[发明专利]基于望远系统的激光多自由度精密测量系统

说明书

技术领域

本发明属于物体沿直线导轨运动时对其运动的多自由度误差或运动姿态进行高精度测量的技术领域，具体涉及一种基于望远系统的激光多自由度精密测量系统。 

背景技术

在机械制造、机械加工、测量、控制等很多领域，直线导轨或一维平移台都有广泛应用。直线导轨有六项误差，除定位误差外，其余五项为几何误差，分别是俯仰角、偏摆角、滚转角以及垂直于行进方向的两个直线度。随着技术水平的提高和发展，对导轨精度的需求越来越高，随之对导轨多自由度误差的检测要求也越来越高。由于科学实验过程中环境限制，误差溯源的科学性以及实验过程的高效性等要求，开发方便快捷并且高精度的多自由度测量系统日益得到工程、实验人员的重视。 

现在国内外最常见的多自由度测量方法是用激光干涉仪，比如HP5529A动态校正仪。但这类系统每次测量一项参数都需要重新调整仪器，且测量过程需要使用不同类型的测量附件，不仅测量周期十分烦琐和漫长，造成大量的人力和机时的浪费，而且测量精度受测量人员和测量环境变化影响较大。因此，发展同时测量多自由度几何误差的激光系统是目前普遍面临的重要问题。国内外相关领域对以上问题进行了研究，发展了应用激光技术同时测量多自由度的几种方法,概括起来分为以下几类：如 [孙长库, 周富强, 刘越, 叶声华. 六自由度测试系统[J]. 仪器仪表学报, 1998,(04)]； “基于协作靶标的六自由度测量系统的设计方法”[Kim J.-A., Bae E.W., Kim S.H., Kwak Y.K. Design methods for six-degree-of-freedom displacement measurement systems using cooperative targets (2002) Precision Engineering, 26 (1), pp. 99-104.]。技术：如 [刘永东, 王佳, 梁晋文. 动态目标全姿态激光跟踪测量[J]. 激光与红外, 1999,(03)]；“六自由度测量设备和方法”[Device and method for measuring six degrees of freedom,美国专利公布号：US2010/0128259A1，2010]；“基于激光的坐标测量设备和方法”[Laser-based coordinate measuring device and laser-based method for measuring coordinates，美国专利号：US7800758B1,2010] 。该方法已有商用产品，如美国API公司的激光跟踪仪。该方法测量范围大，速度高，适合宏观尺度的测量，而直线导轨的五个几何误差均属于微小量，故不能充分发挥其性能。如“在磁悬浮系统中使用CCD相机实时测量位置和姿态”[Lin Chin E., Hou Ann-San Real-time position and attitude sensing using CCD cameras in magnetic suspension system applications (1995) IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 44 (1), pp. 8-13.]，该系统需要对多个CCD进行标定，而且对振动敏感，滚转角测量精度比其他误差低；“基于摄像机且使用旋转镜的靶标六自由度测量和跟踪”；[Camera based six degree of freedom target measuring and target tracking device with rotatable mirror，美国专利号US7576847B2，2009]，该方法也需要对相机做精确标定。如[匡翠方, 冯其波, 张斌, 张志峰, 陈士谦. 激光六维参数同时测量的数学模型[J]. 仪器仪表学报, 2006,(04)]；“基于激光的直线导轨六自由度几何误差高精度测量”[Liu C.-H., Jywe W.-Y., Hsu C.-C., Hsu T.-H. Development of a laser-based high-precision six-degrees-of-freedom motion errors measuring system for linear stage (2005) Review of Scientific Instruments, 76 (5), art. no. 055110]； “六自由度传感器”[Six degree of freedom sensor，美国专利号5883803，1999]；“运动平台直线度测量装置”[Straightness measuring apparatus for moving stage，美国专利号US6559955B2,2003]；“通过三面反射镜测量刚体六自由度误差的装置”[Apparatus for measuring 6-degree-of-freedom motions of rigid body by using three-facet mirror，美国专利号：US6678059B2,2004]； [一种激光六自由度同时测量装置，专利号200520147401.6，2007]。该类方法已有商用产品，如美国API公司的“五轴/六轴测量系统”[five-axis/six-axis laser measuring system，美国专利号：6049377，2000],并形成一定市场。这些方法使用非接触式测量，电磁干扰小，结构紧凑，测量精度较高，但是对多自由度误差的放大倍率受到原理的限制，难以获得更大的提高。