CN100593687C - 非接触六自由度微位移测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非接触六自由度微位移测量装置，该装置包括：可动部分，被测物体与所述可动部分固定在一起；固定不动部分；三个面阵CCD，其中，第一面阵CCD和第二面阵CCD与可动部分固定在一起，第三面阵CCD与固定不动部分固定在一起；三路激光输出结构，与固定不动部分固定在一起，并发射三束光束，分别被所述三个面阵CCD接收，其中，当被测物体发生任意自由度的运动时，引起相应面阵CCD上光点的位置发生变化，根据被测物体运动前后所述光点位置的变化来计算被测物体的六自由度位移。本发明的非接触六自由度微位移测量装置可用于高精度的物体六自由度微位移监测。

Description

非接触六自由度微位移测量装置

技术领域

本发明涉及一种六自由度微位移测量方法，属于光电测量领域，特别适用于物体间六自由度相对微位移的高精度测量。

背景技术

任何一个物体在空间的运动都有6个自由度，即沿3个方向的平移(t_x，t_y，t_z)和绕3个方向轴的旋转(θ_x，θ_y，θ_z)。现代科学技术的发展，对航天、航空、机械和仪表等众多领域内的加工精度、安装精度和检测精度提出了更高的要求。被加工工件的定位、精密零件的安装和目标物体在空间的位置与运动监测等，都需要多至6个自由度的测量、调整和控制。由于其广泛的应用前景，多自由度的同时测量是各国研究的热点，一直被作为检测领域的一个重要课题进行研究。20世纪60年代以来，出现了较多的光学测量方法与技术。六自由度光电测量方法概括起来分为以下几大类：1、传统的几何光学六自由度测量方法；2、基于衍射光栅的六自由度测量方法；3、利用视觉技术的六自由度测量方法；4、基于激光跟踪的六自由度测量方法；5、激光干涉与激光准直组合的六自由度测量方法。上述的六自由度测量技术各有优势和局限性，也有不同的应用条件和背景。在进行某工件空间六自由度位移监测时，上述自由度测量方法普遍存在结构复杂、安装空间不足等问题，难以适用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种非接触六自由度微位移测量装置，可实现物体六自由度的相对微位移测量，具有光路简单、精度高的优点。

本发明提供一种一种非接触六自由度微位移测量装置，该装置包括：可动部分，被测物体与所述可动部分固定在一起；固定不动部分；三个面阵CCD，其中，第一面阵CCD和第二面阵CCD与可动部分固定在一起，第三面阵CCD与固定不动部分固定在一起；三路激光输出结构，与固定不动部分固定在一起，并发射三束光束，分别被所述三个面阵CCD接收，其中，当被测物体发生任意自由度的运动时，引起相应面阵CCD上光点的位置发生变化，根据被测物体运动前后所述光点位置的变化来计算被测物体的六自由度位移。

所述三路激光输出结构采用采用1个半导体激光光源发射光束，所述光束经光纤耦合器分光后，由光纤传输并进行准直输出。

三束光束中的一束光束入射到固定在可动部分上的平面反射镜上，被平面反射镜反射回来的光束由一个半透半反镜分光后被第三面阵CCD接收，根据第三面阵CCD上光点的位置变化来测量六自由度中的两个旋转角度分量。

第一面阵CCD和第二面阵CCD与平面反射镜共面，并且三束光束中的另外两束光束的反向延长线交于一点，所述另外两束光束以一定角度对称入射到第一面阵CCD和第二面阵CCD上，根据第一面阵CCD和第二面阵CCD上的光点的位置变化来测量六自由度中的另外一个旋转角度分量以及三个平移分量。

在根据所述三个面阵CCD上光点的位置变化计算出所述三个旋转角度分量之后，获得旋转矩阵，然后利用所述旋转矩阵，并结合在第一面阵CCD和第二面阵CCD上的光点的坐标，来计算三个平移分量。

本发明与现有技术相比具有结构简单、安装调整方便和测量精度高的特点，可用于监测物体的微小六自由度位移。

附图说明

通过结合附图，从下面的实施例的描述中，本发明这些和/或其它方面及优点将会变得清楚，并且更易于理解，其中：

图1为根据本发明实施例的多路激光输出结构的示意图；

图2为根据本发明实施例的非接触六自由度测量装置的实施图；

图3为根据本发明实施例的4个自由度测量原理简图。

具体实施方式

现在将详细描述本发明的实施例，其示例在附图中示出，其中，相同的标号始终表示相同的部件。下面通过参照附图来描述这些实施例以解释本发明。

图1为根据本发明实施例的多路激光输出结构示意图。参照图1，多路激光输出结构包括半导体激光光源1、光纤2、光纤耦合器3、光纤4和准直器5。半导体光源1发出激光，通过光纤2传导至光纤耦合器3，光纤耦合器3将激光分为三束，分别独立地从光纤4传导并经过准直器5准直后作为所需光束6输出。

图2为根据本发明实施例的非接触六自由度测量装置的实施图。参照图2，该非接触六自由度测量装置包括支架7、两个面阵CCD(电荷耦合器件)8、平面反射镜9、可动部分10、半透半反镜11、面阵CCD 12、光纤光源13和固定不动部分14。两个面阵CCD 8与可动部分10固定在一起，面阵CCD 12与固定不动部分14固定在一起。光纤光源13是发光部分，可采用图1所示的3路激光输出结构，并且与固定不动部分14固定在一起。应该注意，为了表示简便，在图2中仅示出了激光输出结构的部分结构(例如，准直器5)，而省略了其它组成部分。

将可动部分10与被测物体刚性固定在一起，这样被测物体的运动会带动***可动部分发生运动。调整可动部分10使两个面阵CCD 8的感光面与平面反射镜9共面，并标定出这两个面阵CCD 8在所述平面坐标系中的位置。

调整固定不动部分14，使两束光线以一定角度分别对称投向相应的面阵CCD 8，且使其反向延长线交于一点l，结构如图3所示，并且标定出两束光线的夹角。

初始时，计算机采集各个面阵CCD图像，并计算当前各光点中心在图像中的坐标。工作时，当被测物体发生任意自由度的运动时，导致可动部分10进行运动，从而引起各个面阵CCD上相应光点位置的变化。其描述如下：

①如可动部分10发生绕X轴转动，则经平面反射镜9反射的光线也发生一定角度的偏转，并由半透半反镜11反射到面阵CCD 12上，体现为光点中心产生Z方向的移动；

②如可动部分10发生绕Y轴转动，则经平面反射镜9反射的光线也发生一定角度的偏转，并由半透半反镜11反射到面阵CCD 12上，体现为光点中心产生X方向的移动；

③如可动部分10发生X方向的平移，则面阵CCD 8上的两光点中心产生X轴上相同的平移；

④如可动部分10发生Y方向的平移，则面阵CCD 8上的两光点中心产生Y轴上相同的平移；

⑤如可动部分10发生Z方向的平移，则面阵CCD 8上的两光点中心产生Y轴上相反的平移；

⑥如可动部分10发生绕Z轴转动，则面阵CCD 8上的两光点中心发生绕原点的转动；

⑦如可动部分10发生绕X轴转动，则面阵CCD 8上的两光点中心产生Y轴上同向位移；

通过采集面阵CCD图像，进行处理获得所述光点位置，根据所述光点位置的变化计算出物体六自由度位移。下面从理论上对物体六自由度位移的计算方法进行分析：

六自由度的计算分两步进行：首先，根据三个光点中心在相应面阵CCD上的坐标值变化求解三个旋转角度分量，并由此获得旋转矩阵；然后，利用已经求得的旋转矩阵，结合在面阵CCD 8上的光点中心坐标，列解方程组，求解三个平移分量。

①求解旋转角度

对于面阵CCD 12上的光点中心位置：

当可动部分10相对固定不动部分14发生x和y方向的平移时，光点位置不改变；

当可动部分10发生z方向微小平移时，相对于平移量来说，光点位置的变化是非常微小的，可以忽略；

可动部分10绕z轴旋转θ_z，光点位置不改变；

可动部分10绕x轴旋转θ_x，光点产生z方向位移，可以得到旋转角度θ_x如下：

${\mathrm{\θ}}_x=\frac{1}{2}\mathrm{arctg}\left(\frac{-\mathrm{\Δy}}{S}\right)$

可动部分10绕y轴旋转θ_y，光点产生x方向位移，可以得到旋转角度θ_y如下：

${\mathrm{\θ}}_y=\frac{1}{2}\mathrm{arctg}\left(\frac{-\mathrm{\Δx}}{S}\right)$

在上面的两个等式中，Δx、Δy为带符号的平移量，S为在平面反射镜9与面阵CCD 12之间光线经过的距离。通过平面反射镜9反射的光点位置变化测量绕y、z的旋转角度，将旋转角度放大并在面阵CCD 12上反映，提高了测量精度。

对于直接在面阵CCD 8上成像的两个光点：

成像面沿x方向平移，两光点产生在x方向相同的位移：Δx₁、Δx₁；

成像面沿y方向平移，两光点产生在y方向上相同的位移：Δy₁、Δy₁；

成像面沿z方向平移，两光点产生在y方向上相反的位移：Δy₂、-Δy₂；

成像面绕x旋转θ_x，在y方向上产生同向但大小不等的位移：Δy₃、Δy₄；

成像面绕y旋转θ_y，在x方向上产生相同的位移：Δx₂、Δx₂；

成像面绕z旋转θ_z，在x、y方向上产生相反的位移：Δx₃、-Δx₃，Δy₅、-Δy₅；

根据上面的分析，两个光点在x方向上位移量的差值为2Δx₃，即两光点在x方向上位移量的差值反映了而且是仅仅反映了成像面绕z轴的旋转角度。也考虑右手定则规定的正方向，得到：

θ_z＝arcsin((Δx_u-Δx_d)/D)

其中，Δx_u、Δx_d为两光点运动后与运动前横坐标的差值，D为运动前两光点之间的距离。这种方法通过两点间坐标的差值反应旋转角度，从某种程度上说也是将微小变化进行了放大，有利于提高测量精度。

按照x、y、z的顺序对物体进行相应角度的旋转，旋转矩阵可以写作：

$R=R_z{R}_y{R}_x=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_z& \sin {\mathrm{\θ}}_z& 0\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_z& \cos {\mathrm{\θ}}_z& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_y& 0& -\sin {\mathrm{\θ}}_y\\ 0& 1& 0\\ \sin {\mathrm{\θ}}_y& 0& \cos {\mathrm{\θ}}_y\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos {\mathrm{\θ}}_x& \sin {\mathrm{\θ}}_x\\ 0& -\sin {\mathrm{\θ}}_x& \cos {\mathrm{\θ}}_x\end{array}\right]$

②求解平移向量

初始位置的成像面与非反射的两光束的空间交点保持相对静止，在理想成像面建立的三维坐标系中，设光束交点坐标为l，两初始光点坐标为p₁、p₂，如图3所示。

对成像面进行已经求得的旋转变换R，并且假设未知的平移变换为T，那么在新的坐标系下，各点新坐标为：

L＝R(l-T)，P₁＝R(p₁-T)，P₂＝R(p₂-T)

于是，两光束可以分别表示为：

[L；L-P₁]＝[R(l-T)；R(l-p₁)]，[L；L-P₂]＝[R(l-T)；R(l-p₂)]

可以通过将所述两光束表达式与运动后的成像平面z＝0联立求解运动后光点坐标的表达式。再与通过图像处理获得的运动后光点中心坐标值联立获得4个方程，未知数为平移向量T中的三个元素，然后用最小二乘的参数拟合方法获取平移向量参数。

③以上得到的是成像平面相对于初始成像位置的运动，再运用理想成像平面与光源处物体之间相对静止的位置关系，进一步转换可以获得被测物体的相对运动。旋转角度可以通过分解R获得。

将上述过程用计算机软件实现，就可以求解三个旋转角度[ω_x ω_y ω_z]′以及三个平移分量[t_x t_y t_z]′，从而实现六自由度的位移测量。

因此，根据本发明的非接触六自由度测量装置具有结构简单、安装调整方便、可获得高测量精度的优点，可用于监测物体的微小六自由度位移。

虽然已经参照本发明的示例性实施例具体描述和显示了本发明，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种改变。

Claims (3)

1、一种非接触六自由度微位移测量装置，包括：

可动部分，被测物体与所述可动部分固定在一起；

固定不动部分；

三个面阵CCD，其中，第一面阵CCD和第二面阵CCD与可动部分固定在一起，第三面阵CCD与固定不动部分固定在一起；

三路激光输出结构，与固定不动部分固定在一起，并发射三束光束，分别被所述三个面阵CCD接收，

其中，当被测物体发生任意自由度的运动时，引起相应面阵CCD上光点的位置发生变化，根据被测物体运动前后所述光点位置的变化来计算被测物体的六自由度位移，

其中，三束光束中的一束光束入射到固定在可动部分上的平面反射镜上，被平面反射镜反射回来的光束由一个半透半反镜分光后被第三面阵CCD接收，根据第三面阵CCD上光点的位置变化来测量六自由度中的两个旋转角度分量，

其中，第一面阵CCD和第二面阵CCD与平面反射镜共面，并且三束光束中的另外两束光束的反向延长线交于一点，所述另外两束光束以一定角度对称入射到第一面阵CCD和第二面阵CCD上，根据第一面阵CCD和第二面阵CCD上的光点的位置变化来测量六自由度中的另外一个旋转角度分量以及三个平移分量。

2、根据权利要求1所述的非接触六自由度微位移测量装置，其特征是，所述三路激光输出结构采用一个半导体激光光源发射光束，所述光束经光纤耦合器分光后，由光纤传输并进行准直输出。

3、根据权利要求2所述的非接触六自由度微位移测量装置，其特征是，在根据所述三个面阵CCD上光点的位置变化计算出三个旋转角度分量之后，获得旋转矩阵，然后利用所述旋转矩阵，并结合在第一面阵CCD和第二面阵CCD上的光点的坐标，来计算所述三个平移分量。