（光学专业论文）激光多自由度同时测量方法的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 进入2 1 世纪，竞争日益激烈，产品的高性能、微型化、低成本要求使机械加 工的精密化被提到了各国的重大发展决策上，而机械加工行业中必不可少的关键 环节数控机床和加工中心几何位置精度的检测是保证加工精度、产品质量及提 高生产率的重要手段。特别是在连续加工生产的环境下，为了不影响生产过程， 把检测时间压缩到最短是非常必要的。一台典型的三轴加工中心，共有2 1 项几何 误差参数需要按有关标准进行分步检测。现有成熟的技术主要是单参数测量，测量 这2 l 项几何误差需要使用不同类型的测量附件和重新调整仪器，所以机床整体检 测费时费力，一般需要几天甚至一个星期的时间来完成。不仅测量周期十分烦琐和 漫长，造成大量的人力和机时的浪费( 因为检测时，机床不能加工零件) ，而且测量精 度受测量人员和测量环境( 特别是测量温度) 变化的影响较大。因此，研究机床加工 设备的快速检测方法和技术，特别是研究多自由度同时测量方法与技术已成为国内 外机械制造及仪器仪表等众多行业共同关注的问题，也是目前未能很好解决的测 量难题之一。 激光多自由度同时测量是利用稳定的激光作为测量参考基准，对直线运动体的三 个线位移量( 位移和二个方向的直线度) 和三个转动量( 偏摆、俯仰和滚转) 的同时 测量。针对这一测量问题，本论文在综合分析国内外相关研究的基础上，分别研究了 直线度、滚转角、俯仰角与偏摆等误差的光学测量方法，着重研究了多自由度同时测 量方法，构建了几种不同的多自由同时测量系统，进行了各种实验研究，验证了提出 的测量方法和研制的系统的有效性。 概括起来，本学位论文主要的创新性成果有： 1 提出了两种提高直线度误差分辨率的光学测量方法，在此基础上提出了一种利 用准直和干涉技术的多自由度同时测量方法，搭建了相对应的系统。 2 提出了一种基于偏振的滚转角误差测量方法，在此基础上提出了一种利用半导 体激光单模光纤准直和偏振技术进行多自由度同时测量的方法，搭建了相对应的系 统，分析其中的误差窜扰与补偿问题。 3 提出了一种基于平行反射镜或五角棱镜的多自由度同时测量数学模型，理论上 分析了该方法的可行性。 关键词：多自由度误差同时测量；定位误差；直线度；俯仰角；偏摆角；滚转角；激 光测量 分类号： v a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sp u r s u i to fl o w - c o s tm i c r o m i n i a t u r i z e dp r o d u c t sw i t hh i 曲 p e r f o r m a n c ea n dw i t hc o n f r o n t i n gk e e nc o m p e t i t i o ni nt h e2 1 “c e n t u r y , t h ep r e c i s i o no f m a c h i n ew o r ki sg i v e nt o pp r i o r i t yi nt h ed e v e l o p m e n td e c i s i o nm a d eb yt h eg o v e r n m e n t s a l lo v e rt h ew o r l d t h ep r e c i s em e a s u r e m e n to f t h eg e o m e t r i ce r r o r so f c n cm a c h i n et o o l s a n dm a c h i n ec e n t r e s ，ak e ya n di n d i s p e n s a b l el i n ki nt h em a c h i n i n gi n d u s t r y , g u a r a n t e e s m a c h i n i n gp r e c i s i o n , p r o d u c tq u a l i t ya n dp r o d u c t i v i t yi m p r o v e m e n t b e s i d e s ，i ti s a b s o l u t e l yn e c e s s a r yt or e d u c em a x i m a l l yt h em e a s u r i n gt i m et oi t sm i n i m u mi no r d e r t h a tt h ep r o d u c t i v ep r o c e s sw o n tb ea f f e c t e de s p e c i a l l yi nt h ec a s eo fc o n t i n u o u s m a n u f a c t u r i n gc o n d i t i o n f o rat y p i c a lt h r e e a x i sm a c h i n ec e n t r e ，t h e r ea r e2 1 g e o m e t r i ce r r o r st h a t a r er e q u i r e dt om e a s u r es t e pb ys t e pa c c o r d i n gt ot h er e l e v a n t c r i t e r i a h o w e v e r , t h ee x i s t i n gm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e sc a no n l yb ea d a p t e df o ro n e e r r o rp a r a m e t e rm e a s u r e m e n t f u r t h e r m o r e ，d i f f e r e n tt y p e so fo p t i c a lm e a s u r e m e n t a c c e s s o r i e sa r eu s e df o rd i f f e r e n te r r o rp a r a m e t e rm e a s u r e m e n t s ，a n da l lt h e s e m e a s u r e m e n t sa p p a r a t u s e sn e e dt ob er e a d j u s t e di ne v e r ys i n g l em e a s u r e m e n tp r o c e s s i t i st h u ss t r e n u o u sa sw e l la st i m e c o n s u m i n gt om e a s u r ea l lt h e s eg e o m e t r i ce r r o r p a r a m e t e r so fam a c h i n et o o l ，g e n e r a l l yf r o ms e v e r a ld a y st oaw e e k t h el e n g t h y m e a s u r i n gp e r i o dc a nc a u s et h em a n p o w e rw a s t ea sw e l la st h em a c h i n et o o l sl o w m a c h i n i n ge f f i c i e n c y , a tt h es h n et i m e ，i tg r e a t l ya f f e c t st h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o n w h i c hv a r i e sw i t ht h eo p e r a t o r sc a r r y i n go u tt h em e a s u r e m e n ta n dt h em e a s u r e m e n t e n v i r o n m e n t ，p a r t i c u l a r l yt h em e a s u r e m e n tt e m p e r a t u r e t h e r e f o r e ，t h es t u d yo fq u i c k m e a s u r e m e n tm e t h o d sa n d t e c h n i q u e s f o rm a c h i n e t o o l s ，e s p e c i a l l ys t u d yo f s i m u l t a n e o u sm u l t i - d e g r e e - o f - f r e e d o me r r o r sm e a s u r e m e n tm e t h o d sa n dt e c h n i q u e s ， h a s a l r e a d y b e c o m eac o m m o nc o n c e mi nm a n yf i e l d ss u c ha sm e c h a n i c a l m a n u f a c t u r i n ga n di n s t r u m e n t s ，a n di ti sa l s oad i f f i c u l tm e a s u r e m e n tp r o b l e mt h a th a s b e e nn o ty e ts o l v e dp r o p e r l y t h es i m u l t a n e o u sm e a s u r e m e n t so fm u l t i - d e g r e e - ，o f - f r e e d o me r r o r so fm a c h i n e t o o l sb yl a s e r , w h o s em e a s u r e m e n tr e f e r e n c ed a t u mi sas t a b l el a s e rb e a m ，c a nb eu s e d t om e a s u r es i m u l t a n e o u s l yt h r e el i n e a rd i s p l a c e m e n tp a r a m e t e r si n c l u d i n gd i s p l a c e m e n t a n ds t r a i g h t n e s se r r o r si nt w od i r e c t i o n s ，a sw e l la st h r e er o t a t i o n a lp a r a m e t e r s c o n s i s t i n go fy a w , p i t c ha n dr o l le r r o r t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so ns t u d y i n go ft h e s i m u l t a n e o u s l ym e a s u r i n gm u l t i d e g r e e - o f - f r e e d o me r r o r so fm a c h i n et o o l sb yl a s e r w a y b a s e do na n a l y s e st h er e l e v a n tr e f e r e n c e sh o m ea n da b r o a d ，t h eo p t i c a l i 北京交通大学博士学位论文 m e a s u r e m e n tm e t h o d sf o rs t r a i g h t n e s se r r o r , p i t c h ，y a wa n dr o l le r r o rw e r es t u d i e di n d e t a i l si nt h i sd i s s e r t a t i o n ，s e v e r a lo p t i c a lm e t h o d sf o rs i m u l t a n e o u s l ym e a s u r i n g m u l t i - d e g r e e - o f - f r e e d o m e r r o r so fm a c h i n et o o lw e r e p u tf o r w a r d ，a n d t h e c o r r e s p o n d i n gs y s t e m sw e r ed e v e l o p e d ，t h er e l i a b i l i t yo ft h em e t h o d sa n dt h es y s t e m w e r ev e r i f i e dt h r o u g hav a r i e t yo f e x p e r i m e n t sa n dt h er e s e a r c hw o r k t h ei n n o v a t i v er e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa c h i e v e di nt h ed i s s e r t a t i o no r ea sf o l l o w s ： 1 t w oo p t i c a lm e t h o d sf o re n h a n c i n gt h em e a s u r e m e n ts e n s i t i v i t yo fs t r a i g h t n e s s e r r o r sw e r ep r o p o s e d o nt h eb a s i so ft h i s ，ah i g h - r e s o l u t i o na n dh i g h p r e c i s i o nm e t h o d f o rs i m u l t a n e o u s l ym e a s u r i n gm u l t i - d e g r e e o f - f r e e d o me r r o r so f m a c h i n et o o l sb yu s i n g t h et e c h n i q u e so fc o l l i m a t i o na n di n t e r f e r e n c ew a s p u tf o r w a r d ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n g m e a s u r e m e n ts y s t e mw a sd e v e l o p e d 2 am e t h o df o rm e a s u r i n gr o l le r r o rb a s e do np o l a r i z a t i o nt e c h n i q u ew a s p r o p o s e d o nt h eb a s i so ft h i s ，am e t h o df o rs i m u l t a n e o u s l ym e a s u r i n gm u l t i d e g r e e o f - f r e e d o m e r r o r so fm a c h i n et o o l sb yu s eo fas e m i c o n d u c t o rl a s e rs i n g l e - m o d e lf i b e rc o l l i m a t i o n a n dp o l a r i z a t i o nw a sp r e s e n t e d ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gs y s t e mw a se s t a b l i s h e d ，t h ec r o s s e r r o ri n t e r f e r e n c ea n de r r o rc o m p e n s a t i o np r o b l e m sw e r ea n a l y z e d 3 a s y s t e ma n di t s m a t h e m a t i c a lm o d e l i n gf o r s i m u l t a n e o u s l ym e a s u r i n g m u l t i d e g r e e - o f - f r e e d o me r r o r so fm a c h i n et o o l sb yu s i n gap a r a l l e lr e f l e c t o ro rt w o p e n t a p r i s m sw e r ep r o p o s e d ，a n di t sr e l i a b i l i t yw a sa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y k e y w o r d s ：s i m u l t a n e o u sm e a s u r e m e m tf o r m u l t i d e g r e e o f - f r e e d o me r r o r s ； p o s i t i o n i n ge r r o r ；s t r a i g h t n e s se r r o r ；p i t c h ；y a w ；r o l l ；l a s e rm e a s u r e m e n t c l a s s n o ： v i l l 致谢 本文的研究工作是在我的导师冯其波教授的精心指导和悉心关怀下完成的， 在整个的工作期间，我得到许多老师、同学和朋友从各方面给予指导、帮助和支 持。在此，我对所有这些关心、爱护我的人们表示衷心的感谢。 衷心感谢我的导师冯其波教授，在我的学业和论文的研究工作中无不倾注着 导师辛勤的汗水和心血。导师的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使 我深受的启迪。在如何分析、解决科研中遇到的问题，如何做好学术报告，如何 掌握思考、解决问题的方法等方面，冯老师都给予了有益的教诲。从尊敬的导师 身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在此我要向 我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意。 张斌副教授在论文工作中给予了具体指导，高瞻副教授，陈士谦高工、邵双 运老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在美国u n i v e r s i t yo fm i c h i g a n 访学期间得到倪军教授精心的指导，陈旭副教 授、戴毅刚高工、洪恩博士、朱捷博士的大力帮助，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，博士生张志峰、程飞、丁金运、张立、吴思 进、徐登辉，硕士生常城、余浩、党敏、张墩、郭琼等对我论文中的研究工作给 予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 本论文的工作受到国家自然基金( 5 0 6 7 5 0 1 7 ) 、北京交通大学优秀博士创新基 金和出国访学基金( 4 8 0 0 3 ) 的经费资助，特此致谢! i u 第一章综述 第一章综述 1 1 问题的提出及研究意义 1 。1 1 问题的提出 先进制造技术已列入我国中长期科学和技术发展规划纲要，制造业是纲要中 的优先主题之一。在制造业中，对基础件和通用件进行高精度的检测仪器被列入 国家重点研究内容。作为制造业的关键加工设备一数控机床和加工中心，其几 何位置精度的高精度检测是保证加工精度、产品质量及提高生产率的重要手段。 特别是在连续加工生产的环境下，为了不影响生产过程，把检测时间压缩到最短 是非常必要的。机床直线导轨运动副沿导轨运动时有六个自由度误差，它们分别是 定位误差、两个方向的直线度误差、俯仰角、偏摆角和滚转角，如图卜1 所示。因 此，一台典型的三轴加工中心，共有2 1 项几何误差参数需要按有关标准进行分步 检测”j ，分别是每个坐标轴的六个误差分量( 3 个位移误差，3 个角度误差) ，加 上3 个坐标轴之间的垂直度误差。目前检测机床精度最常用手段是使用激光干涉 图1 l 导轨运动副的六个自由度误差 仪。但是激光干涉仪是单参数测量，每次安装调整只能测量一种误差分量，而每 个测量过程又需要使用不同类型的测量附件和重新调整仪器，所以机床整体检测 费时费力，一般需要几天甚至一周的时间来完成。其检测代价很高，而且正常生 产过程受蓟破坏，结果，除非在必要情况下，机床的检测往往被忽略了，这种局 面一直没有得到很好解决。因此研究机床加工设备的快速检测方法与技术，特别 l 北京交通大学博士学位论文 是研究多自由度误差的同时测量，己成为国内外机械制造、检测及仪器仪表等众 多行业共同关注的问题，也是目前未能很好解决的测量难题之一。 1 1 2 研究的意义 激光多自由度同时测量问题的研究与解决不仅可以用于机械行业的数控机床、 加工中心等大型贵重设备的检测，同时还可以作为精密、超精密加工设备的测量部 件，对其进行实时检测与误差修正。其测量方法的研究可为激光测量、激光准直 等领域的相关应用提供可靠的理论及技术基础，具有重要的科学意义。具体应用 领域包括： ( 1 ) 应用于机器制造业、机械加工、航天航空、军工等行业数控机床、加工中心、 三坐标测量机等大型贵重设备的检测、修正、验收与维护等，大大缩短其检测时间， 使这类贵重设备的定期检修变得切实可行，为机床制造和2 h i 业提供达到新的精 度水准的机会，给数控机床、加工中心等先进制造技术的发展提供强有力的支撑 与保证。 ( 2 ) 可以替代各类激光干涉仪( 包括双频激光干涉仪) ，激光准直仪，光电自准直 仪等仪器，在科学研究和工程测量等诸多领域具有极为广阔的市场前景。 ( 3 ) 在其它领域，如飞机型架以及其它精密部件装配准确定位、机器人手臂姿态、 风洞应变天平校测、模拟的飞行其模型依靠磁场力而悬挂在风洞里，模拟飞行测量 和控制、水池模型试验等也有着广泛的应用价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 测量基准稳定性的研究现状 要实现高精度测量，其关键技术是建立高稳定性的测量参考基准。利用激光作 为测量手段，主要可以分为三种基准：一、激光的频率基准。一般通过检测相位变化 或者数干涉条纹方法来得到测量结果。h e n e 激光器能获得很高的频率基准，已经广 泛应用于工业计量。而半导体激光器的稳频技术一直是一个研究难点，目前也可以达 到1 0 。，基本达到用于微米精度的测量要求( 在0 4 m 测量范围内) 。二、激光偏振 基准。让出射激光通过高消光比的偏振分光镜来得到高稳定的偏振基准。目前美国 e d m u n d o p 光学器件公司的g l a n t h o m p s o n 偏振分光器消光比为1 0 。6 。这种方法一般是 2 第一章综述 通过检测能量变化来得到测量结果。三、激光空间位置基准，也就是激光的直线基准。 在激光准直技术中，产生误差的主要因素有激光光束漂移、光线弯曲和随机抖动。建 立高精度直线基准主要通过对产生误差各环节进行修正、补偿和消除来提高激光准直 精度。激光准直测量方法主要靠测量光束几何位置或能量中心位置的变化来得到测量 结果。单模光纤准直的应用有效地抑止了激光器本身的漂移，可以得到激光准直在 2 0 m 范围内1 小时的漂移值为0 5 1 0 1 2 5 x 1 0 6 的良好结果f 2 】。因此，本文也是 利用单模光纤准直作为其中某些参数的测量基准。 1 2 2 定位误差测量的研究现状 定位误差是指直线导轨运动副的实际位移与名义位移的差值。名义位移可以通 过机床导轨的控制系统读出，而实际位移需要借助测量仪器得到。目前测量位移的光 学方法主要有以下几种：一、基于激光干涉位移测量 3 - s 。可分为相对位移测量方法【3 。5 1 和绝对位移测量方法 6 4 1 。干涉测量方法测量精度高，其中双频激光干涉有着抗干扰 能力强的优点，广泛应用于工业计量。二、基于三角法位移测量 9 1 。这种测量方法简 单，但测量范围有限，长位移测量精度不高，难以满足机床测量的要求。三、基于多 普勒频移测量方法 1 0 - i 1 】。这种测量方法利用测量靶镜的移动，使激光产生多普勒频移， 通过测量其返回光相位的变化得到靶镜的位移大小。相对于双频激光干涉测量要略微 简单，但测量精度要稍逊于干涉仪，目前也有商用的测量仪器。 1 2 3 直线度测量的研究现状 直线度测量是机械加工中一项常见而重要的测量项目，它主要包括对工件实际表 面直线度误差的测量以及对直线导轨或自动校正直线运动机构直线度误差的测量。光 学直线度测量广泛应用于工程计量领域。利用激光作为测量基准的直线度测量，主要 可以分为以下三类： 1 利用频率基准的激光干涉测型1 2 2 5 1 。干涉方法又可以分为：1 ) 基于w o l l a s t o n 棱镜干涉方法f 1 2 - 巧】。双频激光器经过稳频和准直后透过一个渥拉斯顿棱镜分成两束 光，分别射向v 型反射镜使光路原路返回入射到激光器中的干涉仪上 1 2 , 1 9 1 。当渥拉 斯顿棱镜在竖直方向有微小移动时，两分束光会产生光程差，通过多普勒频移便可以 得到直线度误差。另外一个方向必须把渥拉斯顿棱镜和v 型反射镜各旋转一个9 0 0 进行测量。为了改善测量过程中v 型反射镜安装调试不方便的特点，文献【1 4 圩1 提出 3 北京交通大学博士学位论文 了两种改善v 型反射镜的方法。这些方法都需要随着测量距离增加而更换光学附件。 文献【1 6 窿出利用两个渥拉斯顿棱镜干涉测量的方法，并用直角棱镜替代了v 型反射 镜，实现了长距离自适应测量。以上几种方法测量精度高，抗干扰能力强，但一次只 能测量一个方向的直线度误差，且系统造价昂贵。2 ) 基于三角棱镜干涉方法【1 7 , 1 8 l 。 z h a n g i l 。提出了一种利用三角棱镜替代渥拉斯顿棱镜，并用三角棱镜和直角反射镜的 组合替代上述的v 型反射镜。这种方法使直线度误差产生的光程差不仅来源于棱镜 表面反射，而且还来源于三角棱镜的折射，能进一步提高测量灵敏度。w 一8 j 在此基 础上提出了一种外差干涉的方法，减少了干涉的周期非线性误差。但这种基于三角棱 镜的方法对其中的偏摆角敏感。3 ) 基于全息光栅干涉方法【19 2 0 1 。y a m a u c l l i 【1 9 j 和 c e l a y a 2 0 】提出了一种基于全息的干涉测量直线度方法，利用全息光栅替代了渥拉斯顿 棱镜。这种方法只适于短行程测量。们，基于莫尔条纹干涉方法1 2 1 - 2 5 1 。利用两个光栅 产生莫尔条纹口”，或者利用一个无衍射光学器件和一个光栅产生莫尔条纹 2 3 1 ，或者 直接利用一个无衍射光学器件再通过数字莫尔条纹的方法进行测量1 2 5 1 。上述干涉方法 尽管能达到很高的测量精度，但系统比较复杂，且基本上一次只能测量一个方向直线 度。 2 利用激光偏振基准的测量方法 2 6 - 2 8 】。1 9 8 1 年英国国家物理实验室r j k i n g 2 6 1 等发表了旋光法准直测量的研究结果，得到一个方向直线度测量精度为0 2 岬的结 果。此后，清华大学的殷纯永等【2 7 1 基于旋光调制利用两束光同时测量两个方向的直线 度，测量灵敏度优于o 1 5 啪。r z e p k a 2 s l 提出了一种基于塞曼激光偏振测量的方法， 利用两个偏振方向相互垂直的偏振片组合成一个直线度敏感器件，测量精度有限。利 用偏振基准方法来测量直线度方法，都是通过探测激光能量变化来得到直线度大小， 激光本身能量变化对测量影响较大。 3 利用准直激光的测量方法 2 9 - 4 5 】。准直的方法可以细分为以下几种：1 ) 基于反 射共焦法 2 9 - 3 1 】。这种方法要进行误差分离，直线度误差受其它角度误差的影响较大。 2 ) 基于激光能量中心探测方法 3 2 - 4 2 1 。可以利用探测器固定在导轨运动副上直接探测 3 2 - 3 7 】，测量移动头带电缆，给现场测量带来不便；也可以利用逆向反射器作为位鼍敏 感器件【3 8 - 4 2 1 ，使探测器放置在固定单元中。既提高了测量灵敏度，又使测量移动部分 不带电缆。3 ) 基于探测激光能量变化的方法 4 3 ，舢1 。f a l l 4 列利用d v d 的半导体激光器 4 第一章综述 作为测量基准光源，锲型刀片作为直线度误差敏感器件，通过探测准直激光能量变化 来测量直线度大小。此方法激光能量变化对测量影响较大，s c h w a r zm 】利用三角棱镜 作为直线度敏感器件，提出了一种双光路差分方法探测直线度。这两种方法都是通过 探测激光能量变化得到直线度，测量灵敏度有限，且一次只能测量一个方向的直线度。 4 ) 基于角度探测换算法f 4 5 l 。v i r d e e 提出了一种基于自准直仪角度测量，通过换算 可以得到直线度误差。上述几种方法相比，目前研究较多的是激光准直方法测量直 线度。 1 2 4 俯仰角和偏摆角测量的研究现状 俯仰角和偏摆角测量的光学方法主要可以分为以下三大类。 1 激光干涉方法 4 6 - 7 3 1 。干涉方法又可分为：1 ) 基于双光束的干涉测量f 舡5 刀。这种 测量方法基于两平行光路上位移差的变化得到角度大小。为了提高测量灵敏度可以增 大两平行光路之间的距离 4 6 - 5 4 1 ，还可以通过光路多次反射来提高测量灵敏度5 铜。但 一次只能测量一个方向的角度( 俯仰角或者偏摆角) 。2 ) 基于f - p 靶镜的干涉测量 5 8 - 5 9 】。尽管能得到高精度的测量结果，但不适合导轨角度测量。3 ) 基于双垂直平行平 面镜的干涉测量眦6 1 1 。d f i l 6 0 】提出了一种基于双平行平面镜的干涉测量方法，经过改 进后的系统f 6 l 】能在测量范围妇0 7 内得到0 2 。的测量精度，但整个系统非常复杂。4 ) 基于l l o y d 镜的干涉测且【6 2 1 。需要一个和导轨一样长的平面反射镜，只能用于短导轨 测量。5 ) 基于全反射的干涉测型6 3 - 6 6 1 。c h i u 6 3 ，删和z h o u f 6 5 ，删提出一种外差全反射干 涉测量方法，并利用多次反射提高测量的灵敏度。前者测量移动头带有电缆，后者温 度对波片会产生一定的影响。6 ) 基于散斑技术的干涉测量唧7 0 】。利用被测面的散射光 的干涉来进行测量。这种方法的优点是对被测靶镜要求不高，适用于比较粗糙的反射 表面，但测量精度不高。7 ) 基于全息莫尔条纹干涉技术【7 1 - 7 3 1 。测量系统需要多个光栅 形成莫尔条纹，相对比较复杂，且不适合于导轨俯仰角和偏摆角测量。 2 基于自准直方法 7 4 - 8 7 1 。自准直法，测量原理简单，安装调试方便，而且测量分 辨率高，目前也有此类商业仪器。但要为了提高准直激光的方向稳定性，需要增大测 量光束的直径。 3 基于全反射测量方法【8 8 。9 叼。全反射测量方法是利用光线在临界角附近的反射率 发生突变的测量原理，光电探测器探测角度变化对反射光强的影响。为了消除激光本 5 北京交通大学博士学位论文 身光功率的波动对测量的影响，常采用差分的方法，为了提高测量灵敏度可采用多次 全反射 8 8 - 9 5 i ，也可在全反射面镀上多层全反射膜以提高测量灵敏度9 6 ，朔。h u a n g i 9 9 就单个棱镜提出了另外一种差分方法，直接利用两个探测器探测全反射面的反射光和 折射光能量变化来得到角度大小。尽管全反射方法也能得到很高的灵敏度，但为了能 同时测量两个角度，需要多个全反镜和多个探测器，且测量系统的移动单元基本上都 带有电缆，给现场测量带来不便。 1 2 5 滚转角测量的研究现状 在机床导轨三种角运动误差中，滚转角误差是六个误差中最难测量的一个参数。 尽管研究滚转角测量进行了几十年，但目前国内外对机械导轨运动副的滚转角误差检 测还处于一种研究与探索阶段，还没有一种简单、便于集成以及高精度的光学测量方 法。对于导轨运动副滚转角测量，目前光学测量方法主要有以下四种。 l 干涉测量【9 9 一0 6 。干涉的方法又可以分为：1 ) 基于双光束的干涉测量【9 9 。0 2 1 。 b a l d w i n t 9 9 i 和n a k a y a b u t l 删利用w o l l a s t o n 棱镜和v 型反射镜，提出了一种双光路 干涉测量方法。测量精度受到v 型反射镜平面度的影响。c h a n e y 1 0 h 提出了一种基 于平面反射镜的干涉测量，测量时需要在导轨一侧安装一块与导轨相同长度的平 面镜，实际中难以实现。陶1 0 2 1 利用闪耀光栅提出了一种双光束干涉测量方法，测 量受到俯仰角和偏摆角的影响较大。双光束基准测量的缺点是光线的平行性难以保 证，这将给实时滚转角测量带来很大误差。2 ) 基于相位基准的干涉测量【1 0 3 1 0 5 1 。前 苏联c o r o n k e v i c h t l 0 3 1 利用双频纵向塞曼激光器实现滚转角测量，其结构原理简单，检 偏器用作滚转角敏感元件。该方法通过检测相位变化来得到滚转角的大小，但测量不 确定度在1 0 一以上，清华大学蒋弘等1 1 0 4 1 提出了一种基于横向塞曼激光器的非线性滚 转角测量方法，采用2 , 4 波片将塞曼激光器的双频线偏振激光变成椭圆偏振光。 偏振片作为敏感器件，通过检测相位变化得到滚转角大小，测量灵敏度提高数十 倍。2 0 0 1 年。柳忠尧等1 1 0 5 采用了一个五2 波片作为敏感器件，并使测量光两次通 过敏感器件，理论上可以得到2 0 0 倍的灵敏度倍增，但该方法也是通过检测相位 的方法得到滚转角的大小。虽然上述两种方法测角分辨率得到大大提高，但灵敏度 的提高是以牺牲信噪比为代价，且造价十分昂贵，控制电路十分复杂。此外，w u 【l 叫 提出了一种利用j 相位延迟片或者占相位延迟片与2 2 波片的组合作为敏感元件的 6 第一章综述 外差干涉法，但需要利用两个声光调制器，增加了系统的复杂性。 2 基于全息光栅衍射的测量方法 1 0 7 , 1 0 3 j 。利用全息光栅衍射现象来实现对滚转角 测量，其缺点是测量精度不高，同时测量头带有跟随电缆，造成现场测量不方便。 3 基于准直激光测量方法【l 睁1 1 3 1 。马军山掣1 0 9 和g a o 1 1 0 1 在移动导轨上固定一个 长平面反射镜，再利用角度传感器测量其角度变化。尽管采用了两点法消除反射镜本 身带来的误差，测量精度很高，但由于需要一块和导轨一样长的平面镜，所以只能应 用于短行程导轨的滚转角测量。另外一种准直激光测量滚转角的方法是通过测量两个 不同地方的直线度计算得到滚转角大小【i i 。要提高测量灵敏度，需要增大准直光 线之间的距离，从而提高测量系统的体积，或者只能离线分时测量。 4 基于偏振基准的测量方法【1 1 2 5 1 。偏振法是目前研究较多的一种。偏振法又可 分为：1 ) 磁光调制法【1 1 4 d m l ，磁光调制检测法的基本原理基于法拉第磁光效应。该 方法存在旋光热漂移，测量精度不高，不能满足实际的需要，为了提高测量精度，需 要复杂的反馈电路，且对工作环境要求苛刻。2 ) 基于差分偏振测量方法1 1 7 。2 3 1 。章 恩耀等8 j 提出了一种基于正交双偏振光的滚转角光电检测方法及装置，主要是利 用分时调制双液晶光阀或两个半导体激光器分时产生两正交线偏振光，利用偏振片 作为滚转角误差敏感器件，将滚转角误差转换为出射光的光强变化，通过计算得到 滚转角误差。虽然在光路上比较简单，测量灵敏度可优于2 。，但需要双液晶光阀或 两个半导体激光器。为了克服此缺点，提出利用分时调制磁铁石榴石【1 1 9 】，使出射 偏振光分时偏转士4 5 。，从而替代了双液晶光阙或两个半导体激光器，提高了测量范 围和测量精度。但测量系统仍然要采用分时调制电路，磁铁石榴石本身就比较昂贵， 且测量移动头带电缆，不方便应用于长导轨现场测量。刘1 2 0 ，1 2 1 】提出了一种基于格兰 泰勒偏振棱镜的偏振差分测量法，测量精度不高。盛1 1 2 2 1 和郭地3 1 提出了一种基于电光 调制的偏振基准的差分方法，但是测量移动头带电缆，测量精度不高。h e 4 2 j 提出了 一种基于2 4 波片的差分测量方法，测量分辨率能达到o 1 ，但为了减少其它角度对 其的影响必须尽量选用焦距大的猫跟。3 ) 基于偏振外差分频技术f 1 2 4 。1 2 卯。这种测量 方法的测量灵敏度难以满足机床检测要求，且易受到其它角度的影响。 1 ，2 6 多自由度同时测量的研究现状 多自由度同时测量方法与技术的研究一直是人们试图解决的技术难题，也是作为 7 北京交通大学博士学位论文 检测领域的一个重要课题进行研究。2 0 世纪6 0 年代以来，出现了较多的光学测量方 法与技术，概括起来可以分为以下几大类。 1 基于衍射光栅的多自由度同时测量方澍1 雏1 3 3 1 。 图卜2 基于全息光栅五自由度测量系统 使用普通光源作为照明的衍射测量方法【1 2 鲥2 8 1 ，存在光学系统复杂，测量精度低， 测量参数少等缺陷。如图1 2 所示为一个基于全息光栅透射分光特性的五自由度测量 系射1 0 8 1 。激光器发出的光经过准直扩束后投射到与其垂直位置的全息光栅上。激光 束透过全息光栅后分为三束。方向没有改变的一束光为非衍射光束。由二维p s d 2 探 测可得到直线度缸、a y ；由p s d l 探测衍射光( 汇聚光) 可以得到俯仰角口，和偏摆 角t 9 0 另一衍射光( 发散光) 通过w o l l a s t o n 棱镜，根据光强探测器p i n l 和p i n 2 输出信号的强弱来测量滚转角目，。房丰洲等【1 0 7 1 在此基础上增加了一套干涉系统，使 系统能同时测量六自由度误差。该系统方法简单，需要光学器件少、成本低。但测量 靶移动范围相对较小，且测量精度较低。文献【1 2 9 43 0 】采用磁光调制技术来减小光强不 稳定对滚转角测量精度的影响，但增加了系统的复杂性，且系统测量精度难以满足高 精度检测的要求。m i l l e r ”1 1 提出了另外一种基于平面衍射光栅五自由度同时测量系 统。测量原理如图1 3 所示，非衍射光通过分光器b s ，透射光用透镜聚焦在探测器 d 2 上，得n - 维角度信息( 俯仰角、偏摆角) ，探测器d 4 接收反射光得n - 维直线 度信息。第一阶衍射光分别通过一个偏折棱镜成为平行光，再通过柱面透镜f 1 、f 3 ， 分别用d l 、d 3 接收，通过计算可以得到滚转角信息。此方法对滚转角的测量与光强 的变化无关，但其光线的平行性影响其测量精度。衍射测量方法总体特点是测量精度 不高，且移动测量头带有电缆。 第一章综述 图卜3 基于平面光栅五自由度同时测量 幽卜4 基于单光束全姿态跟踪测量系统 2 基于激光跟踪的测量方法【1 3 4 彤7 1 。 刘【1 3 4 l 和k e n t a 0 3 5 1 提出了一种利用单束激光测量运动目标位置与姿态的六自由度 测量系统。测量原理如图i 4 所示，双频激光器干涉得至位移信息。光束通过分光器 后由固定在精密驱动单元上的跟踪镜反射，射向安装在被测目标上的逆向反射镜。光 束从逆向反射镜平行返回。返回光束被跟踪镜又一次反射，由分束器分成两束，一束 返回到干涉仪作为测量信号，另外一束射向位敏探测器p s d 。当目标运动时，光束投 射在p s d 上的光点位置发生相应的移动。二维p s d 测量出入射和反射光在水平和垂 直方向的位移，以此作为跟踪误差信号，分别控制驱动单元的两路直流力矩电机，使 跟踪镜分别完成水平和垂直方向的旋转，并使跟踪误差最小。通过编码器测量出跟踪 镜的水平和垂直转角，双频测量出跟踪镜中心到目标的距离变化量，标定好初始距离 值，目标的坐标可以通过极坐标法实时求得。k a m 1 3 6 1 提出了一种类似全姿态目标位 置跟踪系统，但测量靶带有电缆。q i 1 3 刀提出一种基于多个干涉仪的跟踪系统，测量 9 北京交通大学博士学位论文 系统复杂。跟踪测量采用角度测量与激光测长相结合的手段，获得6 个参数的坐标， 具有测量范围大、测量速度快等优点，但测量系统复杂、测量设备昂贵，测量精度也 无法满足机床检定的要求。 3 基于全反射的测量方法 9 3 】。 图1 5 为基于全反射原理的五自由度同时测量原理图，双频激光器发出的激光经 偏光分光镜分为两束，由固定角锥棱镜r r l 反射回来为参考光束，由运动的角锥棱 镜r r 2 反射回来为测量光束。在这两束光路中插入两个完全相同的无极性半透半反 镜( b s l ，b s 2 ) 和一个干涉滤光器。r r 2 反射回来的光束经b s 2 分为两束，透射光用 来测距，反射光用来测量其它四个误差项。采用带通干涉滤光器是为了消除外界光线 对光接收器的干扰。由b s 2 反射的光束在半透半反镜b s 3 处再一次分成两束。反射 光由一个两维位置传感器( p s d ) 检测，根据p s d 接收到的信号由以下公式可以得 到水平和垂直方向的直线度误差： 图1 5 基于全反射原理的五维信息测量原理 瓯= k l ( o l x 2 ) ( 。l + x 2 ) s 。= k z ( y 1 一y 2 ) ( y t + y o ( 1 - 1 ) ( 卜2 ) 其中x 。，x 。，y 。和y 。是p s d 的四个输出信号，注意( x