专利名称：一种二维位置跟踪测量装置及其测量方法
一种二维位置跟踪测量装置及其测量方法技术领域
本发明属于测量领域，具体地说是一种二维位置跟踪测量装置及其测量方法。
技术背景
精密位置及姿态测量系统应用广泛，如工件加工、组件装配、刀具运动、工装定位等。而在一些工作站级的生产领域中，产品质量主要取决于设备或工件的位置精度。如基于关节机器人的点焊操作通常仅需要确保机器人执行末端在相应负载下的位置精度。针对这类工作站级测量需求，测量装备需要具有以下特征1.测量设备便携性好；2.测量设备本体及测试方法对被测量设备精度无影响；3.测量距离<&1;4.静态精度< 15μπι;5.动态检测精度< 20 25 μ m。
在现有相关产品中，龙门式三坐标测量机的测量精度高，但体积庞大不宜移动；关节臂式测量仪便携性好，但精度在Im处> 30 μ m，且一般需要人员辅助，不宜自主跟踪测量；激光跟踪仪便携性好，精度在距离Im处约为15 μ m，其测量精度受码盘精度影响，随测量距离增加而变大。因此，现有设备尚无法满足上述工作站级的位置测量要求。
激光干涉仪是基于光干涉原理的通用长度测量工具。结合不同的光学组件，激光干涉仪可以实现线位移、角位移、直线度、垂直度、平面度等多项指标的测量；由于激光干涉仪以激光波长作为已知标准长度，因而其测量精度高。不仅如此，干涉仪本体与运动部件不发生物理接触(仅将反射镜安装在运动部件上)，因而避免了传统接触式测量方式对测试结果的影响。基于上述诸多优点，本发明以激光干涉仪为核心部件，实现二维的位置测量。发明内容
本发明的目的在于提供一种满足上述工作站级操作位置精度的二维位置跟踪测量装置及其测量方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的
本发明的装置包括干涉仪本体、干涉计镜组、偏差检测系统、随动系统、转向元件及目标反射镜，其中干涉仪本体、偏差检测系统及随动系统分别安装在支撑件上，目标反射镜安装在被测机器人的末端执行器上，干涉仪本体的激光输出端设有干涉计镜组，所述转向元件安装在随动系统上，可平行于激光光路往复移动；所述偏差检测系统包括分光元件及光斑位置传感器，干涉仪本体发射的激光光路依次通过干涉计镜组、分光元件，经转向元件转向后照射到目标反射镜上，目标反射镜反射的光经转向元件转向后照射到偏差检测系统上，通过分光元件分为两路，一路反射回干涉仪本体，另一路照射在光斑位置传感器上。
其中所述干涉计镜组、分光元件、光斑位置传感器、转向元件及目标反射镜由激光照射部分的轴线位于发射激光光路及反射激光光路之间的中间位置；所述偏差检测系统中的分光元件及光斑位置传感器分别设置在安装架上，光斑位置传感器位于分光元件的下方；在支撑件上设有三维位置调整台，所述安装架固定在三维位置调整台上；所述随动系统包括支座、丝杆转轴、滑块、导轨、调整底座、二维旋转平台及调整杆，其中支座安装在支3撑件上，丝杆转轴可转动地安装在支座上，丝杆转轴的一端连接有伺服电机及编码器；所述导轨固定在支座上、位于丝杆转轴的上方，导轨上连接有滑块，该滑块固接有与丝杆转轴螺纹连接的丝母；在滑块上安装有调整底座，调整底座上设有二维旋转平台，所述转向元件通过调整杆安装在二维旋转平台上；滑块及其上安装的部件通过丝母与丝杆转轴的转动，沿导轨与激光光路平行的方向往复移动；支座的一侧固接控制开关，调整底座上设有与控制开关相对应的挡块。
本发明的测量方法为干涉仪本体发出的激光依次穿过干涉计镜组、偏差检测系统中的分光元件，经转向元件转向后照射到被测机器人末端执行器上的目标反射镜，由目标反射镜反射的反射光路经转向元件转向后照射到分光元件、被分成两路，其中一路经干涉计镜组反射回干涉仪本体，另一路照射到光斑位置传感器上，由光斑位置传感器检测目标反射镜随被测机器人移动产生的偏移，再将检测出的偏移量转换成位移信号后传递给伺服电机，由伺服电机驱动转向元件移动，使转向元件准确跟踪目标反射镜。
其中所述偏移量为由于目标反射镜随被测机器人运动，照射到光斑位置传感器上的光斑中心发生偏移。
本发明的优点与积极效果为
本发明测量精度高，结构简单，便携性好；测量方法简单，可靠性强。
图1为本发明二维位置跟踪测量装置的立体结构示意图2为图1的主视图3为图1的俯视图4为图1中偏差检测系统的立体结构示意图5为图1中随动系统的立体结构示意图；其中
1为干涉仪本体；2为干涉计镜组，
3为偏差检测系统，301为分光元件，302为光斑位置传感器；303为安装架，304为三维位置调整台；
4为随动系统，401为支座，402为丝杆转轴，403为滑块，404为导轨，405为调整底座，406为二维旋转平台，407为挡块，408为调整杆，409为控制开关；
5为转向元件，6为目标反射镜，7为支撑件，8为被测机器人。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1 5所示，本发明二维位置跟踪测量装置包括干涉仪本体1、干涉计镜组2、 偏差检测系统3、随动系统4、转向元件5及目标反射镜6，其中干涉仪本体1、偏差检测系统 3及随动系统4分别安装在支撑件7上，目标反射镜6安装在被测机器人1的末端执行器上，干涉仪本体1的激光输出端固接有干涉计镜组2。
偏差检测系统3包括分光元件301、光斑位置传感器302、安装架303及三维位置调整台304，其中三维位置调整台304固定在支撑件7上，安装架303安装在三维位置调整台304上，分光元件301及光斑位置传感器302分别设置在安装架303上，光斑位置传感器302位于分光元件301的下方。分光元件301及光斑位置传感器302通过三维位置调整台 304可以进行位置调整，三维位置调整台304的三维是指与激光光路平行的方向、在水平面上垂直于激光光路的方向以及垂直于水平面的铅垂方向。
随动系统4包括支座401、丝杆转轴402、滑块403、导轨404、调整底座405、二维旋转平台406、挡块407、调整杆408及控制开关409，其中支座401固接在支撑件7上，丝杆转轴402的两端通过轴承可转动地安装在支座401上，丝杆转轴402的一端由支座401穿出、 连接有伺服电机及编码器；导轨404固定在支座401的顶部、位于丝杆转轴402的上方，导轨404上连接有滑块403，该滑块403固接有与丝杆转轴402螺纹连接的丝母；在滑块403 上安装有调整底座405，调整底座405上设有二维旋转平台406，所述转向元件5通过调整杆408安装在二维旋转平台406上；滑块403及其上安装的部件通过丝母与丝杆转轴402 的转动，沿导轨与激光光路平行的方向往复移动。支座401的一侧固接三个控制开关409， 其中两个为限位开关，中间的一个为零位开关，在调整底座405上设有与控制开关409相对应的挡块407。转向元件5的位置可通过二维旋转平台406进行初调，然后再由调整杆408 进行微调。
干涉仪本体1发射的激光光路依次通过干涉计镜组2、分光元件301，经转向元件5 转向后照射到目标反射镜6上，目标反射镜6反射的光经转向元件5转向后照射到偏差检测系统3上，通过分光元件301分为两路，一路反射回干涉仪本体1，另一路照射在光斑位置传感器302上。干涉计镜组2、分光元件301、光斑位置传感器302、转向元件5及目标反射镜6由激光照射部分的轴线位于发射激光光路及反射激光光路之间的中间位置。
本发明的测量方法为
干涉仪本体1发出的激光依次穿过干涉计镜组2、偏差检测系统3中的分光元件 301，经转向元件5转向后照射到被测机器人8末端执行器上的目标反射镜6，由目标反射镜 6反射的反射光路经转向元件5转向后照射到分光元件301、并被分成两路，其中一路经干涉计镜组2反射回干涉仪本体1，另一路照射到光斑位置传感器302上。由于目标反射镜6 随被测机器人8运动，照射到光斑位置传感器302上的光班中心发生偏移，再将检测出的偏移量转换成位移信号后传递给伺服电机，伺服电机工作，带动丝杆转轴402转动，通过与其螺纹连接的丝母使转动副变为滑块403沿着导轨404的移动副，进而使转向元件5对目标反射镜6进行准确跟踪，同时编码器的位置反馈会及时调整伺服电机的跟踪速度。
权利要求
1.一种二维位置跟踪测量装置，其特征在于包括干涉仪本体(1)、干涉计镜组O)、偏差检测系统(3)、随动系统G)、转向元件(5)及目标反射镜(6)，其中干涉仪本体(1)、偏差检测系统(3)及随动系统(4)分别安装在支撑件(7)上，目标反射镜(6)安装在被测机器人(8)的末端执行器上，干涉仪本体(1)的激光输出端设有干涉计镜组O)，所述转向元件(5)安装在随动系统(4)上，可平行于激光光路(9)往复移动；所述偏差检测系统(3)包括分光元件(301)及光斑位置传感器(302)，干涉仪本体(1)发射的激光光路依次通过干涉计镜组O)、分光元件(301)，经转向元件(5)转向后照射到目标反射镜(6)上，目标反射镜(6)反射的光经转向元件(5)转向后照射到偏差检测系统(3)上，通过分光元件(301)分为两路，一路反射回干涉仪本体(1)，另一路照射在光斑位置传感器(30 上。
2.按权利要求1所述的二维位置跟踪测量装置，其特征在于所述干涉计镜组O)、分光元件(301)、光斑位置传感器(302)、转向元件(5)及目标反射镜(6)由激光照射部分的轴线位于发射激光光路及反射激光光路之间的中间位置。
3.按权利要求1所述的二维位置跟踪测量装置，其特征在于所述偏差检测系统(3) 中的分光元件(301)及光斑位置传感器(30 分别设置在安装架(30 上，光斑位置传感器(30 位于分光元件(301)的下方；在支撑件(7)上设有三维位置调整台(304)，所述安装架(303)固定在三维位置调整台(304)上。
4.按权利要求1所述的二维位置跟踪测量装置，其特征在于所述随动系统(4)包括支座G01)、丝杆转轴002)、滑块003)、导轨004)、调整底座005)、二维旋转平台006) 及调整杆008)，其中支座(401)安装在支撑件(7)上，丝杆转轴(40 可转动地安装在支座(401)上，丝杆转轴002)的一端连接有伺服电机及编码器；所述导轨(404)固定在支座(401)上、位于丝杆转轴(40 的上方，导轨(404)上连接有滑块003)，该滑块(403)固接有与丝杆转轴(40 螺纹连接的丝母；在滑块(40 上安装有调整底座005)，调整底座 (405)上设有二维旋转平台006)，所述转向元件( 通过调整杆(408)安装在二维旋转平台(406)上；滑块(40 及其上安装的部件通过丝母与丝杆转轴(40 的转动，沿导轨与激光光路平行的方向往复移动。
5.按权利要求4所述的二维位置跟踪测量装置，其特征在于所述支座001)的一侧固接控制开关009)，调整底座(405)上设有与控制开关(409)相对应的挡块007)。
6.一种按权利要求1至5中任一权利要求所述二维位置跟踪测量装置的测量方法，其特征在于干涉仪本体(1)发出的激光依次穿过干涉计镜组O)、偏差检测系统(3)中的分光元件(301)，经转向元件( 转向后照射到被测机器人(8)末端执行器上的目标反射镜 (6)，由目标反射镜(6)反射的反射光路经转向元件(5)转向后照射到分光元件(301)、被分成两路，其中一路经干涉计镜组( 反射回干涉仪本体(1)，另一路照射到光斑位置传感器 (302)上，由光斑位置传感器(30 检测目标反射镜(6)随被测机器人(8)移动产生的偏移，再将检测出的偏移量转换成位移信号后传递给伺服电机，由伺服电机驱动转向元件(5) 移动，使转向元件( 准确跟踪目标反射镜(6)。
7.按权利要求6所述的测量方法，其特征在于所述偏移量为由于目标反射镜(6)随被测机器人(8)运动，照射到光斑位置传感器(30 上的光斑中心发生偏移。
全文摘要
本发明属于测量领域，具体地说是一种二维位置跟踪测量装置及其测量方法，装置包括干涉仪本体、干涉计镜组、偏差检测系统、随动系统、转向元件及目标反射镜，偏差检测系统包括分光元件及光斑位置传感器；方法为干涉仪本体发射的激光依次通过干涉计镜组、分光元件，经转向元件转向后照射到目标反射镜上，目标反射镜反射的光经转向元件转向后照射到分光元件上、分为两路，一路反射回干涉仪本体，另一路照射在光斑位置传感器上；由光斑位置传感器检测出偏移量，再将检测出的偏移量转换成位移信号后传递给伺服电机，由伺服电机驱动转向元件移动，使转向元件准确跟踪目标反射镜。本发明测量精度高，结构简单，便携性好；测量方法简单，可靠性强。
文档编号G01B11/00GK102538663SQ20101058577
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月13日 优先权日2010年12月13日
发明者朱思俊, 柳连柱, 许石哲, 赵明扬, 邹媛媛, 郭大忠 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所