一種利用無衍射光測(cè)量導(dǎo)軌四自由度運(yùn)動(dòng)誤差的裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種利用無衍射光測(cè)量導(dǎo)軌四自由度運(yùn)動(dòng)誤差的裝置，該裝置包括激光器、擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡、軸錐鏡、分光棱鏡、反射鏡、半透半反鏡、直角棱鏡和攝像機(jī)，半透半反鏡與直角棱鏡組成的運(yùn)動(dòng)單元固定在工作臺(tái)上。半透半反鏡反射的無衍射光束由第一攝像機(jī)接收，其透射的無衍射光束與參考無衍射光束由第二攝像機(jī)接收，通過分析兩攝像機(jī)中無衍射光的中心光位置變化，識(shí)別和測(cè)量出導(dǎo)軌垂直直線度、偏擺角、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)誤差。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、多自由度測(cè)量、測(cè)量范圍大、精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，是一種綜合性能優(yōu)良的多自由運(yùn)動(dòng)誤差測(cè)量裝置。
【專利說明】—種利用無衍射光測(cè)量導(dǎo)軌四自由度運(yùn)動(dòng)誤差的裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于直線導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)精度測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種導(dǎo)軌多自由度運(yùn)動(dòng)誤差測(cè)量裝置，尤其是涉及一種利用無衍射光測(cè)量導(dǎo)軌四自由度運(yùn)動(dòng)誤差的裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大行程超精密工作臺(tái)在近代尖端工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi)占有極為重要的地位，直線導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)精度直接影響零件的加工與測(cè)量精度。
[0003]工作臺(tái)沿直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)時(shí)存在沿導(dǎo)軌方向的定位誤差、垂直于導(dǎo)軌方向的二維直線度誤差(水平直線度誤差、垂直直線度誤差)、二維角度誤差(俯仰角誤差、偏擺角誤差)、滾轉(zhuǎn)角誤差等六個(gè)自由度誤差。
[0004]目前對(duì)直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)誤差的測(cè)量方法主要有激光干涉法和光強(qiáng)重心法等。激光干涉測(cè)量法利用各種光學(xué)元件在工作臺(tái)上的不同組合，通過對(duì)激光的反射與折射等，形成與工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)誤差相關(guān)的光程差，然后對(duì)光程差導(dǎo)致的相位差計(jì)算，得到工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)誤差。光強(qiáng)重心法主要采用固定在工作臺(tái)上的四象限或CCD探測(cè)器拾取準(zhǔn)直的激光光斑信號(hào)，并通過光強(qiáng)重心位置的變化進(jìn)一步計(jì)算角度與偏移量的變化。對(duì)于激光干涉法和光強(qiáng)重心法，其測(cè)量精度和穩(wěn)定性取決于激光器本身的穩(wěn)定性。而用于測(cè)量的激光束性能受諸多因素影響，如激光器熱變形所導(dǎo)致的激光束漂移和模式變化，空氣擾動(dòng)將改變光束傳播方向等，都將影響測(cè)量穩(wěn)定性與精度。因此，現(xiàn)有的測(cè)量方面通常需要高價(jià)格、復(fù)雜的激光器。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型的目的是提供一種利用無衍射光測(cè)量導(dǎo)軌四自由度運(yùn)動(dòng)誤差的裝置，利用無衍射的高穩(wěn)定性，結(jié)合半透半反鏡、直角棱鏡和攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的垂直直線度、偏擺角、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角誤差的分離和識(shí)別，通過對(duì)攝像機(jī)采集的無衍射光莫爾條紋的處理測(cè)量出四自由度運(yùn)動(dòng)誤差。
[0006]本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是:一種利用無衍射光測(cè)量導(dǎo)軌四自由度運(yùn)動(dòng)誤差的裝置，其特征在于:包括激光器、準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡、第一平面反射鏡、軸錐鏡、第一分光棱鏡、第二平面反射鏡、第二分光棱鏡、移動(dòng)單元、半透半反鏡、第三平面反射鏡、第一攝像機(jī)、直角棱鏡、第三分光棱鏡、第二攝像機(jī)、光衰減器、第四平面反射鏡、工作臺(tái)和計(jì)算機(jī)；
[0007]所述的移動(dòng)單元由所述的半透半反鏡和直角棱鏡組成，所述的半透半反鏡設(shè)置在所述的直角棱鏡正前端上部，所述的移動(dòng)單元固定安裝在所述的工作臺(tái)上，所述的工作臺(tái)在被測(cè)直線導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)；
[0008]所述的激光器產(chǎn)生的激光穿過所述的準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡、經(jīng)所述的第一平面反射鏡反射、平行射入所述的軸錐鏡后形成零階貝塞爾形狀的無衍射光，無衍射光經(jīng)所述的第一分光棱鏡后分成反射光和透射光的兩束無衍射光，反射光作為測(cè)量光，透射光作為參考光；
[0009]所述的參考光經(jīng)所述的光衰減器、第四平面反射鏡后入射到所述的第三分光棱鏡中；
[0010]所述的測(cè)量光經(jīng)所述的第二平面反射鏡、第二分光棱鏡后入射到所述的移動(dòng)單元中的半透半反鏡上；一部分由所述的半透半反鏡反射回來的光線經(jīng)所述的第二分光棱鏡、第三平面反射鏡后由所述的第一攝像機(jī)接收，另一部分經(jīng)過所述的半透半反鏡透射的光線經(jīng)過所述的直角棱鏡和第三分光棱鏡后，與由所述的第一分光棱鏡透射的經(jīng)光衰減器、第四平面反射鏡的光線干涉后形成莫爾條紋入射到所述的第二攝像機(jī)中；
[0011]所述的第一攝像機(jī)中接收一束無衍射光斑，第二攝像機(jī)中接收兩束無衍射光干涉的莫爾條紋，所述的第一攝像機(jī)、第二攝像機(jī)分別與所述的計(jì)算機(jī)連接。
[0012]作為優(yōu)選，所述的激光器采用的是He-Ne激光器。
[0013]作為優(yōu)選，所述的第一攝像機(jī)和第二攝像機(jī)為面陣CXD或CMOS。
[0014]本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果:將無衍射光束作為測(cè)量光束，具有測(cè)量范圍大、抗干擾、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)；利用莫爾條紋的放大特性能實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量；根據(jù)兩攝像機(jī)中光斑中心點(diǎn)的位置，很容易識(shí)別和分離四自由度運(yùn)動(dòng)誤差數(shù)據(jù)；裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，且成本低。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1:為本實(shí)用新型實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2:為本實(shí)用新型實(shí)施例的兩CCD中無衍射光中心位置與四自由度關(guān)系示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0017]為了便于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解和實(shí)施本實(shí)用新型，下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的實(shí)施示例僅用于說明和解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
[0018]請(qǐng)見圖1，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是:一種利用無衍射光測(cè)量導(dǎo)軌四自由度運(yùn)動(dòng)誤差的裝置，其特征在于:包括He-Ne激光器1、準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡2、第一平面反射鏡3、軸錐鏡4、第一分光棱鏡5、第二平面反射鏡6、第二分光棱鏡7、移動(dòng)單兀8、半透半反鏡9、第三平面反射鏡10、第一攝像機(jī)11、直角棱鏡12、第三分光棱鏡13、第二攝像機(jī)14、光衰減器15、第四平面反射鏡16、工作臺(tái)17和計(jì)算機(jī)18 ;移動(dòng)單元8由半透半反鏡9和直角棱鏡12組成，半透半反鏡9設(shè)置在直角棱鏡12正前端上部，移動(dòng)單元8固定安裝在工作臺(tái)17上，工作臺(tái)17在被測(cè)直線導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)；He-Ne激光器I產(chǎn)生的激光穿過準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡2、經(jīng)第一平面反射鏡3反射、平行射入軸錐鏡4后形成零階貝塞爾形狀的無衍射光，無衍射光經(jīng)第一分光棱鏡5后分成反射光和透射光的兩束無衍射光,反射光作為測(cè)量光，透射光作為參考光；參考光經(jīng)光衰減器15、第四平面反射鏡16后入射到第三分光棱鏡13中；測(cè)量光經(jīng)第二平面反射鏡6、第二分光棱鏡7后入射到移動(dòng)單元8中的半透半反鏡9上；一部分由半透半反鏡9反射回來的光線經(jīng)第二分光棱鏡7、第三平面反射鏡10后由第一攝像機(jī)11接收，另一部分經(jīng)過半透半反鏡9透射的光線經(jīng)過直角棱鏡12和第三分光棱鏡13后，與由第一分光棱鏡5透射的經(jīng)光衰減器15、第四平面反射鏡16的光線干涉后形成莫爾條紋入射到第二攝像機(jī)14中；第一攝像機(jī)11中接收一束無衍射光斑，第二攝像機(jī)14中接收兩束無衍射光干涉的莫爾條紋，第一攝像機(jī)11、第二攝像機(jī)14分別與計(jì)算機(jī)18連接。
[0019]本實(shí)施例的第一攝像機(jī)11和第二攝像機(jī)14可以為面陣CXD或CMOS。在本實(shí)施例中不做限定。
[0020]本實(shí)施例在工作是，半透半反鏡9與直角棱鏡12組成的移動(dòng)單元8固定在工作臺(tái)17上與其一起運(yùn)動(dòng)。測(cè)量開始前，在被測(cè)導(dǎo)軌起始位置處，獲取兩攝像機(jī)中無衍射光的中心位置，并作為后續(xù)測(cè)量的比較對(duì)象。測(cè)量時(shí)，工作臺(tái)17在直線導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，第一攝像機(jī)11中無衍射光斑的中心位置和第二攝像機(jī)14中兩束無衍射光的中心隨運(yùn)動(dòng)誤差的不同而產(chǎn)生不同的變化，如圖2所示；當(dāng)被測(cè)導(dǎo)軌有垂直直線度誤差和滾轉(zhuǎn)角誤差時(shí)，第一攝像機(jī)11中無衍射光斑的中心位置不發(fā)生改變，但當(dāng)運(yùn)動(dòng)臺(tái)有俯仰角和偏擺角誤差時(shí)，中心點(diǎn)位置變化較大；而第二攝像機(jī)14中兩束無衍射光的中心位置，其中一個(gè)由第四平面反射鏡16、第三分光棱鏡13入射的光束為參考光束，其中心位置始終保持不變，而另一個(gè)隨導(dǎo)軌的垂直直線度、俯仰角、偏擺角和滾轉(zhuǎn)角四自由度運(yùn)動(dòng)誤差而變化；通過對(duì)兩攝像機(jī)獲取的圖像進(jìn)行圖像處理，由莫爾條紋數(shù)精確計(jì)算出中心點(diǎn)的位置；結(jié)合兩攝像機(jī)中無衍射光的中心位置，識(shí)別和測(cè)量出導(dǎo)軌垂直直線度、俯仰角、偏擺角和滾轉(zhuǎn)角四自由度運(yùn)動(dòng)誤差。
[0021]盡管本說明書較多地使用了 He-Ne激光器1、準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡2、第一平面反射鏡3、軸錐鏡4、第一分光棱鏡5、第二平面反射鏡6、第二分光棱鏡7、移動(dòng)單兀8、半透半反鏡9、第三平面反射鏡10、第一攝像機(jī)11、直角棱鏡12、第三分光棱鏡13、第二攝像機(jī)14、光衰減器15、第四平面反射鏡16、工作臺(tái)17和計(jì)算機(jī)18等術(shù)語，但并不排除使用其他術(shù)語的可能性。使用這些術(shù)語僅僅是為了更方便的描述本實(shí)用新型的本質(zhì)，把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本實(shí)用新型精神相違背的。
[0022]應(yīng)當(dāng)理解的是，本說明書未詳細(xì)闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。
[0023]應(yīng)當(dāng)理解的是，上述針對(duì)較佳實(shí)施例的描述較為詳細(xì)，并不能因此而認(rèn)為是對(duì)本實(shí)用新型專利保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本實(shí)用新型的啟示下，在不脫離本實(shí)用新型權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)，本實(shí)用新型的請(qǐng)求保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種利用無衍射光測(cè)量導(dǎo)軌四自由度運(yùn)動(dòng)誤差的裝置，其特征在于:包括激光器(I)、準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡(2)、第一平面反射鏡(3)、軸錐鏡(4)、第一分光棱鏡(5)、第二平面反射鏡(6)、第二分光棱鏡(7)、移動(dòng)單元(8)、半透半反鏡(9)、第三平面反射鏡(10)、第一攝像機(jī)(II)、直角棱鏡(12)、第三分光棱鏡(13)、第二攝像機(jī)(14)、光衰減器(15)、第四平面反射鏡(16)、工作臺(tái)(17)和計(jì)算機(jī)(18)； 所述的移動(dòng)單元(8)由所述的半透半反鏡(9)和直角棱鏡(12)組成，所述的半透半反鏡(9)設(shè)置在所述的直角棱鏡(12)正前端上部，所述的移動(dòng)單元(8)固定安裝在所述的工作臺(tái)(17)上，所述的工作臺(tái)(17)在被測(cè)直線導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)； 所述的激光器(I)產(chǎn)生的激光穿過所述的準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡(2)、經(jīng)所述的第一平面反射鏡(3)反射、平行射入所述的軸錐鏡(4)后形成零階貝塞爾形狀的無衍射光，無衍射光經(jīng)所述的第一分光棱鏡(5 )后分成反射光和透射光的兩束無衍射光，反射光作為測(cè)量光，透射光作為參考光； 所述的參考光經(jīng)所述的光衰減器(15)、第四平面反射鏡(16)后入射到所述的第三分光棱鏡(13)中； 所述的測(cè)量光經(jīng)所述的第二平面反射鏡(6)、第二分光棱鏡(7)后入射到所述的移動(dòng)單元(8)中的半透半反鏡(9)上；一部分由所述的半透半反鏡(9)反射回來的光線經(jīng)所述的第二分光棱鏡(7)、第三平面反射鏡(10)后由所述的第一攝像機(jī)(11)接收，另一部分經(jīng)過所述的半透半反鏡(9)透射的光線經(jīng)過所述的直角棱鏡(12)和第三分光棱鏡(13)后，與由所述的第一分光棱鏡(5)透射的經(jīng)光衰減器(15)、第四平面反射鏡(16)的光線干涉后形成莫爾條紋入射到所述的第二攝像機(jī)(14)中； 所述的第一攝像機(jī)(11)中接收一束無衍射光斑，第二攝像機(jī)(14)中接收兩束無衍射光干涉的莫爾條紋，所述的第一攝像機(jī)(11 )、第二攝像機(jī)(14)分別與所述的計(jì)算機(jī)(18)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用無衍射光測(cè)量導(dǎo)軌四自由度運(yùn)動(dòng)誤差的裝置，其特征在于:所述的激光器(I)采用的是He-Ne激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用無衍射光測(cè)量導(dǎo)軌四自由度運(yùn)動(dòng)誤差的裝置，其特征在于:所述的第一攝像機(jī)(11)和第二攝像機(jī)(14)為面陣C⑶或CMOS。
【文檔編號(hào)】G01B11/26GK203929036SQ201420284989
【公開日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月30日
【發(fā)明者】翟中生, 呂清花, 王選擇, 嚴(yán)昌文, 張飄, 丁善婷, 聶磊 申請(qǐng)人:湖北工業(yè)大學(xué)