[发明专利]一种液体表面反射式双轴光电水平仪及方法

说明书

本发明公开了一种液体表面反射式双轴光电水平仪及方法，该水平仪包括光路结构和双位置敏感探测器同步信号采集处理电路，所述光路结构由激光器、第一扩束透镜、分光镜、第二扩束透镜、反射液体、聚焦透镜、第一位置敏感探测器和第二位置敏感探测器组成，所述激光器、第一扩束透镜、分光镜、第二扩束透镜、和反射液体从上到下依次设置，所述第一位置敏感探测器设置于分光镜一侧，分光镜另一侧依次设有聚焦透镜和第二位置敏感探测器；该水平仪基于激光自准直、激光扩束与液体表面反射原理搭建，可实现大范围、高分辨力、快速地机床水平轴滚转角、俯仰角测量，同时具有结构简单、成本低等优点。

技术领域

本发明属于仪器仪表技术领域，特别是一种液体表面反射式双轴光电水平仪及方法。

背景技术

数控机床的加工精度是衡量机床性能高低的主要指标之一。随着机械制造业对零件精度要求持续不断的提高，“如何提高数控机床的加工精度”受到各国专家学者的普遍关注。影响机床加工精度的误差包括几何误差、受力变形、热变形、刀具磨损、切削力等误差，其中几何误差与热误差占45％～65％，因此减小几何误差与热误差是提高机床精度的关键。

误差补偿法通过测量原始误差，通过机床误差模型算法解算出补偿量来削减原始误差，相比于误差防治法，更加经济有效，已逐渐成为高端制造业精密制造方向的重要技术分支之一。常见的数控机床为三轴机床，包括21项几何误差，分别是各轴对应的六自由度误差以及每两轴之间的正交误差。实现这些误差的精准测量是提高机床加工精度的首要任务。单轴六自由度误差中的定位误差、二维直线度误差、俯仰角及偏摆角误差利用激光干涉仪可以实现快速高精度测量。但是对于滚转角误差，利用激光干涉仪无法实现快速直接测量。电子水平仪可以实现水平轴滚转角的快速精准测量，对于数控机床水平轴滚转角的测量以及同其它测量装置对比试验具有重要意义。

目前，市面上已有一些高精度电子水平仪。国外，瑞士Dantsin公司新型BlueLEVEL蓝牙电容式电子水平仪在±20mm/m测量范围内分辨力1um/m，稳定时间约3秒；瑞士TESA公司MICROBEVEL1型号的电子水平仪在±2mm/m测量范围内分辨力1um/m，稳定时间约3秒。国内，青岛前哨精密仪器有限公司WL11型号的电子水平仪与青岛奥德森(中美)电子有限公司DEG型号的电子水平仪在±0.5mm/m测量范围内分辨力1um/m，稳定时间约10秒。可见相同测量分辨力的情况下，国外的电子水平仪测量范围更大，响应速度更快，但价格昂贵(约10万元人民币)。

数控机床滑台运动平面不是绝对水平，存在倾角；滑台运动时的角度误差很小，一般是角秒级别；水平仪不能实现实时测量，需要测量尽可能多的数据来反映机床误差情况。因此，研制大范围、高分辨力、响应速度快的电子水平仪十分必要。位置敏感探测器(PositionSensitive Detector，PSD)是一种基于横向光电效应探测光点重心位置坐标信息的半导体器件，具有分辨率高、响应速度快等优点。将角度信息转换为PSD的位置信息后，可进行高精度快速测量。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种液体表面反射式双轴光电水平仪及方法，该水平仪基于激光自准直、激光扩束与液体表面反射原理搭建，可实现大范围、高分辨力、快速地机床水平轴滚转角、俯仰角测量，同时具有结构简单、成本低等优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种液体表面反射式双轴光电水平仪，包括光路结构和双位置敏感探测器同步信号采集处理电路，所述光路结构由激光器、第一扩束透镜、分光镜、第二扩束透镜、反射液体、聚焦透镜、第一位置敏感探测器和第二位置敏感探测器组成，所述激光器、第一扩束透镜、分光镜、第二扩束透镜、和反射液体从上到下依次设置，所述第一位置敏感探测器设置于分光镜一侧，分光镜另一侧依次设有聚焦透镜和第二位置敏感探测器；