[发明专利]一种激光准直收发一体式直线度测量的标定系统及方法

说明书

本发明公开一种激光准直收发一体式直线度测量的标定系统及方法。标定系统包括直线度测量机构、激光干涉仪激光头、激光干涉仪干涉镜、激光干涉仪角锥棱镜和位移台，直线度测量机构由激光器、二维位置探测器、固定端基座和角锥棱镜组成，激光器和二维位置探测器均固定在固定端基座上，激光器的出射激光照射到角锥棱镜，经过角锥棱镜后的回射激光照射到二维位置探测器上，所述角锥棱镜放置于位移台上；激光干涉仪角锥棱镜放置于位移台上，位移台能够沿x方向水平移动，激光干涉仪干涉镜放置在激光干涉仪激光头与激光干涉仪角锥棱镜之间，使激光干涉仪激光头内激光干涉从而实现位移台的位移测量。

技术领域

本发明属于仪器仪表技术领域，特别是一种激光准直收发一体式直线度测量的标定系统及方法。

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，直接影响零件的品质。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。误差测量补偿法通过测量机床的原始误差并利用空间误差模型解算出误差补偿值来减小机床误差，是一种经济有效的方法。常见的三轴数控机床有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，而六自由度误差包括定位误差、二维直线度误差、俯仰角、偏摆角以及滚转角，因此直线度误差在总误差中占据重要比例，进行高精度的直线度测量对于机床空间误差的解算至关重要。

机床误差静态校准体系比较成熟，但机床误差的动态测量与溯源仍然是当今世界亟待解决的工业难题。激光干涉仪是数控机床几何误差测量的常用仪器，基于激光干涉原理测量，可以进行高精度、连续的直线度测量，但每次测量前需要安装调整，测量周期长，且由于造价高、体积大等因素不能集成在数控机床中，只能用于机床误差的离线测量与校准。使用激光自准直仪和水平仪测量直线度时，需要配合桥板使用，桥板长度与角度的乘积为测量点的直线度误差，操作复杂，误差测量点有限，同样只能用于机床误差的离线测量与校准。激光束准直测量是直接利用激光束的直线性，可以快速测量机床直线度，且由于结构简单、成本低，便于集成在机床系统中，实现机床直线度误差的在线测量。

基于激光准直原理进行直线度测量时，激光器安装在固定端，测量时激光器位置不变。根据位置探测器的安装位置，可以将直线度测量结构分为两种。一种结构是将角锥棱镜安装在被测物上，利用角锥棱镜回射特性使出射的激光反射回固定端，在固定端安装位置探测器用来接收出射激光，这种结构称之为收发一体式；另一种结构将位置探测器直接安装在被测物上用来接收出射激光，这种结构称之为收发分体式。收发一体式直线度测量结构因其结构简单被广泛应用。

位置探测器的标定对于直线度测量至关重要，决定了直线度测量的精度，文献“激光五自由度误差同时测量的研究”(崔存星，硕士学位论文，北京交通大学，2012)中直线度测量为收发一体式结构，使用光栅测长仪和位移台对位置探测器进行标定，标定后直线度误差与光栅尺的偏差大多数不超过±1μm。文献“Low cost,compact 4-DOF measurementsystem with active compensation of beam angular drift error”(Y.Huang,K.C.Fan,W.Sun,S.Liu.Opt.Express vol.26,pp.17185,2018.)中使用激光多普勒干涉仪和位移台对位置探测器进行标定，标定后残差在±0.5μm以内。两篇文章中标定取得很好的效果，但均未提到标定系统本身引入的误差对标定结果的影响。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种激光准直收发一体式直线度测量的标定系统及方法。该标定系统使用激光干涉仪和位移台对直线度测量结构进行标定；通过标定系统结构建立标定误差模型，分析标定系统本身误差对标定结果的影响；减小标定系统本身误差对标定结果的影响。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：