[发明专利]一种转轴旋转精度光学测量系统和测量方法

权利要求书

1.一种转轴旋转精度光学测量系统，包括可自转地安装于设备上的转轴(1)，其特征在于：所述转轴(1)的一端安装有平面镜调整装置(2)，该平面镜调整装置(2)上安装有平面反射镜(3)，该平面反射镜(3)位于所述转轴(1)外且其反射面背向所述转轴(1)的端面，所述平面镜调整装置(2)用于调节所述平面反射镜(3)的反射面与所述转轴(1)轴心线的角度；

所述平面反射镜(3)的反射面外设置有多向调节装置(5)，该多向调节装置(5)上设置有自准直仪(4)，该自准直仪(4)的出射光束朝向所述平面反射镜(3)，所述多向调节装置(5)用于调节所述自准直仪(4)的位置和姿态。

2.根据权利要求1所述的一种转轴旋转精度光学测量系统，其特征在于：所述平面镜调整装置(2)为二维角度调整台。

3.根据权利要求1或2所述的一种转轴旋转精度光学测量系统，其特征在于：所述多向调节装置(5)包括五维调整台，该五维调整台固定在光学平台(6)上。

4.一种转轴旋转精度测量方法，其特征在于按以下步骤进行：

S1，设置如权利要求1～3任意一项所述的转轴旋转精度光学测量系统；

S2，平面镜角度标定：打开所述自准直仪(4)的开关，调整所述多向调节装置(5)，使得自所述自准直仪(4)发出的光束照射到所述平面反射镜(3)，并根据所述转轴(1)转动时返回光叉丝的跳动量，通过所述平面镜调整装置(2)调节所述平面反射镜(3)的姿态，直至返回光叉丝的跳动最小，此时认为所述平面反射镜(3)的反射面与所述转轴(1)轴心线垂直；

S3，旋转精度测定：通过调整所述多向调节装置(5)来调节所述自准直仪(4)的姿态，使得返回光叉丝与出射光叉丝重合，然后使所述转轴(1)转动，根据返回光叉丝的跳动值得到所述转轴(1)的旋转角度误差。

5.根据权利要求4所述的转轴旋转精度测量方法，其特征在于所述步骤S2包括：

S21，光学系统校准：保持所述转轴(1)静止；打开所述自准直仪(4)的开关，调整所述多向调节装置(5)，使得自所述自准直仪(4)发出的光束照射到所述平面反射镜(3)，且所述返回光叉丝与出射光叉丝重合；

S22，平面镜角度检测：使所述转轴(1)转动并带动所述平面反射镜(3)旋转，此时返回光叉丝将在所述自准直仪(4)上形成圆形或近圆形轨迹，根据该轨迹拟合出拟合圆的形状和圆心位置；

S23，平面镜角度调节：调整所述平面镜调整装置(2)以调节所述平面反射镜(3)的角度，使得返回光叉丝向步骤S22中所述拟合圆的圆心靠近；

S24，重复所述步骤S22和S23，直至返回光叉丝的拟合圆直径最小，此时认为所述平面反射镜(3)的反射面与所述转轴(1)轴心线垂直。

6.根据权利要求5所述的转轴旋转精度测量方法，其特征在于：所述步骤S22中，根据所述轨迹拟合计算拟合圆的形状和圆心位置的具体过程为：

以准直仪的探测平面建立坐标系，选择所述轨迹上的n个点并测量其角坐标，并转换为直角坐标，将第i个点记为(x_i,y_i)，其中n＝3；

将点的直角坐标代入圆的一般公式x²+y²+Dx+Ey+F＝0，得到n个方程

计算得到未知数D、E、F的值，从而得到拟合圆方程，再计算圆心坐标。

7.根据权利要求5所述的转轴旋转精度测量方法，其特征在于：所述步骤S22中，采用最小二乘法进行拟合，均匀选取轨迹上的n个点，n≥4且为整数；

首先令所述轨迹上第i个点(x_i,y_i)到拟合圆的边缘的距离为

则所述轨迹上的点到拟合圆的边缘的距离的平方和为函数

将第1～n个坐标点的坐标(x_i,y_i)代入上述函数，

再对P(D,E,F)函数的D、E、F求偏导数，令偏导数等于0，组成如下方程组：

求解上述方程组，得到D、E、F的值，从而得到拟合圆的方程。