本發(fā)明涉及一種位移測(cè)量方法，特別是一種基于曲面基準(zhǔn)件的二維位移測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

目前使用較為廣泛的機(jī)床誤差檢測(cè)儀器有激光干涉儀和球桿儀，由于自身檢測(cè)原理上的因素，這些儀器在應(yīng)用于多軸數(shù)控機(jī)床的誤差檢測(cè)中存在各自的不足：如激光干涉儀調(diào)整復(fù)雜，一次測(cè)量只能獲得一個(gè)參數(shù)，操作要求高，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、快速化，并且價(jià)格昂貴，一般企業(yè)不具備；球桿儀無法隨意規(guī)劃測(cè)量路徑，為旋轉(zhuǎn)軸誤差辨識(shí)的測(cè)量步驟設(shè)計(jì)和理論解耦算法研究增加了難度，且球桿儀以磁力座配合精密球進(jìn)行接觸式測(cè)量，需要在低速下運(yùn)動(dòng)以保證測(cè)量精度，很難適應(yīng)快速化趨勢(shì)。

多軸數(shù)控機(jī)床的幾何誤差檢測(cè)項(xiàng)目主要包括運(yùn)動(dòng)軸的角度誤差、定位誤差、直線度誤差、垂直度誤差等，為了檢測(cè)運(yùn)動(dòng)軸的上述誤差量，提出了一種基于曲面基準(zhǔn)件的二維位移測(cè)量方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題而提供一種基于曲面基準(zhǔn)件的二維位移測(cè)量方法，采用該方法一次測(cè)量可以同時(shí)獲得運(yùn)動(dòng)部件兩個(gè)方向的位移。

本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：一種基于曲面基準(zhǔn)件的二維位移測(cè)量方法，在沿z軸設(shè)置的運(yùn)動(dòng)部件上安裝光學(xué)測(cè)頭，在與z軸垂直的平臺(tái)上卡固曲面基準(zhǔn)件，在所述曲面基準(zhǔn)件上設(shè)有曲面陣列，運(yùn)動(dòng)部件位于所述曲面基準(zhǔn)件的上方；所述光學(xué)測(cè)頭包括激光器、孔徑光闌、反射鏡、分光棱鏡、成像透鏡、ccd相機(jī)以及數(shù)據(jù)處理模塊，所述激光器發(fā)出的準(zhǔn)直光束經(jīng)所述孔徑光闌縮成細(xì)直光束，細(xì)直光束經(jīng)所述反射鏡后入射到所述分光棱鏡中，1/2能量的反射光束投射到曲面陣列上的任意一點(diǎn)，該點(diǎn)反射的光束經(jīng)所述分光棱鏡透射后，通過所述成像透鏡成像在所述ccd相機(jī)上；采用所述光學(xué)測(cè)頭和所述曲面基準(zhǔn)件測(cè)量運(yùn)動(dòng)部件在x、y兩個(gè)方向上的位移，具體步驟如下：1)通過標(biāo)定得出光學(xué)測(cè)頭的光軸在ccd相機(jī)中的位置坐標(biāo)o(x0，y0)，調(diào)整所述光學(xué)測(cè)頭的光束和所述曲面基準(zhǔn)件上的曲面中心線平行；2)運(yùn)動(dòng)部件帶動(dòng)光學(xué)測(cè)頭沿左右方向平移到第一位置ai處，此時(shí)曲面陣列上對(duì)應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)為a1(x1，y1，z1)，所述數(shù)據(jù)處理模塊按照以下步驟進(jìn)行數(shù)據(jù)處理：2.1)獲取ccd相機(jī)中成像光斑中心位置坐標(biāo)a1′(x1′，y1′)；2.2)將步驟2.1)中的光斑中心位置坐標(biāo)a1′(x1′，y1′)轉(zhuǎn)換為光斑中心距離光軸的距離s1x、s1y；2.3)計(jì)算測(cè)量點(diǎn)a1斜率對(duì)應(yīng)的角度：ξx＝arctan(s1x/f)/2，ξy＝arctan(s1y/f)/2，其中：ξx代表測(cè)量點(diǎn)a1在xoz平面內(nèi)的切線與x軸方向的夾角；ξy代表測(cè)量點(diǎn)a1在yoz平面內(nèi)的切線與y軸方向的夾角；f代表成像透鏡的焦距；2.4)計(jì)算測(cè)量點(diǎn)a1(x1，y1，z1)的坐標(biāo)：x1＝g(ξx)，y1＝g(ξy)，其中：g(x)代表一元函數(shù)；3)運(yùn)動(dòng)部件帶動(dòng)光學(xué)測(cè)頭沿左右方向平移到第二位置aii處，此時(shí)曲面陣列上對(duì)應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)為a2(x2，y2，z2)，數(shù)據(jù)處理過程同步驟2)，測(cè)量點(diǎn)a2(x2，y2，z2)的坐標(biāo)為：x2＝g(φx)，y2＝g(φy)，其中：φx代表測(cè)量點(diǎn)a2在xoz平面內(nèi)的切線與x軸方向的夾角；φy代表測(cè)量點(diǎn)a2在yoz平面內(nèi)的切線與y軸方向的夾角；4)數(shù)據(jù)處理模塊計(jì)算運(yùn)動(dòng)部件在x、y兩個(gè)方向上的位移：m＝g(φx)-g(ξx)+p，n＝g(φy)-g(ξy)+q，其中：m代表運(yùn)動(dòng)部件在x方向的位移；n代表運(yùn)動(dòng)部件在y方向的位移；p代表第i個(gè)曲面和第j個(gè)曲面的中心線在x方向的距離；q代表第i個(gè)曲面和第j個(gè)曲面的中心線在y方向的距離。

本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：基于光學(xué)曲面制造技術(shù)，利用曲面上點(diǎn)的坐標(biāo)與其所在的切線的夾角的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用該方法一次測(cè)量可以同時(shí)獲得運(yùn)動(dòng)部件兩個(gè)方向的位移，效率高，精度高，體積小，便于攜帶，成本低，操作簡單，為機(jī)床誤差檢測(cè)與辨識(shí)提供了新的思路。

附圖說明

圖1為本發(fā)明應(yīng)用的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明應(yīng)用的光路圖。

圖中：1、光學(xué)測(cè)頭；1-1、激光器；1-2、孔徑光闌；1-3、反射鏡；1-4、分光棱鏡；1-5、成像透鏡；1-6、ccd相機(jī)；2、曲面基準(zhǔn)件，2-1、曲面。

具體實(shí)施方式

為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容、特點(diǎn)及功效，茲例舉以下實(shí)施例，并配合附圖詳細(xì)說明如下：

請(qǐng)參閱圖1和圖2，一種基于曲面基準(zhǔn)件的二維位移測(cè)量方法，在沿z軸設(shè)置的運(yùn)動(dòng)部件上安裝光學(xué)測(cè)頭1，在與z軸垂直的平臺(tái)上卡固曲面基準(zhǔn)件2，在所述曲面基準(zhǔn)件2上設(shè)有曲面2-1的陣列，運(yùn)動(dòng)部件位于所述曲面基準(zhǔn)件2的上方。

所述光學(xué)測(cè)頭1包括激光器1-1、孔徑光闌1-2、反射鏡1-3、分光棱鏡1-4、成像透鏡1-5、ccd相機(jī)1-6以及數(shù)據(jù)處理模塊，所述激光器1-1發(fā)出的準(zhǔn)直光束經(jīng)所述孔徑光闌1-2縮成細(xì)直光束，細(xì)直光束經(jīng)所述反射鏡1-3后入射到所述分光棱鏡1-4中，1/2能量的反射光束投射到曲面陣列上的任意一點(diǎn)，該點(diǎn)反射的光束經(jīng)所述分光棱鏡1-4透射后，通過所述成像透鏡1-5成像在所述ccd相機(jī)1-6上。

采用所述光學(xué)測(cè)頭1和所述曲面基準(zhǔn)件2測(cè)量運(yùn)動(dòng)部件在x、y兩個(gè)方向上的位移，具體步驟如下：

1)通過標(biāo)定得出所述光學(xué)測(cè)頭1的光軸在所述ccd相機(jī)中1-6的位置坐標(biāo)o(x0，y0)，調(diào)整所述光學(xué)測(cè)頭1的光束和所述曲面基準(zhǔn)件2上的曲面2-1中心線平行；

2)運(yùn)動(dòng)部件帶動(dòng)光學(xué)測(cè)頭1沿左右方向平移到第一位置ai處，此時(shí)曲面陣列上對(duì)應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)為a1(x1，y1，z1)，所述數(shù)據(jù)處理模塊按照以下步驟進(jìn)行數(shù)據(jù)處理：

2.1)獲取ccd相機(jī)中成像光斑中心位置坐標(biāo)a1′(x1′，y1′)；

2.2)將步驟2.1)中的光斑中心位置坐標(biāo)a1′(x1′，y1′)轉(zhuǎn)換為光斑中心距離光軸的距離s1x、s1y；

2.3)計(jì)算測(cè)量點(diǎn)a1斜率對(duì)應(yīng)的角度：

ξx＝arctan(s1x/f)/2(1)

ξy＝arctan(s1y/f)/2(2)

其中：ξx代表測(cè)量點(diǎn)a1在xoz平面內(nèi)的切線與x軸方向的夾角；

ξy代表測(cè)量點(diǎn)a1在yoz平面內(nèi)的切線與y軸方向的夾角；

f代表成像透鏡的焦距；

2.4)計(jì)算測(cè)量點(diǎn)a1(x1，y1，z1)的坐標(biāo)：

x1＝g(ξx)(3)

y1＝g(ξy)(4)

其中：g(x)代表一元函數(shù)。

3)運(yùn)動(dòng)部件帶動(dòng)光學(xué)測(cè)頭沿左右方向平移到第二位置aii處，此時(shí)曲面陣列上對(duì)應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)為a2(x2，y2，z2)，數(shù)據(jù)處理過程同步驟2)，測(cè)量點(diǎn)a2(x2，y2，z2)的坐標(biāo)為：

x2＝g(φx)(5)

y2＝g(φy)(6)

其中：φx代表測(cè)量點(diǎn)a2在xoz平面內(nèi)的切線與x軸方向的夾角；

φy代表測(cè)量點(diǎn)a2在yoz平面內(nèi)的切線與y軸方向的夾角。

4)數(shù)據(jù)處理模塊計(jì)算運(yùn)動(dòng)部件在x、y兩個(gè)方向上的位移：

m＝g(φx)-g(ξx)+p(7)

n＝g(φy)-g(ξy)+q(8)

其中：m代表運(yùn)動(dòng)部件在x方向的位移；

n代表運(yùn)動(dòng)部件在y方向的位移；

p代表第i個(gè)曲面和第j個(gè)曲面的中心線在x方向的距離；

q代表第i個(gè)曲面和第j個(gè)曲面的中心線在y方向的距離。

本發(fā)明的應(yīng)用實(shí)例：

將處于標(biāo)定狀態(tài)的光學(xué)測(cè)頭1安裝在機(jī)床的z軸上，曲面基準(zhǔn)件卡固在工作臺(tái)上，在基準(zhǔn)件上設(shè)置旋轉(zhuǎn)拋物面陣列，采用以下步驟進(jìn)行測(cè)量：

1)通過標(biāo)定得出所述光學(xué)測(cè)頭的光軸在所述ccd相機(jī)中的位置坐標(biāo)o(x0，y0)，使所述光學(xué)測(cè)頭的光束和機(jī)床z軸平行；

2)運(yùn)動(dòng)軸帶動(dòng)光學(xué)測(cè)頭水平移動(dòng)到第一位置ai，此時(shí)旋轉(zhuǎn)拋物面陣列上對(duì)應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)為a1(x1，y1，z1)，獲取此時(shí)ccd相機(jī)中成像光斑的位置a1′(x1′，y1′)，并轉(zhuǎn)換為光斑中心距離光軸的距離s1x、s1y，然后計(jì)算測(cè)量點(diǎn)a1斜率對(duì)應(yīng)的角度：

ξx＝arctan(s1x/f)/2(9)

ξy＝arctan(s1y/f)/2(10)

其中：ξx代表測(cè)量點(diǎn)a1在xoz平面內(nèi)的切線與x軸方向的夾角；

ξy代表測(cè)量點(diǎn)a1在yoz平面內(nèi)的切線與y軸方向的夾角；

s1x代表第一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的成像光斑的中心在x軸方向距離系統(tǒng)光軸的距離；

s1y代表第一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的成像光斑的中心在y軸方向距離系統(tǒng)光軸的距離；

f代表成像透鏡的焦距，

最后計(jì)算測(cè)量點(diǎn)a1的坐標(biāo)：

∵旋轉(zhuǎn)拋物面的面型公式為：

其中：a²為旋轉(zhuǎn)拋物面的特征參數(shù)；

對(duì)(11)式求一階導(dǎo)數(shù)，可得到曲面上任一點(diǎn)的斜率為：

∴

x1＝a²tanξx(14)

y1＝a²tanξy(15)

其中：s1x代表成像光斑a1′的中心在x軸方向距離系統(tǒng)光軸的距離；

s1y代表成像光斑a1′的中心在y軸方向距離系統(tǒng)光軸的距離；

3)運(yùn)動(dòng)軸帶動(dòng)光學(xué)測(cè)頭水平移動(dòng)到第二位置aii，此時(shí)旋轉(zhuǎn)拋物面陣列上對(duì)應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)為a2(x2，y2，z2)，獲取此時(shí)ccd相機(jī)中成像光斑的位置a2′(x2′，y2′)；

同步驟2)可以計(jì)算測(cè)量點(diǎn)a2的坐標(biāo)：

x2＝a²tanφx(16)

y2＝a²tanφy(17)

4)計(jì)算運(yùn)動(dòng)部件在x、y兩個(gè)方向上的位移m、n：

m＝a²tanφx-a²tanξx+p(18)

n＝a²tanφy-a²tanξy+q(19)

其中：m代表運(yùn)動(dòng)部件在x方向的位移；

n代表運(yùn)動(dòng)部件在y方向的位移；

p代表第i個(gè)曲面和第j個(gè)曲面的中心線在x方向的距離；

q代表第i個(gè)曲面和第j個(gè)曲面的中心線在y方向的距離。

本發(fā)明的工作原理為：

如圖2，光束沿旋轉(zhuǎn)拋物面的中心軸線方向投射到曲面上任意一點(diǎn)時(shí)，曲面上除去頂點(diǎn)位置處各點(diǎn)的切線均與xoy平面存在夾角，且不同位置處的角度值不同，故不同測(cè)量點(diǎn)在ccd相機(jī)中的位置不同，即曲面上的坐標(biāo)點(diǎn)與ccd相機(jī)中光斑的位置有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，則可以根據(jù)光斑的位置求出旋轉(zhuǎn)拋物面上點(diǎn)的坐標(biāo)，進(jìn)而求出攜帶光學(xué)測(cè)頭的運(yùn)動(dòng)部件在x、y兩個(gè)方向上的位移。

盡管上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍的情況下，還可以做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。