旋转轴系五自由度误差运动高精度测量装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种旋转轴系五自由度误差运动高精度测量装置及测量方法，包括旋转轴系轴向误差运动、俯仰误差运动、径向误差运动测量装置。本发明专利技术通过斜射式激光三角法和刀片衍射现象实现测量旋转轴系在轴向方向的误差运动；通过自准直原理和小孔衍射现象实现测量旋转轴系在俯仰方向的误差运动；通过曲面边缘衍射现象实现测量径向方向的误差运动，最终实现旋转轴系的五自由度误差运动高精度测量。转轴系的五自由度误差运动高精度测量。转轴系的五自由度误差运动高精度测量。

【技术实现步骤摘要】
旋转轴系五自由度误差运动高精度测量装置及测量方法


[0001]本专利技术属于精密测量领域，尤其涉及一种基于衍射原理的旋转轴系五自由度误差运动高精度测量装置及测量方法。

技术介绍

[0002]旋转轴系是一种能够高精度地旋转的机械结构，它广泛应用于关节臂式坐标测量机、精密转台、全站仪、激光跟踪仪等测量仪器中。由于制造和装配过程中不可避免的误差，旋转轴系在旋转时会产生一些不期望的运动(即径向、轴向和俯仰误差运动)，这些误差会严重影响旋转轴系的精度。
[0003]因此，对于这些高精度测量仪器，检校和消除旋转轴系误差是非常必要的。目前常见的测量方法有利用电容式位移传感器进行测量、基于机器视觉的误差测量方法和采用传统光学的测量方法。但是这些方法都有一定的局限性和缺点，如在采用电容式位移传感器进行测量时，小直径轴的弯曲表面会导致电容式传感器电场失真，产生测量误差，并且测量精度会受到电容传感器的响应频率限制。在采用机器视觉的方法进行测量时，测量精度较低并且响应速度较差，难以测量高转速的旋转轴系误差运动。在采用传统光学进行测量时，存在安装困难，光路复杂、不便携等缺点。专利CN202010521028.5专利技术了一种基于平顶锥形凸台式光学元件的旋转轴系五自由度误差运动测量方法，难以实现平台锥形凸台式光学元件高精度加工进而影响测量精度。专利CN201910734340.X专利技术了一种基于斜射式激光三角法原理实现直线位移台的直线度误差测量，但仅能实现亚微米级的测量精度。
[0004]因此，在现有技术水平下，还有必要提出一种新颖、有效、简便、高响应、低成本的旋转轴系误差运动的测量装置及测量方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种基于衍射原理的旋转轴系五自由度误差运动高精度测量装置及测量方法。
[0006]为实现上诉专利技术目的，本专利技术的技术方案是：
[0007]一种旋转轴系五自由度误差运动高精度测量装置，包括旋转轴系轴向误差运动、旋转轴系俯仰误差运动测量装置、旋转轴系径向误差运动测量装置，其中，
[0008]所述旋转轴系轴向误差运动测量装置设置在旋转轴系的上方，包括第一激光源(1)、第一分束棱镜(2)、第一平面反射镜(3)、第一PD探测模块(4)、旋转轴系(7)；
[0009]所述旋转轴系轴向误差运动测量装置通过斜射式激光三角法和刀片衍射现象实现旋转轴系轴向误差运动测量。第一激光源(1)发出的光束经过第一分束棱镜(2)部分激光束到达第一平面反射镜(3)，反射到旋转轴系(7)上方的第二平面反射镜(701)，再通过反射到达第一PD探测模块(4)的刀片(402)，形成刀片衍射现象，衍射图样被第一PD探测模块(4)的PD探测器(401)捕捉，根据PD探测器(401)所接收到的能量来计算光束移动的距离，最后通过斜射式激光三角法来实现旋转轴系轴向误差运动测量；
[0010]所述旋转轴系俯仰误差运动测量装置设置在旋转轴系的上方，包括第一激光源(1)、第一分束棱镜(2)、旋转轴系(7)、小孔(5)、四象限探测器(6)；
[0011]所述旋转轴系俯仰误差运动测量装置通过自准直原理和小孔衍射现象实现旋转轴系俯仰误差运动测量。第一激光源(1)发出的光束经过第一分束棱镜(2)、部分激光束到达旋转轴系(7)上方的第二平面反射镜(701)，经过反射原路返回，透过第一分束棱镜(2)到达小孔(5)，形成小孔衍射现象。通过自准直原理实现旋转轴系俯仰误差运动的初步测量，通过小孔衍射现象放大光斑、提高光斑的成像分辨率，进而实现高精度旋转轴系俯仰误差运动测量。
[0012]所述旋转轴系径向误差运动测量装置设置在旋转轴系的径向方向，包括第二激光源(8)、第二分束棱镜(9)、第三分束棱镜(10)、第一直角棱镜(11)、第二PD探测模块(12)、第三PD探测模块(13)、第二直角棱镜(14)、第四分束棱镜(15)；
[0013]所述旋转轴系径向误差运动测量装置通过曲面边缘衍射现象实现旋转轴系径向误差运动测量。第二激光源(8)发出的光束经过第二分束棱镜(9)形成两束光强相等的激光束，其中一束光束到达第三分束棱镜(10)又形成两束光强相等的光束，其中一束光束到达第一直角棱镜(11)反射后，与另一束平行光束经过旋转轴系(7)的两侧曲面边缘部分，形成曲面边缘衍射现象，两个衍射图案分别被PD探测器(1301)和PD探测器(1302)捕捉，另外一边同样被PD探测探测器(1201)和PD探测探测器(1202)捕捉。将一个方向的两个信号进行差分，实现旋转轴系径向误差运动测量。
[0014]优选的，所述第一激光源(1)以及第二激光源(8)发出的激光束光斑在旋转轴系静止时均位于第二PD探测模块(12)、第三PD探测模块(13)中探测器敏感区域的中间位置。
[0015]优选的，所述第一激光源(1)以及第二激光源(8)发出的光束直径与第一PD探测模块(4)、第二PD探测模块(12)、第三PD探测模块(13)的探测器敏感区域边长相等。
[0016]本专利技术还提供了一种旋转轴系五自由度误差运动高精度测量方法，所述的旋转轴系轴向误差运动测量过程为：
[0017]激光光波在传播方向上横向遇到刀片(402)的刀刃时，发生衍射或弯曲，光波中没有被刀刃切断的部分继续向传播方向移动，刀刃部分信号会发生弯曲，衍射光产生刀片衍射的结果为：
[0018]L1为第一激光源(1)到刀刃(402)处的距离，L2为刀刃(402)到PD探测器(401)的距离；刀刃的曲率半径用ρ来表示；高斯光束α从第一激光源(1)入射到距离光源L1的刀刃(402)上；高度h是y轴从入射光束中心到刀刃(402)的距离；在z＝0处的入射场(E)可以用球形波表示为式(1)
[0019][0020]其中，k0表示空气中的波数；j为虚数；
[0021]利用傅里叶变换公式，可以导出横波；
[0022][0023]其中，∫∫
Aperture
dxdy表示对入射波的面积分，用于计算光通量，k
x
、k
y
分别表示x、y方向上的波数；
[0024]用边缘横波的逆傅里叶变换作为方程，可以得到第一PD探测模块(4)位置衍射和横向场之和在z＝z0处的E
t
；
[0025][0026]其中，∫∫
k
‑
space dk
x
dk
y
表示实空间的图像数据傅里叶变换，e为自然对数，总电场波数和从入射到衍射场的距离矢量如下
[0027][0028][0029][0030]其中，E
x
、E
y
、E
z
表示x、y、z方向上的电场；k
x
，k
y
，k
z
为x、y、z方向上的波数；为x、y、z方向上的距离矢量，为x、y、z方向上的单位大小；
[0031]在z轴附近测量，则假定场测量在轴上(x0＝0，y0＝0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种旋转轴系五自由度误差运动高精度测量装置，其特征在于，包括旋转轴系轴向误差运动测量装置、旋转轴系俯仰误差运动测量装置、旋转轴系径向误差运动测量装置，其中，所述旋转轴系轴向误差运动测量装置设置在旋转轴系的上方，包括第一激光源(1)、第一分束棱镜(2)、第一平面反射镜(3)、第一PD探测模块(4)、旋转轴系(7)；所述旋转轴系轴向误差运动测量装置通过斜射式激光三角法和刀片衍射现象实现旋转轴系轴向误差运动测量；第一激光源(1)发出的光束经过第一分束棱镜(2)部分激光束到达第一平面反射镜(3)，反射到旋转轴系(7)上方的第二平面反射镜(701)，再通过反射到达第一PD探测模块(4)的刀片上，形成刀片衍射现象，衍射图样被第一PD探测模块(4)的PD探测器(401)捕捉，根据PD探测器(401)所接收到的能量来计算光束移动的距离，最后通过斜射式激光三角法来实现旋转轴系轴向误差运动测量；所述旋转轴系俯仰误差运动测量装置设置在旋转轴系的上方，包括第一激光源(1)、第一分束棱镜(2)、旋转轴系(7)、小孔(5)、四象限探测器(6)；所述旋转轴系俯仰误差运动测量装置通过自准直原理和小孔衍射现象实现旋转轴系俯仰误差运动测量；第一激光源(1)发出的光束经过第一分束棱镜(2)、部分激光束到达旋转轴系(7)上方的第二平面反射镜(701)，经过反射原路返回，透过第一分束棱镜(2)到达小孔(5)，形成小孔衍射现象；通过自准直原理实现旋转轴系俯仰误差运动的初步测量，通过小孔衍射现象放大光斑、提高光斑的成像分辨率，进而实现高精度旋转轴系俯仰误差运动测量；所述旋转轴系径向误差运动测量装置设置在旋转轴系的径向方向，包括第二激光源(8)、第二分束棱镜(9)、第三分束棱镜(10)、第一直角棱镜(11)、第二PD探测模块(12)、第三PD探测模块(13)、第二直角棱镜(14)、第四分束棱镜(15)；所述旋转轴系径向误差运动测量装置通过曲面边缘衍射现象实现旋转轴系径向误差运动测量；第二激光源(8)发出的光束经过第二分束棱镜(9)形成两束光强相等的激光束，其中一束光束到达第三分束棱镜(10)又形成两束光强相等的光束，其中一束光束到达第一直角棱镜(11)反射后，与另一束平行光束经过旋转轴系(7)的两侧曲面边缘部分，形成曲面边缘衍射现象，两个衍射图案分别被PD探测器(1301)和PD探测器(1302)捕捉，另外一边同样被PD探测探测器(1201)和PD探测探测器(1202)捕捉；将一个方向的两个信号进行差分，实现旋转轴系径向误差运动测量。2.根据权利要求1所述的一种旋转轴系五自由度误差运动高精度测量装置，其特征在于，所述第一激光源(1)以及第二激光源(8)发出的激光束光斑在旋转轴系静止时均位于第二PD探测模块(12)、第三PD探测模块(13)中探测器敏感区域的中间位置。3.根据权利要求1所述的一种旋转轴系五自由度误差运动高精度测量装置，其特征在于，所述第一激光源(1)以及第二激光源(8)发出的光束直径与第一PD探测模块(4)、第二PD探测模块(12)、第三PD探测模块(13)的探测器敏感区域边长相等。4.一种如权利要求1
‑
3中任一项权利要求所述的一种旋转轴系五自由度误差运动高精度测量方法，其特征在于，所述的旋转轴系轴向误差运动测量过程为：激光光波在传播方向上横向遇到刀片(402)的刀刃时，发生衍射或弯曲，光波中没有被刀刃切断的部分继续向传播方向移动，刀刃部分信号会发生弯曲，
衍射光产生刀片衍射的结果为：L1为第一激光源(1)到刀刃(402)处的距离，L2为刀刃(402)到PD探测器(401)的距离；刀刃的曲率半径用ρ来表示；高斯光束α从第一激光源(1)入射到距离光源L1的刀刃(402)上；高度h是y轴从入射光束中心到刀刃(402)的距离；在z＝0处的入射场(E)可以用球形波表示为式(1)其中，k0表示空气中的波数；j为虚数；利用傅里叶变换公式，可以导出横波；其中，∫∫
Aperture
dxdy表示对入射波的面积分，用于计算光通量，k
x
、k
y
分别表示x、y方向上的波数；用边缘横波的逆傅里叶变换作为方程，可以得到第一PD探测模块(4)位置衍射和横向场之和在z＝z0处的E
t
；其中，∫∫
k
‑
space dk
x
dk
y
表示实空间的图像数据傅里叶变换，e为自然对数，总电场波数和从入射到衍射场的距离矢量如下如下如下其中，E
x
、E
y
、E
z
表示x、y、z方向上的电场；k
x
，k
y
，K
z
为x、y、z方向上的波数；为x、y、z方向上的距离矢量，为x、y、z方向上的单位大小；在z轴附近测量，则假定场测量在轴上(x0＝0，y0＝0，L2>0)，利用入射场的傅里叶反变换关系定义出沿z轴被测衍射场，并将其写成误差函数形式其中，erfc()表示误差互补函数；将衍射场和共轭衍射场相乘，计算出由地形光滑而清晰的刀片边缘引起的总功率P，
对于PD探测器(401)接收到的功率可以表示为其中，P
...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵会宁，王杰，侯晓莹，闻杰，于连栋，夏豪杰，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：