[發明專利]旋轉軸五自由度誤差運動的精密測量裝置及方法

有效

• 申請號: 202010521028.5
• 申請日: 2020-06-10
• 公開（公告）號: CN111721199B
• 公開（公告）日: 2021-10-26
• 發明（設計）人: 趙會寧;丁雯靜;于連棟;夏豪杰;符晗;蒲淞
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00
• 代理公司: 北京市科名專利代理事務所(特殊普通合伙) 11468
• 代理人: 陳朝陽

本發明公開了一種旋轉軸五自由度誤差運動的精密測量裝置及方法，包括固定測頭模塊和主探測器模塊，其中：固定測頭模塊包括圓臺透鏡；主探測器模塊包括固定支架，固定支架內設有第一激光器和第一四象限位移探測器，第一激光器射出的激光與旋轉軸軸線的夾角大于0°、小于90°，固定支架內還設有第二激光器、第二四象限位移探測器、第三激光器和第三四象限位移探測器。本發明采用的測量方法利用圓臺透鏡進行多次反射，精度更高，對于精度要求較高的旋轉軸運動誤差運動有很好的測量精度。本發明采用的材料和裝置成本低于傳統校準的儀器裝備價格，在很大程度上節省了測量成本。

技術領域

本發明涉及長度和角度檢定技術領域，尤其涉及一種旋轉軸五自由度誤差運動的精密測量裝置及方法。

背景技術

高精密機床主軸、機器人、激光跟蹤儀、全站儀、激光掃描儀等都是具有精密旋轉軸構成的高端設備，而其中旋轉軸誤差運動是影響其測量精度的關鍵因素。現階段，對于精密旋轉軸運動誤差測量問題，主要有球桿儀、北京交通大學大學研制的旋轉軸誤差測量系統、刀片衍射方法等進行測量。其中球桿儀以及北京交通大學研制的旋轉軸誤差測量系統成本較高，且多用于離線檢測，刀片衍射方法雖然成本低，但精度受衍射極限限制，且無法實現五自由度誤差運動的同步測量。本發明采用在旋轉軸端面固定圓臺透鏡的測量方法，可以有效地解決精密旋轉軸五自由度誤差運動同步測量問題。可用于機床主軸五自由度誤差或者高精度轉臺五自由度誤差測量。

發明內容

本發明的目的是提供一種旋轉軸五自由度誤差運動的精密測量裝置及方法，以解決旋轉軸系五自由度誤差運動同步測量和低成本不能兼顧問題。

為實現上述目的，本發明的技術方案是：一種旋轉軸五自由度誤差運動的精密測量裝置，包括固定測頭模塊和主探測器模塊，其中：

固定測頭模塊包括與旋轉軸端面連接的底座，底座上端面設有圓柱狀的承臺，承臺上端面設有圓臺透鏡；

主探測器模塊包括方管狀固定支架，固定支架沿旋轉軸軸線方向設置，固定支架內設有第一激光器和第一四象限位移探測器，第一激光器射出的激光與旋轉軸軸線的夾角大于0°、小于90°，第一激光器射出的激光從圓臺透鏡側面一側射入，從圓臺透鏡側面相對一側射出并投射到第一四象限位移探測器上；固定支架內還設有第二激光器、第二四象限位移探測器、第三激光器和第三四象限位移探測器，第二激光器、第三激光器射出的激光十字交叉且與旋轉軸軸線的夾角為90°，第二激光器射出的激光從圓臺透鏡側面一側射入，從圓臺透鏡側面相對一側射出并投射到第二四象限位移探測器，第三激光器射出的激光從圓臺透鏡側面一側射入，從圓臺透鏡側面相對一側射出并投射到第三四象限位移探測器。

進一步的，所述圓臺透鏡側面傾斜角度為45°。

更加一步的，所述圓臺透鏡高度確定方法為：

設激光水平入射，入射點為圓臺透鏡側面中點，光線在圓臺透鏡上下表面共反射N次，則根據光的折射定律

n₁sinα＝n₂sinβ (1)

式(1)中，ɑ表示為激光入射角，β表示為激光折射角，n₁表示為空氣折射率，n₂表示為圓臺透鏡折射率；

由式(1)可得

因為光線水平入射，即入射角ɑ＝45°，公式(2)實際上為

由相似三角形定律可得

式(4)中，h表示圓臺透鏡高度，R表示圓臺透鏡下底面半徑，L為光線在圓臺透鏡下底面發生第一次反射時反射點與下底面圓心的距離，N為光線在圓臺透鏡上下表面共反射次數；

由式(4)可得