[发明专利]一种机床工作台五自由度误差同时测量系统及方法

说明书

本发明公开了一种机床工作台五自由度误差同时测量系统及方法。采用准直激光光束作为基准，以四象限探测器作为误差测量的敏感器件，由激光器、分光棱镜、反射镜、聚焦透镜和四象限探测器组成测量系统。工作行程达到米级距离、安装过程简单、所用光学器件少、体积小且移动端无电缆，满足机床工作台五自由度误差同时测量要求。

技术领域

本发明属于精密测量领域，涉及一种机床工作台五自由度误差同时测量系统及方法，该方法主要应用于精密运动平台的五自由度误差测量。

背景技术

由于制造及装配工艺的影响，工作台沿直线轴运动时存在六个自由度几何误差，直接影响工件的加工精度，因此工作台几何误差的检测成为保证精密加工质量的关键技术。传统的几何误差测量方法多采用激光干涉仪，测量过程为单参数检测，每次只能测量一个自由度误差，需多次调整安装，测量过程长，且同一位置的六个自由度测量结果重复性差，无法满足多自由度误差的同时测量要求。近年来，基于激光准直、干涉、衍射等光学原理，研究人员提出了很多关于工作台多自由度几何误差同时测量的方法，这些方法都有自己的特点和应用范围，但也存在一些不足，如体积大、结构复杂、光学元件数量多和测量范围较短。

发明内容

本发明根据现有技术不足公开了一种机床工作台五自由度误差同时测量系统及方法。基于激光准直原理，以四象限探测器作为敏感器件，只需一次安装即可测量工作台二维直线度、二维角度和滚转角误差。测量系统包括固定端和移动端，其中，固定端包括一个激光器、两个分光棱镜和一个反射镜，用于获得三束相互平行的准直光束；移动端包括一个透镜、三个四象限探测器和电路系统板，用于将机床工作台的五自由度误差转换为投射在四象限探测器的光斑位置变化，并将光斑位置信息传递给上位机，由上位机解算机床工作台的五自由度误差。

以四象限探测器作为误差测量敏感元件。如图1所示，四象限探测器感光部分由四片面积相同且光电性质相同的光电二极管组成，沿逆时针方向分别命名A、B、C、D四个象限。激光投射四象限探测器后，各象限产生的电流分别记为I_A、I_B、I_C、I_D，经过IV转换电路后得到电压V_A、V_B、V_C、V_D。光束照射在四象限探测器上，当光斑位于四象限探测器中心时，四个象限的光电二极管产生的电流输出相同。若光斑发生偏移，投射在每个象限的光斑面积随之变化，采集到的各象限输出电压值产生改变，即可求得其位移变化。四象限探测器在一定微位移范围内具有良好的线性度，具体计算公式如下：

式中：X、Y为光斑沿四象限X向和Y向的位移偏移量；K_X、K_Y分别为四象限探测器X向与Y向的标定灵敏度；V_A、V_B、V_C、V_D为四象限的采集电压值。

本发明的具体技术方案为：

一种机床工作台五自由度误差同时测量系统，包括固定端和移动端，固定端安装在机床床身；移动端吸附于机床工作台，随工作台沿导轨运动；如图2所示，固定端包括激光器、反光镜、分光棱镜A和分光棱镜B；其中，激光器和分光棱镜A同一水平线放置，分光棱镜A、分光棱镜B和反光镜并排放置；移动端包括透镜、四象限探测器A、四象限探测器B、四象限探测器C和电路系统板；其中，四象限探测器B放置于透镜的焦平面，四象限探测器A、四象限探测器B和四象限探测器C并排放置，电路系统板紧贴移动端内壁放置。