一种利用无衍射光测量导轨四自由度运动误差的装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用无衍射光测量导轨四自由度运动误差的装置，该装置包括激光器、扩束准直镜、轴锥镜、分光棱镜、反射镜、半透半反镜、直角棱镜和摄像机，半透半反镜与直角棱镜组成的运动单元固定在工作台上。半透半反镜反射的无衍射光束由第一摄像机接收，其透射的无衍射光束与参考无衍射光束由第二摄像机接收，通过分析两摄像机中无衍射光的中心光位置变化，识别和测量出导轨垂直直线度、偏摆角、俯仰角和滚转角运动误差。该装置结构简单、多自由度测量、测量范围大、精度高、稳定性强，是一种综合性能优良的多自由运动误差测量装置。
【专利说明】—种利用无衍射光测量导轨四自由度运动误差的装置
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明属于直线导轨的运动精度测量【技术领域】，涉及一种导轨多自由度运动误差测量装置，尤其是涉及一种利用无衍射光测量导轨四自由度运动误差的装置。
[0003]【背景技术】
[0004]随着科学技术的发展，大行程超精密工作台在近代尖端工业生产和科学研究领域内占有极为重要的地位，直线导轨的运动精度直接影响零件的加工与测量精度。
[0005]工作台沿直线导轨运动时存在沿导轨方向的定位误差、垂直于导轨方向的二维直线度误差(水平直线度误差、垂直直线度误差)、二维角度误差(俯仰角误差、偏摆角误差)、滚转角误差等六个自由度误差。
[0006]目前对直线导轨运动误差的测量方法主要有激光干涉法和光强重心法等。激光干涉测量法利用各种光学元件在工作台上的不同组合，通过对激光的反射与折射等，形成与工作台运动误差相关的光程差，然后对光程差导致的相位差计算，得到工作台的运动误差。光强重心法主要采用固定在工作台上的四象限或CCD探测器拾取准直的激光光斑信号，并通过光强重心位置的变化进一步计算角度与偏移量的变化。对于激光干涉法和光强重心法，其测量精度和稳定性取决于激光器本身的稳定性。而用于测量的激光束性能受诸多因素影响，如激光器热变形所导致的激光束漂移和模式变化，空气扰动将改变光束传播方向等，都将影响测量稳定性与精度。因此，现有的测量方面通常需要高价格、复杂的激光器。
[0007]
【发明内容】
[0008]本发明的目的是提供一种利用无衍射光测量导轨四自由度运动误差的装置，利用无衍射的高稳定性，结合半透半反镜、直角棱镜和摄像机实现直线运动导轨的垂直直线度、偏摆角、俯仰角和滚转角误差的分离和识别，通过对摄像机采集的无衍射光莫尔条纹的处理测量出四自由度运动误差。
[0009]本发明所采用的技术方案是:一种利用无衍射光测量导轨四自由度运动误差的装置，其特征在于:包括激光器、准直扩束镜、第一平面反射镜、轴锥镜、第一分光棱镜、第二平面反射镜、第二分光棱镜、移动单元、半透半反镜、第三平面反射镜、第一摄像机、直角棱镜、第三分光棱镜、第二摄像机、光衰减器、第四平面反射镜、工作台和计算机；
所述的移动单元由所述的半透半反镜和直角棱镜组成，所述的半透半反镜设置在所述的直角棱镜正前端上部，所述的移动单元固定安装在所述的工作台上，所述的工作台在被测直线导轨上运动；
所述的激光器产生的激光穿过所述的准直扩束镜、经所述的第一平面反射镜反射、平行射入所述的轴锥镜后形成零阶贝塞尔形状的无衍射光，无衍射光经所述的第一分光棱镜后分成反射光和透射光的两束无衍射光，反射光作为测量光，透射光作为参考光；
所述的参考光经所述的光衰减器、第四平面反射镜后入射到所述的第三分光棱镜中；所述的测量光经所述的第二反射镜、第二分光棱镜后入射到所述的移动单元中的半透半反镜上；一部分由所述的半透半反镜反射回来的光线经所述的第二分光棱镜、第三平面反射镜后由所述的第一摄像机接收，另一部分经过所述的半透半反镜透射的光线经过所述的直角棱镜和第三分光棱镜后，与由所述的第一分光棱镜透射的经光衰减器、第四平面反射镜的光线干涉后形成莫尔条纹入射到所述的第二摄像机中；
所述的第一摄像机中接收一束无衍射光斑，第二摄像机中接收两束无衍射光干涉的莫尔条纹，所述的第一摄像机、第二摄像机分别与所述的计算机连接。
[0010]作为优选，所述的激光器采用的是He-Ne激光器。
[0011]作为优选，所述的第一摄像机和第二摄像机为面阵CXD或CMOS。
[0012]本发明具有以下优点及突出性效果:将无衍射光束作为测量光束，具有测量范围大、抗干扰、高稳定性的特点；利用莫尔条纹的放大特性能实现高精度的测量；根据两摄像机中光斑中心点的位置，很容易识别和分离四自由度运动误差数据；装置结构简单，易于实现，且成本低。
[0013]【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1:为本发明实施例的结构示意图。
[0015]图2:为本发明实施例的两CXD中无衍射光中心位置与四自由度关系示意图。
[0016]【具体实施方式】
[0017]为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0018]请见图1，本发明所采用的技术方案是:一种利用无衍射光测量导轨四自由度运动误差的装置，其特征在于:包括He-Ne激光器1、准直扩束镜2、第一平面反射镜3、轴锥镜
4、第一分光棱镜5、第二平面反射镜6、第二分光棱镜7、移动单元8、半透半反镜9、第三平面反射镜10、第一摄像机11、直角棱镜12、第三分光棱镜13、第二摄像机14、光衰减器15、第四平面反射镜16、工作台17和计算机18 ;移动单元8由半透半反镜9和直角棱镜12组成，半透半反镜9设置在直角棱镜12正前端上部，移动单元8固定安装在工作台17上，工作台
17在被测直线导轨上运动；He-Ne激光器I产生的激光穿过准直扩束镜2、经第一平面反射镜3反射、平行射入轴锥镜4后形成零阶贝塞尔形状的无衍射光，无衍射光经第一分光棱镜5后分成反射光和透射光的两束无衍射光，反射光作为测量光，透射光作为参考光；参考光经光衰减器15、第四平面反射镜16后入射到第三分光棱镜13中；测量光经第二反射镜6、第二分光棱镜7后入射到移动单元8中的半透半反镜9上；一部分由半透半反镜9反射回来的光线经第二分光棱镜7、第三平面反射镜10后由第一摄像机11接收，另一部分经过半透半反镜9透射的光线经过直角棱镜12和第三分光棱镜13后，与由第一分光棱镜5透射的经光衰减器15、第四平面反射镜16的光线干涉后形成莫尔条纹入射到第二摄像机14中；第一摄像机11中接收一束无衍射光斑，第二摄像机14中接收两束无衍射光干涉的莫尔条纹,第一摄像机U、第二摄像机14分别与计算机18连接。
[0019]本实施例的第一摄像机11和第二摄像机14可以为面阵CXD或CMOS。在本实施例中不做限定。
[0020]本实施例在工作是，半透半反镜9与直角棱镜12组成的移动单元8固定在工作台17上与其一起运动。测量开始前，在被测导轨起始位置处，获取两摄像机中无衍射光的中心位置，并作为后续测量的比较对象。测量时，工作台17在直线导轨上运动，第一摄像机11中无衍射光斑的中心位置和第二摄像机14中两束无衍射光的中心随运动误差的不同而产生不同的变化，如图2所示；当被测导轨有垂直直线度误差和滚转角误差时，第一摄像机11中无衍射光斑的中心位置不发生改变，但当运动台有俯仰角和偏摆角误差时，中心点位置变化较大；而第二摄像机14中两束无衍射光的中心位置，其中一个由第四平面反射镜16、第三分光棱镜13入射的光束为参考光束，其中心位置始终保持不变，而另一个随导轨的垂直直线度、俯仰角、偏摆角和滚转角四自由度运动误差而变化；通过对两摄像机获取的图像进行图像处理，由莫尔条纹数精确计算出中心点的位置；结合两摄像机中无衍射光的中心位置，识别和测量出导轨垂直直线度、俯仰角、偏摆角和滚转角四自由度运动误差。
[0021]尽管本说明书较多地使用了 He-Ne激光器1、准直扩束镜2、第一平面反射镜3、轴锥镜4、第一分光棱镜5、第二平面反射镜6、第二分光棱镜7、移动单兀8、半透半反镜9、第三平面反射镜10、第一摄像机11、直角棱镜12、第三分光棱镜13、第二摄像机14、光衰减器15、第四平面反射镜16、工作台17和计算机18等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
[0022]应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
[0023]应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
【权利要求】
1.一种利用无衍射光测量导轨四自由度运动误差的装置，其特征在于:包括激光器(I)、准直扩束镜(2)、第一平面反射镜(3)、轴锥镜(4)、第一分光棱镜(5)、第二平面反射镜(6)、第二分光棱镜(7)、移动单元(8)、半透半反镜(9)、第三平面反射镜(10)、第一摄像机(II)、直角棱镜(12)、第三分光棱镜(13)、第二摄像机(14)、光衰减器(15)、第四平面反射镜(16)、工作台(17)和计算机(18)； 所述的移动单元(8)由所述的半透半反镜(9)和直角棱镜(12)组成，所述的半透半反镜(9)设置在所述的直角棱镜(12)正前端上部，所述的移动单元(8)固定安装在所述的工作台(17)上，所述的工作台(17)在被测直线导轨上运动； 所述的激光器(I)产生的激光穿过所述的准直扩束镜(2)、经所述的第一平面反射镜(3)反射、平行射入所述的轴锥镜(4)后形成零阶贝塞尔形状的无衍射光，无衍射光经所述的第一分光棱镜(5 )后分成反射光和透射光的两束无衍射光，反射光作为测量光，透射光作为参考光； 所述的参考光经所述的光衰减器(15)、第四平面反射镜(16)后入射到所述的第三分光棱镜(13)中； 所述的测量光经所述的第二反射镜(6)、第二分光棱镜(7)后入射到所述的移动单元(8)中的半透半反镜(9)上；一部分由所述的半透半反镜(9)反射回来的光线经所述的第二分光棱镜(7)、第三平面反射镜(10)后由所述的第一摄像机(11)接收，另一部分经过所述的半透半反镜(9)透射的光线经过所述的直角棱镜(12)和第三分光棱镜(13)后，与由所述的第一分光棱镜(5)透射的经光衰减器(15)、第四平面反射镜(16)的光线干涉后形成莫尔条纹入射到所述的第二摄像机(14)中； 所述的第一摄像机(11)中接收一束无衍射光斑，第二摄像机(14)中接收两束无衍射光干涉的莫尔条纹，所述的第一摄像机(11)、第二摄像机(14)分别与所述的计算机(18)连接。
2.根据权利要求1所述的利用无衍射光测量导轨四自由度运动误差的装置，其特征在于:所述的激光器(I)采用的是He-Ne激光器。
3.根据权利要求1所述的利用无衍射光测量导轨四自由度运动误差的装置，其特征在于:所述的第一摄像机(11)和第二摄像机(14)为面阵C⑶或CMOS。
【文档编号】G01B11/26GK103983214SQ201410236638
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】翟中生, 吕清花, 王选择, 严昌文, 张飘, 丁善婷, 聂磊 申请人:湖北工业大学