專利名稱：一種實(shí)現(xiàn)阿貝誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)募す飧缮鏈y長系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用激光干涉方式的長度測量系統(tǒng)，特別是一種實(shí)現(xiàn)阿貝誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)臏y長系統(tǒng)，屬于精密計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前世界上測長系統(tǒng)精度最高的應(yīng)屬激光干涉測長系統(tǒng)，著名的產(chǎn)品有HP公司的雙頻激光干涉儀，它是一種以光波波長為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)被測長度進(jìn)行度量的儀器，基本原理如圖1所示光源是一支能發(fā)射兩個(gè)頻率的激光器，一個(gè)頻率為F1，另一個(gè)頻率為F2，F(xiàn)1、F2之間的頻差在1MHz左右，它們是振動(dòng)方向相互垂直的線偏振光。將光線中的一小部分信號(hào)取出拍頻，形成參考信號(hào)，頻率為F1-F2；大部分信號(hào)通過偏振分束鏡S分成兩束，頻率為F1的一束被反射到固定棱鏡M1，頻率為F2的一束透射到可動(dòng)棱鏡M2。反射回來后的兩束光又沿同一軸線經(jīng)過拍頻后，由接收器接收，形成測量信號(hào)。當(dāng)M2不動(dòng)時(shí)，光電接收器檢測到的信號(hào)頻率為F1一F2；當(dāng)可動(dòng)棱鏡移動(dòng)時(shí)，反射回來的光頻中包含了多普勒頻移±Δf，則接收信號(hào)頻率為F2-F1±Δf。當(dāng)把測量信號(hào)和參考信號(hào)相減后，取得±Δf。用計(jì)數(shù)器對(duì)±Δf進(jìn)行累加得N，則可動(dòng)棱鏡的移動(dòng)長度L為L=N·λ2=λ2∫0tΔfdt]]>對(duì)于大量程高精度測量系統(tǒng)，導(dǎo)軌直線度的影響不可忽略。由導(dǎo)軌直線度所帶來的阿貝誤差必須進(jìn)行補(bǔ)償，才能提高系統(tǒng)測量精度。
目前在國內(nèi)外所采用的減小或消除阿貝誤差的方法有1.結(jié)構(gòu)上采取措施。
從工藝上提高導(dǎo)軌副的幾何精度及運(yùn)動(dòng)精度，減小因運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌副的不直性帶來的轉(zhuǎn)角誤差。從結(jié)構(gòu)布置上，盡量使測量基準(zhǔn)線(如光柵、磁柵、感應(yīng)同步器、激光干涉儀等)與被測位置線盡量靠近，以減小阿貝臂。
在許多情況下，由于受到結(jié)構(gòu)和功能的限制，該方法具有很大的局限性。
2.愛彭斯坦誤差補(bǔ)償原則。
愛彭斯坦誤差補(bǔ)償?shù)脑?，是利用各種結(jié)構(gòu)，使可能產(chǎn)生的誤差相互削弱，或者故意增加新的誤差，以減小某些誤差的影響，如一米測長機(jī)等。
因?yàn)閻叟硭固拐`差補(bǔ)償原理是利用特定的機(jī)構(gòu)來達(dá)到減小或消除誤差的目的，所以對(duì)應(yīng)不同的測量和加工裝置，就需要設(shè)計(jì)不同的愛彭斯坦補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，因而該方法不具有普遍適用性。
3.布來恩建議。
布來恩建議其內(nèi)容為基準(zhǔn)位移測量系統(tǒng)工作點(diǎn)的路程應(yīng)和被測位移作用點(diǎn)的路程位于一條直線上；如果這不可能，那么或者必須使傳送位移的導(dǎo)軌沒有角運(yùn)動(dòng)，或用實(shí)際導(dǎo)軌角運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)計(jì)算偏移的影響。布來恩建議是阿貝原理的補(bǔ)充和擴(kuò)展。
布萊恩建議在敘述方法上和阿貝原理完全相似，但在概念和內(nèi)容實(shí)質(zhì)上有本質(zhì)的區(qū)別。這一內(nèi)容并未包含在阿貝原理的原意之中，因此布來恩建議和阿貝原理并列為兩個(gè)基本的設(shè)計(jì)原則和測量原則。根據(jù)布萊恩建議，為了提高測量準(zhǔn)確度，應(yīng)盡量遵循阿貝原理，采用同軸串聯(lián)設(shè)計(jì)；如果做不到這一點(diǎn)，則應(yīng)從以下兩種方式入手，以消除阿貝誤差對(duì)加工精度和測量準(zhǔn)確度的影響1)改善導(dǎo)軌的制造工藝，減小導(dǎo)軌的幾何誤差、提高導(dǎo)軌的加工精度。2)實(shí)際測量出導(dǎo)軌的在運(yùn)動(dòng)過程中因傾斜而引入的角運(yùn)動(dòng)誤差，計(jì)算出實(shí)際的阿貝誤差值。
提高導(dǎo)軌導(dǎo)軌本身的制造工藝和精度具有很大的局限性，并且代價(jià)高昂，由于技術(shù)上的因素，布來恩建議并未得到真正實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的阿貝誤差補(bǔ)償方法使儀器的體積增大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本劇增的不足，本發(fā)明提供了一種實(shí)現(xiàn)阿貝誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)募す飧缮鏈y長方法，來實(shí)時(shí)修正導(dǎo)軌水平方向的阿貝誤差和導(dǎo)軌垂直方向的阿貝誤差，在技術(shù)上和方法上實(shí)現(xiàn)了布來恩建議的設(shè)想。
本發(fā)明的一種實(shí)現(xiàn)阿貝誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)募す飧缮鏈y長系統(tǒng)，包括一個(gè)雙頻激光發(fā)射器、干涉鏡、可動(dòng)的角錐反射鏡、干涉信號(hào)接收器，雙頻激光發(fā)射器發(fā)射的雙頻激光通過干涉鏡到角錐反射鏡反射后，返回干涉鏡，由干涉信號(hào)接收器接收形成一光路，在干涉鏡到角錐反射鏡方向的垂直上方和水平的側(cè)方各有一由雙頻激光、干涉鏡、可動(dòng)的角錐反射鏡、干涉信號(hào)接收器組成的光路系統(tǒng)，三個(gè)光路平行。
本發(fā)明的三個(gè)光路的雙頻激光可由一個(gè)雙頻激光發(fā)射器、1/3的分束鏡、1/2的分束鏡、兩個(gè)90°光束折轉(zhuǎn)鏡產(chǎn)生，雙頻激光發(fā)射器發(fā)射的雙頻激光通過1/3的分束鏡產(chǎn)生1/3的和2/3的兩束雙頻激光，其中1/3的雙頻激光經(jīng)一90°光束折轉(zhuǎn)鏡后為一光路的雙頻激光，2/3的雙頻激光經(jīng)1/2的分束鏡又產(chǎn)生兩束雙頻激光，一束為一光路的雙頻激光，另外一束經(jīng)90°光束折轉(zhuǎn)鏡后作為一光路的雙頻激光。實(shí)現(xiàn)了一路雙頻激光變換為三路能量相等的雙頻激光。
為了直觀得到結(jié)果，系統(tǒng)還接有一信號(hào)處理及顯示系統(tǒng)，用于處理三個(gè)干涉信號(hào)接收器的數(shù)據(jù)并將處理結(jié)果顯示輸出，實(shí)時(shí)得到導(dǎo)軌的兩維阿貝角和補(bǔ)償后的長度數(shù)據(jù)。
在長度測量時(shí)，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)軌副中運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌(工作臺(tái))(18)在支承導(dǎo)軌(19)上任一位置處多路干涉光同時(shí)測長，以實(shí)時(shí)得到激光光路在運(yùn)動(dòng)方向上的行程差，由此實(shí)時(shí)計(jì)算出激光軸線與測量軸線的夾角，即實(shí)時(shí)測量出阿貝角，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)阿貝誤差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。由于導(dǎo)軌幾何精度的影響，測量軸線(I)與激光軸線(II)的夾角值因運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌在支承導(dǎo)軌上位置不同而不同。將直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的幾何誤差分解為導(dǎo)軌在垂直面內(nèi)的直線度和導(dǎo)軌在水平面內(nèi)的直線度，按照導(dǎo)軌直線度的分解原則，測量軸線與激光軸線的夾角也可分為水平軸線與激光軸線的夾角β和垂直軸線與激光軸線的夾角α，見圖2。若α、β角已知，那么系統(tǒng)的阿貝誤差就是兩分項(xiàng)阿貝誤差之和。按以上設(shè)計(jì)原則，可以實(shí)時(shí)獲得雙向阿貝角。圖3是阿貝誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償多路光結(jié)構(gòu)圖，多路激光的移動(dòng)方向都沿著X軸，多路激光從激光頭(1)出發(fā)，經(jīng)過多路干涉及分束部件(16)分別地投向位于運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌(工作臺(tái))(18)的角錐反射棱鏡鏡組(17)，各角錐反射棱鏡的結(jié)構(gòu)、性能和技術(shù)指標(biāo)都相同，并且位于同一垂直面內(nèi)(YOZ平面)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌(工作臺(tái))(18)沿支承導(dǎo)軌(19)移動(dòng)時(shí)，各路干涉光同時(shí)工作，分別計(jì)下移動(dòng)的相對(duì)距離。如果工作臺(tái)(18)的運(yùn)動(dòng)軸線(也就是測量軸線)與激光軸線相平行，則不存在阿貝誤差，每路激光的相對(duì)移動(dòng)距離都相等。實(shí)際上受導(dǎo)軌幾何精度的影響，各路干涉光的相對(duì)移動(dòng)距離互不相等。將從激光頭出來后沒改變過方向的一束光的移動(dòng)距離為標(biāo)準(zhǔn)值，則可以實(shí)時(shí)獲得Z向兩束光的行程差和Y向兩束光的行程差。Z向的行程差反映了導(dǎo)軌水平工作面的直線性；Y向的行程差反映了導(dǎo)軌垂直工作面的直線性，角錐反射棱鏡的位置固定，利用三角關(guān)系，可求出工作臺(tái)在當(dāng)前位置上的阿貝角，通過信號(hào)處理及顯示系統(tǒng)可直觀得到結(jié)果，實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)阿貝誤差的補(bǔ)償。
本發(fā)明的阿貝誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償準(zhǔn)確度高，結(jié)構(gòu)及原理簡單，對(duì)光學(xué)元件的安裝位置沒有嚴(yán)格要求，它可以安裝在遠(yuǎn)離有油和切削液的位置，通過修正保證激光定位的高精度；通過對(duì)普通導(dǎo)軌進(jìn)行阿貝誤差實(shí)時(shí)修正，無需更換原來的導(dǎo)向系統(tǒng)，即可達(dá)到較高的加工測量精度，實(shí)現(xiàn)舊機(jī)床的改造，還可推廣到數(shù)控機(jī)床的在線測量中去，實(shí)現(xiàn)加工測量一體化。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
圖1是普通的激光干涉測長系統(tǒng)原理2是測量軸線與激光軸線的夾角分解原理3是阿貝誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償多路光結(jié)構(gòu)4是測量系統(tǒng)阿貝實(shí)時(shí)補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型5是三路干涉光實(shí)現(xiàn)阿貝誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)慕M成系統(tǒng)2中，I.測量軸線，II.激光軸線。
圖3中，1.激光頭，16.多光路干涉及分束部件，17.角錐反射鏡鏡組，18.運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌(工作臺(tái))，19.支承導(dǎo)軌。
圖4中，i.水平面直線性，ii.垂直面直線性。
圖5中，1.HP5527激光頭，2. 1/3分束鏡，3、7.90度光束折轉(zhuǎn)鏡，4、8、10.干涉鏡，5、9、11.角錐反射鏡，6. 1/2分束鏡，12、13、14.干涉信號(hào)接收器。15.激光器，16.干涉及分束部件，17.干涉儀角錐棱鏡組。20.信號(hào)處理及顯示系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
圖5是三路干涉光實(shí)現(xiàn)阿貝誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)慕M成系統(tǒng)圖。三路光的移動(dòng)方向都沿著X軸，激光從激光器(15)中HP5527激光頭(1)出發(fā)，通過1/3分束鏡(2)將激光分為兩束，占總能量1/3的一束光通過90°光束折轉(zhuǎn)鏡(3)和干涉鏡(4)投向位于工作臺(tái)上角錐棱鏡(5)(此路光為Z向)。另一束光(占總能量的2/3)經(jīng)過1/2分束鏡(6)后均分為兩束，其中一束光經(jīng)過干涉鏡(10)后直接投向位于工作臺(tái)上角錐棱鏡(11)(此路光為X向)，余下一束光經(jīng)90度光束折轉(zhuǎn)鏡(7)和干涉鏡(8)后投向位于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的角錐棱鏡(9)(此路光為Y向)，這三個(gè)角錐棱鏡的結(jié)構(gòu)、性能和技術(shù)指標(biāo)都相同，并且位于同一垂直面內(nèi)(YOZ平面)。三個(gè)角錐棱鏡(17)隨工作臺(tái)(18)運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)(18)運(yùn)動(dòng)時(shí)X、Y、Z三路光同時(shí)工作，干涉信號(hào)接收器(14)、(13)、(12)同時(shí)接收到測量信號(hào)，分別計(jì)下移動(dòng)的相對(duì)距離。如果運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(18)的運(yùn)動(dòng)軸線(也就是測量軸線)與激光軸線相平行，則不存在阿貝誤差，三路光的相對(duì)移動(dòng)距離都相等。事實(shí)上受導(dǎo)軌直線度的影響，三路光的相對(duì)移動(dòng)距離互不相等。將從激光頭出來后沒改變過方向的一束光的移動(dòng)距離為標(biāo)準(zhǔn)值，則可以實(shí)時(shí)獲得Z向與X向兩束光的行程差、Y向與X向兩束光的行程差。Z向與X向的行程差反映了導(dǎo)軌水平工作面的直線性；Y向與X向的行程差反映了導(dǎo)軌垂直工作面的直線性，由于三束光的位置固定，利用簡單的三角關(guān)系，就可以求出工作臺(tái)在當(dāng)前位置上的阿貝角。
如圖4所示，設(shè)OX為標(biāo)準(zhǔn)光束，光束OY與OX在同一水平面上，光束OZ與OX在同一垂直面上；i為水平面直線性，ii為垂直面直線性；OX與OY的間距為HY，OX與OZ的間距為HZ。當(dāng)工作臺(tái)行走到某一位置時(shí)，若光束OY與OX的行程差為ΔY，光束OZ與OX的行程差為ΔZ，則有tanα=ΔYHY;]]>tanβ=ΔZHZ]]>根據(jù)所求出的阿貝角，就可以對(duì)整個(gè)測量系統(tǒng)進(jìn)行阿貝補(bǔ)償。設(shè)給定被測目標(biāo)在P點(diǎn)，P點(diǎn)相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)光軸OX的水平定位差(即水平方向阿貝臂)為y、P點(diǎn)相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)光軸OX的垂直定位差(即垂直方向阿貝臂)為z，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)光束的行程長度為LX時(shí)，經(jīng)過阿貝補(bǔ)償后P點(diǎn)的行程長度LP為LP=LX-ΔYHY·y-ΔZHZ·z]]>上述運(yùn)算方法和一些數(shù)據(jù)已經(jīng)輸入信號(hào)處理及顯示系統(tǒng)(20)，這樣，當(dāng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)(18)時(shí)，信號(hào)處理及顯示系統(tǒng)(20)即可實(shí)時(shí)計(jì)算并顯示輸出LX、LY、LZ、α、β、LP等，實(shí)現(xiàn)測長過程的阿貝誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償。
以一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)雙頻激光干涉儀來驗(yàn)證本發(fā)明對(duì)測量系統(tǒng)阿貝誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)哪芰?。將?biāo)準(zhǔn)雙頻的反射鏡安放在距系統(tǒng)主光路(y，z)位置上，y為標(biāo)準(zhǔn)雙頻的反射鏡距主光路OX的水平位置差，z為標(biāo)準(zhǔn)雙頻的反射鏡距主光路OX的垂直位置差，當(dāng)工作臺(tái)在導(dǎo)軌上沿X方向移動(dòng)時(shí)，受補(bǔ)償系統(tǒng)的主光路的讀數(shù)為LX，則位于(y，z)位置上的受補(bǔ)償系統(tǒng)的讀數(shù)LP可用下式表示LP＝LX-Ky·y-Kz·zKy為y向阿貝補(bǔ)償系數(shù)，Kz為z向阿貝補(bǔ)償系數(shù)。將LP與標(biāo)準(zhǔn)雙頻激光干涉儀測長的讀數(shù)相比較，若受補(bǔ)償系統(tǒng)的讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)雙頻激光干涉儀的讀數(shù)一致，則說明阿貝誤差補(bǔ)償正確。具體比對(duì)測量時(shí)，測量間隔約為1000mm，多次測量后，取最大的比對(duì)差值作為示值誤差。
經(jīng)驗(yàn)證可知，在35米范圍內(nèi)正行程比對(duì)最大示值誤差為0.9μm。反行程比對(duì)最大示值誤差為0.5μm。
因此可以證明系統(tǒng)阿貝誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償正確。
權(quán)利要求
1.一種實(shí)現(xiàn)阿貝誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)募す飧缮鏈y長系統(tǒng)，包括一個(gè)雙頻激光發(fā)射器、干涉鏡、可動(dòng)的角錐反射鏡、干涉信號(hào)接收器，雙頻激光發(fā)射器發(fā)射的雙頻激光通過干涉鏡到角錐反射鏡反射后，返回干涉鏡，產(chǎn)生干涉，由干涉信號(hào)接收器接收形成一光路，其特征在于在干涉鏡到角錐反射鏡方向的垂直上方和水平的側(cè)方各有一由雙頻激光、干涉鏡、可動(dòng)的角錐反射鏡、干涉信號(hào)接收器組成的光路系統(tǒng)，三個(gè)光路平行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實(shí)現(xiàn)阿貝誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)募す飧缮鏈y長系統(tǒng)，其特征是所述三個(gè)光路的雙頻激光由一個(gè)雙頻激光發(fā)射器、1/3的分束鏡、1/2的分束鏡、兩個(gè)90°光束折轉(zhuǎn)鏡產(chǎn)生，雙頻激光發(fā)射器發(fā)射的雙頻激光通過1/3的分束鏡產(chǎn)生1/3的和2/3的兩束雙頻激光，其中1/3的雙頻激光經(jīng)一90°光束折轉(zhuǎn)鏡后為一光路的雙頻激光，2/3的雙頻激光經(jīng)1/2的分束鏡又產(chǎn)生兩束雙頻激光，一束為一光路的雙頻激光，另外一束經(jīng)90°光束折轉(zhuǎn)鏡后作為一光路的雙頻激光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的一種實(shí)現(xiàn)阿貝誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)募す飧缮鏈y長系統(tǒng)，其特征是系統(tǒng)還接有一信號(hào)處理及顯示系統(tǒng)，用于處理三個(gè)干涉信號(hào)接收器的數(shù)據(jù)并將處理結(jié)果顯示輸出，實(shí)時(shí)得到導(dǎo)軌的兩維阿貝角和補(bǔ)償后的長度數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種實(shí)現(xiàn)阿貝誤差實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)募す飧缮鏈y長系統(tǒng)，它采用一個(gè)雙頻激光發(fā)射器、兩個(gè)分束鏡、兩個(gè)90°光束折轉(zhuǎn)鏡產(chǎn)生三路干涉光同時(shí)測長，實(shí)時(shí)得到導(dǎo)軌的兩維阿貝角，從而實(shí)現(xiàn)阿貝誤差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。它測量精度高、結(jié)構(gòu)及原理簡單、成本低，在技術(shù)和方法上實(shí)現(xiàn)了布來恩建議的消除阿貝誤差的設(shè)想。
文檔編號(hào)G01B9/02GK1510390SQ0215799
公開日2004年7月7日 申請(qǐng)日期2002年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月24日
發(fā)明者李百源 申請(qǐng)人:中國航空工業(yè)總公司第三○四研究所