[發明專利]直線導軌的滾轉角測量裝置

有效

• 申請號: 201710590583.1
• 申請日: 2017-07-19
• 公開（公告）號: CN107462210B
• 公開（公告）日: 2019-10-18
• 發明（設計）人: 盧云君;唐鋒;王向朝
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G01C1/00
• 分類號: G01C1/00
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

本發明公開了一種直線導軌的滾轉角測量裝置，包括自準直儀、第一五棱鏡、第二五棱鏡、平面反射鏡、輔助直線導軌、輔助直線導軌控制器、待測直線導軌控制器和計算機，在測量過程中輔助直線導軌與待測直線導線保持相同方向、相近速度運動，實現待測直線導軌的滾轉角測量。本發明避免使用長條鏡作為體外反射鏡，節約測量成本，克服了測量過程中輔助直線導軌的俯仰角、偏擺角和滾轉角對待測直線導軌滾轉角測量的串擾問題，提高測量精度。在該測量裝置中，測量結果不受五棱鏡位置與角度的影響，光路調節方便，具有測量速度快、測量成本低的特點。

技術領域

本發明涉及光電檢測技術領域，具體涉及一種直線導軌滾轉角的非接觸式光學檢測裝置。

背景技術

機械導軌運動存在三個回轉自由度或稱為角度運動誤差(俯仰、偏擺和滾轉誤差)。在高精密機械加工檢測領域，這些角度運動誤差會通過該方向上的阿貝臂造成阿貝誤差，從而影響加工或者檢測精度。在六自由度誤差中，定位誤差、二維直線度誤差、俯仰角誤差和偏擺角誤差這五項誤差可以利用目前已商品化的干涉儀進行高精度測量。但是，滾轉角誤差的測量存在很大困難，是六自由度誤差中最難檢測的一個參數，其檢測方法一直處于摸索階段。

張桐在2014年博士論文中提出一種基于角鏡和斜方棱鏡的雙平行光束滾轉角測量系統(在先技術[1]:張桐，“基于特殊棱鏡的滾轉角測量誤差分析補償方法的研究”)。在導軌運動過程中，通過兩個探測器對返回光束的位置進行實時檢測，通過直線度誤差的測量得到滾轉角的大小。該系統的主要缺點在于，導軌本身的俯仰角和偏擺角對滾轉角的測量會產生串擾，影響滾轉角的測量精度。

中國專利“一種導軌滾轉角的非接觸激光檢測方法”(在先技術[2]:申請號200810150780.2，公開號CN 101354243A)，公開了一種導軌滾轉角的非接觸式激光檢測方法。該方法通過偏振分光棱鏡將直角棱鏡的反射光分成兩束，分別用兩個光電探測器接收并產生電壓信號，經過計算機處理得到被測導軌的滾轉角。該方法優點在于，滾轉角的敏感元件不攜帶電纜，待測導軌行程不受限制。但是，該方法的直接測量對象是光強，易受到背景光的影響，影響測量精度；且被測滾轉角與測量系統的輸出電壓之間的線性關系區間較小，以犧牲動態范圍換來測量精度和分辨率。

目前，可以采用商用自準直儀進行直線導軌的俯仰角和偏擺角的直接測量，但對于滾轉角的測量，則需要配備一個尺寸和導軌行程相當的體外反射鏡。測量精度需要通過嚴格控制體外反射鏡的平面度來保證，而高平面度的長條鏡加工制作成本很高。在本專利中，通過配備兩個五棱鏡，將光路稍作轉換，可以完成待測直線導軌滾轉角的測量。該方法可以克服在先技術[1]和在先技術[2]的不足，并且有望和俯仰偏擺角的測量系統進行集成。

發明內容

本發明的主要目的是，提供一種直線導軌的滾轉角測量裝置及方法，測量過程方便、測量速度快和成本低的特點。

為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為：

一種直線導軌的滾轉角測量裝置，其特征在于包含：自準直儀、第一五棱鏡、第二五棱鏡、平面反射鏡、輔助直線導軌、輔助直線導軌控制器、待測直線導軌控制器和計算機，所述的平面反射鏡安裝在待測直線導軌上，平面反射鏡的法線方向為Y方向，待測直線導軌的運動方向為X方向，同時與X方向和Y方向垂直的方向為Z方向；所述第一五棱鏡的主截面位于XOZ平面內，與待測直線導軌運動方向平行；第二五棱鏡的主截面位于YOZ平面內，與待測直線導軌的運動方向垂直，所述的第一五棱鏡和第二五棱鏡固定在輔助直線導軌上，輔助直線導軌的運動方向與待測直線導軌的運動方向平行；

從所述的自準直儀發出的平行光束，沿X方向入射至第一五棱鏡上，經第一五棱鏡繞Y軸偏轉90度出射，該出射光入射至第二五棱鏡，并經該第二五棱鏡沿繞X軸偏轉90度出射，該出射光垂直入射至平面反射鏡，經平面反射鏡反射后，反射光束再一次經過第二五棱鏡和第一五棱鏡原路返回至自準直儀，由自準直儀測量返回光束與其發出的平行光束的夾角，并將測量結果傳送至計算機；