CN107607041B - 一种用于转台六项几何误差测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于转台六项几何误差高效测量装置，该装置利用一个十二面棱镜，两个激光二极管组件和两个位置传感器组件测量转台的三个角度量误差(EAC，EBC，ECC)；利用一个标准球，一个激光干涉仪组件，一个激光二极管组件和两个位置传感器组件测量转台的三个位移量误差(EXC，EYC，EZC)。在测量的过程中，标准件套件同轴地固定在转台上，并且在转台的一次全周回转运动中，该测量装置能够将转台的六项几何误差一次性全部测量出来。本发明提供的转台六项几何误差高效测量装置能够有效地提高转台几何误差的测量效率。

Description

一种用于转台六项几何误差测量装置

技术领域

本发明涉及一种转台运动精度测量领域，尤其一种用于转台六项几何误差高效测量装置，属于转台测量技术领域。

背景技术

转台广泛应用于工业制造，精密测量等领域。转台的制造精度、装配精度以及控制精度会直接影响转台的运动精度。传统方法使用自准直仪，激光干涉仪，千分表，电感测微仪等组合***实现转台精度的检定。然而对于转台六项几何误差的测量，传动方法避免不了测量效率低的劣势。一种用于转台六项几何误差高效测量装置仅需要转台经过一次全周的回转运动就能够得到转台的六项几何误差，提高了测量效率。

发明内容

本发明的目的在于以高效率的形式测量转台的六项几何误差，提供了一种转台仅需要经过一次全周的回转运动就能够得到转台的六项几何误差的测量装置。

本发明采用的技术方案为一种用于转台六项几何误差高效测量装置，该测量装置分为两个部分，即三个角度量误差的测量结构和三个位移量误差的测量结构。三个角度量误差包括角定位误差ECC(ε_z)(angular position error)，绕X轴倾斜误差EAC(ε_x)(tiltmotion around X axis)和绕Y轴倾斜误差EBC(ε_y)(tilt motion around X axis)；三个位移量误差包括X轴方向径向跳动误差EXC(δ_x)(radial motion in X direction)，Y方向径向跳动误差EYC(δ_y)(radial motion in Y direction)和轴向跳动误差EZC(δ_z)(axialmotion)。

如图1所示，该测量装置中各部分光学元件的位置关系如下：

标准件套件作为整体直接固定安装在转台的台面上，标准件套件与转台一起作回转运动。支撑板的底部由三个支撑柱支撑，支撑柱的底部设有调节螺钉，通过调节螺钉调节支撑板的高度。支撑板上加工有一个直径为140mm的通孔，通孔用于标准件套件的穿过，标准件套件的轴线与通孔的轴线重合。第三激光二极管组件，第一透镜组件，第二透镜组件，第一棱镜组件，第二棱镜组件，第一位置传感器组件，第二位置传感器组件，第三位置传感器组件和第四位置传感器组件所使用的二维滑台相同。

在支撑板的上端面，各光学元件位置关系为：第一透镜组件的光轴和第二透镜组件的光轴相互垂直，两个光轴中心相交于标准件组件上标准球的球心。分别沿第一透镜组件和第二透镜组件的光轴方向，第一分光棱镜组件安装在第一透镜组件的外侧，第二分光棱镜组件安装在第二透镜组件的外侧。第三激光二极管组件安装在第一分光棱镜组件的外侧，激光干涉仪组件装在第二分光棱镜组件的外侧。第三激光二极管组件和激光干涉仪组件发出的激光束通过第一透镜组件和第二透镜组件的聚焦后，汇聚到标准球的球心。通过调节第一分光棱镜组件和第二分光棱镜组件的空间位置，使经过标准件套件反射回的激光束分别照射到相互垂直安装的第三位置传感器组件和第四位置传感器组件上。

第一透镜组件和第二透镜组件的结构组成相同，第一透镜组件包括二维滑台、调节架、支杆、透镜架以及透镜。透镜通过透镜架固定后安装在支杆上，将支杆***可调节高度的调节架上，再将调节架安装在二维滑台上。第一分光棱镜组件和第二分光棱镜组件的结构组成相同，第一分光棱镜组件包括二维滑台、调节架、支杆、棱镜架以及分光棱镜。分光棱镜通过棱镜架固定后安装在支杆上，将支杆***可调节高度的调节架上，再将调节架安装在二维滑台上。

第一位置传感器组件，第二位置传感器组件，第三位置传感器组件和第四位置传感器组件的结构组成相同，第一位置传感器组件包括二维滑台、位置传感器、滑台支架以及传感器支架。位置传感器通过传感器支架固定后安装在二维滑台上，再将二维滑台安装在滑台支架上。第三激光二极管组件用于调整和固定激光二极管，使激光二极管发出的激光束与第一透镜组件的光轴重合。激光干涉仪组件使用四个支柱支撑，结合调节激光干涉仪自身的微调螺栓使激光干涉仪组件发出的激光束与第二透镜组件的光轴重合。

在支撑板的下端面，各光学元件位置关系为：沿激光干涉仪组件发出的激光束方向，且分别在十二面棱镜的两侧安装第一激光二极管组件和第一位置传感器组件。沿第三激光二极管组件发出的激光束方向，且分别在十二面棱镜的两侧安装第二激光二极管组件和第二位置传感器组件。第一激光二极管组件和第二激光二极管组件用于调整和固定激光二极管，使第一激光二极管和第二激光二极管发出的激光束垂直照射到各自对应的十二面棱镜棱面上。调节第一位置传感器组件和第二位置传感器组件的位置，使分别透射过十二面棱镜的两束光束照射到第一位置传感器组件和第二位置传感器组件上。

如图2所示，标准件套件自上而下依次为标准球、标准球微调结构、第一二维滑台、十二面棱镜固定结构、第二二维滑台、垫块和垫板。标准球使用球度为40nm的标准球作为反射装置固定在标准球微调结构上。标准球微调结构可以实现竖直方向上的位移微调。调节第一二维滑台能够实现标准球在水平方向上的位移微调。十二面棱镜固定结构固定在第二二维滑台上，通过调节第二二维滑台能够实现十二面棱镜在水平方向上的位移微调。垫块用于保证标准球的球心位置足够高。垫板用于保持重心较高的标准件套件的位置稳定性。

如图3所示，标准球微调结构主要由以下若干部分组成，自上而下依次为标准球过度装置，标准球微调螺母和标准球底座。标准球过度装置和标准球微调螺母分别采用0.5mm细牙螺纹的外螺纹和内螺纹。标准球底座上开有用于安装导向螺栓的螺纹孔和用于减小压力的排气孔。

如图4所示，十二面棱镜固定结构自上而下依次为第一十二面棱镜固定装置，十二面棱镜和第二十二面棱镜固定装置。第一十二面棱镜固定装置和第二十二面棱镜固定装置用于固定十二面棱镜，同时方便与上下两侧的结构连接。分别在第一十二面棱镜固定装置和第二十二面棱镜固定装置的四个相对的面上开四个紧定螺纹孔，并使用树脂螺钉固定十二面棱镜。

如图5所示，第一激光二极管组件，第二激光二极管组件和第三激光二极管组件的结构组成相同，第一激光二极管组件包括激光二极管，调整板，固定板，水平位移微调螺栓，竖直位移微调螺栓和角度微调螺栓。水平位移微调螺栓和竖直位移微调螺栓将激光二极管固定在调整板上，同时可以调节激光二极管在水平和竖直两个方向上的位置。角度微调螺栓将调整板固定在固定板上，同时可以调节激光二极管俯仰和偏摆两个方向的角度位置。

附图说明

图1为一种用于转台六项几何误差高效测量装置示意图。

图2为标准件套件示意图。

图3为标准球微调结构示意图。

图4为十二面棱镜固定结构示意图。

图5为激光二极管组件示意图。

图6为角度量误差测量结构示意图。

图7为位移量误差测量结构示意图。

图中标记：1-第一透镜组件，2-第一分光棱镜组件，3-第三激光二极管组件，4-第二透镜组件，5-第二分光棱镜组件，6-第四位置传感器组件，7-激光干涉仪组件，8-第一位置传感器组件，9-第二位置传感器组件，10-第二激光二极管组件，11-第一激光二极管组件，12-标准件套件，13-第三位置传感器组件，14-支撑板，15-支撑柱，16-调节螺钉，17-转台，18-标准球，19-标准球微调结构，20-第一二维滑台，21-十二面棱镜固定结构，22-第二二维滑台，23-垫块，24-垫板，25-标准球过度装置，26-标准球微调螺母，27-标准球底座，28-螺纹孔，29-排气孔，30-连接螺纹孔，31-十二面棱镜，32-紧定螺纹孔，33-第二十二面棱镜固定装置，34-第一十二面棱镜固定装置，35-激光二极管，36-竖直位移微调螺栓，37-水平位移微调螺栓，38-角度微调螺栓，39-固定板，40-调整板，41-十二面棱镜组件。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施方式，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

如图1所示，在测量转台六项几何误差之前对测量装置的设置流程如下：将转台固定在工作台面上；将标准件套件放置在转台端面上，使标准件套件的轴线大致与转台轴线重合；将装有各个光学元件的支撑板穿过标准件套件通过支撑柱固定，使支撑板上直径为140mm的通孔轴线与标准件套件的轴线重合；调节第二二维滑台使十二面棱镜轴线与转台轴线重合。调节第一激光二极管组件和第一位置传感器组件使第一激光二极管组件发出的激光束在透射过十二面棱镜后照射到第一位置传感器组件的中心。调节第二激光二极管组件和第二位置传感器组件使第二激光二极管组件发出的激光束在透射过十二面棱镜后照射到第二位置传感器组件的中心；调节第二透镜组件的二维滑台和激光干涉仪组件的微调装置，使第二透镜组件的光轴通过标准球的球心，同时使透射过第二透镜组件的激光束汇聚到标准球的球心。激光干涉仪组件分别在转台0°，180°，90°，270°位置进行四次测量。调节第一二维滑台，观察激光干涉仪组件的读数，当激光干涉仪组件读数变化最小时，可判定标准球球心位于转台回转轴线上；调节第二透镜组件和第二分光棱镜的二维滑台，调节激光干涉仪组件的微调装置，使激光干涉仪组件发出的激光束在经过标准球反射后能够沿原路返回。调节第四位置传感器组件的二维滑台，使经过第二分光棱镜组件反射后的激光束能够照射到第四位置传感器组件的位置传感器的中心；调节第一透镜组件和第一分光棱镜的二维滑台，调节第三激光二极管组件的微调装置，使第三激光二极管组件发出的激光束在经过标准球反射后能够沿原路返回。调节第三位置传感器的二维滑台，使经过第一分光棱镜组件反射后的激光束能够照射到第三位置传感器的中心。

如图6所示，转台的三项角度量几何误差测量流程如下：

以十二面棱镜的中心O为坐标原点，指向第一激光二极管组件方向为X轴，指向第二激光二极管组件方向为Y轴，垂直十二面棱镜端面向上方向为Z轴。当转台回转θ角后，由于六项几何误差EAC(ε_x)，EBC(ε_y)，ECC(ε_z)，EXC(δ_x)，EYC(δ_y)和EZC(δ_z)的存在，导致坐标系XYZ的位置发生变化。在六项几何误差中，当角度量误差EAC(ε_x)，EBC(ε_y)和ECC(ε_z)均为零时，即只存在位移量误差EXC(δ_x)，EYC(δ_y)和EZC(δ_z)时，第一位置传感器组件和第二位置传感器组件的信号不发生变化。因此，通过十二面棱镜，两个激光二极管组件和两个位置传感器组件能够将三个角度量误差EAC(ε_x)，EBC(ε_y)和ECC(ε_z)完全分离出来。

如图7所示，转台的三项位移量几何误差测量流程如下：

以标准球的球心O为坐标原点，指向激光干涉仪组件方向为X轴，指向第三激光二极管组件方向为Y轴，沿标准件套件轴线方向向上方向为Z轴。当转台回转θ角后，由于六项几何误差EAC(ε_x)，EBC(ε_y)，ECC(ε_z)，EXC(δ_x)，EYC(δ_y)和EZC(δ_z)的存在，导致坐标系XYZ的位置发生变化。第三位置传感器和第四位置传感器的信号是三项角度量误差和三项位移量误差综合影响的结果。根据几何关系，利用已经测得的三个角度量误差EAC(ε_x)，EBC(ε_y)和ECC(ε_z)来计算三个位移量误差EXC(δ_x)，EYC(δ_y)和EZC(δ_z)。

通过使用一种用于转台六项几何误差高效测量装置，能够实现较高效率地测量转台的各项几何误差。

对所公开实施案例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明，对本实施案例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的。本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施案例中体现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施案例，而是要求符合本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种用于转台六项几何误差测量装置，其特征在于：该测量装置分为两个部分，即三个角度量误差的测量结构和三个位移量误差的测量结构；三个角度量误差包括角定位误差ECC，绕X轴倾斜误差EAC和绕Y轴倾斜误差EBC；三个位移量误差包括X轴方向径向跳动误差EXC，Y方向径向跳动误差EYC和轴向跳动误差EZC；

各部分光学元件的位置关系如下：

标准件套件作为整体直接固定安装在转台的台面上，标准件套件与转台一起作回转运动；支撑板的底部由三个支撑柱支撑，支撑柱的底部设有调节螺钉，通过调节螺钉调节支撑板的高度；支撑板上加工有一个通孔，通孔用于标准件套件的穿过，标准件套件的轴线与通孔的轴线重合；第三激光二极管组件，第一透镜组件，第二透镜组件，第一棱镜组件，第二棱镜组件，第一位置传感器组件，第二位置传感器组件，第三位置传感器组件和第四位置传感器组件所使用的二维滑台相同；

第一透镜组件的光轴和第二透镜组件的光轴相互垂直，两个光轴中心相交于标准件组件上标准球的球心；分别沿第一透镜组件和第二透镜组件的光轴方向，第一分光棱镜组件安装在第一透镜组件的外侧，第二分光棱镜组件安装在第二透镜组件的外侧；第三激光二极管组件安装在第一分光棱镜组件的外侧，激光干涉仪组件装在第二分光棱镜组件的外侧；第三激光二极管组件和激光干涉仪组件发出的激光束通过第一透镜组件和第二透镜组件的聚焦后，汇聚到标准球的球心；通过调节第一分光棱镜组件和第二分光棱镜组件的空间位置，使经过标准件套件反射回的激光束分别照射到相互垂直安装的第三位置传感器组件和第四位置传感器组件上；第一透镜组件和第二透镜组件的结构组成相同，第一透镜组件包括二维滑台、调节架、支杆、透镜架以及透镜；透镜通过透镜架固定后安装在支杆上，将支杆***可调节高度的调节架上，再将调节架安装在二维滑台上；第一分光棱镜组件和第二分光棱镜组件的结构组成相同，第一分光棱镜组件包括二维滑台、调节架、支杆、棱镜架以及分光棱镜；分光棱镜通过棱镜架固定后安装在支杆上，将支杆***可调节高度的调节架上，再将调节架安装在二维滑台上；第一位置传感器组件，第二位置传感器组件，第三位置传感器组件和第四位置传感器组件的结构组成相同，第一位置传感器组件包括二维滑台、位置传感器、滑台支架以及传感器支架；位置传感器通过传感器支架固定后安装在二维滑台上，再将二维滑台安装在滑台支架上；第三激光二极管组件用于调整和固定激光二极管，使激光二极管发出的激光束与第一透镜组件的光轴重合；激光干涉仪组件使用四个支柱支撑，结合调节激光干涉仪自身的微调螺栓使激光干涉仪组件发出的激光束与第二透镜组件的光轴重合；

沿激光干涉仪组件发出的激光束方向，且分别在十二面棱镜的两侧安装第一激光二极管组件和第一位置传感器组件；沿第三激光二极管组件发出的激光束方向，且分别在十二面棱镜的两侧安装第二激光二极管组件和第二位置传感器组件；第一激光二极管组件和第二激光二极管组件用于调整和固定激光二极管，使第一激光二极管和第二激光二极管发出的激光束垂直照射到各自对应的十二面棱镜棱面上；调节第一位置传感器组件和第二位置传感器组件的位置，使分别透射过十二面棱镜的两束光束照射到第一位置传感器组件和第二位置传感器组件上。

2.根据权利要求1所述的一种用于转台六项几何误差测量装置，其特征在于：

标准件套件自上而下依次为标准球、标准球微调结构、第一二维滑台、十二面棱镜固定结构、第二二维滑台、垫块和垫板；标准球使用球度为40nm的标准球作为反射装置固定在标准球微调结构上；标准球微调结构可以实现竖直方向上的位移微调；调节第一二维滑台能够实现标准球在水平方向上的位移微调；十二面棱镜固定结构固定在第二二维滑台上，通过调节第二二维滑台能够实现十二面棱镜在水平方向上的位移微调；垫块用于保证标准球的球心位置足够高；垫板用于保持重心较高的标准件套件的位置稳定性。

3.根据权利要求1所述的一种用于转台六项几何误差测量装置，其特征在于：

十二面棱镜固定结构自上而下依次为第一十二面棱镜固定装置，十二面棱镜和第二十二面棱镜固定装置；第一十二面棱镜固定装置和第二十二面棱镜固定装置用于固定十二面棱镜，同时方便与上下两侧的结构连接；分别在第一十二面棱镜固定装置和第二十二面棱镜固定装置的四个相对的面上开四个紧定螺纹孔，并使用树脂螺钉固定十二面棱镜。

4.根据权利要求1所述的一种用于转台六项几何误差测量装置，其特征在于：

第一激光二极管组件，第二激光二极管组件和第三激光二极管组件的结构组成相同，第一激光二极管组件包括激光二极管，调整板，固定板，水平位移微调螺栓，竖直位移微调螺栓和角度微调螺栓；水平位移微调螺栓和竖直位移微调螺栓将激光二极管固定在调整板上，同时可以调节激光二极管在水平和竖直两个方向上的位置；角度微调螺栓将调整板固定在固定板上，同时调节激光二极管俯仰和偏摆两个方向的角度位置。