一种用于转台六项几何误差测量方法技术

本发明专利技术公开了一种用于转台六项几何误差高效测量方法，该方法利用一个十二面棱镜，两个激光二极管和两个位置传感器测量转台的三个角度量误差(EAC，EBC，ECC)；利用一个标准球，一个激光干涉仪，一个激光二极管和两个位置传感器测量转台的三个位移量误差(EXC，EYC，EZC)。在测量的过程中，测量装置同轴地固定在转台上，并且在转台的一次全周回转运动中，该测量方法能够将转台的六项几何误差一次性全部测量出来。本发明专利技术提供的转台六项几何误差高效测量方法能够有效地提高转台几何误差的测量效率。

An efficient method for measuring six geometric errors of turntable

The invention discloses a method for six geometric errors, measurement table, the method using a twelve prism, two laser diodes and two position sensors measuring turntable three angle error (EAC, EBC, ECC); with a standard ball, a laser interferometer, a a laser diode and a two position sensor for measuring turntable three displacement error (EXC, EYC, EZC). In the process of measurement, the measuring device is fixed on the turntable, and it can measure all the six geometric errors of turntable at one time in rotary motion of turntable. The six geometric error efficient measurement methods provided by the invention can effectively improve the measurement efficiency of the geometric error of the turntable.

【技术实现步骤摘要】
一种用于转台六项几何误差高效测量方法
本专利技术涉及一种转台运动精度测量领域，尤其涉及一种用于转台六项几何误差高效测量方法。
技术介绍
转台广泛应用于工业制造，精密测量等领域。转台的制造精度、装配精度以及控制精度会直接影响转台的运动精度。传统方法使用自准直仪，激光干涉仪，千分表，电感测微仪等组合系统实现转台精度的检定。然而对于转台六项几何误差的测量，传动方法避免不了测量效率低的劣势。一种用于转台六项几何误差高效测量方法仅需要转台经过一次全周的回转运动就能够得到转台的六项几何误差，提高了测量效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于以高效率的形式测量转台的六项几何误差，提供了一种转台仅需要经过一次全周的回转运动就能够得到六项几何误差的测量方法。一种用于转台六项几何误差高效测量方法，该测量方法分为两个测量步骤，第一是三个角度量误差的测量，第二是三个位移量误差的测量。三个角度量误差包括角定位误差ECC(εz)(angularpositionerror)，绕X轴倾斜误差EAC(εx)(tiltmotionaroundXaxis)和绕Y轴倾斜误差EBC(εy)(tiltmotionaroundXaxis)；位移量误差包括X轴方向径向跳动误差EXC(δx)(radialmotioninXdirection)，Y方向径向跳动误差EYC(δy)(radialmotioninYdirection)和轴向跳动误差EZC(δz)(axialmotion)。如图1所示，该测量方法中各部分光学元件的位置关系如下：将十二面棱镜放在转台的端面上，十二面棱镜的轴线与转台的回转轴线同轴；标准球支杆用于支撑标准球，且同轴地固定在十二面棱镜上；第一激光二极管发出的激光束垂直透射过十二面棱镜一个面的中心，且照射在第一位置传感器的中心；第一激光二极管的中心轴线与第二激光二极管的中心轴线垂直，第二激光二极管发出的激光束垂直透射过十二面棱镜另一个面的中心，且照射在第二位置传感器的中心；第三激光二极管发出的激光束平行于第二激光二极管发出的激光束，且透射过第一分光镜与第一透镜的中心后，聚焦在标准球的中心。同时经由标准球反射回的激光束在被第一分光镜反射后，照射到第三位置传感器的中心；激光干涉仪发出的激光束平行于第一激光二极管发出的激光束，且透射过第二分光镜与第二透镜的中心后，聚焦在标准球的中心。同时经由标准球反射回的激光束在被第二分光镜反射后，照射到第四位置传感器的中心。如图2所示，转台在回转的过程中，六项几何误差会使十二面棱镜的坐标系位置在空间发生变化。以十二面棱镜的中心为坐标原点，指向第一激光二极管的方向为X轴，指向第二激光二极管方向为Y轴，垂直十二面棱镜端面向上方向为Z轴。当转台回转θ角后，由于六项几何误差EAC(εx)，EBC(εy)，ECC(εz)，EXC(δx)，EYC(δy)和EZC(δz)的存在，导致坐标系XYZ的位置发生偏移，即X′Y′Z′位置。如图3所示，在六项几何误差中，当角度量误差EAC(εx)，EBC(εy)和ECC(εz)均为零时，即只存在位移量误差EXC(δx)，EYC(δy)和EZC(δz)时，第一位置传感器和第二位置传感器的信号不发生变化。因此，通过十二面棱镜，两个激光二极管和两个位置传感器能够将三个角度量误差完全分离出来。如图4所示，当转台回转θ角后，ECC(εz)的存在使十二面棱镜由初始位置变为偏移位置。垂直于激光束的AB和CD边也变为A′B′和C′D′边的位置。由于AB和CD边一直保持平行，根据折射原理，透射过A′B′边的激光束平行于原激光束。如图5所示，入射进C′D′边的激光束在十二面棱镜内部发生了折射，透射过A′B′边的激光束照射到第二位置传感器上。通过对第二位置传感器上的电信号进行换算，计算出由ECC(εz)引起的激光束光斑偏移量为l2x。AB边和CD边距离为L1，第一入射角等于ECC(εz)，折射角为α1，十二面棱镜的折射率为n1,计算出角定位误差ECC(εz)与各已知量之间的关系，如公式(1)。如图6所示，EAC(εx)的存在使十二面棱镜由初始位置变为偏移位置。垂直于激光束的EF和GH边也变为E′F′和G′H′边的位置。由于EF和GH边一直保持平行，根据折射原理可知，透射过E′F′边的激光束平行于原激光束。如图7所示，入射进G′H′边的激光束在十二面棱镜内部发生了折射，透射过E′F′边的激光束照射到第二位置传感器上。通过对第二位置传感器上的电信号进行换算，计算出由EAC(εx)引起的激光束光斑偏移量为l2x。其中，EF和GH边距离为L1，第二入射角等于EAC(εx)，折射角为α2，十二面棱镜的折射率为n1,计算出角定位误差EAC(εx)与各已知量之间的关系，如公式(2)。如图8所示，入射进I′J′边的激光束在十二面棱镜内部发生了折射，透射过I′J′边的激光束照射到第一位置传感器上。通过对第一位置传感器上的电信号进行换算，计算出由EBC(εy)引起的激光束光斑偏移量为l1z。IJ和KL边距离为L1，第三入射角等于EBC(εy)，折射角为α3，十二面棱镜的折射率为n1，计算出角定位误差EBC(εy)与各已知量之间的关系，如公式(3)。如图9所示，转台在回转的过程中，六项几何误差会使标准球的坐标系位置在空间发生变化。以标准球的中心为坐标原点，激光干涉仪激光束出射方向为X轴，第三激光二极管激光束出射方向为Y轴，沿标准球支杆轴线向上方向为Z轴。当转台回转θ角后，由于六项几何误差EAC(εx)，EBC(εy)，ECC(εz)，EXC(δx)，EYC(δy)和EZC(δz)的存在，导致坐标系XYZ的初始位置变为偏移位置X′Y′Z′。如图10所示，标准球球心的初始安装位置并不在转台回转轴线上，此时需要激光干涉仪分别在转台0°，180°，90°，270°位置进行四次测量。当激光干涉仪读数变化最小时，判定标准球球心位于转台回转轴线上。如图11所示，当转台回转θ角后，由于六项几何误差EAC(εx)，EBC(εy)，ECC(εz)，EXC(δx)，EYC(δy)和EZC(δz)的存在，导致标准球在XOZ平面上的投影位置移动到虚线位置。从XOZ平面分析可知，标准球的球心坐标经过EXC(δx)，EZC(δz)和EBC(εy)的影响后变为(Δ3x，Δ3z)。经过标准球的反射和透镜的透射后，照射在第三位置传感器上的激光束光斑坐标为(l3x，l3z)。L2表示标准球球心距标准球支杆下端面的距离。EXC(δx)，EZC(δz)和EBC(εy)与Δ3x和Δ3z的关系如公式(4)、(5)。Δ3x＝EXC(δx)+L2·sin[EBC(εy)](4)Δ3z＝EZC(δz)+L2·(cos[EBC(εy)]-1)(5)如图12所示，标准球沿垂直激光束光轴方向移动，使标准球球心与初始位置的偏移量为δ1。透射过双凸透镜的激光束Lin由已经产生位置偏移的标准球反射，反射光束与入射光束保持一定的夹角θout2。由标准球反射的激光光束以位姿[din3,θin3]照射到透镜上，并以位姿[dout3,θout3]透射过该透镜。其中，Ldeath表示死程距离，R1表示透镜入射面的曲率半径，R2表示透射面的曲率半径，t表示透镜的厚度，n2表示透镜的折射率，f表示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于转台六项几何误差高效测量方法，其特征在于：该测量方法分为两个测量步骤，第一是三个角度量误差的测量，第二是三个位移量误差的测量；三个角度量误差包括角定位误差ECC(εz)(angular position error)，绕X轴倾斜误差EAC(εx)(tilt motion around X axis)和绕Y轴倾斜误差EBC(εy)(tilt motion around X axis)；位移量误差包括X轴方向径向跳动误差EXC(δx)(radial motion in X direction)，Y方向径向跳动误差EYC(δy)(radial motion in Y direction)和轴向跳动误差EZC(δz)(axial motion)；该测量方法中各部分光学元件的位置关系如下：将十二面棱镜放在转台的端面上，十二面棱镜的轴线与转台的回转轴线同轴；标准球支杆用于支撑标准球，且同轴地固定在十二面棱镜上；第一激光二极管发出的激光束垂直透射过十二面棱镜一个面的中心，且照射在第一位置传感器的中心；第一激光二极管的中心轴线与第二激光二极管的中心轴线垂直，第二激光二极管发出的激光束垂直透射过十二面棱镜另一个面的中心，且照射在第二位置传感器的中心；第三激光二极管发出的激光束平行于第二激光二极管发出的激光束，且透射过第一分光镜与第一透镜的中心后，聚焦在标准球的中心；同时经由标准球反射回的激光束在被第一分光镜反射后，照射到第三位置传感器的中心；激光干涉仪发出的激光束平行于第一激光二极管发出的激光束，且透射过第二分光镜与第二透镜的中心后，聚焦在标准球的中心；同时经由标准球反射回的激光束在被第二分光镜反射后，照射到第四位置传感器的中心。...

【技术特征摘要】
1.一种用于转台六项几何误差高效测量方法，其特征在于：该测量方法分为两个测量步骤，第一是三个角度量误差的测量，第二是三个位移量误差的测量；三个角度量误差包括角定位误差ECC(εz)(angularpositionerror)，绕X轴倾斜误差EAC(εx)(tiltmotionaroundXaxis)和绕Y轴倾斜误差EBC(εy)(tiltmotionaroundXaxis)；位移量误差包括X轴方向径向跳动误差EXC(δx)(radialmotioninXdirection)，Y方向径向跳动误差EYC(δy)(radialmotioninYdirection)和轴向跳动误差EZC(δz)(axialmotion)；该测量方法中各部分光学元件的位置关系如下：将十二面棱镜放在转台的端面上，十二面棱镜的轴线与转台的回转轴线同轴；标准球支杆用于支撑标准球，且同轴地固定在十二面棱镜上；第一激光二极管发出的激光束垂直透射过十二面棱镜一个面的中心，且照射在第一位置传感器的中心；第一激光二极管的中心轴线与第二激光二极管的中心轴线垂直，第二激光二极管发出的激光束垂直透射过十二面棱镜另一个面的中心，且照射在第二位置传感器的中心；第三激光二极管发出的激光束平行于第二激光二极管发出的激光束，且透射过第一分光镜与第一透镜的中心后，聚焦在标准球的中心；同时经由标准球反射回的激光束在被第一分光镜反射后，照射到第三位置传感器的中心；激光干涉仪发出的激光束平行于第一激光二极管发出的激光束，且透射过第二分光镜与第二透镜的中心后，聚焦在标准球的中心；同时经由标准球反射回的激光束在被第二分光镜反射后，照射到第四位置传感器的中心。2.根据权利要求1所述的一种用于转台六项几何误差高效测量方法，其特征在于：转台在回转的过程中，六项几何误差会使十二面棱镜的坐标系位置在空间发生变化；以十二面棱镜的中心为坐标原点，指向第一激光二极管的方向为X轴，指向第二激光二极管方向为Y轴，垂直十二面棱镜端面向上方向为Z轴；当转台回转θ角后，由于六项几何误差EAC(εx)，EBC(εy)，ECC(εz)，EXC(δx)，EYC(δy)和EZC(δz)的存在，导致坐标系XYZ的位置发生偏移，即X′Y′Z′位置；在六项几何误差中，当角度量误差EAC(εx)，EBC(εy)和ECC(εz)均为零时，即只存在位移量误差EXC(δx)，EYC(δy)和EZC(δz)时，第一位置传感器和第二位置传感器的信号不发生变化；因此，通过十二面棱镜，两个激光二极管和两个位置传感器能够将三个角度量误差完全分离出来；当转台回转θ角后，ECC(εz)的存在使十二面棱镜由初始位置变为偏移位置；垂直于激光束的AB和CD边也变为A′B′和C′D′边的位置；由于AB和CD边一直保持平行，根据折射原理，透射过A′B′边的激光束平行于原激光束；入射进C′D′边的激光束在十二面棱镜内部发生了折射，透射过A′B′边的激光束照射到第二位置传感器上；通过对第二位置传感器上的电信号进行换算，计算出由ECC(εz)引起的激光束光斑偏移量为l2x；AB边和CD边距离为L1，第一入射角等于ECC(εz)，折射角为α1，十二面棱镜的折射率为n1,计算出角定位误差ECC(εz)与各已知量之间的关系，如公式(1)；EAC(εx)的存在使十二面棱镜由初始位置变为偏移位置；垂直于激光束的EF和GH边也变为E′F′和G′H′边的位置；由于EF和GH边一直保持平行，根据折射原理可知，透射过E′F′边的激光束平行于原激光束；入射进G′H′边的激光束在十二面棱镜内部发生了折射，透射过E′F′边的激光束照射到第二位置传感器上；通过对第二位置传感器上的电信号进行换算，计算出由EAC(εx)引起的激光束光斑偏移量为l2x；其中，EF和GH边距离为L1，第二入射角等于EAC(εx)，折射角为α2，十二面棱镜的折射率为n1,计算出角定位误差EAC(εx)与各已知量之间的关系，如公式(2)；入射进I′J′边的激光束在十二面棱镜内部发生了折射，透射过I′J′边的激光束照射到第一位置传感器上；通过对第一位置传感器上的电信号进行换算，计算出由EBC(εy)引起的激光束光斑偏移量为l1z；IJ和KL边距离为L1，第三入射角等于EBC(εy)，折射角为α3，十二面...

【专利技术属性】
技术研发人员：石照耀，宋辉旭，陈洪芳，孙衍强，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11