光用于测量直线度误差和角度误差。

[0039] 本实施方式中，所述第一四象限探测器14、所述第二四象限探测器15及所述第三四象限探测器16分别简称为QD1、QD2及QD3；P”光继续向前传播，并经过所述第二波片8后传
播至所述半透射半反射镜13，在所述半透射半反射镜13的作用下一束反射激光原路返回，
再次经过所述第二波片8、所述偏振分光棱镜6后作为测量光最终入射至所述第四四象限探
测器17，参考光和测量光汇聚在所述第四四象限探测器17上形成干涉条纹，被所述半透射
半反射镜13透射的光进入所述第三四象限探测器16，被所述第三四象限探测器16探测光斑
的位置变化。

[0040] 三束准直平行光应该保证平行，所述测量单元中的四象限探测器的安装位置应是确定且其相互间的距离是准确已知的；所述准直器3可以使得激光光斑大小与探测器有效
光敏面形成最佳比例尺寸。

[0041] 本发明还提供了一种直线导轨六自由度几何误差测量方法，所述测量方法主要包括以下步骤：

[0042] (1)提供所述测量装置，开始前打开所述稳频氦氖激光器1预热30分钟，使得所述稳频氦氖激光器1能够达到一个稳定状态。

[0043] (2)将所述测量装置安装在数控机床上，并对光路进行调整，使得三束准直平行光处于平行状态，通过所述测量单元上的多自由度微调整机构的调整，使得光斑中心与探测
器中心基本重合。

[0044] (3)启动所述数控机床，使所述移动工作台沿所述直线导轨做直线运动，利用四象限探测器每隔一段预设距离采集一组光斑的位置数据。

[0045] (4)根据各段预设距离中光斑的位置获得所述直线导轨隔断的误差信息。

[0046] 所述误差信息包括位置误差、水平直线度误差、竖直直线度误差、偏摆角度误差、俯仰角度误差及滚转角度误差，如图2所示，位置的计算公式为：

[0047]

[0048] 则位置度误差为：

[0049] ΔL＝Lm‑Lr

[0050] 式中，N为干涉条纹的变化数量；为干涉条纹非整数倍变化量；λ为激光波长；Lm为实测位移；Lr为理论位移。

[0051] 所述第一四象限探测器14、所述第二四象限探测器15及所述第三四象限探测器16固定在导轨滑块上，随着滑块沿导轨做直线运动，导轨由于存在安装误差和制造偏差，根据
激光自准直原理，使得光斑中心位置在探测器上发生变化，产生的移动量则是直线度误差
和角度误差所引起的具体表现。

[0052] 如图3所示，直线度误差可表示为：

[0053]

[0054]

[0055] 式中，Δv和Δh分别表示探测器在竖直方向和水平方向上的变化量。

[0056] 如图4所示，滚转角误差可表示为：

[0057]

[0058] 式中，l1和l2分别为探测器QD1和QD2距离旋转中心轴线的距离； 和 分别为探测器QD1和QD2的竖直分量。

[0059] 如图5所示，俯仰角度误差可表示为：

[0060]

[0061] 式中，l3为探测器QD3与旋转轴线的距离， 为光斑在探测器竖直方向上的相对移动距离。

[0062] 如图6所示，偏摆角度误差可表示为：

[0063]

[0064] 式中，l3为探测器QD3与旋转轴线的距离， 为光斑在探测器水平方向上的相对移动距离。

[0065] 在实际测量过程中，不同的误差项会共同引起光斑在探测器上的相对移动，需要对光斑的移动分量进行有效分离，在步骤(4)中，水平直线度误差会受到滚转角和偏摆角误
差的影响，竖直直线度误差会受到滚转角和俯仰角误差的影响，根据各分量间的关系模型
建立误差解耦方程。

[0066] 对于测量单元的第一四象限探测器，则有：

[0067]

[0068] 对于第二四象限探测器，则有：

[0069]

[0070] 对于第三四象限探测器，则有：

[0071]

[0072] 联合上述方程来建立误差全解耦方程，当各项误差同时存在时，故水平直线度误差、垂直直线度误差、滚转角度误差、俯仰角度误差和偏摆角度误差可以按照以下方程输
出：

[0073]

[0074] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。