二维工作台多自由度同时测量系统的研制及实验研究

发布时间：2020-05-18 10:19

【摘要】：在先进加工制造领域中,精密工作台和精密导轨是保证机床制造精度和仪器测量精度的重要运动部件。工作台和导轨的准确装配和调节,以及在几何空间的静止形态与运行状态的探测和操纵等,都必须对其多个自由度误差进行在线实时检测。本文将激光干涉仪和自准直仪统一于同一个激光测量系统中,实现了对二维工作台进行多自由度同时测量。本文主要完成了以下工作:(1)对多自由度同时测量方法进行深入研究,介绍了激光多自由度同时测量系统的测量原理。基于整体式光路布局和偏振干涉技术,完善了激光测量光路,提高了系统的稳定性。(2)为得到高质量的电压输出信号,针对位移测量光路和角度测量光路的输出光信号的不同,分别设计了各自的信号处理电路,并进行电路的调试和制板,从而获得高质量的信号。(3)在VC++6.0环境下,改进并完善数据采集与处理系统软件程序,实现测量数据的实时采集、显示和存储。(4)搭建并调试二维工作台多自由度同时测量系统,基于实验室已研制出来的二维定位工作台,对测量系统进行整体性能测试,比如角度标定、静态漂移测试、分辨力测试以及比对实验,从而验证了系统的有效性和可行性。实验结果表明:位移测量系统的分辨力为0.8 nm,角度测量系统的分辨力为0.2″;位移测量范围可达50 mm,角度测量范围可达±50″。定位工作台在50 mm的运动行程内,本多自由度同时测量系统和雷尼绍XL-80测量仪器的定位偏差优于100 nm。在角度测量范围内,本多自由度同时测量系统和雷尼绍XL-80测量仪器的偏摆角和俯仰角的最大测量偏差分别为0.4″,0.5″。
【图文】：

合肥工业大学硕士学位论文同时测量的方法层出不穷，每种方法具有自身的优点且适用于不同的应用领域。根据测量原理不同主要分为激光干涉测量法、衍射测量法、多光束基准测量法、多 CCD 视觉测量法。1.2.1激光干涉测量法激光干涉测量法是目前较为成熟的一种光学测量方法，其利用光学干涉技术对检测目标进行定位和瞄准。美国俄亥俄州大学的 Hsiang Menq 及其团队基于该测量方法，设计出了一种改进式的激光外差干涉多自由度测量装置，能够实现位移和角度的同时测量，其缺点是只能实现一个方向的位移和一个方向的角度的同时测量[6]。其测量光路原理图如图 1.1 所示，，从激光器发出两束不同频率的相互正交的线偏振光，并入射到偏振分光棱镜被分为两束光，一束测量光束和一束参考光束。被调制的参考光束和测量光束产生拍频现象，并被光电探测器接收，根据探测器上光斑中心的位移偏移信号可以推导出测量参数。该系统的缺点是无法利用单个测量系统实现多个自由度的同时测量。

第一章 绪论1.全息透射式测量法天津大学的房丰洲及其团队研制出一种利用全息透镜来进行分光的多自由度检测系统，其工作原理图如图 1.2 所示[8]。激光束经过激光干涉部分实现位移的实时测量；经过两个组合镜透射到全息透镜的激光束被分成三束光，这三束光分别用来对四个角运动误差进行检测。该测量系统光路简单，经济成本低，但其滚转角误差的测量受激光束的稳定性影响比较明显，因此需严格控制外界测量环境。针对上述问题，孙长库等人结合激光全息分光技术和激光干涉测量方法，增加了磁光调制技术和激光漂移补偿技术，从而建立了比较稳定的测量基准，以此降低滚转角测量误差，但增加了光学系统的复杂程度[9]。以上两个系统均存在一个共同缺陷，即无法实现位移和其他五个自由度的同时在线测量。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH744.5

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本文编号：2669570