CN107655412A - 一种具有自标定功能的球杆长度标定装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有自标定功能的球杆长度标定装置及使用方法，解决了现有标定装置装配调整困难，或者无法标定长球杆的问题。本发明包括位于气浮导轨上的移动平台、位于气浮导轨一端的固定平台、位于另一端的激光干涉仪、位于气浮导轨一侧的固定平台四部分组成，位于气浮导轨一侧的固定平台在测量过程是固定的，根据被标定球杆的长度，在测量前调整其位置并固定，移动平台及两个固定平台上分别安装有三球运动支座，三球运动支座用于支撑待标定球杆，位于气浮导轨一端固定平台上的三球运动支座与移动平台上的三球运动支座用于实现装置的自标定，位于气浮导轨一侧固定平台上的三球运动支座与移动平台上的三球运动支座用于标定球杆。
Description
技术领域
本发明涉及几何测量技术领域，具体是一种具有自标定功能的球杆长度标定装置及使用方法。
背景技术
球杆由两个高精度的球体和连接两个球的球杆组成，两球间的球心距（以下简称球杆长度）是其提供的标准距离，目前球杆长度精度最高能达到0.1微米。在工业标准中，球杆两端端部球体直径通常为25.4毫米，球体直径为38.1毫米和50.8毫米的球杆也有应用。常见球杆的长度范围在100毫米至3000毫米，也可定制加工更长长度。
球杆是校准坐标测量机长度测量误差的一种常用一维标准件，在校准激光跟踪仪、激光扫描仪以及工业摄影测量仪器等方面也有应用。在利用球杆校准坐标测量机长度测量误差前，必须对球杆长度进行高精度标定，以保证坐标测量机的校准精度。
球杆长度标定可以采用高精度坐标测量机或者专用标定装置。目前最高精度的坐标测量机的测量精度为(0.3+L/1000)微米，且其测量范围较小，无法满足高精度长球杆的标定要求；在专用仪器研制方面，从公开发表的文献看，主要有中国计量科学研究院研制的专用两坐标测量机、美国国家标准与技术研究院分别与佛罗里达大学和克莱姆森大学合作研究的两种专用测长机。现有技术存在的不足之处在于：
中国计量科学研究院研制的专用两坐标测量机需要人工瞄准，测量精度依赖于操作人员的技能；美国国家标准与技术研究院与佛罗里达大学合作研制的专用测长机只能用于标定长度在1米之内的球杆；美国国家标准与技术研究院与和克莱姆森大学的专用测长机可以用于标定长度在3米之内的球杆，但是这种仪器的安装调整非常困难，并且存在阿贝误差，目前未见美国国家标准与技术研究院实际使用。
发明内容 本发明的目的是提供一种具有自标定功能的球杆长度标定装置及使用方法，以解决现有技术球杆标定装置装配调整困难，或者无法标定长球杆的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种具有自标定功能的球杆长度标定装置，其特征在于：包括长边沿左右方向的气浮导轨，气浮导轨上左端位置固定有激光干涉仪调整云台，激光干涉仪调整云台上安装有激光干涉仪，气浮导轨上右端位置固定有第一y-z两自由度微调平台，第一y-z两自由度微调平台上安装有第一三球运动支座，气浮导轨上靠近激光干涉仪调整云台位置通过镜组安装架安装有分光镜及反射镜组，气浮导轨上位于镜组安装架和第一y-z两自由度微调平台之间还滑动安装有气浮滑架，气浮滑架上右侧固定有第二y-z两自由度微调平台，气浮滑架上左侧固定有第三y-z两自由度微调平台，其中第三y-z两自由度微调平台上安装有反射镜，且反射镜朝向镜组安装架上的分光镜及反射镜组，第二y-z两自由度微调平台上安装有第二三球运动支座，第二三球运动支座与第一三球运动支座相对设置，气浮导轨前方还设有在同一平面内垂直于气浮导轨的支撑座，支撑座后端向气浮导轨延伸，支撑座上固定有第三三球运动支座，第一、第二三球运动支座处于同一高度。
所述的一种具有自标定功能的球杆长度标定装置，其特征在于：所述支撑座为固定平台，固定平台上安装有位置可调的第三三球运动支座；
或者支撑座由滑架和滑动导轨构成，其中滑动导轨设置在气浮导轨前方，滑架滑动安装在滑动导轨上，第三三球运动支座通过固定平台固定在滑架上；
通过位置可调的第三三球运动支座，或者随滑架运动的第三三球运动支座，可根据待标定球杆长度调整第三三球运动支座的位置，从而标定现有各种长度球杆的长度。
所述的一种具有自标定功能的球杆长度标定装置，其特征在于：所述气浮导轨、支撑座整体分别通过隔振支撑安装在不同支架上。
所述的一种具有自标定功能的球杆长度标定装置，其特征在于： 第一三球运动支座由第一y-z两自由度微调平台沿y、z方向进行微调，保证激光束所在直线通过放置在第一三球运动支座上的待测球杆端部球体的球心；
第二三球运动支座由位置由第二y-z两自由度微调平台沿y、z方向进行微调，保证激光束所在直线通过放置在第二三球运动支座上的待测球杆端部球体的球心。
所述的一种具有自标定功能的球杆长度标定装置，其特征在于：所述的分光镜及干涉镜组由镜组安装架调整可沿z方向的位置及绕z方向的角度可调，第三y-z两自由度微调平台上的反射镜沿y、z方向的位置可进行微调，使得激光干涉仪发出的激光束经分光镜分光并且一路激光经反射镜反射后与另一路激光干涉。
所述的一种具有自标定功能的球杆长度标定装置，其特征在于：阿贝误差理论值为零。
一种具有自标定功能的球杆长度标定装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）、选择两根未知长度的球杆进行自标定，将第一根未知长度的球杆的一端球体放置在第一三球运动支座上，移动气浮滑架至合适位置并将第一根未知长度的球杆的另一端球体放置在第二三球运动支座上，将激光干涉仪示值置零；
（2）、取下第一根球杆，并将第二根未知长度的球杆的一端球体放置在第一三球运动支座上，移动气浮滑架至合适位置并将第二根未知长度的球杆的另一端球体放置在第二三球运动支座上，激光干涉仪示值为两根未知长度的球杆长度之差∆l；
（3）、将第三三球运动支座调整至合适位置并固定，重新将第一根未知长度的球杆的一端球体放置在第三三球运动支座上，移动气浮滑架至靠近激光干涉仪的合适位置并将第一根未知长度的球杆的另一端球体放置在第二三球运动支座上，记录激光干涉仪示值a；
取下第一根未知长度的球杆放置在第二三球运动支座上的一端，移动气浮滑架至远离激光干涉仪的合适位置并将第一根球杆的另一端球体放置在第二三球运动支座，记录激光干涉仪示值d；
取下第一根未知长度的球杆，将第二根球杆的一端球体放置在第三三球运动支座上，移动气浮滑架至靠近激光干涉仪的合适位置并将第二根球杆的另一端球体放置在第二三球运动支座上，记录激光干涉仪示值b；
然后取下第二根球杆放置在第二三球运动支座上的一端，移动气浮滑架至远离激光干涉仪的合适位置并将第二根球杆的另一端球体放置在第二三球运动支座，记录激光干涉仪示值c；
根据三角关系、激光干涉仪示值a、b、c、d及两根未知长度的球杆长度之差∆l，计算放置在第三三球运动支座上的任意球杆端部球体的球心至激光干涉仪发出的激光束所在直线距离y；
（4）、将待标定球杆的一端球体放置在第三三球运动支座上，移动气浮滑架至靠近激光干涉仪的合适位置并将待标定球杆的另一端球体放置在第二三球运动支座上，记录激光干涉仪示值，然后取下待标定球杆放置在第二三球运动支座上的一端，移动气浮滑架至远离激光干涉仪的合适位置并将待标定球杆的另一端球体放置在第二三球运动支座，记录激光干涉仪示值，上述过程不分先后，根据步骤（3）中计算得到的直线距离y以及三角关系计算待标定球杆长度，为减少误差，可重复该步骤，取待标定球杆长度多次测量结果平均值作为待标定球杆长度标称值。
所述的具有自标定功能的球杆长度标定装置的使用方法，其特征在于：用于自标定的两根未知长度的球杆，为保证标定精度，其中一根长度大于待标定球杆长度，另一根长度小于或等于待标定球杆长度。
所述的具有自标定功能的球杆长度标定装置的使用方法，其特征在于：在自标定过程中和标定待标定球杆过程中，放置在第一、第二、第三三球运动支座上的球杆端部球体应分别使用相同球体或者标称值相同的球体。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明只需在将激光干涉仪发出的激光束调整至与气浮导轨平行，并且激光干涉仪发出的激光束经分光镜分光后一路激光束被分光镜直接反射，另一路激光束透射过分光镜再经反射镜反射后与另一路激光干涉的基础上，将气浮滑架上的第二三球运动支座及气浮导轨一段固定的第一三球运动支座的位置进行微调，使得激光束所在直线通过放置在两个三球运动支座上的球杆两端球体的球心即可，放置在气浮导轨前方的第三三球运动支座的相对位置可以通过自标定得到，其位置不影响球杆标定精度。本发明装置安装调整简单，容易实现，没有阿贝误差，使用方便，并且理论上可以标定任意长度的球杆。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明的另一种结构示意图；
图3是本发明测量两未知长度球杆的长度差的原理示意图；
图4是本发明利用两球杆长度差实现自标定的原理示意图；
图5是本发明标定球杆长度的原理示意图。
图中标号：1、激光干涉仪，2、激光干涉仪调整云台，3、分光镜及干涉镜组，4、镜组安装架，5、气浮导轨，6、气浮滑架，7、第三y-z两自由度微调平台，8、反射镜，9、第二三球运动支座，10、第二y-z两自由度微调平台，11、第一y-z两自由度微调平台，12、第一三球运动支座，13、第三三球运动支座，14、固定平台，15、支架，16、滑架，17、滑动导轨，18、支架。
具体实施方式
具体实施方式一：参见附图1，图1是本发明结构示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成及设计示意图。
本实施方式所述的一种具有自标定功能的球杆长度标定装置包括激光干涉仪1、激光干涉仪调整云台2、分光镜及干涉镜组3、气浮导轨5、气浮滑架6、第三y-z两自由度微调平台7、反射镜8、第二三球运动支座9、第二y-z两自由度微调平台10、第一y-z两自由度微调平台11、第一三球运动支座12、第三三球运动支座13、固定平台14、支架15，激光干涉仪调整云台2固定在气浮导轨5上，分光镜及反射镜组3通过镜组安装架4安装在气浮导轨5上，反射镜8通过第三y-z两自由度微调平台7安装在气浮滑架6上，第二三球运动支座9通过第二y-z两自由度微调平台10安装在气浮滑架6上，第一三球运动支座12通过第一y-z两自由度微调平台11安装在气浮导轨5上，固定平台14上有规则分布的螺纹孔，第三三球运动支座13利用螺纹孔固定在固定平台14上，固定平台14通过隔振支撑安装在支架15上，气浮导轨5通过隔振支撑安装在支架15上。
本实施方式的技术效果是：根据待标定球杆长度，可以调整第三三球运动支座13在固定平台14的固定螺纹孔位置，从而调整三球运动支座的位置，实现现有各种长度球杆的标定。
具体实施方式二：参见附图2，图2是本发明的另一种结构示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成及设计示意图。
本实施方式所述的一种具有自标定功能的球杆长度标定装置及使用方法包括激光干涉仪1、激光干涉仪调整云台2、分光镜及干涉镜组3、气浮导轨5、气浮滑架6、第三y-z两自由度微调平台7、反射镜8、第二三球运动支座9、第二y-z两自由度微调平台10、第一y-z两自由度微调平台11、第一三球运动支座12、第三三球运动支座13、固定平台14、支架15、滑架16、滑动导轨17、支架18，激光干涉仪调整云台2固定在气浮导轨5上，分光镜及反射镜组3通过镜组安装架4安装在气浮导轨5上，反射镜8通过第三y-z两自由度微调平台7安装在气浮滑架6上，第二三球运动支座9通过第二y-z两自由度微调平台10安装在气浮滑架6上，第一三球运动支座12通过第一y-z两自由度微调平台11安装在气浮导轨5上，第三三球运动支座13固定在固定平台14上，固定平台14通过隔振支撑安装在滑架16上，滑动导轨17安装在支架15上，气浮导轨5通过隔振支撑安装在支架18上。
本实施方式的技术效果是：根据待标定球杆长度，可以调整滑架16在滑动导轨17的位置并进行固定，从而调整辅平台及安装在其上的三球运动支座的位置，实现现有各种长度球杆的标定。
工作原理：
本发明进行球杆长度标定的具体步骤如下：
步骤一、参见附图3，图3是本发明测量两未知长度球杆的长度差的原理示意图，根据待标定球杆的大致长度选择两根未知长度球杆，为保证标定精度，其中一根长度大于待标定球杆长度，另一根长度小于或等于待标定球杆长度，将第一根未知长度球杆的一端球体放置在第一三球运动支座12上，移动气浮滑架6至合适位置并将第一根未知长度球杆的另一端球体放置在第二三球运动支座9上，将激光干涉仪1示值置零，然后取下第一根球杆，并将第二根根未知长度球杆的一端球体放置在第一三球运动支座12上，移动气浮滑架6至合适位置并将第二根未知长度球杆的另一端球体放置在第二三球运动支座9上，激光干涉仪1示值为两根球杆长度之差∆l；
步骤二、参见附图4，图4是本发明利用两球杆长度差实现自标定的原理示意图。将第三三球运动支座13调整至合适位置并固定，将步骤一中的第一根球杆的一端球体放置在第三三球运动支座13上，移动气浮滑架6至靠近激光干涉仪1的合适位置并将第一根球杆的另一端球体放置在第二三球运动支座9上，记录激光干涉仪1示值a，然后取下第一根球杆放置在第二三球运动支座9上的一端，移动气浮滑架6至远离激光干涉仪1的合适位置并将第一根球杆的另一端球体放置在第二三球运动支座9，记录激光干涉仪1示值d，将步骤一中的第二根球杆的一端球体放置在第三三球运动支座13上，移动气浮滑架6至靠近激光干涉仪1的合适位置并将第二球杆的另一端球体放置在第二三球运动支座9上，记录激光干涉仪1示值b，然后第二根球杆放置在第二三球运动支座9上的一端，移动气浮滑架6至远离激光干涉仪1的合适位置并将第二根球杆的另一端球体放置在第二三球运动支座9，记录激光干涉仪1示值c，上述过程不分先后，根据三角关系、激光干涉仪1示值a、b、c、d及两根球杆长度之差∆l计算任意球杆端部球体球心的x、y值；
步骤三、参见附图5，图5是本发明标定球杆长度的原理示意图。将待标定球杆的一端球体放置在第三三球运动支座13上，移动气浮滑架6至靠近激光干涉仪1的合适位置并将该球杆的另一端球体放置在第二三球运动支座9上，记录激光干涉仪1示值l 1 ，然后取下该球杆放置在第二三球运动支座9上的一端，移动气浮滑架6至远离激光干涉仪1的合适位置并将该球杆的另一端球体放置在第二三球运动支座9，记录激光干涉仪1示值l 2 ,上述过程不分先后，根据步骤二中计算得到的y值及三角关系计算待标定球杆长度，为减少误差，可重复该步骤，取待标定球杆长度多次测量结果平均值作为待标定球杆长度标称值。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。
Claims (9)
1.一种具有自标定功能的球杆长度标定装置，其特征在于：包括长边沿左右方向的气浮导轨，气浮导轨上左端位置固定有激光干涉仪调整云台，激光干涉仪调整云台上安装有激光干涉仪，气浮导轨上右端位置固定有第一y-z两自由度微调平台，第一y-z两自由度微调平台上安装有第一三球运动支座，气浮导轨上靠近激光干涉仪调整云台位置通过镜组安装架安装有分光镜及反射镜组，气浮导轨上位于镜组安装架和第一y-z两自由度微调平台之间还滑动安装有气浮滑架，气浮滑架上右侧固定有第二y-z两自由度微调平台，气浮滑架上左侧固定有第三y-z两自由度微调平台，其中第三y-z两自由度微调平台上安装有反射镜，且反射镜朝向镜组安装架上的分光镜及反射镜组，第二y-z两自由度微调平台上安装有第二三球运动支座，第二三球运动支座与第一三球运动支座相对设置，气浮导轨前方还设有在同一平面内垂直于气浮导轨的支撑座，支撑座后端向气浮导轨延伸，支撑座上固定有第三三球运动支座，第一、第二三球运动支座处于同一高度。
2.根据权利要求1所述的一种具有自标定功能的球杆长度标定装置，其特征在于：所述支撑座为固定平台，固定平台上安装有位置可调的第三三球运动支座；
或者支撑座由滑架和滑动导轨构成，其中滑动导轨设置在气浮导轨前方，滑架滑动安装在滑动导轨上，第三三球运动支座通过固定平台固定在滑架上；
通过位置可调的第三三球运动支座，或者随滑架运动的第三三球运动支座，可根据待标定球杆长度调整第三三球运动支座的位置，从而标定现有各种长度球杆的长度。
3.根据权利要求1所述的一种具有自标定功能的球杆长度标定装置，其特征在于：所述气浮导轨、支撑座整体分别通过隔振支撑安装在不同支架上。
4.根据权利要求1所述的一种具有自标定功能的球杆长度标定装置，其特征在于： 第一三球运动支座由第一y-z两自由度微调平台沿y、z方向进行微调，保证激光束所在直线通过放置在第一三球运动支座上的待测球杆端部球体的球心；
第二三球运动支座由位置由第二y-z两自由度微调平台沿y、z方向进行微调，保证激光束所在直线通过放置在第二三球运动支座上的待测球杆端部球体的球心。
5.根据权利要求1所述的一种具有自标定功能的球杆长度标定装置，其特征在于：所述的分光镜及干涉镜组由镜组安装架调整可沿z方向的位置及绕z方向的角度可调，第三y-z两自由度微调平台上的反射镜沿y、z方向的位置可进行微调，使得激光干涉仪发出的激光束经分光镜分光并且一路激光经反射镜反射后与另一路激光干涉。
6.根据权利要求1所述的一种具有自标定功能的球杆长度标定装置，其特征在于：阿贝误差理论值为零。
7.一种权利要求1所述具有自标定功能的球杆长度标定装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）、选择两根未知长度的球杆进行自标定，将第一根未知长度的球杆的一端球体放置在第一三球运动支座上，移动气浮滑架至合适位置并将第一根未知长度的球杆的另一端球体放置在第二三球运动支座上，将激光干涉仪示值置零；
（2）、取下第一根球杆，并将第二根未知长度的球杆的一端球体放置在第一三球运动支座上，移动气浮滑架至合适位置并将第二根未知长度的球杆的另一端球体放置在第二三球运动支座上，激光干涉仪示值为两根未知长度的球杆长度之差∆l；
（3）、将第三三球运动支座调整至合适位置并固定，重新将第一根未知长度的球杆的一端球体放置在第三三球运动支座上，移动气浮滑架至靠近激光干涉仪的合适位置并将第一根未知长度的球杆的另一端球体放置在第二三球运动支座上，记录激光干涉仪示值a；
取下第一根未知长度的球杆放置在第二三球运动支座上的一端，移动气浮滑架至远离激光干涉仪的合适位置并将第一根球杆的另一端球体放置在第二三球运动支座，记录激光干涉仪示值d；
取下第一根未知长度的球杆，将第二根球杆的一端球体放置在第三三球运动支座上，移动气浮滑架至靠近激光干涉仪的合适位置并将第二根球杆的另一端球体放置在第二三球运动支座上，记录激光干涉仪示值b；
然后取下第二根球杆放置在第二三球运动支座上的一端，移动气浮滑架至远离激光干涉仪的合适位置并将第二根球杆的另一端球体放置在第二三球运动支座，记录激光干涉仪示值c；
根据三角关系、激光干涉仪示值a、b、c、d及两根未知长度的球杆长度之差∆l，计算放置在第三三球运动支座上的任意球杆端部球体的球心至激光干涉仪发出的激光束所在直线距离y；
（4）、将待标定球杆的一端球体放置在第三三球运动支座上，移动气浮滑架至靠近激光干涉仪的合适位置并将待标定球杆的另一端球体放置在第二三球运动支座上，记录激光干涉仪示值，然后取下待标定球杆放置在第二三球运动支座上的一端，移动气浮滑架至远离激光干涉仪的合适位置并将待标定球杆的另一端球体放置在第二三球运动支座，记录激光干涉仪示值，上述过程不分先后，根据步骤（3）中计算得到的直线距离y以及三角关系计算待标定球杆长度，为减少误差，可重复该步骤，取待标定球杆长度多次测量结果平均值作为待标定球杆长度标称值。
8.根据权利要求7所述的具有自标定功能的球杆长度标定装置的使用方法，其特征在于：用于自标定的两根未知长度的球杆，为保证标定精度，其中一根长度大于待标定球杆长度，另一根长度小于或等于待标定球杆长度。
9.根据权利要求7所述的具有自标定功能的球杆长度标定装置的使用方法，其特征在于：在自标定过程中和标定待标定球杆过程中，放置在第一、第二、第三三球运动支座上的球杆端部球体应分别使用相同球体或者标称值相同的球体。
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