專利名稱：一種三維位置跟蹤測量裝置及其測量方法
技術領域：
本發(fā)明屬于測量領域，具體地說是一種三維位置跟蹤測量裝置及其測量方法。
背景技術：
精密位置及姿態(tài)測量系統應用廣泛，如工件加工、組件裝配、刀具運動、工裝定位等。而在一些工作站級的生產領域中，產品質量主要取決于設備或工件的位置精度。如基于關節(jié)機器人的點焊操作通常僅需要確保機器人執(zhí)行末端在相應負載下的位置精度。針對這類工作站級測量需求，測量裝備需要具有以下特征1.測量設備便攜性好；2.測量設備本體及測試方法對被測量設備精度無影響；3.測量距離<&1;4.靜態(tài)精度< 15μπι;5.動態(tài)檢測精度< 20 25 μ m。在現有相關產品中，龍門式三坐標測量機的測量精度高，但體積龐大不宜移動；關節(jié)臂式測量儀便攜性好，但精度在Im處> 30 μ m，且一般需要人員輔助，不宜自主跟蹤測量；激光跟蹤儀便攜性好，精度在距離Im處約為15 μ m，其測量精度受碼盤精度影響，隨測量距離增加而變大。因此，現有設備尚無法滿足上述工作站級的位置測量要求。激光干涉儀是基于光干涉原理的通用長度測量工具。結合不同的光學組件，激光干涉儀可以實現線位移、角位移、直線度、垂直度、平面度等多項指標的測量；由于激光干涉儀以激光波長作為已知標準長度，因而其測量精度高。不僅如此，干涉儀本體與運動部件不發(fā)生物理接觸(僅將反射鏡安裝在運動部件上)，因而避免了傳統接觸式測量方式對測試結果的影響。基于上述諸多優(yōu)點，本發(fā)明以激光干涉儀為核心部件，實現三維的位置測量。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種滿足上述工作站級操作位置精度的三維位置跟蹤測量裝置及其測量方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現的本發(fā)明包括干涉儀本體、干涉計鏡組、偏差檢測系統、二維隨動系統、第一轉向元件、目標反射鏡及第二轉向元件，其中干涉儀本體、偏差檢測系統及二維隨動系統分別安裝在支撐件上，目標反射鏡安裝在被測機器人的末端執(zhí)行器上，干涉儀本體的激光輸出端設有干涉計鏡組，所述第一轉向元件及第二轉向元件分別安裝在二維隨動系統上，第一轉向元件具有平行于激光光路的一個移動自由度，第二轉向元件具有平行于激光光路及垂直于激光光路的兩個移動自由度；所述偏差檢測系統包括分光元件及光斑位置傳感器，干涉儀本體發(fā)射的激光光路依次通過干涉計鏡組、分光元件，經第一轉向元件、第二轉向元件轉向后照射到目標反射鏡上，目標反射鏡反射的光經第二轉向元件及第一轉向元件后照射到偏差檢測系統上，通過分光元件分為兩路，一路反射回干涉儀本體，另一路照射在光斑位置傳感器上。其中所述干涉計鏡組、分光元件、光斑位置傳感器、第一轉向元件、目標反射鏡及第二轉向元件由激光照射部分的軸線位于發(fā)射激光光路及反射激光光路之間的中間位置；所述偏差檢測系統中的分光元件及光斑位置傳感器分別設置在安裝架上，光斑位置傳感器位于分光元件的下方；在支撐件上設有三維位置調整臺，所述安裝架固定在三維位置調整臺上；所述二維隨動系統包括兩個互相平行、安裝在支撐件上的直線單元以及兩個分別連接于直線單元上的一維隨動系統，每個一維隨動系統均可沿直線單元往復移動；所述第一轉向元件及第二轉向元件分別安裝在兩個一維隨動系統上；直線單元為伺服電機帶動絲杠轉動、通過絲杠與絲母的螺紋連接使絲母移動的結構；一維隨動系統包括支座、絲桿轉軸、 滑塊、導軌、調整底座及二維旋轉平臺，其中支座分別與兩個直線單元中的絲母相連，絲桿轉軸可轉動地安裝在支座上，絲桿轉軸的一端連接有伺服電機及編碼器；所述導軌固定在支座上、位于絲桿轉軸的上方，導軌上連接有滑塊，該滑塊固接有與絲桿轉軸螺紋連接的絲母；在滑塊上安裝有調整底座，調整底座上設有二維旋轉平臺，轉向元件安裝在二維旋轉平臺上；滑塊及其上安裝的部件通過絲母與絲桿轉軸的轉動，沿導軌與激光光路平行的方向往復移動；支座的一側固接控制開關，調整底座上設有與控制開關相對應的擋塊。本發(fā)明的測量方法為干涉儀本體發(fā)出的激光依次穿過干涉計鏡組、偏差檢測系統中的分光元件，經第一轉向元件、第二轉向元件轉向后照射到被測機器人末端執(zhí)行器上的目標反射鏡，由目標反射鏡反射的反射光路經第一轉向元件、第二轉向元件轉向后照射到分光元件、被分成兩路，其中一路經干涉計鏡組反射回干涉儀本體，另一路照射到光斑位置傳感器上，由光斑位置傳感器檢測目標反射鏡隨被測機器人移動產生的偏移，再將檢測出的偏移量轉換成位移信號后傳遞給二維隨動系統中的各伺服電機，由各伺服電機帶動第一轉向元件及第二轉向元件移動，使第一轉向元件及第二轉向元件準確跟蹤目標反射鏡。其中所述偏移量為由于目標反射鏡隨被測機器人運動，照射到光斑位置傳感器上的光班中心發(fā)生偏移。本發(fā)明的優(yōu)點與積極效果為本發(fā)明測量精度高，結構簡單，便攜性好；測量方法簡單，可靠性強。


圖1為本發(fā)明三維位置跟蹤測量裝置的立體結構示意圖；圖2為圖1的主視圖；圖3為圖1的俯視圖；圖4為圖1中偏差檢測系統的立體結構示意圖；圖5為圖1中二維隨動系統的立體結構示意圖；圖6為圖5中一維隨動系統的立體結構示意圖；其中1為干涉儀本體；2為干涉計鏡組，3為偏差檢測系統，301為分光元件，302為光斑位置傳感器；303為安裝架，304為
三維位置調整臺；4為二維隨動系統，401為直線單元，402為一維隨動系統，403為支座，404為絲桿轉軸，405為滑塊，406為導軌，407為調整底座，408為二維旋轉平臺，409為擋塊，410為調整桿，411為控制開關；5為第一轉向元件，6為目標反射鏡，7為支撐件，8為被測機器人，9為第二轉向元件。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳述。如圖1 5所示，本發(fā)明三維位置跟蹤測量裝置包括干涉儀本體1、干涉計鏡組2、 偏差檢測系統3、二維隨動系統4、第一轉向元件5、目標反射鏡6及第二轉向元件9，其中干涉儀本體1、偏差檢測系統3及二維隨動系統4分別安裝在支撐件7上，目標反射鏡6安裝在被測機器人1的末端執(zhí)行器上，干涉儀本體1的激光輸出端固接有干涉計鏡組2。偏差檢測系統3包括分光元件301、光斑位置傳感器302、安裝架303及三維位置調整臺304，其中三維位置調整臺304固定在支撐件7上，安裝架303安裝在三維位置調整臺304上，分光元件301及光斑位置傳感器302分別設置在安裝架303上，光斑位置傳感器 302位于分光元件301的下方。分光元件301及光斑位置傳感器302通過三維位置調整臺 304可以進行位置調整，三維位置調整臺304的三維是指與激光光路平行的方向、在水平面上垂直于激光光路的方向以及垂直于水平面的鉛垂方向。二維隨動系統4包括兩個互相平行、安裝在支撐件7上的直線單元401以及兩個分別連接于直線單元401上的一維隨動系統402，兩個直線單元401垂直于激光光路設置， 兩個一維隨動系統402與激光光路平行地連接在兩上直線單元401之間；其中一個一維隨動系統402上設有第一轉向元件5，另一個一維隨動系統402上設有第二轉向元件9，第一轉向元件5具有平行于激光光路的一個移動自由度，第二轉向元件具有平行于激光光路及垂直于激光光路的兩個移動自由度；直線單元401為伺服電機帶動絲杠轉動、通過絲杠與絲母的螺紋連接使絲母移動的結構，每個一維隨動系統的兩端分別連接與直線單元401上的絲母，使每個一維隨動系統402均可沿直線單元401往復移動。一維隨動系統402包括支座403、絲桿轉軸404、滑塊405、導軌406、調整底座407、 二維旋轉平臺408、擋塊409及控制開關411，其中支座403分別與兩個直線單元中的絲母相連，絲桿轉軸404的兩端通過軸承可轉動地安裝在支座403上，絲桿轉軸404的一端由支座403穿出、連接有伺服電機及編碼器；導軌406固定在支座403的頂部、位于絲桿轉軸 404的上方，導軌406上連接有滑塊405，該滑塊405固接有與絲桿轉軸404螺紋連接的絲母；在滑塊405上安裝有調整底座407，調整底座407上設有二維旋轉平臺408，第一轉向元件5通過調整桿410安裝在一個一維隨動系統的二維旋轉平臺408上，第二轉向元件9直接安裝在另一個一維隨動系統的二維旋轉平臺408上；滑塊405及其上安裝的部件通過絲母與絲桿轉軸404的轉動，沿導軌與激光光路平行的方向往復移動。支座403的一側固接三個控制開關411，其中兩個為限位開關，中間的一個為零位開關，在調整底座407上設有與控制開關411相對應的擋塊409。第一轉向元件5的位置可通過二維旋轉平臺408進行初調，然后再由調整桿410進行微調。干涉儀本體1發(fā)射的激光光路依次通過干涉計鏡組2、分光元件301，經第一轉向元件5、第二轉向元件9轉向后照射到目標反射鏡6上，目標反射鏡6反射的光經第二轉向元件9及第一轉向元件5后照射到偏差檢測系統3上，通過分光元件301分為兩路，一路反射回干涉儀本體1，另一路照射在光斑位置傳感器302上。干涉計鏡組2、分光元件301、光斑位置傳感器302、第一轉向元件5、目標反射鏡6及第二轉向元件9由激光照射部分的軸線位于發(fā)射激光光路及反射激光光路之間的中間位置。
本發(fā)明的測量方法為干涉儀本體1發(fā)出的激光依次穿過干涉計鏡組2、偏差檢測系統3中的分光元件 301，經第一轉向元件5、第二轉向元件9轉向后照射到被測機器人8末端執(zhí)行器上的目標反射鏡6，由目標反射鏡6反射的反射光路經第一轉向元件5、第二轉向元件9轉向后照射到分光元件301、被分成兩路，其中一路經干涉計鏡組2反射回干涉儀本體1，另一路照射到光斑位置傳感器302上，由于目標反射鏡6隨被測機器人8運動，照射到光斑位置傳感器302 上的光班中心發(fā)生偏移，再將檢測出的偏移量轉換成位移信號后傳遞給二維隨動系統4中的伺服電機，各伺服電機工作，帶動絲杠或絲桿轉軸轉動，通過與絲杠或絲桿轉軸螺紋連接的絲母使轉動副變?yōu)橐苿痈?，進而使第一轉向元件5及第二轉向元件9對目標反射鏡進行準確跟蹤，同時編碼器的位置反饋會及時調整各伺服電機的跟蹤速度。
權利要求
1.一種三維位置跟蹤測量裝置，其特征在于包括干涉儀本體(1)、干涉計鏡組O)、 偏差檢測系統(3)、二維隨動系統G)、第一轉向元件(5)、目標反射鏡(6)及第二轉向元件 (9)，其中干涉儀本體(1)、偏差檢測系統(3)及二維隨動系統(4)分別安裝在支撐件(7) 上，目標反射鏡(6)安裝在被測機器人(8)的末端執(zhí)行器上，干涉儀本體(1)的激光輸出端設有干涉計鏡組O)，所述第一轉向元件( 及第二轉向元件(9)分別安裝在二維隨動系統 (4)上，第一轉向元件( 具有平行于激光光路的一個移動自由度，第二轉向元件(9)具有平行于激光光路及垂直于激光光路的兩個移動自由度；所述偏差檢測系統C3)包括分光元件(301)及光斑位置傳感器(302)，干涉儀本體(1)發(fā)射的激光光路依次通過干涉計鏡組 O)、分光元件(301)，經第一轉向元件(5)、第二轉向元件(9)轉向后照射到目標反射鏡(6) 上，目標反射鏡(6)反射的光經第二轉向元件(9)及第一轉向元件( 后照射到偏差檢測系統(3)上，通過分光元件(301)分為兩路，一路反射回干涉儀本體(1)，另一路照射在光斑位置傳感器(30 上。
2.按權利要求1所述的三維位置跟蹤測量裝置，其特征在于所述干涉計鏡組(2)、分光元件(301)、光斑位置傳感器(302)、第一轉向元件(5)、目標反射鏡(6)及第二轉向元件 (9)由激光照射部分的軸線位于發(fā)射激光光路及反射激光光路之間的中間位置。
3.按權利要求1所述的三維位置跟蹤測量裝置，其特征在于所述偏差檢測系統(3) 中的分光元件(301)及光斑位置傳感器(30 分別設置在安裝架(30 上，光斑位置傳感器(30 位于分光元件(301)的下方；在支撐件(7)上設有三維位置調整臺(304)，所述安裝架(303)固定在三維位置調整臺(304)上。
4.按權利要求1所述的三維位置跟蹤測量裝置，其特征在于所述二維隨動系統包括兩個互相平行、安裝在支撐件(7)上的直線單元001)以及兩個分別連接于直線單元 (401)上的一維隨動系統002)，每個一維隨動系統(40 均可沿直線單元(401)往復移動；所述第一轉向元件( 及第二轉向元件(9)分別安裝在兩個一維隨動系統上。
5.按權利要求4所述的三維位置跟蹤測量裝置，其特征在于所述直線單元001)為伺服電機帶動絲杠轉動、通過絲杠與絲母的螺紋連接使絲母移動的結構。
6.按權利要求4所述的三維位置跟蹤測量裝置，其特征在于所述一維隨動系統002) 包括支座003)、絲桿轉軸004)、滑塊005)、導軌006)、調整底座(407)及二維旋轉平臺 008)，其中支座(40 分別與兩個直線單元中的絲母相連，絲桿轉軸(404)可轉動地安裝在支座(40 上，絲桿轉軸(404)的一端連接有伺服電機及編碼器；所述導軌(406)固定在支座(40 上、位于絲桿轉軸(404)的上方，導軌(406)上連接有滑塊005)，該滑塊005) 固接有與絲桿轉軸(404)螺紋連接的絲母；在滑塊(40 上安裝有調整底座007)，調整底座(407)上設有二維旋轉平臺008)，轉向元件安裝在二維旋轉平臺(408)上；滑塊005) 及其上安裝的部件通過絲母與絲桿轉軸(404)的轉動，沿導軌與激光光路平行的方向往復移動。
7.按權利要求6所述的三維位置跟蹤測量裝置，其特征在于所述支座003)的一側固接控制開關G11)，調整底座(407)上設有與控制開關Gll)相對應的擋塊009)。
8.一種按權利要求1至7中任一權利要求所述三維位置跟蹤測量裝置的測量方法，其特征在于干涉儀本體(1)發(fā)出的激光依次穿過干涉計鏡組O)、偏差檢測系統(3)中的分光元件(301)，經第一轉向元件(5)、第二轉向元件(9)轉向后照射到被測機器人(8)末端執(zhí)行器上的目標反射鏡(6)，由目標反射鏡(6)反射的反射光路經第一轉向元件(5)、第二轉向元件(9)轉向后照射到分光元件(301)、被分成兩路，其中一路經干涉計鏡組( 反射回干涉儀本體(1)，另一路照射到光斑位置傳感器(30 上，由光斑位置傳感器(30 檢測目標反射鏡(6)隨被測機器人(8)移動產生的偏移，再將檢測出的偏移量轉換成位移信號后傳遞給二維隨動系統中的各伺服電機，由各伺服電機帶動第一轉向元件( 及第二轉向元件(9)移動，使第一轉向元件( 及第二轉向元件(9)準確跟蹤目標反射鏡(6)。
9.按權利要求8所述的測量方法，其特征在于所述偏移量為由于目標反射鏡(6)隨被測機器人(8)運動，照射到光斑位置傳感器(30 上的光班中心發(fā)生偏移。
全文摘要
本發(fā)明屬于測量領域，具體地說是一種三維位置跟蹤測量裝置及其測量方法，裝置包括干涉儀本體、干涉計鏡組、偏差檢測系統、二維隨動系統、目標反射鏡及第一、二轉向元件，方法為干涉儀本體發(fā)射的激光光路依次通過干涉計鏡組、分光元件，經第一、二轉向元件轉向后照射到目標反射鏡上，目標反射鏡反射的光經兩個轉向元件后照射到偏差檢測系統上，通過分光元件分為兩路，一路反射回干涉儀本體，另一路照射在光斑位置傳感器上；再將檢測出的偏移量轉換成位移信號后傳遞給二維隨動系統中的各伺服電機，帶動第一、二轉向元件移動，使第一、二轉向元件準確跟蹤目標反射鏡。本發(fā)明測量精度高，結構簡單，便攜性好；測量方法簡單，可靠性強。
文檔編號G01B11/00GK102538664SQ20101058676
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月13日 優(yōu)先權日2010年12月13日
發(fā)明者朱思俊, 柳連柱, 許石哲, 趙明揚, 鄒媛媛, 郭大忠 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所