一种二维共平面工作台六自由度实时测量系统

1.本发明属于光学精密测量技术领域，更具体地说涉及运动平台的六自由度误差实时测量系统。


背景技术：

2.二维xy工作台广泛应用在机床、坐标测量机等加工和测量设备上，工作台的定位精度对整机的加工和测量精度起着决定性的作用。传统的堆叠式二维工作台由两个单独的一维线性移动台呈90
°
互相垂直堆叠而成，以此实现x、y两个方向的独立运动。但这种形式的二维工作台两个方向运动的导向面不在同一个平面上，两个平面之间相隔一定的距离，这个距离会造成定位过程中的阿贝误差，并且一个方向导向面的平面度会对另一个方向的定位精度造成复杂的影响，这种结构的二维工作台通常只能达到微米级别的精度。
3.同时，工作台在运动过程中会不可避免地产生另外两个方向的直线度运动误差和绕x、y、z轴转动的角度误差，从而降低空间定位精度。常见的直线度运动误差标定和测量方法是在离线的环境下完成的，通过更高精度的直线度误差测量仪器对工作台的直线度误差进行分段标定和拟合，从而获得工作台在任意位置的直线度运动误差，用于补偿工作台的定位精度。这种方法成本昂贵，并且每次工作时都需要重复标定，费时费力，对设备使用人员提出了很高的要求。常见角度测量方式是使用光电自准直仪，该设备价格昂贵，体积庞大，不利于集成在工作台内使用。


技术实现要素：

4.本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种二维共平面工作台六自由度实时测量系统，以满足高精度坐标测量机和机床的使用场景，实现六自由度误差实时测量，提高二维工作台的定位精度。
5.本发明为实现发明目的采用如下技术方案：
6.本发明二维共平面工作台六自由度实时测量系统的特点是针对二维工作台设置测量单元；
7.所述二维工作台中的二维移动台以面面接触安装在固定基座上，并能够在所述固定基座上以平面间的相互滑动实现xoy面中x向和y向二维运动，形成二维共平面工作台，z向为垂直于xoy面的竖直方向；
8.所述测量单元包括x向测量单元和y向测量单元，所述x向测量单元和y向测量单元是由各自单元的ccd测量模块和位移测量模块构成，所述位移测量模块采用干涉仪，所述干涉仪为激光干涉仪；
9.所述测量系统基于ccd测量模块中ccd传感器检测获得的图像实现对二维工作台的直线度运动误差和角度误差的实时测量；并基于激光干涉仪对x向和y向的运动位移进行实时测量，由此实现二维共平面工作台六自由度实时测量系统。
10.本发明二维共平面工作台六自由度实时测量系统的特点也在于：所述x向测量单
元由x向ccd测量模块和用于测量x向位移量的x向干涉仪构成，所述x向干涉仪的测量光轴呈x向，x向干涉仪中的x向测量镜固定安装在二维移动台上，随所述二维移动台移动，x向干涉仪中的x向参考镜固定安装在x向测量单元固定座上；所述y向测量单元由y向ccd测量模块和用于测量y向位移量的y向干涉仪构成，所述y向干涉仪的测量光轴呈y向，y向干涉仪中的y向测量镜固定安装在二维移动台上，随所述二维移动台移动，y向干涉仪中的y向参考镜固定安装在y向测量单元固定座上。
11.本发明二维共平面工作台六自由度实时测量系统的特点也在于：所述ccd测量模块是由ccd模块激光器、准直透镜和平凹柱面镜构成发射端，固定安装在二维移动台上，随所述二维移动台移动；以ccd传感器为保持静止的接收端，所述ccd模块激光器的出射激光经过准直透镜出射为一束平行光束，所述平行光束经过平凹柱面镜出射为一条线形激光，所述线形激光照射在ccd传感器上，利用ccd传感器获得线形激光的位置。
12.本发明二维共平面工作台六自由度实时测量系统的特点也在于：在所述x向ccd测量模块中，由x向平凹柱面镜出射的线形激光呈水平，为水平线激光束，用于获得所述二维移动台的z向位移量，进而获得二维移动台的z向直线度误差，以及获得二维移动台绕x轴转动角度ε
x
；在所述y向ccd测量模块中，由y向平凹柱面镜出射的线形激光呈竖直，为竖直线激光束，用于获得所述二维移动台绕y轴转动角度εy和绕z轴转动角度εz。
13.本发明二维共平面工作台六自由度实时测量系统的特点也在于：通过调整所述准直透镜和平凹柱面镜的焦距，获得具有更大宽度的线形激光，实现更大行程的二维工作台的六自由度误差在线测量。
14.本发明二维共平面工作台六自由度实时测量系统的特点也在于：
15.在所述ccd传感器上所获得得的线形激光的光束宽度w由式(1)所表征：
[0016][0017]
式(1)中：
[0018]
d是由准直透镜出射的平行光束的光束直径；f2为平凹柱面镜的焦距；
[0019]
l为ccd传感器的敏感面与平凹柱面镜之间的距离，利用式(1)计算线性激光束的光束宽度w。
[0020]
本发明二维共平面工作台六自由度实时测量系统的特点也在于：在所述在x向ccd测量模块中，设置x向准直透镜和x向平凹柱面镜的焦距，使所述水平线激光束的光束宽度能够完全覆盖x向ccd传感器的敏感面，并且当二维移动台在行程范围内沿x向或y向移动时，水平线激光束投射在x向ccd传感器上的光斑面积保持不变；当二维移动台在z向发生位移时，水平线激光束投射在ccd传感器上的光斑沿z向移动；在所述y向ccd测量模块中，设置y向准直透镜和y向平凹柱面镜的焦距，使所述竖直线激光束的光束宽度能够完全覆盖y向ccd传感器的敏感面，并且当二维移动台绕y轴转动时，竖直线激光束投射在y向ccd传感器上的光斑发生偏摆；当二维移动台绕z轴转动时，竖直线激光束投射在y向ccd传感器上的光斑发生平移。
[0021]
本发明二维共平面工作台六自由度实时测量系统的特点也在于：所述x向干涉仪和y向干涉仪的干涉仪光轴处在同一水平面上，相互正交；所述x向测量镜和y向测量镜为平面反射镜，x向干涉模块和y向干涉模块的激光一一对应在x向测量镜和y向测量镜中得到反
射，并对应进入各自干涉模块，与参考光发生干涉。
[0022]
本发明二维共平面工作台六自由度实时测量系统的特点也在于：所述固定基座采用低热膨胀系数的因瓦合金加工而成，在二维移动台与固定基座的接触面中覆润滑油膜，用于减小二维移动台在移动过程中的摩擦阻力。
[0023]
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
[0024]
1、本发明测量系统采用基于ccd传感器的图像法对运动台的直线度运动误差和角度误差进行实时测量，采用激光干涉仪对x、y方向运动位移进行测量，分辨力可以达到纳米级，通过改变光学镜组的参数能够满足不同行程的工作台的六自由度误差测量目的。
[0025]
2、本发明ccd测量模块所采用的激光器光源为半导体激光器、成本低，设置准直透镜和平凹柱面镜将点光源转换成线光源，有效保证了测量装置在使用过程中激光不会偏离出ccd的敏感区域。
[0026]
3、本发明二维共平面工作台采用具有零阿贝误差的二维共平面设计，x、y导向面处于同一水平面，能够减小传统堆叠式工作台运动耦合造成的机构误差。固定基座采用低热膨胀系数的因瓦合金加工而成，二维移动台与固定基座采用面面接触，接触面经过精密磨削，并在组装时覆油膜，在减小摩擦力的同时保证直线运动导向精度。通过将位移测量系统与驱动电机分别列于运动台的两侧，并通过直线导轨耦合连接，而非刚性连接，能有效避免纳米驱动电机在工作的过程中产生的高频振动传递到传感器产生测量误差；同时也可以避免纳米电机在工作过程中产生的热量造成激光通过的路径空气折射率的改变，由此改变激光的路径以及波长，影响测量的准确性。
附图说明
[0027]
图1为本发明测量系统示意图；
[0028]
图2a为本发明中二维工作台的z向直线度测量示意图；
[0029]
图2b为本发明中二维工作台绕x轴转动角度ε
x
测量示意图；
[0030]
图2c为本发明中二维工作台绕y轴转动角度εy测量示意图；
[0031]
图3为本发明中准直透镜和平凹柱面镜的参数计算示意图；
[0032]
图中标号：1第一激光器座，2为y向干涉仪激光器，3为y向测量单元固定座，4为y向参考镜，5为y向ccd传感器，6竖直线激光束，7为y向平凹柱面镜，8为y向准直透镜，9为y向ccd模块激光器，10为x向ccd模块激光器，11第三激光器座，12为x向干涉仪，13为x向参考镜，14为x向干涉仪激光器，15第四激光器座，16为x向测量单元固定座，17为x向ccd传感器，18为x向ccd传感器固定座，19水平线激光束，20为x向平凹柱面镜，21为x向测量镜，22为x向准直透镜，23二维移动台，24第二激光器座，25为y向测量镜，26为y向ccd传感器固定座，27为y向干涉仪。
具体实施方式
[0033]
参见图1，本实施例中二维共平面工作台六自由度实时测量系统是针对二维工作台设置测量单元。二维工作台中的二维移动台23以面面接触安装在固定基座上，并能够在固定基座上以平面间的相互滑动实现xoy面中x向和y向二维运动，形成二维共平面工作台，z向为垂直于xoy面的竖直方向。测量单元包括x向测量单元和y向测量单元，x向测量单元和
y向测量单元是由各自单元的ccd测量模块和位移测量模块构成，位移测量模块采用干涉仪，干涉仪为激光干涉仪；测量系统基于ccd测量模块中ccd传感器检测获得的图像实现对二维工作台的直线度运动误差和角度误差的实时测量；并基于激光干涉仪对x向和y向的运动位移进行实时测量，由此实现二维共平面工作台六自由度实时测量系统。
[0034]
具体实施中，相应的技术措施也包括：
[0035]
图1示出，x向测量单元由x向ccd测量模块和用于测量x向位移量的x向干涉仪12构成，x向干涉仪激光器14通过第四激光器座15固定安装在x向测量单元固定座16上，x向干涉仪12的测量光轴呈x向，x向干涉仪12中的x向测量镜21固定安装在二维移动台23上，随二维移动台23移动，x向干涉仪12中的x向参考镜13固定安装在x向测量单元固定座16上；y向测量单元由y向ccd测量模块和用于测量y向位移量的y向干涉仪27构成，y向干涉仪激光器2通过第一激光器座1固定安装在y向测量单元固定座3上，y向干涉仪27的测量光轴呈y向，y向干涉仪27中的y向测量镜25固定安装在二维移动台23上，随二维移动台23移动，y向干涉仪27中的y向参考镜4固定安装在y向测量单元固定座3上。
[0036]
ccd测量模块是由ccd模块激光器、准直透镜和平凹柱面镜构成发射端，固定安装在二维移动台23上，随二维移动台23移动；以ccd传感器为保持静止的接收端，ccd模块激光器的出射激光经过准直透镜出射为一束平行光束，平行光束经过平凹柱面镜出射为一条线形激光，线形激光照射在ccd传感器上，利用ccd传感器获得线形激光的位置。
[0037]
图1示出，在x向ccd测量模块中，由x向ccd模块激光器10、x向准直透镜22和x向平凹柱面镜20构成发射端，x向ccd模块激光器10是由第三激光器座11固定安装在二维移动台23上，x向平凹柱面镜20出射的线形激光呈水平，为水平线激光束19，用于获得二维移动台23的z向位移量，进而获得二维移动台23的z向直线度误差，以及获得二维移动台23绕x轴转动角度ε
x
；在y向ccd测量模块中，由y向ccd模块激光器9、y向准直透镜8和y向平凹柱面镜7构成发射端，y向ccd模块激光器9是由第二激光器座24固定安装在二维移动台23上，y向平凹柱面镜7出射的线形激光呈竖直，为竖直线激光束6，用于获得二维移动台23绕y轴转动角度εy和绕z轴转动角度εz。
[0038]
通过调整准直透镜和平凹柱面镜的焦距，获得具有更大宽度的线形激光，实现更大行程的二维工作台的六自由度误差在线测量。
[0039]
在ccd传感器上所获得得的线形激光的光束宽度w由式(1)所表征：
[0040][0041]
式(1)中：
[0042]
d是由准直透镜出射的平行光束的光束直径；f2为平凹柱面镜的焦距；l为ccd传感器的敏感面与平凹柱面镜之间的距离，利用式1计算线性激光束的光束宽度w。
[0043]
在x向ccd测量模块中，设置x向准直透镜22和x向平凹柱面镜20的焦距，使水平线激光束19的光束宽度能够完全覆盖x向ccd传感器17的敏感面，x向ccd传感器17通过x向ccd传感器固定座18固定安装在x向测量单元固定座16上，当二维移动台23在行程范围内沿x向或y向移动时，水平线激光束19投射在x向ccd传感器17上的光斑面积保持不变；当二维移动台23在z向发生位移时，水平线激光束19投射在ccd传感器上的光斑沿z向移动；在y向ccd测量模块中，设置y向准直透镜8和y向平凹柱面镜7的焦距，使竖直线激光束6的光束宽度能够
完全覆盖y向ccd传感器5的敏感面，y向ccd传感器5通过y向ccd传感器固定座26固定安装在y向测量单元固定座3上，当二维移动台23绕y轴转动时，竖直线激光束6投射在y向ccd传感器5上的光斑发生偏摆；当二维移动台23绕z轴转动时，竖直线激光束投射在y向ccd传感器上的光斑发生平移。
[0044]
x向干涉仪和y向干涉仪的干涉仪光轴处在同一水平面上，相互正交；x向测量镜21和y向测量镜25为平面反射镜，x向干涉模块和y向干涉模块的激光一一对应在x向测量镜21和y向测量镜25中得到反射，并对应进入各自干涉模块，与参考光发生干涉。
[0045]
固定基座采用低热膨胀系数的因瓦合金加工而成，在二维移动台23与固定基座的接触面中覆润滑油膜，用于减小二维移动台23在移动过程中的摩擦阻力。
[0046]
具体实施中，y向ccd模块激光器9和x向ccd模块激光器均采用半导体激光器；ccd测量模块中的发射端和接收端可以互换位置，即发射端固定在干涉仪底板上保持静止，接收端安装在二维移动台上随二维移动台运动，测量功能相同。
[0047]
图2a所示为本实施例中二维工作台的z向直线度测量示意图，发射端由x向ccd模块激光器10、x向准直透镜22以及x向平凹柱面镜20组成，发射端出射的激光束由接收端的x向ccd传感器17接收；当二维移动台23在z方向发生微小位移时，光束在ccd传感器的敏感面产生z向平移；当二维移动台23沿x轴运动产生俯仰角εy时，y轴布置的ccd传感器模块上的条纹会发生左右倾斜，其左右倾斜的倾斜角与俯仰角εy大小相等，因此移动台z向直线度由式(2)获得：
[0048]
δz(x,y)＝δ
z-εy·
l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0049]
δz(x，y)为移动台23的z向直线度，δz为x向ccd传感器17获得的z向平移量，εy为沿x轴运动时的俯仰角，l为x向ccd传感器17的接收面和x向平凹柱面镜20的距离。
[0050]
干涉仪位移读值为x,y方向的位移值；x向ccd传感器17的光斑包括z向平移量δz和偏转角度ε
x
，由此测出偏转角度ε
x
；y向ccd传感器5的光斑包括x向平移量δ
x
和偏转角度εy，由此测出偏转角度εy；偏转角度εz由式(3)获得，
[0051][0052]
ε为y向ccd传感器5的接收面和y向平凹柱面镜7的距离。
[0053]
如图2b和图2c所示：设ccd传感器的位置测量分辨力为δ，ccd传感器的宽度为a，高度为b，则该ccd传感器模块关于偏转角度ε
x
、偏转角度εy和偏转角度εz的测量分辨力δε
x
、δεy和δεz分别为：
[0054][0055]
如图3所示，具体实施中，首先根据工作台的y方向的行程和激光器发射端与ccd接收端的初始距离，由式(1)确定准直透镜和平凹面镜的焦距，保证在测量过程中，线形激光束始终能覆盖ccd传感器的敏感面；安装与调整完成后，工作台即可驱动器作用下开始工作。
[0056]
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；可以参考上述各实例对本发明的各项特征进行等同替换，这些替换并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。