一种基于组合面型基准件的滚转角测量方法技术

本发明专利技术涉及一种基于组合面型基准件的滚转角测量方法，所采用的测量装置包括光学测头和组合面型基准件，组合面型基准件的基座为L型,在基座的两臂等距离地设置有多个基准件，每个基准件的表面为曲面特征或平面特征，所述曲面特征包括旋转抛物面；基准件间相距距离为d，在基座上表现为阵列形式，阵列形式为L型，当光学测头与组合面型基准件上的曲面特征相配合时，检测出机床导轨运动带来的直线度位置误差进而得到滚转角。

【技术实现步骤摘要】
一种基于组合面型基准件的滚转角测量方法
本专利技术涉及一种滚转角高精度检测装置，特别是涉及一种基于组合面型基准件的滚转角测量方法。
技术介绍
基于直角坐标系统的机床或测量机共有21项结构误差,其中18项误差可以用现成的干涉仪测量,另外3项滚转角误差是最难测量的参数。目前国内外对机械导轨运动副的滚转角误差的检测还处于一种研究和探索阶段。激光多自由度同时测量是机械制造、检测及仪器仪表等众多行业共同关注的问题,也是目前未能很好解决的测量难题之一,而其中的一个主要难点就是滚转角的高精度测量。传统的测量方法主要是以重力方向为基准的电子水平仪以及以四方铁的位置为基准的组合测量法,电子水平仪的缺点是无法测量竖直轴方向的几何误差,而且不方便同其他误差测量系统集成,组合测量法属于接触式测量,而且测量过程比较繁杂,测量的轴向行程受限,精度也不高。光学测量由于其非接触及设计灵活等特点成为现代高精度测量的主要手段之一。中国专利CN107462210A公布了一种直线导轨的滚转角测量装置，该装置利用自准直仪、五棱镜和平面反射镜等装置实现待测直线导轨的滚转角测量。但是对于滚转角测量而言,目前还没有一种操作简单、便于集成、可以应用于实际的高精度光学测量方法。目前国内外提出的滚转角测量的光学方法有很多,从最终获得滚转角信息的手段来看,可以归纳为干涉法、偏振法和几何光学法等几类。中国专利CN2017103979239公布了一种用于小角度测量的光学测头的设计，该测头能有效测量出平面或是曲面的曲率，配合中国专利CN201720618823X公布的基于组合面型基准件的运动部件多参数检测系统里面提及的组合面型基准件可以实现机床导轨直线度偏差的测量。基于这一组合面型基准件及现有工具，我们设计了一种新的导轨滚转角的测量方法来提高滚转角检测效率，方便和其他测量技术集成，促进多自由度测量技术的发展。
技术实现思路
本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种基于组合面型基准件的滚转角测量装置及方法，该方法能实现滚转角的光学非接触检测，测量效率高，测量精度高，并能够方便和其他自由度测量系统集成，促进多自由度测量技术的发展。本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种基于组合面型基准件的滚转角测量方法，所采用的测量装置包括光学测头和组合面型基准件，所述光学测头包括激光器、孔径光阑、反射镜、分光棱镜、成像透镜、CCD相机以及数据处理模块，所述激光器发出的准直光束经所述孔径光阑缩成细直光束，细直光束经所述反射镜后入射到所述分光棱镜中，1/2能量的反射光束投射到曲面阵列上的任意一点，该点反射的光束经所述分光棱镜透射后，通过所述成像透镜成像在所述CCD相机上，所述数据处理模块根据所述CCD相机中光斑的位置，计算获得运动轴的直线度偏差；所述光学测头安装在机床主轴上，随机床主轴做三维直线运动；所述组合面型基准件的基座为L型,在基座的两臂等距离地设置有多个基准件，每个基准件的表面为曲面特征或平面特征，所述曲面特征包括旋转抛物面；基准件间相距距离为d，在基座上表现为阵列形式，阵列形式为L型，当光学测头与组合面型基准件上的曲面特征相配合时，检测出机床导轨运动带来的直线度位置误差；滚转角测量方法如下：将组合面型基准件竖直摆放在机床工作台上，使基座一臂与机床Z轴平行，另一臂与机床Y轴平行，安装在机床主轴上的光学测头正对平行于Z轴的基座臂上的基准件；使所述光学测头的光束和机床X轴平行，此时光学测头位于位置A3处，获取此时光轴在CCD相机中位置坐标O(x3，y3)；机床Z轴带动光学测头水平移动到第一个基准件上的旋转抛物面上的第一位置AI，此时旋转抛物面阵列上对应的测量点为A1(x1，y1，z1)，获取此时CCD相机中成像光斑的位置A1′(x1′，y1′)，并转换为光斑中心距离光轴的距离S1x、S1y，然后计算测量点A1斜率对应的角度：ξx＝arctan(s1x/f)/2(1)ξy＝arctan(s1y/f)/2(2)其中：ξx代表测量点A1在YOZ平面内的切线与Z轴方向的夹角；ξy代表测量点A1在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；S1x代表第一个测量点的成像光斑的中心在X轴方向距离系统光轴的距离；S1y代表第一个测量点的成像光斑的中心在Y轴方向距离系统光轴的距离；f代表成像透镜的焦距，最后计算测量点A1的坐标：∵旋转抛物面的面型公式为：其中：a2为旋转抛物面的特征参数；对(13)式求一阶导数，可得到曲面上任一点的斜率为：∴x1＝a2tanξx(6)y1＝a2tanξy(7)其中：S1x代表成像光斑A1′的中心在X轴方向距离系统光轴的距离；S1y代表成像光斑A1′的中心在Y轴方向距离系统光轴的距离；机床Z轴带动光学测头竖直移动到第二个旋转抛物面上第二位置AII，此时旋转抛物面阵列上对应的测量点为A2(x2，y2，z2)，获取此时CCD相机中成像光斑的位置A2′(x2′，y2′)；计算测量点A2的坐标：x2＝a2tanφx(8)y2＝a2tanφy(9)计算机床Z轴在X、Y两个方向上的位移M、N：M＝a2tanφx-a2tanξx+P(10)N＝a2tanφy-a2tanξy+Q(11)其中：M代表Z轴在X方向的位移；N代表Z轴在Y方向的位移；P代表第i个曲面和第j个曲面的中心线在X方向的距离；Q代表第i个曲面和第j个曲面的中心线在Y方向的距离；按照上述方法，机床Z轴带动光学测竖直移动到各个基准件上的旋转抛物面上，通过计算得到移动到各个基准件上时存在的X、Y两个方向上的位移，机床Z轴在X、Y两个方向上的位移M、N反映机床主轴在某点处不同高度上的X、Y两个方向的直线度偏差，设从底端基准件开始分别测得机床主轴在该点处8个基准件对应的高度上的Y轴方向的直线度偏差分别为δ1、δ2、δ3、δ4、δ5、δ6、δ7和δ8；当导轨X轴发生滚转时，在垂直滚转轴的平面内的直线段会发生一段位移，具体表现为直线的两端点对Y轴的偏移发生改变；这种改变会导致该点处的Y方向的直线度偏差增大或减小，并且离滚转轴越远的地方直线度偏差改变越大，根据直线度偏差和滚转角误差的定义可得滚转角可用表示；为提高测量精度，有效利用测量数据，采用逐差法处理多次测量所得的直线度偏差数据，进一步地，机床X轴在xi处的滚转角误差通过计算得到；其他导轨如Y轴、Z轴滚转角误差可以依次求解得到。本专利技术具有的优点和积极效果是：本专利技术分析了导轨滚转角误差对导轨直线度偏差的影响，通过测量直线度偏差反求出滚转角误差，测量过程简单直接，与直线度偏差融为一体，可以省去单独测量的繁琐过程。本专利技术能实现导轨滚转角误差光学非接触检测，测量效率高，测量精度高，并能够方便和其他自由度测量系统集成，促进多自由度测量技术的发展。附图说明图1为本专利技术检测X轴导轨滚转角误差示意图；图中1-光学测头、2-组合面型基准件、2-1-L型基座、2-2-平面特征、2-3-曲面特征图2为本专利技术光学测头结构示意图；图中1-1-激光器、1-2-孔径光阑、1-3-平面反射镜、1-4-分光棱镜、1-5-成像物镜、1-6-CCD相机图3为本专利技术组合面型基准件示意图；图中2-1-L型基座、2-2-平面特征、2-3-曲面特征图4为本专利技术测量原理示意图。图中2-3-1-第1个曲本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于组合面型基准件的滚转角测量方法，所采用的测量装置包括光学测头和组合面型基准件，所述光学测头包括激光器、孔径光阑、反射镜、分光棱镜、成像透镜、CCD相机以及数据处理模块，所述激光器发出的准直光束经所述孔径光阑缩成细直光束，细直光束经所述反射镜后入射到所述分光棱镜中，1/2能量的反射光束投射到曲面阵列上的任意一点，该点反射的光束经所述分光棱镜透射后，通过所述成像透镜成像在所述CCD相机上，所述数据处理模块根据所述CCD相机中光斑的位置，计算获得运动轴的直线度偏差；所述光学测头安装在机床主轴上，随机床主轴做三维直线运动；所述组合面型基准件的基座为L型,在基座的两臂等距离地设置有多个基准件，每个基准件的表面为曲面特征或平面特征，所述曲面特征包括旋转抛物面；基准件间相距距离为d，在基座上表现为阵列形式，阵列形式为L型，当光学测头与组合面型基准件上的曲面特征相配合时，检测出机床导轨运动带来的直线度位置误差；滚转角测量方法如下：将组合面型基准件竖直摆放在机床工作台上，使基座一臂与机床Z轴平行，另一臂与机床Y轴平行，安装在机床主轴上的光学测头正对平行于Z轴的基座臂上的基准件；使所述光学测头的光束和机床X轴平行，此时光学测头位于位置A3处，获取此时光轴在CCD相机中位置坐标O(x3，y3)；机床Z轴带动光学测头水平移动到第一个基准件上的旋转抛物面上的第一位置AI，此时旋转抛物面阵列上对应的测量点为A1(x1，y1，z1)，获取此时CCD相机中成像光斑的位置A1′(x1′，y1′)，并转换为光斑中心距离光轴的距离S1x、S1y，然后计算测量点A1斜率对应的角度：ξx＝arctan(s1x/f)/2                       (1)ξy＝arctan(s1y/f)/2                      (2)其中：ξx代表测量点A1在YOZ平面内的切线与Z轴方向的夹角；ξy代表测量点A1在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；S1x代表第一个测量点的成像光斑的中心在X轴方向距离系统光轴的距离；S1y代表第一个测量点的成像光斑的中心在Y轴方向距离系统光轴的距离；f代表成像透镜的焦距，最后计算测量点A1的坐标：∵旋转抛物面的面型公式为：...

【技术特征摘要】
1.一种基于组合面型基准件的滚转角测量方法，所采用的测量装置包括光学测头和组合面型基准件，所述光学测头包括激光器、孔径光阑、反射镜、分光棱镜、成像透镜、CCD相机以及数据处理模块，所述激光器发出的准直光束经所述孔径光阑缩成细直光束，细直光束经所述反射镜后入射到所述分光棱镜中，1/2能量的反射光束投射到曲面阵列上的任意一点，该点反射的光束经所述分光棱镜透射后，通过所述成像透镜成像在所述CCD相机上，所述数据处理模块根据所述CCD相机中光斑的位置，计算获得运动轴的直线度偏差；所述光学测头安装在机床主轴上，随机床主轴做三维直线运动；所述组合面型基准件的基座为L型,在基座的两臂等距离地设置有多个基准件，每个基准件的表面为曲面特征或平面特征，所述曲面特征包括旋转抛物面；基准件间相距距离为d，在基座上表现为阵列形式，阵列形式为L型，当光学测头与组合面型基准件上的曲面特征相配合时，检测出机床导轨运动带来的直线度位置误差；滚转角测量方法如下：将组合面型基准件竖直摆放在机床工作台上，使基座一臂与机床Z轴平行，另一臂与机床Y轴平行，安装在机床主轴上的光学测头正对平行于Z轴的基座臂上的基准件；使所述光学测头的光束和机床X轴平行，此时光学测头位于位置A3处，获取此时光轴在CCD相机中位置坐标O(x3，y3)；机床Z轴带动光学测头水平移动到第一个基准件上的旋转抛物面上的第一位置AI，此时旋转抛物面阵列上对应的测量点为A1(x1，y1，z1)，获取此时CCD相机中成像光斑的位置A1′(x1′，y1′)，并转换为光斑中心距离光轴的距离S1x、S1y，然后计算测量点A1斜率对应的角度：ξx＝arctan(s1x/f)/2(1)ξy＝arctan(s1y/f)/2(2)其中：ξx代表测量点A1在YOZ平面内的切线与Z轴方向的夹角；ξy代表测量点A1在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；S1x代表第一个测量点的成像光斑的中心在X轴方向距离系统光轴的距离；S1y代表第一个测量点的成像光斑的中心在Y轴方向距离系统光轴...

【专利技术属性】
技术研发人员：李杏华，吕泽奎，房丰洲，黄银国，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12