一种激光六自由度运动误差同步测量系统

1.本发明属于光学精密测量技术领域，更具体地说是涉及一种可同时获得六自由度运动误差的激光测量系统。


背景技术：

2.高精度线性平台在许多工业应用中被用作线性运动的基础，例如精密装配加工、半导体加工、微加工、印刷电路板pcb钻孔和自动光学检测，其在精密机器中起着至关重要的作用。单轴线性运动平台存在沿运动方向的定位误差、垂直于运动方向的直线度误差(即水平直线度误差和竖直直线度误差)以及角度误差(即俯仰角误差、偏摆角误差和滚转角误差)，共六个自由度误差，这些几何误差的测量是精密机器精度校准和误差补偿的一项基本任务。
3.目前的高精度多自由度测量系统，例如：基于激光干涉仪和光栅干涉仪的方法，所需要的光学元件较多，成本高昂，光路系统复杂，不能满足紧凑性、低成本、调节简单的要求，并且许多测量系统为收发分体式结构，移动单元连接有电缆，影响了实际工程使用。同时，激光束的角度漂移对最终测量结果也产生较大的影响。


技术实现要素：

4.本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种激光六自由度运动误差同步测量系统，以期在获得结构简单、操作方便、成本低廉的优势的同时，实现线性平台六自由度误差的同时测量，并能够通过建立有效的误差模型补偿激光束的角度漂移对测量精度的影响。
5.本发明为实现发明目的采用如下技术方案：
6.本发明激光六自由度运动误差同步测量系统的特点是：由固定单元和移动测量单元构成收发一体式结构；
7.所述固定单元安装在固定平面上，包括激光器、偏振分光棱镜、四分之一波片、第二聚焦透镜、第二四象限光电探测器、第一位置探测器和第二位置探测器；
8.所述移动测量单元安装在线性位移平台上，包括分光棱镜、分光膜、角锥棱镜和直角折返棱镜；
9.所述激光器的出射光以线偏振光态入射偏振分光镜、经偏振分光镜的透射形成p偏振光，并经偏振分光镜的反射形成s偏振光；所述偏振分光镜的透射光经四分之一波片形成圆偏振光作为第一测量光，所述第一测量光经分光膜发生等光强反射和透射，其中，分光膜的反射光经四分之一波片形成s偏振光、再经偏振分光镜反射后通过第二聚焦透镜入射第二四象限光电探测器，用于获得关于线性位移平台的俯仰和偏摆误差的检测信号；分光膜的透射光经分光棱镜发生等光强反射和透射，其中，分光棱镜的透射光经角锥棱镜作为第二测量光入射第一位置探测器，用于获得关于水平直线度误差和竖直直线度误差的检测信号；分光棱镜的反射光作为第三测量光束经直角折返棱镜入射第二位置探测器，用于获
得关于线性位移平台的滚转角误差和位移的检测信号。
10.本发明激光六自由度运动误差同步测量系统的特点也在于：
11.全局坐标系o-xyz的x方向为移动测量单元位移方向，y方向为移动测量单元水平方向，z方向为移动测量单元竖直方向；
12.所述直角折返棱镜的反射斜面垂直于水平面，其反射法向量相对于全局坐标系o-xyz绕z轴逆时针旋转67.5
°
；
13.所述第二位置探测器与移动测量单元位移方向x成45
°
夹角，第二位置探测器的局部坐标系o
1-x1y1z1相对于全局坐标系o-xyz绕y轴逆时针旋转45
°
。
14.本发明激光六自由度运动误差同步测量系统的特点也在于：按如下方法实现自由度运动误差同步测量：
15.3.1、计算获得线性位移平台俯仰角误差θy和线性位移平台偏摆角误差θz分别为：
[0016][0017][0018]
δ
7-x
为第二四象限光电探测器上光斑在沿x轴向的位移；
[0019]
δ
7-z
为第二四象限光电探测器上光斑在沿z轴向的位移；
[0020]k7-x
为第二四象限光电探测器在沿x轴向上的灵敏度；
[0021]k7-z
为第二四象限光电探测器在沿z轴向上的灵敏度；
[0022]v7-1
、v
7-2
、v
7-3
、v
7-4
一一对应为检测获得的第二四象限光电探测器中第一到第四象限电压值；f6为第二聚焦透镜的焦距；
[0023]
3.2、计算获得线性位移平台水平直线度误差δy和线性位移平台沿x轴向误差δ
x
分别为：
[0024][0025][0026]
δ
8-y
为第一位置探测器上光斑在沿y轴向的位移；
[0027]
为第二位置探测器上光斑在沿y1轴向的位移；
[0028]
3.3、计算获得线性位移平台竖直直线度误差δz为：
[0029]
δ
8-z
为第一位置探测器上光斑在沿z轴向的位移；
[0030]
3.4、计算获得线性位移平台滚转角误差θ
x
为：
[0031][0032]
为第二位置探测器上光斑在沿z1轴向的位移；
[0033]
ly＝l
y0
δ
x
/sin45
°
；
[0034]
l为反射点到反射点之间的光程距离；
[0035]
l
y0
为回射点到第二位置探测器的初始光程距离；
[0036]
所述回射点为第三测量光束在直角折返棱镜上反射位置；
[0037]
所述反射点为分光膜的透射光在分光棱镜的分光面上反射位置。
[0038]
本发明激光六自由度运动误差同步测量系统的特点也在于：
[0039]
设置由第一聚焦透镜和第一四象限光电探测器构成的光束角度漂移检测模块，偏振分光镜的反射光经所述第一聚焦透镜入射第一四象限光电探测器，用于获得关于激光器的激光角度漂移检测信号；
[0040]
计算获得激光器出射光俯仰角误差εy和激光器出射光偏摆角误差εz分别为：
[0041][0042][0043]
δ
5-x
为第一四象限光电探测器上光斑在沿x轴向的位移；
[0044]
δ
5-z
为第一四象限光电探测器上光斑在沿z轴向的位移；
[0045]k5-x
为第一四象限光电探测器在沿x轴向上的灵敏度；
[0046]k5-z
为第一四象限光电探测器在沿z轴向上的灵敏度；
[0047]v5-1
、v
5-2
、v
5-3
、v
5-4
一一对应为检测获得的第一四象限光电探测器中第一到第四象限电压值；f4为第二聚焦透镜的焦距。
[0048]
本发明激光六自由度运动误差同步测量系统的特点也在于：
[0049]
利用激光器的激光角度漂移检测信号对所测的六自由度运动误差进行误差补偿，分别获得各运动误差的实际值，包括：
[0050]
线性位移平台实际俯仰角误差θy′
为：θy′
＝θ
y-εy[0051]
线性位移平台实际偏摆角误差θz′
为：θz′
＝θ
z-εz[0052]
线性位移平台实际水平直线度误差δy′
为：δy′
＝δy εzl1[0053]
线性位移平台实际竖直直线度误差δz′
为：δz′
＝δz εyl1[0054]
线性位移平台实际沿x轴向误差δx
′
为：
[0055][0056]
线性位移平台实际滚转角误差θx
′
为：
[0057][0058]
其中：
[0059]
l1为激光器发射点到第一位置探测器的光程距离；
[0060]
l1＝l
10
δ
x
/sin45
°
，l
10
为l1的初始值；
[0061]
l2为激光器发射点到第二位置探测器的光程距离；
[0062]
l2＝l
20
δ
x
/sin45
°
，l
20
为l2的初始值。
[0063]
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
[0064]
1、本发明测量系统结构紧凑、体积小、价格低廉，易于通过集成实现在线测量；
[0065]
2、本发明测量系统实现了位移、俯仰角、偏摆角、滚转角、水平直线度及竖直直线度的同时测量，采用收发一体式测量结构，避免了移动测量单元的线缆拖拽；
[0066]
3、本发明测量系统结合激光束角度漂移检测模块和误差补偿模型，能有效消除激光角度漂移对测量的影响，显著提高测量精度。
附图说明
[0067]
图1是本发明测量系统光路图；
[0068]
图2是线性位移平台存在俯仰角时第二四象限探测器上光斑位置变化正视图；
[0069]
图3是线性位移平台存在俯仰角时第二四象限探测器上光斑位置变化侧视图；
[0070]
图4是线性位移平台存在偏摆角时第二四象限探测器上光斑位置变化正视图；
[0071]
图5是线性位移平台存在偏摆角时第二四象限探测器上光斑位置变化侧视图；
[0072]
图6是线性位移平台存在水平直线度误差时第一位置探测器和第二位置探测器光斑位置变化侧视图；
[0073]
图7是线性位移平台存在位移时第一位置探测器和第二位置探测器光斑位置变化侧视图；
[0074]
图8是线性位移平台存在竖直直线度误差时第一位置探测器光斑位置变化正视图；
[0075]
图9是线性位移平台存在滚转角误差时第二位置探测器光斑位置变化正视图；
[0076]
图10是激光器具有角度偏摆时第一位置探测器和第二位置探测器光斑位置侧视图；
[0077]
图中标号：1固定单元，2移动测量单元，101激光器，102偏振分光棱镜，103四分之一波片，104第一聚焦透镜，105第一四象限探测器，106第二聚焦透镜，107第二四象限探测器，108第一二维位置探测器，109第二二维位置探测器，110第一测量光束，111激光器发射点，201分光棱镜，202分光膜，203角锥棱镜，204直角折返棱镜，205第二测量光束，206第三测量光束，207回射点，208反射点。
具体实施方式
[0078]
参见图1，本实施例中激光六自由度运动误差同步测量系统由固定单元1和移动测量单元2构成收发一体式结构。
[0079]
固定单元1安装在固定平面上，包括激光器101、偏振分光棱镜102、四分之一波片103、第二聚焦透镜106、第二四象限光电探测器107、第一位置探测器108和第二位置探测器109。
[0080]
移动测量单元2安装在线性位移平台上，包括分光棱镜201、分光膜202、角锥棱镜203和直角折返棱镜204。
[0081]
激光器101的出射光以线偏振光态入射偏振分光镜102、经偏振分光镜102的透射形成p偏振光，并经偏振分光镜102的反射形成s偏振光；偏振分光镜102的透射光经四分之一波片103形成圆偏振光作为第一测量光110，第一测量光110经分光膜202发生等光强反射和透射，其中，分光膜202的反射光经四分之一波片103形成s偏振光、再经偏振分光镜102反射后通过第二聚焦透镜106入射第二四象限光电探测器107，用于获得关于线性位移平台的
俯仰和偏摆误差的检测信号；分光膜202的透射光经分光棱镜201发生等光强反射和透射，其中，分光棱镜201的透射光经角锥棱镜203作为第二测量光205入射第一位置探测器108，用于获得关于水平直线度误差和竖直直线度误差的检测信号；分光棱镜201的反射光作为第三测量光束206经直角折返棱镜204入射第二位置探测器109，用于获得关于线性位移平台的滚转角误差和位移的检测信号。
[0082]
本实施例中，定义全局坐标系o-xyz的x方向为移动测量单元位移方向，y方向为移动测量单元水平方向，z方向为移动测量单元竖直方向；直角折返棱镜204的反射斜面垂直于水平面，其反射法向量相对于全局坐标系o-xyz绕z轴逆时针旋转67.5
°
；第二位置探测器109与移动测量单元位移方向x成45
°
夹角，第二位置探测器109的局部坐标系o
1-x1y1z1相对于全局坐标系o-xyz绕y轴逆时针旋转45
°
。
[0083]
利用本实施例测量系统中检测信号按如下方式计算获得各误差，包括：
[0084]
如图2、图3、图4和图5所示，当线性位移平台存在俯仰和偏摆误差时，第二四象限光电探测器107的光斑会产生位移，从而使第二四象限光电探测器107的四个象限的电压值发生变化，因此，通过下式计算获得线性位移平台俯仰角误差θy和线性位移平台偏摆角误差θz分别为：
[0085][0086][0087]
其中：
[0088]
δ
7-x
为第二四象限光电探测器107上光斑在沿x轴向的位移；
[0089]
δ
7-z
为第二四象限光电探测器107上光斑在沿z轴向的位移；
[0090]k7-x
为第二四象限光电探测器107在沿x轴向上的灵敏度；
[0091]k7-z
为第二四象限光电探测器107在沿z轴向上的灵敏度；
[0092]v7-1
、v
7-2
、v
7-3
、v
7-4
一一对应为检测获得的第二四象限光电探测器107中第一到第四象限电压值；f6为第二聚焦透镜106的焦距。
[0093]
如图6和图7所示，当线性位移平台存在水平直线度误差时，第一位置探测器108的光斑产生沿y轴向的位移δ
8-y
，第二位置探测器109上光斑产生沿y1轴向的位移沿着x方向的位移时，第二位置探测器109上光斑产生沿y1轴向的位移记水平直线度误差和位移同时引起第二位置探测器109上光斑产生沿y1轴向的位移为以上描述的具体关系如下式表示：
[0094]
δ
8-y
＝2δy[0095][0096]
因此，通过下式计算获得线性位移平台水平直线度误差δy和线性位移平台沿x轴向误差δ
x
分别为：
[0097]
[0098][0099]
图8所示，当线性位移平台存在竖直直线度误差时，第一位置探测器108的光斑产生竖直方向位移δ
8-z
，因此，计算获得线性位移平台竖直直线度误差δz为：
[0100]
图9所示，线性位移平台的滚转角误差和俯仰角误差同时引起第二位置探测器109上光斑在沿z1轴向的位移具体关系如下式表示：
[0101][0102]
因此，计算获得线性位移平台滚转角误差θ
x
为：
[0103][0104]
为第二位置探测器109上光斑在沿z1轴向的位移；
[0105]
ly＝l
y0
δ
x
/sin45
°
；
[0106]
l为反射点208到回射点207之间的光程距离；
[0107]
l
y0
为回射点207到第二位置探测器109的初始光程距离；
[0108]
回射点207为第三测量光束206在直角折返棱镜204上反射位置；
[0109]
反射点208为分光膜202的透射光在分光棱镜201的分光面上反射位置；
[0110]
为了消除激光束的角度漂移对线性位移平台俯仰角、偏摆角、水平直线度、竖直直线度、滚转角以及位移测量精度的影响。设置由第一聚焦透镜104和第一四象限光电探测器105构成的光束角度漂移检测模块，偏振分光镜102的反射光经第一聚焦透镜104入射第一四象限光电探测器105，用于获得关于激光器的激光角度漂移检测信号。
[0111]
当激光器发出的激光束存在角度漂移时，第一四象限光电探测器105的光斑产生位移，计算获得激光器出射光俯仰角误差εy和激光器出射光偏摆角误差εz分别为：
[0112][0113][0114]
δ
5-x
为第一四象限光电探测器105上光斑在沿x轴向的位移；
[0115]
δ
5-z
为第一四象限光电探测器105上光斑在沿z轴向的位移；
[0116]k5-x
为第一四象限光电探测器105在沿x轴向上的灵敏度；
[0117]k5-z
为第一四象限光电探测器105在沿z轴向上的灵敏度；
[0118]v5-1
、v
5-2
、v
5-3
、v
5-4
一一对应为检测获得的第一四象限光电探测器105中第一到第四象限电压值；f4为第二聚焦透镜104的焦距。
[0119]
最终，利用激光器的激光角度漂移检测信号对所测的六自由度运动误差进行误差补偿，分别获得各运动误差的实际值，包括：
[0120]
考虑激光束角度漂移对俯仰角和偏摆角的影响是直接的叠加关系，因此：
[0121]
线性位移平台实际俯仰角误差θy′
为：θy′
＝θ
y-εy[0122]
线性位移平台实际偏摆角误差θz′
为：θz′
＝θ
z-εz[0123]
如图10所示，考虑激光偏摆角度漂移εz对水平直线度和位移测量的影响时，认为激光束以激光器发射点为中心偏摆，导致光斑在第一位置探测器108和第二位置探测器109上的水平位置变化，因此：
[0124]
线性位移平台实际水平直线度误差δy′
为：
[0125]
δy＝δ
ε
εzl1[0126]
线性位移平台实际沿x轴向误差δx
′
为：
[0127][0128]
其中：
[0129]
l1为激光器发射点111到第一位置探测器108的光程距离；
[0130]
l1＝l
10
δ
x
/sin 45
°
，l
10
为l1的初始值；
[0131]
l2为激光器发射点111到第二位置探测器109的光程距离；
[0132]
l2＝l
20
δ
x
/sin 45
°
，l
20
为l2的初始值。
[0133]
同理，考虑激光俯仰角度漂移εy对竖直直线度误差测量的影响时，认为激光束以激光器发射点111为中心俯仰，导致光斑在第一位置探测器108的竖直位置变化，因此：
[0134]
线性位移平台实际竖直直线度误差δz′
为：δz′
＝δz εyl1[0135]
同理，考虑激光俯仰角度漂移εy对滚转角误差测量的影响时，激光束以激光器发射点111为中心俯仰，导致光斑在第二位置探测器109的竖直位置变化，同时由滚转角计算公式知线性位移平台的俯仰角也影响滚转角的测量，因此：
[0136]
线性位移平台实际滚转角误差θ
x
′
为：
[0137][0138]
本发明通过简单的系统结构实现了线性位移平台六自由度运动误差的同时测量，并且通过设置光束角度漂移检测模块有效消除激光器发射光束角度漂移对测量精度的影响，该系统结构简单、易于集成，可对小量程的精密线性位移平台和导轨的运动误差进行高精度的同时测量。