一种二维共平面工作台六自由度实时测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种二维共平面工作台六自由度实时测量系统，针对二维工作台设置测量单元；二维工作台中二维移动台以面面接触安装在固定基座上，在固定基座上以平面间的相互滑动实现XOY面的二维运动，形成二维共平面工作台；测量单元包括X向测量单元和Y向测量单元，由各自单元的CCD测量模块和位移测量模块构成；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，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。本发明专利技术能够满足在高精度坐标测量机和机床中的应用；其共平面设计的XY二维工作台能有效减小堆叠式二维工作台运动耦合造成的机构误差。工作台运动耦合造成的机构误差。工作台运动耦合造成的机构误差。

A six degree of freedom real-time measurement system for two-dimensional coplanar workbench

【技术实现步骤摘要】
一种二维共平面工作台六自由度实时测量系统


[0001]本专利技术属于光学精密测量
，更具体地说涉及运动平台的六自由度误差实时测量系统。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]本专利技术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。
[0005]本专利技术为实现专利技术目的采用如下技术方案：
[0006]本专利技术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；
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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。
[0010]本专利技术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。
[0011]本专利技术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。
[0012]本专利技术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ε
y
和绕Z轴转动角度ε
z
。
[0013]本专利技术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。
[0014]本专利技术二维共平面工作台六自由度实时测量系统的特点也在于：
[0015]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]本专利技术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]本专利技术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]本专利技术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，本专利技术有益效果体现在：
[0024]1、本专利技术测量系统采用基于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、本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维共平面工作台六自由度实时测量系统，其特征是：针对二维工作台设置测量单元；所述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；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；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。2.根据权利要求1所述的二维共平面工作台六自由度实时测量系统，其特征是：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(21)固定安装在二维移动台(23)上，随所述二维移动台(23)移动，X向干涉仪中的X向参考镜(13)固定安装在X向测量单元固定座(16)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(25)固定安装在二维移动台(23)上，随所述二维移动台(23)移动，Y向干涉仪中的Y向参考镜(4)固定安装在Y向测量单元固定座(3)上。3.根据权利要求1所述的二维共平面工作台六自由度实时测量系统，其特征是：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(23)上，随所述二维移动台(23)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。4.根据权利要求3所述的二维共平面工作台六自由度实时测量系统，其特征是：在所述X向CCD测量模块中，由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，用于获得所述二维移动台(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
；在所述Y...

【专利技术属性】
技术研发人员：李瑞君，何亚雄，林荣炜，李洁，程真英，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：