CN109084676A - 基于激光外差干涉的双基圆盘式渐开线样板测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于激光外差干涉的双基圆盘式渐开线样板测量系统，包括稳频激光器，检偏器即P₁，光电探测器即PD₁，分光镜1即BS₁，分光镜2即BS₂，分光镜3即BS₃，反射镜即M₄，柱面棱镜即L₁，柱面棱镜2即L₂，柱面棱镜3即L₃，测量光路系统1，测量光路系统2，测量光路系统3，双基圆盘式渐开线样板轴，基圆柱1，基圆柱2，渐开线齿面；双基圆盘式渐开线样板由渐开线齿面区域和两个基圆柱组成，基圆柱对应于渐开线齿面的基圆，两个基圆柱分别安装在渐开线齿面区域两侧。将基圆柱中心部分进行抛光，基圆柱未抛光面的半径与基圆半径相等。本发明将激光外差干涉技术应用在双基圆盘式渐开线样板的测量中，从而实现高分辨率和动态实时的测量。

Description

基于激光外差干涉的双基圆盘式渐开线样板测量系统

技术领域

本发明涉及一种测量渐开线样板的光学系统，尤其涉及一种基于直反射三光路激光外差干涉的双基圆盘式渐开线样板测量光学系统。

背景技术

齿轮作为一种应用最为广泛的基础部件，是制造业高端装备的关键基础部件，是我国现代工程技术应用不可或缺的一部分，在建设中起着重要作用。随着关键装备对齿轮使用要求的不断提高以及齿轮加工工艺水平的快速提升，齿轮的精度有了大幅提高。为了实现齿轮的精度控制，高精度齿轮测量仪器的测量准确性保证非常重要。齿轮测量仪器的每项指标在测量齿轮之前都要进行校准，每个单项指标调好后进行综合检验，即用齿轮样板来校准齿轮测量仪器的综合误差，不仅提高了齿轮测量仪器的使用精度，同时保证量值统一。德国PTB研制的国家基准级双基圆盘式渐开线样板齿廓形状偏差可达0.5μm，用于本国和欧洲的渐开线量值传递。然而样板的加工难度大、制造成本高，并且标定样板也是一项困难的工作，样板齿廓形状偏差在微米级。目前统一渐开线齿轮测量仪器的量值是采用渐开线样板加修正量的方法，通过检定渐开线样板消除渐开线齿轮测量仪的系统误差，因此对用于检定或校准齿轮测量仪器的标准渐开线样板需要具有很高的精度。以双基圆盘式渐开线样板作为渐开线齿轮测量仪器的标准量具，若不能保证检定方法和双基圆盘式渐开线样板的精度，那么从根本上提高齿轮测量仪器的精度是不现实的。因此，对于高精度的双基圆盘式渐开线样板，如何用先进的激光测量技术提高双基圆盘式样板的测量精度是亟待解决的问题。

激光干涉测量技术具有测量精度高(纳米量级)、溯源性强、重复性好等特点。单频激光干涉测量技术是基于对直流调幅信号的处理，背景光强的变化可能使信号强度落于计数器触发电平之下而导致计数误差，抗干扰能力受影响，而激光外差干涉技术的特点是利用载波技术将被测物理量的信息转换成调频或调相信号，光电探测器接收到的干涉信号是交流信号，信噪比高，抗干扰能力强，易于实现高分辨率和动态实时的测量。

为此有必要设计一种基于直反射三光路激光外差干涉的双基圆盘式渐开线样板测量光学系统，将激光外差干涉技术应用于双基圆盘式渐开线样板测量当中，可以提高双基圆盘式渐开线样板的标定精度，同时为双基圆盘式渐开线样板的测量装置研制打下坚实的理论基础。

发明内容

为克服现有技术的缺点，本发明的目的在于设计了基于直反射三光路激光外差干涉的双基圆盘式渐开线样板测量光学系统，将激光外差干涉技术应用在双基圆盘式渐开线样板的测量中，从而实现高分辨率和动态实时的测量。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于直反射三光路激光外差干涉的双基圆盘式渐开线样板测量光学系统。其中，双基圆盘式渐开线样板由渐开线齿面区域和两个基圆柱组成，基圆柱对应于渐开线齿面的基圆，两个基圆柱分别安装在渐开线齿面区域两侧。将基圆柱中心部分进行抛光，基圆柱未抛光面的半径与基圆半径相等。

本发明中基于直反射三光路激光外差干涉的双基圆盘式渐开线样板测量光学系统，包括稳频激光器，检偏器1即P₁，光电探测器1即PD₁，分光镜1即BS₁，分光镜2即BS₂，分光镜3即BS₃，反射镜4即M₄，柱面棱镜1即L₁，柱面棱镜2即L₂，柱面棱镜3即L₃，测量光路系统1，测量光路系统2，测量光路系统3，双基圆盘式渐开线样板轴，基圆柱1，基圆柱2，渐开线齿面。稳频激光器发出两束频率不同、振动方向互相垂直的线偏振光，其中一束线偏振光被BS₁反射后经P₁形成干涉信号由PD₁接收并转换为参考信号；另一束线偏振光被BS₁透射并经BS₂进入测量光路系统1，经BS₃进入测量光路系统2和M₄进入测量光路系统3，形成三路测量激光束分别入射到基圆柱1抛光面上的A点，基圆柱2抛光面上的B点和渐开线样板齿面上的Q点并被反射。

测量光路系统1包括偏振分光镜1即PBS₁，四分之一波片1即QW₁，四分之一波片2即QW₂，反射镜1即M₁，检偏器2即P₂，光电探测器2即PD₂；

测量光路系统2包括偏振分光镜2即PBS₂，四分之一波片3即QW₃，四分之一波片4即QW₄，反射镜2即M₂，检偏器3即P₃，光电探测器3即PD₃；

测量光路系统3包括偏振分光镜3即PBS₃，四分之一波片5即QW₅，四分之一波片6即QW₆，反射镜3即M₃，检偏器4即P₄，光电探测器4即PD₄。

测量光路系统1中：被BS₂透射的光束进入测量光路系统1，光束沿振动方向平行于入射面的p偏振光被PBS₁透射后经QW₂后经L₁入射到基圆柱1的抛光面A点被反射，再次经过QW₂后转换为s偏振光被PBS₁反射；进入测量光路系统1振动方向垂直入射面的s偏振光被PBS₁反射后经QW₁后入射到M₁被反射，再次经过QW₁后转换为p偏振光被PBS₁透射；

两束偏振光经P₂后形成干涉信号由PD₂接收并转换为测量信号1。被基圆柱2抛光面反射的光在B点被反射后进入测量光路由PD₄接收并转换为测量信号3；被双基圆盘式渐开线样板的渐开线齿面Q点反射的光被反射后进入测量光路由PD₃接收并转换为测量信号2。

利用干涉信号细分处理单元对测量信号和参考信号进行处理，根据测量信号与参考信号之间的相位差变化获得包含基圆柱滚动位移和渐开线齿面交叉点Q的位移值，从而实现双基圆盘式渐开线样板的滚动测量。

本发明基于激光外差干涉技术，可以实现双基圆盘式渐开线样板的测试点Q，A，B的动态实时测量，同时激光外差干涉测量分辨力可以达到纳米量级，通过建立基于直反射三光路激光外差干涉的双基圆盘式渐开线样板测量光学系统，可以实现双基圆盘式渐开线样板亚微米级的测量精度。

附图说明

图1双基圆盘式渐开线样板结构图。

图2基于直反射三光路激光外差干涉的双基圆盘式渐开线样板高精度测量基本光路图。

图中：1、稳频激光器，2、检偏器1，3、光电探测器1，4、分光镜1，5、分光镜2，6、分光镜3，7、反射镜4，8、柱面棱镜1，9、柱面棱镜2，10、柱面棱镜3，11、双基圆盘式渐开线样板轴，12、基圆柱1，13、基圆柱2，14、渐开线齿面，15、反射镜1，16、四分之一波片1，17、分光镜1，18、检偏器2，19、光电探测器2，20、四分之一波片2，21、反射镜2，22、四分之一波片3，23、分光镜2，24、检偏器3，25、光电探测器3，26、四分之一波片4，27、反射镜3，28、四分之一波片5，29、分光镜3，30、检偏器4，31、光电探测器4，32、四分之一波片6。

具体实施方式

图1中给出了双基圆盘式渐开线样板的结构，图2中给出了完整的基于直反射三光路激光外差干涉的双基圆盘式渐开线样板高精度测量基本光路图，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。其具体实施流程如下：

如图2所示，搭建基于直反射三光路激光外差干涉的双基圆盘式渐开线样板高精度测量光学系统。设稳频激光器发出频率分别为f₁和f₂、振动方向分别平行入射面和垂直入射面的互相垂直的两束线偏振光，被BS₁反射的光经P₁后形成干涉信号由PD₁接收并转换为参考信号I_r；被BS₁透射的光分别经BS₂、BS₃和M₄进入测量光路系统1、测量光路系统2、测量光路系统3，形成三路测量激光束分别入射到两个基圆柱的抛光面和双基圆盘式渐开线样板的齿面上并被反射。

测量光路1中，被BS₂透射的光束进入测量光路系统1，振动方向平行于入射面的频率为f₁的p偏振光被PBS₁透射后经QW₂后经L₁入射到基圆柱1的抛光面A点被反射，再次经过QW₂后转换为s偏振光被PBS₁反射；进入测量光路系统振动方向垂直与入射面的频率为f₂的s偏振光被PBS₁反射后经QW₁后入射到M₁被反射，再次经过QW₁后转换为p偏振光被PBS₁透射；频率为f₁和f₂的光束偏振光经P₂后形成干涉信号并由PD₂接收并转换为测量信号I_m1。被基圆柱2抛光面反射的光在B点被反射后进入测量光路由PD₄接收并转换为测量信号I_m3；被双基圆盘式渐开线样板的渐开线齿面Q点反射的光被反射后进入测量光路由PD₃接收并转换为测量信号I_m2。

利用干涉信号细分处理单元对测量信号和参考信号进行处理，根据测量信号与参考信号之间的相位差变化获得包含基圆柱滚动位移和双基圆盘式渐开线齿面交叉点Q的位移值，从而实现双基圆盘式渐开线样板的滚动测量。

由此可见，本发明提供的一种基于直反射三光路激光外差干涉的双基圆盘式渐开线样板测量光学系统，利用激光外差干涉技术的超精密、动态实时、多自由度测量等特点，将激光外差干涉技术应用在双基圆盘式渐开线样板的测量中，从而实现对双基圆盘式渐开线样板高分辨率和动态实时的测量。

Claims (3)

1.基于激光外差干涉的双基圆盘式渐开线样板测量系统，其特征在于：双基圆盘式渐开线样板由渐开线齿面区域和两个基圆柱组成，基圆柱对应于渐开线齿面的基圆，两个基圆柱分别安装在渐开线齿面区域两侧；将基圆柱中心部分进行抛光，基圆柱未抛光面的半径与基圆半径相等；

该系统包括稳频激光器，检偏器1即P₁，光电探测器1即PD₁，分光镜1即BS₁，分光镜2即BS₂，分光镜3即BS₃，反射镜4即M₄，柱面棱镜1即L₁，柱面棱镜2即L₂，柱面棱镜3即L₃，测量光路系统1，测量光路系统2，测量光路系统3，双基圆盘式渐开线样板轴，基圆柱1，基圆柱2，渐开线齿面；稳频激光器发出两束频率不同、振动方向互相垂直的线偏振光，其中一束线偏振光被BS₁反射后经P₁形成干涉信号由PD₁接收并转换为参考信号；另一束线偏振光被BS₁透射并经BS₂进入测量光路系统1，经BS₃进入测量光路系统2和M₄进入测量光路系统3，形成三路测量激光束分别入射到基圆柱1抛光面上的A点，基圆柱2抛光面上的B点和渐开线样板齿面上的Q点并被反射；

测量光路系统1包括偏振分光镜1即PBS₁，四分之一波片1即QW₁，四分之一波片2即QW₂，反射镜1即M₁，检偏器2即P₂，光电探测器2即PD₂；

测量光路系统2包括偏振分光镜2即PBS₂，四分之一波片3即QW₃，四分之一波片4即QW₄，反射镜2即M₂，检偏器3即P₃，光电探测器3即PD₃；

测量光路系统3包括偏振分光镜3即PBS₃，四分之一波片5即QW₅，四分之一波片6即QW₆，反射镜3即M₃，检偏器4即P₄，光电探测器4即PD₄；

测量光路系统1中：被BS₂透射的光束进入测量光路系统1，光束沿振动方向平行于入射面的p偏振光被PBS₁透射后经QW₂后经L₁入射到基圆柱1的抛光面A点被反射，再次经过QW₂后转换为s偏振光被PBS₁反射；进入测量光路系统1振动方向垂直入射面的s偏振光被PBS₁反射后经QW₁后入射到M₁被反射，再次经过QW₁后转换为p偏振光被PBS₁透射；

两束偏振光经P₂后形成干涉信号由PD₂接收并转换为测量信号1；被基圆柱2抛光面反射的光在B点被反射后进入测量光路由PD₄接收并转换为测量信号3；被双基圆盘式渐开线样板的渐开线齿面Q点反射的光被反射后进入测量光路由PD₃接收并转换为测量信号2。

2.根据权利要求1所述的基于激光外差干涉的双基圆盘式渐开线样板测量系统，其特征在于：利用干涉信号细分处理单元对测量信号和参考信号进行处理，根据测量信号与参考信号之间的相位差变化获得包含基圆柱滚动位移和渐开线齿面交叉点Q的位移值，从而实现双基圆盘式渐开线样板的滚动测量。

3.根据权利要求1所述的基于激光外差干涉的双基圆盘式渐开线样板测量系统，其特征在于：具体实施流程如下，

搭建基于直反射三光路激光外差干涉的双基圆盘式渐开线样板高精度测量光学系统；设稳频激光器发出频率分别为f₁和f₂、振动方向分别平行入射面和垂直入射面的互相垂直的两束线偏振光，被BS₁反射的光经P₁后形成干涉信号由PD₁接收并转换为参考信号I_r；被BS₁透射的光分别经BS₂、BS₃和M₄进入测量光路系统1、测量光路系统2、测量光路系统3，形成三路测量激光束分别入射到两个基圆柱的抛光面和双基圆盘式渐开线样板的齿面上并被反射；

测量光路1中，被BS₂透射的光束进入测量光路系统1，振动方向平行于入射面的频率为f₁的p偏振光被PBS₁透射后经QW₂后经L₁入射到基圆柱1的抛光面A点被反射，再次经过QW₂后转换为s偏振光被PBS₁反射；进入测量光路系统振动方向垂直与入射面的频率为f₂的s偏振光被PBS₁反射后经QW₁后入射到M₁被反射，再次经过QW₁后转换为p偏振光被PBS₁透射；频率为f₁和f₂的光束偏振光经P₂后形成干涉信号并由PD₂接收并转换为测量信号I_m1；被基圆柱2抛光面反射的光在B点被反射后进入测量光路由PD₄接收并转换为测量信号I_m3；被双基圆盘式渐开线样板的渐开线齿面Q点反射的光被反射后进入测量光路由PD₃接收并转换为测量信号I_m2；

利用干涉信号细分处理单元对测量信号和参考信号进行处理，根据测量信号与参考信号之间的相位差变化获得包含基圆柱滚动位移和双基圆盘式渐开线齿面交叉点Q的位移值，从而实现双基圆盘式渐开线样板的滚动测量。