一种直线进给系统的多自由度误差同时测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术一种直线进给系统的多自由度误差同时测量装置及方法，所述装置中，直线进给系统包括机床，固定在机床上的导轨，与导轨配合的若干滑块，以及固定在滑块上且分别与导轨滑动连接的移动工作台和静止工作台；所述测量装置包括固定在移动工作台上移动端、固定在静止工作台上固定端和上位机；所述的移动端包括竖直放置的第一直角棱镜，水平放置的第二直角棱镜，以及半透半反镜；所述的固定端包括激光器，第一分光棱镜，反射镜，第二分光棱镜，准直透镜，以及三个PSD位置探测器；上位机的输入端分别连接第一PSD位置探测器、第二PSD位置探测器和第三PSD位置探测器的输出端，用于通过数据处理得到移动工作台的俯仰角、偏摆角和滚转角。

Multi degree of freedom error simultaneous measuring device and method for linear feed system

At the same time measurement device and method for multi degree of freedom error of the invention relates to a linear feed system, the device, the linear feed system comprises a machine tool, a fixed guide rail on the machine, and a number of slide guide rail, and fixed on the sliding block and the sliding rail connected to the movable table and the static table; the measuring device comprises a fixed working table on the mobile terminal in the mobile and fixed on the stationary work table fixed terminal and PC; the mobile terminal includes a first rectangular prism vertical, second horizontal rectangular prism, and transflective mirror; the fixed end comprises a first laser beam splitter second, mirror, prism, collimating lens, and three PSD position detector; PC input end is respectively connected with the first PSD position detector, second PSD position detector And the output of the third PSD position detector are used to obtain the pitch angle, yaw angle and roll angle of the moving table by data processing.

【技术实现步骤摘要】
一种直线进给系统的多自由度误差同时测量装置及方法
本专利技术涉及机床直线轴运动精度的测量，具体为一种直线进给系统的多自由度误差同时测量装置及方法。
技术介绍
直线导轨是数控机床、加工中心等高精密加工和测量装备的重要组成部件，其制造和装配误差是影响上述设备加工和测量精度的主要因素。由于直线导轨存在制造误差和装配误差，因此安装到直线导轨上面的工作台总是存在六个自由度的几何运动误差，三个线性误差以及三个角度误差，提高机床精度的基本方法有误差防止法以及误差补偿法，误差防止法主要是通过各种手段来减小误差源，但是成本昂贵。误差补偿法是利用仪器测量、分析、归纳从而来找到误差源规律，从而建立误差补偿模型，提高机床的加工精度。误差补偿的基础是数控机床各项误差元素的检测，因此对于机床几何运动误差的精密检测是提高机床精度的前提。根据ISO-230-1标准的要求，需要对机床的21项误差进行测量，其中就包括直线进给系统工作台的六个自由度误差测量，但是现有工业的测量装置简陋，测量精度低测量时间长，因此在精度达到要求的情况下将测量时间压缩到最短是很必要的，因此研制能够对于多自由度误差的同时测量的装置能有效的减小测量时间。现有的能够同时测量直线进给系统多自由度误差的方法主要有激光干涉法和激光几何法；激光干涉法能够单独的测量出除了滚转角之外的其他五个自由度的误差，但是大部分在测量过程中只能单个进行测量，能够同时测量多自由度的干涉法测量仪器价格昂贵，并不能有效的减短测量时间。激光几何法能够实现多自由度的同时测量，但是相对精度较低，在测量过程中各误差之间进行串扰，尤其是定位误差对于角度测量的影响。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种直线进给系统的多自由度误差同时测量装置及方法，提升了测量过程中的简易性，减少了在机床测量过程中花费的时间，极大的提高了效率。本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种直线进给系统的多自由度误差同时测量装置，其中，直线进给系统包括机床，固定在机床上的导轨，与导轨配合的若干滑块，以及固定在滑块上且分别与导轨滑动连接的移动工作台和静止工作台；所述测量装置包括固定在移动工作台上移动端、固定在静止工作台上固定端和上位机；所述的移动端包括竖直放置的第一直角棱镜，水平放置的第二直角棱镜，以及半透半反镜；所述的固定端包括激光器，第一分光棱镜，反射镜，第二分光棱镜，准直透镜，以及三个PSD位置探测器；第一分光棱镜设置在激光器发射光路上形成第一反射光和第一透射光；第一分光棱镜、第二分光棱镜、半透半反镜、准直透镜和第三PSD位置探测器形成俯仰角与偏摆角的耦合单元；第二分光棱镜设置在第一透射光路或者第一反射光经反射镜后的光路上形成第二透射光；半透半反镜设置在第二透射光路上形成第三透射光和第三反射光；第三反射光经第二分光棱镜和准直透镜由第三PSD位置探测器接收；第一分光棱镜、反射镜、第一直角棱镜和第一PSD位置探测器形成偏摆角与滚转角的耦合单元；第三透射光或第一反射光经反射镜的光作为第一直角棱镜的入射光，第一直角棱镜的出射光由第一PSD位置探测器接收；第一分光棱镜、第二直角棱镜和第二PSD位置探测器形成俯仰角与滚转角的耦合单元；第一透射光或第三透射光经第二直角棱镜由第二PSD位置探测器接收；上位机的输入端分别连接第一PSD位置探测器、第二PSD位置探测器和第三PSD位置探测器的输出端，用于通过数据处理得到移动工作台的俯仰角、偏摆角和滚转角。优选的，第一直角棱镜和第二直角棱镜的斜面共面设置，第一PSD位置探测器和第二PSD位置探测器的接收面共面设置。优选的，所述的移动端还包括装配底座；装配底座的底部固定在移动工作台上，第一直角棱镜和第二直角棱镜的斜面均贴合固定在装配底座前端面内侧；装配底座前端面上对应第一直角棱镜和第二直角棱镜的入射光路和出射光路分别设置对应的光通孔；对应第一直角棱镜或第二直角棱镜入射光路的光通孔上同轴设置固定在前端面上的半透半反镜夹具；第一直角棱镜和第二直角棱镜的直角端分别设置直角棱镜夹具，两个直角棱镜夹具分别通过第一直角棱镜端盖和第二直角棱镜端盖与装配底座后端面固定。进一步，所述的半透半反镜夹具包括环状本体和内侧设置有环状凹台，环状凹台用于加持固定半透半反镜，环状本体通过螺栓固定在移动端装配体底座的前端面外侧。进一步，所述的直角棱镜夹具顶部设置直角槽用于与直角棱镜的直角接触贴合，底部设置两个定位孔，底部两个侧面分别设置直角槽两个边垂直的螺纹孔。再进一步，第一直角棱镜端盖和第二直角棱镜端盖上均设置有端盖连接孔、棱镜夹具固定孔和螺丝调节孔；第一直角棱镜端盖和第二直角棱镜端盖分别通过端盖连接孔固定连接在装配底座的后端面，棱镜夹具固定孔与定位孔配合，螺丝调节孔与螺纹孔同轴设置。优选的，第一分光棱镜、第二分光棱镜和反射镜通过笼式框架固定连接为一个整体。优选的，第二分光棱镜通过笼式框架与准直透镜同轴连接，准直透镜滑动设置在笼式框架上。一种直线进给系统的多自由度误差同时测量方法，基于本专利技术所述的测量装置，包括如下步骤，步骤1，打开激光器，通过偏摆角与滚转角的耦合单元中的第一PSD位置探测器测得的光斑水平位移量d3x；步骤2，通过俯仰角与滚转角的耦合单元中的第二PSD位置探测器测得的光斑竖直位移量d9y；步骤3，通过俯仰角与偏摆角的耦合单元中的第三PSD位置探测器测得两个光斑位移变化量d13x以及d13y；步骤4，通过上位机对步骤1、2和3中得到的四个位移量进行数据处理，得到以下关系式，其中：d为光线在直角棱镜中入射光和出射光之间的距离，n为棱镜的折射率，L为直角棱镜斜边的长度，z0+Δz为每一次测量时直角棱镜斜面距离PSD位置探测器的距离，其中z0为初始测量位置直角棱镜斜面距离PSD的距离，Δz为每次移动的距离，f为准直透镜的焦距，α为移动工作台的俯仰角，β为移动工作台的偏摆角，γ为移动工作台的滚转角；步骤5，将步骤4中的关系式解耦关系之后得到移动工作台的俯仰角、偏摆角和滚转角，其结果如下，优选的，步骤4中得到的关系式中不考虑安装误差。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术是建立在耦合模型上的一种多自由度误差测量，能够将多个角度的耦合关系解耦求解，忽略单独测量过程中误差之间的串扰带来的误差，通过这个装置，利用3个PSD位置探测器检测的四个位移量以及分光棱镜分解的两个光路就可以解耦俯仰、偏摆、滚转三个角度，求解相应的角度，减小了在光路调节过程中的难度，能够有效的测量出直线进给系统的俯仰、偏摆、滚转三个角度误差。附图说明图1为本专利技术实例中所述测量装置的测量原理结构示意图。图2a为本专利技术实例中所述半透半反镜与第一直角棱镜对应时移动端装配底座正面轴测图。图2b为本专利技术实例中所述半透半反镜与第一直角棱镜对应时移动端装配底座背面轴测图。图2c为本专利技术实例中所述半透半反镜与第一直角棱镜对应时移动端装配底座内部装配图。图3为本专利技术实例中所述棱镜夹具的结构示意图。图4为本专利技术实例中所述半透半反镜夹具的结构示意图。图5a为本专利技术实例中所述第一直角棱镜端盖的结构示意图。图5b为本专利技术实例中所述第二直角棱镜端盖的结构示意图。图6a为本专利技术实例中所述半透半反镜与第二直角棱镜对应时移动端装配底座正面轴测图。图6b为本专利技术实例中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直线进给系统的多自由度误差同时测量装置，其中，直线进给系统包括机床，固定在机床上的导轨，与导轨配合的若干滑块，以及固定在滑块上且分别与导轨滑动连接的移动工作台和静止工作台；其特征在于，所述测量装置包括固定在移动工作台上移动端(101)、固定在静止工作台上固定端(201)和上位机(301)；所述的移动端(101)包括竖直放置的第一直角棱镜(4)，水平放置的第二直角棱镜(7)，以及半透半反镜(8)；所述的固定端(201)包括激光器，第一分光棱镜(1)，反射镜(2)，第二分光棱镜(10)，准直透镜(11)，以及三个PSD位置探测器；第一分光棱镜(1)设置在激光器发射光路上形成第一反射光和第一透射光；第一分光棱镜(1)、第二分光棱镜(10)、半透半反镜(8)、准直透镜(11)和第三PSD位置探测器(13)形成俯仰角与偏摆角的耦合单元；第二分光棱镜(10)设置在第一透射光路或者第一反射光经反射镜(2)后的光路上形成第二透射光；半透半反镜(8)设置在第二透射光路上形成第三透射光和第三反射光；第三反射光经第二分光棱镜(10)和准直透镜(11)由第三PSD位置探测器(13)接收；第一分光棱镜(1)、反射镜(2)、第一直角棱镜(4)和第一PSD位置探测器(3)形成偏摆角与滚转角的耦合单元；第三透射光或第一反射光经反射镜(2)的光作为第一直角棱镜(4)的入射光，第一直角棱镜(4)的出射光由第一PSD位置探测器(3)接收；第一分光棱镜(1)、第二直角棱镜(7)和第二PSD位置探测器(9)形成俯仰角与滚转角的耦合单元；第一透射光或第三透射光经第二直角棱镜(7)由第二PSD位置探测器(9)接收；上位机(301)的输入端分别连接第一PSD位置探测器(3)、第二PSD位置探测器(9)和第三PSD位置探测器(13)的输出端，用于通过数据处理得到移动工作台的俯仰角、偏摆角和滚转角。...

【技术特征摘要】
1.一种直线进给系统的多自由度误差同时测量装置，其中，直线进给系统包括机床，固定在机床上的导轨，与导轨配合的若干滑块，以及固定在滑块上且分别与导轨滑动连接的移动工作台和静止工作台；其特征在于，所述测量装置包括固定在移动工作台上移动端(101)、固定在静止工作台上固定端(201)和上位机(301)；所述的移动端(101)包括竖直放置的第一直角棱镜(4)，水平放置的第二直角棱镜(7)，以及半透半反镜(8)；所述的固定端(201)包括激光器，第一分光棱镜(1)，反射镜(2)，第二分光棱镜(10)，准直透镜(11)，以及三个PSD位置探测器；第一分光棱镜(1)设置在激光器发射光路上形成第一反射光和第一透射光；第一分光棱镜(1)、第二分光棱镜(10)、半透半反镜(8)、准直透镜(11)和第三PSD位置探测器(13)形成俯仰角与偏摆角的耦合单元；第二分光棱镜(10)设置在第一透射光路或者第一反射光经反射镜(2)后的光路上形成第二透射光；半透半反镜(8)设置在第二透射光路上形成第三透射光和第三反射光；第三反射光经第二分光棱镜(10)和准直透镜(11)由第三PSD位置探测器(13)接收；第一分光棱镜(1)、反射镜(2)、第一直角棱镜(4)和第一PSD位置探测器(3)形成偏摆角与滚转角的耦合单元；第三透射光或第一反射光经反射镜(2)的光作为第一直角棱镜(4)的入射光，第一直角棱镜(4)的出射光由第一PSD位置探测器(3)接收；第一分光棱镜(1)、第二直角棱镜(7)和第二PSD位置探测器(9)形成俯仰角与滚转角的耦合单元；第一透射光或第三透射光经第二直角棱镜(7)由第二PSD位置探测器(9)接收；上位机(301)的输入端分别连接第一PSD位置探测器(3)、第二PSD位置探测器(9)和第三PSD位置探测器(13)的输出端，用于通过数据处理得到移动工作台的俯仰角、偏摆角和滚转角。2.根据权利要求1所述的一种直线进给系统的多自由度误差同时测量装置，其特征在于，第一直角棱镜(4)和第二直角棱镜(7)的斜面共面设置，第一PSD位置探测器(3)和第二PSD位置探测器(9)的接收面共面设置。3.根据权利要求1所述的一种直线进给系统的多自由度误差同时测量装置，其特征在于，所述的移动端(101)还包括装配底座(15)；装配底座(15)的底部固定在移动工作台上，第一直角棱镜(4)和第二直角棱镜(7)的斜面均贴合固定在装配底座(15)前端面内侧；装配底座(15)前端面上对应第一直角棱镜(4)和第二直角棱镜(7)的入射光路和出射光路分别设置对应的光通孔；对应第一直角棱镜(4)或第二直角棱镜(7)入射光路的光通孔上同轴设置固定在前端面上的半透半反镜夹具(14)；第一直角棱镜(4)和第二直角棱镜(7)的直角端分别设置直角棱镜夹具(18)，两个直角棱镜夹具(18)分别通过第一直角棱镜端盖(16)和第二直角棱镜端盖(17)与装配底座(15)后端面固定。4.根据权利要求3所述的一种直线进给系统的多自由度误差同时测量装置，其特征在于，所述的半透半反镜夹具(14)包括环状本体(1401)和内侧设置有环状凹台(140...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志刚，洪军，赵列斌，郭俊康，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61