一种基于非标准角锥镜的大量程单测面五自由度测量方法

本发明属于光学精密测量、多自由度测量领域，具体涉及一种基于非标准角锥镜的大量程单测面五自由度测量方法。

背景技术：

1、以精密车床为代表的高端制造装备中，主轴头、工作台、导轨等重要组件的几何误差是影响车床加工精度的关键因素，其校准数据通常由激光干涉仪、自准直仪等光学测量设备提供，平行光波法也是实现精密车床工作台实时定位和光线对准的重要方法。然而，由于干涉仪是单一平移参数测量设备，自准直仪对滚转角亦不敏感，平行光波法只能对垂侧两向平移或滚转角度进行测量，因此当前工业生产中需结合逐一自由度的测量数据实现几何误差的完整标定，导致测量效率低。同时，长时间测量过程中环境变化、光路重复调整以及各自由度逐次对准误差的累积，都会增加测量不确定性，难以满足超高精密车床的测量需求。

2、近年来，面向高端装备多自由度实时测量需求，基于干涉-平行光波-自准直光路耦合式的多自由度测量技术逐渐发展。这些方法通常使用分光棱镜、偏振分束器或光栅等元件进行分光调制，将被测目标的不同平移和角度信息调制到不同探测通道中，从而实现多个自由度参数的同时测量。

3、虽然上述方法能够测量更多自由度参数，但仍存在一些不足。一方面，部分方法中测量系统需要依赖多个探测面或多条分离光路分别接收不同自由度信号，多探测面之间齿合效应会造成测量仪器的测距长度和测角范围受限；另一方面，多光路、多器件耦合结构会增加装调复杂度，使测量结果更容易受到光路稳定性和环境扰动的影响。现有方法在兼顾大量程、单测面接收和五自由度测量方面仍存在不足。

技术实现思路

1、本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于非标准角锥镜的大量程单测面五自由度测量方法。本发明的技术方案如下：

2、一种基于非标准角锥镜的大量程单测面五自由度测量方法，其包括以下步骤：

3、s1、设计一种具有分光特性的非标准角锥镜，并将其作为测量靶标，所述非标准角锥镜包括三个平面反射面,所述三个平面反射面两两相交并共同围成角锥反射结构；任意两个相邻平面反射面之间的二面角均相对于标准角锥镜的直角二面角引入预设微小偏差角，使入射测量光束经所述非标准角锥镜后能够沿不同反射路径形成多束返回光；

4、s2、构建单测面多光斑反射成像光路，使光源发出的光经小圆孔分划板和准直物镜后形成准平行测量光束，并使所述准平行测量光束入射至所述非标准角锥镜，经1-2-3、1-3-2、2-1-3、2-3-1、3-1-2、3-2-1六种反射路径反射后形成六束返回光，并在同一探测面形成六个反射光斑；其中，1，2，3分别表示所述非标准角锥镜第一平面反射面、第二平面反射面和第三平面反射面，1-2-3表示所述测量光束依次经第一平面反射面、第二平面反射面和第三平面反射面反射形成的反射路径，其余反射路径依此类推；

5、s3、从所述六个反射光斑中选取三个非对称分布的特征光斑，提取所述三个特征光斑的质心坐标作为解算量；结合所述三个特征光斑对应反射路径的整体反射矩阵、虚像源位置矢量和探测面成像关系，建立光斑质心坐标与五自由度参数之间的解析映射关系，并解算得到各自由度参数。

6、进一步的，所述非标准角锥镜的三个平面反射面之间的二面角均为。

7、进一步的，在步骤s1中，根据所述非标准角锥镜的二面角参数确定三个平面反射面在基准坐标系下的单位法向量，并由所述单位法向量求得对应平面反射面的反射矩阵，具体包括：

8、非标准角锥镜三个反射面间二面角均为，在标准角锥镜三个正交反射面间的交线处建立基准坐标系oxyz，根据所述二面角参数确定反射面1、2、3在oxyz坐标系中的单位法向量、和，分别表示为：

9、

10、对于任一反射平面，其对应的反射矩阵可表示为：

11、

12、其中，、和为对应反射面单位法向量的x、y、z坐标分量；

13、将式（1）代入式（2），可求得反射面1、2、3的反射矩阵、、为：

14、。

15、进一步的，步骤s2中的单测面多光斑反射成像光路包括led光源、小圆孔分划板、分光镜、准直物镜、非标准角锥镜和光电探测器；所述led光源设置于小圆孔分划板的入射侧；所述小圆孔分划板设置于led光源与分光镜之间，用于将led光源发出的光形成点目标出射光；所述分光镜设置于所述小圆孔分划板、准直物镜和光电探测器之间的光路交汇处，用于将所述点目标发出的光引导至准直物镜，并将经非标准角锥镜返回的光束引导至光电探测器；所述准直物镜设置于所述分光镜与所述非标准角锥镜之间，所述非标准角锥镜设置于所述准直物镜的出射侧；在光路设计中，所述小圆孔分划板置于准直物镜焦平面前侧，使经准直物镜出射的测量光束为具有微小发散角的准平行测量光束，所述光电探测器用于在同一探测面接收经非标准角锥镜不同反射路径返回的多个反射光斑。

16、进一步的，步骤s3选取同一探测面上六个反射光斑中任意三个非对称分布的特征光斑作为解算对象，通过所选取三个光斑各自的二维质心坐标形成六个观测量，并由这六个观测量解算得到非标准角锥镜两个正交方向平移量以及俯仰角、偏航角和滚转角五个自由度参数。

17、进一步的，步骤s3中，在测量坐标模型下，用二维平移位置矢量描述所述非标准角锥镜沿两个正交方向的线性移动，三轴角度旋转矩阵描述所述非标准角锥镜绕三个坐标轴的转动。

18、进一步的，步骤s3中，先根据对应反射路径的整体反射矩阵确定各反射路径下的虚像源位置矢量，根据准直物镜成像关系建立虚像源位置与探测面光斑质心坐标之间的对应关系，再结合上述所求建立光斑质心坐标与五自由度参数之间的解析映射关系，具体包括：

19、在解析测量模型时，首先引入描述三轴角度变化的欧拉旋转矩阵和描述二维平移变化的位置矢量；当非标准角锥镜沿着、轴线性移动、，位置矢量可表示为：

20、

21、其中，、分别表示非标角锥镜顶点和虚像源到准直物镜平面的距离。

22、在小角度情况下，当非标准角锥镜绕、和轴分别旋转角度、、，无论绕各轴的旋转顺序如何，旋转矩阵均可表示为：

23、

24、得到反射路径1-2-3、2-3-1和2-1-3对应的虚像源位置矢量；建立3个特征光斑质心坐标与被测目标五自由度参数之间映射模型为：

25、

26、由上述解得、、、、的解析表达式为：

27、

28、其中，表示光电探测器探测面到准直物镜的距离；、、、、、分别表示所选取第一、二、三特征光斑在光电探测器坐标系下的二维质心坐标。

29、一种电子设备，其包括处理器、存储器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如任一项所述的基于非标准角锥镜的大量程单测面五自由度测量方法。

30、本发明的优点及有益效果如下：

31、本发明提出了一种基于非标准角锥镜的大量程单测面五自由度测量方法，主要通过步骤s1、s2和s3的协同配合实现：在步骤s1中，通过在非标准角锥镜三个平面反射面之间引入预设微小二面角偏差，使测量光束经不同反射路径返回后形成多束具有不同传播方向的返回光；在步骤s2中，将上述多束返回光在同一探测面上形成多个反射光斑；在步骤s3中，选取其中三个非对称分布的特征光斑，并结合整体反射矩阵、虚像源位置矢量和探测面成像关系，建立光斑质心坐标与二维平移及三轴角度参数之间的解析映射关系，从而解算得到被测目标的五自由度参数。

32、与常规逐一自由度测量或采用多个探测面分别接收不同自由度信号的方法相比，本发明利用非标准角锥镜自身的多反射路径分光特性，将被测目标的二维平移和三轴角度参数变化共同反映在单一探测面的多个反射光斑位置变化中，不需要逐一自由度重复装调测量光路，能够避免多探测面之间的配准误差和齿合效应，提高测量效率和系统稳定性；同时，该方法在保持光路结构紧凑的基础上兼具大量程五自由度测量能力，适用于精密车床、工业机器人等高端装备的几何误差测量与标定。