CN103940348A - 一种工作台运动误差多自由度检测的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工作台运动误差多自由度检测的装置及方法，本发明的反射光经过光路调整反射镜反射到固定在工作台上的三面反射镜上，经过三面反射镜的依次反射后，回到光路调整反射镜，并反射到第二分光片上，经第二分光片的反射后进入扩束镜，投射到探测器上；透射光经过第二分光片的透射后，进入扩束镜，投射到探测器上。两束光在探测器上产生干涉，对干涉条纹的形状的调整与相移的测量，能够实现对工作台的偏转与运动位移的测量；本发明可用在对工作台的摇摆角、俯仰角与轴向运动位移的同步实时测量，由此可以通过测量结果进行实时补偿，消除运动误差的影响，从而提高测量精度与制造精度。角度的测量范围在±3mrad范围内，满足工作台的测量要求。
Description
技术领域
本发明涉及到一种工作台多自由度检测装置，该装置可实现工作台摇摆角、俯仰角与直线运动位移的同步测量。
背景技术
精密工作台是表面形貌测量与精密加工的关键部件，其运动精度直接决定着测量精度与加工精度，因而研究与设计对工作台角偏与线偏的实时在线测量方法具有重要意义。
目前对工作台运动误差的测量方法中，高精度测量方法，所测量的自由度少或只能进行单自由度测量；多自由度测量方法中，测量精度较低，或采用组合式的测量方式测量精度高，但成本高、体积庞大。
现有的工作台运动误差测量方法主要有几种：一是采用激光干涉法，即基于激光干涉原理的干涉测量方法，应用光学元件在工作台上的各种组合，通过对激光的反射与折射等，形成与工作台运动误差相关的光程差，然后对光程差导致的相位差的计算，得到工作台的运动误差。由于以激光波长为标准，所以测量精度能达到较高要求，但一般只能满足单自由度的要求，当要求进行多自由度测量时，必须同时采用多个类似激光干涉仪，这导致系统结构过于庞大。二是基于激光准直原理测量二维角度，直接利用四象限探测器或CCD获取光斑重心，对导轨或工作台直线度进行测量。该方法除了需要对激光光束进行严格的准直处理外，由于受激光光斑发散角与光束漂移的影响，很难达到高精度的要求；三是其他多传感器组合测量的方法，包括采用电容、光栅等传感器，对工作台不同部位进行测量，从而计算其运动误差，一般这种方法结构复杂，只适合于对专门的工作台进行运动误差的研究与分析。且安装要求很高，对环境的要求也很严格，成本较高。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种工作台运动误差多自由度检测的装置及方法，用于精密工作台运动误差的同步检测。
本发明的装置所采用的技术方案是：一种工作台运动误差多自由度检测的装置，通过上位机控制；其特征在于：包括激光光源单元、激光光路方向调整与干涉调制单元、三面反射镜测量靶面单元和光电接收与转换单元；所述的激光光源单元产生的激光一部分作为参考光路光线直线穿过所述的激光光路方向调整与干涉调制单元后，投射到所述的光电接收与转换单元中，另一部分作为测量光路光线分别一一经所述的激光光路方向调整与干涉调制单元、三面反射镜测量靶面单元、激光光路方向调整与干涉调制单元顺序反射后，投射到所述的光电接收与转换单元中，所述的测量光路光线和参考光路光线在所述的光电接收与转换单元中产生干涉；所述的上位机分别于所述的激光光路方向调整与干涉调制单元和光电接收与转换单元连接，用于控制所述的激光光路方向调整与干涉调制单元和光电接收与转换单元；所述的三面反射镜测量靶面单元固定在所述的工作台上，随工作台的运动与偏转，改变光路光程与方向，同时所述的激光光路方向调整与干涉调制单元根据干涉条纹信号形状，实时调整光路方向，保证测量光路与参考光路之间拥有相对固定的夹角，从而保证干涉条纹信号形状基本稳定；所述的光电接收与转换单元用于完成干涉条纹信号的光电接收、条纹计数与条纹形状识别，并通过识别的结果控制激光光路方向调整与干涉调制单元，同时上位机也完成激光光路方向调整与干涉调制单元的驱动控制与光程差的调制，实现工作台多自由度的测量。
作为优选，所述的激光光源单元包括高稳频激光器和扩束准直器，所述的高稳频激光器产生的激光经所述的扩束准直器后输入到所述的激光光路方向调整与干涉调制单元中；从而保证激光具有高稳频特点、相干长度长，扩束准直器输出的光斑发散角小，且应保证光斑直径大于5mm，满足足够宽干涉条纹的要求。
作为优选，所述的激光光路方向调整与干涉调制单元包括第一分光片、第二分光片、三自由度的PZT装置、光路调整反射镜或偏摆镜、扩束镜和偏摆驱动器，所述的偏摆驱动器一端与所述的上位机连接、另一端与所述的三自由度的PZT装置连接，用于控制所述的三自由度的PZT装置执行三自由度调整，所述的激光光源单元产生的激光一部分作为参考光路直线穿过所述的第一分光片、第二分光片和扩束镜后投射到所述的光电接收与转换单元中，另一部分作为测量光路分别一一经所述的第一分光片、光路调整反射镜或偏摆镜、三面反射镜测量靶面单元、光路调整反射镜或偏摆镜和第二分光片顺序反射后，经过所述的扩束镜后投射到所述的光电接收与转换单元中。三自由度的PZT装置，可以完成θ x ，θ y 与z向的调整，调整范围分别为±3mrad、±3mrad与30μm。
作为优选，所述的三自由度的PZT装置由二维偏摆和一维位移移动装置组成。二维偏摆实现光路的摇摆、俯仰角度调整，保证测量过程中入射光路方向与中间反射镜法线重合；一维位移驱动沿反射镜法线方向，用于调制光程差，便于动态干涉条纹的采集。
作为优选，所述的三面反射镜测量靶面单元由三平面镜组合而成，中间平面镜与两边入射或出射平面镜夹角均为120°，所述的测量光路光线经过三平面镜依次反射后，投射到所述的激光光路方向调整与干涉调制单元中；且测量过程中，要求中间反射镜法线与光路重合。三面反射镜作为靶面固定在工作台上，并置于激光干涉系统的测量臂光路中，当工作台产生摇摆俯仰与轴向运动时，返回的测量光路光束方向与光程差发生相应的改变，同时使干涉条纹的形状与相移也发生变化。经过三面反射镜反射光路的方法，不同于常规角隅棱镜的反射方法，它保留了工作台的偏转信息，同时避开了采用单平面镜反射后沿原光路返回的问题，使测量系统在不需要光隔的条件下，避免了激光的回馈现象。
作为优选，所述的光电接收与转换单元包括探测器、光电转换电路、A/D采样电路和整形与细分辨向电路，所述的A/D采样电路和整形与细分辨向电路并联连接后，与所述的上位机、探测器和光电转换电路串联连接，用于接收所述的激光光路方向调整与干涉调制单元投射的光线，并进行光电转换后采样，采样的信号经过差分整形，进行干涉条纹的细分计数，应用椭圆拟合或三角函数方法实现干涉条纹形状的识别。
作为优选，所述的探测器采用对称的‘田字形’四象限探测器。
作为优选，所述的光电转换电路由四个NPN三极管及四个电阻完成，利用四个放大倍数一致的三极管与四个大小相同的电阻，通过电流放大的方式来完成，保证探测器信号具有相同的放大倍数。
作为优选，所述的整形与细分辨向电路由差分电路、比较电路与细分辨向电路构成，完成干涉条纹的计数处理，得到Z向位移。
作为优选，所述的A/D采样电路由高速同步A/D转换电路构成，同步速度达100k以上。
本发明的方法所采用的技术方案是：一种工作台运动误差多自由度检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：测量前，调试所述的装置，保证测量光路入射光线平行于出射光线，即入射光线平行于三面反射镜测量靶面单元的中间镜法线，然后调整所述的激光光路方向调整与干涉调制单元，保证测量光线与参考光线之间形成一个很小的夹角，光电接收与转换单元上出现合适的干涉条纹，使干涉条纹的差分信号的相差尽量靠近90°，这样便于干涉条纹信号的细分辨向与计数处理；
步骤2：启动所述的工作台，开始测量，驱动激光光路方向调整与干涉调制单元在一个波长内的Z向运动，进行干涉调制的同时，光电接收与转换单元探测的光电信号一方面进行差分处理，得到用于计数的原始信号；另一方面通过椭圆拟合或正余弦函数相乘算法计算准确的信号相位差，用于光路方向偏转角度调整参数的计算；
步骤3：通过计算的相位差与偏转角度参数，一方面显示偏转角度，另一方面控制激光光路方向调整与干涉调制单元，调整角度，使干涉条纹的大小不受工作台运动误差的影响。
本发明的特点在于：
（1）根据三面反射镜随工作台的偏转、运动对光束方向与光程的影响，导致干涉条纹形状与相移变化的原理，实现对工作台多自由度的测量；
（2）经过三面反射镜反射光路的方法，不同于常规角隅棱镜的反射方法，它保留了工作台的偏转信息，同时避开了采用单平面镜反射后沿原光路返回的问题，使测量系统在不需要光隔的条件下，避免了激光的回馈现象；
（3）利用二维偏摆装置，根据干涉条纹的形状反馈处理，实时调整光路，保证干涉条纹形状基本稳定，不影响大范围运动位移的同步测量；
（4）采用压电微位移器实现光程差的调制，提高了对条纹信号相位提取的精度；
（5）应用对称四象限探测器进行条纹信号接收，实现条纹信号形状的提取，其采样与处理速度远远优于CCD的采样与处理速度。
相对于现有技术，本发明可用在精密表面测量与精密加工中，对工作台的摇摆角、俯仰角与轴向运动位移的同步实时测量，由此可以通过测量结果进行实时补偿，消除运动误差的影响，从而提高测量精度与制造精度，本发明角度的测量范围在±3mrad范围内，满足工作台的测量要求。
附图说明
图1：为本发明实施例的装置结构图。
图2：为本发明实施例的方法流程图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
请见图1，本发明的装置所采用的技术方案是：一种工作台运动误差多自由度检测的装置，通过上位机控制；包括激光光源单元1、激光光路方向调整与干涉调制单元2、三面反射镜测量靶面单元3和光电接收与转换单元4；激光光源单元1包括高稳频激光器101和扩束准直器102，激光光路方向调整与干涉调制单元2包括第一分光片201、第二分光片202、三自由度的PZT装置203、光路调整反射镜或偏摆镜204、扩束镜205和偏摆驱动器206，偏摆驱动器206一端与上位机连接、另一端与三自由度的PZT装置203连接，用于控制三自由度的PZT装置203执行三自由度调整，三自由度的PZT装置203由二维偏摆和一维位移移动装置组成，三面反射镜测量靶面单元3由三平面镜组合而成，中间平面镜与两边入射或出射平面镜夹角均为120°，光电接收与转换单元4包括探测器401、光电转换电路402、A/D采样电路403和整形与细分辨向电路404；高稳频激光器101产生的激光经扩束准直器102后，一部分作为参考光路直线穿过第一分光片201、第二分光片202和扩束镜205后投射到探测器401中，另一部分作为测量光路分别一一经第一分光片201、光路调整反射镜或偏摆镜204、三面反射镜测量靶面单元3的三平面镜、光路调整反射镜或偏摆镜204和第二分光片202顺序反射后，经过扩束镜205后投射到探测器401中；A/D采样电路403和整形与细分辨向电路404并联连接后，与上位机、探测器401和光电转换电路402串联连接，用于接收扩束镜205投射的光线，并进行光电转换后采样，采样的信号经过差分整形，进行干涉条纹的细分计数，应用椭圆拟合或三角函数方法实现干涉条纹形状的识别。
本实施例的探测器401采用对称的‘田字形’四象限探测器，光电转换电路402由四个NPN三极管及四个电阻完成，利用四个放大倍数一致的三极管与四个大小相同的电阻，通过电流放大的方式来完成，保证探测器401信号具有相同的放大倍数，整形与细分辨向电路404由差分电路、比较电路与细分辨向电路构成，完成干涉条纹的计数处理，得到Z向位移，A/D采样电路403由高速同步A/D转换电路构成，同步速度达100k以上。
本发明的方法所采用的技术方案是：一种工作台运动误差多自由度检测的方法，包括以下步骤：
步骤1：正式测量前，尽量保证测量光路入射光线平行于出射光线，即入射光线尽量平行于三面组合测量中间镜的法线。然后调整第二分光镜202的角度，保证测量光线与参考光线之间形成一个很小的夹角，探测器上出现合适的干涉条纹，使干涉条纹的差分信号的相差尽量靠近90°，这样便于条纹信号的细分辨向与计数处理；
步骤2：启动工作台，开始测量。驱动三自由度的PZT装置203在一个波长内的Z向运动，进行干涉调制的同时。四象限探测器401探测的光电信号一方面送入整形与细分辨向电路404的差分电路进行差分处理，得到用于计数的原始信号；另一方面送入A/D采样电路403的高速同步A/D转换电路，通过椭圆拟合或正余弦函数相乘算法计算准确的信号相位差，用于光路方向偏转角度调整参数的计算；
步骤3：通过计算的相位差与偏转角度参数，一方面显示偏转角度，另一方面控制三自由度的PZT装置203，调整偏摆镜角度，使干涉条纹的大小不受工作台运动误差的影响。
尽管本文较多地使用了激光光源单元1、激光光路方向调整与干涉调制单元2、三面反射镜测量靶面单元3、光电接收与转换单元4、高稳频激光器101、扩束准直器102、第一分光片201、第二分光片202、三自由度的PZT装置203、光路调整反射镜或偏摆镜204、扩束镜205、偏摆驱动器206、探测器401、光电转换电路402、A/D采样电路403和整形与细分辨向电路404等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (11)
1.一种工作台运动误差多自由度检测的装置，通过上位机控制；其特征在于：包括激光光源单元（1）、激光光路方向调整与干涉调制单元（2）、三面反射镜测量靶面单元（3）和光电接收与转换单元（4）；所述的激光光源单元（1）产生的激光一部分作为参考光路光线直线穿过所述的激光光路方向调整与干涉调制单元（2）后，投射到所述的光电接收与转换单元（4）中，另一部分作为测量光路光线分别一一经所述的激光光路方向调整与干涉调制单元（2）、三面反射镜测量靶面单元（3）、激光光路方向调整与干涉调制单元（2）顺序反射后，投射到所述的光电接收与转换单元（4）中，所述的测量光路光线和参考光路光线在所述的光电接收与转换单元（4）中产生干涉；所述的上位机分别于所述的激光光路方向调整与干涉调制单元（2）和光电接收与转换单元（4）连接，用于控制所述的激光光路方向调整与干涉调制单元（2）和光电接收与转换单元（4）；所述的三面反射镜测量靶面单元（3）固定在所述的工作台上，随工作台的运动与偏转，改变光路光程与方向，同时所述的激光光路方向调整与干涉调制单元（2）根据干涉条纹信号形状，实时调整光路方向，保证测量光路与参考光路之间拥有相对固定的夹角，从而保证干涉条纹信号形状基本稳定；所述的光电接收与转换单元（4）用于完成干涉条纹信号的光电接收、条纹计数与条纹形状识别，并通过识别的结果控制激光光路方向调整与干涉调制单元（2），同时上位机也完成激光光路方向调整与干涉调制单元（2）的驱动控制与光程差的调制，实现工作台多自由度的测量。
2.根据权利要求1所述的工作台运动误差多自由度检测的装置，其特征在于：所述的激光光源单元（1）包括高稳频激光器（101）和扩束准直器（102），所述的高稳频激光器（101）产生的激光经所述的扩束准直器（102）后输入到所述的激光光路方向调整与干涉调制单元（2）中。
3.根据权利要求1所述的工作台运动误差多自由度检测的装置，其特征在于：所述的激光光路方向调整与干涉调制单元（2）包括第一分光片（201）、第二分光片（202）、三自由度的PZT装置（203）、光路调整反射镜或偏摆镜（204）、扩束镜（205）和偏摆驱动器（206），所述的偏摆驱动器（206）一端与所述的上位机连接、另一端与所述的三自由度的PZT装置（203）连接，用于控制所述的三自由度的PZT装置（203）执行三自由度调整，所述的激光光源单元（1）产生的激光一部分作为参考光路直线穿过所述的第一分光片（201）、第二分光片（202）和扩束镜（205）后投射到所述的光电接收与转换单元（4）中，另一部分作为测量光路分别一一经所述的第一分光片（201）、光路调整反射镜或偏摆镜（204）、三面反射镜测量靶面单元（3）、光路调整反射镜或偏摆镜（204）和第二分光片（202）顺序反射后，经过所述的扩束镜（205）后投射到所述的光电接收与转换单元（4）中。
4.根据权利要求3所述的工作台运动误差多自由度检测的装置，其特征在于：所述的三自由度的PZT装置（203）由二维偏摆和一维位移移动装置组成。
5.根据权利要求1所述的工作台运动误差多自由度检测的装置及方法，其特征在于：所述的三面反射镜测量靶面单元（3）由三平面镜组合而成，中间平面镜与两边入射或出射平面镜夹角均为120°，所述的测量光路光线经过三平面镜依次反射后，投射到所述的激光光路方向调整与干涉调制单元（2）中。
6.根据权利要求1所述的工作台运动误差多自由度检测的装置，其特征在于：所述的光电接收与转换单元（4）包括探测器（401）、光电转换电路（402）、A/D采样电路（403）和整形与细分辨向电路（404），所述的A/D采样电路（403）和整形与细分辨向电路（404）并联连接后，与所述的上位机、探测器（401）和光电转换电路（402）串联连接，用于接收所述的激光光路方向调整与干涉调制单元（2）投射的光线，并进行光电转换后采样，采样的信号经过差分整形，进行干涉条纹的细分计数，应用椭圆拟合或三角函数方法实现干涉条纹形状的识别。
7.根据权利要求6所述的工作台运动误差多自由度检测的装置，其特征在于：所述的探测器（401）采用对称的‘田字形’四象限探测器。
8.根据权利要求6所述的工作台运动误差多自由度检测的装置，其特征在于：所述的光电转换电路（402）由四个NPN三极管及四个电阻完成，利用四个放大倍数一致的三极管与四个大小相同的电阻，通过电流放大的方式来完成，保证探测器（401）信号具有相同的放大倍数。
9.根据权利要求6所述的工作台运动误差多自由度检测的装置，其特征在于：所述的整形与细分辨向电路（404）由差分电路、比较电路与细分辨向电路构成，完成干涉条纹的计数处理，得到Z向位移。
10.根据权利要求6所述的工作台运动误差多自由度检测的装置，其特征在于：所述的A/D采样电路（403）由高速同步A/D转换电路构成，同步速度达100k以上。
11.一种利用利要求1所述的工作台运动误差多自由度检测的装置进行工作台运动误差多自由度检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：测量前，调试所述的装置，保证测量光路入射光线平行于出射光线，即入射光线平行于三面反射镜测量靶面单元（3）的中间镜法线，然后调整所述的激光光路方向调整与干涉调制单元（2），保证测量光线与参考光线之间形成一个很小的夹角，光电接收与转换单元（4）上出现合适的干涉条纹，使干涉条纹的差分信号的相差尽量靠近90°，这样便于干涉条纹信号的细分辨向与计数处理；
步骤2：启动所述的工作台，开始测量，驱动激光光路方向调整与干涉调制单元（2）在一个波长内的Z向运动，进行干涉调制的同时，光电接收与转换单元（4）探测的光电信号一方面进行差分处理，得到用于计数的原始信号；另一方面通过椭圆拟合或正余弦函数相乘算法计算准确的信号相位差，用于光路方向偏转角度调整参数的计算；
步骤3：通过计算的相位差与偏转角度参数，一方面显示偏转角度，另一方面控制激光光路方向调整与干涉调制单元（2），调整角度，使干涉条纹的大小不受工作台运动误差的影响。
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