CN117073587A - 一种去耦合自补偿的六自由度几何误差的测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于几何精度测量相关技术领域，并公开了一种去耦合自补偿的六自由度几何误差的测量系统及方法。该系统包括固定单元和测量单元，测量单元包括第一偏移量测量模块和角锥棱镜，固定单元包括激光器、第一分光棱镜、第二偏移量测量模块、激光漂移量测量模块和定位误差测量模块；第一分光棱镜将光线分为激光Ⅰ和激光Ⅱ，用于测量光线在水平和竖直两个方向上的偏移量，以及水平导轨的直线度误差和角度误差；漂移量测量模块用于测量激光器自身引起的光线平行和角度漂移量；定位误差测量模块用于测量水平导轨的定位误差。通过本发明，解决直线运动六自由度几何运动误差同步测量方法中误差解耦难度大和环境干扰严重的问题。
Description
技术领域
本发明属于几何精度检测相关技术领域，更具体地，涉及一种去耦合自补偿的六自由度几何误差的测量系统及方法。
背景技术
随着机械制造、半导体制造等领域的不断发展，对于高精度、高速度、高稳定性的控制系统需求日益增加。在这些控制系统中，直线运动机构是最常用的一种运动方式。而直线导轨的几何误差对于机械系统的运动稳定性和精度具有重要影响，因此需要对其进行测量和补偿。
在传统的导轨直线运动几何误差测量方法中，常使用激光干涉仪、光栅尺等高精度测量设备，但这些方法存在测量速度慢、测量结果容易受环境干扰等问题，无法满足高速度、高精度的测量需求。而直线运动六自由度几何运动误差同步测量方法中存在着误差解耦难度大和环境干扰严重等问题，需要通过复杂的算法和测量仪器进行误差解耦和激光漂移补偿，增加了测量成本和技术难度。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种去耦合自补偿的六自由度几何误差的测量系统及方法，解决直线运动六自由度几何运动误差同步测量方法中存在着误差解耦难度大和环境干扰严重的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种去耦合自补偿的六自由度几何误差的测量系统，该系统包括固定单元和与该固定单元相对设置的测量单元，其中：
所述固定单元位置固定，所述测量单元设置在水平导轨上来回移动，该测量单元包括第一偏移量测量模块和角锥棱镜，所述固定单元包括激光器、第一分光棱镜、第二偏移量测量模块、漂移量测量模块和定位误差测量模块；
所述第一分光棱镜设置在所述激光器的正后方，用于将所述激光器发出的光线分为激光Ⅰ和激光Ⅱ，所述第一偏移量测量模块与第一偏移测量模块和第一分光棱镜相对设置，所述激光Ⅰ垂直入射进入所述第一偏移量测量模块，然后进入第二偏移量模块，在所述第一偏移量测量模块和第二偏移量测量模块的协同作用下测量获得光线在水平和竖直两个方向上的偏移量；
所述漂移量测量模块的光轴垂直于所述第一分光棱镜的光轴，该漂移量测量模块中设置有第三分光棱镜，所述激光Ⅱ被所述第三分光棱镜分为两束光线，一束光线在所述漂移量测量模块中用于测量所述激光器的平行漂移量，另一束光进入所述定位误差测量模块中；
所述定位误差测量与所述角锥棱镜相对设置，光线进入所述定位误差测量模块后再进入所述角锥棱镜，以此形成干涉条纹，所述定位误差测量模块利用该干涉条纹测量所述水平导轨的定位误差。
进一步优选地，所述第一偏移量测量模块包括第二分光棱镜、第一四象限探测器、第一平凸透镜和第一位置探测器，所述二分光棱镜设置在所述第一分光棱镜的正后方，用于将激光Ⅰ分为激光Ⅲ、激光Ⅳ、激光Ⅴ和激光VI，所述第一四象限探测器与所述激光器、第一分光棱镜和第二分光棱镜的光轴在同一直线上，所述激光Ⅲ进入所述第一四象限探测器中，根据光斑在该第一四象限探测器中的位置变化计算获得光线在竖直和水平方向的偏移量；
所述第一平凸透镜和第一位置探测器共光轴且该光轴垂直于所述第一四象限探测器所在的光轴，激光Ⅳ通过所述第一平凸透镜聚焦进入所述第一位置探测器，根据光斑在该第一位置探测器中的位置变化获取光线在Y和Z方向上的偏移量；
所述第二偏移量测量模块包括第二四象限探测器、第三四象限探测器、第四分光棱镜和第二位置探测器，其中：所述第二四象限探测器和第三四象限探测器均与所述第二分光棱镜相对设置，所述第二四象限探测器与所述第二分光棱镜形成的光轴，以及所述第三四象限探测器与所述第二分光棱镜形成的光轴均平行与所述第一分光棱镜和第二分光棱镜形成的光轴，所述激光Ⅴ进入所述第二四象限探测器中，以此获得激光Ⅴ光斑的位置变化；所述第三四象限探测器与所述第二分光棱镜之间还设置有第四分光棱镜，该第四分光棱镜的后方设置有第二平凸透镜和第二位置探测器，所述激光Ⅳ经过所述第四分光棱镜被分为两束激光，一束进入所述第三四象限探测器中，用于测量所述激光Ⅳ光斑的位置变化，另一束经过所述第二平凸透镜汇聚在所述第二位置探测器中，通过获得该进入第二位置探测器中光斑的位置变化计算获得所述激光器的角度漂移。
进一步优选地，所述漂移量测量模块还包括第四四象限探测器，该第四四象限探测器设置在所述第三分光棱镜的正后方，光线进入该第四四象限探测器后，通过光斑在该第四四象限探测器中的位置变化获得激光器的平行漂移。
进一步优选地，所述定位误差测量模块包括第一光电探测器、第二光电探测器、第四光电探测器、第二平面反射镜、和光轴设置在竖直方向上的第一平面反射镜、第一1/4波片、第一偏振分光棱镜、第三1/4波片、消偏振分光棱镜、1/2波片、第三偏振分光棱镜和第三光电探测器；所述第一偏振分光棱镜设置在所述第三分光棱镜的后方，所述角锥棱镜设置在所述第一偏振分光棱镜的后方，该第一偏振分光棱镜、第三分光棱镜和角锥棱镜形成的光轴平行第一分光棱镜和第二分光棱镜所在的光轴；所述光线进入所述定位误差测量模块后，首先被所述第一偏振分光棱镜分为两束光线，一束光线沿竖直方向经第一1/4波片后进入所述第一平面反射镜，被该第一平面反射镜反射后回到所述第一偏振分光棱镜，另一束光经过第二1/4波片后进入所述角锥棱镜被反射后进入第二平面反射镜，然后被该第二平面反射镜反射原路返回至所述第一偏振分光棱镜中，两束返回至所述第一偏振分光棱镜的光线形成干涉条纹，该干涉条纹经该第一偏振分光棱镜反射进入第三1/4波片，然后进入消偏振分光棱镜中被分为两束光线，一束光线沿水平方向进入第二偏振分光棱镜又被分为成相位差180°的两束干涉光线，并分别被第一光电探测器和第二光电探测器捕获；另一束光线进入设置在竖直方向上的第三偏振分光棱镜中，并也被该第三偏振分光棱镜中分成相位差180°的两束干涉光线，且分别被第四光电探测器和第三光电探测器捕获。
按照本发明的另一个方面，提供了一种上述所述的测量系统的测量方法，该方法包括下列步骤：
S1所述测量单元沿X方向水平移动，利用所述定位误差采集的获得干涉条纹的瞬时相位角和四倍频细分后的计数值N，以此计算水平导轨移动位移；
S2利用光斑在第一四象限探测器中的位置变化，计算水平导轨的直线度变化量；
S3利用光斑在第二四象限探测器、第三四象限探测器和第一位置探测器中的位置变化，计算水平导轨的俯仰角、滚转角和偏摆角；
S4利用所述漂移量测量模块获得所述激光器自身引起的光线平行漂移量，利用所述第二位置探测器测量的光斑的位置变化计算获得激光器的角度漂移量，利用所述定位误差测量模块获得所述水平导轨的定位误差；
S5利用所述激光器自身引起的光线平行漂移量，角度漂移量和水平导轨的定位误差对所述水平导轨的俯仰角、滚转角、偏摆角和直线度变化量进行补偿，以此获得所需的实际的六自由度几何误差。
进一步优选地，在步骤S1中，所述水平导轨移动位移按照下列关系式进行：
其中，L是水平导轨移动距离测量值，λ为激光波长，N是四倍频细分后的计数值，是干涉条纹瞬时相位角。
进一步优选地，在步骤S2中，所述水平导轨的直线度变化量按照下列关系式进行：
其中，ΔY，ΔZ，分别是为水平和竖直直线度；分别是水平导轨仅存在水平直线度误差时，激光光斑在第一、第二、第三四象限探测器水平方向的位置变化量；/>是水平导轨仅存在竖直直线度误差时，激光光斑在第一四象限探测器竖直方向的位置变化量。
进一步优选地，在步骤S3中，所述水平导轨的俯仰角、滚转角和偏摆角按照下列关系式进行：
其中，β是偏摆角；γ为俯仰角；α为滚转角；分别是水平导轨仅存在偏摆和俯仰误差时，光线Ⅳ在第一位置探测器水平和竖直方向上的位置变化量；/>分别是水平导轨仅存在滚转误差时光线Ⅴ和Ⅵ在第二、第三四象限探测器竖直方向的位置变化量；f1是第一平凸透镜的焦距；l3为光线Ⅴ和Ⅵ的平行距离。
进一步优选地，在步骤S4中，所述平行漂移量和角度漂移量引起的变化按照下列关系式进行：
yQD4＝δy+l4μy
zQD4＝δz+l4μz
其中，yQD4、zQD4分别是为激光器引起激光光斑在第四四象限探测器上水平和竖直方向的位置变化量，δy、δz分别是激光光束在水平和竖直方向的平行漂移量，μy、μz分别是为激光光束在水平和竖直方向的角度漂移量，l4是激光从准直器出发传播至第四四象限探测器的光程，f2是第二平凸透镜的焦距，yPSD2、zPSD2分别是为由于激光光束角度漂移所引起的激光光斑在第二位置探测器上水平和竖直方向的位置变化量，l3为光线Ⅴ和Ⅵ的平行距离。
进一步优选地，在步骤S5中，所述消除误差串扰和激光漂移影响后的直线水平导轨六自由度几何运动误差修正结果按照下列关系式进行：
其中，分别是水平导轨仅存在偏摆和俯仰误差时，光线Ⅳ在第一位置探测器水平和俯仰方向上的位置变化量，f1是第一平凸透镜的焦距，f2是第二平凸透镜的焦距，zPSD1、zPSD2分别是激光光斑在第一第二位置探测器竖直方向上的光斑位置变化量，yQD1、yQD2、yQD3、yQD4分别是激光光斑在第一至四四象限探测器水平方向上的光斑位置变化量，zQD1、zQD2、zQD3、zQD4分别是激光光斑在第一至四四象限探测器竖直方向上的光斑位置变化量，l3为光线Ⅴ和Ⅵ的平行距离，l4是激光从准直器出发传播至第四四象限探测器的光程，n是空气折射率，n1是第二分光棱镜的折射率，α'是修正后的绕x轴旋转的滚转角度角度，γ'是修正后的绕y轴旋转的俯仰角度误差，β'是修正后绕z轴旋转的偏摆角度误差,Lβ+γ是俯仰角和偏摆角引入的光程差综合增量，L理是水平导轨的理论移动距离，ΔX'、ΔY'、ΔZ'分别是修正后的定位误差、水平直线度误差和竖直直线度误差，λ是激光波长，N是四倍频细分后的计数值，/>是干涉条纹瞬时相位角，l2是第二分光棱镜的后表面到第一四象限探测器器光敏面的距离。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：
1.本发明基于激光干涉和激光自准原理，实现直线运动定位、水平/竖直直线度、俯仰/偏摆/滚转六项几何误差的同步测量，利用激光干涉技术对定位误差进行测量，其余五项误差，基于激光自准直原理，分析各项误差的存在特点，结合特殊的光路设计，建立误差补偿公式，实现误差去耦合的直线运动六自由几何误差同步测量，此外，针对准直光束热漂移，采用实时监测并补偿；
2.本发明通过利用多光束、多传感器、多个测量点同时进行测量，实现对水平导轨六自由度几何误差的同步测量和激光漂移实时补偿，具有测量速度快、测量精度高、稳定性好等优点，从而减少因误差间的串扰和激光漂移影响，以获得高精度高稳定的直线运动误差同步测量；
3.本发明通过多点位激光准直信号测量，建立误差解耦模型，有效解决误差串扰对测量结果精度影响问题，提高了测量系统的总体测量精度。此外，采用四象限探测器对激光漂移进行实时检测，建立误差漂移补偿模型，降低因激光漂移影响，提高系统稳定性；
4.本发明中通过采用激光自准直和激光干涉相结合的方法，不受器件或直线水平导轨的尺寸限制，测量范围大，可实现全行程测量；
5.本发明中六自由度几何误差同时测量的系统较为简单，装置调试方便；采用一体成型的特殊光学组合件，有效降低了因多束准直光不平行带来的阿贝测量误差。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的去耦合自补偿的六自由度几何误差的测量系统的结构示意图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的定位误差测量原理图；
图3是按照本发明的优选实施例所构建的直线度误差测量原理图；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的角度误差测量原理图，其中，(a)是偏摆角误差测量示意图，(b)是滚转角误差测量示意图；
图5是按照本发明的优选实施例所构建的偏摆角对定位误差串扰示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-激光器，2-第一分光棱镜，3-第二分光棱镜，4-第一四象限探测器器，5-第一平凸透镜，6-第一位置探测器，7-角锥棱镜，8-第二四象限探测器，9-第三四象限探测器，10-第三分光棱镜，11-第一偏振分光棱镜，12-第四四象限探测器，13-第一光电探测器，14-第二偏振分光棱镜，15-第二光电探测器，16-第三光电探测器，17-第三偏振分光棱镜，18-第四光电探测器，19-1/2波片，20-消偏振分光棱镜，21-第三1/4波片，22-第二平面反射镜，23-第二1/4波片，24-第一1/4波片，25-第一平面反射镜，26-第二位置探测器，27-第二平凸透镜，28-第四分光棱镜。
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种去耦合自补偿的六自由度几何误差的测量系统，该测量系统包括固定单元和测量单元，具体地：
激光器1发出的激光，经过第一分光棱镜2后，被分裂成两束激光，即透射光Ⅰ和反射光Ⅱ。其中透射光Ⅰ向前传播进入测量单元的第二分光棱镜3，且再次被分裂成四束准直激光，即：Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ。光束Ⅲ被第一四象限探测器4接收，用于测量直线度误差竖直和水平。光束Ⅳ经由第一凸透镜5汇聚后，被第一位置探测器6接收，用于测量角度误差俯仰角和偏摆角。光束Ⅴ返回至固定单元被第二四象限探测器8接收。光束Ⅵ被返回至固定单元上，其再次被第四分光棱镜28分裂，其中一束激光经第二平凸透镜27汇聚，被第二位置探测器26接收，另一束光则被第三四象限探测器9接收，并配合第二四象限探测器8完成滚转角的测量。激光器1为光纤半导体激光器。
光束Ⅱ经过第三四象限探测器10后，分裂成两束激光。其中透射光被第四四象限探测器12接收，用于测量激光束的漂移。另一束反射光继续向前传播进入激光干涉定位测量模块。反射光进入第一偏振分光棱镜11后，再次被分裂成两束激光，其中反射光为参考光，透射光为测量光。参考光经过第一1/4波片24后，进入第一反射镜25，光束原路返回，再次经过第一反射镜25后，偏振态发生90°偏转，则由反射光变为透射光。测量光在第二1/4波片23、角锥棱镜7和第二反射镜22的作用下，再次返回至第一偏振分光棱镜11。偏振态发生90°偏转。其参考光和测量光汇聚重合，经过第三1/4波片21后，变为45°线偏振光，入射到消偏振分光棱镜20，被其等分成两束光，反射光进入第二偏振分光棱镜14后，被分成相位差为90°的两束光，分别被第一光电探测器13、第二光电探测器15接收。另一束透射经过1/2波片19后，产生180°相移，进入第三偏振分光棱镜17，分别被第三光电探测器16、第四光电探测器18接收。经过干涉条纹信号的处理，最终可实现定位误差测量。
下面将介绍上述测量系统的进行测量的具体方法。
(1)水平导轨移动距离的计算
如图2所示，一束准直激光经过第一偏振分光棱镜11进行分光，其中反射光作为参考光，传播至第一平面反射镜25后，被第一平面反射镜25反射，原路返回至第一偏振分光棱镜11。透射光作为测量光，进入测量单元中的角锥棱镜7，再返回至固定单元的第二平面反射镜22，在第二平面反射镜22的作用下，测量光束原路返回至第一偏振分光棱镜11。参考光和测量光在第一偏振分光棱镜11上汇合，形成干涉条纹。干涉条纹在消偏振分光棱镜20，第二偏振分光棱镜14和第三偏振分光棱镜17作用下，进一步被细分成四路，其相位差为90°。当测量单元随着沿x方向移动时，光电探测器所接收到的干涉条纹的强度和相位发生相应变化，通过对相位的解算，并对干涉条纹的明暗变化次数的计数、变向、细分，即可计算出水平导轨的移动距离。根据四倍频细分后的计数值N和干涉条纹瞬时相位角可计算得到水平导轨移动位移L为：
式中，λ为激光波长，N是四倍频细分后的计数值，是干涉条纹瞬时相位角。
(2)直线度变化量的测量
将测量单元固定在直线水平导轨的运动平台上，水平导轨沿着x轴方向运动。当水平导轨存在直线度误差时，测量单元将沿着水平y轴或竖直z轴方向发生移动。如图3所示，水平导轨存在水平直线度误差，测量单元发生移动，虚线为移动后的位置。根据激光准直原理，激光光斑将会在第一四象限探测器4上发生相应移动，其表示为由于水平直线度引起的光斑变化量。同时，经由第二分光棱镜3作用后的激光束，在第二四象限探测器8和第三四象限探测器9也发生相应的光斑位置相对移动。同理，竖直直线度仅引起光斑在第一四象限探测器4上产生竖直移动。其直线度变化量可表示为：
式中，ΔY是沿Y方向的直线度变化量,ΔZ是沿Z方向的直线度变化量,分别表示水平直线度引起的光斑在第一四象限探器4、第二四象限探测器8和第三四象限探测器9的位置变化量；/>表示为竖直直线度引起的光斑在第一四象限探测器4的位置变化量。
(3)角度变化量的测量
定义α是水平导轨绕x轴旋转的角度，γ是水平导轨绕y轴旋转的角度，β水平导轨是绕z轴旋转的角度。水平导轨沿着x轴方向运动时，由于俯仰角和偏摆角误差的存在，使得准直光斑在第一四象限探测器4、第二四象限探测器8、第三四象限探测器9和第一位置探测器6上分别沿y轴和z轴移动，如图4中的(a)所示为水平导轨存在偏摆角度误差时，激光光斑在探测器上的位置沿水平方向y轴变化情况。同理俯仰角度误差将会引起激光光斑沿竖直方向移动。根据凸透镜的特性，其角度变化量可表示为：
式中，f1为第一平凸透镜5的一倍焦距，β是偏摆角；γ为俯仰角； 分别是水平导轨仅存在偏摆和俯仰误差时，光线Ⅳ在第一位置探测器水平和俯仰方向上的位置变化量；f1为第一平凸透镜的焦距；l3为光线Ⅴ和Ⅵ的平行距离。
类似地，当水平导轨存在滚转角度误差时，根据图4中的(b)可知，光斑将会在第二四象限探测器8、第三四象限探测器9上发生移动。基于光路的分析，其滚转角度误差可表示为：
式中，l3为Ⅴ、Ⅵ两束平行光束的距离，α为滚转角，分别是水平导轨仅存在滚转误差时光线Ⅴ和Ⅵ在第二、第三四象限探测器竖直方向的位置变化量。如图4中的(b)所示，O为定义旋转中心点。
(4)定位误差和激光漂移量对六自由度测量结果的补偿
通常情况下，直线水平导轨六自由度几何运动误差同步测量存在误差相互间的串扰，其降低了测量结果的准确度。为此，需要通过特殊的光路设计及相匹配的误差解耦数学模型，将各项误差进行有效分离，最终实现无串扰的六项几何运动误差同步测量。
由图3可知，直线度误差对角度误差的测量不存在误差串扰。而从图4中的(a)可知，偏摆角和俯仰角分别对水平和竖直直线度误差的测量存在串扰。由于偏摆角和俯仰角误差引入对水平和竖直直线度误差测量的串扰量可表示为：
式中，l1为第二分光棱镜3的宽度，l2为第二分光棱镜3的后表面到第一四象限探测器器4光敏面的距离，n为空气折射率，n1为第二分光棱镜3折射率，γ'是绕y轴旋转的角度，β'是绕z轴旋转的角度，ΔYβ-h、ΔZγ-v分别表示偏摆角和俯仰角误差引入对水平和竖直直线度误差测量的串扰量。
实际上，当水平导轨存在俯仰角和偏摆角误差时，会导致安装在水平导轨运动台上用作敏感光路反射的角锥棱镜随着角度误差变化而偏移原垂直位置。结合几何光学的特性分析，由于准直光束不再垂直进入角锥棱镜7，因此导致在角锥棱镜7内外测量光束的光程差发生变化。如图5所示，角锥棱镜7随着水平导轨运动平台由位置1，移动到位置2，理想情况下，点A将会移动到A1位置，点D移动到D1位置。但是由于水平导轨运动误差偏摆角的存在，使得激光的入射点变成了点A2，出射点变成点D2。由此可见，测量光束的光程发生了变化。其变化可分为内光程差增量，即由于测量光束不垂直入射角锥棱镜，使得内部光程差发生变化。另一种变化可分为外光程差增量，即如图5所示的A1A2+D1D2。
外部光程差增量可表示为：
式中，a表示角锥棱镜7的直角边长，P＝ncosβ'-n'cosβ'＝cosβ'(n-n')，n为空气折射率，n’为角锥棱镜折射率，β'是绕z轴旋转的角度，Lβ-out为外部光程差增量。
内部光程差增量可表示为：
因此，由于水平导轨偏摆角运动所引起的角锥棱镜内外总的光程差增量可表示为：
Lβ＝2(Lβ-in+Lβ-out) (7)
同理，当水平导轨存在俯仰角度误差时，其造成角锥棱镜内外光程差的增量变化总和可表示为：
式中，Pγ＝cosγ'(n-n')
综上所述，由俯仰角和偏摆角引入的光程差综合增量可使用下式进行计算：
受激光器本身固有的激光漂移影响，使得在系统执行直线度测量时，受到激光光束平行漂移的误差影响，同理，激光光束的角度漂移对于水平导轨角度误差的测量同样存在影响，因此，需要建立数学补偿模型，对激光漂移引入的测量误差进行补偿，以消除其对结果的影响。
假设激光器的热漂移引起的平漂和角漂分别为：δ和μ，结合光路的几何特性分析，即可通过第二四象限探测器8和第四四象限探测器12对激光器本身的热漂移进行测量，由于平漂和角漂移起的变化可表示如下：
式中，l4表示为激光从准直器出发传播至第四四象限探测器12的光程，其由方案设计时具体给出。
由激光器角漂移起的光斑在第二四象限探测器8和第三四象限探测器9上的位置移动变化差可表示为
结合上述分析，联立方程(1-11)，即可解耦出无误差串扰且无激光漂移影响的六项几何运动误差。
其中，分别是水平导轨仅存在偏摆和俯仰误差时，光线Ⅳ在第一位置探测器水平和俯仰方向上的位置变化量，f1为第一平凸透镜的焦距，f2是第二平凸透镜的焦距，zPSD1、zPSD2分别是激光光斑在第一第二位置探测器竖直方向上的光斑位置变化量，yQD1、yQD2、yQD3、yQD4分别是激光光斑在第一至四四象限探测器水平方向上的光斑位置变化量，zQD1、zQD2、zQD3、zQD4分别是激光光斑在第一至四四象限探测器竖直方向上的光斑位置变化量，l3为光线Ⅴ和Ⅵ的平行距离，l4是激光从准直器出发传播至第四四象限探测器的光程，n是空气折射率，n1是第二分光棱镜的折射率，α'是修正后的绕x轴旋转的滚转角度角度，γ'是修正后的绕y轴旋转的俯仰角度误差，β'是修正后绕z轴旋转的偏摆角度误差,Lβ+γ是俯仰角和偏摆角引入的光程差综合增量，L理是水平导轨的理论移动距离，ΔX'、ΔY'、ΔZ'分别是修正后的定位误差、水平直线度误差和竖直直线度误差，λ为激光波长，N是四倍频细分后的计数值，/>是干涉条纹瞬时相位角，l2为第二分光棱镜的后表面到第一四象限探测器器光敏面的距离。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种去耦合自补偿的六自由度几何误差的测量系统，其特征在于，该系统包括固定单元和与该固定单元相对设置的测量单元，其中：
所述固定单元位置固定，所述测量单元设置在水平导轨上来回移动，该测量单元包括第一偏移量测量模块和角锥棱镜(7)，所述固定单元包括激光器(1)、第一分光棱镜(2)、第二偏移量测量模块、漂移量测量模块和定位误差测量模块；
所述第一分光棱镜(2)设置在所述激光器(1)的正后方，用于将所述激光器(1)发出的光线分为激光Ⅰ和激光Ⅱ，所述第一偏移量测量模块与第一偏移测量模块和第一分光棱镜(2)相对设置，所述激光Ⅰ垂直入射进入所述第一偏移量测量模块，然后进入第二偏移量模块，在所述第一偏移量测量模块和第二偏移量测量模块的协同作用下测量获得光线在水平和竖直两个方向上的偏移量；
所述漂移量测量模块的光轴垂直于所述第一分光棱镜(2)的光轴，该漂移量测量模块中设置有第三分光棱镜(10)，所述激光Ⅱ被所述第三分光棱镜(10)分为两束光线，一束光线在所述漂移量测量模块中用于测量所述激光器(1)的平行漂移量，另一束光进入所述定位误差测量模块中；
所述定位误差测量与所述角锥棱镜(7)相对设置，光线进入所述定位误差测量模块后再进入所述角锥棱镜(7)，以此形成干涉条纹，所述定位误差测量模块利用该干涉条纹测量所述水平导轨的定位误差。
2.如权利要求1所述的一种去耦合自补偿的六自由度几何误差的测量系统，其特征在于，所述第一偏移量测量模块包括第二分光棱镜(3)、第一四象限探测器、第一平凸透镜(5)和第一位置探测器(6)，所述第二分光棱镜设置在所述第一分光棱镜(2)的正后方，用于将激光Ⅰ分为激光Ⅲ、激光Ⅳ、激光Ⅴ和激光VI，所述第一四象限探测器与所述激光器(1)、第一分光棱镜(2)和第二分光棱镜(3)的光轴在同一直线上，所述激光Ⅲ进入所述第一四象限探测器中，根据光斑在该第一四象限探测器中的位置变化计算获得光线在竖直和水平方向的偏移量；
所述第一平凸透镜(5)和第一位置探测器(6)共光轴且该光轴垂直于所述第一四象限探测器所在的光轴，激光Ⅳ通过所述第一平凸透镜(5)聚焦进入所述第一位置探测器(6)，根据光斑在该第一位置探测器(6)中的位置变化获取光线在Y和Z方向上的偏移量；
所述第二偏移量测量模块包括第二四象限探测器(8)、第三四象限探测器(9)、第四分光棱镜(28)和第二位置探测器(26)，其中：所述第二四象限探测器(8)和第三四象限探测器(9)均与所述第二分光棱镜(3)相对设置，所述第二四象限探测器(8)与所述第二分光棱镜(3)形成的光轴，以及所述第三四象限探测器(9)与所述第二分光棱镜(3)形成的光轴均平行与所述第一分光棱镜(2)和第二分光棱镜(3)形成的光轴，所述激光Ⅴ进入所述第二四象限探测器(8)中，以此获得激光Ⅴ光斑的位置变化；所述第三四象限探测器(9)与所述第二分光棱镜(3)之间还设置有第四分光棱镜(28)，该第四分光棱镜(28)的后方设置有第二平凸透镜(27)和第二位置探测器(26)，所述激光Ⅳ经过所述第四分光棱镜(28)被分为两束激光，一束进入所述第三四象限探测器(9)中，用于测量所述激光Ⅳ光斑的位置变化，另一束经过所述第二平凸透镜(27)汇聚在所述第二位置探测器(26)中，通过获得该进入第二位置探测器(26)中光斑的位置变化计算获得所述激光器(1)的角度漂移。
3.如权利要求1或2所述的一种去耦合自补偿的六自由度几何误差的测量系统，其特征在于，所述漂移量测量模块还包括第四四象限探测器(12)，该第四四象限探测器(12)设置在所述第三分光棱镜(10)的正后方，光线进入该第四四象限探测器(12)后，通过光斑在该第四四象限探测器(12)中的位置变化获得激光器(1)的平行漂移。
4.如权利要求1或2所述的一种去耦合自补偿的六自由度几何误差的测量系统，其特征在于，所述定位误差测量模块包括第一光电探测器(13)、第二光电探测器(15)、第四光电探测器(18)、第二平面反射镜(22)、和光轴设置在竖直方向上的第一平面反射镜(25)、第一1/4波片(24)、第一偏振分光棱镜(11)、第三1/4波片(21)、消偏振分光棱镜(20)、1/2波片(19)、第三偏振分光棱镜(17)和第三光电探测器(16)；所述第一偏振分光棱镜(11)设置在所述第三分光棱镜(10)的后方，所述角锥棱镜(7)设置在所述第一偏振分光棱镜(2)的后方，该第一偏振分光棱镜(11)、第三分光棱镜(10)和角锥棱镜(7)形成的光轴平行第一分光棱镜(2)和第二分光棱镜(3)所在的光轴；所述光线进入所述定位误差测量模块后，首先被所述第一偏振分光棱镜(11)分为两束光线，一束光线沿竖直方向经第一1/4波片(24)后进入所述第一平面反射镜(25)，被该第一平面反射镜(25)反射后回到所述第一偏振分光棱镜(11)，另一束光经过第二1/4波片(23)后进入所述角锥棱镜(7)被反射后进入第二平面反射镜(22)，然后被该第二平面反射镜(22)反射原路返回至所述第一偏振分光棱镜(11)中，两束返回至所述第一偏振分光棱镜(11)的光线形成干涉条纹，该干涉条纹经该第一偏振分光棱镜(11)反射进入第三1/4波片(21)，然后进入消偏振分光棱镜(20)中被分为两束光线，一束光线沿水平方向进入第二偏振分光棱镜(14)又被分成相位差180°的两束干涉光线，并分别被第一光电探测器(13)和第二光电探测器(15)捕获；另一束光线进入设置在竖直方向上的第三偏振分光棱镜(17)中，并也被该第三偏振分光棱镜(17)中分成相位差180°两束干涉光线，且分别被第四光电探测器(18)和第三光电探测器(16)捕获。
5.一种权利要求1-4任一项所述的测量系统的测量方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
S1所述测量单元沿X方向水平移动，利用所述定位误差采集的获得干涉条纹的瞬时相位角和四倍频细分后的计数值N，以此计算水平导轨移动位移；
S2利用光斑在第一四象限探测器中的位置变化，计算水平导轨的直线度变化量；
S3利用光斑在第二四象限探测器(8)、第三四象限探测器(9)和第一位置探测器(6)中的位置变化，计算水平导轨的俯仰角、滚转角和偏摆角；
S4利用所述漂移量测量模块获得所述激光器(1)自身引起的光线平行漂移量，利用所述第二位置探测器(26)测量的光斑的位置变化计算获得激光器(1)自身引起的光线角度漂移量，利用所述定位误差测量模块获得所述水平导轨的定位误差；
S5利用所述激光器(1)自身引起的光线平行漂移量、角度漂移量和水平导轨的定位误差对所述水平导轨的俯仰角、滚转角、偏摆角和直线度变化量进行补偿，以此获得所需的实际的六自由度几何误差。
6.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，在步骤S1中，所述水平导轨移动位移按照下列关系式进行：
其中，L是水平导轨移动距离测量值，λ为激光波长，N是四倍频细分后的计数值，是干涉条纹瞬时相位角。
7.如权利要求5或6所述的测量方法，其特征在于，在步骤S2中，所述水平导轨的直线度变化量按照下列关系式进行：
其中，ΔY，ΔZ，分别是为水平和竖直直线度；分别是水平导轨仅存在水平直线度误差时，激光光斑在第一、第二、第三四象限探测器(9)水平方向的位置变化量；是水平导轨仅存在竖直直线度误差时，激光光斑在第一四象限探测器竖直方向的位置变化量。
8.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，在步骤S3中，所述水平导轨的俯仰角、滚转角和偏摆角按照下列关系式进行：
其中，β是偏摆角；γ为俯仰角；α为滚转角；分别是水平导轨仅存在偏摆和俯仰误差时，光线Ⅳ在第一位置探测器(6)水平和竖直方向上的位置变化量；/>分别是水平导轨仅存在滚转误差时光线Ⅴ和Ⅵ在第二、第三四象限探测器(9)竖直方向的位置变化量；f1是第一平凸透镜(5)的焦距；l3为光线Ⅴ和Ⅵ的平行距离。
9.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，在步骤S4中，所述平行漂移量和角度漂移量引起的变化按照下列关系式进行：
yQD4＝δy+l4μy
zQD4＝δz+l4μz
其中，yQD4、zQD4分别是为激光器(1)引起激光光斑在第四四象限探测器(12)上水平和竖直方向的位置变化量，δy、δz分别是激光光束在水平和竖直方向的平行漂移量，μy、μz分别是为激光光束在水平和竖直方向的角度漂移量，l4是激光从准直器出发传播至第四四象限探测器(12)的光程，f2是第二平凸透镜(27)的焦距，yPSD2、zPSD2分别是为由于激光光束角度漂移所引起的激光光斑在第二位置探测器(26)上水平和竖直方向的位置变化量，l3为光线Ⅴ和Ⅵ的平行距离。
10.如权利要求5或6所述的测量方法，其特征在于，在步骤S5中，所述消除误差串扰和激光漂移影响后的直线水平导轨六自由度几何运动误差修正结果按照下列关系式进行：
其中，分别是水平导轨仅存在偏摆和俯仰误差时，光线Ⅳ在第一位置探测器(6)水平和俯仰方向上的位置变化量，f1是第一平凸透镜(5)的焦距，f2是第二平凸透镜(27)的焦距，zPSD1、zPSD2分别是激光光斑在第一第二位置探测器(26)竖直方向上的光斑位置变化量，yQD1、yQD2、yQD3、yQD4分别是激光光斑在第一至四四象限探测器水平方向上的光斑位置变化量，zQD1、zQD2、zQD3、zQD4分别是激光光斑在第一至四四象限探测器竖直方向上的光斑位置变化量，l3为光线Ⅴ和Ⅵ的平行距离，l4是激光从准直器出发传播至第四四象限探测器(12)的光程，/>n是空气折射率，n1是第二分光棱镜(3)的折射率，α'是修正后的绕x轴旋转的滚转角度角度，γ'是修正后的绕y轴旋转的俯仰角度误差，β'是修正后绕z轴旋转的偏摆角度误差,Lβ+γ是俯仰角和偏摆角引入的光程差综合增量，L理是水平导轨的理论移动距离，ΔX'、ΔY'、ΔZ'分别是修正后的定位误差、水平直线度误差和竖直直线度误差，λ是激光波长，N是四倍频细分后的计数值，/>是干涉条纹瞬时相位角，l2是第二分光棱镜(3)的后表面到第一四象限探测器器(4)光敏面的距离。
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