[发明专利]基于光学自由曲面的多轴系统误差建模及测量装置和方法

权利要求书

1.一种基于光学自由曲面的多轴系统误差建模及测量装置，其特征是，包括：半导体激光器、准直缩束系统、四象限光电二极管QPD、成像透镜、1/4波片、光学自由曲面标准件、偏振分光棱镜PBS、图像探测器CCD、另一成像透镜及数据采集和处理平台；半导体激光器发出的细直光束经准直缩束系统准直缩束为直径200μm的细直平行光束，光束经偏振分光棱镜PBS透射出P偏振光，再经1/4波片成为圆偏振光投射到光学自由曲面标准件上，光学自由曲面标准件反射出的反射光经1/4波片成为S偏振光，经偏振分光棱镜PBS反射再由成像透镜汇聚到四象限光电二极管QPD上，当光学自由曲面标准件沿X或Y向移动时，激光投射点处的斜率随之发生变化，从而使得成像光斑在四象限光电二极管QPD上的位置发生改变，光斑在四象限光电二极管QPD上的位置和光斑投射在光学自由曲面标准件上的位置有一一对应的关系，从而实现X，Y向位移的测量；光学自由曲面标准件上的散射光经另一成像透镜成像到图像探测器CCD上，当光学自由曲面标准件产生Z向位移时，成像到CCD上的光斑随之发生变化，而且两者之间有一一对应的关系，从而实现Z向位移的测量。

2.一种基于光学自由曲面的多轴系统误差建模及测量方法，其特征是，包括如下步骤：通过多轴系统几何误差建模完成对多轴系统各项几何误差传递模型的建立，确定多轴系统几何误差的测量方案；进行多轴系统误差测量时，将光学自由曲面标准件固定在多轴系统上的某一特定位置，将多维位移测量系统安装在多轴系统上的另一特定位置，调换两者位置亦可，按照已确定的多轴系统几何误差测量方案，驱动多轴系统各个运动单元联合运动，使得光学自由曲面标准件和多维位移测量系统的相对位置发生改变，对相对位置发生改变的情况进行探测，实现多轴系统多维位移误差的测量，再通过误差辨识，得到多轴系统的各项几何误差，进而用于对多轴系统几何误差的补偿。

3.如权利要求2所述的基于光学自由曲面的多轴系统误差建模及测量方法，其特征是，借助于权利要求1所述的装置实现。

4.如权利要求2所述的基于光学自由曲面的多轴系统误差建模及测量方法，其特征是，误差建模具体为：误差为e={D_X,D_Y,D_Z}^T，通过建立各个轴的特征矩阵和各项几何误差传递的特征矩阵，得到误差e关于各个轴运动位置和各项几何误差的多项表达式，如公式（1）-（3）所示：

基于光学自由曲面的多轴系统误差建模及测量方法，

D_X=(R_yy+R_zx)*Z+T_ax-T_xx+T_yx+T_zx+R_xz*Y_w-S_yx*Y-R_xy*Z_w+T_bx*cos(B)+T_bz*sin(B)  （1）

D_Y=(-R_yx-R_zy)*Z+T_yy-T_xy+T_zy-R_xz*X_w+R_xx*Z_w+(T_ay+T_by)*cos(A)-T_bz*cos(B)*sin(A)+T_bx*sin(A)*sin(B)  （2）

D_Z=-T_xz+T_yz+T_zz+R_xy*X_w-R_xx*Y_w+T_az*cos(A)+(T_ay+T_by)*sin(A)-T_bx*cos(A)*sin(B)  （3）

公式（1）-（3）中D_X、D_Y、D_Z分别表示误差在X,Y,Z方向分量的大小；T表示移动误差，R表示转动误差，第一个下标代表运动体名称，可以是X导轨、Y导轨、Z导轨、A转台或B转台，分别以字母x、y、z、a或b表示，第二个下标对于T表示移动轴，对于R表示转动轴，分别以x、y、z表示；X_w、Y_w、Z_w分别为理论加工点在工件坐标系中X,Y,Z方向坐标值；X、Y、Z、A、B分别表示对应的移动轴位移量和转动轴转动角度的大小；几何误差模型中的移动误差和转动误差是关于对应运动体的移动量X、Y、Z或转动角度A、B的函数，采用关于各体运动坐标的三次多项式来拟合各单项误差；将各单项误差用多项式进行拟合，则公式（1）-（3）就构成了可以求解的方程，方程中含有有限个未知的拟合系数，选择一定的机床各运动轴的联动方案，测得测量点的一系列误差值，将测得误差代入方程组联立即可求出未知拟合系数的值，从而也就得到了几何误差传递模型的表达式，进而用于对机床几何误差的补偿。