專利名稱：導(dǎo)軌滾轉(zhuǎn)角的非接觸激光檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)副誤差的檢測(cè)方法， 具體涉及一種導(dǎo)軌滾轉(zhuǎn)角的非接觸激光檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
由于制造和安裝誤差導(dǎo)致采用直線導(dǎo)軌的加工或測(cè)量設(shè)備的直線導(dǎo)軌 運(yùn)動(dòng)副不同程度地存在俯仰角、偏擺角和滾轉(zhuǎn)角三個(gè)角運(yùn)動(dòng)誤差，在其相應(yīng) 方向產(chǎn)生的阿貝誤差直接影響設(shè)備的加工或測(cè)量精度。目前，采用誤差補(bǔ)償 技術(shù)是減小和消除阿貝誤差以提高設(shè)備精度的主要手段，但其前提是精確測(cè) 量角運(yùn)動(dòng)誤差。
滾轉(zhuǎn)角的測(cè)量方法，目前，主要有基于準(zhǔn)直激光位置基準(zhǔn)的滾轉(zhuǎn)角測(cè)量 方法、基于準(zhǔn)直激光方向基準(zhǔn)的滾轉(zhuǎn)角測(cè)量方法、基于準(zhǔn)直激光偏振方向基
準(zhǔn)的滾轉(zhuǎn)角測(cè)量方法和基于偏振激光振動(dòng)面基準(zhǔn)的滾轉(zhuǎn)角測(cè)量方法等；其 中，基于偏振激光振動(dòng)面基準(zhǔn)的滾轉(zhuǎn)角測(cè)量方法，可應(yīng)用于采用直線導(dǎo)軌設(shè) 備的導(dǎo)軌滾轉(zhuǎn)角的測(cè)量，但該方法對(duì)滾轉(zhuǎn)角測(cè)量時(shí)，因受入射光的干擾，測(cè) 量精度較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種導(dǎo)軌滾轉(zhuǎn)角的非接觸激光檢測(cè)方法，測(cè)量精度 較高。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是， 一種導(dǎo)軌滾轉(zhuǎn)角的非接觸激光檢測(cè)方法，
具體按以下步驟進(jìn)行
步驟l:采用一檢測(cè)裝置，以檢測(cè)裝置中的激光器發(fā)出的線偏振激光為 探測(cè)光，該線偏振激光射入沿光束方向設(shè)置的1/2波片，通過(guò)l/2波片后射 入設(shè)置于1/2波片后的直角棱鏡；
步驟2:射入直角棱鏡的線偏振激光經(jīng)其反射后，形成與入射光束平行 的逆向探測(cè)光并出射，該逆向探測(cè)光再次射入l/2波片；
步驟3:逆向探測(cè)光再次透過(guò)1/2波片后，射入沿逆向探測(cè)光方向設(shè)置 的偏振分光鏡，偏振分光鏡將入射的逆向探測(cè)光分成兩束分光，該兩束分光 分別射入沿分光光束射出方向設(shè)置的兩個(gè)光電探測(cè)器；
步驟4:兩光電探測(cè)器分別產(chǎn)生反映各自入射光光強(qiáng)的電流信號(hào)，并送 入與兩光電探測(cè)器相連接的信號(hào)處理電路
步驟5:信號(hào)處理電路對(duì)來(lái)自光電探測(cè)器的電流信號(hào)進(jìn)行處理，得到反 映偏振分光鏡兩束出射分光束光強(qiáng)差的電壓信號(hào)"；
步驟6:信號(hào)處理電路將得到的電壓信號(hào)"送入與其相連接的計(jì)算機(jī)， 經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后得到被測(cè)導(dǎo)軌滾轉(zhuǎn)角的大小和方向。
本發(fā)明的有益效果是
1. 測(cè)量系統(tǒng)的輸出電壓t/。與被測(cè)量滾轉(zhuǎn)角-間近似成線性關(guān)系，測(cè)量靈 敏度和精度進(jìn)一步提高。
2. 采用1/2波片作為敏感元件，并不攜帶電纜，適合于設(shè)備導(dǎo)軌的滾轉(zhuǎn)
角在線動(dòng)態(tài)測(cè)量且被測(cè)導(dǎo)軌的行程不受限制，可從根本上有效提高設(shè)備的精度。


圖1是本發(fā)明方法中采用的測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是采用本發(fā)明方法測(cè)量導(dǎo)軌滾轉(zhuǎn)角的檢測(cè)原理圖；圖3是采用本發(fā)明方法得到的滾轉(zhuǎn)角與信號(hào)處理電路輸出電壓之間的關(guān)
系曲線圖。
圖中，l.激光器，2.偏振分光鏡，3.1/2波片，4.直角棱鏡，5.工作臺(tái)， 6.光電探測(cè)器A， 7.光電探測(cè)器B， 8.信號(hào)處理器，9.計(jì)算機(jī)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明 本發(fā)明方法中采用的檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)如圖l所示。檢測(cè)裝置中，包括產(chǎn) 生探測(cè)用線偏振激光的激光器1，沿激光器1射出的探測(cè)光光束方向依次設(shè)
置有l(wèi)/2波片3和直角棱鏡4， 1/2波片3固接于工作臺(tái)5;沿直角棱鏡4反 射光射出方向設(shè)置有偏振分光鏡2， 1/2波片3位于偏振光光鏡2與直角棱鏡 4之間。在偏振分光鏡2兩束分光射出方向分別設(shè)置有光電探測(cè)器A6和光 電探測(cè)器B7，光電探測(cè)器A6和光電探測(cè)器B7分別與信號(hào)處理電路8相連 接，信號(hào)處理電路8與計(jì)算機(jī)9相連接。 該檢測(cè)裝置中，
采用很薄的1/2波片3作為敏感元件，當(dāng)1/2波片3隨工作臺(tái)5沿直線 導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)軌的俯仰角和偏擺角誤差不會(huì)對(duì)滾轉(zhuǎn)角誤差的測(cè)量產(chǎn)生很大 的影響，可以保證測(cè)量精度。
采用直角棱鏡4為反射鏡，可確保激光器1發(fā)出的探測(cè)光兩次垂直經(jīng)過(guò) 1/2波片3時(shí)，不重疊且平行，保證測(cè)量光偏振方向的改變是疊加的。
利用上述檢測(cè)裝置對(duì)導(dǎo)軌滾轉(zhuǎn)角進(jìn)行檢測(cè)的方法，具體按以下步驟進(jìn)
行
步驟l:采用該檢測(cè)裝置，檢測(cè)裝置中的激光器l發(fā)出線偏振激光作為 探測(cè)光，該線偏振激光射入1/2波片3，經(jīng)過(guò)1/2波片3后射入設(shè)置于1/2波
片后的直角棱鏡4;
步驟2:射入直角棱鏡4的線偏振激光經(jīng)其反射后，形成與入射光束平 行的逆向探測(cè)光從直角棱鏡4中射出，該逆向激光束再次射入1/2波片3;
步驟3:逆向探測(cè)光透過(guò)1/2波片3后，射入沿逆向探測(cè)光方向設(shè)置的
偏振分光鏡2，偏振分光鏡2將其分成兩束分光，該兩束分光分別射入沿分 光光束射出方向設(shè)置的光電探測(cè)器A6和光電探測(cè)器B7;
步驟4:光電探測(cè)器A6和光電探測(cè)器B7分別產(chǎn)生反映各自入射光光強(qiáng)
的電流信號(hào)，并該電流信號(hào)送入與光電探測(cè)器相連接的信號(hào)處理電路8:
步驟5:信號(hào)處理電路8對(duì)來(lái)自光電探測(cè)器的兩個(gè)電流信號(hào)進(jìn)行處理得
到反映偏振分光鏡2兩束出射分光束光強(qiáng)差的電壓信號(hào)C7。
，
步驟6:信號(hào)處理電路8將得到的電壓信號(hào)C/。送入與其相連接的計(jì)算機(jī)
9，經(jīng)計(jì)算機(jī)9處理后得到被測(cè)導(dǎo)軌滾轉(zhuǎn)角的大小和方向。
本發(fā)明檢測(cè)方法的原理如圖2所示。建立直角坐標(biāo)系ZXYZ，以線偏
振探測(cè)激光的傳播方向?yàn)閆軸，以垂直于探測(cè)光的傳播方向?yàn)樽鴺?biāo)平面 XOY，坐標(biāo)平面XOZ為水平面。檢測(cè)前，調(diào)整激光器1使探測(cè)光的振動(dòng)面 位于坐標(biāo)平面XOZ內(nèi)，設(shè)其初始位置為0號(hào)位。調(diào)整敏感元件1/2波片3， 使探測(cè)光垂直射入l/2波片3，同時(shí)使其快軸平行于坐標(biāo)平面XOZ。探測(cè)光 經(jīng)直角棱鏡4反射后，其反射光與入射光所決定的平面與坐標(biāo)平面XOZ平 行。安裝偏振分光鏡2時(shí)應(yīng)盡量使信號(hào)處理電路8的輸出電壓f/。為零。
在滾轉(zhuǎn)角測(cè)量時(shí)，當(dāng)1/2波片3隨工作臺(tái)5轉(zhuǎn)動(dòng)一角度e后，其快軸由 初始位置O號(hào)位轉(zhuǎn)到圖中位置IV，線偏振激光經(jīng)l/2波片3后，其出射光的 振動(dòng)面將處于位置I ，位置I與位置W之間的夾角即為導(dǎo)軌的滾轉(zhuǎn)角隊(duì)線 偏振激光經(jīng)直角棱鏡4反射后其振動(dòng)面轉(zhuǎn)至位置II ，即為線偏振激光再次經(jīng)
過(guò)1/2波片3前的振動(dòng)面的位置。探測(cè)光再次經(jīng)過(guò)1/2波片3后其振動(dòng)面處
于位置m，此時(shí)探測(cè)光的振動(dòng)面位置ni與其初始位置o號(hào)位間的夾角p等于
46。借助光電探測(cè)器檢測(cè)偏振分光鏡2兩出射光的光強(qiáng)，即可得到偏振分光
鏡2入射光振動(dòng)面所在位置m相對(duì)激光器i產(chǎn)生的探測(cè)光振動(dòng)面o號(hào)位間的
夾角p， ^的四分之一即為敏感元件1/2波片3隨工作臺(tái)5沿被測(cè)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng) 時(shí)繞導(dǎo)軌軸線的滾動(dòng)角&兩光電探測(cè)器產(chǎn)生的兩光束的光強(qiáng)差A(yù)/與滾轉(zhuǎn)角 0之間滿足以下關(guān)系
A/ = /p — /、. = /。 sin2 (7 + p) — /。cos2 ( 7 + P) = /。 sin(2p) = /。 sin(86 )
由導(dǎo)軌精度所決定，1/2波片3隨工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其快軸與坐標(biāo)平面XOZ 間的夾角^很小，《><8^)a8e，所以有 A/ 諸o
即光強(qiáng)差A(yù)/與滾轉(zhuǎn)角e間近似成線性關(guān)系，且滾轉(zhuǎn)角0被放大8倍。光 強(qiáng)差A(yù)/經(jīng)信號(hào)處理電路8處理后，信號(hào)處理電路8的輸出電壓f/。還可對(duì)光強(qiáng) 差A(yù)/做進(jìn)一步地放大。
檢測(cè)裝置在實(shí)際安裝調(diào)試過(guò)程中，不可能做到使激光器1產(chǎn)生的線偏振 光的振動(dòng)面在水平面內(nèi)，設(shè)線偏振探測(cè)光的振動(dòng)面與水平面間有夾角A《。 再者，偏振分光鏡2的P軸和S軸不可能調(diào)整到要求的位置，設(shè)調(diào)整偏角為 A《。此時(shí)，根據(jù)線偏振光的傳播特性，可得偏振分光鏡2兩出射光束的光
強(qiáng)差為
A/ = /p - /; = /0 sin(2A《+ 86 - 2A《)
安裝引起的誤差A(yù)《和A《很小，導(dǎo)軌滾轉(zhuǎn)角P也非常小，即有 檢測(cè)裝置中，偏振分光鏡兩出射光的光強(qiáng)差A(yù)/'中含有調(diào)整誤差項(xiàng) 2A《-2A《，相應(yīng)地，來(lái)自信號(hào)處理電路8的反映光強(qiáng)差A(yù)/'的輸出電壓C/。中 也含有誤差項(xiàng)2A《-2A《，但其對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響是確定的，可通過(guò)對(duì)檢測(cè) 裝置的標(biāo)定來(lái)消除。在系統(tǒng)使用前，移去1/2波片3后所測(cè)得的輸出電壓t/。 即為調(diào)整誤差項(xiàng)2A《-2A《。
采用本發(fā)明方法進(jìn)行滾轉(zhuǎn)角檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。1/2波片3固定在一高精度轉(zhuǎn)臺(tái) 上，該高精度轉(zhuǎn)臺(tái)模擬工作臺(tái)沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)時(shí)的滾轉(zhuǎn)角變化，得到如圖3所示 的滾轉(zhuǎn)角與電壓的關(guān)系曲線，圖中顯示，滾轉(zhuǎn)角與信號(hào)處理電路的輸出電壓 呈線性關(guān)系，滾轉(zhuǎn)角測(cè)量范圍為土200'時(shí)，線性擬合曲線的性度為0.998; 實(shí)驗(yàn)表明，采用本發(fā)明方法測(cè)量導(dǎo)軌的滾轉(zhuǎn)角，其測(cè)量分辨率為2"。相比于 現(xiàn)有的檢測(cè)方法，本發(fā)明方法的測(cè)量精度和分辨率有較大提高。
權(quán)利要求
1.一種導(dǎo)軌滾轉(zhuǎn)角的非接觸激光檢測(cè)方法，具體按以下步驟進(jìn)行步驟1采用一檢測(cè)裝置，以檢測(cè)裝置中的激光器發(fā)出的線偏振激光為探測(cè)光，該線偏振激光射入沿光束方向設(shè)置的1/2波片，通過(guò)1/2波片后射入設(shè)置于1/2波片后的直角棱鏡；步驟2射入直角棱鏡的線偏振激光經(jīng)其反射后，形成與入射光束平行的逆向探測(cè)光并出射，該逆向探測(cè)光再次射入1/2波片；步驟3逆向探測(cè)光再次透過(guò)1/2波片后，射入沿逆向探測(cè)光方向設(shè)置的偏振分光鏡，偏振分光鏡將入射的逆向探測(cè)光分成兩束分光，該兩束分光分別射入沿分光光束射出方向設(shè)置的兩個(gè)光電探測(cè)器；步驟4兩光電探測(cè)器分別產(chǎn)生反映各自入射光光強(qiáng)的電流信號(hào)，并送入與兩光電探測(cè)器相連接的信號(hào)處理電路步驟5信號(hào)處理電路對(duì)來(lái)自光電探測(cè)器的電流信號(hào)進(jìn)行處理，得到反映偏振分光鏡兩束出射分光束光強(qiáng)差的電壓信號(hào)U0；步驟6信號(hào)處理電路將得到的電壓信號(hào)U0送入與其相連接的計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后得到被測(cè)導(dǎo)軌滾轉(zhuǎn)角的大小和方向。
全文摘要
本發(fā)明公開的一種導(dǎo)軌滾轉(zhuǎn)角的非接觸激光檢測(cè)方法，按以下步驟進(jìn)行采用一檢測(cè)裝置，以激光器發(fā)出的線偏振激光為探測(cè)光，探測(cè)光射入敏感元件1/2波片，經(jīng)1/2波片后射向直角棱鏡；探測(cè)光經(jīng)直角棱鏡反射，得到與入射光束平行的逆向光束，該逆向光束再次通過(guò)1/2波片后射入偏振分光鏡，偏振分光鏡的兩束出射光分別射入兩光電探測(cè)器，產(chǎn)生反映光強(qiáng)的電流信號(hào)；電流信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路后得到反映兩束光光強(qiáng)差的電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理得到反映被測(cè)導(dǎo)軌滾轉(zhuǎn)角的大小和方向。本發(fā)明方法可用于采用直線導(dǎo)軌的加工或測(cè)量設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)其直線導(dǎo)軌滾轉(zhuǎn)角的動(dòng)、靜態(tài)檢測(cè)，該測(cè)量方法具有較高的檢測(cè)精度。
文檔編號(hào)G01B11/26GK101354243SQ200810150780
公開日2009年1月28日 申請(qǐng)日期2008年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月3日
發(fā)明者史恩秀, 楊辛芳, 偉 邵, 郭俊杰, 黃玉美 申請(qǐng)人:西安理工大學(xué)