CN102901447A

CN102901447A - 一种工作台运动直线度实时测量装置

Info

Publication number: CN102901447A
Application number: CN2012103854495A
Authority: CN
Inventors: 王杰; 刘晓军; 卢文龙
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2012-10-10
Filing date: 2012-10-10
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2032-10-10
Also published as: CN102901447B

Abstract

本发明公开了一种工作台运动直线度实时测量装置，包括基准模块和测量模块；基准模块包括激光源，依次排列在激光源的出射光路上的起偏器、第一消偏振分光棱镜、第二消偏振分光棱镜，位于第一消偏振分光棱镜的垂直光路上的第一直角棱镜、线偏振片、第一光电转换单元，位于第二消偏振分光棱镜的垂直光路上的检偏器、第二光电转换单元；测量模块包括位于第二消偏振分光棱镜的出射光路上的偏振分光棱镜和反射镜，位于偏振分光棱镜的垂直光路上的第二直角棱镜和位于反射镜的垂直光路上的第三直角棱镜；反射镜与第二消偏振分光棱镜的出射光路成45°角放置。本发明可实现工作台直线度动态、实时测量；提高了测量效率。

Description

一种工作台运动直线度实时测量装置

技术领域

本发明属于直线度测量领域，更具体地，涉及一种工作台运动直线度实时测量装置。

背景技术

目前，直线度测量方法有很多。一类是非激光类的直线度测量方法，这类测量方法，如自准直仪测量法，水平仪测量法，测量过程简单，成本低，但不能实时测量，测量精度低，多用于测量精度要求不是很高的场合。另一类是基于激光的直线度测量方法，利用激光具有强度高而集中，频率单一，发散小等卓越性能。激光类的直线度测量方法按照检测原理大致可分为振幅测量型和相位测量型。振幅测量型是以激光束为直线基准的测量方法，实现简单，测量精度也不高；相位测量型基于激光干涉技术实现直线度测量，如安捷伦HP5529系列和雷立绍激光干涉仪系列等。激光干涉方法精度高，但系统装调复杂，使用不便，且对测量对象振动环境敏感，因而不适合工作台运动直线度实时测量。另外，它们不能对工作台运动位置和直线度误差实现同时测量。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种可以对工作台的直线度进行动态实时测量的工作台运动直线度实时测量装置。

为实现上述目的，本发明提供了一种工作台运动直线度实时测量装置，包括基准模块和测量模块；基准模块使用时固定在工作台外；测量模块使用时放在工作台上并随工作台一起运动；所述基准模块包括：用于提供激光的激光源，依次排列在所述激光源的出射光路上且工作面平行的起偏器、第一消偏振分光棱镜、第二消偏振分光棱镜，位于所述第一消偏振分光棱镜的垂直光路上的第一直角棱镜、线偏振片、第一光电转换单元，位于第二消偏振分光棱镜的垂直光路上的检偏器、第二光电转换单元；起偏器用于将所述激光输出为频率为f、光矢量与纸面成45°角的线偏振光；第一消偏振分光棱镜用于将所述线偏振光分为垂直方向的线偏振光和水平方向的线偏振光；第一直角棱镜用于将垂直方向的线偏振光进行反射；反射后的线偏振光经所述第一消偏振分光棱镜透射至所述线偏振片，线偏振片用于滤除所述线偏振光中垂直于纸面的光矢量并保留所述线偏振光中平行于纸面的光矢量；所述测量模块包括：位于第二消偏振分光棱镜的出射光路上且与第二消偏振分光棱镜的工作面平行的偏振分光棱镜和反射镜，位于偏振分光棱镜的垂直光路上的第二直角棱镜和位于反射镜的垂直光路上的第三直角棱镜；所述反射镜与第二消偏振分光棱镜的出射光路成45°角放置；偏振分光棱镜用于将透过第二消偏振分光棱镜的线偏振光分成光矢量垂直于纸面的线偏振光和光矢量平行于纸面的线偏振光；反射镜用于将偏振分光棱镜分出的光矢量垂直于纸面的线偏振光进行反射；反射后的光入射至第三直角棱镜，第三直角棱镜用于将入射光反射回反射镜；所述反射镜将其反射至偏振分光棱镜；第二直角棱镜用于将偏振分光棱镜分出的光矢量平行于纸面的线偏振光进行反射；反射后的光入射至偏振分光棱镜；偏振分光棱镜用于将光矢量垂直于纸面线偏振光的和光矢量平行于纸面的线偏振光汇合并出射至第二消偏振分光棱镜，第二消偏振分光棱镜用于将汇合的两束光矢量相互垂直的光分成垂直方向的两束光矢量相互垂直的光和水平方向的两束光矢量相互垂直的线偏振光；检偏器用于将垂直方向的两束光矢量相互垂直的线偏振光在其光轴投影形成同方向的偏振光，第一光电转换单元用于将检偏器形成同方向的偏振光产生干涉并进行光电转换并获得工作台运动直线度误差；第一消偏振分光棱镜用于将第二消偏振分光棱镜分出的水平方向的两束光矢量相互垂直的线偏振光反射至线偏振片，线偏振片用于滤除水平方向的两束光中光矢量垂直于纸面的一束线偏振光；水平方向的两束光中另一束光矢量平行于纸面的线偏振光与保留在线偏振片中线偏振光中光矢量平行于纸面的部分发生干涉，第一光电转换单元用于将线偏振片中的干涉光信号进行光电转换并获得所述工作台运动直线度误差的实时位置。

本发明可实现工作台直线度动态、实时测量；填补了工作台直线度测量上的空白，同时极大的提高了测量效率。本测量装置可以同时实时测量工作台运动位置和直线度，便于实时补偿，直线度分辨率可达0.16μm，并具有装调简单、受环境影响小等特点。

附图说明

图1是本发明提供的工作台运动直线度实时测量装置的光路图；

图2是本发明提供的工作台运动直线度实时测量装置的测量示意图；

图3是本发明提供的工作台运动直线度实时测量装置中测量模块的结构示意图；

图4是本发明提供的工作台运动直线度实时测量装置中基准模块的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明提供的工作台运动直线度实时测量装置的光路；其中，工作台运动直线度实时测量装置包括基准模块A和测量模块B；基准模块A使用时固定在工作台外；测量模块B使用时放在工作台上并随工作台一起运动；基准模块A包括：用于提供激光的激光源1，依次排列在激光源1的出射光路上且工作面平行的起偏器2、第一消偏振分光棱镜4、第二消偏振分光棱镜7，位于第一消偏振分光棱镜4的垂直光路上的第一直角棱镜3、线偏振片5、第一光电转换单元6，位于第二消偏振分光棱镜7的垂直光路上的检偏器8、第二光电转换单元9；起偏器2用于将激光输出为频率为f、光矢量与纸面成45°角的线偏振光；第一消偏振分光棱镜4用于将线偏振光分为垂直方向的线偏振光和水平方向的线偏振光；第一直角棱镜3用于将垂直方向的线偏振光进行反射；反射后的线偏振光经第一消偏振分光棱镜4透射至线偏振片5，线偏振片5用于滤除线偏振光中垂直于纸面的光矢量并保留所述线偏振光中光矢量平行于纸面的部分；测量模块B包括：位于第二消偏振分光棱镜7的出射光路上且与第二消偏振分光棱镜7的工作面平行的偏振分光棱镜10和反射镜11，位于偏振分光棱镜10的垂直光路上的第二直角棱镜12和位于反射镜11的垂直光路上的第三直角棱镜13；反射镜11与第二消偏振分光棱镜7的出射光路成45°角放置；偏振分光棱镜10用于将透过第二消偏振分光棱镜7的线偏振光分成光矢量垂直于纸面的线偏振光和光矢量平行于纸面的线偏振光；反射镜11用于将偏振分光棱镜10分出的光矢量垂直于纸面的线偏振光进行反射；反射后的光入射至第三直角棱镜13，第三直角棱镜13用于将入射光反射回反射镜11；反射镜11将其反射至偏振分光棱镜10；第二直角棱镜12用于将偏振分光棱镜10分出的光矢量平行于纸面的线偏振光进行反射；反射后的光入射至偏振分光棱镜10；偏振分光棱镜10用于将光矢量垂直于纸面的线偏振光和光矢量平行于纸面的线偏振光汇合并出射至第二消偏振分光棱镜7，第二消偏振分光棱镜7用于将汇合的两束光分成垂直方向的两束光矢量相互垂直的线偏振光和水平方向的两束光矢量相互垂直的线偏振光；检偏器8用于将垂直方向的两束光矢量相互垂直的线偏振光在其光轴投影形成同方向的偏振光，第一光电转换单元9用于将检偏器8形成同方向的偏振光产生干涉并进行光电转换并获得工作台运动直线度误差；第一消偏振分光棱镜4用于将第二消偏振分光棱镜7分出的水平方向的两束光矢量相互垂直的线偏振光反射至线偏振片5，线偏振片5用于滤除水平方向的两束光中光矢量垂直于纸面的一束线偏振光；水平方向的两束光中另一束光矢量平行于纸面的线偏振光与保留在线偏振片5中线偏振光中光矢量平行于纸面的部分发生干涉，第一光电转换单元6用于将线偏振片5中的干涉光信号进行光电转换并获得工作台运动直线度误差的实时位置。

其中，消偏振分光棱镜7用其他光学器件组成的激光倍频光路代替，第一直角棱镜3、第二直角棱镜12、第三直角棱镜13可以用其他类型棱镜，第一消偏振分光棱镜4、第二消偏振分光棱镜7和偏振分光棱镜10均可以用其他类型分光镜代替等。

在本发明实施例中，如图2所示，基准模块A使用时固定在工作台外；测量模块B使用时放在工作台上并随工作台一起运动(由于机床工作台运动速度不高，两者不发生相对位移)；两者通过第二偏振分光棱镜7与偏振分光棱镜10对齐，形成工作台运动直线度测量装置的完整光路。在测量模块A中，激光器1通过起偏器2后输出频率为f、光矢量与纸面成45°角线偏振光，通过第一消偏振分光棱镜4后一部分光反射到下方的第一直角棱镜3上再反射到第一消偏振分光棱镜4中，进一步经过线偏振片5将45°角线偏振光中的垂直于纸面的光矢量滤掉，只将平行于纸面、频率为f的光矢量保留。通过第一消偏振分光棱镜4的另一部分光经消偏振分光棱镜7进入到测量模块B中的偏振分光棱镜10中。

进入测量模块B中的光被偏振分光棱镜10分为两束，被反射到下方第二直角棱镜12的是平行于纸面的线偏振光，其再由第二直角棱镜12反射回到偏振分光棱镜10中。如果工作台静止，返回到偏振分光棱镜10中的线偏振光频率保持不变；如果工作台运动，返回到偏振分光棱镜10中的线偏振光频率则由于多普勒效应发生改变。

透过偏振分光棱镜10到反射镜11的是频率为f垂直于纸面的线偏振光，线偏振光再通过第三直角棱镜13反射到反射镜11后，最后回到偏振分光棱镜10中。工作台运动如果是沿一条理想的直线，测量模块运动完全平稳，即无运动直线度误差，第二直角棱镜12和第三直角棱镜13速度只沿水平方向，且大小相等，根据多普勒效应，返回到偏振分光棱镜10中的两线偏振光频率相等，均为f′；当然由于运动直线度误差存在，工作台运动不可能沿一条理想直线，此时第二直角棱镜12和第三直角棱镜13虽然水平方向速度相等，但它们垂直方向上速度必不相等。由于多普勒效应，返回到偏振分光棱镜10中的两线偏振光频率必不相同，分别变为f₁，f₂。此两偏振光离开测量模块B，进一步进入到基准模块A中的第二消偏振分光棱镜7。

进入到基准模块A的两偏振光经过第二消偏振分光棱镜7后分为两束，一束被反射到上方的后再经检偏器8发生干涉，干涉信号由第二光电转换单元9接收处理，可以得出所测点处直线度差分工作台运动如果是沿一条理想直线，得Δf＝f′-f′＝0，即直线度差分为0；当然实际运动时，必有直线度误差，得Δf＝f₁-f₂≠0。得到工作台运动直线度差分后经过积分计算，可以得出直线度。

一般激光源1波长为λ＝633nm，不加倍频时的脉冲当量为

则可以达到0.16μm的分辨率；若采用辅助光电信号的电子细分，可以达到纳米水平分辨率。

由于上述直线度测量方法是采用差分干涉原理上，所以环境条件的变化同样作用于参考光束和测量光束，当环境条件发生变化时(如振动、温度、湿度、空气扰动等)，导致参考光束和测量光束的频率均改变，由f变为f+Δf′，最后进行差分计算时被抵消完，不影响测量，因此进行直线度测量时，抗干扰能力强。另外，由于在进入偏振分光棱镜10之前激光束两方向上的线偏振光尚未分开，所以测量模块和基准模块的距离不会影响测量精度，阿贝误差和余弦误差也不影响测值。因为本装置从测量原理中可以看出，直线度误差和位置是通过频率的改变得出的，而进入偏振分光棱镜10之前激光束两方向上的偏振光频率不变。因此，这比其他直线度误差测量方法时的调整要简单。

另一束直射到第一消偏振分光棱镜4上后被反射到线偏振片5上，线偏振片5将光矢量垂直于纸面的线偏振光滤掉，只让光矢量平行于纸面的线偏振光通过，并与原通过线偏振片5的平行于纸面、频率为f的部分发生干涉，干涉信号由第一光电转换单元6接收处理，得出所测点处位置差分如果机床工作台静止不动，得Δf＝f-f＝0，即位置差分为0，位置未改变。如果机床工作台运动，得Δf＝f₁-f≠0。

第一光电转换单元6实时输出工作台运动各点的位置测量结果，第二光电转换单元9同时实时输出工作台运动此点的直线度误差测量，由此，就可以实现工作台直线度与位置实时动态测量。

图3和图4分别为基准模块A和测量模块B的结构示意图。基准模块A和测量模块B通过第二消偏振分光棱镜7与偏振分光棱镜10对齐形成完整的测量光路。

采用本发明提供的测量装置可实现工作台直线度动态、实时测量；填补了工作台直线度测量上的空白，同时极大的提高了测量效率。本测量装置可以同时实时测量工作台运动位置和直线度，便于实时补偿，直线度误差分辨率可达0.16μm，并具有装调简单、受环境影响小等特点。

上述具体实施方式的内容只是本发明的一个具体实例，本发明的内容并不局限于上述实例和附图公开的内容。对本发明的设计的结构和思路，做简单的变化或者更改设计，都落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种工作台运动直线度实时测量装置，其特征在于，包括基准模块和测量模块；基准模块使用时固定在工作台外；测量模块使用时放在工作台上并随工作台一起运动；

所述基准模块包括：用于提供激光的激光源，依次排列在所述激光源的出射光路上且工作面平行的起偏器、第一消偏振分光棱镜、第二消偏振分光棱镜，位于所述第一消偏振分光棱镜的垂直光路上的第一直角棱镜、线偏振片、第一光电转换单元，位于第二消偏振分光棱镜的垂直光路上的检偏器、第二光电转换单元；起偏器用于将所述激光输出为频率为f、光矢量与纸面成45°角的线偏振光；第一消偏振分光棱镜用于将所述线偏振光分为垂直方向的线偏振光和水平方向的线偏振光；第一直角棱镜用于将垂直方向的线偏振光进行反射；反射后的线偏振光经所述第一消偏振分光棱镜透射至所述线偏振片，线偏振片用于滤除所述线偏振光中光矢量垂直于纸面的部分并保留所述线偏振光中光矢量平行于纸面的部分；

所述测量模块包括：位于第二消偏振分光棱镜的出射光路上且与第二消偏振分光棱镜的工作面平行的偏振分光棱镜和反射镜，位于偏振分光棱镜的垂直光路上的第二直角棱镜和位于反射镜的垂直光路上的第三直角棱镜；所述反射镜与第二消偏振分光棱镜的出射光路成45°角放置；偏振分光棱镜用于将透过第二消偏振分光棱镜的线偏振光分成光矢量垂直于纸面的线偏振光和光矢量平行于纸面的线偏振光；反射镜用于将偏振分光棱镜分出的光矢量垂直于纸面的线偏振光进行反射；反射后的线偏振光入射至第三直角棱镜，第三直角棱镜用于将入射光反射回反射镜；所述反射镜将其反射至偏振分光棱镜；第二直角棱镜用于将偏振分光棱镜分出的光矢量平行于纸面的线偏振光进行反射；反射后的光入射至偏振分光棱镜；

偏振分光棱镜用于将光矢量垂直于纸面的线偏振光和光矢量平行于纸面的线偏振光汇合并出射至第二消偏振分光棱镜，第二消偏振分光棱镜用于将汇合的两束光矢量相互垂直线偏振光分成垂直方向的两束光矢量相互垂直的线偏振光和水平方向的两束光矢量相互垂直的线偏振光；检偏器用于将垂直方向的两束光矢量相互垂直的线偏振光在其光轴投影形成同方向的偏振光，第一光电转换单元用于将检偏器形成同方向的偏振光产生干涉并进行光电转换并获得工作台运动直线度误差；第一消偏振分光棱镜用于将第二消偏振分光棱镜分出的水平方向的两束光矢量相互垂直的线偏振光反射至线偏振片，线偏振片用于滤除水平方向的两束光中光矢量垂直于纸面的一束线偏振光；水平方向的两束光中另一束光矢量平行于纸面的线偏振光与保留在线偏振片线偏振光中光矢量平行于纸面的部分发生干涉，第一光电转换单元用于将线偏振片中的干涉光信号进行光电转换并获得所述工作台运动直线度误差的实时位置。