一種利用無衍射光測量導軌四自由度運動誤差的裝置製造方法
2023-10-10 11:34:39
一種利用無衍射光測量導軌四自由度運動誤差的裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種利用無衍射光測量導軌四自由度運動誤差的裝置，該裝置包括雷射器、擴束準直鏡、軸錐鏡、分光稜鏡、反射鏡、半透半反鏡、直角稜鏡和攝像機，半透半反鏡與直角稜鏡組成的運動單元固定在工作檯上。半透半反鏡反射的無衍射光束由第一攝像機接收，其透射的無衍射光束與參考無衍射光束由第二攝像機接收，通過分析兩攝像機中無衍射光的中心光位置變化，識別和測量出導軌垂直直線度、偏擺角、俯仰角和滾轉角運動誤差。該裝置結構簡單、多自由度測量、測量範圍大、精度高、穩定性強，是一種綜合性能優良的多自由運動誤差測量裝置。
【專利說明】—種利用無衍射光測量導軌四自由度運動誤差的裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於直線導軌的運動精度測量【技術領域】，涉及一種導軌多自由度運動誤差測量裝置，尤其是涉及一種利用無衍射光測量導軌四自由度運動誤差的裝置。
【背景技術】
[0002]隨著科學技術的發展，大行程超精密工作檯在近代尖端工業生產和科學研究領域內佔有極為重要的地位，直線導軌的運動精度直接影響零件的加工與測量精度。
[0003]工作檯沿直線導軌運動時存在沿導軌方向的定位誤差、垂直於導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)、滾轉角誤差等六個自由度誤差。
[0004]目前對直線導軌運動誤差的測量方法主要有雷射幹涉法和光強重心法等。雷射幹涉測量法利用各種光學元件在工作檯上的不同組合，通過對雷射的反射與折射等，形成與工作檯運動誤差相關的光程差，然後對光程差導致的相位差計算，得到工作檯的運動誤差。光強重心法主要採用固定在工作檯上的四象限或CCD探測器拾取準直的雷射光斑信號，並通過光強重心位置的變化進一步計算角度與偏移量的變化。對於雷射幹涉法和光強重心法，其測量精度和穩定性取決於雷射器本身的穩定性。而用於測量的雷射束性能受諸多因素影響，如雷射器熱變形所導致的雷射束漂移和模式變化，空氣擾動將改變光束傳播方向等，都將影響測量穩定性與精度。因此，現有的測量方面通常需要高價格、複雜的雷射器。
實用新型內容
[0005]本實用新型的目的是提供一種利用無衍射光測量導軌四自由度運動誤差的裝置，利用無衍射的高穩定性，結合半透半反鏡、直角稜鏡和攝像機實現直線運動導軌的垂直直線度、偏擺角、俯仰角和滾轉角誤差的分離和識別，通過對攝像機採集的無衍射光莫爾條紋的處理測量出四自由度運動誤差。
[0006]本實用新型所採用的技術方案是:一種利用無衍射光測量導軌四自由度運動誤差的裝置，其特徵在於:包括雷射器、準直擴束鏡、第一平面反射鏡、軸錐鏡、第一分光稜鏡、第二平面反射鏡、第二分光稜鏡、移動單元、半透半反鏡、第三平面反射鏡、第一攝像機、直角稜鏡、第三分光稜鏡、第二攝像機、光衰減器、第四平面反射鏡、工作檯和計算機；
[0007]所述的移動單元由所述的半透半反鏡和直角稜鏡組成，所述的半透半反鏡設置在所述的直角稜鏡正前端上部，所述的移動單元固定安裝在所述的工作檯上，所述的工作檯在被測直線導軌上運動；
[0008]所述的雷射器產生的雷射穿過所述的準直擴束鏡、經所述的第一平面反射鏡反射、平行射入所述的軸錐鏡後形成零階貝塞爾形狀的無衍射光，無衍射光經所述的第一分光稜鏡後分成反射光和透射光的兩束無衍射光，反射光作為測量光，透射光作為參考光；
[0009]所述的參考光經所述的光衰減器、第四平面反射鏡後入射到所述的第三分光稜鏡中；
[0010]所述的測量光經所述的第二平面反射鏡、第二分光稜鏡後入射到所述的移動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所述的第二分光稜鏡、第三平面反射鏡後由所述的第一攝像機接收，另一部分經過所述的半透半反鏡透射的光線經過所述的直角稜鏡和第三分光稜鏡後，與由所述的第一分光稜鏡透射的經光衰減器、第四平面反射鏡的光線幹涉後形成莫爾條紋入射到所述的第二攝像機中；
[0011]所述的第一攝像機中接收一束無衍射光斑，第二攝像機中接收兩束無衍射光幹涉的莫爾條紋，所述的第一攝像機、第二攝像機分別與所述的計算機連接。
[0012]作為優選，所述的雷射器採用的是He-Ne雷射器。
[0013]作為優選，所述的第一攝像機和第二攝像機為面陣CXD或CMOS。
[0014]本實用新型具有以下優點及突出性效果:將無衍射光束作為測量光束，具有測量範圍大、抗幹擾、高穩定性的特點；利用莫爾條紋的放大特性能實現高精度的測量；根據兩攝像機中光斑中心點的位置，很容易識別和分離四自由度運動誤差數據；裝置結構簡單，易於實現，且成本低。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1:為本實用新型實施例的結構示意圖。
[0016]圖2:為本實用新型實施例的兩CCD中無衍射光中心位置與四自由度關係示意圖。
【具體實施方式】
[0017]為了便於本領域普通技術人員理解和實施本實用新型，下面結合附圖及實施例對本實用新型作進一步的詳細描述，應當理解，此處所描述的實施示例僅用於說明和解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。
[0018]請見圖1，本實用新型所採用的技術方案是:一種利用無衍射光測量導軌四自由度運動誤差的裝置，其特徵在於:包括He-Ne雷射器1、準直擴束鏡2、第一平面反射鏡3、軸錐鏡4、第一分光稜鏡5、第二平面反射鏡6、第二分光稜鏡7、移動單兀8、半透半反鏡9、第三平面反射鏡10、第一攝像機11、直角稜鏡12、第三分光稜鏡13、第二攝像機14、光衰減器15、第四平面反射鏡16、工作檯17和計算機18 ;移動單元8由半透半反鏡9和直角稜鏡12組成，半透半反鏡9設置在直角稜鏡12正前端上部，移動單元8固定安裝在工作檯17上，工作檯17在被測直線導軌上運動；He-Ne雷射器I產生的雷射穿過準直擴束鏡2、經第一平面反射鏡3反射、平行射入軸錐鏡4後形成零階貝塞爾形狀的無衍射光，無衍射光經第一分光稜鏡5後分成反射光和透射光的兩束無衍射光,反射光作為測量光，透射光作為參考光；參考光經光衰減器15、第四平面反射鏡16後入射到第三分光稜鏡13中；測量光經第二平面反射鏡6、第二分光稜鏡7後入射到移動單元8中的半透半反鏡9上；一部分由半透半反鏡9反射回來的光線經第二分光稜鏡7、第三平面反射鏡10後由第一攝像機11接收，另一部分經過半透半反鏡9透射的光線經過直角稜鏡12和第三分光稜鏡13後，與由第一分光稜鏡5透射的經光衰減器15、第四平面反射鏡16的光線幹涉後形成莫爾條紋入射到第二攝像機14中；第一攝像機11中接收一束無衍射光斑，第二攝像機14中接收兩束無衍射光幹涉的莫爾條紋，第一攝像機11、第二攝像機14分別與計算機18連接。
[0019]本實施例的第一攝像機11和第二攝像機14可以為面陣CXD或CMOS。在本實施例中不做限定。
[0020]本實施例在工作是，半透半反鏡9與直角稜鏡12組成的移動單元8固定在工作檯17上與其一起運動。測量開始前，在被測導軌起始位置處，獲取兩攝像機中無衍射光的中心位置，並作為後續測量的比較對象。測量時，工作檯17在直線導軌上運動，第一攝像機11中無衍射光斑的中心位置和第二攝像機14中兩束無衍射光的中心隨運動誤差的不同而產生不同的變化，如圖2所示；當被測導軌有垂直直線度誤差和滾轉角誤差時，第一攝像機11中無衍射光斑的中心位置不發生改變，但當運動臺有俯仰角和偏擺角誤差時，中心點位置變化較大；而第二攝像機14中兩束無衍射光的中心位置，其中一個由第四平面反射鏡16、第三分光稜鏡13入射的光束為參考光束，其中心位置始終保持不變，而另一個隨導軌的垂直直線度、俯仰角、偏擺角和滾轉角四自由度運動誤差而變化；通過對兩攝像機獲取的圖像進行圖像處理，由莫爾條紋數精確計算出中心點的位置；結合兩攝像機中無衍射光的中心位置，識別和測量出導軌垂直直線度、俯仰角、偏擺角和滾轉角四自由度運動誤差。
[0021]儘管本說明書較多地使用了 He-Ne雷射器1、準直擴束鏡2、第一平面反射鏡3、軸錐鏡4、第一分光稜鏡5、第二平面反射鏡6、第二分光稜鏡7、移動單兀8、半透半反鏡9、第三平面反射鏡10、第一攝像機11、直角稜鏡12、第三分光稜鏡13、第二攝像機14、光衰減器15、第四平面反射鏡16、工作檯17和計算機18等術語，但並不排除使用其他術語的可能性。使用這些術語僅僅是為了更方便的描述本實用新型的本質，把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本實用新型精神相違背的。
[0022]應當理解的是，本說明書未詳細闡述的部分均屬於現有技術。
[0023]應當理解的是，上述針對較佳實施例的描述較為詳細，並不能因此而認為是對本實用新型專利保護範圍的限制，本領域的普通技術人員在本實用新型的啟示下，在不脫離本實用新型權利要求所保護的範圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本實用新型的保護範圍之內，本實用新型的請求保護範圍應以所附權利要求為準。
【權利要求】
1.一種利用無衍射光測量導軌四自由度運動誤差的裝置，其特徵在於:包括雷射器(I)、準直擴束鏡(2)、第一平面反射鏡(3)、軸錐鏡(4)、第一分光稜鏡(5)、第二平面反射鏡(6)、第二分光稜鏡(7)、移動單元(8)、半透半反鏡(9)、第三平面反射鏡(10)、第一攝像機(II)、直角稜鏡(12)、第三分光稜鏡(13)、第二攝像機(14)、光衰減器(15)、第四平面反射鏡(16)、工作檯(17)和計算機(18)； 所述的移動單元(8)由所述的半透半反鏡(9)和直角稜鏡(12)組成，所述的半透半反鏡(9)設置在所述的直角稜鏡(12)正前端上部，所述的移動單元(8)固定安裝在所述的工作檯(17)上，所述的工作檯(17)在被測直線導軌上運動； 所述的雷射器(I)產生的雷射穿過所述的準直擴束鏡(2)、經所述的第一平面反射鏡(3)反射、平行射入所述的軸錐鏡(4)後形成零階貝塞爾形狀的無衍射光，無衍射光經所述的第一分光稜鏡(5 )後分成反射光和透射光的兩束無衍射光，反射光作為測量光，透射光作為參考光； 所述的參考光經所述的光衰減器(15)、第四平面反射鏡(16)後入射到所述的第三分光稜鏡(13)中； 所述的測量光經所述的第二平面反射鏡(6)、第二分光稜鏡(7)後入射到所述的移動單元(8)中的半透半反鏡(9)上；一部分由所述的半透半反鏡(9)反射回來的光線經所述的第二分光稜鏡(7)、第三平面反射鏡(10)後由所述的第一攝像機(11)接收，另一部分經過所述的半透半反鏡(9)透射的光線經過所述的直角稜鏡(12)和第三分光稜鏡(13)後，與由所述的第一分光稜鏡(5)透射的經光衰減器(15)、第四平面反射鏡(16)的光線幹涉後形成莫爾條紋入射到所述的第二攝像機(14)中； 所述的第一攝像機(11)中接收一束無衍射光斑，第二攝像機(14)中接收兩束無衍射光幹涉的莫爾條紋，所述的第一攝像機(11 )、第二攝像機(14)分別與所述的計算機(18)連接。
2.根據權利要求1所述的利用無衍射光測量導軌四自由度運動誤差的裝置，其特徵在於:所述的雷射器(I)採用的是He-Ne雷射器。
3.根據權利要求1所述的利用無衍射光測量導軌四自由度運動誤差的裝置，其特徵在於:所述的第一攝像機(11)和第二攝像機(14)為面陣C⑶或CMOS。
【文檔編號】G01B11/26GK203929036SQ201420284989
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年5月30日 優先權日:2014年5月30日
【發明者】翟中生, 呂清花, 王選擇, 嚴昌文, 張飄, 丁善婷, 聶磊 申請人:湖北工業大學