[发明专利]一种三维位置跟踪测量装置及其测量方法

说明书

技术领域

本发明属于测量领域，具体地说是一种三维位置跟踪测量装置及其测量方法。

背景技术

精密位置及姿态测量系统应用广泛，如工件加工、组件装配、刀具运动、工装定位等。而在一些工作站级的生产领域中，产品质量主要取决于设备或工件的位置精度。如基于关节机器人的点焊操作通常仅需要确保机器人执行末端在相应负载下的位置精度。针对这类工作站级测量需求，测量装备需要具有以下特征：1.测量设备便携性好；2.测量设备本体及测试方法对被测量设备精度无影响；3.测量距离＜2m；4.静态精度＜15μm；5.动态检测精度＜20～25μm。

在现有相关产品中，龙门式三坐标测量机的测量精度高，但体积庞大不宜移动；关节臂式测量仪便携性好，但精度在1m处＞30μm，且一般需要人员辅助，不宜自主跟踪测量；激光跟踪仪便携性好，精度在距离1m处约为15μm，其测量精度受码盘精度影响，随测量距离增加而变大。因此，现有设备尚无法满足上述工作站级的位置测量要求。

激光干涉仪是基于光干涉原理的通用长度测量工具。结合不同的光学组件，激光干涉仪可以实现线位移、角位移、直线度、垂直度、平面度等多项指标的测量；由于激光干涉仪以激光波长作为已知标准长度，因而其测量精度高。不仅如此，干涉仪本体与运动部件不发生物理接触(仅将反射镜安装在运动部件上)，因而避免了传统接触式测量方式对测试结果的影响。基于上述诸多优点，本发明以激光干涉仪为核心部件，实现三维的位置测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种满足上述工作站级操作位置精度的三维位置跟踪测量装置及其测量方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括干涉仪本体、干涉计镜组、偏差检测系统、二维随动系统、第一转向元件、目标反射镜及第二转向元件，其中干涉仪本体、偏差检测系统及二维随动系统分别安装在支撑件上，目标反射镜安装在被测机器人的末端执行器上，干涉仪本体的激光输出端设有干涉计镜组，所述第一转向元件及第二转向元件分别安装在二维随动系统上，第一转向元件具有平行于激光光路的一个移动自由度，第二转向元件具有平行于激光光路及垂直于激光光路的两个移动自由度；所述偏差检测系统包括分光元件及光斑位置传感器，干涉仪本体发射的激光光路依次通过干涉计镜组、分光元件，经第一转向元件、第二转向元件转向后照射到目标反射镜上，目标反射镜反射的光经第二转向元件及第一转向元件后照射到偏差检测系统上，通过分光元件分为两路，一路反射回干涉仪本体，另一路照射在光斑位置传感器上。

其中：所述干涉计镜组、分光元件、光斑位置传感器、第一转向元件、目标反射镜及第二转向元件由激光照射部分的轴线位于发射激光光路及反射激光光路之间的中间位置；所述偏差检测系统中的分光元件及光斑位置传感器分别设置在安装架上，光斑位置传感器位于分光元件的下方；在支撑件上设有三维位置调整台，所述安装架固定在三维位置调整台上；所述二维随动系统包括两个互相平行、安装在支撑件上的直线单元以及两个分别连接于直线单元上的一维随动系统，每个一维随动系统均可沿直线单元往复移动；所述第一转向元件及第二转向元件分别安装在两个一维随动系统上；直线单元为伺服电机带动丝杠转动、通过丝杠与丝母的螺纹连接使丝母移动的结构；一维随动系统包括支座、丝杆转轴、滑块、导轨、调整底座及二维旋转平台，其中支座分别与两个直线单元中的丝母相连，丝杆转轴可转动地安装在支座上，丝杆转轴的一端连接有伺服电机及编码器；所述导轨固定在支座上、位于丝杆转轴的上方，导轨上连接有滑块，该滑块固接有与丝杆转轴螺纹连接的丝母；在滑块上安装有调整底座，调整底座上设有二维旋转平台，转向元件安装在二维旋转平台上；滑块及其上安装的部件通过丝母与丝杆转轴的转动，沿导轨与激光光路平行的方向往复移动；支座的一侧固接控制开关，调整底座上设有与控制开关相对应的挡块。

本发明的测量方法为：干涉仪本体发出的激光依次穿过干涉计镜组、偏差检测系统中的分光元件，经第一转向元件、第二转向元件转向后照射到被测机器人末端执行器上的目标反射镜，由目标反射镜反射的反射光路经第一转向元件、第二转向元件转向后照射到分光元件、被分成两路，其中一路经干涉计镜组反射回干涉仪本体，另一路照射到光斑位置传感器上，由光斑位置传感器检测目标反射镜随被测机器人移动产生的偏移，再将检测出的偏移量转换成位移信号后传递给二维随动系统中的各伺服电机，由各伺服电机带动第一转向元件及第二转向元件移动，使第一转向元件及第二转向元件准确跟踪目标反射镜。