CN1252444C - 一种实现阿贝误差实时补偿的激光干涉测长系统 - Google Patents

Abstract

一种实现阿贝误差实时补偿的激光干涉测长系统，它采用一个双频激光发射器、两个分束镜、两个90°光束折转镜产生三路干涉光同时测长，实时得到导轨的两维阿贝角，从而实现阿贝误差的实时补偿。它测量精度高、结构及原理简单、成本低，在技术和方法上实现了布来恩建议的消除阿贝误差的设想。

Description

一种实现阿贝误差实时补偿的激光干涉测长系统

所属技术领域

本发明涉及一种采用激光干涉方式的长度测量系统，特别是一种实现阿贝误差实时补偿的测长系统，属于精密计量技术领域。

背景技术

目前世界上测长系统精度最高的应属激光干涉测长系统，著名的产品有HP公司的双频激光干涉仪，它是一种以光波波长为标准对被测长度进行度量的仪器，基本原理如图1所示：光源是一支能发射两个频率的激光器，一个频率为F1，另一个频率为F2，F1、F2之间的频差在1MHz左右，它们是振动方向相互垂直的线偏振光。将光线中的一小部分信号取出拍频，形成参考信号，频率为F1-F2；大部分信号通过偏振分束镜S分成两束，频率为F1的一束被反射到固定棱镜M1，频率为F2的一束透射到可动棱镜M2。反射回来后的两束光又沿同一轴线经过拍频后，由接收器接收，形成测量信号。当M2不动时，光电接收器检测到的信号频率为F1-F2；当可动棱镜移动时，反射回来的光频中包含了多普勒频移±Δf，则接收信号频率为F2-F1±Δf。当把测量信号和参考信号相减后，取得±Δf。用计数器对±Δf进行累加得N，则可动棱镜的移动长度L为：

$L=N\·\frac{\mathrm{\λ}}{2}=\frac{\mathrm{\λ}}{2}{\∫}_0^t\mathrm{\Δfdt}$

对于大量程高精度测量系统，导轨直线度的影响不可忽略。由导轨直线度所带来的阿贝误差必须进行补偿，才能提高系统测量精度。

目前在国内外所采用的减小或消除阿贝误差的方法有：

1.结构上采取措施。

从工艺上提高导轨副的几何精度及运动精度，减小因运动导轨副的不直性带来的转角误差。从结构布置上，尽量使测量基准线(如光栅、磁栅、感应同步器、激光干涉仪等)与被测位置线尽量靠近，以减小阿贝臂。

在许多情况下，由于受到结构和功能的限制，该方法具有很大的局限性。

2.爱彭斯坦误差补偿原则。

爱彭斯坦误差补偿的原理，是利用各种结构，使可能产生的误差相互削弱，或者故意增加新的误差，以减小某些误差的影响，如一米测长机等。

因为爱彭斯坦误差补偿原理是利用特定的机构来达到减小或消除误差的目的，所以对应不同的测量和加工装置，就需要设计不同的爱彭斯坦补偿机构，因而该方法不具有普遍适用性。

3布来恩建议。

布来恩建议其内容为：基准位移测量系统工作点的路程应和被测位移作用点的路程位于一条直线上；如果这不可能，那么或者必须使传送位移的导轨没有角运动，或用实际导轨角运动的数据计算偏移的影响。布来恩建议是阿贝原理的补充和扩展。

布莱恩建议在叙述方法上和阿贝原理完全相似，但在概念和内容实质上有本质的区别。这一内容并未包含在阿贝原理的原意之中，因此布来恩建议和阿贝原理并列为两个基本的设计原则和测量原则。根据布莱恩建议，为了提高测量准确度，应尽量遵循阿贝原理，采用同轴串联设计；如果做不到这一点，则应从以下两种方式入手，以消除阿贝误差对加工精度和测量准确度的影响：1)改善导轨的制造工艺，减小导轨的几何误差、提高导轨的加工精度。2)实际测量出导轨运动过程中因倾斜而引入的角运动误差，计算出实际的阿贝误差值。

提高导轨本身的制造工艺和精度具有很大的局限性，并且代价高昂，由于技术上的因素，布来恩建议并未得到真正实现。

发明内容

为了克服现有的阿贝误差补偿方法使仪器的体积增大、结构复杂、成本剧增的不足，本发明提供了一种实现阿贝误差实时补偿的激光干涉测长方法，来实时修正导轨水平方向的阿贝误差和导轨垂直方向的阿贝误差，在技术上和方法上实现了布来恩建议的设想。

本发明的一种实现阿贝误差实时补偿的激光干涉测长系统，包括一个双频激光发射器、干涉镜、可动的角锥反射镜、干涉信号接收器，双频激光发射器发射的双频激光通过干涉镜到角锥反射镜反射后，返回干涉镜，由干涉信号接收器接收形成一光路，在干涉镜到角锥反射镜方向的垂直上方和水平的侧方各有一由双频激光、干涉镜、可动的角锥反射镜、干涉信号接收器组成的光路系统，三个光路平行。

本发明的三个光路的双频激光可由一个双频激光发射器、1/3的分束镜、1/2的分束镜、两个90°光束折转镜产生，双频激光发射器发射的双频激光通过1/3的分束镜产生1/3的和2/3的两束双频激光，其中1/3的双频激光经一90°光束折转镜后为一光路的双频激光，2/3的双频激光经1/2的分束镜又产生两束双频激光，一束为一光路的双频激光，另外一束经90°光束折转镜后作为一光路的双频激光。实现了一路双频激光变换为三路能量相等的双频激光。

为了直观得到结果，系统还接有一信号处理及显示系统，用于处理三个干涉信号接收器的数据并将处理结果显示输出，实时得到导轨的两维阿贝角和补偿后的长度数据。

在长度测量时，实现了导轨副中运动导轨(工作台)18在支承导轨19上任一位置处多路干涉光同时测长，以实时得到激光光路在运动方向上的行程差，由此实时计算出激光轴线与测量轴线的夹角，即实时测量出阿贝角，从而实现对阿贝误差的实时补偿。由于导轨几何精度的影响，测量轴线I与激光轴线II的夹角值因运动导轨在支承导轨上位置不同而不同。将直线运动导轨的几何误差分解为导轨在垂直面内的直线度和导轨在水平面内的直线度，按照导轨直线度的分解原则，测量轴线与激光轴线的夹角也可分为水平轴线与激光轴线的夹角β和垂直轴线与激光轴线的夹角α，见图2。若α、β角已知，那么系统的阿贝误差就是两分项阿贝误差之和。按以上设计原则，可以实时获得双向阿贝角。图3是阿贝误差实时补偿多路光结构图，多路激光的移动方向都沿着X轴，多路激光从激光头1出发，经过多路干涉及分束部件16分别地投向位于运动导轨(工作台)18的角锥反射棱镜镜组17，各角锥反射棱镜的结构、性能和技术指标都相同，并且位于同一垂直面内YOZ平面。当运动导轨(工作台)18沿支承导轨19移动时，各路干涉光同时工作，分别计下移动的相对距离。如果工作台18的运动轴线(也就是测量轴线)与激光轴线相平行，则不存在阿贝误差，每路激光的相对移动距离都相等。实际上受导轨几何精度的影响，各路干涉光的相对移动距离互不相等。将从激光头出来后没改变过方向的一束光的移动距离为标准值，则可以实时获得Z向两束光的行程差和Y向两束光的行程差。Z向的行程差反映了导轨水平工作面的直线性；Y向的行程差反映了导轨垂直工作面的直线性，角锥反射棱镜的位置固定，利用三角关系，可求出工作台在当前位置上的阿贝角，通过信号处理及显示系统可直观得到结果，实时实现了对阿贝误差的补偿。

本发明的阿贝误差实时补偿准确度高，结构及原理简单，对光学元件的安装位置没有严格要求，它可以安装在远离有油和切削液的位置，通过修正保证激光定位的高精度；通过对普通导轨进行阿贝误差实时修正，无需更换原来的导向系统，即可达到较高的加工测量精度，实现旧机床的改造，还可推广到数控机床的在线测量中去，实现加工测量一体化。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1是普通的激光干涉测长系统原理图

图2是测量轴线与激光轴线的夹角分解原理图

图3是阿贝误差实时补偿多路光结构图

图4是测量系统阿贝实时补偿数学模型图

图5是三路干涉光实现阿贝误差实时补偿的组成系统图

图2中，I.测量轴线，II.激光轴线。

图3中，1.激光头，16.多光路干涉及分束部件，17.角锥反射镜镜组，18.运动导轨(工作台)，19.支承导轨。

图4中，i.水平面直线性，ii.垂直面直线性。

图5中，1.HP5527激光头，2.1/3分束镜，3、7.90度光束折转镜，4、8、10.干涉镜，5、9、11.角锥反射镜，6.1/2分束镜，12、13、14.干涉信号接收器。15.激光器，16.干涉及分束部件，17.干涉仪角锥棱镜组。20.信号处理及显示系统。

具体实施方式

图5是三路干涉光实现阿贝误差实时补偿的组成系统图。三路光的移动方向都沿着X轴，激光从激光器15中HP5527激光头1出发，通过1/3分束镜2将激光分为两束，占总能量1/3的一束光通过90°光束折转镜(3)和干涉镜(4)投向位于工作台上角锥棱镜5(此路光为Z向)。另一束光(占总能量的2/3)经过1/2分束镜6后均分为两束，其中一束光经过干涉镜10后直接投向位于工作台上角锥棱镜11(此路光为X向)，余下一束光经90度光束折转镜7和干涉镜8后投向位于运动平台上的角锥棱镜9(此路光为Y向)，这三个角锥棱镜的结构、性能和技术指标都相同，并且位于同一垂直面内(YOZ平面)。三个角锥棱镜17随工作台18运动，工作台18运动时X、Y、Z三路光同时工作，干涉信号接收器14、13、12同时接收到测量信号，分别计下移动的相对距离。如果运动平台18的运动轴线(也就是测量轴线)与激光轴线相平行，则不存在阿贝误差，三路光的相对移动距离都相等。事实上受导轨直线度的影响，三路光的相对移动距离互不相等。将从激光头出来后没改变过方向的一束光的移动距离为标准值，则可以实时获得Z向与X向两束光的行程差、Y向与X向两束光的行程差。Z向与X向的行程差反映了导轨水平工作面的直线性；Y向与X向的行程差反映了导轨垂直工作面的直线性，由于三束光的位置固定，利用简单的三角关系，就可以求出工作台在当前位置上的阿贝角。

如图4所示，设OX为标准光束，光束OY与OX在同一水平面上，光束OZ与OX在同一垂直面上；i为水平面直线性，ii为垂直面直线性；OX与OY的间距为H_Y，OX与OZ的间距为H_Z。当工作台行走到某一位置时，若光束OY与OX的行程差为ΔY，光束OZ与OX的行程差为ΔZ，则有：

$\tan \mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\Δ}}_Y}{H_Y};$ $\tan \mathrm{\β}=\frac{{\mathrm{\Δ}}_Z}{H_Z}$

根据所求出的阿贝角，就可以对整个测量系统进行阿贝补偿。设给定被测目标在P点，P点相对于标准光轴OX的水平定位差(即水平方向阿贝臂)为y、P点相对于标准光轴OX的垂直定位差(即垂直方向阿贝臂)为z，当标准光束的行程长度为L_X时，经过阿贝补偿后P点的行程长度L_P为：

$L_P=L_X-\frac{{\mathrm{\Δ}}_Y}{H_Y}\·y-\frac{{\mathrm{\Δ}}_Z}{H_Z}\·z$

上述运算方法和一些数据已经输入信号处理及显示系统20，这样，当工作台运动18时，信号处理及显示系统20即可实时计算并显示输出L_X、L_Y、L_Z、α、β、L_P等，实现测长过程的阿贝误差实时补偿。

以一台标准双频激光干涉仪来验证本发明对测量系统阿贝误差实时补偿的能力。将标准双频的反射镜安放在距系统主光路(y，z)位置上，y为标准双频的反射镜距主光路OX的水平位置差，z为标准双频的反射镜距主光路OX的垂直位置差，当工作台在导轨上沿X方向移动时，受补偿系统的主光路的读数为L_X，则位于(y，z)位置上的受补偿系统的读数L_P可用下式表示：

L_P＝L_X-K_y·y-K_z·z

K_y为y向阿贝补偿系数，K_z为z向阿贝补偿系数。将L_P与标准双频激光干涉仪测长的读数相比较，若受补偿系统的读数与标准双频激光干涉仪的读数一致，则说明阿贝误差补偿正确。具体比对测量时，测量间隔约为1000mm，多次测量后，取最大的比对差值作为示值误差。

经验证可知，在35米范围内正行程比对最大示值误差为0.9μm。反行程比对最大示值误差为0.5μm。

因此可以证明系统阿贝误差实时补偿正确。

Claims (3)

1.一种实现阿贝误差实时补偿的激光干涉测长系统，包括一个双频的激光头、干涉镜、可动的角锥反射镜、干涉信号接收器，激光头发射的双频激光通过干涉镜到角锥棱镜反射后，返回干涉镜，产生干涉，由干涉信号接收器接收形成一光路，其特征在于：在干涉镜到角锥棱镜方向的垂直上方和水平的侧方各有一由双频激光、干涉镜、可动的角锥棱镜、干涉信号接收器组成的光路系统，三个光路平行。

2.根据权利要求1所述的一种实现阿贝误差实时补偿的激光干涉测长系统，其特征是所述三个光路的双频激光由一个激光头、1/3的分束镜、1/2的分束镜、两个90°光束折转镜产生，双频激光发射器发射的双频激光通过1/3的分束镜产生1/3的和2/3的两束双频激光，其中1/3的双频激光经一90°光束折转镜后为一光路的双频激光，2/3的双频激光经1/2的分束镜又产生两束双频激光，一束为一光路的双频激光，另外一束经90°光束折转镜后作为一光路的双频激光。

3.根据权利要求1、2所述的一种实现阿贝误差实时补偿的激光干涉测长系统，其特征是系统还接有一信号处理及显示系统，用于处理三个干涉信号接收器的数据并将处理结果显示输出，实时得到导轨的两维阿贝角和补偿后的长度数据。

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