旋转轴五自由度误差运动的精密测量装置及方法

摘要

本发明公开了一种旋转轴五自由度误差运动的精密测量装置及方法，包括固定测头模块和主探测器模块，其中：固定测头模块包括圆台透镜；主探测器模块包括固定支架，固定支架内设有第一激光器和第一四象限位移探测器，第一激光器射出的激光与旋转轴轴线的夹角大于0°、小于90°，固定支架内还设有第二激光器、第二四象限位移探测器、第三激光器和第三四象限位移探测器。本发明采用的测量方法利用圆台透镜进行多次反射，精度更高，对于精度要求较高的旋转轴运动误差运动有很好的测量精度。本发明采用的材料和装置成本低于传统校准的仪器装备价格，在很大程度上节省了测量成本。

权利要求

1.一种旋转轴五自由度误差运动的精密测量装置，其特征在于，包括固定测头模块和主探测器模块，其中：

固定测头模块包括与旋转轴端面连接的底座，底座上端面设有圆柱状的承台，承台上端面设有圆台透镜；

主探测器模块包括方管状固定支架，固定支架沿旋转轴轴线方向设置，固定支架内设有第一激光器和第一四象限位移探测器，第一激光器射出的激光与旋转轴轴线的夹角大于

0°、小于90°，第一激光器射出的激光从圆台透镜侧面一侧射入，从圆台透镜侧面相对一侧射出并投射到第一四象限位移探测器上；固定支架内还设有第二激光器、第二四象限位移探测器、第三激光器和第三四象限位移探测器，第二激光器、第三激光器射出的激光十字交叉且与旋转轴轴线的夹角为90°，第二激光器射出的激光从圆台透镜侧面一侧射入，从圆台透镜侧面相对一侧射出并投射到第二四象限位移探测器，第三激光器射出的激光从圆台透镜侧面一侧射入，从圆台透镜侧面相对一侧射出并投射到第三四象限位移探测器；

所述圆台透镜侧面倾斜角度为45°；

所述圆台透镜高度确定方法为：设激光水平入射，入射点为圆台透镜侧面中点，光线在圆台透镜上下表面共反射N次，则根据光的折射定律

n1sinα＝n2sinβ            (1)式(1)中，ɑ表示为激光入射角，β表示为激光折射角，n1表示为空气折射率，n2表示为圆台透镜折射率；

由式(1)可得

因为光线水平入射，即入射角ɑ＝45°，公式(2)实际上为由相似三角形定律可得

式(4)中，h表示圆台透镜高度，R表示圆台透镜下底面半径，L为光线在圆台透镜下底面发生第一次反射时反射点与下底面圆心的距离，N为光线在圆台透镜上下表面共反射次数；

由式(4)可得

当R、N的值确定之后，圆台透镜的高度即可确定。

说明书

旋转轴五自由度误差运动的精密测量装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及长度和角度检定技术领域，尤其涉及一种旋转轴五自由度误差运动的精密测量装置及方法。

背景技术

[0002] 高精密机床主轴、机器人、激光跟踪仪、全站仪、激光扫描仪等都是具有精密旋转轴构成的高端设备，而其中旋转轴误差运动是影响其测量精度的关键因素。现阶段，对于精
密旋转轴运动误差测量问题，主要有球杆仪、北京交通大学大学研制的旋转轴误差测量系
统、刀片衍射方法等进行测量。其中球杆仪以及北京交通大学研制的旋转轴误差测量系统
成本较高，且多用于离线检测，刀片衍射方法虽然成本低，但精度受衍射极限限制，且无法
实现五自由度误差运动的同步测量。本发明采用在旋转轴端面固定圆台透镜的测量方法，
可以有效地解决精密旋转轴五自由度误差运动同步测量问题。可用于机床主轴五自由度误
差或者高精度转台五自由度误差测量。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种旋转轴五自由度误差运动的精密测量装置及方法，以解决旋转轴系五自由度误差运动同步测量和低成本不能兼顾问题。

[0004] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种旋转轴五自由度误差运动的精密测量装置，包括固定测头模块和主探测器模块，其中：

[0005] 固定测头模块包括与旋转轴端面连接的底座，底座上端面设有圆柱状的承台，承台上端面设有圆台透镜；

[0006] 主探测器模块包括方管状固定支架，固定支架沿旋转轴轴线方向设置，固定支架内设有第一激光器和第一四象限位移探测器，第一激光器射出的激光与旋转轴轴线的夹角
大于0°、小于90°，第一激光器射出的激光从圆台透镜侧面一侧射入，从圆台透镜侧面相对
一侧射出并投射到第一四象限位移探测器上；固定支架内还设有第二激光器、第二四象限
位移探测器、第三激光器和第三四象限位移探测器，第二激光器、第三激光器射出的激光十
字交叉且与旋转轴轴线的夹角为90°，第二激光器射出的激光从圆台透镜侧面一侧射入，从
圆台透镜侧面相对一侧射出并投射到第二四象限位移探测器，第三激光器射出的激光从圆
台透镜侧面一侧射入，从圆台透镜侧面相对一侧射出并投射到第三四象限位移探测器。

[0007] 进一步的，所述圆台透镜侧面倾斜角度为45°。

[0008] 更加一步的，所述圆台透镜高度确定方法为：

[0009] 设激光水平入射，入射点为圆台透镜侧面中点，光线在圆台透镜上下表面共反射N次，则根据光的折射定律

[0010] n1sinα＝n2sinβ            (1)

[0011] 式(1)中，ɑ表示为激光入射角，β表示为激光折射角，n1表示为空气折射率，n2表示为圆台透镜折射率；

[0012] 由式(1)可得

[0013]

[0014] 因为光线水平入射，即入射角ɑ＝45°，公式(2)实际上为

[0015]

[0016] 由相似三角形定律可得

[0017]

[0018] 式(4)中，h表示圆台透镜高度，R表示圆台透镜下底面半径，L为光线在圆台透镜下底面发生第一次反射时反射点与下底面圆心的距离，N为光线在圆台透镜上下表面共反射
次数；

[0019] 由式(4)可得

[0020]

[0021] 当R、N的值确定之后，圆台透镜的高度即可确定。

[0022] 一种旋转轴五自由度误差运动的精密测量方法，包括以下步骤：

[0023] 1)安装

[0024] 将固定测头模块固定于精密旋转轴的一端，调整主探测器模块位置，使第二激光器、第三激光器射出的激光能够从圆台透镜侧面通过，从相对面射出并分别投射在第二四
象限位移探测器、第三四象限位移探测器上，对主探测器模块姿态进行固定，调整第一激光
器的角度和位置，使第一激光器射出的激光从从圆台透镜侧面通过，从相对面射出并分别
投射在第一四象限位移探测器上，对第一激光器的位置和角度进行固定；

[0025] 2)测量

[0026] 将第一激光器、第二激光器、第三激光器射出的激光光路分别看作光路1、光路2、光路3，在光路1中，激光通过圆台透镜之后，照射到四象限位移探测器上，当旋转轴发生误
差运动时，光路1投射到四象限位移探测器上的光点位置会发生相应的变化，根据光点在四
象限位移探测器上发生的变化情况，可分离得到旋转轴的倾斜运动误差；在光路2、光路3
中，光路2和光路3为相互正交的两束激光通过圆台透镜分别照射在相对的四象限位移探测
器上，当旋转轴发生误差运动时，光路2、光路3投射到四象限位移探测器上的光点位置发生
变化，根据光点在四象限位移探测器上发生的变化情况，可分离得到旋转轴的轴向运动误
差和径向运动误差；

[0027] 得到旋转轴系五自由度运动误差与四象限位移探测器上光点位置坐标关系

[0028]

[0029] 式(6)中，δx表示旋转轴系在X方向的误差运动量，δy表示旋转轴系在Y方向的误差运动量，δz表示旋转轴系在Z方向的误差运动量，εx表示旋转轴系绕X轴旋转角度误差量，εy
表示旋转轴系绕Y轴旋转角度误差量，XPSD1、XPSD2、XPSD3为四象限探测器上光点在X方向上的
坐标，YPSD1、YPSD2、YPSD3为四象限探测器上光点在Y方向上的坐标。

[0030] 本发明的有益效果是：

[0031] 1)本发明采用的测量方法利用圆台透镜进行多次反射，精度更高，对于精度要求较高的旋转轴运动误差运动有很好的测量精度。

[0032] 2)本发明测量装置可以直接安装到机床上进行机床主轴五自由度误差或者高精度转台五自由度误差测量。

[0033] 3)本发明采用的材料和装置成本低于传统校准的仪器装备价格，在很大程度上节省了测量成本。

附图说明

[0034] 图1为本发明的结构示意图；

[0035] 图2为固定测头模块的结构示意图；

[0036] 图3为主探测器模块的结构示意图；

[0037] 图4为圆台透镜尺寸设计原理图；

[0038] 图5为旋转轴测量光路图；

[0039] 图6为旋转轴轴向运动误差测量原理图；

[0040] 图7为旋转轴径向运动误差测量原理图；

[0041] 图8为旋转轴运动误差测量仿真结果图。

具体实施方式

[0042] 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。

[0043] 如图1‑3所示，一种旋转轴五自由度误差运动的精密测量装置，包括固定测头模块20和主探测器模块30，其中：

[0044] 固定测头模块20包括与旋转轴10端面连接的底座21，底座21上端面设有圆柱状的承台22，承台22上端面设有圆台透镜23；

[0045] 主探测器模块30包括方管状固定支架31，固定支架31沿旋转轴10轴线方向设置，固定支架31内设有第一激光器32和第一四象限位移探测器33，第一激光器32射出的激光与
旋转轴10轴线的夹角大于0°、小于90°，第一激光器32射出的激光从圆台透镜23侧面一侧射
入，从圆台透镜23侧面相对一侧射出并投射到第一四象限位移探测器33上；固定支架31内
还设有第二激光器34、第二四象限位移探测器35、第三激光器36和第三四象限位移探测器
37，第二激光器34、第三激光器36射出的激光十字交叉且与旋转轴10轴线的夹角为90°，第
二激光器34射出的激光从圆台透镜23侧面一侧射入，从圆台透镜23侧面相对一侧射出并投
射到第二四象限位移探测器35，第三激光器36射出的激光从圆台透镜23侧面一侧射入，从
圆台透镜23侧面相对一侧射出并投射到第三四象限位移探测器37。

[0046] 所述圆台透镜23侧面倾斜角度为45°，圆台透镜23高度确定方法为：

[0047] 如图4所示，设激光水平入射，入射点为圆台透镜侧面中点，光线在圆台透镜上下表面共反射N次，则根据光的折射定律

[0048] n1sinα＝n2sinβ            (1)

[0049] 式(1)中，ɑ表示为激光入射角，β表示为激光折射角，n1表示为空气折射率，n2表示为圆台透镜折射率；

[0050] 由式(1)可得

[0051]

[0052] 因为光线水平入射，即入射角ɑ＝45°，公式(2)实际上为

[0053]

[0054] 由相似三角形定律可得

[0055]

[0056] 式(4)中，h表示圆台透镜高度，R表示圆台透镜下底面半径，L为光线在圆台透镜下底面发生第一次反射时反射点与下底面圆心的距离，N为光线在圆台透镜上下表面共反射
次数；

[0057] 由式(4)可得

[0058]

[0059] 当R、N的值确定之后，圆台透镜的高度即可确定。

[0060] 如图5‑8所示，一种旋转轴五自由度误差运动的精密测量方法，包括以下步骤：

[0061] 1)安装

[0062] 将固定测头模块固定于精密旋转轴的一端，调整主探测器模块位置，使第二激光器、第三激光器射出的激光能够从圆台透镜侧面通过，从相对面射出并分别投射在第二四
象限位移探测器、第三四象限位移探测器上，对主探测器模块姿态进行固定，调整第一激光
器的角度和位置，使第一激光器射出的激光从从圆台透镜侧面通过，从相对面射出并分别
投射在第一四象限位移探测器上，对第一激光器的位置和角度进行固定；

[0063] 2)测量

[0064] 将第一激光器、第二激光器、第三激光器射出的激光光路分别看作光路1、光路2、光路3，在光路1中，激光通过圆台透镜之后，照射到四象限位移探测器上，当旋转轴发生误
差运动时，光路1投射到四象限位移探测器上的光点位置会发生相应的变化，根据光点在四
象限位移探测器上发生的变化情况，可分离得到旋转轴的倾斜运动误差；在光路2、光路3
中，光路2和光路3为相互正交的两束激光通过圆台透镜分别照射在相对的四象限位移探测
器上，当旋转轴发生误差运动时，光路2、光路3投射到四象限位移探测器上的光点位置发生
变化，根据光点在四象限位移探测器上发生的变化情况，可分离得到旋转轴的轴向运动误
差和径向运动误差；

[0065] 得到旋转轴系五自由度运动误差与四象限位移探测器上光点位置坐标关系

[0066]

[0067] 式(6)中，δx表示旋转轴系在X方向的误差运动量，δy表示旋转轴系在Y方向的误差运动量，δz表示旋转轴系在Z方向的误差运动量，εx表示旋转轴系绕X轴旋转角度误差量，εy
表示旋转轴系绕Y轴旋转角度误差量，XPSD1、XPSD2、XPSD3为四象限探测器上光点在X方向上的
坐标，YPSD1、YPSD2、YPSD3为四象限探测器上光点在Y方向上的坐标。

[0068] 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，都属于本发明的范围。