用激光干涉儀檢測(cè)高精度觸發(fā)式測(cè)頭重復(fù)精度的裝置及檢測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用激光干涉儀檢測(cè)高精度觸發(fā)式測(cè)頭重復(fù)精度的裝置及檢測(cè)方法，包括：設(shè)置于水平工作面上的載物臺(tái)、能夠往復(fù)運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)滑臺(tái)、用于計(jì)算得出觸發(fā)式測(cè)頭重復(fù)精度的信號(hào)處理模塊、用于分別測(cè)量自動(dòng)滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)位置坐標(biāo)的觸發(fā)式測(cè)頭和激光干涉儀線性測(cè)量組件；所述的觸發(fā)式測(cè)頭和激光干涉儀線性測(cè)量組件用于分別將測(cè)得的位置坐標(biāo)值記錄，并傳輸給測(cè)頭信號(hào)處理模塊。本發(fā)明所述的用激光干涉儀檢測(cè)高精度觸發(fā)式測(cè)頭重復(fù)精度的裝置及檢測(cè)方法，有效的避免了在機(jī)測(cè)量中預(yù)行程誤差及測(cè)量余弦誤差，以便對(duì)高精度觸發(fā)式測(cè)頭精度的分析和誤差補(bǔ)償。
【專利說明】
用激光干涉儀檢測(cè)高精度觸發(fā)式測(cè)頭重復(fù)精度的裝置及檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種高精度觸發(fā)式測(cè)頭重復(fù)精度領(lǐng)域，具體涉及一種用激光干涉儀檢測(cè)高精度觸發(fā)式測(cè)頭重復(fù)精度的裝置及檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，精密測(cè)頭的發(fā)展有悠久的歷史，最早能夠追溯到上世紀(jì)20年代電感測(cè)微儀的出現(xiàn);但真正快速發(fā)展卻得益于上世紀(jì)50年代末三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)出現(xiàn)。迄今，精密測(cè)頭通常分為接觸式測(cè)頭與非接觸式測(cè)頭兩種，其中接觸式測(cè)頭又分為機(jī)械式測(cè)頭、觸發(fā)式測(cè)頭和掃描式測(cè)頭;非接觸式測(cè)頭分為激光測(cè)頭和光學(xué)視頻測(cè)頭。
[0003]機(jī)械式測(cè)頭又稱接觸式硬測(cè)頭，是精密量儀使用較早的一種測(cè)頭。通過測(cè)頭測(cè)端與被測(cè)工件直接接觸進(jìn)行定位瞄準(zhǔn)而完成測(cè)量，主要用于手動(dòng)測(cè)量。該類測(cè)頭結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，但精度不高，很難滿足當(dāng)前數(shù)控精密量儀的要求，除了個(gè)別場合，目前這種測(cè)頭已很少使用。
[0004]目前市面上廣泛存在的精密測(cè)頭是觸發(fā)式測(cè)頭。第一個(gè)觸發(fā)式測(cè)頭于1972年由英國Renishaw公司研制。觸發(fā)式測(cè)頭的測(cè)量原理是當(dāng)測(cè)頭測(cè)端與被測(cè)工件接觸時(shí)精密量儀發(fā)出采樣脈沖信號(hào)，并通過儀器的定位系統(tǒng)鎖存此時(shí)測(cè)端球心的坐標(biāo)值，以此來確端定測(cè)與被測(cè)工件接觸點(diǎn)的坐標(biāo)。該類測(cè)頭具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、制作成本低及較高觸發(fā)精度等優(yōu)點(diǎn)，是三維測(cè)頭中應(yīng)用最廣泛的測(cè)頭。但該類測(cè)頭也存在各向異性(三角效應(yīng))、預(yù)行程等誤差，限制了其測(cè)量精度的進(jìn)一步提高，最高精度只能達(dá)零點(diǎn)幾微米。在精密量儀上采用觸發(fā)式測(cè)頭進(jìn)行測(cè)量時(shí)，通常是兩點(diǎn)定線、三點(diǎn)定面、三點(diǎn)或四點(diǎn)定圓等方法，其實(shí)質(zhì)是用幾個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)來確定理想幾何要素的尺寸大小。
[0005]激光干涉儀是以光波為載體，以光波波長為單位的一種計(jì)量測(cè)量方法，具有測(cè)量精度高、測(cè)量速度快、測(cè)量范圍大等優(yōu)點(diǎn)。通過與不同光學(xué)組件結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)直線度、垂直度、角度、平面度、平行度等幾何精度的測(cè)量。其工作原理是由激光器發(fā)射單一頻率光束射入線性干涉鏡，然后分成兩道光束，一道光束作為參考光束射向連接分光鏡的反射鏡，而第二道透射光束為測(cè)量光束則通過分光鏡射入第二個(gè)反射鏡，這兩道光束再反射回到分光鏡，重新匯聚之后返回激光器，其中會(huì)有一個(gè)探測(cè)器檢測(cè)兩道光束之間的干涉。若光程差沒有變化時(shí)，探測(cè)器會(huì)在相長性和相消性干涉的兩極之間找到穩(wěn)定的信號(hào)。若光程差有變化時(shí)，探測(cè)器會(huì)在每一次光程變化時(shí)，在相長性和相消性干涉的兩極之間找到變化信號(hào)，這些變化會(huì)被計(jì)算并用來測(cè)量兩個(gè)光程之間的差異變化，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)幾何精度的測(cè)量。
[0006]從整體上考察，近年來無論哪類精密測(cè)頭主要向著精度更高、尺寸更小、互換性更好、綜合功能更強(qiáng)、數(shù)字化的方向發(fā)展。由于觸發(fā)式測(cè)頭成本低、結(jié)構(gòu)簡單，并能滿足常用的測(cè)量要求，在一定時(shí)期內(nèi)仍是市場上應(yīng)用最多的測(cè)頭，其發(fā)展方向是尺寸小、集成度高、精度高、各向異性小。目前，Renishaw公司占據(jù)了該類測(cè)頭全世界90%的市場，在近期內(nèi)這種狀況還不會(huì)得到改變。
[0007]高精度觸發(fā)式測(cè)頭的測(cè)量不確定度主要由三部分誤差組成，即機(jī)械復(fù)位機(jī)構(gòu)的復(fù)位誤差，觸球的球度誤差和傳感器的發(fā)訊誤差，對(duì)觸發(fā)式測(cè)頭精度檢測(cè)往往是很難的，目前國內(nèi)的檢測(cè)基本為在機(jī)測(cè)量，考慮到在機(jī)檢測(cè)所處環(huán)境的復(fù)雜性，對(duì)測(cè)頭精度的分析和誤差補(bǔ)償技術(shù)的研究有待進(jìn)一步地深入。在機(jī)檢測(cè)觸發(fā)式測(cè)頭系統(tǒng)的誤差來源也是多方面的，比如測(cè)量預(yù)行程誤差、測(cè)量余弦誤差等，只能通過大量的實(shí)驗(yàn)來測(cè)定各種測(cè)量參數(shù)對(duì)在機(jī)檢測(cè)測(cè)頭精度的影響，因此人們急需一種便于測(cè)量高精度觸發(fā)式測(cè)頭重復(fù)精度的裝置及檢測(cè)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]根據(jù)上述提出的技術(shù)問題，而提供一種用激光干涉儀檢測(cè)高精度觸發(fā)式測(cè)頭重復(fù)精度的裝置及檢測(cè)方法，用于解決現(xiàn)有的高精度觸發(fā)式測(cè)頭，在機(jī)測(cè)量中存在所處環(huán)境的復(fù)雜性，比如測(cè)量預(yù)行程誤差、測(cè)量余弦誤差等缺點(diǎn)。本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下:
[0009]—種用激光干涉儀檢測(cè)高精度觸發(fā)式測(cè)頭重復(fù)精度的裝置，包括:設(shè)置于水平工作面上的載物臺(tái)、能夠往復(fù)運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)滑臺(tái)、用于計(jì)算得出觸發(fā)式測(cè)頭重復(fù)精度的信號(hào)處理模塊、用于分別測(cè)量自動(dòng)滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)位置坐標(biāo)的觸發(fā)式測(cè)頭和激光干涉儀線性測(cè)量組件；所述的觸發(fā)式測(cè)頭和激光干涉儀線性測(cè)量組件用于分別將測(cè)得的位置坐標(biāo)值記錄，并傳輸給測(cè)頭信號(hào)處理模塊。
[0010]作為優(yōu)選所述的觸發(fā)式測(cè)頭底部設(shè)置有用于接觸自動(dòng)滑臺(tái)的測(cè)針，所述的觸發(fā)式測(cè)頭位于自動(dòng)滑臺(tái)的上方，固定于載物臺(tái)的架體上。
[0011 ]作為優(yōu)選所述的所述激光干涉儀線性測(cè)量組件包括線性測(cè)量組件和移動(dòng)測(cè)量鏡組;所述激光干涉儀線性測(cè)量組件的線性測(cè)量組件固定在載物臺(tái)上，移動(dòng)測(cè)量鏡組固定在自動(dòng)滑臺(tái)上。
[0012]作為優(yōu)選所述的測(cè)頭信號(hào)處理模塊為英特爾X64或X86系列中央處理器。
[0013]一種檢測(cè)方法，包括以下步驟:
[0014]一自動(dòng)滑臺(tái)在載物臺(tái)上往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
[0015]一觸發(fā)式測(cè)頭測(cè)量自動(dòng)滑臺(tái)的位置坐標(biāo)信息，并記錄。
[0016]—激光干涉儀線性測(cè)量組件測(cè)量自動(dòng)滑臺(tái)的位置坐標(biāo)信息，并記錄。
[0017]一觸發(fā)式測(cè)頭和激光干涉儀線性測(cè)量組件不斷將測(cè)得的運(yùn)動(dòng)位置坐標(biāo)值信息傳輸給測(cè)頭信號(hào)處理模塊，計(jì)算得出觸發(fā)式測(cè)頭的重復(fù)精度。
[0018]作為優(yōu)選當(dāng)自動(dòng)滑臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，觸發(fā)式測(cè)頭底部的測(cè)針同自動(dòng)滑臺(tái)接觸，測(cè)頭信號(hào)觸發(fā)，并記錄位置坐標(biāo)值。
[0019]作為優(yōu)選所述重復(fù)精度的計(jì)算公式為:
[0020]σ2= I(X1-Xbar)Vn (I)
[0021 ] 其中，i = I，2，3……n，XbaA平均值;單位為ym;Min為樣本中最小值;Max為樣本中最大值;2*σ為樣本的2倍標(biāo)準(zhǔn)差;σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差;2σ使用正態(tài)分布95%置信水平估計(jì)。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明所述的用激光干涉儀檢測(cè)高精度觸發(fā)式測(cè)頭重復(fù)精度的裝置及檢測(cè)方法，具有用于分別測(cè)量自動(dòng)滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)位置坐標(biāo)的觸發(fā)式測(cè)頭和激光干涉儀線性測(cè)量組件;所述的觸發(fā)式測(cè)頭和激光干涉儀線性測(cè)量組件用于分別將測(cè)得的位置坐標(biāo)值記錄，并傳輸給測(cè)頭信號(hào)處理模塊，計(jì)算得出觸發(fā)式測(cè)頭重復(fù)精度，有效的避免了在機(jī)測(cè)量中預(yù)行程誤差及測(cè)量余弦誤差，以便對(duì)高精度觸發(fā)式測(cè)頭精度的分析和誤差補(bǔ)償。
【附圖說明】
[0023]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0024]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖2是國外產(chǎn)品測(cè)得數(shù)據(jù)圖。
[0026]圖3是國內(nèi)產(chǎn)品測(cè)得數(shù)據(jù)圖。
[0027]其中:1、載物臺(tái)，2、自動(dòng)滑臺(tái)，3、觸發(fā)式測(cè)頭，4、測(cè)針，5、激光干涉儀線性測(cè)量組件，6、測(cè)頭信號(hào)處理模塊。
【具體實(shí)施方式】
[0028]如圖1所示，一種用激光干涉儀檢測(cè)高精度觸發(fā)式測(cè)頭重復(fù)精度的裝置，包括:設(shè)置于水平工作面上的載物臺(tái)1、能夠往復(fù)運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)滑臺(tái)2、用于計(jì)算得出觸發(fā)式測(cè)頭3重復(fù)精度的信號(hào)處理模塊6、用于分別測(cè)量自動(dòng)滑臺(tái)2運(yùn)動(dòng)位置坐標(biāo)的觸發(fā)式測(cè)頭3和激光干涉儀線性測(cè)量組件5;所述的觸發(fā)式測(cè)頭3和激光干涉儀線性測(cè)量組件5用于分別將測(cè)得的位置坐標(biāo)值記錄，并傳輸給測(cè)頭信號(hào)處理模塊6。
[0029]所述的觸發(fā)式測(cè)頭3底部設(shè)置有用于接觸自動(dòng)滑臺(tái)2的測(cè)針4，所述的觸發(fā)式測(cè)頭3位于自動(dòng)滑臺(tái)2的上方，固定于載物臺(tái)I的架體上。
[0030]所述的所述激光干涉儀線性測(cè)量組件5包括線性測(cè)量組件和移動(dòng)測(cè)量鏡組;所述激光干涉儀線性測(cè)量組件5的線性測(cè)量組件固定在載物臺(tái)I上，移動(dòng)測(cè)量鏡組固定在自動(dòng)滑臺(tái)2上，即移動(dòng)端的自動(dòng)滑臺(tái)2上固定反射鏡，固定端的載物臺(tái)I上固定分光鏡。
[0031]所述的測(cè)頭信號(hào)處理模塊6為英特爾X64或X86系列中央處理器，將信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)上有一個(gè)數(shù)據(jù)采集及處理軟件的“上位機(jī)軟件”進(jìn)行處理。
[0032]本發(fā)明裝置特點(diǎn)在于整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，能有效的降低成本，減少實(shí)驗(yàn)人員的工作量，安裝方便，占用空間小，能夠通過測(cè)試準(zhǔn)確地對(duì)觸發(fā)式測(cè)頭的重復(fù)精度進(jìn)行檢測(cè)。
[0033]一種檢測(cè)方法，包括以下步驟:
[0034]一自動(dòng)滑臺(tái)2在載物臺(tái)I上往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
[0035]—觸發(fā)式測(cè)頭3測(cè)量自動(dòng)滑臺(tái)2的位置坐標(biāo)信息，并記錄。
[0036]—激光干涉儀線性測(cè)量組件5測(cè)量自動(dòng)滑臺(tái)2的位置坐標(biāo)信息，并記錄；當(dāng)自動(dòng)滑臺(tái)2往復(fù)運(yùn)動(dòng)，觸發(fā)式測(cè)頭3底部的測(cè)針4同自動(dòng)滑臺(tái)2接觸，測(cè)頭信號(hào)觸發(fā)，并記錄位置坐標(biāo)值。
[0037]—觸發(fā)式測(cè)頭3和激光干涉儀線性測(cè)量組件5不斷將測(cè)得的運(yùn)動(dòng)位置坐標(biāo)值信息傳輸給測(cè)頭信號(hào)處理模塊6，計(jì)算得出觸發(fā)式測(cè)頭3的重復(fù)精度。
[0038]所述重復(fù)精度的計(jì)算公式為:
[0039]σ2= I(X1-Xbar)Vn (I)
[0040]其中，i = I，2，3……n，XbaA平均值;單位為ym;Min為樣本中最小值;Max為樣本中最大值;2*σ為樣本的2倍標(biāo)準(zhǔn)差;σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差，它反映了數(shù)據(jù)相對(duì)于平均值的離散程度。用途:估算樣本的標(biāo)準(zhǔn)偏差。2σ使用正態(tài)分布95 %置信水平估計(jì)。
[0041 ]激光干涉儀反饋為納米級(jí)，通過對(duì)“上位機(jī)軟件”進(jìn)行設(shè)置，最終顯示的分辨率達(dá)到納米級(jí)，這樣計(jì)算出來的數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確及可靠。
[0042]通過以上的檢測(cè)方法就能夠測(cè)得高精度觸發(fā)式測(cè)頭的重復(fù)精度。該方法的優(yōu)點(diǎn)是整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，能有效的降低成本，減少實(shí)驗(yàn)人員的工作量，安裝方便，占用空間小，能夠通過測(cè)試準(zhǔn)確地對(duì)觸發(fā)式測(cè)頭的重復(fù)精度進(jìn)行檢測(cè)。
[0043]通過在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)國內(nèi)外觸發(fā)式測(cè)頭產(chǎn)品用以上檢測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)所測(cè)得的可靠數(shù)據(jù)。圖2為對(duì)國外產(chǎn)品所測(cè)得的數(shù)據(jù)，其中此11 = -0.394、1&? = 0.556、2*0 = 0.3722;圖3為對(duì)國內(nèi)產(chǎn)品所測(cè)得的數(shù)據(jù)。其中:Min = -0.95、Max = 0.748、2*σ = 0.94589。
[0044]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用激光干涉儀檢測(cè)高精度觸發(fā)式測(cè)頭重復(fù)精度的裝置，其特征在于包括: 設(shè)置于水平工作面上的載物臺(tái)(I)、 能夠往復(fù)運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)滑臺(tái)(2)、 用于計(jì)算得出觸發(fā)式測(cè)頭(3)重復(fù)精度的信號(hào)處理模塊(6)、 用于分別測(cè)量自動(dòng)滑臺(tái)(2)運(yùn)動(dòng)位置坐標(biāo)的觸發(fā)式測(cè)頭(3)和激光干涉儀線性測(cè)量組件(5); 所述的觸發(fā)式測(cè)頭(3)和激光干涉儀線性測(cè)量組件(5)用于分別將測(cè)得的位置坐標(biāo)值記錄，并傳輸給測(cè)頭信號(hào)處理模塊(6)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用激光干涉儀檢測(cè)高精度觸發(fā)式測(cè)頭重復(fù)精度的裝置，其特征在于: 所述的觸發(fā)式測(cè)頭(3)底部設(shè)置有用于接觸自動(dòng)滑臺(tái)(2)的測(cè)針(4)，所述的觸發(fā)式測(cè)頭(3)位于自動(dòng)滑臺(tái)(2)的上方，固定于載物臺(tái)(I)的架體上。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用激光干涉儀檢測(cè)高精度觸發(fā)式測(cè)頭重復(fù)精度的裝置，其特征在于: 所述的所述激光干涉儀線性測(cè)量組件(5)包括線性測(cè)量組件和移動(dòng)測(cè)量鏡組； 所述激光干涉儀線性測(cè)量組件(5)的線性測(cè)量組件固定在載物臺(tái)(I)上，移動(dòng)測(cè)量鏡組固定在自動(dòng)滑臺(tái)(2)上。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用激光干涉儀檢測(cè)高精度觸發(fā)式測(cè)頭重復(fù)精度的裝置，其特征在于: 所述的測(cè)頭信號(hào)處理模塊(6)為英特爾X64或X86系列中央處理器。5.一種檢測(cè)方法，其特征在于包括以下步驟: 一自動(dòng)滑臺(tái)(2)在載物臺(tái)(I)上往復(fù)運(yùn)動(dòng)； 一觸發(fā)式測(cè)頭(3)測(cè)量自動(dòng)滑臺(tái)(2)的位置坐標(biāo)信息，并記錄； 一激光干涉儀線性測(cè)量組件(5)測(cè)量自動(dòng)滑臺(tái)(2)的位置坐標(biāo)信息，并記錄； 一觸發(fā)式測(cè)頭(3)和激光干涉儀線性測(cè)量組件(5)不斷將測(cè)得的運(yùn)動(dòng)位置坐標(biāo)值信息傳輸給測(cè)頭信號(hào)處理模塊(6)，計(jì)算得出觸發(fā)式測(cè)頭(3)的重復(fù)精度。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的檢測(cè)方法，其特征在于: 當(dāng)自動(dòng)滑臺(tái)(2)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，觸發(fā)式測(cè)頭(3)底部的測(cè)針(4)同自動(dòng)滑臺(tái)(2)接觸，測(cè)頭信號(hào)觸發(fā)，并記錄位置坐標(biāo)值。7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的檢測(cè)方法，其特征在于: 所述重復(fù)精度的計(jì)算公式為: ο2 = Σ (X1-Xbar)Vn (I) 其中，i = I，2，3……n，Xbar*平均值;單位為ym;Min為樣本中最小值;Max為樣本中最大值;2*σ為樣本的2倍標(biāo)準(zhǔn)差;σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差;2σ使用正態(tài)分布95%置信水平估計(jì)。
【文檔編號(hào)】G01B21/00GK105841650SQ201610408905
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年6月8日
【發(fā)明人】李俊, 郝天陽, 王慶朋, 張繼德, 商懷昊, 孫振
【申請(qǐng)人】科德數(shù)控股份有限公司