一种可检测21项几何误差的激光测量系统与方法

文档序号:9731840阅读:532来源:国知局
一种可检测21项几何误差的激光测量系统与方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种可检测21项几何误差的激光测量系统与方法,用于数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备,属于空间几何精度检测领域,尤其涉及一种一次安装、分步测量得到数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备三个相互垂直的直线运动导轨21项几何误差的激光测量系统与方法。
[0002]本发明的XYZ空间坐标系中,术语“21项几何误差”包括沿X轴的6个自由度误差、沿Y轴的6个自由度误差、沿Z轴的6个自由度误差、X轴与Y轴之间的垂直度误差、Y轴与Z轴之间的垂直度误差、Z轴与X轴之间的垂直度误差。
【背景技术】
[0003]德国专利DE10341594A1公开了一种直接测量数控机床、加工中心或三坐标测量机几何误差的测量方法,该方法利用分光元件将激光干涉仪的测量光分光到平行于数控机床、加工中心或三坐标测量机的三直线运动轴的方向上,利用激光干涉仪直接测量各直线运动轴的几何误差,然而,该系统的分光元件较多,导致其系统结构复杂,系统安装调节困难,特别是,无法测量三直线运动轴的滚转角误差。
[0004]市场上,还不存在结构简单、操作方便,一次安装、分步测量,可直接测量得到三个相互垂直的直线运动导轨的共21项几何误差的系统。

【发明内容】

[0005]本发明的目的是提供一种数控机床、加工中心和三坐标测量机等精密加工与测量设备三个相互垂直的直线运动导轨21项几何误差激光测量系统,其结构简单、操作方便,一次安装、分步测量,可直接测量得到三个相互垂直的直线运动导轨的共21项几何误差。
[0006]为此,根据本发明的一个方面,提供了一种21项几何误差激光测量系统,主要由激光六自由度误差同时测量单元、激光光线转向单元和几何误差敏感单元等部分组成;其中,所述的激光六自由度误差同时测量单元与所述的几何误差敏感单元配合使用,能分别测量得到数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备的三个直线运动导轨或运动台(简称三轴)的位置误差、水平和竖直方向直线度误差、俯仰角、偏摆角、滚转角等6项几何误差,三轴共计18项误差;所述的激光光线转向单元能将来自所述的激光六自由度误差同时测量单元的激光光束分光或转向到平行于数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备的三轴的方向上,并能将来自所述的几何误差敏感单元的激光光束分光或转向到所述的激光六自由度误差同时测量单元,完成对应轴的六自由度误差同时测量,同时通过三轴直线度误差的数据处理得到三轴相互之间的垂直度误差。
[0007]优选地,所述的几何误差敏感单元主要包括三个相互垂直的六自由度误差敏感部件,所述的三个六自由度误差敏感部件分别对数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备的三个相互垂直的直线运动轴的六项几何误差敏感;所述的几何误差敏感单元还可以由两个相互垂直的六自由度误差敏感部件组成,所述的两个六自由度误差敏感部件分别对数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备的两个相互垂直的直线运动轴的六项几何误差敏感,所述的两个六自由度误差敏感部件之中的一个六自由度误差敏感部件旋转90°之后对数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备的第三个直线运动轴的六项几何误差敏感。
[0008]优选地,所述的六自由度误差敏感部件包括两个光线后向反射元件和一个光线分光元件;所述的光线后向反射元件对直线运动轴的位置误差、水平和竖直方向直线度误差敏感;所述的光线分光元件对直线运动轴的俯仰角、偏摆角敏感;所述的两个光线后向反射元件的组合对直线运动轴的滚转角敏感;所述的光线后向反射元件可采用角锥棱镜,所述的光线分光元件可采用平面分光镜。
[0009]优选地,所述的激光光线转向单元主要由转向棱镜或分光、转向棱镜组合而成;所述的转向棱镜包括多角棱镜或直角棱镜,通过移动或转动转向棱镜等方式,将来自激光六自由度误差同时测量单元的测量光束分步转向,分别形成平行于被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备三直线运动轴的测量光束;所述的分光、转向棱镜组合还可由两个分光多角棱镜的组合或两个直角半透半反棱镜的组合,可同时将来自激光六自由度误差同时测量单元的测量光束分光成平行于被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备三直线运动轴的三束测量光。
[0010]根据本发明的另外一个方面,提供了一种一次安装、分步测量得到数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备21项几何误差的方法,用于所述的21项几何误差激光测量系统中,包含以下步骤:
[0011]⑴安装测量系统:将激光六自由度误差同时测量单元与激光光线转向单元独立或整体固定在被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备的夹持工件部件,将几何误差敏感单元固定在被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备的夹持刀具部件。
[0012]⑵调整测量系统:调整被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备的三轴到达IS0230-1等相关测量标准或要求规定的起始位置,并使几何误差敏感单元尽可能的靠近激光光线转向单元,此位置记做测量起点;配合调整激光光线转向单元和激光六自由度误差同时测量单元的位置和方向,根据所述的激光光线转向单元中不同的激光光线转向结构,同时或分步得到平行于被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备Χ、γ、ζ轴的测量光束。
[0013]⑶测量X轴的六自由度误差:通过激光光线转向单元将激光六自由度误差同时测量单元出射的光束射向到平行于被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备X轴的方向上,控制数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备运动,使得21项几何误差激光测量系统处于测量起点位置;激光六自由度误差同时测量单元配合几何误差敏感单元上对应的六自由度误差敏感部件测量得到X轴起始点的六自由度误差,包括位置误差、水平和竖直方向直线度误差、俯仰角、偏摆角、滚转角等6项几何误差;控制X轴沿正方向运动,按IS0230-1等相关测量标准或要求规定的间距移动至下一个测量点,移动过程中保持Υ轴和Ζ轴静止,激光六自由度误差同时测量单元测量得到该点的六自由度误差;如此逐点测量直至X轴到达最后一个测量点并测量得到该点的六自由度误差,停止运动,通过以上步骤可得到X轴上所有测量点的六自由度误差;控制X轴按照相同间距反向移动并再次逐点测量,得到所有测量点的六自由度误差。由此可逐点静态测量X轴上各测量点正向、反向移动时的六自由度误差,重复以上步骤可多次静态得到X轴各点正向、反向移动时的六自由度误差;类似地,可控制X轴由测量起点匀速运动至轴上最远测量点并再次匀速返回至测量起点,激光六自由度误差同时测量单元配合几何误差敏感单元上对应的六自由度误差敏感部件连续测量,可动态测量得到X轴上所有规定的测量点正向、反向移动时的六自由度误差。
[0014]⑷测量Y轴的六自由度误差:通过激光光线转向单元将激光六自由度误差同时测量单元出射的光束射向到平行于被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备Y轴的方向上,按照⑶所述的步骤控制Y轴运动,可以逐点静态得到或连续动态得到Y轴各点正向、反向移动时的六个自由度误差。
[0015](5)测量Z轴的六自由度误差:通过激光光线转向单元将激光六自由度误差同时测量单元出射的光束射向到平行于被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备Z轴的方向上,按照⑶所述的步骤控制Z轴运动,可以逐点静态得到或连续动态得到Z轴各点正向、反向移动时的六个自由度误差。
[0016](6)数据处理:通过以上(3)、(4)、(5)所述的测量步骤,可以分步逐点静态得到或连续动态得到被测数控机床、加工中心或三坐标测量机等精密加工与测量设备Χ、γ、ζ轴各点正向、反向移动时的六个自由度误差,三轴共计18项几何误差;按ISO 230-1等测量标准或要求进行数据处理可以得到X、Y、Z三个运动轴相互之间的3项垂直度误差,以上共计21项几何误差。
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