CN106461372B - 单根光纤耦合双频激光六自由度误差同时测量系统 - Google Patents

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Abstract

一种激光六自由度误差同时测量系统，其特征在于，激光发射单元(1)与固定传感测头(2)分离；所述激光发射单元(1)通过保偏光纤(104)与固定传感测头(2)连通；由光线反射器(301,302)和半透半反镜(303)组成的移动靶镜(3)设置在直线导轨的运动副上。通过采用单根保偏光纤(104)连接激光发射单元(1)和固定传感测头(2)，隔绝了激光器热漂移对测量精度的影响，减小了仪器体积。

Description

单根光纤耦合双频激光六自由度误差同时测量系统
技术领域
本发明涉及一种物体沿直线导轨运动时，对其运动的多达六自由度误差或运动姿态进行同时测量的方法与装置，具体涉及一种基于单根光纤耦合双频激光的多达六自由度误差同时测量系统，还涉及一种单根光纤耦合双频激光的方法，属于光学精密测量技术领域。
背景技术
高精度直线运动部件是数控机床、加工中心、三坐标测量机等设备的运动基准，对这些设备的刻线精度、加工精度和测量精度起着十分重要的作用。任何一个直线运动部件在空间均存在六个自由度的运动误差，即三个线位移量(位置误差、两个方向的直线度误差)和三个角位移量(俯仰角、偏摆角、滚转角)，这些误差的存在极大地影响了这些设备的精度与质量，如何高精度测量这些误差并予以补偿是精密制造与精密测量领域的关键技术问题。
测量六自由度误差在现有技术中最为常见的是采用激光干涉仪，但是激光干涉仪是单参数测量，每次安装调整只能测量一种误差分量，每个测量过程又需要使用不同类型的测量附件和重新调整干涉仪，使得测量周期长，测量精度受环境变化影响较大。
US4,804,270公开了一种基于平面衍射光栅的五自由度同时测量系统，不能进行位置误差的测量，其他自由度测量精度不高，且移动测量头带有电缆。
US6,049,377公开了一种五轴/六轴激光测量系统，可实现五/六自由度误差的同时测量。该系统滚转角测量精度较低，可移动测量头必须带有电缆，给长距离测量带来不便。
US5,798,828公开了一种五自由度测量系统，使用两个激光器作为光源，无法进行位置误差测量，其移动测头体积大，不适于用于高速加工中心的动态测量。
Qibo F,Bin Z,Cunxing C,et al.Development of a simple system forsimultaneously measuring 6DOF geometric motion errors of a linear guide[J].Optics express,2013,21(22):25805-25819.公开了一种六自由度误差同时测量系统。该系统的位置误差测量采用单频激光干涉仪，激光器与测量光路集成在仪器，光源热漂移对位置误差测量精度产生影响。
根据现有技术的六自由度误差同时测量系统，测量光路与激光发射部分集成在一体，激光器热漂移影响测量精度；所使用光源为单频激光器，测量环境对定位误差干涉测量影响较大；可移动测头带有电缆连接，给长距离测量带来不便；光线漂移的影响没有涉及，对于长距离测量，这将对测量精度造成较大影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种单根光纤耦合双频激光的多达六自由度误差同时测量系统，可实现对于直线导轨多达六个自由度运动误差的同时快速测量。不但能利用双频激光干涉测量定位误差，消除环境影响，更可实现光源与测量光路的分离，消除光源热漂移的影响，从而提高测量精度。
为此，本发明提供了一种激光六自由度误差同时测量系统，其特征在于，激光发射单元独立于系统的其余单元；所述激光发射单元通过单根保偏光纤与固定传感测头连通；由光线反射器和半透半反镜组成的移动靶镜设置在直线导轨的运动副上。
优选地，所述激光发射单元依次包括双频激光器、λ/4波片、耦合镜和保偏光纤，双频激光器发出两束幅值相同、偏振方向相反的左右旋圆偏振光，且两束圆偏振光具有一定的频差；λ/4波片将双频激光器发出的左右旋圆偏振光转变为两束正交线偏振光；耦合镜将双频激光器出射的线偏振光耦合进保偏光纤，保偏光纤传输两束正交线偏振光，并保证在传输过程中两束线偏振光的频差及偏振态保持不变。
优选地，固定传感测头包括光纤出射端、准直镜、λ/2波片、偏光分光器、λ/4波片、光线反射器、分光器、反射镜、透镜、光电探测器。
优选地，移动靶镜包括光线反射器和半透半反镜。
优选地，经过单根保偏光纤的传输和准直镜的扩束准直，获得准直光束。旋转λ/2波片，以使单根保偏光纤出射的两正交线偏振光的偏振方向与偏光分光器的透射光和反射光的偏振方向对准，从而使被偏光分光器分开的透射光和反射光的强度相等。偏光分光器的反射光经分光器透射，并由光线反射器将其后向反射，作为干涉测长的参考光；移动靶镜中的光线反射器将偏光分光器的透射光后向反射，作为干涉测长的信号光；参考光与信号光在固定传感测头内的光电探测器上发生干涉，产生拍频信号，从而获得移动靶镜沿机床或导轨运动时的位移信息Z。
优选地，固定传感测头内偏光分光器的反射光被分光器再次反射，反射光入射到λ/2波片，旋转λ/2波片，以使分光器反射光的线偏振方向与偏光分光器透射光的线偏振方向一致，λ/4波片将线偏振光变为圆偏振光并射向移动靶镜中的半透半反镜，经过半透半反镜的透射光经移动靶镜中光线反射器反射，并由固定传感测头内的光电探测器接收，由此获得移动靶镜相对于光轴的水平和竖直方向的直线度ΔX1和ΔY1。
优选地，移动靶镜中半透半反镜的反射光再次经过固定传感测头内的λ/4波片且由圆偏振光变为线偏振光，但偏振方向较之前改变了90度，因此可被偏光分光器反射，再经反射镜反射，由透镜聚焦在光电探测器上，由此获得移动靶镜相对于光轴的角位移，即俯仰角α和偏摆角β。
优选地，固定传感测头内偏光分光器的透射光射向移动靶镜中的光线反射器，并被其后向反射，反射光被固定传感测头内分光器所分的反射光再次被另一分光器分光，其反射光由光电探测器接收，由此获得移动靶镜相对于光轴的水平和竖直方向的直线度ΔX2和ΔY2。
优选地，由光电探测器可测得机床运动部分或直线导轨运动副上同一水平位置处两个不同点的竖直方向直线度ΔY1和ΔY2，两竖直方向直线度做差分运算的结果除以固定传感测头内分光器的反射光和偏光分光器的透射光之间的距离，可获得滚转角γ。
优选地，固定传感测头内分光器的透射光经过反射镜反射并由透镜聚焦到光电探测器上，由此获得光线在传输过程中，相对于准直镜出射光所产生的角度漂移α'和β'。由于补偿光路与测量光路共路，因此，可根据建立的误差模型，通过测得的角度漂移，对俯仰和偏摆角误差和二维直线度误差的测量结果进行补偿，以消除光线漂移对六自由度误差测量引入的误差，提高测量精度。
优选地，所述的基于单根保偏光纤传输的激光发射单元与所述的固定传感测头通过机械结构连接在一起。
本发明与现有技术相比，至少具有如下的有益技术效果：
其一，采用单根光纤耦合双频激光作为测量光源，不但能有效分离光源与测量光路，消除激光器热漂移对测量的影响，又能通过固定光纤出射端来抑制激光漂移。单根光纤耦合又使系统结构简单；
其二，只需一束入射激光即可实现位置误差、两个方向直线度、俯仰角、偏摆角以及滚转角六个自由度误差的同时测量；
其三，测量系统中可随导轨移动的部分元件少，体积小，无电缆连接，适于现场长距离测量；
其四，利用共路测量原理测量激光角度漂移，通过对测量结果的修正与补偿，可进一步提高测量精度。
根据本发明，单根光纤耦合双频激光，可有效隔离激光头热源影响，而且使用单根光纤耦合双频，也使得激光发射单元结构更为简单。
根据本发明，激光六自由度误差同时测量。利用一束激光即可实现带有光线漂移补偿的六个自由度误差的同时测量，且移动靶镜不带电缆连接，更适用于长距离检测。
根据本发明的基于单根光纤耦合双频激光的六自由度误差同时测量系统，测量光路结构简单、体积小、精度高、移动部分无电缆连接。采用光纤耦合不仅能够将激光器热源与测量头隔离开来，提高测量系统的稳定性，同时可减小测量头的体积，提高测量系统的动态响应速度和现场测量的适用性。
附图说明
图1是激光发射单元示意图，利用单根光纤耦合双频激光传输。
图2是带有光线漂移补偿的基于单根光纤耦合双频激光的六自由度误差同时测量的实施方式示意图。
具体实施方式
如图1所示为激光发射单元1，利用单根光纤耦合双频激光传输。依次包括双频激光器101、λ/4波片102、耦合镜103和保偏光纤104。所述双频激光器101发出两束幅值相同、偏振方向相反、且具有一定频差的左右旋转圆偏振光，经过λ/4波片102后，所述两个圆偏振光变为两个偏振方向相互垂直的线偏振光。耦合镜103将所述的两个线偏振光耦合进保偏光纤104，旋转λ/4波片102使所述两正交线偏振光的偏振方向与所述保偏光纤104的光轴方向实现对准，保证激光在保偏光纤104传输过程中，所述两正交线偏振光的频差和偏振方向保持不变。
所述保偏光纤104可以是蝶形或者熊猫型保偏光纤。
如图2所示，基于单根光纤耦合双频激光的六自由度误差同时测量系统包括激光发射单元1、固定传感测头2以及移动靶镜3。所述激光发射单元1与固定传感测头2通过光纤连接，所述移动靶镜3放置在可移动导轨上，测量时随导轨移动。
所述激光发射单元实施方式可由图1给出。
所述固定传感测头2包括光纤出射端201，准直镜202，λ/2波片203、204，偏光分光器205、206，λ/4波片207，光线反射器208，分光器209、210、211，反射镜212、213，透镜214、215，光电探测器216、217、218、219、220。
所述移动靶镜3包括光线反射器301、302，半透半反镜303。
所述准直镜202放置在所述光纤出射端201之后，且距光纤出射端距离为其焦距，可将光纤出射光扩束准直。旋转λ/2波片203，以使光纤出射端201出射的两正交线偏振光的偏振方向与偏光分光器205的透射光和反射光的偏振方向对准，从而使被偏光分光器205分开的透射光221和反射光222的强度相等，这两者均为线偏振光，且偏振方向正交。所述反射光222经分光器209透射，并由光线反射器208将其后向反射，作为干涉测量的参考光；所述移动靶镜3中的光线反射器302将所述透射光221后向反射，作为干涉测量的信号光；所述参考光与信号光在所述固定传感测头内的光电探测器220上发生干涉，产生拍频信号，从而实现所述移动靶镜3沿机床或导轨运动时的位移信息Z。
经过偏光分光器205的所述反射光222被分光器209反射，反射光223入射到λ/2波片204，旋转λ/2波片204，以使所述反射光223的线偏振方向与偏光分光器206的透射光的线偏振方向一致，λ/4波片207将线偏振光变为圆偏振光并射向所述移动靶镜3中的半透半反镜303，经过半透半镜303的透射光经光线反射器301反射，并由所述固定传感测头内的光电探测器217接收，由此测得光线反射器301相对于光轴的水平和竖直方向的直线度ΔX1和ΔY1。
所述半透半反镜303的反射光再次经过所述固定传感测头内的λ/4波片207且由圆偏振光变为线偏振光，但偏振方向较之前改变了90度，因此被偏光分光器206反射，再经反射镜212反射，由透镜215聚焦在光电探测器216上，由此测得半透半反镜303相对于光轴的角位移，即俯仰角α和偏摆角β。
所述偏光分光器205的透射光221射向所述移动靶镜3中的光线反射器302，并被其后向反射，反射光被分光器210所分的反射光再次被分光器211分光，其反射光由光电探测器218接收，由此测得光线反射器302相对于光轴的水平和竖直方向的直线度ΔX2和ΔY2。
所述分光器211的透射光经过反射镜213反射并由透镜214聚焦到光电探测器219上，由此获得光线在传输过程中，相对于准直镜201的出射光所产生的角度漂移α'和β'。
由所述光电探测器217和218可测得机床运动部分或直线导轨运动副上同一水平位置处两个不同点的竖直方向直线度ΔY1和ΔY2，两竖直方向直线度做差分运算的结果除以所述光线221、223之间的距离，可间接得到滚转角γ。
所述的偏光分光器205、206包括偏光分光镜PBS以及Glan-Thompson棱镜。
所述的光线反射器301、302、208包括角锥棱镜、直角棱镜和猫眼结构。
由此本发明实现了带有光线漂移补偿的单根光纤耦合双频激光的六自由度误差同时测量。
相对于现有技术，本发明所具有的突出特点为：
其一，利用单根保偏光纤有效分离了激光器与固定传感测头，测量时，所述激光发射单元1可以放置在任何方便的位置，所述固定传感测头2可放置在机床台等牢固且固定的位置，消除了双频激光器热漂移对测量光路的影响，可以提高测量精度；
其二，通过光纤耦合使得激光器101可从所述固定传感测头2中移出，可使固定传感测头2的尺寸大大减小，便于实现系统的小型化，也便于安装和调整。
其三，只用单根保偏光纤即可耦合双频激光，无需光纤分光与合光过程，使得激光发射单元1结构简单，易于装调；
其四，只需一束入射激光即可实现位置误差、两个方向直线度、俯仰角、偏摆角以及滚转角六个自由度误差的同时测量；可移动靶镜3组成元件少，体积小，无电缆连接，更加易于长距离测量；
其五，激光光线漂移补偿光路与测量光路共路，可有效消除激光角度漂移对测量的影响，通过对漂移角度的测量，可对误差测量结果做修正和补偿，以进一步提高测量精度。

Claims (7)

1.一种激光六自由度误差同时测量系统，其特征在于，激光发射单元与固定传感测头分离；所述激光发射单元通过单根保偏光纤与固定传感测头连通；由光线反射器和半透半反镜组成的移动靶镜设置在直线导轨的运动副上，
所述激光发射单元依次包括双频激光器、λ/4波片、耦合镜和保偏光纤，双频激光器发出两束幅值相同、偏振方向相反的左右旋圆偏振光，且两束圆偏振光具有一定的频差；λ/4波片将双频激光器发出的圆偏振光转变为两束偏振方向正交的线偏振光；耦合镜将双频激光器出射的两束线偏振光耦合进单根保偏光纤，保偏光纤传输两束线偏振光，并保证在传输过程中两束光的频差及偏振态保持不变；
固定传感测头内偏光分光器的反射光被分光器再次反射，反射光入射到λ/2波片，旋转λ/2波片，以使分光器反射光的线偏振方向与偏光分光器透射光的线偏振方向一致，λ/4波片将线偏振光变为圆偏振光并射向移动靶镜中的半透半反镜，经过半透半反镜的透射光经移动靶镜中光线反射器反射，并由固定传感测头内的光电探测器接收，由此获得移动靶镜相对于光轴的水平和竖直方向的直线度ΔX1和ΔY1。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，移动靶镜包括光线反射器与半透半反镜。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，经过单根保偏光纤的传输和准直镜的扩束准直，获得准直光束；旋转λ/2波片，以使单根保偏光纤出射的两正交线偏振光的偏振方向与偏光分光器的透射光和反射光的偏振方向对准，从而使偏光分光器的透射光和反射光的强度相等，偏光分光器的反射光被分光器分光，透射光被光线反射器后向反射作为干涉测长的参考光；移动靶镜中的光线反射器将偏光分光器的透射光后向反射，作为干涉测长的信号光；参考光与信号光在固定传感测头内的光电探测器上发生干涉，产生拍频信号，从而获得移动靶镜沿机床或导轨运动时的位移信息Z。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，移动靶镜中半透半反镜的反射光再次经过固定传感测头内的λ/4波片且由圆偏振光变为线偏振光，但偏振方向较之前改变了90度，因此可被偏光分光器反射，再经反射镜反射，由透镜聚焦在光电探测器上，由此获得移动靶镜相对于光轴的角位移，即俯仰角α和偏摆角β。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，固定传感测头内偏光分光器的透射光射向移动靶镜中的光线反射器，并被其后向反射，反射光被固定传感测头内分光器所分的反射光再次被另一分光器分光，其反射光由光电探测器接收，由此获得移动靶镜相对于光轴的水平和竖直方向的直线度ΔX2和ΔY2；由光电探测器可测得机床运动部分或直线导轨运动副上同一水平位置处两个不同点的竖直方向直线度ΔY1和ΔY2，两竖直方向直线度做差分运算的结果除以固定传感测头内分光器的反射光和偏光分光器的透射光之间的距离，可获得滚转角γ。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，固定传感测头内分光器的透射光经过反射镜反射并由透镜聚焦到光电探测器上，由此获得光线在传输过程中，相对于准直镜出射光所产生的角度漂移α'和β'；由于补偿光路与测量光路共路，因此，可根据建立的误差模型，通过测得的角度漂移，对俯仰和偏摆角误差和二维直线度误差的测量结果进行补偿，以消除光线漂移对六自由度误差测量引入的误差，提高测量精度。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的基于单根保偏光纤传输的激光发射单元与所述的固定传感测头通过机械结构连接在一起。
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