[发明专利]一种基于组合面型基准件的滚转角测量方法

摘要

本发明涉及一种基于组合面型基准件的滚转角测量方法，所采用的测量装置包括光学测头和组合面型基准件，组合面型基准件的基座为L型,在基座的两臂等距离地设置有多个基准件，每个基准件的表面为曲面特征或平面特征，所述曲面特征包括旋转抛物面；基准件间相距距离为d，在基座上表现为阵列形式，阵列形式为L型，当光学测头与组合面型基准件上的曲面特征相配合时，检测出机床导轨运动带来的直线度位置误差进而得到滚转角。

主权项

1.一种基于组合面型基准件的滚转角测量方法，所采用的测量装置包括光学测头和组合面型基准件，所述光学测头包括激光器、孔径光阑、反射镜、分光棱镜、成像透镜、CCD相机以及数据处理模块，所述激光器发出的准直光束经所述孔径光阑缩成细直光束，细直光束经所述反射镜后入射到所述分光棱镜中，1/2能量的反射光束投射到曲面阵列上的任意一点，该点反射的光束经所述分光棱镜透射后，通过所述成像透镜成像在所述CCD相机上，所述数据处理模块根据所述CCD相机中光斑的位置，计算获得运动轴的直线度偏差；所述光学测头安装在机床主轴上，随机床主轴做三维直线运动；所述组合面型基准件的基座为L型,在基座的两臂等距离地设置有多个基准件，每个基准件的表面为曲面特征或平面特征，所述曲面特征包括旋转抛物面；基准件间相距距离为d，在基座上表现为阵列形式，阵列形式为L型，当光学测头与组合面型基准件上的曲面特征相配合时，检测出机床导轨运动带来的直线度位置误差；滚转角测量方法如下：将组合面型基准件竖直摆放在机床工作台上，使基座一臂与机床Z轴平行，另一臂与机床Y轴平行，安装在机床主轴上的光学测头正对平行于Z轴的基座臂上的基准件；使所述光学测头的光束和机床X轴平行，此时光学测头位于位置A3处，获取此时光轴在CCD相机中位置坐标O(x3，y3)；机床Z轴带动光学测头水平移动到第一个基准件上的旋转抛物面上的第一位置AI，此时旋转抛物面阵列上对应的测量点为A1(x1，y1，z1)，获取此时CCD相机中成像光斑的位置A1′(x1′，y1′)，并转换为光斑中心距离光轴的距离S1x、S1y，然后计算测量点A1斜率对应的角度：ξx＝arctan(s1x/f)/2                       (1)ξy＝arctan(s1y/f)/2                      (2)其中：ξx代表测量点A1在YOZ平面内的切线与Z轴方向的夹角；ξy代表测量点A1在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；S1x代表第一个测量点的成像光斑的中心在X轴方向距离系统光轴的距离；S1y代表第一个测量点的成像光斑的中心在Y轴方向距离系统光轴的距离；f代表成像透镜的焦距，最后计算测量点A1的坐标：∵旋转抛物面的面型公式为：其中：a2为旋转抛物面的特征参数；对(13)式求一阶导数，可得到曲面上任一点的斜率为：∴x1＝a2tanξx                          (6)y1＝a2tanξy                          (7)其中：S1x代表成像光斑A1′的中心在X轴方向距离系统光轴的距离；S1y代表成像光斑A1′的中心在Y轴方向距离系统光轴的距离；机床Z轴带动光学测头竖直移动到第二个旋转抛物面上第二位置AII，此时旋转抛物面阵列上对应的测量点为A2(x2，y2，z2)，获取此时CCD相机中成像光斑的位置A2′(x2′，y2′)；计算测量点A2的坐标：x2＝a2tanφx                          (8)y2＝a2tanφy                          (9)计算机床Z轴在X、Y两个方向上的位移M、N：M＝a2tanφx‑a2tanξx+P                   (10)N＝a2tanφy‑a2tanξy+Q                   (11)其中：M代表Z轴在X方向的位移；N代表Z轴在Y方向的位移；P代表第i个曲面和第j个曲面的中心线在X方向的距离；Q代表第i个曲面和第j个曲面的中心线在Y方向的距离；按照上述方法，机床Z轴带动光学测竖直移动到各个基准件上的旋转抛物面上，通过计算得到移动到各个基准件上时存在的X、Y两个方向上的位移，机床Z轴在X、Y两个方向上的位移M、N反映机床主轴在某点处不同高度上的X、Y两个方向的直线度偏差，设从底端基准件开始分别测得机床主轴在该点处8个基准件对应的高度上的Y轴方向的直线度偏差分别为δ1、δ2、δ3、δ4、δ5、δ6、δ7和δ8；当导轨X轴发生滚转时，在垂直滚转轴的平面内的直线段会发生一段位移，具体表现为直线的两端点对Y轴的偏移发生改变；这种改变会导致该点处的Y方向的直线度偏差增大或减小，并且离滚转轴越远的地方直线度偏差改变越大，根据直线度偏差和滚转角误差的定义可得滚转角可用表示；为提高测量精度，有效利用测量数据，采用逐差法处理多次测量所得的直线度偏差数据，进一步地，机床X轴在xi处的滚转角误差通过计算得到；其他导轨如Y轴、Z轴滚转角误差可以依次求解得到。