[发明专利]一种基于激光干涉的球杆测量装置及其测量方法

说明书

技术领域

本发明属于光电检测技术领域，涉及一种球杆测量装置及其测量方 法，尤其是一种基于激光干涉的球杆测量装置及其测量方法。

背景技术

一般CMM或机床的校验方式，包括了使用块规(block gauge)、阶 规(step gauge)、环规(ring gauge)、直角规(square)、标准球(standard  sphere)、电子式水平仪(electrical spirit level)等等。若要以上述校验方 式校验较大型的CMM，不但校验所需的时间较长，任一校验方式往往 只能校验一两项误差值，且校验器的价格昂贵，不符合经济性、方便性 的要求。

Renishaw公司推出的球杆仪，它由一安装在可伸缩的纤维杆内的高 精度位移传感器构成，其测量臂长受到限制，一般不小于50mm。

美国Zigert&Mize提出的激光球杆(LBB)测量系统，是基于双频 激光干涉原理实现数控机床的测量，有较高的测量精度和较大的测量范 围，但测量效率低。接着，Zigert对LBB做了改进，三支LBB的底座 固定在工作台上，另一端交于一点即主轴刀具端，测量时三支LBB同时 获取数据，其测量速度提升了三倍，但其三支伸缩杆的伸长受其四面体 三角形限制，测量空间有死角限制。

台湾范光照提出的3D激光跟踪球杆测量系统，是以激光直线位移 测量和旋转角度测量将空间极坐标参数转换为空间卡氏坐标参数，以实 现对运动目标空间运动和定位精度的评定，其测量效率较高，但装置过 于笨重，运动不灵活，并且球铰链误差过大，会使测量精度受到较大影 响。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于激光干 涉的球杆仪测量方法及装置，该装置基于激光干涉原理，配合其测量方 法可以方便地实现较大型具有运动坐标系统的机床的精度校验工作。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种基于激光干涉的球杆测量装置，包括一可水平旋转的旋转底 盘，所述旋转底盘的上端通过殷钢杆固定有一光学精密球，所述光学精 密球连接有球杆支撑架，所述球杆支撑架固定连接有光学盒子，所述光 学盒子的外侧固定连接有一伸缩筒，所述伸缩筒的伸缩末端筒内设有一 测量角锥棱镜，且伸缩筒的伸缩末端于测量角锥棱镜的后侧固定连接有 精密标准球。

上述光学精密球通过一水平的转轴与球杆支撑架连接，所述球杆支 撑架能够绕转轴于垂直向转动。

上述光学盒子呈矩形盒体，在盒体内设置有扩束系统、干涉分光镜 和参考角锥棱镜，所述盒体上还设有输入光纤和输出光纤；所述输入光 纤引入一细光束作为输入光束，所述输入光束射出盒体并被所述光学精 密球反射后重新进入盒体后通过所述扩束系统到达所述干涉分光镜，通 过干涉分光镜的透过光束向着所述测量角锥棱镜前进，被干涉分光镜反 射出来的光束向着所述参考角锥棱镜前进，经过测量角锥棱镜和参考角 锥棱镜反射的两束光逆着各自入射方向返回至干涉分光镜处发生干涉形 成干涉光束，所述干涉光束由输出光纤输出。

上述伸缩筒包括依次由大至小同轴嵌套的管状伸缩杆一、伸缩杆二 和伸缩杆三，所述伸缩杆三的末端固定有筒状的反射镜固定座，所述反 射镜固定座的外端固定有端盖，所述端盖外侧面的中心位置固定所述精 密标准球；所述测量角锥棱镜同轴固定在所述反射镜固定座内。

上述伸缩杆一内固定有第一减摩套，在伸缩杆二内固定有第二减摩 套。

上述精密标准球是一能吸附在待检测的具有运动坐标系统的机床 主轴端的球状物。

上述旋转底盘包括同轴设置的旋转基座底板、旋转筒和旋转基座外 筒，所述旋转基座外筒设于旋转基座底板上，旋转筒嵌套在旋转基座外 筒内，所述旋转筒的上端面与殷钢杆固定连接。

本发明还提出一种基于上述装置的机床主轴刀具误差测量方法，具 体包括以下步骤：

1)首先利用校准规校准所述的基于激光干涉的球杆测量装置，得 到球杆的初始长度L₀；

2)将球杆测量装置的底座固定于工作台上，将其另一端的精密标 准球吸附于机床主轴刀具端；

3)控制机床工作台运动从而使固定在工作台上面的球杆测量装置 的底座带动伸缩筒以机床主轴刀具端为中心，分别完成顺时针和逆时针 两个方向的整周回转运动，同时实时采集杆长变化量dL_i；