申请/专利权人：合肥工业大学

申请日：2022-04-24

公开（公告）日：2024-06-25

公开（公告）号：CN114719753B

主分类号：G01B11/00

分类号：G01B11/00;G01B11/26;G01B11/27

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.25#授权;2022.07.26#实质审查的生效;2022.07.08#公开

摘要：本发明公开了一种运动承载导轨的六自由度误差检测系统，由激光器、误差检测镜组、四象限传感器组和可调角锥棱镜构成；误差检测镜组和四象限传感器组固定安装在被测导轨上构成检测模块，激光器和可调角锥棱镜固定安装在机架上，且分设在检测模块的两侧，激光器出射的基准测量光在经过误差检测镜组之后入射至角锥棱镜，再返射至误差检测镜组作为参考测量光；基准测量光和参考测量光经在检测模块中经分离、干涉和解析获得被测导轨的六自由度误差。本发明利用光斑检测法和干涉检测法实现了导轨六自由度误差的同时检测，具有光路简单、抗干扰性强的优点，提高了导轨六自由度误差检测的精度。

主权项：1.一种运动承载导轨的六自由度误差检测系统，其特征是：所述检测系统是由激光器、误差检测镜组、四象限传感器组和可调角锥棱镜构成；所述误差检测镜组和四象限传感器组固定安装在被测导轨上构成检测模块，所述激光器和可调角锥棱镜固定安装在机架上，且分设在检测模块的两侧，由所述激光器出射的基准测量光在经过误差检测镜组之后入射至角锥棱镜，再由所述角锥棱镜反射至误差检测镜组作为参考测量光；所述基准测量光和参考测量光经在所述检测模块中经分离、干涉和解析后获得被测导轨的六自由度误差；固定所述激光器和可调角锥棱镜的机架的基准面相对静止，所述机架采用同一基准面；建立三维坐标系O-XYZ：是以被测导轨横截面的几何中心为坐标原点，沿被测导轨的运动方向为X轴向，且朝向角锥棱镜所在一侧为X轴正向，在所述导轨横截面中，水平方向为Y轴方向，与XOY面垂直的方向为Z轴方向，在导轨横截面上形成YOZ面；所述误差检测镜组中的第一分光镜3、第一偏振分光镜4和第二分光镜5沿X轴正向依次排列为第一行镜组；误差检测镜组中的干涉棱镜组10和第三分光镜6沿X轴正向排列为第二行镜组，所述第二分光镜5和第三分光镜6在沿Y轴向间隔设置，所述第二分光镜5和角锥棱镜11在沿X轴向间隔设置；由激光器1出射的基准测量光经第一分光镜3反射形成第一反射光束a1，并经第一分光镜3透射形成第一透射光束b1；所述第一透射光束b1经第一偏振分光镜4反射形成第二反射光束a2，并经第一偏振分光镜4透射形成第二透射光束b2，所述第二反射光束a2和第二透射光束b2的偏振方向正交；所述第二透射光束b2经第二分光镜5反射形成第三反射光束a3，并经第二分光镜5透射形成第三透射光束b3；所述第三透射光束b3入射角锥棱镜11，并经所述射角锥棱镜11以平行光返回形成参考测量光，所述参考测量光经第三分光镜6反射形成第四反射光束a4，并经第三分光镜6透射形成第四透射光束b4；所述四象限传感器组包括第一四象限传感器7、第二四象限传感器8和第三四象限传感器9；所述第一反射光束a1经聚焦透镜2成像在第一四象限传感器7上为第一测量信号；所述第三反射光束a3成像在第二四象限传感器8上为第二测量信号；所述第四反射光束a4成像在第三四象限传感器9上为第三测量信号；所述第二反射光束a2和第四透射光束b4汇聚于干涉棱镜组10形成的干涉信号为第四测量信号；干涉棱镜组10的输入为偏振方向正交的、频率相同的、含有设定光程差的两束光线，输出为四个相位差为90°的电流信号，通过对四个电流信号进行信号处理，得到两束光线的光程差；依据所述第一测量信号获得被测导轨绕Y轴旋转产生的俯仰角误差α和绕Z轴旋转产生的偏摆角误差β；依据所述第二测量信号和第三测量信号之间的差分信号，以及第二分光镜5与第三分光镜6之间的Y轴向距离获得被测导轨绕X轴旋转产生的滚转角误差γ；依据所述第二测量信号获得被测导轨沿Y轴移动产生的Y轴向直线度误差εy；依据所述第三测量信号获得被测导轨沿Z轴移动产生的Z轴向直线度误差εz；依据所述第四测量信号获得被测导轨沿X轴移动产生的X轴向直线度误差εx；所述俯仰角误差α由式1计算获得：所述偏摆角误差β由式2计算获得：所述滚转角误差γ由式3计算获得： ； ； ；其中：f为聚焦透镜2的焦距；z1为第一四象限传感器7上光斑在Z轴向的位移值；x1为第一四象限传感器7上光斑在X轴向的位移值；z2为第二四象限传感器8上光斑在Z轴向的位移值；z3为第三四象限传感器9上光斑在Z轴向的位移值； 第二分光镜5和第三分光镜6在沿Y轴向上的设定距离；所述Y轴向直线度误差εy由式4计算获得：所述Z轴向直线度误差εz由式5计算获得：所述X轴向直线度误差εx由式6计算获得; ； ； ；其中：x2为第二四象限传感器8上光斑在Y轴向的位移值；k1为通过标定实验获得的Y轴直线度误差εy与x2之间的比例系数；z3为第三四象限传感器9上光斑在Z轴向的位移值；k2为通过标定实验获得的Z轴直线度误差εz与z3之间的比例系数；Δx为干涉棱镜组10测得的光程差；k3为通过标定实验获得的X轴直线度误差εx与Δx之间的比例系数；按如下步骤完成检测系统的初步调整：步骤1：调整激光器1的设定位置使所述基准测量光经第一分光镜3、第一偏振分光镜4和第二分光镜5的光学中心；步骤2：调整第二四象限传感器8的设定位置，使其接收到的光斑位于第二传感器8的中心；步骤3：调整角锥棱镜11的设定位置，使干涉棱镜组10能够接收到干涉信号；步骤4：调整第一四象限传感器7和第三四象限传感器9的设定位置，使各自接收到的光斑位于各自的中心。

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百度查询： 合肥工业大学 运动承载导轨的六自由度误差检测系统

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