應(yīng)用于機械設(shè)備幾何誤差測量的三自由度激光測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于激光精密測量技術(shù)，具體涉及一種應(yīng)用于機械設(shè)備幾何誤差測量的三自由度激光測量系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括分光鏡組、偏振分光鏡組、運動反光鏡組和固定反光鏡組。本發(fā)明提供的技術(shù)方案基于雙頻激光干涉，可以同時測量3個物理量，其中1個位移量，2個旋轉(zhuǎn)量，可以極大的縮短檢測時間，提高檢測效率，并且其可溯源性強，傳感頭為無源器件，不會引入熱干擾，不需要電纜輸出信號，進而消除熱干擾導(dǎo)致的誤差。同時，它針對特定的需求，成本適中，精度高，具備很強的應(yīng)用性和市場價值，可以適用于各種復(fù)雜的機械設(shè)備，比如發(fā)動機，挖掘機，發(fā)電機，機車和數(shù)控機床等。
【專利說明】應(yīng)用于機械設(shè)備幾何誤差測量的三自由度激光測量系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于激光精密測量技術(shù)，具體涉及一種應(yīng)用于機械設(shè)備幾何誤差測量的三 自由度激光測量系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代加工技術(shù)和高端裝備精密制造業(yè)的發(fā)展，對數(shù)控機床的加工精度要求越 來越高。為了能夠生產(chǎn)裝配出滿足生產(chǎn)需求的高精度精密機床，并且使機床保持高精密狀 態(tài)。對機床幾何誤差量的檢測將成為無法回避的問題。只有檢測出機床的幾何誤差，才能 確認(rèn)生產(chǎn)的機床是否滿足要求，并進一步提高機床的加工精度，或者對現(xiàn)有機床的系統(tǒng)誤 差進行補償。
[0003] -般來說，裝調(diào)機床的過程需要對各項幾何誤差進行檢測，用于裝調(diào)到設(shè)計精度。 機床出廠需要對機床整體誤差進行檢測，以確認(rèn)整機性能。在機床的使用過程中，需要定期 對機床的幾何誤差進行檢測，以確保機床加工精度沒有發(fā)生漂移。按照現(xiàn)有的精密機床幾 何誤差檢測手段，一次只能檢測一個誤差量，而對于高精密數(shù)控機床，其誤差量至少要檢測 21項，因此，完整的檢測完機床的各個誤差量，所需要的時間十分冗長，造成十分可觀的隱 性成本。
[0004] 人們一直企圖解決這一問題，并發(fā)展出了許多光學(xué)測量方法和技術(shù)。概括起來包 括：傳統(tǒng)的光學(xué)方法，基于光的衍射的方法，基于激光追蹤的方法和激光干涉與激光準(zhǔn)直相 結(jié)合的方法。其中，基于激光干涉和激光準(zhǔn)直是目前應(yīng)用最先進的方法。
[0005] 但現(xiàn)有的檢測系統(tǒng)龐大復(fù)雜，激光干涉儀無法同時檢測位移量和轉(zhuǎn)動量，轉(zhuǎn)動量 若通過傳感器PSD檢測，不能做到可溯源，精度權(quán)威性低，并且傳感頭需要有源器件進行信 號傳輸，其發(fā)熱影響測量精度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是系統(tǒng)復(fù)雜，測量數(shù)據(jù)不可溯源，有源器件發(fā)熱對測 量結(jié)果造成影響，為了克服以上不足，提供了一種應(yīng)用于機械設(shè)備幾何誤差測量的三自由 度激光測量系統(tǒng)。
[0007] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是：所述應(yīng)用于機械設(shè)備幾何誤差測 量的三自由度激光測量系統(tǒng)包括分光鏡組、偏振分光鏡組、運動反光鏡組和固定反光鏡組， 所述分光鏡組將入射光平均分為與入射光平行但不共面的第一子光束、第二子光束和第三 子光束，所述偏振分光鏡組位于3個子光束的光路上，每個子光束經(jīng)偏振分光鏡組分為參 考光和測量光，運動反光鏡組設(shè)置在測量光的光路上并將其反射回偏振分光鏡組，固定反 光鏡組設(shè)置在參考光的光路上并將其反射回偏振分光鏡組，反射回的參考光和測量光匯合 后形成干涉，干涉信號用于計算所述三自由度。
[0008] 進一步，所述分光鏡組包括前后設(shè)置且相互垂直的前平行四邊形棱鏡和后平行四 邊形棱鏡，每個平行四邊形棱鏡的四個側(cè)面依次為與入射光垂直的入射面、與入射面夾角 為銳角的分光面、與分光面相對的反射面和與入射面相對的出射面，后平行四邊形棱鏡的 入射面與前平行四邊形棱鏡的分光面相對，所述分光鏡組還包括前后設(shè)置的前三角棱鏡和 后三角棱鏡，三角棱鏡斜邊所在面為透射面，與入射光垂直的為子光束面，所述前三角棱鏡 的透射面與前平行四邊形棱鏡的分光面相貼合，所述前三角棱鏡的子光束面與后平行四邊 形棱鏡的入射面相貼合，后三角棱鏡的透射面與后平行四邊形棱鏡的分光面相貼合。
[0009] 進一步，所述后平行四邊形棱鏡的出射面和與該出射面相鄰的所述后三角棱鏡的 子光束面，均與所述偏振分光鏡組的入射面貼合。
[0010] 進一步，所述平行四邊形棱鏡的主截面為一對角45°的平行四邊形，三角棱鏡的 主截面為等腰直角三角形。
[0011] 進一步，每個所述平行四邊形棱鏡的分光面設(shè)有消偏振分光膜，所述反射面設(shè)有 高反膜，其他側(cè)面設(shè)有抗反射膜。
[0012] 進一步，所述前平行四邊形棱鏡的消偏振分光膜的分光比為2:1，后平行四邊形棱 鏡的消偏振分光膜的分光比為1:1。
[0013] 進一步，所述偏振分光鏡組的分光面鍍高消光比偏振分光膜，其余工作面鍍抗反 射膜。
[0014] 進一步，所述運動反光鏡組包括3個反射器，3個反射器分別位于3個子光束的測 量光的光路上并反射回偏振分光鏡組，所述固定反光鏡組結(jié)構(gòu)與運動反光鏡組相同，分別 位于3個子光束的參考光的光路上并反射回偏振分光鏡組。
[0015] 進一步，每個所述反射器的入射面鍍抗反射膜，反射面鍍消偏振反射膜。
[0016] 進一步，所述反射器為角錐棱鏡反射器。
[0017] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案基于雙頻激光干涉，可以同時測量3個物理量，其中1個位 移量，2個旋轉(zhuǎn)量，可以極大的縮短檢測時間，提高檢測效率，并且其可溯源性強，傳感頭為 無源器件，不會引入熱干擾，不需要電纜輸出信號，進而消除熱干擾導(dǎo)致的誤差。同時，它針 對特定的需求，成本適中，精度高，具備很強的應(yīng)用性和市場價值，可以適用于各種復(fù)雜的 機械設(shè)備，比如發(fā)動機，挖掘機，發(fā)電機，機車和數(shù)控機床等。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1是本發(fā)明所述測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖2是本發(fā)明所述分光鏡組的分離結(jié)構(gòu)圖；
[0020] 圖3是本發(fā)明所述運動反光鏡組的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖4是本發(fā)明測量系統(tǒng)測試中光路過程；
[0022] 圖5是本發(fā)明系統(tǒng)三自由度的測量方法。
[0023] 圖中所示：
[0024] 1-分光鏡組，11-前平行四邊形棱鏡，111，11Γ -入射面，112, 112' -分光面， 113-反射面，114, 114' -出射面，12-后平行四邊形棱鏡，13-前三角棱鏡，131，131' -透射 面，132, 132' -子光束面，14-后三角棱鏡；
[0025] 2-偏振分光鏡組；
[0026] 3-運動反光鏡組，31-第一反射器，32-第二反射器，33-第三反射器；
[0027] 4-固定反光鏡組；
[0028] 5-激光器，51-入射光，52-子光束，521-第一光軸，522-第二光軸，523-第三光 軸，53-參考光，54-測量光；
[0029] 6-耦合器，7-光電計數(shù)裝置，8-數(shù)據(jù)處理及顯示裝置。

【具體實施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細描述：
[0031] 如圖1所示，本發(fā)明所述應(yīng)用于機械設(shè)備幾何誤差測量的三自由度激光測量系統(tǒng) 包括分光鏡組1、偏振分光鏡組2、運動反光鏡組3和固定反光鏡組4。
[0032] 入射光的光路方向為X向，X向上依次設(shè)置分光鏡組、偏振分光鏡組和運動反光鏡 組，所述固定反光鏡組設(shè)置在偏振分光鏡組的Y向上。
[0033] 如圖2所示，分光鏡組1所述分光鏡組包括前平行四邊形棱鏡11、后平行四邊形棱 鏡12、前三角棱鏡13和后三角棱鏡14。
[0034] 前平行四邊形棱鏡11和后平行四邊形棱鏡12的結(jié)構(gòu)相同，以前平行四邊形棱鏡 11為例。所述前平行四邊形棱鏡11的主截面為一對角45°的平行四邊形，其四個側(cè)面依 次為與X向垂直的入射面111、與入射面111夾角較小的分光面112、與分光面112相對的 反射面113和與入射面111相對的出射面114。
[0035] 前三角棱鏡13和后三角棱鏡14的結(jié)構(gòu)相同，以前三角棱鏡13為例。所述前三角 棱鏡13的主截面為等腰直角三角形，斜邊所在面為透射面131，與X向垂直的為子光束面 132,所述前三角棱鏡13的透射面131與前平行四邊形棱鏡11的分光面112相貼合，所述 前三角棱鏡13的子光束面132與后平行四邊形棱鏡12的入射面11Γ相貼合，所述后三角 棱鏡14的透射面13Γ與后平行四邊形棱鏡52的分光面112'相貼合。
[0036] 所述前平行四邊形棱鏡11和后平行四邊形棱鏡12相互垂直，且后平行四邊形棱 鏡的入射面11Γ與前平行四邊形棱鏡的分光面112相對。
[0037] 所述分光面112和透射面131涂覆分光比為2:1的消偏振分光膜，其中2/3光強 透射，1/3光強反射，分光面112'和透射面13Γ涂覆分光比為1:1的消偏振分光膜，半透射 半反射，所述反射面113涂覆HR高反膜，棱鏡其他側(cè)面涂覆AR抗反射膜。
[0038] 如圖1所示，所述后平行四邊形棱鏡12中與入射面11Γ相對的出射面114'和與 該面相鄰的所述后三角棱鏡14的子光束面132'，均與所述偏振分光鏡組2的入射面貼合， 所述偏振分光鏡組2為PBS棱鏡，由兩個三角棱鏡組成，兩個三角棱鏡中間鍍高消光比偏振 分光膜，其余工作面鍍AR抗反射膜。
[0039] 所述運動反光鏡組3和固定反光鏡組4所采用的部件結(jié)構(gòu)和部件數(shù)量相同，以運 動反光鏡組3為例，如圖3所不，其包括3個直角棱鏡反射器分別為第一反射器31、與第一 反射器31并列的第二反射器32和疊放在第一反射器31上面的第三反射器33,各反射器的 入射面鍍AR抗反射膜，反射面鍍消偏振反射膜。
[0040] 所述固定反光鏡組4也包括三個反射器，同理，各反射器的入射面鍍AR抗反射膜， 反射面鍍消偏振反射膜。
[0041] 如圖4所示，測試中光路過程依次為：激光器5發(fā)射X向正交偏振雙頻激光束作為 入射光51，入射光51經(jīng)分光鏡組1平均分為三個與入射光51平行的正交偏振雙頻子光束 52,具體為經(jīng)前平行四邊形棱鏡11和前三角棱鏡13,入射光51被分為光強比為2:1兩束 光。1/3光強的第一子束光521進入偏振分光鏡組2, 2/3光強的一束光進入后平行四邊形 棱鏡12和后三角棱鏡14,將2/3光強的一束光進一步分為光強比為1:1的兩個子光束，即 第二子光束522和第三子光束523。所述每個子光束52經(jīng)偏振分光鏡組2分為參考光53 和測量光54,固定反光鏡組4接收參考光53并反射回偏振分光鏡組2,運動反光鏡組2接 收測量光54并反射回偏振分光鏡組2,參考光53的反射光和測量光54的反射光并入一個 干涉光路，經(jīng)耦合器6形成干涉條紋，光電計數(shù)裝置7對三組干涉條紋的移動分別計數(shù)，再 經(jīng)數(shù)據(jù)處理及顯示裝置8給出X向位移量、Ry轉(zhuǎn)動量和Rz轉(zhuǎn)動量。
[0042] 具體的數(shù)據(jù)處理方法如下：
[0043] 如圖5所示，本發(fā)明系統(tǒng)在被測物體上的三個等效測量點a、b和c，第一子光束 521形成的干涉條紋與a點的X向位移量X a相對應(yīng)，第二子光束522形成的干涉條紋與b點 的X向位移量Xb相對應(yīng)，第三子光束523形成的干涉條紋與c點的X向位移量X。相對應(yīng)， 第一子光束521與第二子光束522之間的中心距為Ly，第一子光束521和第三子光束523 之間的中心距為Lz。為了更好的消除環(huán)境誤差及振動的影響，X向位移量d，Ry轉(zhuǎn)動量α 和Rz轉(zhuǎn)動量β分別為：

【權(quán)利要求】
1. 一種應(yīng)用于機械設(shè)備幾何誤差測量的三自由度激光測量系統(tǒng)，其特征在于，包括分 光鏡組、偏振分光鏡組、運動反光鏡組和固定反光鏡組，所述分光鏡組將入射光平均分為與 入射光平行但不共面的第一子光束、第二子光束和第三子光束，所述偏振分光鏡組位于3 個子光束的光路上，每個子光束經(jīng)偏振分光鏡組分為參考光和測量光，運動反光鏡組設(shè)置 在測量光的光路上并將其反射回偏振分光鏡組，固定反光鏡組設(shè)置在參考光的光路上并將 其反射回偏振分光鏡組，反射回的參考光和測量光匯合后形成干涉，干涉信號用于計算所 述三自由度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種應(yīng)用于機械設(shè)備幾何誤差測量的三自由度激光測量系統(tǒng)， 其特征在于，所述分光鏡組包括前后設(shè)置且相互垂直的前平行四邊形棱鏡和后平行四邊形 棱鏡，每個平行四邊形棱鏡的四個側(cè)面依次為與入射光垂直的入射面、與入射面夾角為銳 角的分光面、與分光面相對的反射面和與入射面相對的出射面，后平行四邊形棱鏡的入射 面與前平行四邊形棱鏡的分光面相對，所述分光鏡組還包括前后設(shè)置的前三角棱鏡和后三 角棱鏡，三角棱鏡斜邊所在面為透射面，與入射光垂直的為子光束面，所述前三角棱鏡的透 射面與前平行四邊形棱鏡的分光面相貼合，所述前三角棱鏡的子光束面與后平行四邊形棱 鏡的入射面相貼合，后三角棱鏡的透射面與后平行四邊形棱鏡的分光面相貼合。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種應(yīng)用于機械設(shè)備幾何誤差測量的三自由度激光測量系統(tǒng)， 其特征在于，所述后平行四邊形棱鏡的出射面和與該出射面相鄰的所述后三角棱鏡的子光 束面，均與所述偏振分光鏡組的入射面貼合。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種應(yīng)用于機械設(shè)備幾何誤差測量的三自由度激光測量系統(tǒng)， 其特征在于，所述平行四邊形棱鏡的主截面為一對角45°的平行四邊形，三角棱鏡的主截 面為等腰直角三角形。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種應(yīng)用于機械設(shè)備幾何誤差測量的三自由度激光測量系統(tǒng)， 其特征在于，每個所述平行四邊形棱鏡的分光面設(shè)有消偏振分光膜，所述反射面設(shè)有高反 膜，其他側(cè)面設(shè)有抗反射膜。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述一種應(yīng)用于機械設(shè)備幾何誤差測量的三自由度激光測量系統(tǒng)， 其特征在于，所述前平行四邊形棱鏡的消偏振分光膜的分光比為2:1，后平行四邊形棱鏡的 消偏振分光膜的分光比為1:1。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種應(yīng)用于機械設(shè)備幾何誤差測量的三自由度激光測量系統(tǒng)， 其特征在于，所述偏振分光鏡組的分光面鍍高消光比偏振分光膜，其余工作面鍍抗反射膜。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種應(yīng)用于機械設(shè)備幾何誤差測量的三自由度激光測量系統(tǒng)， 其特征在于，所述運動反光鏡組包括3個反射器，3個反射器分別位于3個子光束的測量光 的光路上并反射回偏振分光鏡組，所述固定反光鏡組結(jié)構(gòu)與運動反光鏡組相同，分別位于3 個子光束的參考光的光路上并反射回偏振分光鏡組。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述一種應(yīng)用于機械設(shè)備幾何誤差測量的三自由度激光測量系統(tǒng)， 其特征在于，每個所述反射器的入射面鍍抗反射膜，反射面鍍消偏振反射膜。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述一種應(yīng)用于機械設(shè)備幾何誤差測量的三自由度激光測量系 統(tǒng)，其特征在于，所述反射器為角錐棱鏡反射器。
【文檔編號】G01B11/02GK104142123SQ201310168047
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2013年5月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月8日
【發(fā)明者】肖鵬飛, 池峰, 陳勇輝 申請人:上海微電子裝備有限公司