本發(fā)明涉及一種旋轉(zhuǎn)角測量方法，特別是涉及一種基于曲面基準件的旋轉(zhuǎn)角測量方法。

背景技術：

目前使用較為廣泛的機床誤差檢測儀器有激光干涉儀和球桿儀，由于自身檢測原理上的因素，這些儀器在應用于多軸數(shù)控機床的誤差檢測中存在各自的不足：如激光干涉儀調(diào)整復雜，一次測量只能獲得一個參數(shù)，操作要求高，難以實現(xiàn)自動化、快速化，并且價格昂貴，一般企業(yè)不具備；球桿儀無法隨意規(guī)劃測量路徑，為旋轉(zhuǎn)軸誤差辨識的測量步驟設計和理論解耦算法研究增加了難度，且球桿儀以磁力座配合精密球進行接觸式測量，需要在低速下運動以保證測量精度，很難適應快速化趨勢。

針對復雜異型零件的加工，多軸數(shù)控加工技術憑借其靈活、高效、高精的特點得到了廣泛應用和推廣，為滿足定期精度校準的需要，高效的機床誤差檢測與辨識方法就成為亟待解決的問題。

多軸數(shù)控機床的幾何誤差檢測項目主要包括各軸的角度誤差、定位誤差、直線度誤差、垂直度誤差等，其中角度誤差中的旋轉(zhuǎn)角誤差是最難測量的參數(shù)。目前國內(nèi)外對機械導軌旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角誤差的檢測還處于一種研究和探索階段。為了檢測旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角誤差，因此需要提出更多的旋轉(zhuǎn)角測量方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決公知技術中存在的技術問題而提供一種基于曲面基準件的旋轉(zhuǎn)角測量方法，采用該方法可測量旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度。

本發(fā)明為解決公知技術中存在的技術問題所采取的技術方案是：一種基于曲面基準件的旋轉(zhuǎn)角測量方法，在z軸上安裝差分光學測頭，在與z軸平行或同軸的旋轉(zhuǎn)軸上卡固曲面基準件，在所述曲面基準件上至少設有曲面ⅰ和曲面ⅱ，所述差分光學測頭設有一個數(shù)據(jù)處理模塊和兩個結構相同的光學測頭，兩個所述光學測頭分別是光學測頭ⅰ和光學測頭ⅱ，所述光學測頭的光軸與z軸平行，所述差分光學測頭位于所述曲面基準件的上方，兩個所述光學測頭光軸間的距離與曲面ⅰ和曲面ⅱ中心間的距離相等；所述光學測頭包括激光器、孔徑光闌、反射鏡、分光棱鏡、成像透鏡和ccd相機，所述激光器發(fā)出的準直光束經(jīng)所述孔徑光闌縮成細直光束，細直光束經(jīng)所述反射鏡后入射到所述分光棱鏡中，1/2能量的反射光束投射到曲面內(nèi)的任意一點，該點反射的光束經(jīng)所述分光棱鏡透射后，通過所述成像透鏡成像在所述ccd相機上；采用所述差分光學測頭和所述曲面基準件測量旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角，具體步驟如下：1)通過標定得出光學測頭ⅰ的光軸在光學測頭ⅰ的ccd相機中的位置坐標o1'(x'o1,y'o1)，通過標定得出光學測頭ⅱ的光軸在光學測頭ⅱ的ccd相機中的位置坐標o'2(x'o2,y'o2)；2)調(diào)整所述曲面基準件，使所述曲面ⅰ位于光學測頭ⅰ的測量范圍內(nèi)，所述曲面ⅱ位于所述光學測頭ⅱ的測量范圍內(nèi)，且所述曲面ⅰ的中心線與所述光學測頭ⅰ的光軸平行，所述曲面ⅱ的中心線與所述光學測頭ⅱ的光軸平行；此時曲面基準件位于第一位置ai處，曲面ⅰ對應的測量點為a1(x1,y1)，曲面ⅱ對應的測量點為a2(x2,y2)；3)所述數(shù)據(jù)處理模塊按照以下步驟進行數(shù)據(jù)處理：3.1)獲取測量點a1(x1,y1)的坐標，具體步驟為：3.1.1)獲取光學測頭ⅰ的ccd相機中成像光斑中心位置坐標a1'(x1',y1')；3.1.2)將步驟3.1)中的光斑中心位置坐標a1'(x1',y1')轉(zhuǎn)換為光斑中心距離光軸的距離s1x、s1y；3.1.3)計算測量點a1斜率對應的角度：ξx1＝arctan(s1x/f)/2，ξy1＝arctan(s1y/f)/2，其中：ξx1代表測量點a1在xoz平面內(nèi)的切線與x軸方向的夾角；ξy1代表測量點a1在yoz平面內(nèi)的切線與y軸方向的夾角；s1x代表第一個測量點的成像光斑的中心在x軸方向距離系統(tǒng)光軸的距離；s1y代表第一個測量點的成像光斑的中心在y軸方向距離系統(tǒng)光軸的距離；f代表成像透鏡的焦距；3.1.4)計算測量點a1(x1,y1)的坐標：x1＝g(ξx1)，y1＝g(ξy1)，其中：g(x)代表一元函數(shù)；3.2)所述數(shù)據(jù)處理模塊按照與步驟3.1)相同的步驟，獲取測量點a2(x2,y2)的坐標為：x2＝g(ξx2)，y2＝g(ξy2)，其中：ξx2代表測量點a2在xoz平面內(nèi)的切線與x軸方向的夾角；ξy2代表測量點a2在yoz平面內(nèi)的切線與y軸方向的夾角；4)轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸帶動曲面基準件旋轉(zhuǎn)到第二位置aii處，此時曲面ⅰ對應的測量點為a3(x3,y3)，曲面ⅱ對應的測量點為a4(x4,y4)，所述數(shù)據(jù)處理模塊按照與步驟3)相同的步驟進行數(shù)據(jù)處理，獲得測量點a3(x3,y3)的坐標為：x3＝g(φx3)，y3＝g(φy3)，其中：φx3代表測量點a3在xoz平面內(nèi)的切線與x軸方向的夾角；φy3代表測量點a3在yoz平面內(nèi)的切線與y軸方向的夾角；獲得測量點a4(x4,y4)的坐標為：x4＝g(φx4)，y4＝g(φy4)，其中：φx4代表測量點a4在xoz平面內(nèi)的切線與x軸方向的夾角；φy4代表測量點a4在yoz平面內(nèi)的切線與y軸方向的夾角；5)所述數(shù)據(jù)處理模塊按照以下步驟進行數(shù)據(jù)處理，獲取曲面基準件旋轉(zhuǎn)的角度：5.1)計算位置a1(x1,y1)和位置a3(x3,y3)之間的距離：5.2)計算位置a2(x2,y2)和位置a4(x4,y4)之間的距離：5.3)計算曲面基準件旋轉(zhuǎn)的角度：γ＝arctan((d1+d2)/d0)，其中：γ代表基準件旋轉(zhuǎn)的角度；d0代表光學測頭ⅰ光軸和光學測頭ⅱ光軸的間距。

本發(fā)明具有的優(yōu)點和積極效果是：基于光學曲面制造技術，利用曲面基準件的旋轉(zhuǎn)角與兩曲面上測量點的位移量間的一一對應關系實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角度的測量，通過采用雙光學測頭組合成差分測頭的測量方法避免了對曲面基準件旋轉(zhuǎn)軸的定位，采用該方法可以獲得旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度，效率高，精度高，成本低，操作簡單，為機床旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角檢測提供了新的方法。

附圖說明

圖1為本發(fā)明應用的整體結構示意圖；

圖2為本發(fā)明采用的差分光學測頭的結構示意圖；

圖3為本發(fā)明采用的光學測頭的結構示意圖；

圖4為本發(fā)明應用的測量光路示意圖；

圖5為本發(fā)明應用的測量原理示意圖。

圖中：1、差分光學測頭；1-1、光學測頭?。?-2、光學測頭ⅱ；2、曲面基準件；2-1、曲面ⅰ；2-2、曲面ⅱ；3、激光器；4、孔徑光闌；5、反射鏡；6、分光棱鏡；7、成像透鏡；8、ccd相機。

具體實施方式

為能進一步了解本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容、特點及功效，茲例舉以下實施例，并配合附圖詳細說明如下：

請參閱圖1至圖5，一種基于曲面基準件的旋轉(zhuǎn)角測量方法，在z軸上安裝差分光學測頭1，在與z軸平行或同軸的旋轉(zhuǎn)軸上卡固曲面基準件2，在所述曲面基準件2上至少設有曲面ⅰ2-1和曲面ⅱ2-2，所述差分光學測頭1設有一個數(shù)據(jù)處理模塊和兩個結構相同的光學測頭，兩個所述光學測頭分別是光學測頭ⅰ1-1和光學測頭ⅱ1-2，所述光學測頭的光軸與z軸平行，所述差分光學測頭1位于所述曲面基準件2的上方，兩個所述光學測頭光軸間的距離與曲面ⅰ2-1和曲面ⅱ2-2中心間的距離相等。

所述光學測頭包括激光器3、孔徑光闌4、反射鏡5、分光棱鏡6、成像透鏡7和ccd相機8，所述激光器3發(fā)出的準直光束經(jīng)所述孔徑光闌4縮成細直光束，細直光束經(jīng)所述反射鏡5后入射到所述分光棱鏡6中，1/2能量的反射光束投射到曲面內(nèi)的任意一點，該點反射的光束經(jīng)所述分光棱鏡6透射后，通過所述成像透鏡7成像在所述ccd相機8上。

采用所述差分光學測頭1和所述曲面基準件2測量旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角，具體步驟如下：

1)通過標定得出光學測頭ⅰ1-1的光軸在光學測頭ⅰ1-1的ccd相機中的位置坐標o1'(x'o1,y'o1)，通過標定得出光學測頭ⅱ1-2的光軸在光學測頭ⅱ1-2的ccd相機中的位置坐標o'2(x'o2,y'o2)。

2)調(diào)整所述曲面基準件2，使所述曲面ⅰ2-1位于光學測頭ⅰ1-1的測量范圍內(nèi)，所述曲面ⅱ2-2位于所述光學測頭ⅱ1-2的測量范圍內(nèi)，且所述曲面ⅰ2-1的中心線與所述光學測頭ⅰ1-1的光軸平行，所述曲面ⅱ2-2的中心線與所述光學測頭ⅱ1-2的光軸平行；此時曲面基準件2位于第一位置ai處，曲面ⅰ2-1上對應的測量點為a1(x1,y1)，曲面ⅱ2-2上對應的測量點為a2(x2,y2)。

3)所述數(shù)據(jù)處理模塊按照以下步驟進行數(shù)據(jù)處理：

3.1)獲取測量點a1(x1,y1)的坐標，具體步驟為：

3.1.1)獲取光學測頭ⅰ1-1的ccd相機中成像光斑中心位置坐標a1'(x1',y1')；

3.1.2)將步驟3.1)中的光斑中心位置坐標a1'(x1',y1')轉(zhuǎn)換為光斑中心距離光軸的距離s1x、s1y；

3.1.3)計算測量點a1斜率對應的角度：

ξx1＝arctan(s1x/f)/2(1)

ξy1＝arctan(s1y/f)/2(2)

其中：ξx1代表測量點a1在xoz平面內(nèi)的切線與x軸方向的夾角；

ξy1代表測量點a1在yoz平面內(nèi)的切線與y軸方向的夾角；

s1x代表第一個測量點的成像光斑的中心在x軸方向距離系統(tǒng)光軸的距離；

s1y代表第一個測量點的成像光斑的中心在y軸方向距離系統(tǒng)光軸的距離；

f代表成像透鏡7的焦距；

3.1.4)計算測量點a1(x1,y1)的坐標：

x1＝g(ξx1)(3)

y1＝g(ξy1)(4)

其中：g(x)代表一元函數(shù)；

3.2)所述數(shù)據(jù)處理模塊按照與步驟3.1)相同的步驟，獲取測量點a2(x2,y2)的坐標為：

x2＝g(ξx2)(5)

y2＝g(ξy2)(6)

其中：ξx2代表測量點a2在xoz平面內(nèi)的切線與x軸方向的夾角；

ξy2代表測量點a2在yoz平面內(nèi)的切線與y軸方向的夾角；

4)轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸帶動曲面基準件2旋轉(zhuǎn)到第二位置aii處，此時曲面ⅰ2-1上對應的測量點為a3(x3,y3)，曲面ⅱ2-2上對應的測量點為a4(x4,y4)，所述數(shù)據(jù)處理模塊按照與步驟3)相同的步驟進行數(shù)據(jù)處理，獲得測量點a3(x3,y3)的坐標為：

x3＝g(φx3)(7)

y3＝g(φy3)(8)

其中：φx3代表測量點a3在xoz平面內(nèi)的切線與x軸方向的夾角；

φy3代表測量點a3在yoz平面內(nèi)的切線與y軸方向的夾角；

獲得測量點a4(x4,y4)的坐標為：

x4＝g(φx4)(9)

y4＝g(φy4)(10)

其中：φx4代表測量點a4在xoz平面內(nèi)的切線與x軸方向的夾角；

φy4代表測量點a4在yoz平面內(nèi)的切線與y軸方向的夾角；

5)所述數(shù)據(jù)處理模塊按照以下步驟進行數(shù)據(jù)處理，獲取曲面基準件2旋轉(zhuǎn)的角度：

5.1)計算位置a1(x1,y1)和位置a3(x3,y3)之間的距離：

5.2)計算位置a2(x2,y2)和位置a4(x4,y4)之間的距離：

5.3)計算曲面基準件2旋轉(zhuǎn)的角度：

γ＝arctan((d1+d2)/d0)(13)

其中：γ代表曲面基準件2旋轉(zhuǎn)的角度；

d0代表光學測頭ⅰ1-1光軸和光學測頭ⅱ1-2光軸的間距。

本發(fā)明的應用實例：

在z軸上安裝差分光學測頭1，在與z軸平行或同軸的旋轉(zhuǎn)軸上卡固曲面基準件2，本實例中曲面ⅰ2-1為旋轉(zhuǎn)拋物面ⅰ和曲面ⅱ2-2為旋轉(zhuǎn)拋物面ⅱ，采用以下步驟進行測量：

1)通過標定得出光學測頭ⅰ1-1的光軸在光學測頭ⅰ1-1的ccd相機中的位置坐標o1'(x'o1,y'o1)，通過標定得出光學測頭ⅱ1-2的光軸在光學測頭ⅱ1-2的ccd相機中的位置坐標o'2(x'o2,y'o2)；

2)調(diào)整所述曲面基準件2，使所述旋轉(zhuǎn)拋物面ⅰ2-1位于光學測頭ⅰ1-1的測量范圍內(nèi)，所述旋轉(zhuǎn)拋物面ⅱ位于所述光學測頭ⅱ1-2的測量范圍內(nèi)，且所述旋轉(zhuǎn)拋物面ⅰ的中心線與所述光學測頭ⅰ1-1的光軸平行，所述旋轉(zhuǎn)拋物面ⅱ的中心線與所述光學測頭ⅱ1-2的光軸平行；此時曲面基準件2位于第一位置ai處，旋轉(zhuǎn)拋物面ⅰ上對應的測量點為a1(x1,y1)，旋轉(zhuǎn)拋物面ⅱ上對應的測量點為a2(x2,y2)；

3)所述數(shù)據(jù)處理模塊按照以下步驟進行數(shù)據(jù)處理：

3.1)獲取測量點a1(x1,y1)的坐標，具體步驟為：

3.1.1)獲取光學測頭ⅰ1-1的ccd相機中成像光斑中心位置坐標a1'(x1',y1')；

3.1.2)將步驟3.1)中的光斑中心位置坐標a1'(x1',y1')轉(zhuǎn)換為光斑中心距離光軸的距離s1x、s1y；

3.1.3)計算測量點a1斜率對應的角度：

ξx1＝arctan(s1x/f)/2(14)

ξy1＝arctan(s1y/f)/2(15)

其中：ξx1代表測量點a1在xoz平面內(nèi)的切線與x軸方向的夾角；

ξy1代表測量點a1在yoz平面內(nèi)的切線與y軸方向的夾角；

s1x代表第一個測量點的成像光斑的中心在x軸方向距離系統(tǒng)光軸的距離；

s1y代表第一個測量點的成像光斑的中心在y軸方向距離系統(tǒng)光軸的距離；

f代表成像透鏡7的焦距；

計算測量點a1的坐標：

∵旋轉(zhuǎn)拋物面的面型公式為：

其中：a²為旋轉(zhuǎn)拋物面的特征參數(shù)；

為得到旋轉(zhuǎn)拋物面上任一點的斜率，對(16)式求一階導數(shù)：

∴x1＝a²tanξx1(19)

y1＝a²tanξy1(20)

其中：ξx1代表測量點a1在xoz平面內(nèi)的切線與x軸方向的夾角；

ξy1代表測量點a1在yoz平面內(nèi)的切線與y軸方向的夾角；

同理，計算測量a2點的坐標：

x2＝a²tanξx2(21)

y2＝a²tanξy2(22)

其中：ξx2代表測量點a2在xoz平面內(nèi)的切線與x軸方向的夾角；

ξy2代表測量點a2在yoz平面內(nèi)的切線與y軸方向的夾角；

4)轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸帶動曲面基準件2旋轉(zhuǎn)到第二位置aii處，此時旋轉(zhuǎn)拋物面ⅰ上對應的測量點為a3(x3,y3)，旋轉(zhuǎn)拋物面ⅱ上對應的測量點為a4(x4,y4)，所述數(shù)據(jù)處理模塊按照與步驟3)相同的步驟進行數(shù)據(jù)處理，獲得測量點a3(x3,y3)的坐標為：

x3＝a²tanφx3(23)

y3＝a²tanφy3(24)

其中：φx3代表測量點a3在xoz平面內(nèi)的切線與x軸方向的夾角；

φy3代表測量點a3在yoz平面內(nèi)的切線與y軸方向的夾角；

同理，計算測量點a4的坐標：

x4＝a²tanφx4(25)

y4＝a²tanφy4(26)

其中：φx4代表測量點a4在xoz平面內(nèi)的切線與x軸方向的夾角；

φy4代表測量點a4在yoz平面內(nèi)的切線與y軸方向的夾角；

5)所述數(shù)據(jù)處理模塊按照以下步驟進行數(shù)據(jù)處理，獲取曲面基準件2旋轉(zhuǎn)的角度：

5.1)計算位置a1(x1,y1)和位置a3(x3,y3)之間的距離：

5.2)計算位置a2(x2,y2)和位置a4(x4,y4)之間的距離：

5.3)計算曲面基準件2旋轉(zhuǎn)的角度：

其中：γ代表曲面基準件旋轉(zhuǎn)的角度；

d0代表光學測頭ⅰ1-1光軸和光學測頭ⅱ1-2光軸的間距。

本發(fā)明的工作原理為：

差分光學測頭中光學測頭ⅰ和光學測頭ⅱ的兩光束沿曲面的中心軸線方向分別投射到曲面基準件上點a1和點a2處，兩光學測頭分別測得點a1在和點a2在兩曲面上的測量起始位置，當曲面基準件繞著o0旋轉(zhuǎn)角度γ時，兩光束在兩曲面上的投射點將分別隨之移動到點a3和點a4處，且不同旋轉(zhuǎn)角度下兩投射點的位移量不同，即兩光束投射點的位移量與旋轉(zhuǎn)角度有一一對應的關系，則可以根據(jù)兩光束投射點的位移量求出攜帶曲面基準件滾轉(zhuǎn)的運動部件的旋轉(zhuǎn)角。

盡管上面結合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權利要求所保護的范圍的情況下，還可以做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。