一种机床工作台五自由度误差同时测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种机床工作台五自由度误差同时测量系统及方法。采用准直激光光束作为基准，以四象限探测器作为误差测量的敏感器件，由激光器、分光棱镜、反射镜、聚焦透镜和四象限探测器组成测量系统。工作行程达到米级距离、安装过程简单、所用光学器件少、体积小且移动端无电缆，满足机床工作台五自由度误差同时测量要求。

A simultaneous measurement system and method of 5-DOF error of machine tool table

【技术实现步骤摘要】
一种机床工作台五自由度误差同时测量系统及方法
本专利技术属于精密测量领域，涉及一种机床工作台五自由度误差同时测量系统及方法，该方法主要应用于精密运动平台的五自由度误差测量。
技术介绍
由于制造及装配工艺的影响，工作台沿直线轴运动时存在六个自由度几何误差，直接影响工件的加工精度，因此工作台几何误差的检测成为保证精密加工质量的关键技术。传统的几何误差测量方法多采用激光干涉仪，测量过程为单参数检测，每次只能测量一个自由度误差，需多次调整安装，测量过程长，且同一位置的六个自由度测量结果重复性差，无法满足多自由度误差的同时测量要求。近年来，基于激光准直、干涉、衍射等光学原理，研究人员提出了很多关于工作台多自由度几何误差同时测量的方法，这些方法都有自己的特点和应用范围，但也存在一些不足，如体积大、结构复杂、光学元件数量多和测量范围较短。
技术实现思路
本专利技术根据现有技术不足公开了一种机床工作台五自由度误差同时测量系统及方法。基于激光准直原理，以四象限探测器作为敏感器件，只需一次安装即可测量工作台二维直线度、二维角度和滚转角误差。测量系统包括固定端和移动端，其中，固定端包括一个激光器、两个分光棱镜和一个反射镜，用于获得三束相互平行的准直光束；移动端包括一个透镜、三个四象限探测器和电路系统板，用于将机床工作台的五自由度误差转换为投射在四象限探测器的光斑位置变化，并将光斑位置信息传递给上位机，由上位机解算机床工作台的五自由度误差。以四象限探测器作为误差测量敏感元件。如图1所示，四象限探测器感光部分由四片面积相同且光电性质相同的光电二极管组成，沿逆时针方向分别命名A、B、C、D四个象限。激光投射四象限探测器后，各象限产生的电流分别记为IA、IB、IC、ID，经过IV转换电路后得到电压VA、VB、VC、VD。光束照射在四象限探测器上，当光斑位于四象限探测器中心时，四个象限的光电二极管产生的电流输出相同。若光斑发生偏移，投射在每个象限的光斑面积随之变化，采集到的各象限输出电压值产生改变，即可求得其位移变化。四象限探测器在一定微位移范围内具有良好的线性度，具体计算公式如下：式中：X、Y为光斑沿四象限X向和Y向的位移偏移量；KX、KY分别为四象限探测器X向与Y向的标定灵敏度；VA、VB、VC、VD为四象限的采集电压值。本专利技术的具体技术方案为：一种机床工作台五自由度误差同时测量系统，包括固定端和移动端，固定端安装在机床床身；移动端吸附于机床工作台，随工作台沿导轨运动；如图2所示，固定端包括激光器、反光镜、分光棱镜A和分光棱镜B；其中，激光器和分光棱镜A同一水平线放置，分光棱镜A、分光棱镜B和反光镜并排放置；移动端包括透镜、四象限探测器A、四象限探测器B、四象限探测器C和电路系统板；其中，四象限探测器B放置于透镜的焦平面，四象限探测器A、四象限探测器B和四象限探测器C并排放置，电路系统板紧贴移动端内壁放置。激光器发射的准直光束依次经过分光棱镜A、分光棱镜B和反光镜，得到三束相互平行的准直光束。由分光棱镜A得到的准直光束投射四象限探测器A，测得二维直线度误差；由分光棱镜B得到的准直光束经透镜聚焦后投射四象限探测器B，测得二维角度误差；由反光镜7得到的准直光束投射四象限探测器C，配合投射在四象限探测器A的光斑位置信息，测得滚转角误差。电路系统板将四象限探测器输出的电流信号进行IV转换和AD转换，并通过无线传输技术与上位机传递信息。由上位机处理电压数据，计算并显示机床工作台的五自由度误差。采用上述的机床工作台五自由度误差同时测量系统的方法，包括步骤如下：步骤一：如图3所示，由分光棱镜A得到的准直光束L1投射四象限探测器A中心位置，感光部分得到准直光斑。若工作台运动时，存在竖直与水平方向的直线度误差，光斑会在四象限探测器A上产生相同的偏移量，测得二维直线度误差，即式中：Δy、Δz分别为工作台竖直与水平方向的直线度误差；Y1、Z1分别为四象限探测器A测得的光斑在竖直与水平方向的偏移量。步骤二：如图4所示，由分光棱镜B得到的准直光束L2经过透镜之后会汇聚于四象限探测器B中心位置，感光部分得到准直光斑。由于透镜的光学特性，准直光斑位置只对俯仰和偏摆变化敏感，对直线度和滚转的变化不敏感，从而实现二维角度误差的测量。若工作台运动时，存在偏摆与俯仰角度误差，准直光斑汇聚位置会在四象限探测器B上产生相应的偏移量，测得二维角度误差，即：式中：f为透镜焦距；θy、θz分别为工作台俯仰与偏摆角度误差；Y2、Z2分别为四象限探测器B测得的光斑在竖直与水平方向的偏移量。步骤三：如图5所示，由反射镜得到的准直光束L3投射四象限探测器C中心位置，感光部分得到准直光斑。通过对工作台同一水平面上固定间隔的2个点处竖直方向的位移变化来间接测量滚转角误差。由于四象限探测器A和四象限探测器C等高放置，所以它们的Y向初始值相等。若工作台运动时，存在滚转角度误差，其准直光斑分别会在四象限探测器A和四象限探测器C上产生相应的竖直偏移量，测得滚转角误差，即：式中：θx为滚动角误差；Y1、Y3分别四象限探测器A和四象限探测器C测得的竖直方向偏移量；d为四象限探测器A和四象限探测器C的中心距。与现有技术相比，本专利技术有益效果体现在：1本专利技术提出的机床工作台五自由度测量系统结构精巧简单、使用光学器件少，光路调节方便，只需一次安装即可测出机床工作台的五个自由度误差。2本专利技术通过无线传输的方式将移动端测得的电压数据发送给上位机，无电缆连接，避免因电缆接口松动产生干扰。3本专利技术提出的机床工作台五自由度测量系统工作行程达米级距离，测量范围大且精度高。附图说明图1是四象限探测器示意图。图2是本专利技术的测量系统示意图。图3是直线度误差测量原理示意图。图4是二维角度误差测量原理示意图。图5是滚转角误差测量原理示意图。图6(a)是为测量系统水平直线度误差结果；(b)为测量系统偏摆角误差结果；(c)为测量系统滚转角误差结果。图中：1激光器；2分光棱镜A；3四象限探测器A；4分光棱镜B；5透镜；6四象限探测器B；7反光镜；8四象限探测器C；9电路系统板。具体实施方式本实施例中参见图2，一种机床工作台五自由度误差同时测量系统，包括固定端和移动端，固定端包括激光器1、反光镜7、分光棱镜A2和分光棱镜B4。其中，激光器1和分光棱镜A2同一水平线放置，分光棱镜A2、分光棱镜B4和反光镜7并排放置。移动端包括透镜5、四象限探测器A3、四象限探测器B6、四象限探测器C8和电路系统板9。其中，四象限探测器B6放置于透镜5的焦平面，四象限探测器A3、四象限探测器B6和四象限探测器C8并排放置，电路系统板9紧贴移动端内壁放置。电路系统板9将四象限探测器输出的电流信号进行IV转换和AD转换，并将电压数据无线传输给上位机。由上位机处理电压数据，计算并显示机床工作台的五自由度误差。将机床五自由度测量装置本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机床工作台五自由度误差同时测量系统，其特征在于，包括固定端和移动端，固定端安装在机床床身；移动端吸附于机床工作台，随工作台沿导轨运动；固定端包括激光器(1)、反光镜(7)、分光棱镜A(2)和分光棱镜B(4)；其中，激光器(1)和分光棱镜A(2)同一水平线放置，分光棱镜A(2)、分光棱镜B(4)和反光镜(7)并排放置；移动端包括透镜(5)、四象限探测器A(3)、四象限探测器B(6)、四象限探测器C(8)和电路系统板(9)；其中，四象限探测器B(6)放置于透镜(5)的焦平面，四象限探测器A(3)、四象限探测器B(6)和四象限探测器C(8)并排放置，电路系统板(9)紧贴移动端内壁放置。/n

【技术特征摘要】
1.一种机床工作台五自由度误差同时测量系统，其特征在于，包括固定端和移动端，固定端安装在机床床身；移动端吸附于机床工作台，随工作台沿导轨运动；固定端包括激光器(1)、反光镜(7)、分光棱镜A(2)和分光棱镜B(4)；其中，激光器(1)和分光棱镜A(2)同一水平线放置，分光棱镜A(2)、分光棱镜B(4)和反光镜(7)并排放置；移动端包括透镜(5)、四象限探测器A(3)、四象限探测器B(6)、四象限探测器C(8)和电路系统板(9)；其中，四象限探测器B(6)放置于透镜(5)的焦平面，四象限探测器A(3)、四象限探测器B(6)和四象限探测器C(8)并排放置，电路系统板(9)紧贴移动端内壁放置。


2.采用权利要求1所述的机床工作台五自由度误差同时测量系统的方法，其特征在于，激光器发射的准直光束依次经过分光棱镜A(2)、分光棱镜B(4)和反光镜(7)，得到三束相互平行的准直光束；还包括步骤如下：
步骤一，调整对光后，由分光棱镜A(2)得到的准直光束投射四象限探测器A(3)，测得二维直线度误差；
步骤二，由分光棱镜B(4)得到的准直光束经透镜(5)聚焦后投射四象限探测器B(6)，测得二维角度误差；
步骤三，由反光镜(7)得到的准直光束投射四象限探测器C(8)，配合投射在四象限探测器A(3)的光斑位置信息，测得滚转角误差；
步骤四，电路系统板(9)将四象限探测器输出的电流信号进行IV转换和AD转换，并通过无线传输与上位机传递信息；由上位机处理电压数据，计算并显示机床工作台的五自由度误差。


3.根据权利要求2所述的机床工作台五自由度误差同时测量系统的方法，其特征在于，步骤一：由分光棱镜A(2)得到的准直光束L1投射四象限探测器A(...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭正刚，徐董辉，王娟，牛帅旗，冯盼州，周亚清，吕帅，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21