本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種四自由度激光測(cè)量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，工業(yè)生產(chǎn)所依賴的機(jī)械設(shè)備往往具有多個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，隨著自由度的增多，其誤差項(xiàng)也隨之增多。比如，對(duì)于常見的3軸立式加工中心，其幾何誤差就高達(dá)21向，分別為3個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的定位誤差，直線度誤差，俯仰，偏擺，扭轉(zhuǎn)角度誤差，以及每個(gè)運(yùn)動(dòng)方向和另外兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向之間的垂直度誤差。相比較單自由度位移測(cè)量系統(tǒng)，四自由度測(cè)量系統(tǒng)可同時(shí)對(duì)四個(gè)自由度的誤差進(jìn)行測(cè)量，大大減少了測(cè)量難度，以及成本。

目前，已有的四自由度測(cè)量系統(tǒng)，都采用激光測(cè)量，如：一種激光多自由度測(cè)量系統(tǒng)與方法，以及一種利用無衍射光測(cè)量導(dǎo)軌四自由度運(yùn)動(dòng)誤差的裝置；都是通過分光以及折返射原理，使得分光之后的激光光線最后有兩束分別打在固定于被測(cè)物體的兩個(gè)靶鏡鏡片上，靶鏡鏡片包括用于角度測(cè)量的鏡片和用于位移測(cè)量的鏡片。當(dāng)被測(cè)物發(fā)生位移和角度變動(dòng)時(shí)，會(huì)引起靶鏡出射光線的平移或角度變化，通過光接收器件檢測(cè)平移或角度變化量從而反算出被測(cè)物的位移和角度變動(dòng)量。

現(xiàn)有的四自由度激光測(cè)量系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)其原理需要對(duì)光線進(jìn)行多次分光，但最終用于測(cè)量的光線只有兩束，其他光線被廢棄，造成光能的極大浪費(fèi)。最終導(dǎo)致光接收器件的輸出信號(hào)信噪比下降，使得隨機(jī)誤差的影響加重。此外，用于位移測(cè)量的光線會(huì)通過用于角度測(cè)量的鏡片，造成角度測(cè)量值會(huì)對(duì)位移測(cè)量值產(chǎn)生一定的影響，使得測(cè)量系統(tǒng)多了一項(xiàng)額外的系統(tǒng)誤差。綜合造成現(xiàn)有的測(cè)量系統(tǒng)精度的下降。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了進(jìn)一步提高四自由度激光測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度，通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)，本發(fā)明提供一種四自由度激光測(cè)量系統(tǒng)。

一種四自由度激光測(cè)量系統(tǒng)包括平面反射鏡1、光線反射器2、90°反射鏡3、分光棱鏡4、激光器5、位移光斑位置檢測(cè)器件6、透鏡7和角度光斑位置檢測(cè)器件8；

所述平面反射鏡1和光線反射器2構(gòu)成靶鏡系統(tǒng)，其余器件構(gòu)成發(fā)射接收系統(tǒng)；

沿著所述激光器5的出射光的方向，依次排列設(shè)有分光棱鏡4和光線反射器2；

所述分光棱鏡4的一側(cè)依次設(shè)有透鏡7和角度光斑位置檢測(cè)器件8；且透鏡7和角度光斑位置檢測(cè)器件8構(gòu)成的光路垂直于激光器5出射光的方向；

所述分光棱鏡4的另一側(cè)依次設(shè)有90°反射鏡3和平面反射鏡1，其中90°反射鏡3緊鄰著分光棱鏡4，90°反射鏡3和平面反射鏡1構(gòu)成的光路平行于激光器5的出射光的方向；

所述光線反射器2設(shè)于平面反射鏡1的一側(cè)，光線反射器2分別對(duì)應(yīng)著分光棱鏡4和位移光斑位置檢測(cè)器件6，位移光斑位置檢測(cè)器件6位于激光器5的一側(cè)；

工作時(shí)，激光器5發(fā)出激光經(jīng)過分光棱鏡4分成相互垂直的兩束光線，一束先后經(jīng)過90°反射鏡3、平面反射鏡1、90°反射鏡3、分光棱鏡4、透鏡7反射或折射，打在一個(gè)角度光斑位置檢測(cè)器件8；若靶鏡系統(tǒng)發(fā)生偏擺和俯仰變化，會(huì)引起打在角度光斑位置檢測(cè)器件8上的光斑位置變動(dòng)，通過測(cè)量光斑位置變動(dòng)來間接測(cè)量靶鏡系統(tǒng)的偏擺和俯仰角度；另一束光經(jīng)過光線反射器2折射或反射，打在另一個(gè)位移光斑位置檢測(cè)器件6上，若靶鏡系統(tǒng)發(fā)生上下和左右位移變化，會(huì)引起打在位移光斑位置檢測(cè)器件6上的光斑位置變動(dòng)，通過測(cè)量光斑位置變動(dòng)來間接測(cè)量靶鏡系統(tǒng)的位移量；實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)量物體兩個(gè)自由度的位移量和兩個(gè)自由度的角度量。

進(jìn)一步限定的技術(shù)方案如下：

所述光線反射器2為角錐棱鏡或貓眼反射鏡。

所述位移光斑位置檢測(cè)器件6和角度光斑位置檢測(cè)器件8均為PSD位敏器件或四象限光電接收器或CCD光電接收器。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果體現(xiàn)在以下方面：

1.本發(fā)明僅使用了一個(gè)分光棱鏡，盡可能的利用全反射鏡代替分光鏡片，減少光線的分光，使得用于位移測(cè)量和角度測(cè)量的光線能量增大，提升光接收器件的信噪比，減小隨機(jī)誤差的影響。

2.本發(fā)明的位移測(cè)量光線和角度測(cè)量光線相互隔離，互不影響，消除了現(xiàn)有測(cè)量系統(tǒng)角度測(cè)量對(duì)位移測(cè)量造成的系統(tǒng)誤差。

附圖說明

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明系統(tǒng)原理第一分解圖；

圖3為本發(fā)明系統(tǒng)原理第二分解圖；

上圖中序號(hào)：平面反射鏡1、光線反射器2、90°反射鏡3、分光棱鏡4、激光器5、位移光斑位置檢測(cè)器件6、透鏡7、角度光斑位置檢測(cè)器件8。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地描述。

參見圖1，一種四自由度激光測(cè)量系統(tǒng)包括平面反射鏡1、光線反射器2、90°反射鏡3、分光棱鏡4、激光器5、位移光斑位置檢測(cè)器件6、透鏡7和角度光斑位置檢測(cè)器件8；光線反射器2為角錐棱鏡；位移光斑位置檢測(cè)器件6和角度光斑位置檢測(cè)器件8均為PSD位敏器件。

平面反射鏡1和光線反射器2構(gòu)成靶鏡系統(tǒng)，其余器件構(gòu)成發(fā)射接收系統(tǒng)。

沿著所述激光器5的出射光的方向，依次排列設(shè)有分光棱鏡4和光線反射器2；

所述分光棱鏡4的一側(cè)依次設(shè)有透鏡7和角度光斑位置檢測(cè)器件8；且透鏡7和角度光斑位置檢測(cè)器件8構(gòu)成的光路垂直于激光器5出射光的方向；

所述分光棱鏡4的另一側(cè)依次設(shè)有90°反射鏡3和平面反射鏡1，其中90°反射鏡3緊鄰著分光棱鏡4，90°反射鏡3和平面反射鏡1構(gòu)成的光路平行于激光器5的出射光的方向；

所述光線反射器2設(shè)于平面反射鏡1的一側(cè)，光線反射器2分別對(duì)應(yīng)著分光棱鏡4和位移光斑位置檢測(cè)器件6，位移光斑位置檢測(cè)器件6位于激光器5的一側(cè)。

下面對(duì)四自由度激光測(cè)量系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行詳細(xì)說明：

第一步

如圖2所示，激光器5發(fā)出光線A，經(jīng)過分光棱鏡4被分成兩束相互垂直的光線B和C，其中光線B經(jīng)過90°反射鏡3反射后傳播方向改變90°，打在平面反射鏡1上用于后續(xù)角度測(cè)量。光線C繼續(xù)前進(jìn)，經(jīng)過光反射器件2反射到位移光斑位置檢測(cè)器件6，用于位移測(cè)量。位移測(cè)量原理同傳統(tǒng)四自由度激光測(cè)量系統(tǒng)，如下：當(dāng)光反射器件2延X方向或Y方向發(fā)生位移時(shí)，打在位移光斑位置檢測(cè)器件6上的光斑會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生的變化，位移光斑位置檢測(cè)器件6通過將光斑位置變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)來獲取光反射器件2的位移量。

第二步

如圖3所示，光線B經(jīng)過平面反射鏡1反射后形成光線E，光線E經(jīng)90°反射鏡3反射后方向改變90°打在分光棱鏡4上，被分成兩束相互垂直的光線F和G，光線F被廢棄，光線G通過透鏡7打在角度光斑位置檢測(cè)器件8上用于角度測(cè)量，角度測(cè)量原理類似自準(zhǔn)直儀，如下：當(dāng)平面反射鏡1繞X或Y軸發(fā)生角度變化時(shí)，會(huì)引起光線E的角度發(fā)生兩倍的變化，導(dǎo)致光線G在透鏡7的入射角發(fā)生變化，角度光斑位置檢測(cè)器件8位于透鏡7的焦平面上，當(dāng)光線G的入射角度變化后，打在角度光斑位置檢測(cè)器件8上的光斑位置也會(huì)相應(yīng)變化，角度光斑位置檢測(cè)器件8通過將光斑位置變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)來反算平面反射鏡1的角度變化量。

之所以加入透鏡7，是為了消除平面反射鏡1位移的影響，如下：測(cè)量角度的平面反射鏡1和測(cè)量位移的光反射器件2是一體的，所以平面反射鏡1難免發(fā)生位移變化，導(dǎo)致光線E和G發(fā)生平移，如果不加透鏡7，則光線G的平移同樣會(huì)引起角度光斑位置檢測(cè)器件8上的光斑位置的變化，對(duì)角度測(cè)量產(chǎn)生影響。加上透鏡7后，根據(jù)透鏡的基本原理：平行光經(jīng)過透鏡會(huì)匯聚在焦平面上一點(diǎn)?？芍?，光線G平移前后是平行的，經(jīng)過透鏡7折射后都打在焦平面上一點(diǎn)，所以，只要將角度光斑位置檢測(cè)器件8放在透鏡7的焦平面上，就可消除位移對(duì)角度測(cè)量的影響。