應用於機械設備幾何誤差測量的三自由度雷射測量系統的製作方法
2023-06-30 15:00:41 2
應用於機械設備幾何誤差測量的三自由度雷射測量系統的製作方法
【專利摘要】本發明屬於雷射精密測量技術，具體涉及一種應用於機械設備幾何誤差測量的三自由度雷射測量系統。所述系統包括分光鏡組、偏振分光鏡組、運動反光鏡組和固定反光鏡組。本發明提供的技術方案基於雙頻雷射幹涉，可以同時測量3個物理量，其中1個位移量，2個旋轉量，可以極大的縮短檢測時間，提高檢測效率，並且其可溯源性強，傳感頭為無源器件，不會引入熱幹擾，不需要電纜輸出信號，進而消除熱幹擾導致的誤差。同時，它針對特定的需求，成本適中，精度高，具備很強的應用性和市場價值，可以適用於各種複雜的機械設備，比如發動機，挖掘機，發電機，機車和數控工具機等。
【專利說明】應用於機械設備幾何誤差測量的三自由度雷射測量系統
【技術領域】
[0001] 本發明屬於雷射精密測量技術，具體涉及一種應用於機械設備幾何誤差測量的三 自由度雷射測量系統。
【背景技術】
[0002] 隨著現代加工技術和高端裝備精密製造業的發展，對數控工具機的加工精度要求越 來越高。為了能夠生產裝配出滿足生產需求的高精度精密工具機，並且使工具機保持高精密狀 態。對工具機幾何誤差量的檢測將成為無法迴避的問題。只有檢測出工具機的幾何誤差，才能 確認生產的工具機是否滿足要求，並進一步提高工具機的加工精度，或者對現有工具機的系統誤 差進行補償。
[0003] -般來說，裝調工具機的過程需要對各項幾何誤差進行檢測，用於裝調到設計精度。 工具機出廠需要對工具機整體誤差進行檢測，以確認整機性能。在工具機的使用過程中，需要定期 對工具機的幾何誤差進行檢測，以確保工具機加工精度沒有發生漂移。按照現有的精密工具機幾 何誤差檢測手段，一次只能檢測一個誤差量，而對於高精密數控工具機，其誤差量至少要檢測 21項，因此，完整的檢測完工具機的各個誤差量，所需要的時間十分冗長，造成十分可觀的隱 性成本。
[0004] 人們一直企圖解決這一問題，並發展出了許多光學測量方法和技術。概括起來包 括：傳統的光學方法，基於光的衍射的方法，基於雷射追蹤的方法和雷射幹涉與雷射準直相 結合的方法。其中，基於雷射幹涉和雷射準直是目前應用最先進的方法。
[0005] 但現有的檢測系統龐大複雜，雷射幹涉儀無法同時檢測位移量和轉動量，轉動量 若通過傳感器PSD檢測，不能做到可溯源，精度權威性低，並且傳感頭需要有源器件進行信 號傳輸，其發熱影響測量精度。
【發明內容】
[0006] 本發明所要解決的技術問題是系統複雜，測量數據不可溯源，有源器件發熱對測 量結果造成影響，為了克服以上不足，提供了一種應用於機械設備幾何誤差測量的三自由 度雷射測量系統。
[0007] 為了解決上述技術問題，本發明的技術方案是：所述應用於機械設備幾何誤差測 量的三自由度雷射測量系統包括分光鏡組、偏振分光鏡組、運動反光鏡組和固定反光鏡組， 所述分光鏡組將入射光平均分為與入射光平行但不共面的第一子光束、第二子光束和第三 子光束，所述偏振分光鏡組位於3個子光束的光路上，每個子光束經偏振分光鏡組分為參 考光和測量光，運動反光鏡組設置在測量光的光路上並將其反射回偏振分光鏡組，固定反 光鏡組設置在參考光的光路上並將其反射回偏振分光鏡組，反射回的參考光和測量光匯合 後形成幹涉，幹涉信號用於計算所述三自由度。
[0008] 進一步，所述分光鏡組包括前後設置且相互垂直的前平行四邊形稜鏡和後平行四 邊形稜鏡，每個平行四邊形稜鏡的四個側面依次為與入射光垂直的入射面、與入射面夾角 為銳角的分光面、與分光面相對的反射面和與入射面相對的出射面，後平行四邊形稜鏡的 入射面與前平行四邊形稜鏡的分光面相對，所述分光鏡組還包括前後設置的前三角稜鏡和 後三角稜鏡，三角稜鏡斜邊所在面為透射面，與入射光垂直的為子光束面，所述前三角稜鏡 的透射面與前平行四邊形稜鏡的分光面相貼合，所述前三角稜鏡的子光束面與後平行四邊 形稜鏡的入射面相貼合，後三角稜鏡的透射面與後平行四邊形稜鏡的分光面相貼合。
[0009] 進一步，所述後平行四邊形稜鏡的出射面和與該出射面相鄰的所述後三角稜鏡的 子光束面，均與所述偏振分光鏡組的入射面貼合。
[0010] 進一步，所述平行四邊形稜鏡的主截面為一對角45°的平行四邊形，三角稜鏡的 主截面為等腰直角三角形。
[0011] 進一步，每個所述平行四邊形稜鏡的分光面設有消偏振分光膜，所述反射面設有 高反膜，其他側面設有抗反射膜。
[0012] 進一步，所述前平行四邊形稜鏡的消偏振分光膜的分光比為2:1，後平行四邊形稜 鏡的消偏振分光膜的分光比為1:1。
[0013] 進一步，所述偏振分光鏡組的分光面鍍高消光比偏振分光膜，其餘工作面鍍抗反 射膜。
[0014] 進一步，所述運動反光鏡組包括3個反射器，3個反射器分別位於3個子光束的測 量光的光路上並反射回偏振分光鏡組，所述固定反光鏡組結構與運動反光鏡組相同，分別 位於3個子光束的參考光的光路上並反射回偏振分光鏡組。
[0015] 進一步，每個所述反射器的入射面鍍抗反射膜，反射面鍍消偏振反射膜。
[0016] 進一步，所述反射器為角錐稜鏡反射器。
[0017] 本發明提供的技術方案基於雙頻雷射幹涉，可以同時測量3個物理量，其中1個位 移量，2個旋轉量，可以極大的縮短檢測時間，提高檢測效率，並且其可溯源性強，傳感頭為 無源器件，不會引入熱幹擾，不需要電纜輸出信號，進而消除熱幹擾導致的誤差。同時，它針 對特定的需求，成本適中，精度高，具備很強的應用性和市場價值，可以適用於各種複雜的 機械設備，比如發動機，挖掘機，發電機，機車和數控工具機等。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發明所述測量系統的結構示意圖；
[0019] 圖2是本發明所述分光鏡組的分離結構圖；
[0020] 圖3是本發明所述運動反光鏡組的結構示意圖；
[0021] 圖4是本發明測量系統測試中光路過程；
[0022] 圖5是本發明系統三自由度的測量方法。
[0023] 圖中所示：
[0024] 1-分光鏡組，11-前平行四邊形稜鏡，111，11Γ -入射面，112, 112' -分光面， 113-反射面，114, 114' -出射面，12-後平行四邊形稜鏡，13-前三角稜鏡，131，131' -透射 面，132, 132' -子光束面，14-後三角稜鏡；
[0025] 2-偏振分光鏡組；
[0026] 3-運動反光鏡組，31-第一反射器，32-第二反射器，33-第三反射器；
[0027] 4-固定反光鏡組；
[0028] 5-雷射器，51-入射光，52-子光束，521-第一光軸，522-第二光軸，523-第三光 軸，53-參考光，54-測量光；
[0029] 6-耦合器，7-光電計數裝置，8-數據處理及顯示裝置。
【具體實施方式】
[0030] 下面結合附圖對本發明作詳細描述：
[0031] 如圖1所示，本發明所述應用於機械設備幾何誤差測量的三自由度雷射測量系統 包括分光鏡組1、偏振分光鏡組2、運動反光鏡組3和固定反光鏡組4。
[0032] 入射光的光路方向為X向，X向上依次設置分光鏡組、偏振分光鏡組和運動反光鏡 組，所述固定反光鏡組設置在偏振分光鏡組的Y向上。
[0033] 如圖2所示，分光鏡組1所述分光鏡組包括前平行四邊形稜鏡11、後平行四邊形稜 鏡12、前三角稜鏡13和後三角稜鏡14。
[0034] 前平行四邊形稜鏡11和後平行四邊形稜鏡12的結構相同，以前平行四邊形稜鏡 11為例。所述前平行四邊形稜鏡11的主截面為一對角45°的平行四邊形，其四個側面依 次為與X向垂直的入射面111、與入射面111夾角較小的分光面112、與分光面112相對的 反射面113和與入射面111相對的出射面114。
[0035] 前三角稜鏡13和後三角稜鏡14的結構相同，以前三角稜鏡13為例。所述前三角 稜鏡13的主截面為等腰直角三角形，斜邊所在面為透射面131，與X向垂直的為子光束面 132,所述前三角稜鏡13的透射面131與前平行四邊形稜鏡11的分光面112相貼合，所述 前三角稜鏡13的子光束面132與後平行四邊形稜鏡12的入射面11Γ相貼合，所述後三角 稜鏡14的透射面13Γ與後平行四邊形稜鏡52的分光面112'相貼合。
[0036] 所述前平行四邊形稜鏡11和後平行四邊形稜鏡12相互垂直，且後平行四邊形稜 鏡的入射面11Γ與前平行四邊形稜鏡的分光面112相對。
[0037] 所述分光面112和透射面131塗覆分光比為2:1的消偏振分光膜，其中2/3光強 透射，1/3光強反射，分光面112'和透射面13Γ塗覆分光比為1:1的消偏振分光膜，半透射 半反射，所述反射面113塗覆HR高反膜，稜鏡其他側面塗覆AR抗反射膜。
[0038] 如圖1所示，所述後平行四邊形稜鏡12中與入射面11Γ相對的出射面114'和與 該面相鄰的所述後三角稜鏡14的子光束面132'，均與所述偏振分光鏡組2的入射面貼合， 所述偏振分光鏡組2為PBS稜鏡，由兩個三角稜鏡組成，兩個三角稜鏡中間鍍高消光比偏振 分光膜，其餘工作面鍍AR抗反射膜。
[0039] 所述運動反光鏡組3和固定反光鏡組4所採用的部件結構和部件數量相同，以運 動反光鏡組3為例，如圖3所不，其包括3個直角稜鏡反射器分別為第一反射器31、與第一 反射器31並列的第二反射器32和疊放在第一反射器31上面的第三反射器33,各反射器的 入射面鍍AR抗反射膜，反射面鍍消偏振反射膜。
[0040] 所述固定反光鏡組4也包括三個反射器，同理，各反射器的入射面鍍AR抗反射膜， 反射面鍍消偏振反射膜。
[0041] 如圖4所示，測試中光路過程依次為：雷射器5發射X向正交偏振雙頻雷射束作為 入射光51，入射光51經分光鏡組1平均分為三個與入射光51平行的正交偏振雙頻子光束 52,具體為經前平行四邊形稜鏡11和前三角稜鏡13,入射光51被分為光強比為2:1兩束 光。1/3光強的第一子束光521進入偏振分光鏡組2, 2/3光強的一束光進入後平行四邊形 稜鏡12和後三角稜鏡14,將2/3光強的一束光進一步分為光強比為1:1的兩個子光束，即 第二子光束522和第三子光束523。所述每個子光束52經偏振分光鏡組2分為參考光53 和測量光54,固定反光鏡組4接收參考光53並反射回偏振分光鏡組2,運動反光鏡組2接 收測量光54並反射回偏振分光鏡組2,參考光53的反射光和測量光54的反射光併入一個 幹涉光路，經耦合器6形成幹涉條紋，光電計數裝置7對三組幹涉條紋的移動分別計數，再 經數據處理及顯示裝置8給出X向位移量、Ry轉動量和Rz轉動量。
[0042] 具體的數據處理方法如下：
[0043] 如圖5所示，本發明系統在被測物體上的三個等效測量點a、b和c，第一子光束 521形成的幹涉條紋與a點的X向位移量X a相對應，第二子光束522形成的幹涉條紋與b點 的X向位移量Xb相對應，第三子光束523形成的幹涉條紋與c點的X向位移量X。相對應， 第一子光束521與第二子光束522之間的中心距為Ly，第一子光束521和第三子光束523 之間的中心距為Lz。為了更好的消除環境誤差及振動的影響，X向位移量d，Ry轉動量α 和Rz轉動量β分別為：
【權利要求】
1. 一種應用於機械設備幾何誤差測量的三自由度雷射測量系統，其特徵在於，包括分 光鏡組、偏振分光鏡組、運動反光鏡組和固定反光鏡組，所述分光鏡組將入射光平均分為與 入射光平行但不共面的第一子光束、第二子光束和第三子光束，所述偏振分光鏡組位於3 個子光束的光路上，每個子光束經偏振分光鏡組分為參考光和測量光，運動反光鏡組設置 在測量光的光路上並將其反射回偏振分光鏡組，固定反光鏡組設置在參考光的光路上並將 其反射回偏振分光鏡組，反射回的參考光和測量光匯合後形成幹涉，幹涉信號用於計算所 述三自由度。
2. 根據權利要求1所述一種應用於機械設備幾何誤差測量的三自由度雷射測量系統， 其特徵在於，所述分光鏡組包括前後設置且相互垂直的前平行四邊形稜鏡和後平行四邊形 稜鏡，每個平行四邊形稜鏡的四個側面依次為與入射光垂直的入射面、與入射面夾角為銳 角的分光面、與分光面相對的反射面和與入射面相對的出射面，後平行四邊形稜鏡的入射 面與前平行四邊形稜鏡的分光面相對，所述分光鏡組還包括前後設置的前三角稜鏡和後三 角稜鏡，三角稜鏡斜邊所在面為透射面，與入射光垂直的為子光束面，所述前三角稜鏡的透 射面與前平行四邊形稜鏡的分光面相貼合，所述前三角稜鏡的子光束面與後平行四邊形稜 鏡的入射面相貼合，後三角稜鏡的透射面與後平行四邊形稜鏡的分光面相貼合。
3. 根據權利要求2所述一種應用於機械設備幾何誤差測量的三自由度雷射測量系統， 其特徵在於，所述後平行四邊形稜鏡的出射面和與該出射面相鄰的所述後三角稜鏡的子光 束面，均與所述偏振分光鏡組的入射面貼合。
4. 根據權利要求2所述一種應用於機械設備幾何誤差測量的三自由度雷射測量系統， 其特徵在於，所述平行四邊形稜鏡的主截面為一對角45°的平行四邊形，三角稜鏡的主截 面為等腰直角三角形。
5. 根據權利要求2所述一種應用於機械設備幾何誤差測量的三自由度雷射測量系統， 其特徵在於，每個所述平行四邊形稜鏡的分光面設有消偏振分光膜，所述反射面設有高反 膜，其他側面設有抗反射膜。
6. 根據權利要求5所述一種應用於機械設備幾何誤差測量的三自由度雷射測量系統， 其特徵在於，所述前平行四邊形稜鏡的消偏振分光膜的分光比為2:1，後平行四邊形稜鏡的 消偏振分光膜的分光比為1:1。
7. 根據權利要求1所述一種應用於機械設備幾何誤差測量的三自由度雷射測量系統， 其特徵在於，所述偏振分光鏡組的分光面鍍高消光比偏振分光膜，其餘工作面鍍抗反射膜。
8. 根據權利要求1所述一種應用於機械設備幾何誤差測量的三自由度雷射測量系統， 其特徵在於，所述運動反光鏡組包括3個反射器，3個反射器分別位於3個子光束的測量光 的光路上並反射回偏振分光鏡組，所述固定反光鏡組結構與運動反光鏡組相同，分別位於3 個子光束的參考光的光路上並反射回偏振分光鏡組。
9. 根據權利要求8所述一種應用於機械設備幾何誤差測量的三自由度雷射測量系統， 其特徵在於，每個所述反射器的入射面鍍抗反射膜，反射面鍍消偏振反射膜。
10. 根據權利要求8所述一種應用於機械設備幾何誤差測量的三自由度雷射測量系 統，其特徵在於，所述反射器為角錐稜鏡反射器。
【文檔編號】G01B11/02GK104142123SQ201310168047
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2013年5月8日 優先權日:2013年5月8日
【發明者】肖鵬飛, 池峰, 陳勇輝 申請人:上海微電子裝備有限公司