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CN106247946A - 一种四自由度激光测量系统 - Google Patents

一种四自由度激光测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种改进的四自由度激光测量系统。包括平面反射镜、光线反射器、90°反射镜、分光棱镜、激光器、两个光斑位置检测器件和透镜。其中平面反射镜和光线反射器构成靶镜系统，其余器件构成发射接收系统。激光器发出激光经过分光棱镜分成相互垂直的两束光线，一束光打在一个角度光斑位置检测器件上；另一束光打在另一个位移光斑位置检测器件上；实现同时测量物体两个自由度的位移量和两个自由度的角度量。本发明仅使用一个分光棱镜，使得用于位移测量和角度测量的光线能量增大，提升光接收器件的信噪比，减小随机误差的影响；位移测量光线和角度测量光线相互隔离，互不影响，消除了现有测量系统角度测量对位移测量造成的系统误差。

Description

一种四自由度激光测量系统
技术领域
本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种四自由度激光测量系统。
背景技术
目前，工业生产所依赖的机械设备往往具有多个运动自由度，随着自由度的增多，其误差项也随之增多。比如，对于常见的3轴立式加工中心，其几何误差就高达21向，分别为3个运动方向的定位误差，直线度误差，俯仰，偏摆，扭转角度误差，以及每个运动方向和另外两个运动方向之间的垂直度误差。相比较单自由度位移测量系统，四自由度测量系统可同时对四个自由度的误差进行测量，大大减少了测量难度，以及成本。
目前，已有的四自由度测量系统，都采用激光测量，如：一种激光多自由度测量系统与方法，以及一种利用无衍射光测量导轨四自由度运动误差的装置；都是通过分光以及折返射原理，使得分光之后的激光光线最后有两束分别打在固定于被测物体的两个靶镜镜片上，靶镜镜片包括用于角度测量的镜片和用于位移测量的镜片。当被测物发生位移和角度变动时，会引起靶镜出射光线的平移或角度变化，通过光接收器件检测平移或角度变化量从而反算出被测物的位移和角度变动量。
现有的四自由度激光测量系统，为实现其原理需要对光线进行多次分光，但最终用于测量的光线只有两束，其他光线被废弃，造成光能的极大浪费。最终导致光接收器件的输出信号信噪比下降，使得随机误差的影响加重。此外，用于位移测量的光线会通过用于角度测量的镜片，造成角度测量值会对位移测量值产生一定的影响，使得测量系统多了一项额外的系统误差。综合造成现有的测量系统精度的下降。
发明内容
为了进一步提高四自由度激光测量系统的测量精度，通过结构改进，本发明提供一种四自由度激光测量系统。
一种四自由度激光测量系统包括平面反射镜1、光线反射器2、90°反射镜3、分光棱镜4、激光器5、位移光斑位置检测器件6、透镜7和角度光斑位置检测器件8；
所述平面反射镜1和光线反射器2构成靶镜系统，其余器件构成发射接收系统；
沿着所述激光器5的出射光的方向，依次排列设有分光棱镜4和光线反射器2；
所述分光棱镜4的一侧依次设有透镜7和角度光斑位置检测器件8；且透镜7和角度光斑位置检测器件8构成的光路垂直于激光器5出射光的方向；
所述分光棱镜4的另一侧依次设有90°反射镜3和平面反射镜1，其中90°反射镜3紧邻着分光棱镜4，90°反射镜3和平面反射镜1构成的光路平行于激光器5的出射光的方向；
所述光线反射器2设于平面反射镜1的一侧，光线反射器2分别对应着分光棱镜4和位移光斑位置检测器件6，位移光斑位置检测器件6位于激光器5的一侧；
工作时，激光器5发出激光经过分光棱镜4分成相互垂直的两束光线，一束先后经过90°反射镜3、平面反射镜1、90°反射镜3、分光棱镜4、透镜7反射或折射，打在一个角度光斑位置检测器件8；若靶镜系统发生偏摆和俯仰变化，会引起打在角度光斑位置检测器件8上的光斑位置变动，通过测量光斑位置变动来间接测量靶镜系统的偏摆和俯仰角度；另一束光经过光线反射器2折射或反射，打在另一个位移光斑位置检测器件6上，若靶镜系统发生上下和左右位移变化，会引起打在位移光斑位置检测器件6上的光斑位置变动，通过测量光斑位置变动来间接测量靶镜系统的位移量；实现同时测量物体两个自由度的位移量和两个自由度的角度量。
进一步限定的技术方案如下：
所述光线反射器2为角锥棱镜或猫眼反射镜。
所述位移光斑位置检测器件6和角度光斑位置检测器件8均为PSD位敏器件或四象限光电接收器或CCD光电接收器。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1.本发明仅使用了一个分光棱镜，尽可能的利用全反射镜代替分光镜片，减少光线的分光，使得用于位移测量和角度测量的光线能量增大，提升光接收器件的信噪比，减小随机误差的影响。
2.本发明的位移测量光线和角度测量光线相互隔离，互不影响，消除了现有测量系统角度测量对位移测量造成的系统误差。
附图说明
图1为本发明系统结构图；
图2为本发明系统原理第一分解图；
图3为本发明系统原理第二分解图；
上图中序号：平面反射镜1、光线反射器2、90°反射镜3、分光棱镜4、激光器5、位移光斑位置检测器件6、透镜7、角度光斑位置检测器件8。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
参见图1，一种四自由度激光测量系统包括平面反射镜1、光线反射器2、90°反射镜3、分光棱镜4、激光器5、位移光斑位置检测器件6、透镜7和角度光斑位置检测器件8；光线反射器2为角锥棱镜；位移光斑位置检测器件6和角度光斑位置检测器件8均为PSD位敏器件。
平面反射镜1和光线反射器2构成靶镜系统，其余器件构成发射接收系统。
沿着所述激光器5的出射光的方向，依次排列设有分光棱镜4和光线反射器2；
所述分光棱镜4的一侧依次设有透镜7和角度光斑位置检测器件8；且透镜7和角度光斑位置检测器件8构成的光路垂直于激光器5出射光的方向；
所述分光棱镜4的另一侧依次设有90°反射镜3和平面反射镜1，其中90°反射镜3紧邻着分光棱镜4，90°反射镜3和平面反射镜1构成的光路平行于激光器5的出射光的方向；
所述光线反射器2设于平面反射镜1的一侧，光线反射器2分别对应着分光棱镜4和位移光斑位置检测器件6，位移光斑位置检测器件6位于激光器5的一侧。
下面对四自由度激光测量系统的工作原理进行详细说明：
第一步
如图2所示，激光器5发出光线A，经过分光棱镜4被分成两束相互垂直的光线B和C，其中光线B经过90°反射镜3反射后传播方向改变90°，打在平面反射镜1上用于后续角度测量。光线C继续前进，经过光反射器件2反射到位移光斑位置检测器件6，用于位移测量。位移测量原理同传统四自由度激光测量系统，如下：当光反射器件2延X方向或Y方向发生位移时，打在位移光斑位置检测器件6上的光斑会相应产生的变化，位移光斑位置检测器件6通过将光斑位置变化转换成电信号来获取光反射器件2的位移量。
第二步
如图3所示，光线B经过平面反射镜1反射后形成光线E，光线E经90°反射镜3反射后方向改变90°打在分光棱镜4上，被分成两束相互垂直的光线F和G，光线F被废弃，光线G通过透镜7打在角度光斑位置检测器件8上用于角度测量，角度测量原理类似自准直仪，如下：当平面反射镜1绕X或Y轴发生角度变化时，会引起光线E的角度发生两倍的变化，导致光线G在透镜7的入射角发生变化，角度光斑位置检测器件8位于透镜7的焦平面上，当光线G的入射角度变化后，打在角度光斑位置检测器件8上的光斑位置也会相应变化，角度光斑位置检测器件8通过将光斑位置变化转换成电信号来反算平面反射镜1的角度变化量。
之所以加入透镜7，是为了消除平面反射镜1位移的影响，如下：测量角度的平面反射镜1和测量位移的光反射器件2是一体的，所以平面反射镜1难免发生位移变化，导致光线E和G发生平移，如果不加透镜7，则光线G的平移同样会引起角度光斑位置检测器件8上的光斑位置的变化，对角度测量产生影响。加上透镜7后，根据透镜的基本原理：平行光经过透镜会汇聚在焦平面上一点。可知，光线G平移前后是平行的，经过透镜7折射后都打在焦平面上一点，所以，只要将角度光斑位置检测器件8放在透镜7的焦平面上，就可消除位移对角度测量的影响。

Claims (3)

1.一种四自由度激光测量系统，其特征在于：包括平面反射镜（1）、光线反射器（2）、90°反射镜（3）、分光棱镜（4）、激光器（5）、位移光斑位置检测器件（6）、透镜（7）和角度光斑位置检测器件（8）；
所述平面反射镜（1）和光线反射器（2）构成靶镜系统，其余器件构成发射接收系统；
沿着所述激光器（5）的出射光的方向，依次排列设有分光棱镜（4）和光线反射器（2）；
所述分光棱镜（4）的一侧依次设有透镜（7）和角度光斑位置检测器件（8）；且透镜（7）和角度光斑位置检测器件（8）构成的光路垂直于激光器（5）出射光的方向；
所述分光棱镜（4）的另一侧依次设有90°反射镜（3）和平面反射镜（1），其中90°反射镜（3）紧邻着分光棱镜（4），90°反射镜（3）和平面反射镜（1）构成的光路平行于激光器（5）的出射光的方向；
所述光线反射器（2）设于平面反射镜（1）的一侧，光线反射器（2）分别对应着分光棱镜（4）和位移光斑位置检测器件（6），位移光斑位置检测器件（6）位于激光器（5）的一侧；
工作时，激光器（5）发出激光经过分光棱镜（4）分成相互垂直的两束光线，一束先后经过90°反射镜（3）、平面反射镜（1）、90°反射镜（3）、分光棱镜（4）、透镜（7）反射或折射，打在一个角度光斑位置检测器件（8）；若靶镜系统发生偏摆和俯仰变化，会引起打在角度光斑位置检测器件（8）上的光斑位置变动，通过测量光斑位置变动来间接测量靶镜系统的偏摆和俯仰角度；另一束光经过光线反射器（2）折射或反射，打在另一个位移光斑位置检测器件（6）上，若靶镜系统发生上下和左右位移变化，会引起打在位移光斑位置检测器件（6）上的光斑位置变动，通过测量光斑位置变动来间接测量靶镜系统的位移量；实现同时测量物体两个自由度的位移量和两个自由度的角度量。
2.根据权利要求1所述的一种四自由度激光测量系统，其特征在于：所述光线反射器（2）为角锥棱镜或猫眼反射镜。
3.根据权利要求1所述的一种四自由度激光测量系统，其特征在于：所述位移光斑位置检测器件（6）和角度光斑位置检测器件（8）均为PSD位敏器件或四象限光电接收器或CCD光电接收器。
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