CN102029554B - 基于扫频激光干涉的圆轨迹运动误差快速测量系统 - Google Patents

Abstract

基于扫频激光干涉的圆轨迹运动误差快速测量系统，包括扫频激光器、靶镜和检测机构，总分光镜；检测机构包括X向检测机构和Y向检测机构；检测机构均包含子分光镜，反射镜，光电检测器和计数器，以及处理器；第一分光信号朝向靶镜、第二分光信号朝向反射镜；第一分光信号遇到靶镜后反射形成第一反射信号，第二分光信号遇到反射镜后反射形成第二反射信号，第一反射信号和第二反射信号在子分光镜处汇聚产生干涉信号。本发明具有测量过程中检测光路被阻断也不会影响测量结果，能测得绝对位移，仪器的标定和修正简单的优点。

Description

基于扫频激光干涉的圆轨迹运动误差快速测量系统

技术领域

本发明涉及一种光学计量仪器，尤其是涉及机床导轨的圆轨迹运动误差的快速检测系统。

技术背景

评价机床加工精度的有效方法之一就是对圆运动轨迹的测量。圆轨迹运动是机械加工中常见的运动形式之一，是利用两轴的联动来实现所要求的轨迹。本发明的目标是研发基于扫频激光干涉的机床圆轨迹运动误差检测系统。

目前，机床圆轨迹运动误差检测主要有基准圆盘法、平面正交光栅法、多普勒激光测量法、双球规球杆仪等。基准圆盘法不能精确计算、区分出圆轨迹误差中的单项参数误差，一般用作检测机床的最大误差。平面正交光栅法需要和运动轨迹半径相匹配的大面积平面光栅，这种光栅加工成本高、制造复杂。多普勒激光测量法需要激光束始终打在反射平面镜上，测量的整个过程中光路不能被阻断，增加了检测的复杂性。且此方法受环境的干扰大、只能测量相对位移的大小。双球规球杆仪的标定和修正比较复杂，因为球杆仪自身机械结构的体积比较大，只能检测运动轨迹半径比较大的圆轨迹误差，限制了它的使用范围。

发明内容

为克服现有技术的测量过程中检测光路不能被阻断，受环境的干扰大，只能测量相对位移，仪器的标定和修正复杂的缺点，本发明提供了一种测量过程中检测光路被阻断也不会影响测量结果，能测得绝对位移，仪器的标定和修正简单的基于扫频激光干涉的圆轨迹运动误差快速测量系统。

基于扫频激光干涉的圆轨迹运动误差快速测量系统，其特征在于：包括能发出频率连续变化的光波的扫频激光器、安装在机床的导轨上的靶镜和位于所述的扫频激光器与靶镜之间、获取被测物的误差的检测机构；

所述的扫频激光器与所述的检测机构之间设有将来自扫频激光器的光信号分成X向光信号和Y向光信号的总分光镜；所述的检测机构包括获取X向光信号、检测X向误差的X向检测机构和获取Y向光信号、检测Y向误差的Y向检测机构；

所述的靶镜由两面正交的反射镜组成，其中一面反射镜与X轴垂直；

所述的X向检测机构和Y向检测机构均包含有接收光信号、并将其分为两束相互垂直的分光信号的子分光镜，将其中一束分光信号反射至所述的子分光镜处的反射镜，接受子分光镜处产生的干涉光信号、并将所述的干涉光信号转换为强弱相间的电信号的光电检测器，和与所述的光电检测器连接、识别该干涉光信号的周期及其周期个数的计数器，以及与所述计数器连接、将周期个数转换为被测物的圆轨迹误差的处理器；

第一分光信号朝向所述的靶镜、第二分光信号朝向所述的反射镜；所述的第一分光信号遇到靶镜后反射形成第一反射信号，所述的第二分光信号遇到所述的反射镜后反射形成第二反射信号，所述的第一反射信号和第二反射信号在所述的子分光镜处汇聚产生所述的干涉光信号。

进一步，所述的扫频激光器与所述的总分光镜之间设有阻止光信号反射回扫频激光器的光隔离器。

进一步，所述的总分光镜与Y向检测机构的子分光镜之间设有改变Y向光信号的传播方向、使其对准Y向检测机构的子分光镜的转向反射镜。

进一步，所述的转向反射镜与Y轴向呈45°角。

进一步，所述的处理器通过公式 $e_r=\frac{1}{R}(\frac{x(N_{\mathrm{ax}}-N_{\mathrm{bx}})}{2\mathrm{\Δ\υ}}+\frac{y(N_{\mathrm{ay}}-N_{\mathrm{by}})}{2\mathrm{\Δ\υ}})$ 计算获得圆轨迹误差e_r，其中：N_ax为X向检测机构的计数器在起始位置处检测到的干涉光信号的周期个数；N_bx为X向检测机构的计数器在终点位置处检测到的干涉光信号的周期个数；N_ay为Y向检测机构的计数器在导轨的起始位置处检测到的干涉光信号的周期个数；N_by为Y向检测机构的计数器在导轨的终点位置处检测到的干涉光信号的周期个数；Δυ为干涉光信号波数变化，

（λ₁，λ₂）为光源的扫频波长范围。

本发明具有以下有益效果：

1.在线实时测量。本发明采用的检测系统基于了扫频激光干涉的快速扫描特性，可以实现实时检测。利用激光源的扫频频率进行连续扫描，产生一系列的干涉图像，这些干涉条纹的干涉相位会产生连续的变化，此干涉相位的变化量与被测光程差成正比，而光程差可以反应所测几何量（长度、角度等）的大小，从而对干涉图像的相位计算可以分离得到误差参数。因为扫频的速度很快，所以此检测装置真正实现了误差的在线测量。

2．绝对距离测量。传统激光干涉检测系统在测量位移大小时，需要被测物沿导轨从起始位置移动到目标位置。在此移动过程中，激光束需要始终打在测量反射面上，对干涉光信号的条纹变化进行连续计数。而本发明的扫频激光检测系统在检测位移大小时，仅需把测量反射镜分别置于被测距离的起始、终点位置处，对激光器的输出频率进行一次扫描（扫描的速度非常快，小于1秒），即可得到关于被测距离长度的一系列干涉图像，通过相应的分析处理，分离出误差参数。可见，传统激光干涉检测系统是相对距离的测量，而本发明实现了绝对距离测量。

3．无导轨测量特性，抗干扰能力强。现有的测量系统需要被测物沿导轨路线从起始位置运动到终点位置。在移动过程中，激光束始终不能阻断。而本发明采用扫频激光器，无需被测物沿导轨移动，仅需把目标反射镜放在被测距离的起始点位置，扫频光源扫描后，即可精确检测到工作台或者被测工件的位移数据。测量时不受测量行程的影响，抗干扰能力强。

附图说明

图1是本发明的示意图。

具体实施方式

参照附图，进一步说明本发明：

基于扫频激光干涉的圆轨迹运动误差快速测量系统，其特征在于：包括能发出频率连续变化的光波的扫频激光器1、安装在机床的导轨上的靶镜2和位于所述的扫频激光器1与靶镜2之间、获取被测物的误差的检测机构；

所述的扫频激光器1与所述的检测机构之间设有将来自扫频激光器的光信号分成X向光信号和Y向光信号的总分光镜3；所述的检测机构包括获取X向光信号、检测X向误差的X向检测机构和获取Y向光信号、检测Y向误差的Y向检测机构；

所述的靶镜2由两面正交的反射镜组成，其中一面反射镜与X轴垂直；

所述的X向检测机构和Y向检测机构均包含有接收光信号、并将其分为两束相互垂直的分光信号的子分光镜41，将其中一束分光信号反射至所述的子分光镜41处的反射镜42，接受子分光镜41处产生的干涉光信号、并将所述的干涉光信号转换为强弱相间的电信号的光电检测器43，和与所述的光电检测器43连接、识别该干涉光信号的周期及其周期个数的计数器44，以及与所述计数器44连接、将周期个数转换为被测物的圆轨迹误差的处理器；

第一分光信号朝向所述的靶镜2、第二分光信号朝向所述的反射镜42；所述的第一分光信号遇到靶镜2后反射形成第一反射信号，所述的第二分光信号遇到所述的反射镜42后反射形成第二反射信号，所述的第一反射信号和第二反射信号在所述的子分光镜41处汇聚产生所述的干涉光信号。

所述的扫频激光器1与所述的总分光镜3之间设有阻止光信号反射回扫频激光器1的光隔离器5。

所述的总分光镜2与Y向检测机构的子分光镜之间设有改变Y向光信号的传播方向、使其对准Y向检测机构的子分光镜的转向反射镜6。

所述的转向反射镜6与Y轴向呈45°角。

所述的处理器通过公式 $e_r=\frac{1}{R}(\frac{x(N_{\mathrm{ax}}-N_{\mathrm{bx}})}{2\mathrm{\Δ\υ}}+\frac{y(N_{\mathrm{ay}}-N_{\mathrm{by}})}{2\mathrm{\Δ\υ}})$ 计算获得圆轨迹误差e_r，其中：N_ax为X向检测机构的计数器在起始位置处检测到的干涉光信号的周期个数；N_bx为X向检测机构的计数器在终点位置处检测到的干涉光信号的周期个数；N_ay为Y向检测机构的计数器在导轨的起始位置处检测到的干涉光信号的周期个数；N_by为Y向检测机构的计数器在导轨的终点位置处检测到的干涉光信号的周期个数；Δυ为干涉光信号波数变化，（λ₁，λ₂）为光源的扫频波长范围。x为被测物在X向移动的距离，y为被测物在Y向移动的距离，R为被测物做圆轨迹运动的半径。

本发明进行扫频干涉测量时，光波波数变化Δυ，干涉光路的臂长差L，探测器检测到的干涉光信号的位相差

为

$\mathrm{\Δ\υ}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_2}$

其中，（λ₁，λ₂）为光源的扫频波长范围。计数器得到的干涉条纹信号变化数目为N，可求得干涉光路的臂长差L

$L=\frac{N}{2\mathrm{\Δ\υ}}$

则起始位置a和终点位置b之间的位移大小ΔL为

$\mathrm{\ΔL}=\frac{(N_a-N_b)}{2\mathrm{\Δ\υ}}$

其中，N_a、N_b分别为计数器在起始位置和终点位置处检测到的干涉条纹信号的变化数目。

此检测系统测量圆轨迹运动误差时，分别测量X、Y轴向误差e_x、e_y，得到联动轨迹误差e_r为

$e_r=\frac{1}{R}({\mathrm{xe}}_x+{\mathrm{ye}}_y)$

$=\frac{1}{R}(\frac{x(N_{\mathrm{ax}}-N_{\mathrm{bx}})}{2\mathrm{\Δ\υ}}+\frac{y(N_{\mathrm{ay}}-N_{\mathrm{by}})}{2\mathrm{\Δ\υ}})$

设 $k=\frac{1}{2\mathrm{R\Δ\υ}},$

则在(x,y)位置处，圆轨迹误差e_r为

e_r=k(x(N_ax-N_bx)+y(N_ay-N_by))

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (5)

1.基于扫频激光干涉的圆轨迹运动误差快速测量系统，其特征在于：包括能发出频率连续变化的光波的扫频激光器、安装在机床的导轨上的靶镜和位于所述的扫频激光器与靶镜之间、获取被测物的误差的检测机构；

所述的扫频激光器与所述的检测机构之间设有将来自扫频激光器的光信号分成X向光信号和Y向光信号的总分光镜；所述的检测机构包括获取X向光信号、检测X向误差的X向检测机构和获取Y向光信号、检测Y向误差的Y向检测机构；

所述的靶镜由两面正交的反射镜组成，其中一面反射镜与X轴垂直；

所述的X向检测机构和Y向检测机构均包含有接收光信号、并将其分为两束相互垂直的分光信号的子分光镜，将其中一束分光信号反射至所述的子分光镜处的反射镜，接受子分光镜处产生的干涉光信号、并将所述的干涉光信号转换为强弱相间的电信号的光电检测器，和与所述的光电检测器连接、识别该干涉光信号的周期及其周期个数的计数器，以及与所述计数器连接、将周期个数转换为被测物的圆轨迹误差的处理器；

第一分光信号朝向所述的靶镜、第二分光信号朝向所述的反射镜；所述的第一分光信号遇到靶镜后反射形成第一反射信号，所述的第二分光信号遇到所述的反射镜后反射形成第二反射信号，所述的第一反射信号和第二反射信号在所述的子分光镜处汇聚产生所述的干涉光信号。

2.如权利要求1所述的基于扫频激光干涉的圆轨迹运动误差快速测量系统，其特征在于：所述的扫频激光器与所述的总分光镜之间设有阻止光信号反射回扫频激光器的光隔离器。

3.如权利要求2所述的基于扫频激光干涉的圆轨迹运动误差快速测量系统，其特征在于：所述的总分光镜与Y向检测机构的子分光镜之间设有改变Y向光信号的传播方向、使其对准Y向检测机构的子分光镜的转向反射镜。

4.如权利要求3所述的基于扫频激光干涉的圆轨迹运动误差快速测量系统，其特征在于：所述的转向反射镜与Y轴向呈45°角。

5.如权利要求4所述的基于扫频激光干涉的圆轨迹运动误差快速测量系统，其特征在于：所述的处理器通过公式 $e_r=\frac{1}{R}(\frac{x(N_{\mathrm{ax}}-N_{\mathrm{bx}})}{2\mathrm{\Δ\υ}}+\frac{y(N_{\mathrm{ay}}-N_{\mathrm{by}})}{2\mathrm{\Δ\υ}})$ 计算获得圆轨迹误差e_r，其中：N_ax为X向检测机构的计数器在起始位置处检测到的干涉光信号的周期个数；N_bx为X向检测机构的计数器在终点位置处检测到的干涉光信号的周期个数；N_ay为Y向检测机构的计数器在导轨的起始位置处检测到的干涉光信号的周期个数；N_by为Y向检测机构的计数器在导轨的终点位置处检测到的干涉光信号的周期个数；Δυ为干涉光信号波数变化，

（λ₁，λ₂）为光源的扫频波长范围；x为被测物在X向移动的距离，y为被测物在Y向移动的距离，R为被测物做圆轨迹运动的半径。

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