CN110487219A - 一种运动机构直线度的检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运动机构直线度的检测系统及其检测方法，属于精密检测技术领域，通过照明光源及投影镜头，将检测基准光栅上的图形投影到待检测运动机构上的目标光栅，从而形成用于检测的莫尔条纹，目标光栅沿着垂直于栅线的方向移动，莫尔条纹的运动方向垂直于光栅的移动方向；通过CCD能够观察到所形成的莫尔条纹，目标光栅每移动一个栅距d，莫尔条纹就移动一个条纹间隔，计算得到莫尔条纹的条纹间隔，测出莫尔条纹相对于某一点移动过的条纹数目，通过运算得到运动机构的直线偏移量；该方法具有安装简单、检测精度高、测量速度快以及灵敏度高等特点，检测过程中对于测量环境的振动、洁净度及温湿度标准要求较低。

Description

一种运动机构直线度的检测系统及其检测方法

技术领域

本发明属于精密检测技术领域，具体涉及一种运动机构直线度的检测系统及其检测方法。

背景技术

直线运动机构的理想位移路线为直线，沿运动直线方向上的实际直线对理想直线的允许变动量称为直线度，机构的运动直线度用场只能通过加工和装调来保证精度，现有的直线度检测方式通常为接触式和非接触式两种。现有的接触式检测方法主要是通过千分表测量来实现，其主要缺点是较低的测量精度和分辨率，检测速度较慢，且其需要接触额测量方式会对被测物表面造成损坏。非接触式直线度检测方法目前主要通过干涉仪等高精密设备来实现。干涉仪利用干涉原理测量光程之差从而实现直线度的测量，在进行直线度测量之前，需要将激光干涉仪平稳放置于三脚架的云台上，然后在被测机构上架设好直线度干涉镜和反射镜，然后调整镜组与激光头的位置，使激光头发射出的激光光束能经由干涉镜分光束后，再由反射镜返回激光器中，调整好镜组与激光器的位置进行直线度测量。该方法虽然具有较高的测量精度，但检测设备极其昂贵、检测速率较低，且对测量环境的震动要求、温湿度控制以及洁净度等指标要求较高，难以广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术和方法的不足而提出一种运动机构直线度的可视化检测方法，通过照明光源及投影镜头，将检测基准光栅上的图形投影到待检测运动机构上的目标光栅，从而形成用于检测的摩尔条纹，通过CCD观测运动机构在进行直线运动过程中摩尔条纹的相对运动来检测运动机构相对于基准的运动直线性；该方法具有安装简单、检测精度高、测量速度快以及灵敏度高等特点，检测过程中对于测量环境的振动、洁净度及温湿度标准要求较低。

本发明通过如下技术方案实现：

一种运动机构直线度的检测方法，基于运动机构直线度的检测系统实现，具体步骤如下：

步骤1：照明光源通过准直透镜形成垂直于检测基准光栅的平行光，并照射到检测基准光栅表面；

步骤2：照射到检测基准光栅的光束，通过投影透镜将检测基准光栅表面的黑白相间的周期性栅线图形投影到目标光栅上表面所在平面；其中，所述检测基准光栅投影形成的栅线图形与目标光栅上表面的栅线具有相同的周期性栅距 d；

步骤3：根据莫尔条纹形成原理：两个周期性结构图案重叠时所产生的差频或拍频图案，则检测基准光栅投影形成的栅栏图形与目标光栅上表面的光栅以一个角度θ相互倾斜重叠后产生莫尔条纹，其中，所述θ为0-90°；

步骤4：当莫尔条纹产生后，目标光栅沿着垂直于栅线的方向移动，检测基准光栅不动，莫尔条纹的运动方向垂直于光栅的移动方向；通过CCD能够观察到所形成的莫尔条纹，目标光栅每移动一个栅距d，莫尔条纹就移动一个条纹间隔W，根据公式W＝d/θ计算得到莫尔条纹的条纹间隔W；

步骤5：通过电荷耦合器件CCD观测出莫尔条纹相对于某一点移动过的条纹数目N，则得到运动机构的直线偏移量为N×W。

进一步地，所述运动机构直线度的检测系统，包括照明光源1、准直透镜2、投影镜头3、检测基准光栅4、目标光栅5、运动机构6、电荷耦合器件CCD7、精密隔振光学平台8及计算机9；所述照明光源1通过准直透镜2形成垂直于检测基准光栅4的平行光，并照射到检测基准光栅4表面，照射到检测基准光栅4 的光束，通过投影透镜3将检测基准光栅4表面的周期性栅线图形投影到目标光栅5上表面所在平面，并与目标光栅5上表面的栅线形成周期性摩尔条纹；通过 CCD7观察目标光栅5表面所形成的摩尔条纹，所述目标光栅5位于运动机构6 之上，所述运动机构6位于精密隔振光学平台8之上，运动机构6在精密隔振光学平台8上进行直线位移过程中，通过CCD7测量摩尔条纹相对于某一点移动过的莫尔条纹数目，所述计算机9分别与观测CCD 7及精密隔振光学平台8连接，用于控制精密隔振光学平台8的移动及用于控制观测CCD 7进行测量。

进一步地，所述检测基准光栅4与目标光栅5的栅线具有相同的周期性栅距。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明的方法采用了光学方法将检测基准光栅上的图形投影到待测机构表面，实现了非接触式的直线度检测，避免了接触式方法在检测过程中对于被测物体的接触式损坏；采用了莫尔条纹作为直线度检测的检测目标，通过观测运动机构在进行直线运动过程中莫尔条纹的相对运动来检测其相对于基准的运动直线性，其具有较高的检测精度以及较快的检测速率，并对于测量环境的振动、洁净度及温湿度等标准要求较低。

附图说明

图1为本发明的运动机构直线度的检测系统的结构示意图；

图2为本发明的运动机构直线度的检测方法的检测基准光栅与目标光栅夹角的示意图；

其中，θ为检测基准光栅投影形成的栅栏图形与目标光栅上表面的光栅之间的夹角；

图3为本发明的运动机构直线度的检测方法的莫尔条纹移动数目的示意图；

其中，N为莫尔条纹相对于某一点移动过的条纹数目；

图4为本发明实施例1的运动机构直线度的检测系统的结构示意图；

图5为本发明实施例1的运动机构直线度的检测方法的莫尔条纹示意图；

图中：照明光源1、准直透镜2、投影镜头3、检测基准光栅4、目标光栅5、运动机构6、电荷耦合器件7、精密隔振光学平台8、计算机9、狭缝10。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步地说明。

实施例1

一种运动机构直线度的检测方法，基于运动机构直线度的检测系统实现，具体步骤如下：

步骤1：照明光源通过准直透镜形成垂直于检测基准光栅的平行光，并照射到检测基准光栅表面；

步骤2：照射到检测基准光栅的光束，通过投影透镜将检测基准光栅表面的黑白相间的周期性栅线图形投影到目标光栅上表面所在平面；其中，所述检测基准光栅投影形成的栅线图形与目标光栅上表面的栅线具有相同的周期性栅距 d；

步骤3：根据莫尔条纹形成原理：两个周期性结构图案重叠时所产生的差频或拍频图案，则检测基准光栅投影形成的栅栏图形与目标光栅上表面的光栅以一个角度θ相互倾斜重叠后产生莫尔条纹，其中，所述θ为0-90°；

步骤4：当莫尔条纹产生后，目标光栅沿着垂直于栅线的方向移动，检测基准光栅不动，莫尔条纹的运动方向垂直于光栅的移动方向；通过CCD能够观察到所形成的莫尔条纹，目标光栅每移动一个栅距d，莫尔条纹就移动一个条纹间隔W，根据公式W＝d/θ计算得到莫尔条纹的条纹间隔W；目标光栅改变运动方向，莫尔条纹的运动方向也随之改变方向，两者之间的相对运动关系为：检测基准光栅与目标光栅的栅距为相同的尺寸d，相互交角为θ，θ为0-90°，则莫尔条纹上一点的位置(x,y)在x方向上对应于y轴平行的光栅为x＝Nd，则对应于 y轴夹角θ的光栅的该点位置符合xcosθ-tysinθ＝Nd，其中N为检测基准光栅与目标光栅的条纹序数；对应得到的莫尔条纹的倾斜率为tanФ＝(cosθ-1)/sin θ，莫尔条纹的间距W为W＝d/2sin(θ/2)≈d/θ；

步骤5：当检测基准光栅投影与目标光栅重叠时，在目标光栅表面通过CCD 能够观察到所形成的摩尔条纹，该摩尔条纹的间距由夹角θ决定，若夹角越小，摩尔条纹间距越大。当夹角一定时，两光栅相对运动一个栅距，摩尔条纹也将移动一个间距，因此当测量出摩尔条纹相对于某一点移动过的条纹数目n，通过CCD 观测出莫尔条纹相对于某一点移动过的条纹数目n，则得到运动机构的直线偏移量为n×W。

进一步地，所述运动机构直线度的检测系统，包括照明光源1、准直透镜2、投影镜头3、检测基准光栅4、目标光栅5、运动机构6、观测CCD7、精密隔振光学平台8及计算机9；所述照明光源1通过准直透镜2形成垂直于检测基准光栅4的平行光，并照射到检测基准光栅4表面，照射到检测基准光栅4的光束，通过投影透镜3将检测基准光栅4表面的周期性栅线图形投影到目标光栅5上表面所在平面，并与目标光栅5上表面的栅线形成周期性摩尔条纹；通过CCD7观察目标光栅5表面所形成的摩尔条纹，所述目标光栅5位于运动机构6之上，所述运动机构6位于精密隔振光学平台8之上，运动机构6在精密隔振光学平台8 上进行直线位移过程中，通过CCD7测量摩尔条纹相对于某一点移动过的莫尔条纹数目，所述计算机9分别与观测CCD 7及精密隔振光学平台8连接，用于控制精密隔振光学平台8的移动及用于控制观测CCD 7进行测量。

利用单缝衍射,通过测量狭缝宽度与衍射中央亮条纹的关系来获得狭缝的宽度值.我们在测量装置中增加了两块光栅，用莫尔条纹测量狭缝在宽度发生变化过程中的直线度。

实验装置:包括照405nm激光光源光源1、准直透镜2、投影镜头3、检测光栅4、目标光栅5、运动机构6、观测CCD 7、精密隔振光学平台8、计算机9 及狭缝10；所述激光光源1通过准直透镜2形成平行光；使用两片每毫米50条的检测光栅4和目标光栅5,分别粘贴在狭缝10两边,并保持两光栅在垂直方向上的投影重叠，由准直透镜出射的平行光照射到检测基准光栅4表面，并将检测基准光栅4表面的周期性栅线图形投影到目标光栅5上表面所在平面，并与目标光栅5上表面的栅线形成周期性莫尔条纹；当运动机构6进行直线运动时，狭缝10宽度发生变化，用CCD7观察莫尔条纹移动的方向和数目。光栅移动一个周期 d＝0.02mm，莫尔条纹也移动一个周期W＝0.06mm，摩尔条纹沿移动方向的位移量 (条纹移动序数)N＝3,其直线偏移量为0.18mm。通过所得直线偏移量的大小，调整目标光栅所在运动机构的直线运动方向从而得到较好的运动直线度。

Claims (3)

1.一种运动机构直线度的检测系统，其特征在于，包括照明光源(1)、准直透镜(2)、投影镜头(3)、检测基准光栅(4)、目标光栅(5)、运动机构(6)、电荷耦合器件CCD(7)、精密隔振光学平台(8)及计算机(9)；所述照明光源(1)通过准直透镜(2)形成垂直于检测基准光栅(4)的平行光，并照射到检测基准光栅(4)表面，照射到检测基准光栅(4)的光束，通过投影透镜(3)将检测基准光栅(4)表面的周期性栅线图形投影到目标光栅(5)上表面所在平面，并与目标光栅(5)上表面的栅线形成周期性摩尔条纹；通过CCD(7)观察目标光栅(5)表面所形成的摩尔条纹，所述目标光栅(5)位于运动机构(6)之上，所述运动机构(6)位于精密隔振光学平台(8)之上，运动机构(6)在精密隔振光学平台(8)上进行直线位移过程中，通过CCD(7)测量摩尔条纹相对于某一点移动过的莫尔条纹数目，所述计算机(9)分别与CCD(7)及精密隔振光学平台(8)连接，用于控制精密隔振光学平台(8)的移动及用于控制观测CCD(7)进行测量。

2.如权利要求1所述的一种运动机构直线度的检测系统，其特征在于，所述检测基准光栅(4)与目标光栅(5)的栅线具有相同的周期性栅距。

3.如权利要求1所述的一种运动机构直线度的检测系统的检测方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1：照明光源通过准直透镜形成垂直于检测基准光栅的平行光，并照射到检测基准光栅表面；

步骤2：照射到检测基准光栅的光束，通过投影透镜将检测基准光栅表面的黑白相间的周期性栅线图形投影到目标光栅上表面所在平面；其中，所述检测基准光栅投影形成的栅线图形与目标光栅上表面的栅线具有相同的周期性栅距d；

步骤3：根据莫尔条纹形成原理：两个周期性结构图案重叠时所产生的差频或拍频图案，则检测基准光栅投影形成的栅栏图形与目标光栅上表面的光栅以一个角度θ相互倾斜重叠后产生莫尔条纹，其中，所述θ为0-90°；

步骤4：当莫尔条纹产生后，目标光栅沿着垂直于栅线的方向移动，检测基准光栅不动，莫尔条纹的运动方向垂直于光栅的移动方向；通过CCD能够观察到所形成的莫尔条纹，目标光栅每移动一个栅距d，莫尔条纹就移动一个条纹间隔W，根据公式W＝d/θ计算得到莫尔条纹的条纹间隔W；

步骤5：通过电荷耦合器件CCD观测出莫尔条纹相对于某一点移动过的条纹数目N，则得到运动机构的直线偏移量为N×W。