CN116086361B - 用于大行程导轨的直线度测量装置及误差获取方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及导轨直线度测量技术领域，涉及一种用于大行程导轨的直线度测量装置及误差获取方法，装置包括导轨和滑动设置在所述导轨上的运动平台，其中，还包括多个沿所述导轨轴向拼接的平面反射镜，所述运动平台朝向所述平面反射镜的一侧设置有直线度测量机构，所述运动平台朝向所述平面反射镜的一侧设置有不重合的第一测试点位和第二测试点位，所述直线度测量机构用于和所述平面反射镜配合测量所述直线度测量机构在所述第一测试点位的第一距离和在所述第二测试点位的第二距离；所述直线度测量机构还用于根据所述第一距离和所述第二距离计算所述运动平台的偏摆角度误差。本发明具有成本低、安装简单和精度高的有益效果。

Description

用于大行程导轨的直线度测量装置及误差获取方法

技术领域

本申请涉及导轨直线度测量技术领域，具体而言，涉及一种用于大行程导轨的直线度测量装置及误差获取方法。

背景技术

现有的用于评估导轨直线度的测量***，一般可通过商用干涉仪测量（非实时）直线度，但这种方式所获得的直线度误差实时性不足；或利用激光器和平面反射镜来配合测量导轨的实时直线度。但是一些大行程运动平台例如大行程OLED喷墨打印机，其行程长度一般超过三米，若使用长平面反射镜，则会产生加工困难、价格高昂和安装固定易变形等问题，若使用商用干涉仪则实时性不足。另外，利用传统的直线度测量装置虽然能获取到运动平台的实时直线度误差，但是该实时直线度误差和运动平台的实际偏摆角度误差之间还存在差距，不够精确。

因此，急需一款用于大行程导轨的直线度测量装置，来解决上述长平面反射镜难以安装、成本过高和偏摆角度误差不够精确的技术问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种用于大行程导轨的直线度测量装置及误差获取方法，能够解决大长度反射镜成本高、安装困难和偏摆角度误差不够精确的技术问题。

一方面，本申请提供了一种用于大行程导轨的直线度测量装置，包括导轨和滑动设置在所述导轨上的运动平台，其中，还包括多个沿所述导轨轴向拼接的平面反射镜，所述运动平台朝向所述平面反射镜的一侧设置有直线度测量机构，所述运动平台朝向所述平面反射镜的一侧设置有不重合的第一测试点位和第二测试点位，所述第一测试点位和所述第二测试点位沿所述导轨轴向间隔设置，所述直线度测量机构用于和所述平面反射镜配合测量所述直线度测量机构在所述第一测试点位的第一距离和在所述第二测试点位的第二距离；所述直线度测量机构还用于根据所述第一距离和所述第二距离计算所述运动平台的偏摆角度误差。

本申请的用于大行程导轨的直线度测量装置，通过设置多块平面反射镜，并使多块平面反射镜沿导轨轴向依次拼接，替代了传统的大长度反射镜，能适应不同长度的导轨，解决了大长度反射镜成本高、安装困难的技术问题；并且利用直线度测量机构测量自身在两个不同的测试点位到平面反射镜的距离来计算运动平台的偏摆角度误差，可以提高精确度。

可选地，本申请提供的用于大行程导轨的直线度测量装置，所述直线度测量机构包括第一测量组件和第二测量组件，所述第一测量组件设置在所述第一测试点位上，所述第二测量组件设置在所述第二测试点位上，所述第一测量组件用于和所述平面反射镜配合测量所述第一距离，所述第二测量组件用于和所述平面反射镜配合测量所述第二距离。

通过这种设置方式，可实现在全程直线度测量过程中，直线度测量机构都持续输出测量结果及测量信号，保持测量的连续性。

可选地，本申请提供的用于大行程导轨的直线度测量装置，所述第一测量组件和所述第二测量组件均包括激光器、参考镜、干涉镜和1/4波片，所述激光器设置在所述运动平台朝向所述平面反射镜的一侧，所述激光器、所述干涉镜和所述1/4波片按逐渐靠近所述平面反射镜的顺序依次沿所述激光器的轴线设置，所述激光器用于发出发射光束，所述干涉镜用于把所述发射光束分解为反射光束和透射光束，所述参考镜用于将所述干涉镜的反射光束反射回所述干涉镜，以与穿过所述1/4波片并经所述平面反射镜反射，返回所述干涉镜的所述透射光束干涉，形成干涉光，所述激光器还用于接收所述干涉光。

可选地，本申请提供的用于大行程导轨的直线度测量装置，所述平面反射镜的中轴线、所述第一测量组件的测量光轴与所述第二测量组件的测量光轴均处于同一高度。

通过这种设置方式，可以减小阿贝误差，提高检测精度。

可选地，本申请提供的用于大行程导轨的直线度测量装置，所述运动平台上设置有微动台，所述微动台调节所述运动平台的位姿。

可选地，本申请提供的用于大行程导轨的直线度测量装置，还包括控制器，所述控制器分别和所述直线度测量机构以及所述微动台电性连接；所述控制器用于获取所述偏摆角度误差，根据所述偏摆角度误差对所述微动台进行运动控制，以调整所述运动平台的运动偏差。

在实际应用中，运动平台进行打印工作，直线度测量机构负责测量运动平台的偏摆角度误差，并将测量的偏摆角度误差传输到控制器中，控制器对直线度测量机构的测量信息进行实时处理，生成运动控制指令并发送到微动台，微动台根据相关指令进行相关角度及定位误差的补偿，对运动平台的位姿进行调节，通过这种方式可形成闭环控制***，实现高精度定位运动。

可选地，本申请提供的用于大行程导轨的直线度测量装置，所述平面反射镜的底部设置有调节机构，所述调节机构用于调节所述平面反射镜的高度和摆动角度。

可选地，本申请提供的用于大行程导轨的直线度测量装置，运动平台朝向导轨的底部设置有气浮块，气浮块用于驱动运动平台。

本申请提供的用于大行程导轨的直线度测量装置，通过设置多块平面反射镜，并使多块平面反射镜沿导轨轴向依次拼接，替代了传统的大长度反射镜，能适应不同长度的导轨，解决了大长度反射镜成本高、安装困难的技术问题；并且利用直线度测量机构测量自身在两个不同的测试点位到平面反射镜的距离来计算运动平台的偏摆角度误差，可以提高精确度。

另一方面，本申请还提供一种误差获取方法，其中，包括以下步骤：

S1.获取所述第一距离和所述第二距离；

S2.获取所述第一测试点位和所述第二测试点位之间的距离；

S3.根据所述第一距离、所述第二距离与所述第一测试点位和所述第二测试点位之间的距离计算所述运动平台的偏摆角度误差。

可选地，本申请提供的误差获取方法，步骤S3的计算公式如下：

；

其中，

表示所述运动平台的偏摆角度误差；/>

表示第一距离；/>

表示第二距离；/>

表示所述第一测试点位和所述第二测试点位之间的距离。

本申请提供的用于大行程导轨的直线度测量装置及误差获取方法，通过获取第一距离和第二距离；获取第一测试点位和所述第二测试点位之间的距离；根据第一距离、第二距离与第一测试点位和所述第二测试点位之间的距离计算运动平台的偏摆角度误差。可以及时获取运动平台的偏摆角度误差，方便后期对运动平台的位姿进行调节，实现高精度定位运动。

综上，本申请的用于大行程导轨的直线度测量装置及误差获取方法，装置通过设置多块平面反射镜，并使多块平面反射镜沿导轨轴向依次拼接，替代了传统的大长度反射镜，能适应不同长度的导轨，解决了大长度反射镜成本高、安装困难的技术问题；并且利用直线度测量机构测量自身在两个不同的测试点位到平面反射镜的距离来计算运动平台的偏摆角度误差，可以提高精确度；方法则可以及时获取运动平台的偏摆角度误差，方便后期对运动平台的位姿进行调节，实现高精度定位运动。

附图说明

图1为本申请提供的用于大行程导轨的直线度测量装置的结构示意图图。

图2为本申请提供的第一测量组件和第二测量组件的结构示意图。

图3为本申请提供的第一测量组件和第二测量组件移动过程的示意图。

标号说明：

100、导轨；200、运动平台；210、气浮块；220、微动台；300、平面反射镜；400、直线度测量机构；401、第一测量组件；402、第二测量组件；410、激光器；420、参考镜；430、干涉镜；440、1/4波片；500、控制器；600、调节机构。

具体实施方式

下面将结合本申请实施方式中附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施方式。基于本申请的实施方式，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参照图1，图1是本申请一些实施方式中的用于大行程导轨的直线度测量装置的结构图，包括导轨100和滑动设置在导轨100上的运动平台200，其中，还包括多个沿导轨100轴向拼接的平面反射镜300，运动平台200朝向平面反射镜300的一侧设置有直线度测量机构400，运动平台200朝向平面反射镜300的一侧设置有不重合的第一测试点位和第二测试点位，第一测试点位和第二测试点位沿导轨100轴向间隔设置，直线度测量机构400用于和平面反射镜300配合测量直线度测量机构400在第一测试点位的第一距离和在第二测试点位的第二距离；直线度测量机构400还用于根据第一距离和第二距离计算运动平台200的偏摆角度误差。

其中，平面反射镜300的数量和长度可以根据实际导轨100的长度进行设置。在本申请的实施例中，一共使用了三块平面反射镜300，三块平面反射镜300依次沿导轨100的长度方向拼接设置，最终拼接起来的三块平面反射镜300的总长度和导轨100的长度一致。

本申请的用于大行程导轨的直线度测量装置，通过设置多块平面反射镜300，并使多块平面反射镜300沿导轨100轴向依次拼接，替代了传统的大长度反射镜，能适应不同长度的导轨100，解决了大长度反射镜成本高、安装困难的技术问题；并且利用直线度测量机构400测量自身在两个不同的测试点位与平面反射镜300的实时距离来计算运动平台200的偏摆角度误差，可以提高精确度。

在实际应用中，若只使用单个激光器410，即单个测量组件测量导轨100的直线度，那么由于两平面反射镜300拼接处有间隙，此时存在无反射目标，那么当直线度测量机构400经过两平面反射镜300拼接处，测量光路会中断，影响实时测量结果。因此，第一测试点位和第二测试点位之间的距离应大于两平面反射镜300之间的间隙。

参阅图3，因此，在一些优选的实施方式中，直线度测量机构400包括第一测量组件401和第二测量组件402，第一测量组件401设置在第一测试点位上，第二测量组件402设置在第二测试点位上，第一测量组件401用于和平面反射镜300配合测量第一距离，第二测量组件402用于和平面反射镜300配合测量第二距离。在实际应用中，一开始在进行直线度测量时，第一测量组件401和第二测量组件402的测量反射镜同时为第一块平面反射镜300，随着运动平台200前进（参阅图3的虚线部分），第二测量组件402所对应的测量反射镜由第一块平面反射镜300切换成第二块平面反射镜300，此时第二测量组件402所对应的光信号与电信号在测量反射镜变换时会有中断，当光电信号中断时测量值会丢失，此时第一测量组件401还在连续测量，此时可通过编写现有的程序将第一测量组件401所对应的测量值，即第一距离所存放的寄存器对第二测量组件402所对应的寄存器进行赋值，此时即可将直线度测量连续；同理，当第一测量组件401所对应的测量反射镜由第一块平面反射镜300变成第二块平面反射镜300时，此时第二测量组件402的测量反射镜始终是第二块平面反射镜300，此时通过编写程序可以将第二测量组件402所对应的测量值，即第二距离所存放的寄存器对第一测量组件401所对应的寄存器进行赋值。通过这种设置方式，可实现在全程直线度测量过程中，直线度测量机构400都可持续输出测量结果及测量信号，保持测量的连续性。

在一些实施方式中，第一测量组件401和第二测量组件402均包括激光器410、参考镜420、干涉镜430和1/4波片440，激光器410设置在运动平台200朝向平面反射镜300的一侧，激光器410、干涉镜430和1/4波片440按逐渐靠***面反射镜300的顺序依次沿激光器410的轴线设置，激光器410用于发出发射光束，干涉镜430用于把发射光束分解为反射光束和透射光束，参考镜420用于将干涉镜430的反射光束反射回干涉镜430，以与穿过1/4波片440并经平面反射镜300反射，返回干涉镜430的透射光束干涉，形成干涉光，激光器410还用于接收干涉光。在实际应用中，第一测量组件401和第二测量组件402的基本原理是单频激光干涉测长，激光器410采用的是单频激光器配合迈克逊激光干涉光路结构，其工作原理如图2所示，激光由激光器410发出后入射至干涉镜430分成两束相互垂直的反射光束和透射光束。反射光束经过参考镜420,反射后回到干涉镜430处，另外一束透射光束经过测量镜1/4波片440和平面反射镜300,反射后回到干涉镜430处，两束光束在汇合并发生干涉，当平面反射镜300与干涉镜430的相对距离发生变化时，就会产生干涉条纹的明暗变化，经过信号处理后经计算机计算出干涉条纹的数量，从而计算出测量组件到平面反射镜300的距离。通过这种方式，可以计算出第一距离和第二距离。

在进一步的实施方式中，平面反射镜300的中轴线、第一测量组件401的测量光轴与第二测量组件402的测量光轴均处于同一高度。其中，平面反射镜300的中轴线是指经过该平面反射镜300的几何中心点的直线，该直线和运动平台200的运动方向平行。通过这种设置方式，可以减小阿贝误差，提高检测精度。其中，测量光轴是指第一测量组件401或第二测量组件402的激光器410发射出的激光所在的轴线。

在一些实施方式中，运动平台200上设置有微动台220，微动台220调节运动平台200的位姿。其中，微动台220为现有技术，可采用现有的六自由度微动台。通过设置微动台220，可以实现误差补偿和高精度运动。

在进一步的实施方式中，本申请的用于大行程导轨的直线度测量装置还包括控制器500，控制器500分别和直线度测量机构400以及微动台220电性连接；控制器500用于获取偏摆角度误差，根据偏摆角度误差对微动台220进行运动控制，以调整运动平台200的运动偏差。在实际应用中，运动平台200进行打印工作，直线度测量机构400负责测量运动平台200的偏摆角度误差，并将测量的实时偏摆角度误差传输到控制器500中，控制器500对直线度测量机构400的测量信息进行实时处理，生成运动控制指令并发送到微动台220，微动台220根据相关指令进行相关角度及定位误差的补偿，对运动平台200的位姿进行调节，通过这种方式可形成闭环控制***，实现高精度定位运动。

在实际应用中，平面反射镜300作为测量反射镜，是进行直线度测量的基准，所以调整平面反射镜300，保证多块平面反射镜300处于同一条直线，同时保证多块平面反射镜300与运动平台200运动方向保持平行，是进行直线度实时测量的关键。

因此在一些优选的实施方式中，平面反射镜300的底部设置有调节机构600，调节机构600用于调节平面反射镜300的高度和摆动角度。在实际应用中，各平面反射镜300的底部还设置有支架，调节机构600设置在支架的顶部，调节机构600上还设置有用于固定平面反射镜300的夹具。其中，调节机构600为现有技术，可以采用现有的精密调节基座，可实现多自由度的微米级调节。通过这种设置方式，可以方便精确调节平面反射镜300的高度和摆动角度，以使多块平面反射镜300与运动平台200运动方向保持平行，提高调节精度。其中，将与地面垂直的轴作为z轴，那么摆动角度代表绕z轴摆动的角度。

在一些实施方式中，运动平台200朝向导轨100的底部设置有气浮块210，气浮块210用于驱动运动平台200。其中，气浮块210为现有技术。气浮块210可和导轨100配合，负责运动平台200的移动，提高运动平台200的运动精度。

另一方面，本申请还提供一种误差获取方法，其中，包括以下步骤：

S1.获取第一距离和第二距离；

S2.获取第一测试点位和第二测试点位之间的距离；

S3.根据第一距离、第二距离与第一测试点位和第二测试点位之间的距离计算运动平台200的偏摆角度误差。

本申请提供的用于大行程导轨的直线度测量装置及误差获取方法，通过获取第一距离和第二距离；获取第一测试点位和第二测试点位之间的距离；根据第一距离、第二距离与第一测试点位和第二测试点位之间的距离计算运动平台200的偏摆角度误差。可以及时获取运动平台200的偏摆角度误差，方便后期对运动平台200的位姿进行调节，实现高精度定位运动。

步骤S1中，第一距离或者第二距离可通过以下公式进行计算：

；

其中，

代表测量组件到平面反射镜300的距离，当测量组件为第一测量组件401时，则是第一距离；当测量组件为第二测量组件402，则是第二距离；/>

代表干涉条纹数量；

代表当前测量环境折射率，可直接获取；/>

代表激光器410在当前测量环境中的波长，可直接获取。

其中，当平面反射镜300与干涉镜430的相对距离发生变化时，就会产生干涉条纹的明暗变化，直线度测量机构400中的光电检测单元检测出干涉条纹信息，从而建立位移和干涉条纹信息对应的线性关系，经过信号处理后经计算机计算出干涉条纹的数量。

步骤S2中，第一测试点位和第二测试点位之间的距离可通过现有的方式获取，例如测距仪或直接测量等。

步骤S3的计算公式如下：

；

其中，

表示运动平台200的偏摆角度误差；/>

表示第一距离；/>

表示第二距离；/>

表示第一测试点位和第二测试点位之间的距离。

通过这种方式，可以实时获取运动平台200的偏摆角度误差。

由上可知，本申请的用于大行程导轨的直线度测量装置及误差获取方法，装置通过设置多块平面反射镜300，并使多块平面反射镜300沿导轨100轴向依次拼接，替代了传统的大长度反射镜，能适应不同长度的导轨100，解决了大长度反射镜成本高、安装困难的技术问题；并且利用直线度测量机构400测量自身在两个不同的测试点位到平面反射镜300的距离来计算运动平台200的偏摆角度误差，可以提高精确度；方法通过获取第一距离和第二距离；获取第一测试点位和第二测试点位之间的距离；根据第一距离、第二距离与第一测试点位和第二测试点位之间的距离计算运动平台200的偏摆角度误差。可以及时获取运动平台200的偏摆角度误差，方便后期对运动平台200的位姿进行调节，实现高精度定位运动。

在本申请所提供的实施方式中，应该理解到，所揭露***和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的***实施方式仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，***或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

以上所述仅为本申请的实施方式而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于大行程导轨的直线度测量装置，包括导轨（100）和滑动设置在所述导轨（100）上的运动平台（200），其特征在于，还包括多个沿所述导轨（100）轴向拼接的平面反射镜（300），所述运动平台（200）朝向所述平面反射镜（300）的一侧设置有直线度测量机构（400），所述运动平台（200）朝向所述平面反射镜（300）的一侧设置有不重合的第一测试点位和第二测试点位，所述第一测试点位和所述第二测试点位沿所述导轨（100）轴向间隔设置，所述直线度测量机构（400）用于和所述平面反射镜（300）配合测量所述直线度测量机构（400）在所述第一测试点位的第一距离和在所述第二测试点位的第二距离；所述直线度测量机构（400）还用于根据所述第一距离和所述第二距离计算所述运动平台（200）的偏摆角度误差；

所述直线度测量机构（400）包括第一测量组件（401）和第二测量组件（402），所述第一测量组件（401）设置在所述第一测试点位上，所述第二测量组件（402）设置在所述第二测试点位上，所述第一测量组件（401）用于和所述平面反射镜（300）配合测量所述第一距离，所述第二测量组件（402）用于和所述平面反射镜（300）配合测量所述第二距离；

所述第一测量组件（401）和所述第二测量组件（402）均包括激光器（410）、参考镜（420）、干涉镜（430）和1/4波片（440），所述激光器（410）设置在所述运动平台（200）朝向所述平面反射镜（300）的一侧，所述激光器（410）、所述干涉镜（430）和所述1/4波片（440）按逐渐靠近所述平面反射镜（300）的顺序依次沿所述激光器（410）的轴线设置，所述激光器（410）用于发出发射光束，所述干涉镜（430）用于把所述发射光束分解为反射光束和透射光束，所述参考镜（420）用于将所述干涉镜（430）的反射光束反射回所述干涉镜（430），以与穿过所述1/4波片（440）并经所述平面反射镜（300）反射，返回所述干涉镜（430）的所述透射光束干涉，形成干涉光，所述激光器（410）还用于接收所述干涉光；

第一测试点位和第二测试点位之间的距离大于相邻两个平面反射镜（300）的间隙距离；

第二测量组件还用于在第一测量组件的光电信号中断时，根据所测量的第二距离得到第一距离；

第一测量组件还用于在第二测量组件的光电信号中断时，根据所测量的第一距离得到第二距离。

2.根据权利要求1所述的用于大行程导轨的直线度测量装置，其特征在于，所述平面反射镜（300）的中轴线、所述第一测量组件（401）的测量光轴与所述第二测量组件（402）的测量光轴均处于同一高度。

3.根据权利要求1所述的用于大行程导轨的直线度测量装置，其特征在于，所述运动平台（200）上设置有微动台（220），所述微动台（220）调节所述运动平台（200）的位姿。

4.根据权利要求3所述的用于大行程导轨的直线度测量装置，其特征在于，还包括控制器（500），所述控制器（500）分别和所述直线度测量机构（400）以及所述微动台（220）电性连接；所述控制器（500）用于获取所述偏摆角度误差，根据所述偏摆角度误差对所述微动台（220）进行运动控制，以调整所述运动平台（200）的运动偏差。

5.根据权利要求1所述的用于大行程导轨的直线度测量装置，其特征在于，所述平面反射镜（300）的底部设置有调节机构（600），所述调节机构（600）用于调节所述平面反射镜（300）的高度和摆动角度。

6.根据权利要求1所述的用于大行程导轨的直线度测量装置，其特征在于，所述运动平台（200）的底部设置有气浮块（210），所述气浮块（210）用于驱动所述运动平台（200）。

7.一种误差获取方法，用于权利要求1-6任一项所述的用于大行程导轨的直线度测量装置，其特征在于，包括以下步骤：

S1.获取所述第一距离和所述第二距离；

S2.获取所述第一测试点位和所述第二测试点位之间的距离；

S3.根据所述第一距离、所述第二距离与所述第一测试点位和所述第二测试点位之间的距离计算所述运动平台（200）的偏摆角度误差；

步骤S1中的具体步骤包括：

在第一测量组件的光电信号丢失时，第二测量组件根据所测量的第二距离得到第一距离；

在第二测量组件的光电信号丢失时，第一测量组件根据所测量的第一距离得到第二距离；

第一距离和第二距离通过以下公式计算：

；

其中，

为测量组件到平面反射镜的距离，/>

为干涉条纹数量，/>

为当前测量环境的折射率，/>

为激光器在当前测量环境中的波长。

8.根据权利要求7所述的误差获取方法，其特征在于，步骤S3的计算公式如下：

；

其中，

表示所述运动平台（200）的偏摆角度误差；/>

表示第一距离；/>

表示第二距离；/>

表示所述第一测试点位和所述第二测试点位之间的距离。

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