基于无衍射光莫尔条纹的工作台三自由度测量方法研究

发布时间：2020-08-17 21:09

【摘要】：大行程精密工作台在科学研究和工业生产领域内占有极其重要的地位,工作台在加工过程中的运动误差直接影响零件的加工精度。为此,本学位论文通过液晶空间光调制器(SLM)生成无衍射光,利用无衍射光中心光斑的大小和形状不随传输距离发生变化的特性,同时结合莫尔条纹的计量与放大作用,研究了一种针对工作台三自由度(偏摆角、滚转角和俯仰角)运动误差的测量方法,主要研究内容如下:首先,介绍了无衍射光特性及常见生成方法,分析了轴锥镜的衍射特性,研究了SLM模拟轴锥镜理论,实现了零阶贝塞尔光束和空心环形光束的生成,对比了轴锥镜和SLM两种方式下生成无衍射光的远距离传输实验结果。研究了同心圆光栅莫尔条纹理论,分析了莫尔条纹的形状变化规律,结合无衍射光与同心圆光栅的相关性,分析了无衍射光莫尔条纹的特性,体现了将其引入三自由度测量方法的优势。其次,利用SLM作为生成无衍射光的主要元器件,设计了无衍射光莫尔条纹三自由度测量光路。根据无衍射光中心位置的变化,建立了三自由度运动误差数学模型,用几何分析法将偏摆角、俯仰角和滚转角三种运动误差进行分离,实现了三自由度的同时测量。再次,针对无衍射光莫尔条纹特征,首先采用阈值分割提取光斑中心局部同心圆环区域;然后采用边缘检测找到初始圆心集;再对得到的初始圆心集进行聚类分析,确定光斑中心的初始位置;最后通过对异常点的删除计算出更为精确的无衍射光莫尔条纹的中心位置,其定位误差控制在1 pixel内。最后,利用旋转台模拟三自由度变化,搭建了无衍射光莫尔条纹三自由度测量验证系统。设计验证实验并处理实验结果,得到运动光束光斑中心的偏移情况与理论分析相一致。通过光斑中心的偏移量计算出实际角位移,与理论值相比较,角位移误差不超过0.01°,验证了无衍射光莫尔条纹三自由度测量系统的可行性与正确性。
【学位授予单位】：湖北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH74
【图文】：

莫尔条纹,六自由度误差,工作台

来源然科学基金：基于无衍射光莫尔条纹大行程工作台运动误05143) 。背景、目的及意义精密工作台在工业生产和科研领域内占有重要的地位，而直接影响零件的加工精度与测量精度[1]。当工作台工作时度的原因，运动过程中会产生微小的角运动误差，并且随的行程不断增大，这种运动误差也会增大。所以直线导轨零件的精度，对直线导轨的精度进行精密测量是保证其高要方法。为了提高加工与装配精度，通常采用补偿的方式能够检测出工作台在运动过程中产生的微小线位移与角位偏摆角

双光束,激光,移动头,激光器

D2 D图 1.7 单光束反射式Bruce L 等人[32]提出了一种双光束平行准直光由两个光源发射，并分别入射测器上。D1 和 D2 是透明探测器，根据信息可以计算出五自由度运动误差大小因为移动头带有电缆。激光器1激光器2ABD2

示意图,示意图,能量利用率,锥镜

相当远的距离，并且无衍射距离远大于相应初始半径高产生高质量的近似贝塞尔光束，一直是研究的热点。现法[27]、全息法[42]、谐振腔法[43]、球面像差法[44, 45]、轴无衍射光的产生方法中，环缝法和谐振腔法结构简单，的能量利用率不高；全息法结构简单，能量利用率也较要求较高；球面像差法的能量利用率高，但是结构设计用率高，结构简单，但是对加工精度的要求较高。相比加工成本低和能量利用率高的特点，被广泛应用于无衍无衍射光产生方法中最简单实用的。锥镜的衍射特性镜能将光线连续地会聚到沿轴线不同位置上，被广泛的轴锥镜主要分为正向轴锥镜和反向轴锥镜，由图 2.1 的离内，正向轴锥镜对光束有会聚作用，反向轴锥镜对光

【参考文献】