CN101797702B - 激光角度干涉仪测量数控转台位置精度的装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明为激光角度干涉仪测量数控转台位置精度的装置，解决已有装置结构复杂，对反射镜常数校正费时、费力的问题。主轴(22)与连接盘(21)固连，轴承座(8)与被测数控转台固连，与吸合圆盘(16)连接，与盘齿轮(18)固连，电磁铁(6)与连接盘(21)固连，与吸合圆盘(16)相对，步进电机座(19)与连接盘(21)固连，步进电机(5)的轴端与齿轮(17)固连，齿轮(17)与盘齿轮(18)啮合，角度反射镜(3)与连接盘(21)固连，激光头(1)发出的激光束经角度干涉模块(2)分成两路分别射向角度反射镜(3)，角度反射镜(3)返回的光束经角度干涉模块(2)射向激光头(1)，其信号经控制电箱(11)再送计算机(12)并转换为角度值，接收器(9)与计算机(12)连接，计算机(12)与控制电箱(11)连接，控制电箱(11)与步进电机(5)和电磁铁(6)连接。

Description

激光角度干涉仪测量数控转台位置精度的装置及其测量方法

技术领域：

本发明为采用激光角度干涉仪测量数控转台位置精度的装置，是激光角度干涉仪的扩展应用，用于检测数控机床数控转台的位置精度。 

背景技术：

激光角度干涉仪测量原理如图1，激光头1发出的激光束在角度干涉模块2中分为两路，分别射向角度反射镜3中的两个角偶棱镜，当角度反射镜从原始位置E转动到F位置时，对应转角为α，两个角偶棱镜的激光束光程发生δ变化，角度反射镜的旋转角α可由下式求出： 

α＝arcsin(δ/A) 

上式为激光角度干涉仪测量公式。A为角度反射镜常数，是两个角偶棱镜锥尖的距离，激光角度干涉仪测得光程差δ，按照上式计算出角度值α。 

用激光角度干涉仪不能测量数控转台，原因如下： 

1、测量范围小：因为(1)在反正弦函数中，角度增大时曲率趋于平缓，测量的分辨率降低；(2)随着测量角度增大激光束的偏离也加大，当测量角度增大到激光束脱离角度反射镜时，激光角度干涉仪不能正常工作。一般激光角度干涉仪的量程小于±10°。 

2、角度反射镜常数A的误差会引起较大测量误差，如图2所示，由于角度反射镜常数A的误差(对应图2曲线1和2)，使相同的光程变化δ得到不同的角度测量结果α₁和α₂。 

将上式微分得： 

$\mathrm{d\α}=\frac{-\mathrm{\δdA}}{A\sqrt{A^2-{\mathrm{\δ}}^2}}\≈\frac{-\mathrm{\αdA}}{A}$

设A＝30mm，可以计算在α＝10°时，如果角度反射镜常数A的误差为dA＝0.1mm，则造成测量误差为dα＝120″。 

角度反射镜的加工和装配精度、安装和使用现场温度等都会影响角度反射镜常数A值的变化，因此在测量中此项误差影响是不可忽视的。 

用激光角度干涉仪测量数控转台位置精度需要解决两个问题：一是扩大量程， 能够完成多圈整周检测；二是每次测量前校准角度反射镜常数A以提高测量精度。 

英国Renishaw公司采用多齿分度台与激光角度干涉仪结合的方法开发了测量数控转台位置精度的附件，测量前运行专用程序校准角度反射镜常数A，在测量过程中，采用角度反射镜与上齿盘一起相对于被测数控转台相反方向同速转动的方法将量程无限扩大，但是由于多齿分度台的上齿盘连同角度反射镜需要上下移动，使得安装对光困难，且结构复杂，制造成本较高。 

有关用激光角度干涉仪测量数控转台位置精度的方法成都工具研究所已申报两项专利： 

“带有标准角度转台的激光角度干涉测量***及其测量方法”，公开(公告)号：CN101236076； 

“台面不升降的多齿分度台装置”，公开(公告)号：CN101561265。 

前者提出用标准角度作为校正反射镜常数A的方法，省去了多齿分度台；后者提出了台面不升降的多齿分度台，解决了由于上齿盘上下移动造成的安装对光困难。但两个专利提出的方法均需在测量前对反射镜常数A进行校正，费时费力。 

发明内容：

本发明的目的是提出采用全圆误差封闭原理，有效解决了角度反射镜常数A的即时校准问题的激光角度干涉仪测量数控转台位置精度的装置。 

本发明是这样实现的： 

本发明激光角度干涉仪测量数控转台位置精度的装置，主轴22与连接盘21固连，主轴22位于轴承座8的轴承30内，主轴22与被测数控转台10同心，轴承座8与被测数控转台10固连，与吸合圆盘16连接，与盘齿轮18固连，电磁铁6与连接盘21固连，与吸合圆盘16相对，步进电机座19与连接盘21固连，步进电机5的轴端与齿轮17固连，齿轮17与盘齿轮18啮合，角度反射镜3与连接盘21固连，连接盘21通过限位螺钉32与轴承座8连接，激光头1和角度干涉模块2位置固定，激光头1发出的激光束经角度干涉模块2分成两路分别射向角度反射镜3，角度反射镜3返回光束经角度干涉模块2射向激光头1，其信号经控制电箱11再送计算机12并转换为角度值，激光光源7固定于轴承座8，接收器9安装于固定位置并对准激光光源7，接收器9的输出与计算机12连接，计算机12的输出与控制电箱11连接，控制电箱11与步进电机5和电磁铁6连接。 

吸合圆盘16与薄圆片15固连，薄圆片15与轴承座8固连。 

垫套13与轴承座8固连，对中盘29与垫套13连接，对中盘29的定位外圆位于被测数控转台10回转中心的孔中，主轴22与该孔同心。 

装置测量数控转台位置精度，其测量过程如下： 

根据数控机床的检测标准GB-17421.2-2000规定，对数控转台位置精度检测需要按照一定的间隔在整周中顺、逆时针方向测量数周。 

设测量m周，检测间隔Δ，则在每周中的检测次数为n＝360/Δ，按顺时针方向测量过程如下。 

(1)将由角度反射镜3、主轴系4、轴承座8、步进电机5、电磁铁6、激光光源7等构成的测量装置固定于被测数控转台10上，使被测数控转台10与测量装置的主轴同轴； 

(2)在固定位置安装接收器9，使被测数控转台10旋转时，激光光源7发出的光束能够扫过接收器9； 

(3)安装激光头1、角度干涉模块2，转动主轴系4，使角度反射镜3的表面与入射激光束垂直，计算机12清零； 

(4)测量开始，电磁铁6松开主轴系4，步进电机5控制主轴系4逆时针旋转Δ/2； 

(5)电磁铁6再将主轴系4与轴承座8锁死，计算机12记下角度读数a(1，1)； 

(6)被测数控转台10顺时针旋转Δ，计算机12记下角度读数b(1，1)； 

(7)电磁铁6将主轴4与轴承座8松开，由步进电机5控制主轴4逆时针旋转Δ； 

(8)重复(5)-(7)步骤n次，计算机12记下第1圈测量角度值a(1，n)和b(1，n)，完成第1圈测量； 

(9)在第1圈测量中，激光光源7发出的光束扫过接收器9时产生一个整圆周脉冲信号采样相对于该检测间隔起始点a(1，n₀)的角度值c(1，1)。 

(10)重复(5)-(9)步骤m次，计算机12记下三维数组a(m，n)、b(m，n)和c(m，s)；测量完毕。 

(11)反时针方向测量按上述步骤(4)-(10)进行，只是旋转方向反向而已。 

其中m＝1…m，n＝1…n，s＝1…m-1， 

n₀为整圆周脉冲信号所在的检测间隔位置。 

在上述测量后，计算机12得到瞬时针、反时针两组三维数组： 

a(m，n)：在m周n间隔测量的起始点的角度值； 

b(m，n)：在m周n间隔测量的终止点的角度值； 

c(m，s)：在m周s间隔中，接收器9产生的整圆脉冲信号采样相对于该检测间隔起始点a(m，n₀)的角度值。 

(12)计算机进行数据处理，步骤如下： 

每个检测间隔Δ的测量值y(m，n)： 

y(m，n)＝b(m，n)-a(m，n)    (1) 

每两个相邻整圆周脉冲信号间的角度和z_s： 

$z_s=\underset{n_0+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}y(m,n-n_0)+\underset{1}{\overset{n_s}{\mathrm{\Σ}}}y(m+1,n_s-1)+y(m,n_0)-c(m,s)+c(m+1,s)---\left(2\right)$

其中n_s＝1…n₀。 

两个相邻整圆周脉冲信号间角度和的平均值z_s： 

$\stackrel{\‾}{z_s}=\frac{\underset{1}{\overset{s}{\mathrm{\Σ}}}{z}_s}{s}---\left(3\right)$

根据全圆误差封闭原理，计算角度校正系数β： 

β＝3600×360/z_s            (4) 

每个检测间隔Δ的误差值e(m，n)： 

e(m，n)＝y(m，n)×β-Δ     (5) 

整周测量中，各检测间隔相对于测量起始点的误差值δ(m，n)： 

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\δ}(m,n)=e(m,1)\\ \mathrm{\δ}(m,n)=\mathrm{\δ}(m,n-1)+e(m,n)\end{array}\right\}---\left(6\right)$

计算机(12)按照数控机床的检测标准GB-17421.2-2000的规定，算出被测数控转台(10)顺时针、反时针每圈整周测量各检测间隔相对于测量起始点的误差值δ(m，n)后，再按标准规定求出数控转台(10)的定位精度和重复定位精度。 

激光光源7可以安装在被测数控转台10旋转台面的任意位置。 

在测量过程中，初始测量位置为检测间隔的一半，即测量始点为Δ/2，使测量距离相对于激光角度干涉仪测量公式的原点对称。 

本发明的优点如下： 

本发明采用激光角度干涉仪测量数控转台位置精度的装置，测量时反射镜常数A即时校准，测量精度高，装置结构简单，并且量程没有限制。 

附图说明：

图1为激光角度干涉仪测量原理示意图。 

图2为角度反射镜常数A变化对测量的影响。 

图3为本发明的***图。 

图4为本明的主视图。 

图5为图4的右视图。 

具本实施方式： 

激光角度干涉仪测量数控转台的装置如图3所示。主轴系4和轴承座8间可以同轴相对旋转，激光头1和角度干涉模块2位置固定，由激光头1发出的激光束经角度干涉模块2分成两路分别射向角度反射镜3，角度反射镜3返回光束经角度干涉模块2射向激光头1，其信号经控制电箱(11)再送计算机(12)并转换为角度值。 

角度反射镜3安装于主轴系4上，主轴系4可以由步进电机5控制相对轴承座8同轴旋转，也可以由电磁铁6将其与轴承座8锁死，轴承座8与被测数控转台10固定。 

激光光源7固定于轴承座8，在测量时随轴承座8和被测数控转台10一起旋转； 

接收器9安装于固定位置，并对准激光光源7发出的光束，当激光光源7发出的光束扫过接收器9时，产生一个整圆脉冲信号； 

控制电箱11接收计算机12的信号，并控制步进电机5和电磁铁6； 

计算机12接收激光头1经控制电箱11的信号和接收器9的整圆脉冲信号，运算并显示测量结果。 

图4是本发明提出的采用激光角度干涉仪测量数控转台位置精度的测量装置主视图，图5是图4的右剖视图。由两个轴承30、轴承盖(一)14、轴承座8、主轴22、连接盘21、轴承盖(二)24、套26、套27及紧固螺钉组成测量装置的轴系。激光角度反射镜3用螺钉与连接板23连接后，再用螺钉将连接板23与连接盘21连接；步进电机5用螺钉与电机座19连接后，再用螺钉将电机座19与连接盘21固连，步进电机5的轴端用螺钉与齿轮17固连，齿轮17与用螺钉固连于轴承座8上的盘齿轮18啮合，步进电机5转动时，齿轮17被盘齿轮18反推，使主轴22旋转；磁铁座25与连接盘21固连，磁铁座25上用螺钉与电磁铁6连接，吸合圆盘16用螺钉及垫圈与薄圆片15固连后再用螺钉与轴承座8固连，电磁铁6与吸合圆盘16接触，电磁铁6通电时吸牢吸合圆盘16，使主轴22不能旋转，即角度反射镜3可与轴承座8同步旋转；垫套13用螺钉与轴承座8固连，对中盘29与垫套13连接，对中盘29的定位外圆放入被测数控转台10回转中心的孔中后，使测量装置轴系主轴22的回转中心与被测数控转台10的回转中心同轴，从而保证激光角度反射镜3旋转时必须与数控转台同轴的要求；激光光源7装入激光光源座33并用螺钉固定后，再用螺钉将激光光源座33与轴承座8固连，测量时，激光光源7始终保 持通电，光源发出的光束由安装在固定处的光源接收器9接收，产生一个整圆周脉冲信号并送计算机12，从而精确确定被测数控转台10转过的整周；轴承座8上用螺钉固连压脚28，以便轴承座8与被测数控转台10连接，使其同步旋转；插头座31用螺钉固牢在连接盘21上，控制步进电机5和电磁铁6的信号由此引入；连接盘21中的限位螺钉32用于限制主轴22的转动，测量前必须解除对主轴22旋转的限制；外罩20用螺钉与连接盘21连接，以保护测量装置。 

激光光源7也可以安装在被测数控转台10旋转台面的任意位置。 

测量过程： 

设测量m周，检测间隔Δ，则在每周中的检测次数为n＝360/Δ，按顺时针方向测量过程如下。 

(1)将测量装置(由角度反射镜3、主轴系4、轴承座8、步进电机5、电磁铁6、激光光源7等构成)固定于被测数控转台10上，被测数控转台10与测量装置的回转轴同轴； 

(2)在固定位置安装接受器9，使被测数控转台10旋转时，激光光源7发出的光束能够扫过接收器9； 

(3)安装激光头1、角度干涉模块2，转动主轴系4，使角度反射镜3的表面与入射激光束垂直，计算机12清零， 

(4)测量开始，电磁铁6松开主轴系4，步进电机5控制主轴系4逆时针旋转Δ/2； 

(5)电磁铁6再将主轴系4与轴承座8锁死，计算机12记下角度读数a(1，1)； 

(6)被测数控转台10顺时针旋转Δ，计算机12记下角度读数b(1，1)； 

(7)电磁铁6将主轴系4与轴承座8松开，由步进电机5控制主轴系4逆时针旋转Δ； 

(8)重复(5)-(7)步骤n次，计算机12记下第1圈测量角度值a(1，n)和b(1，n)，完成第1圈测量； 

(9)在第1圈测量中，激光光源7发出的光束扫过光源接收器9时产生一个整圆周脉冲信号采样相对于该检测间隔起始点a(1，n₀)的角度值c(1，1)。 

(10)重复(5)-(9)步骤m次，计算机12记下三维数组a(m，n)、b(m，n)和c(m，s)；测量完毕。 

(11)反时针方向测量按上述方法(4)-(10)进行，只是旋转方向反向而已。 

其中m＝1…m，n＝1…n，s＝1…m-1， 

n₀为整圆周脉冲信号所在的检测间隔位置。 

在上述测量后，计算机12得到瞬时针、反时针两组三维数组： 

a(m，n)：在m周n间隔测量的起始点的角度值； 

b(m，n)：在m周n间隔测量的终止点的角度值； 

c(m，s)：在m周s间隔中，接收器9产生的整圆脉冲信号采样相对于该检测间隔起始点a(m，n₀)的角度值。 

(12)计算机进行数据处理，计算公式： 

每个检测间隔Δ的测量值y(m，n)： 

y(m，n)＝b(m，n)-a(m，n)    (1) 

每两个相邻整圆周脉冲信号间的角度和z_s： 

$z_s=\underset{n_0+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}y(m,n-n_0)+\underset{1}{\overset{n_s}{\mathrm{\Σ}}}y(m+1,n_s-1)+y(m,n_0)-c(m,s)+c(m+1,s)---\left(2\right)$

其中n_s＝1…n₀。 

两个相邻整圆周脉冲信号间角度和的平均值z_s： 

$\stackrel{\‾}{z_s}=\frac{\underset{1}{\overset{s}{\mathrm{\Σ}}}{z}_s}{s}---\left(3\right)$

根据全圆误差封闭原理，计算角度校正系数β： 

β＝3600×360/z_s            (4) 

每个检测间隔Δ的误差值e(m，n)： 

e(m，n)＝y(m，n)×β-Δ     (5) 

整周测量中，各检测间隔相对于测量起始点的误差值δ(m，n)： 

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\δ}(m,n)=e(m,1)\\ \mathrm{\δ}(m,n)=\mathrm{\δ}(m,n-1)+e(m,n)\end{array}\right\}---\left(6\right)$

计算机(12)按照数控机床的检测标准GB-17421.2-2000的规定，算出被测数控转台(10)顺时针、反时针每圈整周测量各检测间隔相对于测量起始点的误差值δ(m，n)后，再按标准规定求出数控转台(10)的定位精度和重复定位精度。 

Claims (5)

1.激光角度干涉仪测量数控转台位置精度的装置，激光头(1)和角度干涉模块(2)位置固定，激光头(1)发出的激光束经角度干涉模块(2)分成两路分别射向角度反射镜(3)，角度反射镜(3)返回光束经角度干涉模块(2)射向激光头(1)，其信号经控制电箱(11)再送计算机(12)并转换为角度值，其特征在于主轴(22)与连接盘(21)固连，主轴(22)位于轴承座(8)的轴承(30)内，主轴(22)与被测数控转台同心，轴承座(8)与被测数控转台固连，轴承座与吸合圆盘(16)连接，轴承座与盘齿轮(18)固连，电磁铁(6)与连接盘(21)固连，电磁铁与吸合圆盘(16)相对，步进电机座(19)与连接盘(21)固连，步进电机(5)的轴端与齿轮(17)固连，齿轮(17)与盘齿轮(18)啮合，角度反射镜(3)与连接盘(21)固连，连接盘(21)通过限位螺钉(32)与轴承座(8)连接，激光光源(7)固定于轴承座(8)，接收器(9)安装于固定位置并对准激光光源(7)，接收器(9)与计算机(12)连接，计算机(12)与控制电箱(11)连接，控制电箱(11)与步进电机(5)和电磁铁(6)连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于垫套(13)与轴承座(8)固连，对中盘(29)与垫套(13)连接，对中盘(29)的定位外圆位于被测数控转台(10)回转中心的孔中，主轴(22)与该孔同轴。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于激光光源(7)可以安装在被测数控转台(10)旋转台面的任意位置。

4.根据权利要求1所述的装置测量数控转台位置精度的方法，其测量过程如下：根据数控机床的检测标准GB-17421.2-2000规定，对数控转台位置精度检测需要按照一定的间隔在整周中顺、逆时针方向测量数周；

设测量m周，检测间隔Δ，则在每周中的检测次数为n＝360°/Δ，按顺时针方向测量过程如下：

(1)将由角度反射镜(3)、主轴系(4)、轴承座(8)、步进电机(5)、电磁铁(6)、激光光源(7)构成的测量装置固定于被测数控转台(10)上，使被测数控转台(10)与测量装置的主轴同轴；

(2)在固定位置安装接收器(9)，使被测数控转台(10)旋转时，激光光源(7)发出的光束能够扫过接收器(9)；

(3)安装激光头(1)、角度干涉模块(2)，转动主轴系(4)，使角度反射镜(3)的表面与入射激光束垂直，计算机(12)清零；

(4)测量开始，电磁铁(6)松开主轴系(4)，步进电机(5)控制主轴系(4)逆时针旋转Δ/2；

(5)电磁铁(6)再将主轴系(4)与轴承座(8)锁死，计算机(12)记下角度读数a(1，1)；

(6)被测数控转台(10)顺时针旋转Δ，计算机(12)记下角度读数b(1，1)；

(7)电磁铁(6)松开主轴系(4)，由步进电机(5)控制主轴系(4)逆时针旋转Δ；

(8)重复步骤(5)-(7)n次，计算机(12)记下第1圈测量角度值a(1，n)和b(1，n)，完成第1圈测量；

(9)在第1圈测量中，激光光源(7)发出的光束扫过接收器(9)时产生一个整圆周脉冲信号采样相对于检测间隔起始点a(1，n₀)的角度值c(1，1)；

(10)重复步骤(5)-(9)m次，计算机(12)记下三维数组a(m，n)、b(m，n)和c(m，s)；顺时针方向测量完毕；

(11)反时针方向测量按上述步骤(4)-(10)进行，只是旋转方向反向而已；

其中m＝1…m，n＝1…360°/Δ，s＝1…m-1；

n₀为整圆周脉冲信号所在的检测间隔位置；

在上述测量后，计算机(12)得到顺时针、反时针两组三维数组：

a(m，n)：在m周n检测间隔测量起始点的角度值；

b(m，n)：在m周n检测间隔测量终止点的角度值；

c(m，s)：在m周s检测间隔中，接收器(9)产生的整圆周脉冲信号采样相对于该检测间隔起始点a(m，n₀)的角度值；

(12)计算机数据处理。

5.根据权利要求4所述方法，其计算机数据处理步骤如下：

每个检测间隔Δ的测量值y(m，n)：

y(m，n)＝b(m，n)-a(m，n)  (1)

每两个相邻整圆周脉冲信号间的角度和z_s：

$z_s=\underset{n_0+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}y(m,n-n_0)+\underset{1}{\overset{n_s}{\mathrm{\Σ}}}y(m+1,n_s-1)+y(m,n_0)-c(m,s)+c(m+1,s)---\left(2\right)$

其中n_s＝1…n₀，

两个相邻整圆周脉冲信号间角度和的平均值

$\stackrel{\‾}{z_s}=\frac{\underset{1}{\overset{s}{\mathrm{\Σ}}}{z}_s}{s}---\left(3\right)$

根据全圆误差封闭原理，计算角度校正系数β：

$\mathrm{\β}=3600\×360/\stackrel{\‾}{z_s}---\left(4\right)$

每个检测间隔Δ的误差值e(m，n)：

e(m，n)＝y(m，n)×β-Δ       (5)

整周测量中，各检测间隔相对于测量起始点的误差值δ(m，n)：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\δ}(m,n)=e(m,1)\\ \mathrm{\δ}(m,n)=\mathrm{\δ}(m,n-1)+e(m,n)\end{array}\right\}---\left(6\right)$

计算机(12)按照数控机床的检测标准GB-17421.2-2000的规定，算出被测数控转台(10)顺时针、反时针每圈整周测量各检测间隔相对于测量起始点的误差值δ(m，n)后，再按标准规定求出数控转台(10)的定位精度和重复定位精度。

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