[發明專利]基于光學自由曲面的多軸系統誤差建模及測量裝置和方法

有效

• 申請號: 201310352739.4
• 申請日: 2013-08-13
• 公開（公告）號: CN103411545A
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發明（設計）人: 房豐洲;朱朋哲;萬宇
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01B11/03
• 分類號: G01B11/03
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

1.一種基于光學自由曲面的多軸系統誤差建模及測量裝置，其特征是，包括：半導體激光器、準直縮束系統、四象限光電二極管QPD、成像透鏡、1/4波片、光學自由曲面標準件、偏振分光棱鏡PBS、圖像探測器CCD、另一成像透鏡及數據采集和處理平臺；半導體激光器發出的細直光束經準直縮束系統準直縮束為直徑200μm的細直平行光束，光束經偏振分光棱鏡PBS透射出P偏振光，再經1/4波片成為圓偏振光投射到光學自由曲面標準件上，光學自由曲面標準件反射出的反射光經1/4波片成為S偏振光，經偏振分光棱鏡PBS反射再由成像透鏡匯聚到四象限光電二極管QPD上，當光學自由曲面標準件沿X或Y向移動時，激光投射點處的斜率隨之發生變化，從而使得成像光斑在四象限光電二極管QPD上的位置發生改變，光斑在四象限光電二極管QPD上的位置和光斑投射在光學自由曲面標準件上的位置有一一對應的關系，從而實現X，Y向位移的測量；光學自由曲面標準件上的散射光經另一成像透鏡成像到圖像探測器CCD上，當光學自由曲面標準件產生Z向位移時，成像到CCD上的光斑隨之發生變化，而且兩者之間有一一對應的關系，從而實現Z向位移的測量。

2.一種基于光學自由曲面的多軸系統誤差建模及測量方法，其特征是，包括如下步驟：通過多軸系統幾何誤差建模完成對多軸系統各項幾何誤差傳遞模型的建立，確定多軸系統幾何誤差的測量方案；進行多軸系統誤差測量時，將光學自由曲面標準件固定在多軸系統上的某一特定位置，將多維位移測量系統安裝在多軸系統上的另一特定位置，調換兩者位置亦可，按照已確定的多軸系統幾何誤差測量方案，驅動多軸系統各個運動單元聯合運動，使得光學自由曲面標準件和多維位移測量系統的相對位置發生改變，對相對位置發生改變的情況進行探測，實現多軸系統多維位移誤差的測量，再通過誤差辨識，得到多軸系統的各項幾何誤差，進而用于對多軸系統幾何誤差的補償。

3.如權利要求2所述的基于光學自由曲面的多軸系統誤差建模及測量方法，其特征是，借助于權利要求1所述的裝置實現。

4.如權利要求2所述的基于光學自由曲面的多軸系統誤差建模及測量方法，其特征是，誤差建模具體為：誤差為e={D_X,D_Y,D_Z}^T，通過建立各個軸的特征矩陣和各項幾何誤差傳遞的特征矩陣，得到誤差e關于各個軸運動位置和各項幾何誤差的多項表達式，如公式（1）-（3）所示：

基于光學自由曲面的多軸系統誤差建模及測量方法，

D_X=(R_yy+R_zx)*Z+T_ax-T_xx+T_yx+T_zx+R_xz*Y_w-S_yx*Y-R_xy*Z_w+T_bx*cos(B)+T_bz*sin(B)??（1）

D_Y=(-R_yx-R_zy)*Z+T_yy-T_xy+T_zy-R_xz*X_w+R_xx*Z_w+(T_ay+T_by)*cos(A)-T_bz*cos(B)*sin(A)+T_bx*sin(A)*sin(B)??（2）

D_Z=-T_xz+T_yz+T_zz+R_xy*X_w-R_xx*Y_w+T_az*cos(A)+(T_ay+T_by)*sin(A)-T_bx*cos(A)*sin(B)??（3）

公式（1）-（3）中D_X、D_Y、D_Z分別表示誤差在X,Y,Z方向分量的大小；T表示移動誤差，R表示轉動誤差，第一個下標代表運動體名稱，可以是X導軌、Y導軌、Z導軌、A轉臺或B轉臺，分別以字母x、y、z、a或b表示，第二個下標對于T表示移動軸，對于R表示轉動軸，分別以x、y、z表示；X_w、Y_w、Z_w分別為理論加工點在工件坐標系中X,Y,Z方向坐標值；X、Y、Z、A、B分別表示對應的移動軸位移量和轉動軸轉動角度的大小；幾何誤差模型中的移動誤差和轉動誤差是關于對應運動體的移動量X、Y、Z或轉動角度A、B的函數，采用關于各體運動坐標的三次多項式來擬合各單項誤差；將各單項誤差用多項式進行擬合，則公式（1）-（3）就構成了可以求解的方程，方程中含有有限個未知的擬合系數，選擇一定的機床各運動軸的聯動方案，測得測量點的一系列誤差值，將測得誤差代入方程組聯立即可求出未知擬合系數的值，從而也就得到了幾何誤差傳遞模型的表達式，進而用于對機床幾何誤差的補償。