一種直線進給系統(tǒng)的多自由度誤差同時測量裝置及方法制造方法及圖紙

本發(fā)明專利技術一種直線進給系統(tǒng)的多自由度誤差同時測量裝置及方法，所述裝置中，直線進給系統(tǒng)包括機床，固定在機床上的導軌，與導軌配合的若干滑塊，以及固定在滑塊上且分別與導軌滑動連接的移動工作臺和靜止工作臺；所述測量裝置包括固定在移動工作臺上移動端、固定在靜止工作臺上固定端和上位機；所述的移動端包括豎直放置的第一直角棱鏡，水平放置的第二直角棱鏡，以及半透半反鏡；所述的固定端包括激光器，第一分光棱鏡，反射鏡，第二分光棱鏡，準直透鏡，以及三個PSD位置探測器；上位機的輸入端分別連接第一PSD位置探測器、第二PSD位置探測器和第三PSD位置探測器的輸出端，用于通過數(shù)據(jù)處理得到移動工作臺的俯仰角、偏擺角和滾轉角。

Multi degree of freedom error simultaneous measuring device and method for linear feed system

At the same time measurement device and method for multi degree of freedom error of the invention relates to a linear feed system, the device, the linear feed system comprises a machine tool, a fixed guide rail on the machine, and a number of slide guide rail, and fixed on the sliding block and the sliding rail connected to the movable table and the static table; the measuring device comprises a fixed working table on the mobile terminal in the mobile and fixed on the stationary work table fixed terminal and PC; the mobile terminal includes a first rectangular prism vertical, second horizontal rectangular prism, and transflective mirror; the fixed end comprises a first laser beam splitter second, mirror, prism, collimating lens, and three PSD position detector; PC input end is respectively connected with the first PSD position detector, second PSD position detector And the output of the third PSD position detector are used to obtain the pitch angle, yaw angle and roll angle of the moving table by data processing.

【技術實現(xiàn)步驟摘要】
一種直線進給系統(tǒng)的多自由度誤差同時測量裝置及方法
本專利技術涉及機床直線軸運動精度的測量，具體為一種直線進給系統(tǒng)的多自由度誤差同時測量裝置及方法。
技術介紹
直線導軌是數(shù)控機床、加工中心等高精密加工和測量裝備的重要組成部件，其制造和裝配誤差是影響上述設備加工和測量精度的主要因素。由于直線導軌存在制造誤差和裝配誤差，因此安裝到直線導軌上面的工作臺總是存在六個自由度的幾何運動誤差，三個線性誤差以及三個角度誤差，提高機床精度的基本方法有誤差防止法以及誤差補償法，誤差防止法主要是通過各種手段來減小誤差源，但是成本昂貴。誤差補償法是利用儀器測量、分析、歸納從而來找到誤差源規(guī)律，從而建立誤差補償模型，提高機床的加工精度。誤差補償?shù)幕A是數(shù)控機床各項誤差元素的檢測，因此對于機床幾何運動誤差的精密檢測是提高機床精度的前提。根據(jù)ISO-230-1標準的要求，需要對機床的21項誤差進行測量，其中就包括直線進給系統(tǒng)工作臺的六個自由度誤差測量，但是現(xiàn)有工業(yè)的測量裝置簡陋，測量精度低測量時間長，因此在精度達到要求的情況下將測量時間壓縮到最短是很必要的，因此研制能夠對于多自由度誤差的同時測量的裝置能有效的減小測量時間。現(xiàn)有的能夠同時測量直線進給系統(tǒng)多自由度誤差的方法主要有激光干涉法和激光幾何法；激光干涉法能夠單獨的測量出除了滾轉角之外的其他五個自由度的誤差，但是大部分在測量過程中只能單個進行測量，能夠同時測量多自由度的干涉法測量儀器價格昂貴，并不能有效的減短測量時間。激光幾何法能夠實現(xiàn)多自由度的同時測量，但是相對精度較低，在測量過程中各誤差之間進行串擾，尤其是定位誤差對于角度測量的影響。
技術實現(xiàn)思路
針對現(xiàn)有技術中存在的問題，本專利技術提供一種直線進給系統(tǒng)的多自由度誤差同時測量裝置及方法，提升了測量過程中的簡易性，減少了在機床測量過程中花費的時間，極大的提高了效率。本專利技術是通過以下技術方案來實現(xiàn)：一種直線進給系統(tǒng)的多自由度誤差同時測量裝置，其中，直線進給系統(tǒng)包括機床，固定在機床上的導軌，與導軌配合的若干滑塊，以及固定在滑塊上且分別與導軌滑動連接的移動工作臺和靜止工作臺；所述測量裝置包括固定在移動工作臺上移動端、固定在靜止工作臺上固定端和上位機；所述的移動端包括豎直放置的第一直角棱鏡，水平放置的第二直角棱鏡，以及半透半反鏡；所述的固定端包括激光器，第一分光棱鏡，反射鏡，第二分光棱鏡，準直透鏡，以及三個PSD位置探測器；第一分光棱鏡設置在激光器發(fā)射光路上形成第一反射光和第一透射光；第一分光棱鏡、第二分光棱鏡、半透半反鏡、準直透鏡和第三PSD位置探測器形成俯仰角與偏擺角的耦合單元；第二分光棱鏡設置在第一透射光路或者第一反射光經(jīng)反射鏡后的光路上形成第二透射光；半透半反鏡設置在第二透射光路上形成第三透射光和第三反射光；第三反射光經(jīng)第二分光棱鏡和準直透鏡由第三PSD位置探測器接收；第一分光棱鏡、反射鏡、第一直角棱鏡和第一PSD位置探測器形成偏擺角與滾轉角的耦合單元；第三透射光或第一反射光經(jīng)反射鏡的光作為第一直角棱鏡的入射光，第一直角棱鏡的出射光由第一PSD位置探測器接收；第一分光棱鏡、第二直角棱鏡和第二PSD位置探測器形成俯仰角與滾轉角的耦合單元；第一透射光或第三透射光經(jīng)第二直角棱鏡由第二PSD位置探測器接收；上位機的輸入端分別連接第一PSD位置探測器、第二PSD位置探測器和第三PSD位置探測器的輸出端，用于通過數(shù)據(jù)處理得到移動工作臺的俯仰角、偏擺角和滾轉角。優(yōu)選的，第一直角棱鏡和第二直角棱鏡的斜面共面設置，第一PSD位置探測器和第二PSD位置探測器的接收面共面設置。優(yōu)選的，所述的移動端還包括裝配底座；裝配底座的底部固定在移動工作臺上，第一直角棱鏡和第二直角棱鏡的斜面均貼合固定在裝配底座前端面內側；裝配底座前端面上對應第一直角棱鏡和第二直角棱鏡的入射光路和出射光路分別設置對應的光通孔；對應第一直角棱鏡或第二直角棱鏡入射光路的光通孔上同軸設置固定在前端面上的半透半反鏡夾具；第一直角棱鏡和第二直角棱鏡的直角端分別設置直角棱鏡夾具，兩個直角棱鏡夾具分別通過第一直角棱鏡端蓋和第二直角棱鏡端蓋與裝配底座后端面固定。進一步，所述的半透半反鏡夾具包括環(huán)狀本體和內側設置有環(huán)狀凹臺，環(huán)狀凹臺用于加持固定半透半反鏡，環(huán)狀本體通過螺栓固定在移動端裝配體底座的前端面外側。進一步，所述的直角棱鏡夾具頂部設置直角槽用于與直角棱鏡的直角接觸貼合，底部設置兩個定位孔，底部兩個側面分別設置直角槽兩個邊垂直的螺紋孔。再進一步，第一直角棱鏡端蓋和第二直角棱鏡端蓋上均設置有端蓋連接孔、棱鏡夾具固定孔和螺絲調節(jié)孔；第一直角棱鏡端蓋和第二直角棱鏡端蓋分別通過端蓋連接孔固定連接在裝配底座的后端面，棱鏡夾具固定孔與定位孔配合，螺絲調節(jié)孔與螺紋孔同軸設置。優(yōu)選的，第一分光棱鏡、第二分光棱鏡和反射鏡通過籠式框架固定連接為一個整體。優(yōu)選的，第二分光棱鏡通過籠式框架與準直透鏡同軸連接，準直透鏡滑動設置在籠式框架上。一種直線進給系統(tǒng)的多自由度誤差同時測量方法，基于本專利技術所述的測量裝置，包括如下步驟，步驟1，打開激光器，通過偏擺角與滾轉角的耦合單元中的第一PSD位置探測器測得的光斑水平位移量d3x；步驟2，通過俯仰角與滾轉角的耦合單元中的第二PSD位置探測器測得的光斑豎直位移量d9y；步驟3，通過俯仰角與偏擺角的耦合單元中的第三PSD位置探測器測得兩個光斑位移變化量d13x以及d13y；步驟4，通過上位機對步驟1、2和3中得到的四個位移量進行數(shù)據(jù)處理，得到以下關系式，其中：d為光線在直角棱鏡中入射光和出射光之間的距離，n為棱鏡的折射率，L為直角棱鏡斜邊的長度，z0+Δz為每一次測量時直角棱鏡斜面距離PSD位置探測器的距離，其中z0為初始測量位置直角棱鏡斜面距離PSD的距離，Δz為每次移動的距離，f為準直透鏡的焦距，α為移動工作臺的俯仰角，β為移動工作臺的偏擺角，γ為移動工作臺的滾轉角；步驟5，將步驟4中的關系式解耦關系之后得到移動工作臺的俯仰角、偏擺角和滾轉角，其結果如下，優(yōu)選的，步驟4中得到的關系式中不考慮安裝誤差。與現(xiàn)有技術相比，本專利技術具有以下有益的技術效果：本專利技術是建立在耦合模型上的一種多自由度誤差測量，能夠將多個角度的耦合關系解耦求解，忽略單獨測量過程中誤差之間的串擾帶來的誤差，通過這個裝置，利用3個PSD位置探測器檢測的四個位移量以及分光棱鏡分解的兩個光路就可以解耦俯仰、偏擺、滾轉三個角度，求解相應的角度，減小了在光路調節(jié)過程中的難度，能夠有效的測量出直線進給系統(tǒng)的俯仰、偏擺、滾轉三個角度誤差。附圖說明圖1為本專利技術實例中所述測量裝置的測量原理結構示意圖。圖2a為本專利技術實例中所述半透半反鏡與第一直角棱鏡對應時移動端裝配底座正面軸測圖。圖2b為本專利技術實例中所述半透半反鏡與第一直角棱鏡對應時移動端裝配底座背面軸測圖。圖2c為本專利技術實例中所述半透半反鏡與第一直角棱鏡對應時移動端裝配底座內部裝配圖。圖3為本專利技術實例中所述棱鏡夾具的結構示意圖。圖4為本專利技術實例中所述半透半反鏡夾具的結構示意圖。圖5a為本專利技術實例中所述第一直角棱鏡端蓋的結構示意圖。圖5b為本專利技術實例中所述第二直角棱鏡端蓋的結構示意圖。圖6a為本專利技術實例中所述半透半反鏡與第二直角棱鏡對應時移動端裝配底座正面軸測圖。圖6b為本專利技術實例中本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種直線進給系統(tǒng)的多自由度誤差同時測量裝置，其中，直線進給系統(tǒng)包括機床，固定在機床上的導軌，與導軌配合的若干滑塊，以及固定在滑塊上且分別與導軌滑動連接的移動工作臺和靜止工作臺；其特征在于，所述測量裝置包括固定在移動工作臺上移動端(101)、固定在靜止工作臺上固定端(201)和上位機(301)；所述的移動端(101)包括豎直放置的第一直角棱鏡(4)，水平放置的第二直角棱鏡(7)，以及半透半反鏡(8)；所述的固定端(201)包括激光器，第一分光棱鏡(1)，反射鏡(2)，第二分光棱鏡(10)，準直透鏡(11)，以及三個PSD位置探測器；第一分光棱鏡(1)設置在激光器發(fā)射光路上形成第一反射光和第一透射光；第一分光棱鏡(1)、第二分光棱鏡(10)、半透半反鏡(8)、準直透鏡(11)和第三PSD位置探測器(13)形成俯仰角與偏擺角的耦合單元；第二分光棱鏡(10)設置在第一透射光路或者第一反射光經(jīng)反射鏡(2)后的光路上形成第二透射光；半透半反鏡(8)設置在第二透射光路上形成第三透射光和第三反射光；第三反射光經(jīng)第二分光棱鏡(10)和準直透鏡(11)由第三PSD位置探測器(13)接收；第一分光棱鏡(1)、反射鏡(2)、第一直角棱鏡(4)和第一PSD位置探測器(3)形成偏擺角與滾轉角的耦合單元；第三透射光或第一反射光經(jīng)反射鏡(2)的光作為第一直角棱鏡(4)的入射光，第一直角棱鏡(4)的出射光由第一PSD位置探測器(3)接收；第一分光棱鏡(1)、第二直角棱鏡(7)和第二PSD位置探測器(9)形成俯仰角與滾轉角的耦合單元；第一透射光或第三透射光經(jīng)第二直角棱鏡(7)由第二PSD位置探測器(9)接收；上位機(301)的輸入端分別連接第一PSD位置探測器(3)、第二PSD位置探測器(9)和第三PSD位置探測器(13)的輸出端，用于通過數(shù)據(jù)處理得到移動工作臺的俯仰角、偏擺角和滾轉角。...

【技術特征摘要】
1.一種直線進給系統(tǒng)的多自由度誤差同時測量裝置，其中，直線進給系統(tǒng)包括機床，固定在機床上的導軌，與導軌配合的若干滑塊，以及固定在滑塊上且分別與導軌滑動連接的移動工作臺和靜止工作臺；其特征在于，所述測量裝置包括固定在移動工作臺上移動端(101)、固定在靜止工作臺上固定端(201)和上位機(301)；所述的移動端(101)包括豎直放置的第一直角棱鏡(4)，水平放置的第二直角棱鏡(7)，以及半透半反鏡(8)；所述的固定端(201)包括激光器，第一分光棱鏡(1)，反射鏡(2)，第二分光棱鏡(10)，準直透鏡(11)，以及三個PSD位置探測器；第一分光棱鏡(1)設置在激光器發(fā)射光路上形成第一反射光和第一透射光；第一分光棱鏡(1)、第二分光棱鏡(10)、半透半反鏡(8)、準直透鏡(11)和第三PSD位置探測器(13)形成俯仰角與偏擺角的耦合單元；第二分光棱鏡(10)設置在第一透射光路或者第一反射光經(jīng)反射鏡(2)后的光路上形成第二透射光；半透半反鏡(8)設置在第二透射光路上形成第三透射光和第三反射光；第三反射光經(jīng)第二分光棱鏡(10)和準直透鏡(11)由第三PSD位置探測器(13)接收；第一分光棱鏡(1)、反射鏡(2)、第一直角棱鏡(4)和第一PSD位置探測器(3)形成偏擺角與滾轉角的耦合單元；第三透射光或第一反射光經(jīng)反射鏡(2)的光作為第一直角棱鏡(4)的入射光，第一直角棱鏡(4)的出射光由第一PSD位置探測器(3)接收；第一分光棱鏡(1)、第二直角棱鏡(7)和第二PSD位置探測器(9)形成俯仰角與滾轉角的耦合單元；第一透射光或第三透射光經(jīng)第二直角棱鏡(7)由第二PSD位置探測器(9)接收；上位機(301)的輸入端分別連接第一PSD位置探測器(3)、第二PSD位置探測器(9)和第三PSD位置探測器(13)的輸出端，用于通過數(shù)據(jù)處理得到移動工作臺的俯仰角、偏擺角和滾轉角。2.根據(jù)權利要求1所述的一種直線進給系統(tǒng)的多自由度誤差同時測量裝置，其特征在于，第一直角棱鏡(4)和第二直角棱鏡(7)的斜面共面設置，第一PSD位置探測器(3)和第二PSD位置探測器(9)的接收面共面設置。3.根據(jù)權利要求1所述的一種直線進給系統(tǒng)的多自由度誤差同時測量裝置，其特征在于，所述的移動端(101)還包括裝配底座(15)；裝配底座(15)的底部固定在移動工作臺上，第一直角棱鏡(4)和第二直角棱鏡(7)的斜面均貼合固定在裝配底座(15)前端面內側；裝配底座(15)前端面上對應第一直角棱鏡(4)和第二直角棱鏡(7)的入射光路和出射光路分別設置對應的光通孔；對應第一直角棱鏡(4)或第二直角棱鏡(7)入射光路的光通孔上同軸設置固定在前端面上的半透半反鏡夾具(14)；第一直角棱鏡(4)和第二直角棱鏡(7)的直角端分別設置直角棱鏡夾具(18)，兩個直角棱鏡夾具(18)分別通過第一直角棱鏡端蓋(16)和第二直角棱鏡端蓋(17)與裝配底座(15)后端面固定。4.根據(jù)權利要求3所述的一種直線進給系統(tǒng)的多自由度誤差同時測量裝置，其特征在于，所述的半透半反鏡夾具(14)包括環(huán)狀本體(1401)和內側設置有環(huán)狀凹臺(140...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：劉志剛，洪軍，趙列斌，郭俊康，
申請(專利權)人：西安交通大學，
類型：發(fā)明
國別省市：陜西,61