CN110160471B - 一种高精度直线导轨的误差测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于几何精度检测领域，并具体公开了一种高精度直线导轨的误差测量系统及方法。该系统包括固定单元和移动单元，其中：固定单元安装在数控机床的固定平面上，包括氦氖激光器、第一分光棱镜、第二分光棱镜、偏振分光棱镜、第一1/4波片和第一四象限探测器；移动单元安装在数控机床的移动工作台上，包括角锥棱镜。本发明采用对角度较不敏感的角锥棱镜进行直线度误差测量，能够有效避免由于角度变化引入的串扰和测量误差，同时将角锥棱镜安装在轴线或近轴线上，还能够有效减少阿贝误差对测量结果的影响，从而提高直线度测量的精度，并且通过布置其他器件能够实现六自由度同步测量，将各项误差进行解耦分离，从而提高测量结果的准确度。

Description

一种高精度直线导轨的误差测量系统及方法

技术领域

本发明属于几何精度检测领域，更具体地，涉及一种高精度直线导轨的误差测量系统及方法。

背景技术

在超精密加工领域中，数控机床的直线导轨精度直接影响该数控机床的运动精度，而数控机床的运动精度直接决定了加工精度，因此对直线导轨进行准确的误差测量是保证加工精度的重要方式之一。

目前对直线导轨进行误差测量主要采用商用激光干涉仪对各项误差进行单项测量，但是该方法需要进行六次安装测量，导致测量过程复杂、耗时长、测量精度低。而采用光栅衍射方法进行误差测量，仅能进行三个角度误差测量，并且由于光栅衍射的局限性，导致测量行程有限。

因此，采用多光束进行多自由度测量是直线导轨误差测量的主要发展方向，CN201510067188公开了具有六自由度检测的激光外差干涉直线度测量装置及方法，该装置利用激光外差干涉法与激光光斑检测法相结合的方法，实现了对偏摆角、俯仰角、滚转角、水平直线度、垂直直线度以及直线度位置的六自由度同时检测，但是该装置测得的各项误差不能进行有效解耦，因此各项误差之间存在串扰。

发明内容

针对现有技术的上述缺点和/或改进需求，本发明提供了一种高精度直线导轨的误差测量系统及方法，其中通过采用角锥棱镜并将其布置在中轴线附近，能够有效减少测量误差，提高直线度误差的测量精度，因而尤其适用于直线导轨的误差测量。

为实现上述目的，本发明提出了一种高精度直线导轨的误差测量系统，该系统包括固定单元和移动单元，其中：

所述固定单元安装在数控机床的固定平面上，包括氦氖激光器、第一分光棱镜、第二分光棱镜、偏振分光棱镜、第一1/4波片和第一四象限探测器；所述移动单元安装在数控机床的移动工作台上，包括角锥棱镜；

所述氦氖激光器发出的激光光束依次穿过所述第一分光棱镜和第二分光棱镜进入所述偏振分光棱镜，并分为反射光S光和透射光P光，所述透射光P光射入所述第一1/4波片进行调制，调制后的光束进入所述角锥棱镜，产生的出射光束射入所述半透射半反射镜并分为反射光S’光和透射光P’光，所述透射光P’光进入所述第一四象限探测器，利用所述移动单元沿导轨进行直线运动过程中，所述第一四象限探测器探测到的光斑位移，获得直线导轨的直线度误差。

作为进一步优选地，所述固定单元还包括单点探测器、第二1/4波片和第一反射镜，所述反射光S光经所述第二1/4波片调制后被所述第一反射镜反射，反射光束经所述第二1/4波片调制后穿过所述偏振分光棱镜，进入所述单点探测器作为参考光，所述反射光S’光进入所述角锥棱镜，产生的出射光束射入所述第一1/4波片进行调制，调制后的光束被所述偏振分光棱镜反射并进入所述单点探测器作为测量光，利用所述测量光与参考光的干涉条纹数据获得所述直线导轨的位置度误差。

作为进一步优选地，所述固定单元还包括第二反射镜和第三反射镜，所述移动单元还包括第三分光棱镜、第四反射镜、第二四象限探测器、第四分光棱镜、第五反射镜和第三四象限探测器，所述氦氖激光器发出的激光光束进入所述第一分光棱镜，被分为折射光N光和透射光M光，所述折射光N光被所述第二反射镜反射后，穿过所述第三分光棱镜射入所述第四反射镜，产生的反射光进入所述第二四象限探测器，所述透射光M光射入所述第二分光棱镜，产生的折射光被所述第三反射镜反射后，穿过所述第四分光棱镜射入所述第五反射镜，产生的反射光进入所述第三四象限探测器，利用所述移动单元沿导轨进行直线运动过程中，所述第二四象限探测器和第三四象限探测器探测到的光斑位移，获得所述直线导轨的偏摆角误差和俯仰角误差。

作为进一步优选地，所述固定单元还包括第四四象限探测器、第五四象限探测器、第六反射镜和第七反射镜，激光在所述第三分光棱镜产生的折射光经过所述第六反射镜反射后进入所述第四四象限探测器，同时激光在所述第四分光棱镜产生的折射光经过所述第七反射镜反射后进入所述第五四象限探测器，利用所述移动单元沿导轨进行直线运动过程中，所述第四四象限探测器和第五四象限探测器探测到的光斑位移，获得所述直线导轨的滚转角误差。

作为进一步优选地，所述氦氖激光器发出的激光光束为单频高功率圆偏振光。

作为进一步优选地，所述第三分光棱镜和第四分光棱镜关于所述角锥棱镜对称布置。

作为进一步优选地，所述第六反射镜到所述第三分光棱镜的距离与所述第七反射镜到所述第四分光棱镜的距离相等，并且所述第六反射镜和第七反射镜产生的反射光束相互平行。

按照本发明的另一方面，提供了一种利用上述测量系统进行误差测量的方法，该方法包括如下步骤：

(a)在数控机床中搭建所述高精度直线导轨的误差测量系统并进行光路对准调试，其中所述固定单元安装在固定工作台或固定三脚架上，所述移动单元安装在移动工作台上；

(b)启动所述数控机床，使所述移动工作台沿所述直线导轨做直线运动，利用四象限探测器每隔一段预设距离采集一组光斑的位置数据；

(c)根据各段预设距离中光斑的位移获得所述直线导轨各段的误差信息。

作为进一步优选地，在步骤(c)中，所述直线导轨的误差信息包括直线度误差、位置度误差、偏摆角误差、俯仰角误差和滚转角误差中的一种或多种。

作为进一步优选地，所述直线度误差的计算公式为：

式中，ΔX为所述直线导轨在X轴方向的直线误差，X_QD1为预设距离内所述第一四象限探测器探测到的光斑在X方向的位移，ΔY为所述直线导轨在Y方向的直线度误差，Y_QD1为预设距离内所述第一四象限探测器探测到的光斑在Y方向的位移；

优选地，所述位置度误差的计算公式为：

式中，L为所述直线导轨的位置实测值，N为干涉条纹的数量，λ为氦氖激光器发出的激光光束的波长，

为干涉条纹的相位变化量；

优选地，所述偏摆角误差的计算公式为：

式中，α为所述直线导轨的偏摆角误差，Y_QD2为预设距离内所述第二四象限探测器探测到的光斑在Y方向的位移，Y_QD3为预设距离内所述第三四象限探测器探测到的光斑在Y方向的位移，d为所述第二四象限探测器与第三四象限探测器的距离；

优选地，所述俯仰角误差的计算公式为：

式中，β为所述直线导轨的俯仰角误差，X_QD2为预设距离内所述第二四象限探测器探测到的光斑在X方向的位移，X_QD3为预设距离内所述第三四象限探测器探测到的光斑在X方向的位移；

优选地，所述滚转角误差的计算公式为：

式中，γ为所述直线导轨的滚转角误差，Y_QD4为预设距离内所述第四四象限探测器探测到的光斑在Y方向的位移，Y_QD5为预设距离内所述第五四象限探测器探测到的光斑在Y方向的位移，h为进入所述第四四象限探测器和所述第五四象限探测器的光束之间的距离。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明采用对角度较不敏感的角锥棱镜进行直线度误差测量，能够有效避免由于角度变化引入的串扰和测量误差，同时将角锥棱镜安装在轴线或近轴线上，还能够有效减少阿贝误差对测量结果的影响，从而提高直线度测量的精度；

2.同时，本发明采用激光干涉的方法进行位置度误差测量，与差频或光栅尺等测量方法相比，测量范围更大并且测量精度更高；

3.此外，采用本发明提供的误差测量系统进行俯仰角和偏摆角误差测量时，利用对称式结构布置并根据光路原理，能够实现俯仰角误差和偏摆角误差的解耦分离，有效避免各项误差串扰对测量结果造成的干扰，从而提高测量精度；

4.尤其是，采用本发明提供的高精度直线导轨的误差测量系统能够实现直线导轨的六自由度同步测量，具有结构简单紧凑、测量效率高的优势，同时能够有效减少由于器件加工误差或安装误差对测量结果造成的干扰，并实现各项误差之间的解耦分离，使测量结果更为准确、精度更高。

附图说明

图1是本发明优选实施例提供的高精度直线导轨的误差测量系统的结构示意图；

图2是本发明优选实施例中用于测量直线度误差的系统示意图；

图3是本发明优选实施例中用于测量位置度误差的系统示意图；

图4是本发明优选实施例中用于测量偏摆角和俯仰角误差的误差测量系统中移动单元的系统示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-第一分光棱镜，2-第二反射镜，3-第二分光棱镜，4-第三反射镜，5-偏振分光棱镜，6-单点探测器，7-第二1/4波片，8-第一反射镜，9-第一1/4波片，10-第一四象限探测器，11-半透射半反射镜，12-第四四象限探测器，13-第五四象限探测器，14-角锥棱镜，15-第三分光棱镜，16-第六反射镜，17-第二四象限探测器，18-第四反射镜，19-第四分光棱镜，20-第七反射镜，21-第五反射镜，22-第三四象限探测器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1～2所示，本发明实施例提出了一种高精度直线导轨的误差测量系统，该系统包括固定单元和移动单元，其中：

固定单元安装在数控机床的固定平面上，包括氦氖激光器、21、第二分光棱镜3、偏振分光棱镜5、第一1/4波片9和第一四象限探测器10；

移动单元安装在数控机床的移动工作台上，包括角锥棱镜14；

氦氖激光器发出的激光光束依次穿过第一分光棱镜1和第二分光棱镜3进入偏振分光棱镜5，并分为反射光S光和透射光P光，透射光P光射入第一1/4波片9进行调制，调制后的光束进入角锥棱镜14，产生的出射光束射入半透射半反射镜11并分为反射光S’光和透射光P’光，透射光P’光进入第一四象限探测器10，利用移动单元沿导轨进行直线运动过程中，第一四象限探测器10探测到的光斑位移，获得直线导轨的直线度误差。

进一步，如图3所示，固定单元还包括单点探测器6、第二1/4波片7和第一反射镜8，反射光S光经第二1/4波片7调制后被第一反射镜8反射，反射光束经第二1/4波片7调制后穿过偏振分光棱镜5，进入单点探测器6作为参考光，反射光S’光进入角锥棱镜14，产生的出射光束射入第一1/4波片9进行调制，调制后的光束被偏振分光棱镜5反射并进入单点探测器6作为测量光，利用测量光与参考光的干涉条纹数据获得直线导轨的位置度误差。

进一步，如图4所示，固定单元还包括第二反射镜2和第三反射镜4，移动单元还包括第三分光棱镜15、第四反射镜18、第二四象限探测器17、第四分光棱镜19、第五反射镜21和第三四象限探测器22，氦氖激光器发出的激光光束进入第一分光棱镜1，被分为折射光N光和透射光M光，折射光N光被第二反射镜2反射后，穿过第三分光棱镜15射入第四反射镜18，产生的反射光进入第二四象限探测器17，透射光M光射入第二分光棱镜3，产生的折射光被第三反射镜4反射后，穿过第四分光棱镜19射入第五反射镜21，产生的反射光进入第三四象限探测器22，利用移动单元沿导轨进行直线运动过程中，第二四象限探测器17和第三四象限探测器22探测到的光斑位移，获得直线导轨的偏摆角误差和俯仰角误差。

进一步，固定单元还包括第四四象限探测器12、第五四象限探测器13、第六反射镜16和第七反射镜20，激光在第三分光棱镜15产生的折射光经过第六反射镜16反射后进入第四四象限探测器12，同时激光在第四分光棱镜19产生的折射光经过第七反射镜20反射后进入第五四象限探测器13，利用移动单元沿导轨进行直线运动过程中，第四四象限探测器12和第五四象限探测器13探测到的光斑位移，获得直线导轨的滚转角误差。

进一步，氦氖激光器优选采用波长为632.8nm的氦氖激光器，其发出的激光光束为单频高功率圆偏振光，具有较高的稳定性，受外界扰动较小。

进一步，第三分光棱镜15和第四分光棱镜19关于角锥棱镜14对称布置。

进一步，第六反射镜16到第三分光棱镜15的距离与第七反射镜20到第四分光棱镜19的距离相等，并且第六反射镜16和第七反射镜20产生的反射光束相互平行。

利用没发明提供的高精度直线导轨的误差测量系统进行测量时，能够将各项误差解耦分离，提高测量的准确度，但由于系统误差和随机误差的影响，应当对系统进行误差补偿。系统误差主要来源于：光学器件制造误差、安装误差、电路信号干扰误差、外界环境如温度、湿度、振动的影响等。

本发明还提供了一种利用上述测量系统进行误差测量的方法，该方法包括如下步骤：

(a)在数控机床中搭建高精度直线导轨的误差测量系统并进行光路对准调试，其中固定单元安装在固定工作台或固定三脚架上，移动单元安装在移动工作台上；

(b)启动所述数控机床，使所述移动工作台沿所述直线导轨做直线运动，利用四象限探测器每隔一段预设距离采集一组光斑的位置数据，预设距离优选为直线导轨长度的十分之一；

(c)根据各段预设距离中光斑的位移获得直线导轨各段的误差信息，该误差信息包括直线度误差、位置度误差、偏摆角误差、俯仰角误差和滚转角误差中的一种或多种，其中：

(i)假定导轨沿Z轴方向移动，直线度误差的计算公式为：

式中，ΔX为直线导轨在X轴方向的直线误差，X_QD1为预设距离内第一四象限探测器探测到的光斑在X方向的位移，ΔY为直线导轨在Y方向的直线度误差，Y_QD1为预设距离内第一四象限探测器探测到的光斑在Y方向的位移；

(ii)位置度误差的计算公式为：

式中，L为直线导轨的位置实测值，N为干涉条纹的数量，λ为氦氖激光器发出的激光光束的波长，

为干涉条纹的相位变化量；

(iii)偏摆角误差的计算公式为：

式中，α为直线导轨的偏摆角误差，Y_QD2为预设距离内第二四象限探测器探测到的光斑在Y方向的位移，Y_QD3为预设距离内第三四象限探测器探测到的光斑在Y方向的位移，d为第二四象限探测器与第三四象限探测器的距离；

(ⅳ)俯仰角误差的计算公式为：

式中，β为直线导轨的俯仰角误差，X_QD2为预设距离内第二四象限探测器探测到的光斑在X方向的位移，X_QD3为预设距离内第三四象限探测器探测到的光斑在X方向的位移；

(ⅴ)虽然直线度误差、偏摆角误差、俯仰角误差和滚转角误差均耦合在第四四象限探测器和第五四象限探测器上，但由于第三分光棱镜15和第四分光棱镜19关于直线导轨对称分布，因此由于直线度误差、偏摆角误差、俯仰角误差引起的误差在第四四象限探测器和第五四象限探测器上引起的位移变化量均相等，因此滚转角误差的计算公式为：

式中，γ为直线导轨的滚转角误差，Y_QD4为预设距离内第四四象限探测器探测到的光斑在Y方向的位移，Y_QD5为预设距离内第五四象限探测器探测到的光斑在Y方向的位移，h为进入第四四象限探测器和第五四象限探测器的光束之间的距离。

进一步，在步骤(b)中，利用数据采集卡将光斑在四象限探测器中的光强信号转换为光斑的位置数据，其原理如下式：

式中，σ_x为光斑在X方向的位置坐标，σ_y为光斑在Y方向的位置坐标，k为光斑系数，I₁、I₂、I₃、I₄依次为四象限探测器中各个象限探测到的光强信号。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高精度直线导轨的误差测量系统，其特征在于，该系统包括固定单元和移动单元，其中：

所述固定单元安装在数控机床的固定平面上，包括氦氖激光器、第一分光棱镜(1)、第二分光棱镜(3)、偏振分光棱镜(5)、第一1/4波片(9)和第一四象限探测器(10)；所述移动单元安装在数控机床的移动工作台上，包括角锥棱镜(14)，所述角锥棱镜(14)安装在轴线或近轴线上；

所述氦氖激光器发出的激光光束依次穿过所述第一分光棱镜(1)和第二分光棱镜(3)进入所述偏振分光棱镜(5)，并分为反射光S光和透射光P光，所述透射光P光射入所述第一1/4波片(9)进行调制，调制后的光束进入所述角锥棱镜(14)，产生的出射光束射入半透射半反射镜(11)并分为反射光S’光和透射光P’光，所述透射光P’光进入所述第一四象限探测器(10)，利用所述移动单元沿导轨进行直线运动过程中，所述第一四象限探测器(10)探测到的光斑位移，获得直线导轨的直线度误差。

2.如权利要求1所述的高精度直线导轨的误差测量系统，其特征在于，所述固定单元还包括单点探测器(6)、第二1/4波片(7)和第一反射镜(8)，所述反射光S光经所述第二1/4波片(7)调制后被所述第一反射镜(8)反射，反射光束经所述第二1/4波片(7)调制后穿过所述偏振分光棱镜(5)，进入所述单点探测器(6)作为参考光，所述反射光S’光进入所述角锥棱镜(14)，产生的出射光束射入所述第一1/4波片(9)进行调制，调制后的光束被所述偏振分光棱镜(5)反射并进入所述单点探测器(6)作为测量光，利用所述测量光与参考光的干涉条纹数据获得所述直线导轨的位置度误差。

3.如权利要求2所述的高精度直线导轨的误差测量系统，其特征在于，所述固定单元还包括第二反射镜(2)和第三反射镜(4)，所述移动单元还包括第三分光棱镜(15)、第四反射镜(18)、第二四象限探测器(17)、第四分光棱镜(19)、第五反射镜(21)和第三四象限探测器(22)，所述氦氖激光器发出的激光光束进入所述第一分光棱镜(1)，被分为折射光N光和透射光M光，所述折射光N光被所述第二反射镜(2)反射后，穿过所述第三分光棱镜(15)射入所述第四反射镜(18)，产生的反射光进入所述第二四象限探测器(17)，所述透射光M光射入所述第二分光棱镜(3)，产生的折射光被所述第三反射镜(4)反射后，穿过所述第四分光棱镜(19)射入所述第五反射镜(21)，产生的反射光进入所述第三四象限探测器(22)，利用所述移动单元沿导轨进行直线运动过程中，所述第二四象限探测器(17)和第三四象限探测器(22)探测到的光斑位移，获得所述直线导轨的偏摆角误差和俯仰角误差。

4.如权利要求3所述的高精度直线导轨的误差测量系统，其特征在于，所述固定单元还包括第四四象限探测器(12)、第五四象限探测器(13)、第六反射镜(16)和第七反射镜(20)，激光在所述第三分光棱镜(15)产生的折射光经过所述第六反射镜(16)反射后进入所述第四四象限探测器(12)，同时激光在所述第四分光棱镜(19)产生的折射光经过所述第七反射镜(20)反射后进入所述第五四象限探测器(13)，利用所述移动单元沿导轨进行直线运动过程中，所述第四四象限探测器(12)和第五四象限探测器(13)探测到的光斑位移，获得所述直线导轨的滚转角误差。

5.如权利要求1～4任一项所述的高精度直线导轨的误差测量系统，其特征在于，所述氦氖激光器发出的激光光束为单频高功率圆偏振光。

6.如权利要求3所述的高精度直线导轨的误差测量系统，其特征在于，所述第三分光棱镜(15)和第四分光棱镜(19)关于所述角锥棱镜(14)对称布置。

7.如权利要求4所述的高精度直线导轨的误差测量系统，其特征在于，所述第六反射镜(16)到所述第三分光棱镜(15)的距离与所述第七反射镜(20)到所述第四分光棱镜(19)的距离相等，并且所述第六反射镜(16)和第七反射镜(20)产生的反射光束相互平行。

8.一种利用如权利要求1～7任一项所述高精度直线导轨的误差测量系统进行误差测量的方法，该方法包括如下步骤：

(a)在数控机床中搭建所述高精度直线导轨的误差测量系统并进行光路对准调试，其中所述固定单元安装在固定工作台或固定三脚架上，所述移动单元安装在移动工作台上；

(b)启动所述数控机床，使所述移动工作台沿所述直线导轨做直线运动，利用四象限探测器每隔一段预设距离采集一组光斑的位置数据；

(c)根据各段预设距离中光斑的位移获得所述直线导轨各段的误差信息。

9.如权利要求8所述的利用高精度直线导轨的误差测量系统进行误差测量的方法，其特征在于，在步骤(c)中，所述直线导轨的误差信息包括直线度误差、位置度误差、偏摆角误差、俯仰角误差和滚转角误差中的一种或多种。

10.如权利要求9所述的误差测量方法，其特征在于，所述直线度误差的计算公式为：

式中，ΔX为所述直线导轨在X轴方向的直线误差，X_QD1为预设距离内第一四象限探测器(10)探测到的光斑在X方向的位移，ΔY为所述直线导轨在Y方向的直线度误差，Y_QD1为预设距离内第一四象限探测器(10)探测到的光斑在Y方向的位移；

所述位置度误差的计算公式为：

式中，L为所述直线导轨的位置实测值，N为干涉条纹的数量，λ为氦氖激光器发出的激光光束的波长，

为干涉条纹的相位变化量；

所述偏摆角误差的计算公式为：

式中，α为所述直线导轨的偏摆角误差，Y_QD2为预设距离内第二四象限探测器(17)探测到的光斑在Y方向的位移，Y_QD3为预设距离内第三四象限探测器(22)探测到的光斑在Y方向的位移，d为第二四象限探测器与第三四象限探测器的距离；

所述俯仰角误差的计算公式为：

式中，β为所述直线导轨的俯仰角误差，X_QD2为预设距离内第二四象限探测器(17)探测到的光斑在X方向的位移，X_QD3为预设距离内第三四象限探测器(22)探测到的光斑在X方向的位移；

所述滚转角误差的计算公式为：

式中，γ为所述直线导轨的滚转角误差，Y_QD4为预设距离内第四四象限探测器(12)探测到的光斑在Y方向的位移，Y_QD5为预设距离内第五四象限探测器(13)探测到的光斑在Y方向的位移，h为进入第四四象限探测器(12)和第五四象限探测器(13)的光束之间的距离。

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