CN106595480B - 用于测量转轴六自由度几何误差的激光测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于检测转轴六自由度几何误差的激光测量系统及方法，系统包括：激光发射单元、六自由度误差测量单元、六自由度误差敏感单元和可安装于待测转轴的伺服跟踪单元，六自由度误差测量单元向六自由度误差敏感单元出射光，并根据出射光和六自由度误差敏感单元的反射光与后向反射光生成测量信号，伺服跟踪单元包括：四维调节机构，实现四维调节；固定安装在四维调节机构上的电机；用于测量电机旋转角度的角度测量传感器；固定在四维调节机构上且与电机同轴旋转的安装平面，安装六自由度误差敏感单元；和根据来自六自由度误差测量单元的测量信号，控制伺服跟踪单元的控制电路。本发明可实现对转轴六自由度几何误差的同时快速测量。

Description

用于测量转轴六自由度几何误差的激光测量系统及方法

技术领域

本发明涉及空间几何精度检测技术领域，尤其涉及一种用于测量转轴六自由度几何误差的激光测量系统及方法。

背景技术

Zhenya He,Jianzhong Fu等人在论文《A new error measurement method toidentify all six error parameters of a rotational axis of a machine tool》中公开了一种基于激光干涉的、四次安装测量转轴六自由度误差的方法，该方法以双角锥棱镜作为靶镜，以相互平行的两个激光干涉仪作为光源与探测器，分四次安装、五个步骤使激光干涉仪的测量光依次平行于数控机床或加工中心的三直线运动轴的方向上，利用激光干涉仪直接测量各转轴转动时的六自由度几何误差，然而，该方法一共需要安装四次靶镜与激光干涉仪，测量系统安装调节困难，降低了测量效率。

目前，还不存在结构简单、操作方便，一次安装，可直接测量得到转轴的六自由度几何误差的系统。

因此，需要提供一种用于测量转轴六自由度几何误差的激光测量系统及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于测量转轴六自由度几何误差的激光测量系统及方法，以实现对数控机床、加工中心等精密加工与测量设备中转轴六自由度几何误差的同时快速测量。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明中的XYZ轴方向，与国际标准ISO 10791-2:2001(E)中05、08、11立式加工中心XYZ轴方向一致，但并不局限于测量这三种类型的加工中心。

一种用于测量转轴六自由度几何误差的激光测量系统，该激光测量系统包括激光发射单元、六自由度误差测量单元和六自由度误差敏感单元，所述六自由度误差测量单元向所述六自由度误差敏感单元出射光，并根据出射光和所述六自由度误差敏感单元的反射光与后向反射光生成测量信号，

该激光测量系统进一步包括可安装于待测转轴的伺服跟踪单元，其包括

四维调节机构，用于对所述伺服跟踪单元实现四维调节；

固定安装在所述四维调节机构上的电机；

用于测量电机旋转角度的角度测量传感器；

固定在所述四维调节机构上且与所述电机同轴旋转的安装平面，用于安装所述六自由度误差敏感单元；和

用于根据来自所述六自由度误差测量单元的测量信号，控制所述伺服跟踪单元的控制电路。

优选地，所述控制电路控制四维调节机构使得所述伺服跟踪单元可沿Y轴和沿Z轴平动，并使得所述伺服跟踪单元可绕X轴和绕Y轴的旋转。

优选地，

所述四维调节机构包括二维平动调节机构，用于受控制电路控制调节所述伺服跟踪单元沿Y轴和沿Z轴平移；并包括二维角度调节机构，用于调节所述伺服跟踪单元绕X轴和绕Y轴旋转；或者，

所述四维调节机构包括两个一维平动调节机构，用于受控制电路控制调节所述伺服跟踪单元分别沿Y轴和沿Z轴平移；并包括两个一维角度调节机构用于调节所述伺服跟踪单元分别绕X轴和绕Y轴旋转。

优选地，所述控制电路控制电机与待测转轴反方向转动。

优选地，所述六自由度误差测量单元向所述六自由度误差敏感单元出射线偏振光，并根据由所述六自由度误差敏感单元反射回的线偏振光生成测量信号。

优选地，该激光测量系统进一步包括数据处理单元，用于根据待测转轴设定的转动角度、角度测量传感器测量的电机转动角度和所述测量信号计算待测转轴转动时的六自由度几何误差。

优选地，所述六自由度误差测量单元包括：

用于反射并透射入射激光束的分光元件；

用于感测来自所述六自由度误差敏感单元的第一反射光的第一光电探测器；

用于感测来自所述六自由度误差敏感单元的第一后向反射光的第二光电探测器；

用于感测来自所述六自由度误差敏感单元的第二后向反射光的第三光电探测器；

用于感测所述分光元件的透射光与所述六自由度误差敏感单元的第二后向反射光的干涉光的第四光电探测器；和

用于感测所述分光元件的反射光的第五光电探测器。

优选地，所述角度测量传感器固定为与所述电机同轴旋转。

一种利用上述激光测量系统测量转轴六自由度几何误差的激光测量方法，该方法包括：

将六自由度误差敏感单元安装于伺服跟踪单元的安装平面，

控制电路根据来自所述六自由度误差测量单元的测量信号控制四维调节机构，使所述六自由度误差测量单元向所述六自由度误差敏感单元的出射光束与所述六自由度误差敏感单元的反射光束对中，并使所述出射光束与所述反射光束的夹角趋于零。

优选地，该方法进一步包括：

控制电机与所述待测转轴反方向转动使来自所述六自由度误差敏感单元的第一反射光位于六自由度误差测量单元的光敏面所在的空间直角坐标系Y轴中心线上，测量所述电机转动的角度；

根据待测转轴设定的转动角度、测量得到的电机转动角度和所述测量信号计算待测转轴转动时的六自由度几何误差。

本发明具有以下有益效果：

本发明只需一次安装便能够对数控机床、加工中心转轴的六自由度误差进行检测，极大地提高了检测效率。

本发明中的伺服跟踪单元可以减少测量仪器安装时间、减小安装误差，通过伺服跟踪可保持测量光线返回光电探测器，保证激光干涉测量正常工作。

本发明中的干涉测长的标准频率信号与包括长度变化的干涉信号都由六自由度误差测量单元中的光电探测器接收，两路信号在由激光发射单元到六自由度误差测量单元的准直镜之间都为共路信号，减小了测量误差。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出实施例一与实施例二提供的用于测量数控机床的C转轴的转轴六自由度几何误差的激光测量系统的结构立体图；

图2示出实施例一与实施例二提供的用于测量数控机床的C转轴的转轴六自由度几何误差的激光测量系统的结构侧视图；

图3示出实施例一中伺服跟踪单元与误差敏感单元的剖面图；

图4示出实施例一中用于测量数控机床的C转轴的转轴六自由度几何误差的激光测量系统的光路图；

图5示出实施例二中用于测量数控机床的C转轴的转轴六自由度几何误差的激光测量系统的光路图；

图6示出实施例三提供的用于测量数控机床的A转轴的转轴六自由度几何误差的激光测量系统的结构立体图；

图7示出实施例三提供的用于测量数控机床的A转轴的转轴六自由度几何误差的激光测量系统的结构侧视图；

图8示出实施例三中伺服跟踪单元与误差敏感单元的剖面图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

实施例一

如图1、图2所示，本实施例提供的用于测量转轴六自由度几何误差的激光测量系统，用于测量数控机床的C转轴，该激光测量系统包括：激光发射单元1、六自由度误差测量单元2、六自由度误差敏感单元3和可安装于待测转轴的伺服跟踪单元4，激光发射单元1通过保偏光纤5与六自由度误差测量单元2柔性连接，六自由度误差测量单元2固定在被测数控机床的基座上，伺服跟踪单元4固定在被测数控机床的被测C转轴6上，六自由度误差敏感单元3的底面固定在伺服跟踪单元4上，六自由度误差测量单元2向六自由度误差敏感单元3出射光束，并根据出射光和六自由度误差敏感单元3的反射光与后向反射光生成测量信号；

如图3所示，伺服跟踪单元4包括：

四维调节机构，用于对伺服跟踪单元4实现四维调节；

固定安装在四维调节机构上的电机405；

用于测量电机405旋转角度的角度测量传感器403；

固定在四维调节机构上且与电机405同轴旋转的安装平面406，用于安装六自由度误差敏感单元3；和

用于根据来自六自由度误差测量单元2的测量信号，控制伺服跟踪单元4的控制电路404。

其中，四维调节机构进一步包括二维平动调节机构401和二维角度调节机构402；

为了更为明确的对所述伺服跟踪单元4的结构、功能进行说明，本实施例中先建立一个与机床所在的世界坐标系XYZ相对应的转轴坐标系X′Y′Z′：Z′轴与C轴的旋转中心轴重合并与Z轴方向平行，X′轴与X轴方向平行，Y′轴与Y轴方向平行，坐标原点O′与所述伺服跟踪单元4底面中心点重合；此时需要测量的待测转轴6的六自由度误差分别为：沿X、Y、Z三个方向平移的三个直线度误差δX、δY、δZ，绕X、Y两个坐标轴旋转的两个角度误差εX、εY，绕Z轴旋转的角度定位误差εZ。

二维平动调节机构401固定于待测转轴6之上，固定时使其底面中心点与转轴6的轴心重合。在控制电路404的控制下，二维平动调节机构401可以沿Y′轴、Z′轴两个方向平动，用于安装六自由度误差敏感单元3时进行激光对中，即，使得激光由六自由度误差敏感单元3后向反射回六自由度误差测量单元2时，由第三光电探测器218接收的激光光斑位于其光敏面中心；

二维角度调节机构402固定于二维平动调节机构401之上，固定时使其底面中心点与二维平动调节机构401顶面中心点重合。在控制电路404的控制下，二维角度调节机构402可以绕X′轴、Y′轴转动，用于安装六自由度误差敏感单元3时进行光线对准，即使所有反射回六自由度误差测量单元2的反射光与出射光夹角趋近于零；

控制电路404位于角度测量传感器403内部空心部分，两者都固定于所述二维角度调节机构402之上，固定时所述角度测量传感器403的旋转中心轴与Z′轴重合；

电机405固定于四维调节机构上，且电机405的旋转中心轴与Z′轴重合；安装平面406分别与电机405的转子、角度测量传感器403轴紧配合，控制电路404控制电机405转子转动、带动安装平面406与角度测量传感器403转子以同一角速度转动，角度测量传感器405测得安装平面406转动的角度值ψZ’传入控制电路404，再由控制电路404发送至设置于六自由度误差测量单元2中的数据处理单元208；

控制电路404以无线方式与六自由度误差测量单元2通信，安装时用于控制二维平动调节机构401进行激光对中以及控制二维角度调节机构402进行激光对准，测量时用于控制电机405转动进行激光伺服跟踪以保持测量光线返回各个光电探测器，控制电路404实现伺服跟踪的方式为：第一光电探测器216根据六自由度误差敏感单元3反射回的线偏振光在第一光电探测器216的光斑位置与第一光电探测器216光敏面的空间直角坐标系Y轴中心线之间的距离生成反馈电信号，数据处理单元208根据反馈电信号生成伺服跟踪电信号并通过无线通信发送至控制电路404，控制电路404根据伺服跟踪电信号控制电机405转动以使得六自由度误差敏感单元3反射回的线偏振光在第一光电探测器216的光斑位置处于第一光电探测器216光敏面的空间直角坐标系Y轴中心线上。实现伺服跟踪中还可用第二光电探测器217或第三光电探测器218代替第一光电探测器216生成反馈电信号。

二维平动调节机构401与二维角度调节机构402上下位置可以互换。进一步，二维平动调节机构401可用两个一维平动机构替代，用于调节所述伺服跟踪单元沿Y轴和沿Z轴平移。二维角度调节机构402可用两个一维角度调节机构替代，来搭建四维调节机构，用于调节所述伺服跟踪单元分别绕X轴和绕Y轴的旋转。

激光发射单元1的结构如图4所示，依次包括双频激光器101、第四λ/4波片102和耦合镜103。双频激光器101发出两束幅值相同、偏振方向相反、且具有一定频差的左右旋转圆偏振光，经过第四λ/4波片102后，两束圆偏振光变为两束偏振方向相互垂直的线偏振光A和线偏振光B。耦合镜103将两束线偏振光耦合进保偏光纤，旋转第四λ/4波片102使两正交线偏振光的偏振方向与保偏光纤5的两个光轴方向对准，保证激光在保偏光纤5传输过程中，两正交线偏振光的频差和偏振方向保持不变。

保偏光纤5可以是蝶形或者熊猫型保偏光纤。

六自由度误差敏感单元3的第一种具体结构如图4所示，包括第二光线后向反射元件301、第三光线后向反射元件302和第五分光元件303；所述的两个光线后向反射元件301、302都对分别沿三个坐标轴平移的三个直线度误差敏感，两者的组合对绕X轴旋转的角度误差敏感；所述的第五分光元件303对绕Y轴和旋转以及绕Z轴旋转的角度误差敏感。

所述的光线后向反射元件301、302可采用角锥棱镜或猫眼结构棱镜。所述的第五分光元件303可采用平面分光镜，也可采用直接镀在光线后向反射元件相应位置上的分光膜。

如图4所示，六自由度误差测量单元2包括：

用于反射并透射入射激光束的第三分光元件221；

用于感测来自六自由度误差敏感单元3的第一反射光的第一光电探测器216；

用于感测来自所述六自由度误差敏感单元3的第一后向反射光的第二光电探测器217；

用于感测来自所述六自由度误差敏感单元3的第二后向反射光的第三光电探测器218；

用于感测第三分光元件221的透射光与所述六自由度误差敏感单元3的第二后向反射光的干涉光的第四光电探测器220；和

用于感测第三分光元件221的反射光的第五光电探测器224。

六自由度误差测量单元2的第一种具体结构如图4所示，包括光纤出射端201，准直镜202，λ/2波片203，第一偏光分光元件205，第二偏光分光元件206，第一至第三λ/4波片207、225、226，数据处理单元208，第一光线后向反射元件204，第一至四分光元件209、210、221、211，第一平面反射镜212，第二平面反射镜213，第一透镜215，第二透镜214，第一至第六光电探测器216、217、218、220、224、219，第一偏振片222和第二偏振片223；

所述光纤出射端201出射所述线偏振光A和线偏振光B；

准直镜202置于所述光纤出射端201的出射光路上，且与光纤出射端201的距离为准直镜202的焦距，可将光纤出射光扩束准直；

第三分光元件221将经准直镜202扩束准直后的光束分为线偏振光A的透射光A₁和反射光A₂、线偏振光B的透射光B₁和反射光B₂；

第五光电探测器224接收经过第一偏振片222后的反射光A₂和反射光B₂，生成第五电信号，即标准拍频信号；

λ/2波片203通过旋转使光A₁和光B₁的偏振方向一一对应地与第一偏光分光元件205的反射光和透射光的偏振方向对准，第一偏光分光元件205的反射光为A₁、透射光为B₁；第一分光元件209将第一偏光分光元件205的反射光A₁分为透射光A₁₁和反射光A₁₂；第四光电探测器220接收依次经过第三λ/4波片226透射、第一光线后向反射元件204后向反射、第三λ/4波片226透射并将偏振方向改变90°、第一偏光分光元件205透射和第二偏振片223后的光A₁₁，作为干涉测量的参考光。

第二分光元件210将依次经过第二λ/4波片225透射、六自由度误差敏感单元3的第三光线后向反射元件302后向反射、第二λ/4波片225透射并将偏振方向改变90°后的光B₁分为透射光B₁₁和反射光B₁₂；第四光电探测器220接收依次经过第一偏光分光元件205反射和第二偏振片223后的光B₁₁，作为干涉测量的信号光；

第四光电探测器220上的参考光与信号光发生干涉，得到第四电信号，即测量拍频信号；

在转轴旋转、测量六自由度几何误差时，数据处理单元208将所述测量拍频信号与所述第五光电探测器224上的标准拍频信号进行对比，计算得到转轴沿X轴平动的直线度误差δX。

第二偏光分光元件206透射光的线偏振方向与第一偏光分光元件205反射光的线偏振方向一致，第一λ/4波片207将经第二偏光分光元件206透射的光A₁₂由线偏振光变为圆偏振光并射向六自由度误差敏感单元3中的第五分光元件303；第五分光元件303将光A₁₂分为透射光A₁₂₁和反射光A₁₂₂；第二光电探测器217接收经第二光线后向反射元件301后向反射的光A₁₂₁，测量光斑位置变化并产生第二电信号。在转轴旋转、测量六自由度几何误差时，数据处理单元208根据第二电信号计算得到第二光线后向反射元件301沿Y轴和Z轴平动的直线度误差δY1和δZ1。

第一透镜215将依次经过第一λ/4波片207透射并由圆偏振光变为线偏振光且偏振方向改变90°、第二偏光分光元件206反射后的光A₁₂₂聚焦在第一光电探测器216上，第一光电探测器216测量光斑位置变化并产生第一电信号。在转轴旋转、测量六自由度几何误差时，由此测得第五分光元件303相对于光轴的角位移，即数据处理单元208根据第一电信号计算得到转轴绕Y轴旋转的角度误差εY，并根据设定的转轴转动角度εZ0、角度测量传感器测量的转动角度εZ’和第一电信号(含有的转轴绕Z轴旋转的角度定位误差为εZ1)计算得到转轴绕Z轴旋转的角度定位误差εZ(εZ＝εZ0-εZ’+εZ1)。第一反射镜212的作用为使六自由度误差测量单元2内的光学元器件布局更紧凑，以减小六自由度误差测量单元2的体积。

第四分光元件211将光B₁₂分为透射光B₁₂₁和反射光B₁₂₂；第三光电探测器218接收光B₁₂₂，测量光斑位置变化并产生第三电信号。在转轴旋转、测量六自由度几何误差时，数据处理单元208根据第三电信号计算得到第三光线后向反射元件302沿Y轴和Z轴平动的直线度误差δY2和δZ2。

第二透镜214将光B₁₂₁聚焦到第六光电探测器219上，由第六光电探测器219测量光斑位置变化并产生第六电信号。在转轴旋转、测量六自由度几何误差时，数据处理单元208根据第六电信号计算得到光线在空间传输过程中相对于准直镜202出射光所产生的角度漂移，即空气扰动与机械结构变形的影响，可根据所述角度漂移对测量结果进行补偿。第二反射镜213的作用为使六自由度误差测量单元内的光学元器件布局更紧凑，以减小六自由度误差测量单元的体积。

在转轴旋转、测量六自由度几何误差时，数据处理单元208用所述第二、第三光电探测器217、218测得的转轴同一水平位置处两个不同点的竖直方向直线度误差δY1和δY2之差除以第二光线后向反射元件301与第三光线后向反射元件302顶点的距离，可计算得到转轴绕X轴旋转的角度误差εX。

数据处理单元208根据直线度误差δY1、δZ1和/或者直线度误差δY2、δZ2可以计算得到转轴沿Y轴、Z轴平动的直线度误差δY、δZ，以δY的计算方法举例：δY＝δY1、δY＝δY2或δY＝(δY1+δY2)/2。

其中，所述六自由度误差敏感单元对数控机床或加工中心等精密加工与测量设备的转轴的六项几何误差敏感，所述六自由度误差敏感单元包括两个光线后向反射元件和一个分光元件；所述光线后向反射元件对沿三个坐标轴平移的三个直线度误差敏感；所述的两个光线后向反射元件的组合对绕X轴旋转的角度误差敏感；所述的分光元件对绕Y、Z轴旋转的两个角度误差敏感；所述的光线后向反射元件可采用角锥棱镜和猫眼结构棱镜，所述的分光元件可采用平面分光镜，也可采用直接镀在光线后向反射元件相应位置上的分光膜。所述的偏光分光元件包括偏光分光镜PBS以及Glan-Thompson棱镜。第一、第二、第四和第五分光元件209、210、211和303的透射率为50％，第三分光元件221的透射率为80％。

本实施例还提供了用于测量转轴六自由度几何误差的激光测量方法，该方法通过一次安装即可测量得到数控机床、加工中心等精密加工与测量设备转轴六自由度几何误差的方法，该方法包含以下步骤：

将六自由度误差敏感单元3安装于伺服跟踪单元4的安装平面，

控制电路404根据来自六自由度误差测量单元2的测量信号控制四维调节机构，使六自由度误差测量单元2向六自由度误差敏感单元3的出射光束与六自由度误差敏感单元3的反射光束对中，并使出射光束与反射光束的夹角趋于零；

控制电机404与待测转轴6反方向转动使来自六自由度误差敏感单元3的第一反射光位于六自由度误差测量单元的光敏面所在的空间直角坐标系Y轴中心线上，测量电机405转动的角度；

根据待测转轴6设定的转动角度、测量得到的电机405转动角度和测量信号计算待测转轴6转动时的六自由度几何误差。

该方法的具体过程为：

S1、安装测量系统：将六自由度误差测量单元2固定在被测数控机床基座上，调整六自由度误差测量单元2使其出射的激光平行于X轴或者Y轴。将伺服跟踪单元4固定在被测数控机床的C轴之上，将六自由度误差敏感单元3固定于伺服跟踪单元4的安装平面406之上。

S2、进行激光对中：由激光发射单元1出射的激光，经过单根保偏光纤5传入六自由度误差测量单元2，由光纤出射端201出射，出射光线经准直镜202扩束准之后，被第三分光元件221分光，透射光入射到λ/2波片203，旋转λ/2波片203，以使光纤出射端201出射的两正交线偏振光的偏振方向与第一偏光分光元件205的透射光和反射光的偏振方向对准，从而使被第一偏光分光元件205分开的透射光和反射光的强度相等，这两者均为线偏振光，且偏振方向正交。第一偏光分光元件205的透射光经过第二λ/4波片225后，射向六自由度误差敏感单元3中的第三光线后向反射元件302，并被其后向反射，反射光依次经过六自由度误差测量单元2内第二λ/4波片225透射、第二分光元件210和第四分光元件211反射，由第三光电探测器218接收，当第三光电探测器218上的光点不在其中心时，说明六自由度误差敏感单元3在Y′O′Z′平面内存在存在安装误差，伺服跟踪单元4的控制电路404根据第三光电探测器218输出的光点坐标使二维平动调节机构401沿Y′轴、Z′轴两个方向平动，直到光点位于第三光电探测器218中心为止，此时六自由度误差敏感单元3的在Y′O′Z′平面内的安装误差趋近于零，完成自动对中。

S3、进行激光对准：六自由度误差敏感单元3中第五分光元件303的反射光经过六自由度误差测量单元2内的第一λ/4波片207且由圆偏振光变为线偏振光，但偏振方向较之前改变了90°，因此可被第二偏光分光元件206反射，再经第一反射镜212反射，由第一透镜215聚焦在第一光电探测器216上，当第一光电探测器216上的光点不在其中心时，说明六自由度误差敏感单元3的入射光与反射光有夹角，伺服跟踪单元4的控制电路404根据第一光电探测器216输出的光点坐标使二维角度调节机构404绕X′轴、Y′轴转动，直到六自由度误差敏感单元3的反射光聚焦在第一光电探测器216中心为止，此时六自由度误差敏感单元3的入射光与反射光夹角趋近于零，完成自动对准。

S4、进行伺服跟踪：C转轴6旋转时，第一光电探测器216根据六自由度误差敏感单元3反射回的线偏振光在第一光电探测器216的光斑位置与第一光电探测器216光敏面的空间直角坐标系Y轴中心线之间的距离生成反馈电信号，数据处理单元208根据反馈电信号生成伺服跟踪电信号并通过无线通信发送至控制电路404，控制电路404根据伺服跟踪电信号控制电机405与C转轴6反方向转动以使得六自由度误差敏感单元3反射回的线偏振光在第一光电探测器216的光斑位置处于第一光电探测器216光敏面的空间直角坐标系Y轴中心线上，实现伺服跟踪。

S5、测量转轴的六自由度误差：控制C转轴6沿顺时针方向转动，按ISO230-1等相关测量标准或要求规定的角度增量转动至下一个测量点，转动过程中伺服跟踪单元4通过实现伺服跟踪以(相对)相同的转动速度、(相对)相同的转动角度沿逆时针方向转动，该过程中保持三个直线轴与另一个转轴静止，六自由度误差测量单元2测量得到该点的六自由度误差；如此逐点测量直至C转轴6旋转360°回到测量起点位置并测量得到该点的六自由度误差，停止运动。通过以上步骤可得到C转轴6顺时针旋转一周时所有测量点的六自由度误差。控制C转轴6按照相同角度增量逆时针转动并再次逐点测量，得到所有测量点的六自由度误差。由此可逐点静态测量C转轴6上各测量点顺时针、逆时针转动时的六自由度误差，重复以上步骤可多次静态得到C转轴6各点顺时针、逆时针转动时的六自由度误差；类似地，可控制C转轴6由测量起点匀速顺时针转动一周并再次匀速逆时针转动一周至测量起点，六自由度误差测量单元2配合六自由度误差敏感单元3、伺服跟踪单元4连续测量，可动态测量得到C转轴6上所有规定的测量点顺时针、逆时针转动时的六自由度误差。

S6、对测量得到的转轴六自由度几何误差进行数据处理：通过步骤S5所述的测量步骤，可以分步逐点静态得到或连续动态得到被测数控机床、加工中心等精密加工与测量设备C转轴6各点顺时针、逆时针转动时的六个自由度误差；按ISO 230-1等测量标准或要求进行数据处理可以得到待测转轴6的六自由度几何误差。

综上所述，本实施例提供的激光测量系统结构简单，系统集成度高，可通过一次安装测量数控机床、加工中心等精密加工与测量设备转轴的六自由度几何误差。

本实施例提供的激光测量系统体积小、集成性高、测量精度高，能实时补偿激光漂移，系统的抗干扰能力较强。

实施例二

如图1、图2所示，本实施例的用于测量数控机床C转轴的转轴六自由度几何误差激光测量系统结构、激光发射单元1、伺服跟踪单元4都与实施例一相同，在此不多赘述。

六自由度误差敏感单元3的第二种具体结构如图5所示，包括第三光线后向反射元件302、第五分光元件303和一个光线分光与平移光轴元件304；所述的光线后向反射元件302对分别沿三个坐标轴平移的三个直线度误差敏感，所述的光线分光与平移光轴元件304对绕X轴、Y轴旋转的角度误差敏感；所述的第五分光元件303对绕Y轴、Z轴旋转的两个角度误差敏感。

图5中，所述的光线后向反射元件302可采用角锥棱镜或猫眼结构棱镜。所述的第五分光元件303可采用平面分光镜，也可采用直接镀在光线分光与平移光轴元件304相应位置上的分光膜。光线分光与平移光轴元件304可采用斜方棱镜，可也采用平面分光镜与平面反射镜的组合。

六自由度误差测量单元2的第二种具体结构如图5所示，包括光纤出射端201，准直镜202，λ/2波片203，第一偏光分光元件205，第二偏光分光元件206，数据处理单元208，第二λ/4波片225，第三λ/4波片226，第一光线后向反射元件204，第二至第四分光元件210、221、211，第一平面反射镜212，第二平面反射镜213，第一透镜215，第二透镜214，第一至第六光电探测器216、217、218、220、224、219，第一偏振片222和第二偏振片223；

激光发射单元1向六自由度误差测量单元2发射偏振方向相互垂直且具有频差的线偏振光C和线偏振光D，则所述光纤出射端201出射所述线偏振光C和线偏振光D；

准直镜202置于所述光纤出射端201的出射光路上，且与光纤出射端201的距离为准直镜202的焦距，可将光纤出射光扩束准直；

第三分光元件221将经准直镜202扩束准直后的光束分为线偏振光C的透射光C₁和反射光C₂、线偏振光D的透射光D₁和反射光D₂；

第五光电探测器224接收经过第一偏振片222后的光C₂和光D₂，生成第五电信号，即标准拍频信号。

λ/2波片203通过旋转使光C₁和光D₁的偏振方向一一对应地与第一偏光分光元件205的反射光和透射光的偏振方向对准，第一偏光分光元件205的反射光为C₁、透射光为D₁；第四光电探测器220接收依次经过第三λ/4波片226透射、第一光线后向反射元件204后向反射、第三λ/4波片226透射并将偏振方向改变90°、第一偏光分光元件205透射和第二偏振片223的光C₁，作为干涉测量的参考光。

第二偏光分光元件206线偏振光透射方向与第一偏光分光元件205线偏振光透射方向一致，第二λ/4波片225将经第二偏光分光元件206透射的光D₁由线偏振光变为圆偏振光并射向六自由度误差敏感单元3中的第五分光元件303；第五分光元件303将光D₁分为透射光D₁₁和反射光D₁₂；光线分光与平移光轴元件304将依次经过光线分光与平移光轴元件304透射和第三光线后向反射元件302后向反射的光D₁₁分为透射光D₁₁₁和反射光D₁₁₂；第二分光元件210将经过第二λ/4波片225透射并由圆偏振光改为线偏振光且偏振方向改变90°的光D₁₁₁分为透射光D₁₁₁₁和反射光D₁₁₁₂；第四光电探测器220接收依次经过第一偏光分光元件205反射和第二偏振片223后的光D₁₁₁₁，作为干涉测量的信号光。

第四光电探测器220上的参考光与信号光发生干涉，得到第四电信号，即测量拍频信号。在转轴旋转、测量六自由度几何误差时，数据处理单元208将所述测量拍频信号与所述第五光电探测器224上的标准拍频信号进行对比，计算得到被测转轴沿X轴平动的直线度误差δX。

第二光电探测器217接收经过光线分光与平移光轴元件304平移反射的光D₁₁₂，测量光斑位置变化并产生第二电信号。在转轴旋转，测量六自由度几何误差时，数据处理单元208根据第二电信号计算得到第三光线后向反射元件302沿Y轴和Z轴平动的直线度误差δY1和δZ1。

第一透镜215将依次经过第二λ/4波片225透射并由圆偏振光变为线偏振光且偏振方向改变90°、第二偏光分光元件206反射后的光D₁₂聚焦在第一光电探测器216上，第一光电探测器216测量光斑位置变化并产生第一电信号。在转轴旋转、测量六自由度几何误差时，由此测得第五分光元件303相对于光轴的角位移，即数据处理单元208根据第一电信号计算得到转轴绕Y轴旋转的角度误差εY，并根据设定的转轴转动角度εZ0、角度测量传感器测量的转动角度εZ’和第一电信号(含有的转轴绕Z轴旋转的角度定位误差为εZ1)计算得到转轴绕Z轴旋转的角度定位误差εZ(εZ＝εZ0-εZ’+εZ1)。第一反射镜212的作用为使六自由度误差测量单元内的光学元器件布局更紧凑，以减小六自由度误差测量单元2的体积。

第四分光元件211将光D₁₁₁₂分为透射光D₁₁₁₂₁和反射光D₁₁₁₂₂；第三光电探测器218接收光D₁₁₁₂₂，测量光斑位置变化并产生第三电信号。在转轴旋转、测量六自由度几何误差时，数据处理单元208根据第三电信号计算得到第三光线后向反射元件302沿Y轴和Z轴平动的另一直线度误差δY2和δZ2。

第二透镜213将光D₁₁₁₂₁聚焦到第六光电探测器219上，由第六光电探测器219测量光斑位置变化并产生第六电信号。在转轴旋转、测量六自由度几何误差时，数据处理单元208根据第六电信号计算得到光线在空间传输过程中相对于准直镜202出射光所产生的角度漂移，即空气扰动与机械结构变形的影响，可根据所述角度漂移对测量结果进行补偿。第二反射镜213的作用为使六自由度误差测量单元内的光学元器件布局更紧凑，以减小六自由度误差测量单元的体积。(与实施例一相同)

在转轴旋转、测量六自由度几何误差时，数据处理单元208用所述第二、第三光电探测器217、218测得的转轴同一水平位置处两个不同点的竖直方向直线度δY1和δY2之差除以所述光线分光与平移光轴元件304平移光线的距离，可计算得到转轴绕X轴旋转的角度误差εX。

数据处理单元208根据直线度δY1、δZ1或者直线度δY2、δZ2可以获得转轴沿Y轴、Z轴平动的直线度误差δY、δZ。(与实施例一相同)

光线分光与平移光轴元件304可采用斜方棱镜，可也采用平面分光镜与平面反射镜的组合。第二分光元件210的透射率为50％，第三分光元件221的透射率为80％，第四分光元件211的透射率为50％，第五分光元件303的透射率为50％。

本实施例所提供的一次安装即可测量得到数控机床、加工中心等精密加工与测量设备转轴六自由度几何误差的方法，与实施例一基本一致，其区别在于所用六自由度误差测量单元2与六自由度误差敏感单元3的结构不同，在此不多赘述。

实施例三

如图6、图7所示，根据本发明的一种转轴六自由度几何误差激光测量系统，用于测量数控机床A转轴，其主要组成部分与实施例一完全一致，区别在于六自由度误差敏感单元3与伺服跟踪单元4的安装方式：如图8所示，所述的伺服跟踪单元4与A转轴7刚性连接，所述的六自由度误差敏感单元3后表面固定在所述的伺服跟踪单元4。

测量A轴时，机床所在世界坐标系XYZ与转轴坐标系X′Y′Z′的关系：Z′轴与A轴的旋转中心轴重合并与X轴方向平行且反向，X′轴与Y轴方向平行且反向，Y′轴与Z轴方向平行且反向，坐标原点O′与所述伺服跟踪单元4底面中心点重合；此时需要测量的6自由度误差分别为：沿X、Y、Z三个方向平移的三个直线度误差δX、δY、δZ，绕Y、Z两个坐标轴旋转的两个角度误差εY、εZ、绕X轴旋转的角度定位误差εX。

本实施例提供的用于A轴的一次安装测量得到转轴六自由度几何误差的方法与实施例一基本相同，区别仅在于具体过程中的步骤S1，因此仅对步骤S1进行叙述，步骤S2-S6在此不多赘述：

S1、安装测量系统：将六自由度误差测量单元2固定在被测数控机床基座上，调整六自由度误差测量单元2使其出射的激光平行于X轴。将伺服跟踪单元4固定于A转轴7之上，将六自由度误差敏感单元3后表面固定于伺服跟踪单元4的安装平面406之上。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种用于测量转轴六自由度几何误差的激光测量系统，该激光测量系统包括激光发射单元、六自由度误差测量单元和六自由度误差敏感单元，所述六自由度误差测量单元向所述六自由度误差敏感单元出射光，并根据出射光和所述六自由度误差敏感单元的反射光与后向反射光生成测量信号，所述六自由度几何误差包括：沿X、Y、Z三个方向平移的三个直线度误差δX、δY、δZ，绕X、Y两个坐标轴旋转的两个角度误差εX、εY，绕Z轴旋转的角度定位误差εZ；

其特征在于，该激光测量系统进一步包括可安装于待测转轴的伺服跟踪单元，其包括

四维调节机构，用于对所述伺服跟踪单元实现四维调节；

固定安装在所述四维调节机构上的电机；

用于测量电机旋转角度的角度测量传感器；

固定在所述四维调节机构上且与所述电机同轴旋转的安装平面，用于安装所述六自由度误差敏感单元；和

用于根据来自所述六自由度误差测量单元的测量信号，控制所述伺服跟踪单元的控制电路；

所述控制电路控制电机与待测转轴反方向转动；

所述控制电路控制四维调节机构使得所述伺服跟踪单元可沿Y轴和沿Z轴平动，并使得所述伺服跟踪单元可绕X轴和绕Y轴的旋转；

所述四维调节机构包括二维平动调节机构，用于受控制电路控制调节所述伺服跟踪单元沿Y轴和沿Z轴平移；并包括二维角度调节机构，用于调节所述伺服跟踪单元绕X轴和绕Y轴旋转；或者，

所述四维调节机构包括两个一维平动调节机构，用于受控制电路控制调节所述伺服跟踪单元分别沿Y轴和沿Z轴平移；并包括两个一维角度调节机构用于调节所述伺服跟踪单元分别绕X轴和绕Y轴旋转；

所述六自由度误差测量单元包括：

用于反射并透射入射激光束的分光元件；

用于感测来自所述六自由度误差敏感单元的第一反射光的第一光电探测器；

用于感测来自所述六自由度误差敏感单元的第一后向反射光的第二光电探测器；

用于感测来自所述六自由度误差敏感单元的第二后向反射光的第三光电探测器；

用于感测所述分光元件的透射光与所述六自由度误差敏感单元的第二后向反射光的干涉光的第四光电探测器；和

用于感测所述分光元件的反射光的第五光电探测器；

所述六自由度误差敏感单元包括两个光线后向反射元件和一个分光元件；所述光线后向反射元件对沿三个坐标轴平移的三个直线度误差敏感；所述两个光线后向反射元件的组合对绕X轴旋转的角度误差敏感；所述分光元件对绕Y、Z轴旋转的两个角度误差敏感。

2.根据权利要求1所述的激光测量系统，其特征在于，所述六自由度误差测量单元向所述六自由度误差敏感单元出射线偏振光，并根据由所述六自由度误差敏感单元反射回的线偏振光生成测量信号。

3.根据权利要求1所述的激光测量系统，其特征在于，该激光测量系统进一步包括数据处理单元，用于根据待测转轴设定的转动角度、角度测量传感器测量的电机转动角度和所述测量信号计算待测转轴转动时的六自由度几何误差。

4.根据权利要求1所述的激光测量系统，其特征在于，所述角度测量传感器固定为与所述电机同轴旋转。

5.一种利用如权利要求1所述激光测量系统测量转轴六自由度几何误差的激光测量方法，其特征在于，该方法包括：

将六自由度误差敏感单元安装于伺服跟踪单元的安装平面，

控制电路根据来自所述六自由度误差测量单元的测量信号控制四维调节机构，使所述六自由度误差测量单元向所述六自由度误差敏感单元的出射光束与所述六自由度误差敏感单元的反射光束对中，并使所述出射光束与所述反射光束的夹角趋于零。

6.根据权利要求5所述的测量转轴六自由度几何误差的激光测量方法，其特征在于，该方法进一步包括：

控制电机与所述待测转轴反方向转动使来自所述六自由度误差敏感单元的第一反射光位于六自由度误差测量单元的光敏面所在的空间直角坐标系Y轴中心线上，测量所述电机转动的角度；

根据待测转轴设定的转动角度、测量得到的电机转动角度和所述测量信号计算待测转轴转动时的六自由度几何误差。