专利名称：一种三维位置跟踪测量装置及其测量方法
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<&1;4.静态精度< 15μπι;5.动态检测精度< 20 25 μ m。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Im处> 30 μ m，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Im处约为15 μ m，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。其中所述偏移量为由于目标反射镜随被测机器人运动，照射到光斑位置传感器上的光班中心发生偏移。本发明的优点与积极效果为本发明测量精度高，结构简单，便携性好；测量方法简单，可靠性强。


图1为本发明三维位置跟踪测量装置的立体结构示意图；图2为图1的主视图；图3为图1的俯视图；图4为图1中偏差检测系统的立体结构示意图；图5为图1中二维随动系统的立体结构示意图；图6为图5中一维随动系统的立体结构示意图；其中1为干涉仪本体；2为干涉计镜组，3为偏差检测系统，301为分光元件，302为光斑位置传感器；303为安装架，304为
三维位置调整台；4为二维随动系统，401为直线单元，402为一维随动系统，403为支座，404为丝杆转轴，405为滑块，406为导轨，407为调整底座，408为二维旋转平台，409为挡块，410为调整杆，411为控制开关；5为第一转向元件，6为目标反射镜，7为支撑件，8为被测机器人，9为第二转向元件。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详述。如图1 5所示，本发明三维位置跟踪测量装置包括干涉仪本体1、干涉计镜组2、 偏差检测系统3、二维随动系统4、第一转向元件5、目标反射镜6及第二转向元件9，其中干涉仪本体1、偏差检测系统3及二维随动系统4分别安装在支撑件7上，目标反射镜6安装在被测机器人1的末端执行器上，干涉仪本体1的激光输出端固接有干涉计镜组2。偏差检测系统3包括分光元件301、光斑位置传感器302、安装架303及三维位置调整台304，其中三维位置调整台304固定在支撑件7上，安装架303安装在三维位置调整台304上，分光元件301及光斑位置传感器302分别设置在安装架303上，光斑位置传感器 302位于分光元件301的下方。分光元件301及光斑位置传感器302通过三维位置调整台 304可以进行位置调整，三维位置调整台304的三维是指与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铅垂方向。二维随动系统4包括两个互相平行、安装在支撑件7上的直线单元401以及两个分别连接于直线单元401上的一维随动系统402，两个直线单元401垂直于激光光路设置， 两个一维随动系统402与激光光路平行地连接在两上直线单元401之间；其中一个一维随动系统402上设有第一转向元件5，另一个一维随动系统402上设有第二转向元件9，第一转向元件5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；直线单元401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，每个一维随动系统的两端分别连接与直线单元401上的丝母，使每个一维随动系统402均可沿直线单元401往复移动。一维随动系统402包括支座403、丝杆转轴404、滑块405、导轨406、调整底座407、 二维旋转平台408、挡块409及控制开关411，其中支座403分别与两个直线单元中的丝母相连，丝杆转轴404的两端通过轴承可转动地安装在支座403上，丝杆转轴404的一端由支座403穿出、连接有伺服电机及编码器；导轨406固定在支座403的顶部、位于丝杆转轴 404的上方，导轨406上连接有滑块405，该滑块405固接有与丝杆转轴404螺纹连接的丝母；在滑块405上安装有调整底座407，调整底座407上设有二维旋转平台408，第一转向元件5通过调整杆410安装在一个一维随动系统的二维旋转平台408上，第二转向元件9直接安装在另一个一维随动系统的二维旋转平台408上；滑块405及其上安装的部件通过丝母与丝杆转轴404的转动，沿导轨与激光光路平行的方向往复移动。支座403的一侧固接三个控制开关411，其中两个为限位开关，中间的一个为零位开关，在调整底座407上设有与控制开关411相对应的挡块409。第一转向元件5的位置可通过二维旋转平台408进行初调，然后再由调整杆410进行微调。干涉仪本体1发射的激光光路依次通过干涉计镜组2、分光元件301，经第一转向元件5、第二转向元件9转向后照射到目标反射镜6上，目标反射镜6反射的光经第二转向元件9及第一转向元件5后照射到偏差检测系统3上，通过分光元件301分为两路，一路反射回干涉仪本体1，另一路照射在光斑位置传感器302上。干涉计镜组2、分光元件301、光斑位置传感器302、第一转向元件5、目标反射镜6及第二转向元件9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。
本发明的测量方法为干涉仪本体1发出的激光依次穿过干涉计镜组2、偏差检测系统3中的分光元件 301，经第一转向元件5、第二转向元件9转向后照射到被测机器人8末端执行器上的目标反射镜6，由目标反射镜6反射的反射光路经第一转向元件5、第二转向元件9转向后照射到分光元件301、被分成两路，其中一路经干涉计镜组2反射回干涉仪本体1，另一路照射到光斑位置传感器302上，由于目标反射镜6随被测机器人8运动，照射到光斑位置传感器302 上的光班中心发生偏移，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4中的伺服电机，各伺服电机工作，带动丝杠或丝杆转轴转动，通过与丝杠或丝杆转轴螺纹连接的丝母使转动副变为移动副，进而使第一转向元件5及第二转向元件9对目标反射镜进行准确跟踪，同时编码器的位置反馈会及时调整各伺服电机的跟踪速度。
权利要求
1.一种三维位置跟踪测量装置，其特征在于包括干涉仪本体(1)、干涉计镜组O)、 偏差检测系统(3)、二维随动系统G)、第一转向元件(5)、目标反射镜(6)及第二转向元件 (9)，其中干涉仪本体(1)、偏差检测系统(3)及二维随动系统(4)分别安装在支撑件(7) 上，目标反射镜(6)安装在被测机器人(8)的末端执行器上，干涉仪本体(1)的激光输出端设有干涉计镜组O)，所述第一转向元件( 及第二转向元件(9)分别安装在二维随动系统 (4)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(9)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C3)包括分光元件(301)及光斑位置传感器(302)，干涉仪本体(1)发射的激光光路依次通过干涉计镜组 O)、分光元件(301)，经第一转向元件(5)、第二转向元件(9)转向后照射到目标反射镜(6) 上，目标反射镜(6)反射的光经第二转向元件(9)及第一转向元件( 后照射到偏差检测系统(3)上，通过分光元件(301)分为两路，一路反射回干涉仪本体(1)，另一路照射在光斑位置传感器(30 上。
2.按权利要求1所述的三维位置跟踪测量装置，其特征在于所述干涉计镜组(2)、分光元件(301)、光斑位置传感器(302)、第一转向元件(5)、目标反射镜(6)及第二转向元件 (9)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。
3.按权利要求1所述的三维位置跟踪测量装置，其特征在于所述偏差检测系统(3) 中的分光元件(301)及光斑位置传感器(30 分别设置在安装架(30 上，光斑位置传感器(30 位于分光元件(301)的下方；在支撑件(7)上设有三维位置调整台(304)，所述安装架(303)固定在三维位置调整台(304)上。
4.按权利要求1所述的三维位置跟踪测量装置，其特征在于所述二维随动系统包括两个互相平行、安装在支撑件(7)上的直线单元001)以及两个分别连接于直线单元 (401)上的一维随动系统002)，每个一维随动系统(40 均可沿直线单元(401)往复移动；所述第一转向元件( 及第二转向元件(9)分别安装在两个一维随动系统上。
5.按权利要求4所述的三维位置跟踪测量装置，其特征在于所述直线单元001)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。
6.按权利要求4所述的三维位置跟踪测量装置，其特征在于所述一维随动系统002) 包括支座003)、丝杆转轴004)、滑块005)、导轨006)、调整底座(407)及二维旋转平台 008)，其中支座(40 分别与两个直线单元中的丝母相连，丝杆转轴(404)可转动地安装在支座(40 上，丝杆转轴(404)的一端连接有伺服电机及编码器；所述导轨(406)固定在支座(40 上、位于丝杆转轴(404)的上方，导轨(406)上连接有滑块005)，该滑块005) 固接有与丝杆转轴(404)螺纹连接的丝母；在滑块(40 上安装有调整底座007)，调整底座(407)上设有二维旋转平台008)，转向元件安装在二维旋转平台(408)上；滑块005) 及其上安装的部件通过丝母与丝杆转轴(404)的转动，沿导轨与激光光路平行的方向往复移动。
7.按权利要求6所述的三维位置跟踪测量装置，其特征在于所述支座003)的一侧固接控制开关G11)，调整底座(407)上设有与控制开关Gll)相对应的挡块009)。
8.一种按权利要求1至7中任一权利要求所述三维位置跟踪测量装置的测量方法，其特征在于干涉仪本体(1)发出的激光依次穿过干涉计镜组O)、偏差检测系统(3)中的分光元件(301)，经第一转向元件(5)、第二转向元件(9)转向后照射到被测机器人(8)末端执行器上的目标反射镜(6)，由目标反射镜(6)反射的反射光路经第一转向元件(5)、第二转向元件(9)转向后照射到分光元件(301)、被分成两路，其中一路经干涉计镜组( 反射回干涉仪本体(1)，另一路照射到光斑位置传感器(30 上，由光斑位置传感器(30 检测目标反射镜(6)随被测机器人(8)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(9)移动，使第一转向元件( 及第二转向元件(9)准确跟踪目标反射镜(6)。
9.按权利要求8所述的测量方法，其特征在于所述偏移量为由于目标反射镜(6)随被测机器人(8)运动，照射到光斑位置传感器(30 上的光班中心发生偏移。
全文摘要
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，装置包括干涉仪本体、干涉计镜组、偏差检测系统、二维随动系统、目标反射镜及第一、二转向元件，方法为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、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两个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；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，带动第一、二转向元件移动，使第一、二转向元件准确跟踪目标反射镜。本发明测量精度高，结构简单，便携性好；测量方法简单，可靠性强。
文档编号G01B11/00GK102538664SQ20101058676
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月13日 优先权日2010年12月13日
发明者朱思俊, 柳连柱, 许石哲, 赵明扬, 邹媛媛, 郭大忠 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所