[发明专利]一种基于曲面基准件的旋转角测量方法

摘要

本发明公开了一种基于曲面基准件的旋转角测量方法，在Z轴上安装差分光学测头，在与Z轴平行或同轴的旋转轴上卡固曲面基准件，所述差分光学测头位于所述曲面基准件的上方，所述差分光学测头设有两个结构相同的光学测头，在所述曲面基准件上设有与两光学测头对应的曲面Ⅰ和曲面Ⅱ，旋转轴旋转带动曲面基准件从初始位置A_I旋转到位置A_II处，两曲面上的测量点发生位移，通过测量点的位移量与旋转角之间的对应关系实现旋转角度的测量，采用双光学测头组合成差分测头的方法避免了对曲面基准件旋转轴的定位，采用该方法可以获得旋转轴的旋转角度，效率高，精度高，成本低，操作简单，为机床旋转轴的旋转角检测提供了新的方法。

主权项

1.一种基于曲面基准件的旋转角测量方法，其特征在于，在Z轴上安装差分光学测头，在与Z轴平行或同轴的旋转轴上卡固曲面基准件，在所述曲面基准件上至少设有曲面Ⅰ和曲面Ⅱ，所述差分光学测头设有一个数据处理模块和两个结构相同的光学测头，两个所述光学测头分别是光学测头Ⅰ和光学测头Ⅱ，所述光学测头Ⅰ的光轴和所述光学测头Ⅱ的光轴均与Z轴平行，所述差分光学测头位于所述曲面基准件的上方，两个所述光学测头Ⅰ和所述光学测头Ⅱ光轴间的距离与曲面Ⅰ和曲面Ⅱ中心间的距离相等；所述光学测头Ⅰ和所述光学测头Ⅱ包括激光器、孔径光阑、反射镜、分光棱镜、成像透镜和CCD相机，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内的任意一点，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；采用所述差分光学测头和所述曲面基准件测量旋转轴的旋转角，具体步骤如下：1)通过标定得出光学测头Ⅰ的光轴在光学测头Ⅰ的CCD相机中的位置坐标O'₁(x'_O1,y'_O1)，通过标定得出光学测头Ⅱ的光轴在光学测头Ⅱ的CCD相机中的位置坐标O'₂(x'_O2,y'_O2)；2)调整所述曲面基准件，使所述曲面Ⅰ位于光学测头Ⅰ的测量范围内，所述曲面Ⅱ位于所述光学测头Ⅱ的测量范围内，且所述曲面Ⅰ的中心线与所述光学测头Ⅰ的光轴平行，所述曲面Ⅱ的中心线与所述光学测头Ⅱ的光轴平行；此时曲面基准件位于第一位置A_I处，曲面Ⅰ上对应的测量点为A₁(x₁,y₁)，曲面Ⅱ上对应的测量点为A₂(x₂,y₂)；3)所述数据处理模块按照以下步骤进行数据处理：3.1)获取测量点A₁(x₁,y₁)的坐标，具体步骤为：3.1.1)获取光学测头Ⅰ的CCD相机中成像光斑中心位置坐标A'₁(x'₁,y'₁)；3.1.2)将步骤3.1)中的光斑中心位置坐标A'₁(x'₁,y'₁)转换为光斑中心距离光轴的距离s_1x、s_1y；3.1.3)计算测量点A₁斜率对应的角度：ξ_x1＝arctan(s_1x/f)/2ξ_y1＝arctan(s_1y/f)/2其中：ξ_x1代表测量点A₁在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；ξ_y1代表测量点A₁在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；s_1x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；s_1y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；3.1.4)计算测量点A₁(x₁,y₁)的坐标：x₁＝g(ξ_x1)y₁＝g(ξ_y1)其中：g(x)代表一元函数；3.2)所述数据处理模块按照与步骤3.1)相同的步骤，获取测量点A₂(x₂,y₂)的坐标为：x₂＝g(ξ_x2)y₂＝g(ξ_y2)其中：ξ_x2代表测量点A₂在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；ξ_y2代表测量点A₂在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；4)转动旋转轴，旋转轴带动曲面基准件旋转到第二位置A_II处，此时曲面Ⅰ上对应的测量点为A₃(x₃,y₃)，曲面Ⅱ上对应的测量点为A₄(x₄,y₄)，所述数据处理模块按照与步骤3)相同的步骤进行数据处理，获得测量点A₃(x₃,y₃)的坐标为：x₃＝g(φ_x3)y₃＝g(φ_y3)其中：φ_x3代表测量点A₃在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；φ_y3代表测量点A₃在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；获得测量点A₄(x₄,y₄)的坐标为：x₄＝g(φ_x4)y₄＝g(φ_y4)其中：φ_x4代表测量点A₄在XOZ平面内的切线与X轴方向的夹角；φ_y4代表测量点A₄在YOZ平面内的切线与Y轴方向的夹角；5)所述数据处理模块按照以下步骤进行数据处理，获取曲面基准件旋转的角度：5.1)计算位置A₁(x₁,y₁)和位置A₃(x₃,y₃)之间的距离：5.2)计算位置A₂(x₂,y₂)和位置A₄(x₄,y₄)之间的距离：5.3)计算曲面基准件旋转的角度：γ＝arctan((d₁+d₂)/d₀)其中：γ代表曲面基准件旋转的角度；d₀代表光学测头Ⅰ光轴和光学测头Ⅱ光轴的间距。