[發明專利]一種基于組合面型基準件的滾轉角測量方法

有效

• 申請號: 201811229750.0
• 申請日: 2018-10-22
• 公開（公告）號: CN109520443B
• 公開（公告）日: 2020-06-23
• 發明（設計）人: 李杏華;呂澤奎;房豐洲;黃銀國
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01B11/26
• 分類號: G01B11/26
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 程毓英

1.一種基于組合面型基準件的滾轉角測量方法，所采用的測量裝置包括光學測頭和組合面型基準件，

所述光學測頭包括激光器、孔徑光闌、反射鏡、分光棱鏡、成像透鏡、CCD相機以及數據處理模塊，所述激光器發出的準直光束經所述孔徑光闌縮成細直光束，細直光束經所述反射鏡后入射到所述分光棱鏡中，1/2能量的反射光束投射到曲面陣列上的任意一點，該點反射的光束經所述分光棱鏡透射后，通過所述成像透鏡成像在所述CCD相機上，所述數據處理模塊根據所述CCD相機中光斑的位置，計算獲得運動軸的直線度偏差；所述光學測頭安裝在機床主軸上，隨機床主軸做三維直線運動；

所述組合面型基準件的基座為L型,在基座的兩臂等距離地設置有多個基準件，每個基準件的表面為曲面特征或平面特征，所述曲面特征包括旋轉拋物面；基準件間相距距離為d，在基座上表現為陣列形式，陣列形式為L型，當光學測頭與組合面型基準件上的曲面特征相配合時，檢測出機床導軌運動帶來的直線度位置誤差；滾轉角測量方法如下：

將組合面型基準件豎直擺放在機床工作臺上，使基座一臂與機床Z軸平行，另一臂與機床Y軸平行，安裝在機床主軸上的光學測頭正對平行于Z軸的基座臂上的基準件；

使所述光學測頭的光束和機床X軸平行，此時光學測頭位于位置A₃處，獲取此時光軸在CCD相機中位置坐標O(x₃，y₃)；

機床Z軸帶動光學測頭水平移動到第一個基準件上的旋轉拋物面上的第一位置A₁，此時旋轉拋物面陣列上對應的測量點為A₁(x₁，y₁，z₁)，獲取此時CCD相機中成像光斑的位置A₁′(x₁′，y₁′)，并轉換為光斑中心距離光軸的距離S_1x、S_1y，然后計算測量點A₁斜率對應的角度：

ξ_x＝arctan(S_1x/f)/2 (1)

ξ_y＝arctan(S_1y/f)/2 (2)

其中：ξ_x代表測量點A₁在YOZ平面內的切線與Z軸方向的夾角；

ξ_y代表測量點A₁在YOZ平面內的切線與Y軸方向的夾角；

S_1x代表成像光斑A₁′的中心在X軸方向距離系統光軸的距離；

S_1y代表成像光斑A₁′的中心在Y軸方向距離系統光軸的距離；

f代表成像透鏡的焦距；

最后計算測量點A₁的坐標：

根據旋轉拋物面的面型公式為：

其中：a²為旋轉拋物面的特征參數；

對(3)式求一階導數，得到曲面上任一點的斜率為：

所以x₁＝a² tanξ_x (6)

y₁＝a² tanξ_y (7)

機床Z軸帶動光學測頭豎直移動到第二個旋轉拋物面上第二位置A_II，此時旋轉拋物面陣列上對應的測量點為A₂(x₂，y₂，z₂)，獲取此時CCD相機中成像光斑的位置A₂′(x₂′，y₂′)；計算測量點A₂的坐標：

x₂＝a² tanφ_x (8)

y₂＝a² tanφ_y (9)

計算機床Z軸在X、Y兩個方向上的位移M、N：

M＝a² tanφ_x-a² tanξ_x+P (10)

N＝a² tanφ_y-a² tanξ_y+Q (11)

其中：M代表Z軸在X方向的位移；

N代表Z軸在Y方向的位移；

P代表第i個曲面和第j個曲面的中心線在X方向的距離；

Q代表第i個曲面和第j個曲面的中心線在Y方向的距離；

機床Z軸帶動光學測豎直移動到各個基準件上的旋轉拋物面上，通過計算得到移動到各個基準件上時存在的X、Y兩個方向上的位移，機床Z軸在X、Y兩個方向上的位移M、N反映機床主軸在某點處不同高度上的X、Y兩個方向的直線度偏差，設從底端基準件開始分別測得機床主軸在該點處8個基準件對應的高度上的Y軸方向的直線度偏差分別為δ₁、δ₂、δ₃、δ₄、δ₅、δ₆、δ₇和δ₈；

當導軌X軸發生滾轉時，在垂直滾轉軸的平面內的直線段會發生一段位移，具體表現為直線的兩端點對Y軸的偏移發生改變；這種改變會導致該點處的Y方向的直線度偏差增大或減小，并且離滾轉軸越遠的地方直線度偏差改變越大，根據直線度偏差和滾轉角誤差的定義，滾轉角用

表示；為提高測量精度，有效利用測量數據，采用逐差法處理多次測量所得的直線度偏差數據，進一步地，機床X軸在x_i處的滾轉角誤差通過

計算得到；

Y軸、Z軸導軌的滾轉角誤差依次求解得到。