本发明涉及机械工程领域，并涉及机械加工后的检测，具体涉及一种激光干涉仪自动对光的测量方法。
背景技术：
空间误差的补偿是提高数控机床定位精度的有效方法，阻碍该技术成熟应用的最大障碍是机床误差的测量。补偿误差的测量和机床精度检验时的误差测量有本质的区别。前者对误差的测量有完备性要求，即误差的测量要贯穿整个加工空间。激光干涉仪是满足这一要求的机床误差的最佳测量设备，它的测量范围大，测量精度高，测量的位置目标能够随意确定，在测量之前需要进行对光。中国专利公开了“一种激光干涉仪线性测长的准直调节方法”(公开号为：cn105627913a)介绍了一种激光干涉仪线性测长的光路对光方法，这种方法虽然能够使激光头、干涉镜和反射镜在一条直线上、保证测量沿一条直线进行，但它要求测量过程中激光的方向不能改变，而且干涉镜和反射镜的激光路径手工对准工作难度大，要求操作者要有相当高的熟练对光技术。这限制了它在数控机床工作空间中误差测量位置的选择，增加了误差测量的难度。目前机床误差测量的常用方法是对角线位移测量法，如22线法，但在每条测量线上都要重复进行激光干涉仪测量前的光路对准，一般每次对光至少需要0.5h时间，从而限制了这种方法的实际应用。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术不足，提供一种数控机床误差测量的激光干涉仪光路的自动瞄准方法以及空间误差的一种直接测量方法，从而实现激光干涉仪自动对光，使激光干涉仪在激光方向连续变化时也能进行机床误差的测量，最终实现将测量起点的激光手工对准就可完成整个空间误差测量的目的。
为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明包括干涉仪，所述干涉仪包括干涉镜、反射镜、激光发生器以及连接激光发生器和反射镜的光纤，步骤如下：
①基于激光干涉仪搭建光路测量系统并建立测量坐标；
②在xy坐标平面内，对激光干涉仪的干涉镜和反射镜实时连续对准；
③在yz坐标平面内，对激光干涉仪的干涉镜和反射镜实时连续对准；
④基于步骤②和③对机床的空间定位误差进行测量。
还包括机床主轴、工作台、角锥反射镜、分光镜和工控系统，所述步骤①中光路测量系统和测量坐标构建具体过程为：
101所述反射镜设置在机床主轴上，所述干涉镜设置在工作台上，所述角锥反射镜设置在分光镜上，并形成固定长度参考光束，反射镜相对于分光镜移动，形成测量光束，从激光发生器射出的输入光束到达干涉镜后，被分为参考光束和测量光束，所述参考光束和测量光束分别被传送到角锥反射镜和反射镜中，然后反射回分光镜中，形成叠加光束，所述干涉镜和反射镜设有伺服电动机、角位移检测编码器,所述干涉镜和反射镜分别和工控系统相连；
102基于步骤101，以工作台为基准建立干涉仪-工作台-机床主轴测量坐标o-x-y-z，并在机床的x、y、z轴上分别设置位置检测编码器。
所述步骤②中在xy坐标平面内，激光干涉仪的干涉镜和反射镜实时连续对准过程为：201基于步骤102，选定xy平面，反射镜的位置坐标为(xb,yb)，当反射镜运动时，其在x、y方向产生位移增量分别为δx和δy，干涉镜绕z转动角度
反射镜转动的角度
202重复步骤201，利用工控系统将式(1)确定的角度旋转控制量传输给干涉镜和反射镜绕z轴的伺服电动机，使干涉镜与反射镜转过相同的角度
所述步骤③中在yz坐标平面内，激光干涉仪的干涉镜和反射镜实时连续对准过程为：301基于步骤102与步骤201，选定yz平面，反射镜的位置坐标为(yb,zb)，当反射镜运动时，其在y、z方向产生位移增量分别为δy和δz，干涉镜和反射镜绕x转动角度θa与θb关系为
θa＝θb＝arctan[(zb+δz)/(yb+δy)]-arctan(zb/yb)(3)
302在式(1)、式(2)和式(3)中，xb、yb、zb为测量初始位置的名义坐标，坐标的变化量δx、δy、δz的大小由工控系统实时监测位置检测编码器反馈的信息确定。
所述步骤④机床的空间定位误差进行测量过程为：
401基于测量坐标o-x-y-z，i、ii、iii为测量时干涉镜在工作台上的三个安装位置，iv为测量时反射镜在主轴上的安装位置，其名义坐标分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)；
402点i、iv之间的名义距离为ll，点ii、iv之间的名义距离为l2，点iii、iv之间的名义距离为l3，根据步骤401，有
402用激光干涉仪测量的反射镜在位置iv时与干涉镜分别在位置i、ii、iii时的实际距离分别为la1、la2、la3，则由于刀具的定位误差(δx,δy,δz)引起的干涉镜与反射镜之间的距离变化为
403基于步骤401与步骤402，得到刀具的定位误差为
404将整个工作空间划分为有限的三维单元误差的测量在小单元的顶点上进行，利用机床自身坐标系，确定测量顶点的名义坐标，基于步骤②和步骤③设置干涉镜与反射镜，激光干涉仪读数清零，运行程序，完成i和iv之间的测量，机床从新回到起点，重复步骤②③④，利用激光干涉仪分别完成ii和iv以及iii和iv之间的测量。
所述工控系统包括机床驱动轴编码器、伺服电动机控制信号、伺服电动机计数器和驱动轴位移计数器，所述机床驱动轴编码器与伺服电动机计数器相连，所述伺服电动机控制信号和伺服电动机计数器均与干涉镜和反射镜相连。
本发明的积极效果如下：本发明中当镜组的测量角度发生改变时，只需通过伺服电机控制干涉镜和反射镜旋转相同的角度即可完成重新对光，而不用人为重新对光，实现了测量过程中激光干涉仪的自动瞄准；本发明在xy平面和yz平面均能进行对准，保证了该测量系统能够在整个空间内对机床进行测量；本发明利用激光千涉仪镜组对定位误差进行测量，可以降低对工程师调节经验的依赖，由于仅在测量的起点进行激光的对准工作，1～2分钟即可完成，极大地缩短了误差检测的时间和成本；本发明充分利用激光良好的光学特性，提高了测量精度、提升了测量速度快。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明xy平面内激光对准原理示意图；
图3为本发明yz平面内激光对准原理示意图；
图4为本发明y轴定位误差测量原理示意图；
图5为本发明激光干涉仪测量原理示意图；
图6为本发明的步骤流程示意图；
在图中：1机床主轴、2工作台、3干涉镜、3-1角锥反射镜、3-2分光镜、4工控系统、4-1机床驱动轴编码器、4-2伺服电动机控制信号、4-3伺服电动机计数器、4-4驱动轴位移计数器、5反射镜、6激光发生器、7光纤、c输入光束、d参考光束、e测量光束、f叠加光束。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明进行详细说明。
本发明包括干涉仪，所述干涉仪包括干涉镜3、反射镜5、激光发生器6以及连接激光发生器6和反射镜5的光纤7，自动对光与测量的步骤如下：
①基于激光干涉仪搭建光路测量系统并建立测量坐标；
②在xy坐标平面内，对激光干涉仪的干涉镜3和反射镜5实时连续对准；
③在yz坐标平面内，对激光干涉仪的干涉镜3和反射镜5实时连续对准；
④基于步骤②和③对机床的空间定位误差进行测量。
如图1和图6所示，还包括机床主轴1、工作台2、角锥反射镜3-1、分光镜3-2和工控系统4，所述步骤①中光路测量系统和测量坐标构建具体过程为：
101所述反射镜5设置在机床主轴1上，所述干涉镜3设置在工作台2上，所述角锥反射镜3-1设置在分光镜3-2上，并形成固定长度参考光束d，反射镜5相对于分光镜3-2移动，形成测量光束e，从激光发生器射出的输入光束c到达干涉镜后，被分为参考光束d和测量光束e，所述参考光束d和测量光束e分别被传送到角锥反射镜3-1和反射镜5中，然后反射回分光镜3-2中，形成叠加光束f，所述干涉镜3和反射镜5设有伺服电动机、角位移检测编码器，所述干涉镜3和反射镜5分别和工控系统4相连；当参考光束d和测量光束e光程差不变时，激光发射器6中探测器在相长干涉和相消干涉的两端之间观察到一个恒定信号。当参考光束d和测量光束e光程差发生变化时，每次光路变化时探测器都能观察到相长干涉和相消干涉两端之间的信号变化。变化条纹被计量出来，用于计算两光程差的变化，测量的长度等于条纹数乘以激光波长的一半。
所述干涉镜3和反射镜5设有伺服电动机、角位移检测编码器，伺服电动机用来驱动干涉镜3和反射镜5绕z轴和绕x轴旋转，角位移检测编码器用来监测伺服电动机的角位移并将其转化为电信号输入到工控系统4中；所述干涉镜3和反射镜5分别和工控系统4相连；所述干涉镜3上设有两组伺服电动机和角位移检测编码器，一个伺服电动机和一个角位移检测编码器构成一组，其中一组伺服电动机和角位移检测编码器平行安装且可绕z轴旋转，另一组伺服电动机和角位移检测编码器平行安装且可绕x轴旋转，即这两组伺服电动机和角位移检测编码器的轴线垂直相交；伺服电动机和角位移检测编码器在反射镜5上的安装方法与在干涉镜3上的安装方法相同；
102基于步骤101，以工作台2为基准建立干涉仪-工作台-机床主轴测量坐标o-x-y-z，并在机床的x、y、z轴上分别设置位置检测编码器，用来检测机床运动过程中的驱动轴位置信号。
在干涉镜3与反射镜5上各装有绕z轴和绕x轴旋转的且轴线垂直相交的两个伺服电动机和两个光电编码器，使干涉镜a或反射镜b能同时绕水平x轴和垂直z轴旋转，测量时具有角位移伺服驱动的反射镜5和干涉镜3分别安装在机床的主轴1上和工作台2上，在机床测量运动过程中，工控系统4实时监视伺服编码器信号和位置的编码器信号，根据监测的信息发出伺服控制指令，使干涉镜3与反射镜5绕空间中的水平x轴和垂直z轴转动一定的角度，实现干涉镜3与反射镜5的自动瞄准。
空间中干涉镜3与反射镜5的光束对准可由xy平面内的光束对准和yz平面内的光线对准来实现。所述步骤②中xy平面内激光对准过程为：
201如图2所示xy平面内，位置5的坐标为(xb,yb)，当反射镜5运动到位置5′时，在x、y方向的位移增量分别为δx和δy，同时为了保持光束对准，干涉镜应绕z转动角度
由图2可知
202在测量时，给干涉镜3和反射镜5绕z轴的伺服电动机同时发出由式(1)确定的旋转控制量，使干涉镜3与反射镜5转过相同的角度
所述步骤③中yz平面内激光对准过程为：
301如图3所示，在yz平面内，为了在测量时使干涉镜与反射镜的光线对准，干涉镜3与反射镜5转动的角度也相等，其初始角度为
θa＝θb＝arctan[(zb+δz)/(yb+δy)]-arctan(zb/yb)(3)
302在式(3)中，xb、yb、zb为测量初始位置的名义坐标，坐标的变化量δx、δy、δz的大小由由工控系统4实时监测位置检测编码器反馈的信息确定。
所述④机床的空间定位误差进行测量过程为：
401基于测量坐标o-x-y-z，i、ii、iii为测量时干涉镜在工作台上的三个安装位置，iv为测量时反射镜在主轴上的安装位置，其名义坐标分别为(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)，测量时保证反射镜iv的位置不变，并使刀尖位置处在激光的延长线上；
402点i、iv之间的名义距离为ll，点ii、iv之间的名义距离为l2，点iii、iv之间的名义距离为l3，根据步骤401，有
402用激光干涉仪测量的反射镜在位置iv时与干涉镜分别在位置i、ii、iii时的实际距离分别为la1、la2、la3，则由于刀具的定位误差(δx,δy,δz)引起的干涉镜(3)与反射镜(5)之间的距离变化为
403基于步骤401与步骤402，得到
忽略式(6)中二阶以上的误差项，对上式进行简化，可得：
综合式(4)-式(7)得到刀具的定位误差为
404将整个工作空间划分为有限的三维单元误差的测量在小单元的顶点上进行，利用机床自身坐标系，确定测量顶点的名义坐标，测量前机床回零，建立机床坐标系，确定各个测量顶点的名义坐标，编制测量轨迹驱动程序，基于步骤②和步骤③设置干涉镜(3)与反射镜(5)，激光干涉仪读数清零，运行程序，完成i和iv之间的测量，机床从新回到起点，重复步骤②、③、④，利用激光干涉仪分别完成ii和iv以及iii和iv之间的测量。
所述伺服电动机型号为faulhaber1516，所述工控系统型号为zyhxsk-12gb，所述角位移检测编码器型号为e6b2-cwz6c，所述位置检测编码器型号为e6b2-cwz5b。
所述工控系统4包括机床驱动轴编码器4-1、伺服电动机控制信号4-2、伺服电动机计数器4-3和驱动轴位移计数器4-4，所述机床驱动轴编码器4-1与伺服电动机计数器4-3相连，所述伺服电动机控制信号4-2和伺服电动机计数器4-3均与干涉镜3和反射镜5相连。
以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。