本发明公开的一种用于运动滑台姿态高精度实时测量的装置，属于制造业计量检测领域。本发明主要由激光发射与姿态测量模块、直线度及旋转姿态测量模块组成。激光发射与姿态测量模块用于实现直线度及旋转姿态测量模块的姿态测量；直线度及旋转姿态测量模块安装在运动滑台上，用于实现直线度及直线度及旋转姿态测量模块及安装位置的旋转姿态测量，同时通过激光测距模块实现直线度及旋转姿态测量模块与激光发射与姿态测量模块之间的距离测量，方便不同位置直线度与姿态的记录。本发明能够实现运动滑台直线度、旋转、俯仰、偏摆姿态角同步实时高精度测量，具有高精度、实时、低成本、高效、节省空间的测量优点。
1.一种用于运动滑台姿态高精度实时测量的装置，其特征在于：主要由两部分组成，一是激光发射与姿态测量模块(1)，二是直线度及旋转姿态测量模块(2)；所述的激光发射与姿态测量模块(1)产生并发射两束平行激光到直线度及旋转姿态测量模块(2)端，同时接收直线度及旋转姿态测量模块(2)反射回的准直激光，实现直线度及旋转姿态测量模块(2)的姿态测量；所述的直线度及旋转姿态测量模块(2)安装在运动滑台上，用于接收激光发射与姿态测量模块(1)产生并发射两束平行激光，通过两个直线度测量PSD传感器(30)感应两路激光的位置，从而实现直线度及直线度及旋转姿态测量模块(2)及安装位置的旋转姿态测量，同时通过激光测距模块(28)实现直线度及旋转姿态测量模块(2)与激光发射与姿态测量模块(1)之间的距离测量，方便不同位置直线度与姿态的记录；
所述的激光发射与姿态测量模块(1)主要由激光器(12)、激光准直镜(13)、激光准直镜(13)安装调整座(14)、耦合光纤、立体透反镜(7)、立体透反镜(7)安装座(17)、均光片(15)、准直PSD传感器(16)、准直PSD传感器(16)安装座(18)、测距反光片(20)、姿态测量处理电路(19)、蓄电池(8)、无线发射模块(6)、滤光片(3)、开关(9)、激光发射与姿态测量模块前盖板(4)、激光发射与姿态测量模块底板(5)、激光发射与姿态测量模块箱体(11)、激光发射与姿态测量模块后盖板(10)组成；激光发射与姿态测量模块(1)用于产生并发射两束平行激光到直线度及旋转姿态测量模块前端，同时接收直线度及旋转姿态测量模块(2)反射回的准直激光，实现直线度及旋转姿态测量模块(2)的姿态测量；激光器(12)用于发射准直激光，准直激光通过耦合光纤进行整形后一路分成两路激光，两路激光的末端均安装有准直激光器(12)，耦合光纤发射出的点光源经过激光准直镜(13)后变成平行光；激光准直镜(13)组均安装在激光准直镜安装调整座(14)上，用于进行俯仰偏摆调整，方便两束准直激光调整成平行光；一路激光准直镜(13)组前设有立体透反镜(7)，立体透反镜(7)安装在立体透反镜安装座(17)上，立体透反镜安装座(17)中部为通孔，用于透光到准直PSD传感器(16)，准直PSD传感器(16)为二维激光位移传感器，利用激光发射与姿态测量模块(1)与直线度及旋转姿态测量模块(2)之间的距离测量值，以及激光在准直PSD传感器(16)的二维变化值计算出直线度及旋转姿态测量模块(2)安装位置的姿态；为了均化激光强度提高测量精度，准直PSD传感器(16)与立体透反镜(7)之间设有均光片(15)，均光片(15)安装在准直PSD传感器安装座(18)上，准直PSD传感器安装座(18)还用于支撑立体透反镜安装座(17)；准直PSD传感器(16)信号经姿态测量处理电路(19)处理后通过无线发射模块(6)或有线模块与人机交互显示设备进行通信，实现测量值的实时显示；蓄电池(8)用于给整体系统供电，以上所述准直PSD传感器(16)、姿态测量处理电路(19)、蓄电池(8)、无线发射模块(6)均固定安装在激光发射与姿态测量模块底板(5)上，激光发射与姿态测量模块底板(5)安装在激光发射与姿态测量模块箱体(11)内，激光发射与姿态测量模块前盖板(4)用于通光并安装有用于减少杂光干扰并防尘的滤光镜；激光发射与姿态测量模块后盖板(10)用于安装开关(9)及充电通信接口；
所述的直线度及旋转姿态测量模块(2)主要由直线度测量PSD传感器(30)、直线度测量PSD安装座(24)、半透半反射镜(25)、直线度测量PSD安装座连接板(29)、直线度及旋转姿态处理电路(23)、激光测距模块(28)、无线发射模块(6)、滤光片(3)、蓄电池(8)、直线度及旋转姿态测量模块安装底板(26)、直线度及旋转姿态测量模块前盖板(27)、直线度及旋转姿态测量模块后盖板(21)、直线度及旋转姿态测量模块箱体(22)组成；直线度及旋转姿态测量模块(2)安装在运动滑台上，用于接收激光发射与姿态测量模块(1)产生并发射两束平行激光，通过两个直线度测量PSD传感器(30)感应两路激光的位置，从而实现直线度及旋转姿态测量模块(2)的旋转姿态测量，同时通过激光测距模块(28)实现直线度及旋转姿态测量模块(2)与激光发射与姿态测量模块(1)之间的距离测量，方便不同位置直线度与姿态的记录；直线度测量PSD传感器(30)安装在直线度测量PSD安装座(24)的后端用于接收激光发射与姿态测量模块(1)产生的激光，直线度测量PSD传感器(30)为二维传感器，半透半反射镜(25)安装在直线度测量PSD安装座(24)的前端，直线度测量PSD传感器(30)、直线度测量PSD安装座(24)、半透半反射镜(25)通过螺纹固定连接安装组成直线度测量单元后，再通过直线度测量PSD安装座连接板(29)与直线度及旋转姿态测量模块安装底板(26)通过螺纹固定连接，直线度及旋转姿态测量模块安装底板(26)上并排设有两个直线度测量单元，每个直线度测量单元上的直线度测量PSD传感器(30)，在接收到从激光发射与姿态测量模块(1)产生并发射的激光后均会产生相对自身坐标系的位移量，由于两个直线度测量单元位置固定，同时激光发射与姿态测量模块(1)产生并发射的激光为两束平行激光，因此根据两个平行光距离相等，预先标定出两个直线度测量PSD传感器(30)的位置关系即能够实现直线度及旋转姿态测量模块(2)及安装滑台的直线度与旋转姿态的测量；从激光发射与姿态测量模块(1)产生并发射的一路激光经过半透半反射镜(25)后，一部分激光透过后达到直线度测量PSD传感器(30)上，而另一部分则经过平面反射，返回进入激光发射与姿态测量模块(1)的准直PSD传感器(16)上，根据准直原理，激光发射与姿态测量模块(1)与直线度及旋转姿态测量模块(2)之间的距离值已知，再通过计算反射后的激光位移量计算实现直线度及旋转姿态测量模块(2)及其安装滑台的俯仰与偏摆姿态的测量；直线度及旋转姿态处理电路(23)用于两个直线度测量PSD传感器(30)数据的实时处理，实现直线度及旋转姿态的计算；激光测距模块(28)用于距离测量，既用于采用时间飞行法降低系统成本，也用于利用绝对高精度测距模块实现高精度的位置测量；无线发射模块(6)用于直线度及旋转姿态数据的传输，实现与人机交互显示设备的通信并实时显示测量结构；蓄电池(8)用于给直线度及旋转姿态测量模块(2)供电；直线度测量PSD传感器(30)、直线度及旋转姿态处理电路(23)、激光测距模块(28)、无线发射模块(6)固定安装在激光发射与姿态测量模块底板(5)上，直线度及旋转姿态测量模块底板安装在直线度及旋转姿态测量模块箱体(22)内，直线度及旋转姿态测量模块前盖板(27)用于通光并安装有滤光镜减少杂光干扰并防尘；直线度及旋转姿态测量模块后盖板(21)用于安装开关(9)及充电通信接口。
2.如权利要求1所述的一种用于运动滑台姿态高精度实时测量的装置，其特征在于：工作方法为，
直线度及旋转姿态测量模块(2)安装在运动滑台上，激光发射与姿态测量模块(1)安装在独立于运动滑台的三脚架或固定平台上，分别打开直线度及旋转姿态测量模块(2)和激光发射与姿态测量模块(1)开关(9)，根据激光发射与姿态测量模块(1)发射的激光，调整直线度及旋转姿态测量模块(2)位置，直至可见激光打在每个PSD中间位置，再调整直线度及旋转姿态测量模块(2)姿态，直至激光发射与姿态测量模块(1)的PSD出现读数并在测量范围内，再调整直线度及旋转姿态测量模块(2)位置，直至每个PSD数字均在测量范围之内为止，记录初始位置的位置值，移动运动滑台，停止后该位置的偏移量、旋转角、偏摆角、俯仰角能够实时输出，测量记录每个位置测量值后，根据测量的数值计算直线度，即实现运动滑台直线度、旋转、俯仰、偏摆姿态角同步实时高精度测量。
3.如权利要求1或2所述的一种用于运动滑台姿态高精度实时测量的装置，其特征在
于：直线度及旋转角测量方法如下，oxy为直线度及旋转姿态测量模块(2)正对接收面左侧的直线度测量PSD传感器(30)的测量坐标系，o′x′y′为右侧直线度测量PSD传感器(30)的测量坐标系，两个直线度测量PSD传感器(30)的位置关系预先经过直线运动标定获得，获得两个坐标系PSD传感器之间的位置关系[x0,y0,α]，为方便计算需要建立统一坐标系进行计算；
初始激光测量点p1在oxy内的坐标为(x1,y1)，直线度及旋转姿态测量模块(2)在位移台移动一段距离后激光测量点p2在o′x′y′内的坐标为(x2,y2)；初始激光测量点p′1在o′x′y′内的坐标为(x′1,y′1)，直线度及旋转姿态测量模块(2)在位移台移动一段距离后激光测量点p′2在o′x′y′内的坐标为(x′,y′)；由于两个PSD传感器的位置固定，故两个PSD传感器测量坐标系关系固定，为方便计算将一个PSD传感器坐标系内的测量数据转化到另一个PSD传感器坐标系内，则根据坐标系转化原则，p′1在oxy内的坐标为(x0+x′1cosα‑y′1sinα,y0+x′1sinα+y′1cosα)，p′2在oxy内的坐标为(x0+x′2cosα‑y′2sinα,y0+x′2sinα+y′2cosα)，则旋转角为：运动滑台运动后则p2相对p1的位置偏移量为(x2‑x1,y2‑y1)，通过测量运动滑台多个位置，每个位置通过计算偏移量，采用最小二乘法可实现直线度的计算，再结合旋转角β则能够获得每个位置任意点的直线度。
4.如权利要求1或2所述的一种用于运动滑台姿态高精度实时测量的装置，其特征在
于：姿态角测量是准直测量原理实现，实现方法为：激光发射与姿态测量模块(1)与直线度及旋转姿态测量模块(2)的距离通过激光测距仪测量为L1,立体透反镜安装座(17)与准直PSD传感器(16)之间光程为L2，L1>>L2 ， 姿态测量PSD传感器调整后y方向为激光发射方向，x方向为激光的法线方向，以此建立坐标系ox″y″，初始激光测量点p″1在ox″y″内的坐标为(x″1,y″1)，直线度及旋转姿态测量模块(2)在位移台移动一段距离后激光测量点p″2p2在ox″y″内的坐标为(x″2 ,y″2)，则俯仰姿态角 偏摆角
5.如权利要求1或2所述的一种用于运动滑台姿态高精度实时测量的装置，其特征在
于：所述的激光器(12)采用可见激光激光器(12)方便测量时的调整。
6.如权利要求1或2所述的一种用于运动滑台姿态高精度实时测量的装置，其特征在
于：所述的激光器(12)采用单一激光器(12)通过耦合光纤分成两路光方案，以减少成本，实现激光的整形。
7.如权利要求1或2所述的一种用于运动滑台姿态高精度实时测量的装置，其特征在
于：所述的蓄电池(8)采用可充电的锂电池方案，以方便运动滑台姿态高精度实时测量的装置的便捷实用。
一种用于运动滑台姿态高精度实时测量的装置
技术领域
[0001] 本发明属于制造业计量检测领域，涉及一种运动滑台姿态高精度测量的装置，尤其涉及一种直接应用于一维运动滑台的直线度及姿态的实时测量及补偿的装置。
背景技术
[0002] 制造业计量检测领域，采用精密运动滑台配合测长组件后搭载高精度瞄准器件实现量具或工件的几何尺寸测量是最通用的方案。由于图像、光电等瞄准技术的发展，越来越多的瞄准器件采用非接触瞄准及接触式的触发测头方案。引入先进瞄准器件尤其是非接触瞄准器件后，测量瞄准点与长度测量点不同轴引入的阿贝误差制约了精度的提升，甚至导致计量检测设备测量误差超出设计值，如线纹校准装置采用气浮滑台进行导向、采用干涉仪作为测长组件、利用光电方法进行瞄准，测长轴线与瞄准轴线不能在同一轴线上，而一等‑5玻璃线纹尺测量不确定度的需求是U99＝0.1μm+0.5×10 L，不进行阿贝误差补偿不能满足高精度的补偿要求。在仪器结构既定的情况下，通常采用补偿方案减少阿贝误差，使得测量设备技术指标满足要求。常用的补偿方案有两种：一种是采用直线度及滑台姿态测量仪器将运动滑台的直线度及姿态误差测出，获取补偿值进行离线补偿，二是直接将直线度及滑台姿态测量仪器嵌入到设备中进行实时补偿。但无论采用何种方案均需要测量仪器实现运动滑台的直线度及姿态的测量。
[0003] 目前进行直线度测量的仪器有三种，一种是激光干涉配合直线度测量镜组方案，该方案原理是激光从干涉仪发出后通过经分光镜分出的两束光经直线度反射镜返回干涉镜后产生的光程差与固定角度的比值计算出直线度，典型的代表产品有美国API精密仪器公司的XD‑1激光系列产品及直线度镜组配件，雷尼绍XL‑80激光干涉仪及直线度镜组附件等，该方案具有精度高、实时测量的特点，但是只能配合激光干涉仪采用干涉法使用，测量时绝不允许断光,分光时的角度决定了测量直线度的精度，分角越大灵敏度越好，但对于分角越大所测得距离就会越短，所以测直线度时分为短距离镜组(0.1～4.0m)和长距离镜
(1.0～30.0m)；测量直线度时调整光路的要求是非常苛刻的，一定要保证分出的两条光路与直线度反射镜两镜面垂直且还要保证光束准直，直线度镜组间有严格的匹配关系，即使横向和纵向反射镜间也绝不允许互换使用，这样就使得镜组复杂繁多，给日常检测与维护带来极大的不便。第二种为光学准直测微法，测微准直望远镜用于建立轴线基准，通过观测移动目标靶座上的分化板十字刻线的位置实现直线度测量，该种方法为光学法，直接人眼瞄准，具有环境适应强的特点，但同时由于采用人眼观测，具有观测值不能数字化自动记录的缺点。第三种方法为激光配合PSD方案，此种方法采用激光为直线度基准，利用PSD实时感应位置偏移量，具有结构小巧、操纵简单、测量精度高、实时读数、价格便宜的特点，瑞士RAYTEC的GEPARD5系列、美国的easy lazer的D630系列，瑞典的Fixturlaser的NXA系列均为此种原理产品，但只能进行直线度测量。
[0004] 而进行姿态测量的仪器目前有三种一种是激光跟踪配合六维测头方案，该方案利用激光跟踪仪实时测量测头的空间位置，利用跟踪仪嵌入的相机实时跟踪测量测量头上的LED红外发光点，实现其空间姿态的测量，此种方法实现了空间位姿及姿态的同步测量，但是成本高昂，整体价格在几百万级别，此外姿态精度为0.01°不能适用于高精度的直线度及姿态测量场合。另一种方案为激光干涉仪配合PSD(position sensor detection，简称PSD)传感器进行测量，当激光干涉仪入射光经分光镜射到凸透镜上后，如果轴无角度变化，则光线经透镜聚在焦点上；如果轴有角度变化，则光线会在焦平面上的侧面及正对的PSD光靶上得到两个方向的坐标值，从而与焦距比较得出角度值，但此种方法不能测量绕激光自身的旋转量，激光干涉仪测量成本较高，不适合嵌入系统中。第三种为准直方案，利用准直光管观测放置在被测面上的平面镜内光管筒前面的十字分化板实现准直测量，泰勒光管就是典型的此种原理产品，但此种方法同样不能实现自身旋转问题，同时价格较高，在进行直线度测量时还需要调焦。
[0005] 为解决运动滑台的直线度及旋转、俯仰、偏摆姿态的高精度、实时、低成本、高效的测量问题，需要一种用于运动滑台姿态高精度实时测量的装置。
发明内容
[0006] 本发明的目的是提供一种用于运动滑台姿态高精度实时测量的装置，能够实现运动滑台直线度、旋转、俯仰、偏摆姿态角同步实时高精度测量，具有高精度、实时、低成本、高效的测量优点。
[0007] 本发明是通过下述技术方案实现的：
[0008] 本发明公开的一种用于运动滑台姿态高精度实时测量的装置主要由两部分组成，一是激光发射与姿态测量模块，二是直线度及旋转姿态测量模块。所述的激光发射与姿态测量模块产生并发射两束平行激光到直线度及旋转姿态测量模块端，同时接收直线度及旋转姿态测量模块反射回的准直激光，实现直线度及旋转姿态测量模块的姿态测量；所述的直线度及旋转姿态测量模块安装在运动滑台上，用于接收激光发射与姿态测量模块产生并发射两束平行激光，通过两个直线度测量PSD传感器感应两路激光的位置，从而实现直线度及直线度及旋转姿态测量模块及安装位置的旋转姿态测量，同时通过激光测距模块实现直线度及旋转姿态测量模块与激光发射与姿态测量模块之间的距离测量，方便不同位置直线度与姿态的记录。
[0009] 所述的激光发射与姿态测量模块主要由激光器、激光准直镜、激光准直镜安装调整座、耦合光纤、立体透反镜、立体透反镜安装座、均光片、准直PSD传感器、准直PSD传感器安装座、测距反光片、姿态测量处理电路、蓄电池、无线发射模块、滤光片、开关、激光发射与姿态测量模块前盖板、激光发射与姿态测量模块底板、激光发射与姿态测量模块箱体、激光发射与姿态测量模块后盖板组成。激光发射与姿态测量模块用于产生并发射两束平行激光到直线度及旋转姿态测量模块前端，同时接收直线度及旋转姿态测量模块反射回的准直激光，实现直线度及旋转姿态测量模块的姿态测量。激光器用于发射准直激光，准直激光通过耦合光纤进行整形后一路分成两路激光，两路激光的末端均安装有准直激光器，耦合光纤发射出的点光源经过激光准直镜后变成平行光；激光准直镜组均安装在激光准直镜安装调整座上，用于进行俯仰偏摆调整，方便两束准直激光调整成平行光；一路激光准直镜组前设有立体透反镜，立体透反镜安装在立体透反镜安装座上，立体透反镜安装座中部为通孔，用于透光到准直PSD传感器，准直PSD传感器为二维激光位移传感器，利用激光发射与姿态测量模块与直线度及旋转姿态测量模块之间的距离测量值，以及激光在准直PSD传感器的二维变化值计算出直线度及旋转姿态测量模块安装位置的姿态；为了均化激光强度提高测量精度，准直PSD传感器与立体透反镜之间设有均光片，均光片安装在准直PSD传感器安装座上，准直PSD传感器安装座还用于支撑立体透反镜安装座；准直PSD传感器信号经姿态测量处理电路处理后通过无线发射模块或有线模块与人机交互显示设备进行通信，实现测量值的实时显示；蓄电池用于给整体系统供电，以上所述准直PSD传感器、姿态测量处理电路、蓄电池、无线发射模块均固定安装在激光发射与姿态测量模块底板上，激光发射与姿态测量模块底板安装在激光发射与姿态测量模块箱体内，激光发射与姿态测量模块前盖板用于通光并安装有用于减少杂光干扰并防尘的滤光镜；激光发射与姿态测量模块后盖板用于安装开关及充电通信接口。
[0010] 所述的直线度及旋转姿态测量模块主要由直线度测量PSD传感器、直线度测量PSD安装座、半透半反射镜、直线度测量PSD安装座连接板、直线度及旋转姿态处理电路、激光测距模块、无线发射模块、滤光片、蓄电池、直线度及旋转姿态测量模块安装底板、直线度及旋转姿态测量模块前盖板、直线度及旋转姿态测量模块后盖板、直线度及旋转姿态测量模块箱体组成。直线度及旋转姿态测量模块安装在运动滑台上，用于接收激光发射与姿态测量模块产生并发射两束平行激光，通过两个直线度测量PSD传感器感应两路激光的位置，从而实现直线度及旋转姿态测量模块的旋转姿态测量，同时通过激光测距模块实现直线度及旋转姿态测量模块与激光发射与姿态测量模块之间的距离测量，方便不同位置直线度与姿态的记录。直线度测量PSD传感器安装在直线度测量PSD安装座的后端用于接收激光发射与姿态测量模块产生的激光，直线度测量PSD传感器为二维传感器，半透半反射镜安装在直线度测量PSD安装座的前端，直线度测量PSD传感器、直线度测量PSD安装座、半透半反射镜通过螺纹固定连接安装组成直线度测量单元后，再通过直线度测量PSD安装座连接板与直线度及旋转姿态测量模块安装底板通过螺纹固定连接，直线度及旋转姿态测量模块安装底板上并排设有两个直线度测量单元，每个直线度测量单元上的直线度测量PSD传感器，在接收到从激光发射与姿态测量模块产生并发射的激光后均会产生相对自身坐标系的位移量，由于两个直线度测量单元位置固定，同时激光发射与姿态测量模块产生并发射的激光为两束平行激光，因此根据两个平行光距离相等，预先标定出两个直线度测量PSD传感器的位置关系即可实现直线度及旋转姿态测量模块及安装滑台的直线度与旋转姿态的测量；从激光发射与姿态测量模块产生并发射的一路激光经过半透半反射镜后，一部分激光透过后达到直线度测量PSD传感器上，而另一部分则经过平面反射，返回进入激光发射与姿态测量模块的准直PSD传感器上，根据准直原理，激光发射与姿态测量模块与直线度及旋转姿态测量模块之间的距离值已知，再通过计算反射后的激光位移量计算实现直线度及旋转姿态测量模块及其安装滑台的俯仰与偏摆姿态的测量；直线度及旋转姿态处理电路用于两个直线度测量PSD传感器数据的实时处理，实现直线度及旋转姿态的计算；激光测距模块用于距离测量，既用于采用时间飞行法降低系统成本，也用于利用绝对高精度测距模块实现高精度的位置测量；无线发射模块用于直线度及旋转姿态数据的传输，实现与电脑等人机交互显示设备的通信并实时显示测量结构；蓄电池用于给直线度及旋转姿态测量模块供电；直线度测量PSD传感器、直线度及旋转姿态处理电路、激光测距模块、无线发射模块固定安装在激光发射与姿态测量模块底板上，直线度及旋转姿态测量模块底板安装在直线度及旋转姿态测量模块箱体内，直线度及旋转姿态测量模块前盖板用于通光并安装有滤光镜减少杂光干扰并防尘；直线度及旋转姿态测量模块后盖板用于安装开关及充电通信接口。
[0011] 作为优选，所述的激光器采用可见激光激光器方便测量时的调整。
[0012] 作为优选，所述的激光器采用单一激光器通过耦合光纤分成两路光方案，以减少成本，实现激光的整形。
[0013] 作为优选，所述的蓄电池采用可充电的锂电池方案，以方便运动滑台姿态高精度实时测量的装置的便捷实用。
[0014] 本发明公开的一种运动滑台姿态高精度实时测量的装置的工作方法为：
[0015] 直线度及旋转姿态测量模块安装在运动滑台上，激光发射与姿态测量模块安装在独立于运动滑台的三脚架或固定平台上，分别打开直线度及旋转姿态测量模块和激光发射与姿态测量模块开关，根据激光发射与姿态测量模块发射的激光，调整直线度及旋转姿态测量模块位置，直至可见激光打在每个PSD中间位置，再调整直线度及旋转姿态测量模块姿态，直至激光发射与姿态测量模块的PSD出现读数并在测量范围内，再调整直线度及旋转姿态测量模块位置，直至每个PSD数字均在测量范围之内为止，记录初始位置的位置值，移动运动滑台，停止后该位置的偏移量、旋转角、偏摆角、俯仰角能够实时输出，测量记录每个位置测量值后，根据测量的数值计算直线度，即实现运动滑台直线度、旋转、俯仰、偏摆姿态角同步实时高精度测量。
[0016] 作为优选，直线度及旋转角测量方法如下：oxy为直线度及旋转姿态测量模块正对接收面左侧的直线度测量PSD传感器的测量坐标系，o′x′y′为右侧直线度测量PSD传感器的测量坐标系，两个直线度测量PSD传感器的位置关系预先经过直线运动标定获得，获得两个坐标系PSD传感器之间的位置关系[x0,y0,α]，为方便计算需要建立统一坐标系进行计算。初始激光测量点p1在oxy内的坐标为(x1,y1)，直线度及旋转姿态测量模块在位移台移动一段距离后激光测量点p2在o′x′y′内的坐标为(x2,y2)；初始激光测量点p′1在o′x′y′内的坐标为(x′1,y′1)，直线度及旋转姿态测量模块在位移台移动一段距离后激光测量点p′2在o′x′y′内的坐标为(x′,y′)。由于两个PSD传感器的位置固定，故两个PSD传感器测量坐标系关系固定，为方便计算将一个PSD传感器坐标系内的测量数据转化到另一个PSD传感器坐标系内，则根据坐标系转化原则，p′1在oxy内的坐标为(x0+x′1cosα‑y′1sinα,y0+x′1sinα+y′1cosα)，p′2在oxy内的坐标为(x0+x′2cosα‑y′2sinα,y0+x′2sinα+y′2cosα)，则旋转角为：
[0017]
[0018] 运动滑台运动后则p2相对p1的位置偏移量为(x2‑x1,y2‑y1)，通过测量运动滑台多个位置，每个位置通过计算偏移量，采用最小二乘法可实现直线度的计算，再结合旋转角β则能够获得每个位置任意点的直线度。
[0019] 作为优选，姿态角测量是准直测量原理实现，实现方法为：激光发射与姿态测量模块与直线度及旋转姿态测量模块的距离通过激光测距仪测量为L1,立体透反镜安装座与准直PSD传感器之间光程为L2，L1＞＞L2，姿态测量PSD传感器调整后y方向为激光发射方向，x方向为激光的法线方向，以此建立坐标系ox″y″，初始激光测量点p″1在ox″y″内的坐标为(x″1,y″1)，直线度及旋转姿态测量模块在位移台移动一段距离后激光测量点p″2p2在ox″y″内的 坐 标 为 ( x″2 ,y ″2 ) ，则俯 仰 姿 态 角 偏 摆 角
[0020] 有益效果：
[0021] 1、本发明公开的一种运动滑台姿态高精度实时测量的装置，激光发射与姿态测量模块通过发射两束平行激光建立测量基准，直线度及旋转姿态测量模块通过接收激光发射与姿态测量模块发射的两束平行激光实现直线度与旋转角的测量，由于测量点直线度与旋转角同时测得，因此能够实现直线度及旋转姿态测量模块的激光接收平面及与其连接的安装滑台对应平面内任意一点直线度的获取，克服现有直线度测量仪器只能进行测量点直线度测量的弊端，方便测量仪器补偿使用。
[0022] 2、本发明公开的一种运动滑台姿态高精度实时测量的装置，直线度及旋转姿态测量模块上采用半透半反射镜将激光发射与姿态测量模块发射的一束激光中的部分激光反射，激光发射与姿态测量模块通过接收反射回的激光配合激光测距模块测量的距离实现直线度及旋转姿态测量模块及与其连接的安装滑台的俯仰及偏摆的测量，一套装置即能够实现运动滑台的直线度、旋转角、俯仰角、姿态角的高精度测量。
[0023] 3、本发明公开的一种运动滑台姿态高精度实时测量的装置，激光位置测量均采用PSD传感器，通过光纤与准直镜整形及均滤光片滤光、均光镜均化处理可有效的提高直线度的测量精度，直线度测量误差±1μm/m，旋转误差±1.5″/m，偏摆及俯仰角测量误差±0.5″。
[0024] 4、本发明公开的一种运动滑台姿态高精度实时测量的装置，激光发射与姿态测量模块中采用的激光器即可选用氦氖激光器又可选用半导体激光，并通过光纤实现激光分路整形，降低成本，节省空间。
附图说明
[0025] 图1是本发明的运动滑台姿态高精度实时测量的装置模块构成图；
[0026] 图2是本发明的激光发射与姿态测量模块结构图；
[0027] 图3是本发明的直线度及旋转姿态测量模块结构图；
[0028] 图4是本发明的直线度及旋转姿态测量原理图；
[0029] 图5是本发明的直线度及旋转姿态测量光路图。
[0030] 其中：1—激光发射与姿态测量模块、2—直线度及旋转姿态测量模块、3—滤光片、4—激光发射与姿态测量模块前盖板、5—激光发射与姿态测量模块底板、6—无线发射模块、7—立体透反镜、8—蓄电池、9—开关、10—激光发射与姿态测量模块后盖板、11—激光发射与姿态测量模块箱体、12—激光器、13—激光准直镜、14—激光准直镜安装调整座、
15—均光片、16—准直PSD传感器、17—立体透反镜安装座、18—准直PSD传感器安装座、
19—姿态测量处理电路、20—测距反光片、21—直线度及旋转姿态测量模块后盖板、22—直线度及旋转姿态测量模块箱体、23—直线度及旋转姿态处理电路、24—直线度测量PSD安装座、25—半透半反射镜、26—直线度及旋转姿态测量模块安装底板、27—直线度及旋转姿态测量模块前盖板、28—激光测距模块、29—直线度测量PSD安装座连接板、30—直线度测量PSD传感器。
具体实施方式
[0031] 以下结合附图和实施实例对本发明进一步说明。
[0032] 参见附图1所示，本实施例公开的一种运动滑台姿态高精度实时测量的装置主要由两部分组成，一是激光发射与姿态测量模块1，二是直线度及旋转姿态测量模块2。
[0033] 参见附图2所示，所述的激光发射与姿态测量模块1主要由激光器12、激光准直镜13、激光准直镜安装调整座14、耦合光纤、立体透反镜7、立体透反镜安装座17、均光片15、准直PSD传感器16、准直PSD传感器安装座18、测距反光片20、姿态测量处理电路19、蓄电池8、无线发射模块6、滤光片3、开关9、激光发射与姿态测量模块前盖板4、激光发射与姿态测量模块底板5、激光发射与姿态测量模块箱体11、激光发射与姿态测量模块后盖板10组成。激光发射与姿态测量模块1用于产生并发射两束平行激光到直线度及旋转姿态测量模块2前
端，同时接收直线度及旋转姿态测量模块2反射回的准直激光实现直线度及旋转姿态测量模块2的姿态测量。激光器12用于发射准直激光，其通过耦合光纤进行整形后一路分成两路激光，两路激光的末端均安装有准直激光器13，耦合光纤发射出的点光源经过激光准直镜
13后变成平行光；激光准直镜13组均安装在激光准直镜安装调整座14上，能够进行俯仰偏摆调整，方便两束准直激光调整成平行光；一路激光准直镜13组前设计有立体透反镜7，立体透反镜7安装在立体透反镜安装座17上，立体透反镜安装座17中部为通孔，用于透光到准直PSD传感器16，准直PSD传感器16为二维激光位移传感器，利用激光发射与姿态测量模块1与直线度及旋转姿态测量模块2之间的距离测量值及激光在准直PSD传感器16的二维变化
值能够计算出直线度及旋转姿态测量模块2安装位置的姿态；为了均化激光强度提高测量精度，准直PSD传感器16与立体透反镜17之间设有均光片15，均光片15安装在准直PSD传感器安装座18上，准直PSD传感器安装座18还用于支撑立体透反镜安装座17；准直PSD传感器
16信号经姿态测量处理电路19处理后通过无线发射模块6或有线模块与电脑等人机交互显示设备进行通信，实现测量值的实时显示；蓄电池8用于给整体系统供电，以上所述的电子器件固定安装在激光发射与姿态测量模块底板上5，激光发射与姿态测量模块底板5安装在激光发射与姿态测量模块箱体11内，激光发射与姿态测量模块前盖板4用于通光并安装有滤光镜3减少杂光干扰并防尘；激光发射与姿态测量模块后盖板10用于安装开关及充电通信接口。
[0034] 参见附图3所示，所述的直线度及旋转姿态测量模块2由直线度测量PSD传感器30、直线度测量PSD安装座24、半透半反射镜25、直线度测量PSD安装座连接板29、直线度及旋转姿态处理电路23、激光测距模块28、无线发射模块6、滤光镜3、蓄电池8、直线度及旋转姿态测量模块安装底板26、直线度及旋转姿态测量模块前盖板27、直线度及旋转姿态测量模块后盖板21、直线度及旋转姿态测量模块箱体22组成。直线度及旋转姿态测量模块2安装在运动滑台上，用于接收激光发射与姿态测量模块1产生并发射两束平行激光，通过两个直线度测量PSD传感器30感应两路激光的位置从而实现直线度及直线度及旋转姿态测量模块2及安装位置的旋转姿态测量，同时通过激光测距模块28实现直线度及旋转姿态测量模块2与激光发射与姿态测量模块1之间的距离测量，方便不同位置直线度与姿态的记录。直线度测量PSD传感器30安装在直线度测量PSD安装座24的后端用于接收激光发射与姿态测量模块1产生的激光，直线度测量PSD传感器30为二维传感器，半透半反射镜25安装在直线度测量PSD安装座24的前端，直线度测量PSD传感器30、直线度测量PSD安装座24、半透半反射镜25安装通过螺纹固定连接组成直线度测量单元后，再通过直线度测量PSD安装座连接板29与直线度及旋转姿态测量模块安装底板26通过螺纹固定连接，直线度及旋转姿态测量模块安装底板26上并排设计有两个直线度测量单元，每个直线度测量单元上的直线度测量PSD传感器，接收到从激光发射与姿态测量模块1产生并发射的激光后均会产生相对自身坐标系的位移量，由于两个直线度测量单元位置固定，同时激光发射与姿态测量模块1产生并发射的激光为两束平行激光，因此根据两个平行光距离相等，预先标定出两个直线度测量PSD传感器的位置关系即可实现直线度及旋转姿态测量模块2及安装滑台的直线度与旋转姿态的测量；从激光发射与姿态测量模块1产生并发射的一路激光经过半透半反射镜25后一部分激光透过后达到直线度测量PSD传感器30上，而另一部分则经过平面反射，返回进入激光发射与姿态测量模块1的准直PSD传感器16上，根据准直原理，激光发射与姿态测量模块1与直线度及旋转姿态测量模块2之间的距离值已知，再通过计算反射后的激光位移量计算，则能够实现直线度及旋转姿态测量模块2及其安装滑台的俯仰与偏摆姿态的测量；直线度及旋转姿态处理电路23用于两个直线度测量PSD传感器30数据的实时处理，实现直线度及旋转姿态的计算；激光测距模块28用于距离测量，既能够采用时间飞行法降低系统成本，又能够利用绝对高精度测距模块实现高精度的位置测量；无线发射模块6用于直线度及旋转姿态数据的传输，实现与电脑等人机交互显示设备的通信并实时显示测量结构；蓄电池8用于直线度及旋转姿态测量模块2供电；主要电子器件固定安装在激光发射与姿态测量模块底板
26上，直线度及旋转姿态测量模块底板26安装在直线度及旋转姿态测量模块箱体22内，直线度及旋转姿态测量模块前盖板27用于通光并安装有滤光镜减少杂光干扰并防尘；直线度及旋转姿态测量模块后盖板21用于安装开关9及充电通信接口。
[0035] 参见附图4所示，直线度及旋转角测量方法如下，oxy为直线度及旋转姿态测量模块2正对接收面左侧的直线度测量PSD传感器30的测量坐标系，o′x′y′为右侧直线度测量PSD传感器30的测量坐标系，两个直线度测量PSD传感器30的位置关系预先经过直线运动标定获得，获得两个坐标系PSD传感器之间的位置关系[x0,y0,α]，为方便计算需要建立统一坐标系进行计算；初始激光测量点p1在oxy内的坐标为(x1,y1)，直线度及旋转姿态测量模块2在位移台移动一段距离后激光测量点p2在o′x′y′内的坐标为(x2,y2)；初始激光测量点p′1在o′x′y′内的坐标为(x′1,y′1)，直线度及旋转姿态测量模块2在位移台移动一段距离后激光测量点p′2在o′x′y′内的坐标为(x′,y′)；由于两个PSD传感器的位置固定，故两个PSD传感器测量坐标系关系固定，为方便计算将一个PSD传感器坐标系内的测量数据转化到另一个PSD传感器坐标系内，则根据坐标系转化原则，p′1在oxy内的坐标为(x0+x′1cosα‑y′1sinα,y0+x′1sinα+y′1cosα)，p′2在oxy内的坐标为(x0+x′2cosα‑y′2sinα,y0+x′2sinα+y′2cosα)，则旋转角为：
[0036]
[0037] 运动滑台运动后则p2相对p1的位置偏移量为(x2‑x1,y2‑y1)，通过测量运动滑台多个位置，每个位置通过计算偏移量，采用最小二乘法可实现直线度的计算，再结合旋转角β则能够获得每个位置任意点的直线度。
[0038] 姿态角测量是准直测量原理实现，实现方法为：激光发射与姿态测量模块1与直线度及旋转姿态测量模块2的距离通过激光测距仪测量为L1,立体透反镜安装座17与准直PSD传感器16之间光程为L2，L1＞＞L2，姿态测量PSD传感器调整后y方向为激光发射方向，x方向为激光的法线方向，以此建立坐标系ox″y″，初始激光测量点p″1在ox″y″内的坐标为(x″1,y″1)，直线度及旋转姿态测量模块2在位移台移动一段距离后激光测量点p″2p2在ox″y″内的坐标为(x″2,y″2)，则俯仰姿态角 偏摆角
[0039] 以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
