專利名稱：一種實現(xiàn)阿貝誤差實時補償?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)，特別是一種實現(xiàn)阿貝誤差實時補償?shù)臏y長系統(tǒng)，屬于精密計量技術(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準對被測長度進行度量的儀器，基本原理如圖1所示光源是一支能發(fā)射兩個頻率的激光器，一個頻率為F1，另一個頻率為F2，F(xiàn)1、F2之間的頻差在1MHz左右，它們是振動方向相互垂直的線偏振光。將光線中的一小部分信號取出拍頻，形成參考信號，頻率為F1-F2；大部分信號通過偏振分束鏡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。當M2不動時，光電接收器檢測到的信號頻率為F1一F2；當可動棱鏡移動時，反射回來的光頻中包含了多普勒頻移±Δf，則接收信號頻率為F2-F1±Δf。當把測量信號和參考信號相減后，取得±Δf。用計數(shù)器對±Δf進行累加得N，則可動棱鏡的移動長度L為L=N·λ2=λ2∫0tΔfdt]]>對于大量程高精度測量系統(tǒng)，導軌直線度的影響不可忽略。由導軌直線度所帶來的阿貝誤差必須進行補償，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。
從工藝上提高導軌副的幾何精度及運動精度，減小因運動導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.愛彭斯坦誤差補償原則。
愛彭斯坦誤差補償?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，如一米測長機等。
因為愛彭斯坦誤差補償原理是利用特定的機構(gòu)來達到減小或消除誤差的目的，所以對應(yīng)不同的測量和加工裝置，就需要設(shè)計不同的愛彭斯坦補償機構(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)容為基準位移測量系統(tǒng)工作點的路程應(yīng)和被測位移作用點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軌沒有角運動，或用實際導軌角運動的數(shù)據(jù)計算偏移的影響。布來恩建議是阿貝原理的補充和擴展。
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基本的設(shè)計原則和測量原則。根據(jù)布萊恩建議，為了提高測量準確度，應(yīng)盡量遵循阿貝原理，采用同軸串聯(lián)設(shè)計；如果做不到這一點，則應(yīng)從以下兩種方式入手，以消除阿貝誤差對加工精度和測量準確度的影響1)改善導軌的制造工藝，減小導軌的幾何誤差、提高導軌的加工精度。2)實際測量出導軌的在運動過程中因傾斜而引入的角運動誤差，計算出實際的阿貝誤差值。
提高導軌導軌本身的制造工藝和精度具有很大的局限性，并且代價高昂，由于技術(shù)上的因素，布來恩建議并未得到真正實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的阿貝誤差補償方法使儀器的體積增大、結(jié)構(gòu)復雜、成本劇增的不足，本發(fā)明提供了一種實現(xiàn)阿貝誤差實時補償?shù)募す飧缮鏈y長方法，來實時修正導軌水平方向的阿貝誤差和導軌垂直方向的阿貝誤差，在技術(shù)上和方法上實現(xiàn)了布來恩建議的設(shè)想。
本發(fā)明的一種實現(xiàn)阿貝誤差實時補償?shù)募す飧缮鏈y長系統(tǒng)，包括一個雙頻激光發(fā)射器、干涉鏡、可動的角錐反射鏡、干涉信號接收器，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、可動的角錐反射鏡、干涉信號接收器組成的光路系統(tǒng)，三個光路平行。
本發(fā)明的三個光路的雙頻激光可由一個雙頻激光發(fā)射器、1/3的分束鏡、1/2的分束鏡、兩個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)還接有一信號處理及顯示系統(tǒng)，用于處理三個干涉信號接收器的數(shù)據(jù)并將處理結(jié)果顯示輸出，實時得到導軌的兩維阿貝角和補償后的長度數(shù)據(jù)。
在長度測量時，實現(xiàn)了導軌副中運動導軌(工作臺)(18)在支承導軌(19)上任一位置處多路干涉光同時測長，以實時得到激光光路在運動方向上的行程差，由此實時計算出激光軸線與測量軸線的夾角，即實時測量出阿貝角，從而實現(xiàn)對阿貝誤差的實時補償。由于導軌幾何精度的影響，測量軸線(I)與激光軸線(II)的夾角值因運動導軌在支承導軌上位置不同而不同。將直線運動導軌的幾何誤差分解為導軌在垂直面內(nèi)的直線度和導軌在水平面內(nèi)的直線度，按照導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阿貝誤差之和。按以上設(shè)計原則，可以實時獲得雙向阿貝角。圖3是阿貝誤差實時補償多路光結(jié)構(gòu)圖，多路激光的移動方向都沿著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)分別地投向位于運動導軌(工作臺)(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)指標都相同，并且位于同一垂直面內(nèi)(YOZ平面)。當運動導軌(工作臺)(18)沿支承導軌(19)移動時，各路干涉光同時工作，分別計下移動的相對距離。如果工作臺(18)的運動軸線(也就是測量軸線)與激光軸線相平行，則不存在阿貝誤差，每路激光的相對移動距離都相等。實際上受導軌幾何精度的影響，各路干涉光的相對移動距離互不相等。將從激光頭出來后沒改變過方向的一束光的移動距離為標準值，則可以實時獲得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軌水平工作面的直線性；Y向的行程差反映了導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，可求出工作臺在當前位置上的阿貝角，通過信號處理及顯示系統(tǒng)可直觀得到結(jié)果，實時實現(xiàn)了對阿貝誤差的補償。
本發(fā)明的阿貝誤差實時補償準確度高，結(jié)構(gòu)及原理簡單，對光學元件的安裝位置沒有嚴格要求，它可以安裝在遠離有油和切削液的位置，通過修正保證激光定位的高精度；通過對普通導軌進行阿貝誤差實時修正，無需更換原來的導向系統(tǒng)，即可達到較高的加工測量精度，實現(xiàn)舊機床的改造，還可推廣到數(shù)控機床的在線測量中去，實現(xiàn)加工測量一體化。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。
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是阿貝誤差實時補償多路光結(jié)構(gòu)4是測量系統(tǒng)阿貝實時補償數(shù)學模型5是三路干涉光實現(xiàn)阿貝誤差實時補償?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.運動導軌(工作臺)，19.支承導軌。
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.信號處理及顯示系統(tǒng)。
具體實施例方式
圖5是三路干涉光實現(xiàn)阿貝誤差實時補償?shù)慕M成系統(tǒng)圖。三路光的移動方向都沿著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)后投向位于運動平臺上的角錐棱鏡(9)(此路光為Y向)，這三個角錐棱鏡的結(jié)構(gòu)、性能和技術(shù)指標都相同，并且位于同一垂直面內(nèi)(YOZ平面)。三個角錐棱鏡(17)隨工作臺(18)運動，工作臺(18)運動時X、Y、Z三路光同時工作，干涉信號接收器(14)、(13)、(12)同時接收到測量信號，分別計下移動的相對距離。如果運動平臺(18)的運動軸線(也就是測量軸線)與激光軸線相平行，則不存在阿貝誤差，三路光的相對移動距離都相等。事實上受導軌直線度的影響，三路光的相對移動距離互不相等。將從激光頭出來后沒改變過方向的一束光的移動距離為標準值，則可以實時獲得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軌水平工作面的直線性；Y向與X向的行程差反映了導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，就可以求出工作臺在當前位置上的阿貝角。
如圖4所示，設(shè)OX為標準光束，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。當工作臺行走到某一位置時，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，就可以對整個測量系統(tǒng)進行阿貝補償。設(shè)給定被測目標在P點，P點相對于標準光軸OX的水平定位差(即水平方向阿貝臂)為y、P點相對于標準光軸OX的垂直定位差(即垂直方向阿貝臂)為z，當標準光束的行程長度為LX時，經(jīng)過阿貝補償后P點的行程長度LP為LP=LX-ΔYHY·y-ΔZHZ·z]]>上述運算方法和一些數(shù)據(jù)已經(jīng)輸入信號處理及顯示系統(tǒng)(20)，這樣，當工作臺運動(18)時，信號處理及顯示系統(tǒng)(20)即可實時計算并顯示輸出LX、LY、LZ、α、β、LP等，實現(xiàn)測長過程的阿貝誤差實時補償。
以一臺標準雙頻激光干涉儀來驗證本發(fā)明對測量系統(tǒng)阿貝誤差實時補償?shù)哪芰Α藴孰p頻的反射鏡安放在距系統(tǒng)主光路(y，z)位置上，y為標準雙頻的反射鏡距主光路OX的水平位置差，z為標準雙頻的反射鏡距主光路OX的垂直位置差，當工作臺在導軌上沿X方向移動時，受補償系統(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向阿貝補償系數(shù)，Kz為z向阿貝補償系數(shù)。將LP與標準雙頻激光干涉儀測長的讀數(shù)相比較，若受補償系統(tǒng)的讀數(shù)與標準雙頻激光干涉儀的讀數(shù)一致，則說明阿貝誤差補償正確。具體比對測量時，測量間隔約為1000mm，多次測量后，取最大的比對差值作為示值誤差。
經(jīng)驗證可知，在35米范圍內(nèi)正行程比對最大示值誤差為0.9μm。反行程比對最大示值誤差為0.5μm。
因此可以證明系統(tǒng)阿貝誤差實時補償正確。
權(quán)利要求
1.一種實現(xiàn)阿貝誤差實時補償?shù)募す飧缮鏈y長系統(tǒng)，包括一個雙頻激光發(fā)射器、干涉鏡、可動的角錐反射鏡、干涉信號接收器，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、可動的角錐反射鏡、干涉信號接收器組成的光路系統(tǒng)，三個光路平行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)阿貝誤差實時補償?shù)募す飧缮鏈y長系統(tǒng)，其特征是所述三個光路的雙頻激光由一個雙頻激光發(fā)射器、1/3的分束鏡、1/2的分束鏡、兩個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所述的一種實現(xiàn)阿貝誤差實時補償?shù)募す飧缮鏈y長系統(tǒng)，其特征是系統(tǒng)還接有一信號處理及顯示系統(tǒng)，用于處理三個干涉信號接收器的數(shù)據(jù)并將處理結(jié)果顯示輸出，實時得到導軌的兩維阿貝角和補償后的長度數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種實現(xiàn)阿貝誤差實時補償?shù)募す飧缮鏈y長系統(tǒng)，它采用一個雙頻激光發(fā)射器、兩個分束鏡、兩個90°光束折轉(zhuǎn)鏡產(chǎn)生三路干涉光同時測長，實時得到導軌的兩維阿貝角，從而實現(xiàn)阿貝誤差的實時補償。它測量精度高、結(jié)構(gòu)及原理簡單、成本低，在技術(shù)和方法上實現(xiàn)了布來恩建議的消除阿貝誤差的設(shè)想。
文檔編號G01B9/02GK1510390SQ0215799
公開日2004年7月7日 申請日期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 申請人:中國航空工業(yè)總公司第三○四研究所