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

背景技術(shù)：

目前，工業(yè)生產(chǎn)所依賴的機械設(shè)備往往具有多個運動自由度，隨著自由度的增多，其誤差項也隨之增多。比如，對于常見的3軸立式加工中心，其幾何誤差就高達21向，分別為3個運動方向的定位誤差，直線度誤差，俯仰，偏擺，扭轉(zhuǎn)角度誤差，以及每個運動方向和另外兩個運動方向之間的垂直度誤差。相比較單自由度位移測量系統(tǒng)，四自由度測量系統(tǒng)可同時對四個自由度的誤差進行測量，大大減少了測量難度，以及成本。

目前，已有的四自由度測量系統(tǒng)，都采用激光測量，如：一種激光多自由度測量系統(tǒng)與方法，以及一種利用無衍射光測量導(dǎo)軌四自由度運動誤差的裝置；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物體的兩個靶鏡鏡片上，靶鏡鏡片包括用于角度測量的鏡片和用于位移測量的鏡片。當被測物發(fā)生位移和角度變動時，會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平移或角度變化量從而反算出被測物的位移和角度變動量。

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

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了進一步提高四自由度激光測量系統(tǒng)的測量精度，通過結(jié)構(gòu)改進，本發(fā)明提供一種四自由度激光測量系統(tǒng)。

一種四自由度激光測量系統(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、位移光斑位置檢測器件6、透鏡7和角度光斑位置檢測器件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器件8；且透鏡7和角度光斑位置檢測器件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分別對應(yīng)著分光棱鏡4和位移光斑位置檢測器件6，位移光斑位置檢測器件6位于激光器5的一側(cè)；

工作時，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，打在一個角度光斑位置檢測器件8；若靶鏡系統(tǒng)發(fā)生偏擺和俯仰變化，會引起打在角度光斑位置檢測器件8上的光斑位置變動，通過測量光斑位置變動來間接測量靶鏡系統(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，打在另一個位移光斑位置檢測器件6上，若靶鏡系統(tǒng)發(fā)生上下和左右位移變化，會引起打在位移光斑位置檢測器件6上的光斑位置變動，通過測量光斑位置變動來間接測量靶鏡系統(tǒng)的位移量；實現(xiàn)同時測量物體兩個自由度的位移量和兩個自由度的角度量。

進一步限定的技術(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器件6和角度光斑位置檢測器件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，使得用于位移測量和角度測量的光線能量增大，提升光接收器件的信噪比，減小隨機誤差的影響。

2.本發(fā)明的位移測量光線和角度測量光線相互隔離，互不影響，消除了現(xiàn)有測量系統(tǒng)角度測量對位移測量造成的系統(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：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、位移光斑位置檢測器件6、透鏡7、角度光斑位置檢測器件8。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，通過實施例對本發(fā)明作進一步地描述。

參見圖1，一種四自由度激光測量系統(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、位移光斑位置檢測器件6、透鏡7和角度光斑位置檢測器件8；光線反射器2為角錐棱鏡；位移光斑位置檢測器件6和角度光斑位置檢測器件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器件8；且透鏡7和角度光斑位置檢測器件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分別對應(yīng)著分光棱鏡4和位移光斑位置檢測器件6，位移光斑位置檢測器件6位于激光器5的一側(cè)。

下面對四自由度激光測量系統(tǒng)的工作原理進行詳細說明：

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)角度測量。光線C繼續(xù)前進，經(jīng)過光反射器件2反射到位移光斑位置檢測器件6，用于位移測量。位移測量原理同傳統(tǒng)四自由度激光測量系統(tǒng)，如下：當光反射器件2延X方向或Y方向發(fā)生位移時，打在位移光斑位置檢測器件6上的光斑會相應(yīng)產(chǎn)生的變化，位移光斑位置檢測器件6通過將光斑位置變化轉(zhuǎn)換成電信號來獲取光反射器件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器件8上用于角度測量，角度測量原理類似自準直儀，如下：當平面反射鏡1繞X或Y軸發(fā)生角度變化時，會引起光線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，角度光斑位置檢測器件8位于透鏡7的焦平面上，當光線G的入射角度變化后，打在角度光斑位置檢測器件8上的光斑位置也會相應(yīng)變化，角度光斑位置檢測器件8通過將光斑位置變化轉(zhuǎn)換成電信號來反算平面反射鏡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：測量角度的平面反射鏡1和測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的平移同樣會引起角度光斑位置檢測器件8上的光斑位置的變化，對角度測量產(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)過透鏡會匯聚在焦平面上一點?？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，所以，只要將角度光斑位置檢測器件8放在透鏡7的焦平面上，就可消除位移對角度測量的影響。