专利名称：激光透、反组合监测补偿式圆柱度仪直线运动基准装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光透、反组合监测补偿式圆柱度仪直线运动基准装置，属于表面形状测量技术领域，特别适应于超精密圆柱度测量装置。
背景技术：
现代工业，特别是国防尖端工业技术的不断发展，对回转体工件表面轮廓的测量提出了越来越高的要求。例如，在超精密加工和测量过程中，通常作为超精密机床、光刻机转台、激光直写设备及超精密测试转台等超精密装备的空气静压主轴研磨后的圆度允差已达到0.05μm，圆柱度和同轴度允差达到0.2μm/100mm～0.5μm/100mm；航天、航空等领域中广泛应用的惯性器件转子轴的圆柱度和同轴度允差为0.3μm/100mm～0.8μm/100mm，而下一代惯性器件圆柱度和同轴度允差将达到0.1μm/100mm ～0.5μm/100mm。上述所列技术指标都需经过精确测量，这就对现有圆柱度测量装置的测量精度提出了更高的要求，如圆度测量不确定度应达到0.005μm，圆柱度和同轴度测量不确定度应达到0.1μm/100mm。
目前，现有的圆柱度测量装置普遍采用如图1所示的装置结构，其主要由底座23、立式主导轨运动套19、回转工作台24、测量传感器25和被测工件26组成。立式主导轨套19作为其直线运动测量基准，由于受加工工艺和使用状态的限制，导轨运动系统立式使用时，其加工检测的初始卧式状态被改变，很难保持其原始的制造和检测精度，特别是运动精度要求高而运动行程又大的情况下，就显得尤为突出。立式导轨由于失去卧式加工检测状态时自身的作用重力，其立式状态常表现为整体弯曲，目前其导轨直线运动基准精度，只能达到0.1μm/100mm左右的暂时极限水平，它已成为制约圆柱度测量装置测量精度进一步提高的最大障碍。究其根源有二一是直线运动基准的绝对精度水平比回转运动基准的精度水平低一个数量级，若再考虑误差分离技术对回转基准运动精度的贡献，直线运动基准精度水平约低两个数量级；二是直线运动基准的误差不具周期复现性，很难借助误差分离技术较大幅度地减小直线运动误差。因此，如何减小传感器直线运动误差已成为提高圆柱度测量装置测量精度的关键所在。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有圆柱度测量装置直线运动基准技术的不足，将激光透反组合监测补偿技术、主副双导轨直行技术和隔离式抗干扰驱动技术集为一体，以激光光束作为物理基准，依据导轨直线运动基准运动误差对圆柱度测量装置测量结果的作用规律，提供一种基于激光透、反组合监测补偿式主副双导轨结构的超精密圆柱度直线运动基准装置。
本发明的技术解决方案是一种激光透、反组合监测补偿式圆柱度仪直线运动基准装置，包括主导轨立柱16、主导轨套19，其特征在于该装置还包括平行于主导轨套19运动方向的激光光束10、依次放置在沿激光光束10方向上的半透半反平面镜6、放置在主导轨套上的检测主导轨套偏移量的激光透射光束对心监测系统4、放置在半透半反平面镜6反射光束方向上的主导轨套角漂量光电检测系统13构成的导轨运动误差激光透反监测系统；与主导轨立柱16平行设置的副导轨立柱17、其上设置副导轨套18、柔性连接带15通过滑轮机构14连接主导轨套19和副导轨套18构成的主副双导轨直行系统；直流驱动电机22、精密丝杠21、与副导轨套18相联的解耦驱动式丝杠螺母连接机构20、固结在副导轨套18上的指示光栅8、与副导轨立柱17平行设置的测高标尺光栅尺9构成的隔离式抗干扰驱动及测高系统。
为确保主导轨系统的原始基础精度，消除驱动系统运动过程中引起的对直行导轨的中、高频的扰动，使其免受驱动系统、立式光栅测量系统等环节的干扰，本发明采用了主、副导轨的双导轨结构和隔离式驱动技术。双导轨结构使主导轨运动系统与副导轨运动系统处于准平衡状态，采用微驱动力便可以实现平稳驱动，减小电机的驱动负载，使主副运动导轨系统处于平稳状态。同时，电机驱动通过无径向力球体接触，仅产生Z向推力驱动环节作用在副导轨上，立式光栅测量系统也作用在副导轨上，主、副导轨间通过解耦式的“柔性”联接，最大程度地减小对主导轨套19的干扰。由于驱动系统与主导轨系统相隔离，微电机中的高频振动通过副导轨气膜的滤波作用，使其对主导轨套的扰动仅存在低频成分，使主导轨系统运动误差的随机成分得到最大程度的抑制，并为对其运动误差的监测补偿奠定前提和基础。圆柱度测量装置主、副导轨的双导轨结构和隔离式驱动技术，是本发明区别于现有技术的发明点之一。
如前所述，圆柱度测量装置主导轨立柱16由于失去卧式加工检测状态时自身的作用重力，其立式状态常表现为整体弯曲，同时还受各种随机量的干扰。本发明通过对圆柱度测量装置直线运动导轨运动误差的作用机理进行分析，得出θx和εy是影响单测头圆柱度仪直线运动误差的根本。为此提出了基于激光透、反组合监测补偿技术，该技术通过监测圆柱度测量装置导轨特定方向的角摆量和平动量，再利用模型求解，来实现直线运动基准运动误差的补偿。基于激光透、反组合式的圆柱度测量装置直线运动误差激光监测补偿技术，是本发明区别于现有技术的发明点之二。
采用上述技术后，不仅可以实时监测补偿运动导轨的系统误差，还可以实时监测补偿其随机运动误差，使圆柱度测量装置直线运动精度达到30nm/100mm；40nm/300mm；50nm/500mm。
图1为现有圆柱度仪传感器结构示意2为激光透反组合监测补偿式圆柱度仪直线运动基准装置结构示意3为直线运动误差示意4为激光透反组合监测补偿技术原理5为漂移量反馈控制光纤准直系统构成6为水平方向漂移量测试实验数据7为垂直方向漂移量测试实验数据中1激光器、2单模光纤准直系统、3微位移找中工作台、4对心监测系统、5微位移监测传感器、6半透半反平面镜、7四分之一波片、8指示光栅、9标尺光栅、10激光光束、11偏振分光镜PBS、12激光方向稳定装置、13角漂量光电检测系统、14滑轮机构、15柔性连接带、16主导轨立柱、17副导轨立柱、18副导轨套、19主导轨套、20丝杠螺母连接机构、21精密丝杠、22直流驱动电机、23装置底座、24回转工作台、25测量传感器、26被测工件、27光束扩束器、28光纤耦合器、29准直镜、30光束二维平移光镜机构、31空间转角反射镜机构、32计算机、33分光镜BS1、34分光镜BS2、35四象限探测器QPD1系统、36聚焦物镜、37四象限探测器QPD2系统、38单模光纤准直后水平方向曲线、39漂移量反馈控制准直后水平方向曲线、40单模光纤准直后垂直方向曲线、41漂移量反馈控制准直后垂直方向曲线。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明基于激光透、反组合监测补偿式圆柱度仪直线运动基准装置的结构及工作原理进行详细说明本发明的装置包括主副双导轨直行系统，导轨运动误差激光透反监测系统，隔离式抗干扰驱动及测高系统。
如图2所示，主副双导轨直行系统包括垂直于装置座23的主导轨立柱16和副导轨立柱17，主导轨立柱16上设置主导轨套19、副导轨立柱17上设置副导轨套18，柔性连接带15通过滑轮机构14使主导轨立柱16、主导轨套19、副导轨立柱17、副导轨套18连接起来。
导轨运动误差激光透反监测系统包括产生基准激光光束的高方向稳定激光器1、单模光纤准直系统2、激光方向稳定装置12、放置在激光方向稳定装置出射光束方向上的偏振分光镜11、平行于主导轨套19运动方向z向的激光光束10、依次放置在沿激光光束10方向上的四分之一波片7、半透半反平面镜6、放置在主导轨套上的检测导轨套偏移量的激光透射光束中心监测系统4、放置在半透半反平面镜6的反射光束方向上的主导轨套角漂量光电检测系统13，其中光束中心监测系统4、y向圆柱度仪传感器测量方向找中微位移监测传感器5与微位移找中工作台3相连。
隔离式抗干扰驱动及测高系统包括直流驱动电机22、精密丝杠21、解耦驱动式丝杠螺母连接机构20、指示光栅8、测高标尺光栅尺9。解耦驱动式丝杠螺母连接机构20与副导轨套18相联，用于驱动副导轨套18沿Z向运动，指示光栅8固结在副导轨套18上，光栅9与副导轨立柱17平行设置，指示光栅8与标尺光栅9组成测高装置，用于测量主导轨套19在运动方向z向的高度。
本发明装置的工作过程如图2所示，高方向稳定激光器1发出的激光经单模光纤准直系统2进行初级准直、再经激光方向稳定装置12出射为高方向稳定性的的激光光束10，将该激光光束作为物理基准光束入射到偏振分光镜PBS 11分光面上，经PBS 11反射并平行于导轨运动方向z向的反射光束，透过四分之一波片7，照射在固结在运动导轨上的半透、半反平面镜6，被该半透半反平面镜6反射的反射光又返回到四分之一波片7并透过PBS 11的分光面照射位于PBS11上方的角漂量光电检测系统13，用于测量主导轨套绕x轴方向的角摆变化量θx；经半透半反平面镜6透射的光束，照射到主导轨套19激光对心监测系统4，基于压电陶瓷PZT驱动技术的微位移找中工作台3带动激光对心监测系统与激光光束对中，其位移量由y向找中微位移监测传感器5监测，主导轨套19运动过程中，其y向平动量由激光对心监测系统4的y向分量和y向微位移监测传感器5得到，这样就可以得到运动主导轨套19沿y向的平移量εy。知道了主导轨套19绕垂直于纸面方向的角摆变化量θx和沿y向的平移量εy，再经过模型求解，将εy和θx对圆柱度测量结果的影响值从圆柱度测量结果中剔除，最终实现超精密圆柱度测量装置直线运动误差的检测和补偿。
导轨运动过程中，直流驱动电机22驱动精密丝杠21转动，带动丝杠螺母连接机构20向上运动，解耦驱动式丝杠螺母连接机构20与副导轨套18相联，用于驱动副导轨套18沿Z向运动，由于采用了主副双导轨直行系统并使主导轨套直线运动基准与副导轨套平衡导轨处于准平衡状态，这样采用微动力便可以实现平衡驱动，减小电机的驱动负载，使运动体处于准平稳状态。同时，电机驱动采用球体与副导轨套18下平面接触，仅产生Z向推力驱动环节作用在副导轨上，立式光栅测量系统也作用在副导轨上，主、副导轨间通过解耦式的“柔性”钢丝连接，最大程度地减小对主导轨套19的干扰，使其干扰对圆柱度仪测量传感器25的影响极小。
圆柱度仪直行运动误差激光透反组合监测补偿理论依据及原理如图3所示，设主导轨套19初始位置坐标系为O-xoyozo，O为坐标原点，zo为运动方向。当主导轨套19沿zo方向从初始位置到达某一位置时，物体的坐标系变为O′-xyz，由于物体运动误差的影响，坐标原点O离开理想的运动方向zo轴，到达O′(εx，εy，εz+vt)点。物体在运动过程中的直线运动误差可分解为在xo轴和yo轴方向上产生的平移运动误差εx和εy、分别绕三个坐标轴xo、yo和zo的转动误差θx、θy和θz及沿zo轴运动的定位误差εz六项运动误差。
选主导轨套19上任意一点r作为参考点，运动前的初始位置坐标设为r(rxo，ryo，rzo)，由于受主导轨套19运动误差θx、θy、θz、εx、εy和εz的影响，到达坐标系O′-xyz中的位置点为r′(rx，ry，rz)，其坐标位置相对于初始坐标系O-xoyozo的关系相当于坐标系O′-xyz绕x、y及z坐标轴的三次旋转及沿z轴的平动得到，即首先绕x轴旋转一个-θx角，得中间坐标系O′-xy1z1，再绕y轴旋转一个-θy角得第二个坐标系O′-x1y1zo，再绕z轴旋转一个-θz角得坐标系O′-xoyozo，然后沿zo轴平动得到坐标系O-xoyozo，当坐标系在xo轴、yo轴方向上产生εx、εy平移，沿zo轴方向产生εz+vt项平移，即坐标原点由O′移到O时，矢量r′在O-xoyozo坐标系中可表示为rxoryorzo=1-θzθyθz1-θx-θyθx1rxryrz+ϵxϵyϵz+vt--(1)]]>无运动误差理想状态下，r点运动后应该到达理想位置(rx，ry，rz+vt)，则运动误差与理想位置的偏差为ΔrxoΔryoΔrzo=rxo-rxryo-ryrzo-rz=0-θzθyθz0-θx-θyθx0rxryrz+ϵxϵyϵz--(2)]]>就直线运动而言，zo方向的定位误差εz由位移传感器直接测得，导轨直线运动误差中，可不考虑该项误差，即令εz＝0，则上式可简化为 式(3)中有εx、εy、θx、θy和θz五个独立变量，若求得这五个变量，必须联立5个独立方程，即在主导轨套19上选取三个不同的监测点，分别检测它们与理想状态的偏移量，将其代入方程3中，即可获得直线运动误差各项值。
依据上述运动误差模型，用相互平行的与导轨运动方向一致的三束激光光束作为监测基准，在导轨运动物体上选r1、r2和r3三点作为监测点，并用三个四象限探测器QPD探测各自点位置状态。在初始位置时，使三束激光光束中心与三个QPD中心重合，这样当运动导轨沿Z轴移动时，三个QPD就能够分别测得它们与x、y轴的平移偏差Δrxoi、Δryoii＝1，2，3，依据公式(3)有 选r1点作为基准坐标原点，即rx1＝ry1＝rz1＝0，主导轨套19误差即可描述为r1点在x、y坐标上的平移误差εx、εy和绕r1点转动的转角误差θx、θy和θz，此时有rx1＝ry1＝rz1＝0 求解式(5)方程组得 则主导轨套上任意点Q(x，y，z)的运动误差状态可表示为 其中εx、εy、θx、θy和θz由公式6决定。
圆柱度测量装置中，传感器通常布置为如图1所示的单测头法，被测回转工件26置于回转工作台24上，传感器25位于主导轨套19上。单测头式圆柱度测量传感器测量敏感方向设为y，导轨运动误差对传感器测量影响可由公式(7)得
Δy＝εy-xθz+zθx(8)光路布置时，若使x＝0、z＝0即传感器测量线的延长线与运动导轨监测点相交时，可完全消除导轨转角误差对传感器测量值的影响。但在一般情况下，由于工件测量位置及传感器安装位置不同，致使z≠0，则Δy＝εy+zθx(9)在导轨运动误差分离检测中，三光束激光基准导轨直线度监测法理论上可完全分离运动导轨的θx、θy、θz、εx、εy五种运动误差，但其前提是三束基准光束与导轨运动方向严格保持平行、三个QPD接收面中心初始位置应分别与三束光束中心重合且与运动方向保持垂直、三束激光本身的方向稳定性优良、QPD的探测灵敏度高等。从技术角度看，满足上述条件，特别是满足三束基准光束与导轨运动方向严格保持平行，在实际调整中是很困难的。从公式9可以看出对圆柱度仪直线基准导轨这种特定使用条件下的直线运动基准监测系统，无须完全分离检测运动导轨的五种运动误差，只要实时分离检测θx及εy，即可完全分离补偿直线运动基准运动误差对圆柱度测量装置测量精度的影响。针对圆柱度这种特殊需要，在此提出了基于激光透、反式圆柱度导轨误差检测法，用于实时检测运动主导轨套θx和εy的运动体误差，得到θx和εy远动误差再经过模型化求解，即可得到由运动导轨误差θx和εy引起的传感器的误差，并实时从传感器测量结果中剔除，继而实现了圆柱度导轨运动误差的高精度实时监测补偿。
基于上述分析，本发明针对圆柱度测量装置直线运动基准的具体应用状况，提出了一种监测圆柱度测量装置直线运动误差透反组合的激光光束检测补偿方法与技术。其光束透、反组合监测补偿技术原理如4所示，光路布局时，尽量减小半透、半反平面镜6和激光对心检测系统4之间的距离。微位移找中工作台3与主导轨套19相联，检测y向平移量的对心监测系统4位于其上，控制微位移驱动系统，使QPD中心始终对中基准激光光束10能量中心，微驱动的位移量由高精度微位移监测传感器5检测，其大小与QPD的y向偏移量之和对应导轨套运动过程中的y向平动量。依据光杠杆原理，H向尺寸越大，角摆量监测系统的检测灵敏度越高，若H向结构尺寸受限制，测角传感器也可设计为基于内反射原理的临界角测角传感器，增加对导轨角摆量的测量能力。H向尺寸高度可用图2中的测高标尺光栅系统测得。
激光透、反组合监测补偿技术的具体原理如图4所示，经方向稳定处理后的高稳定激光光束作为物理光束，将其入射到偏振分光镜PBS 11的分光面反射后透过四分之一波片7，照射在固结在运动导轨上的半透半反平面镜6，被该反射镜反射的反射光又返回到四分之一波片7并透过PBS 11的分光面照射到角漂量光电检测系统13上，用于测量主导轨套19绕垂直于纸面的x方向的角摆变化量，如图4a所示；透射光照射到四象限硅光电池对心探测系统4上，用于测量主导轨套19沿y向的平移量，如图4b所示。光路布置时，可使H远大于h，这样角漂量对平漂量的影响减小到最�。保琀很大可使角摆量引起的Δx变化大，可增加角摆量的探测灵敏度。
目前，光杠杆式角度检测系统检测精度可达到10-8rad量级、平移量检测精度可达到10nm以内，完全可以满足基准型圆柱度仪直线运动误差激光检测的精度需求。而激光光束自身的漂移量一般在10-4～10-6rad量级，远不能满足基准光束应达到10-7rad量级的准直精度要求。为满足基准型圆柱度仪直线运动误差高精度激光监测时对高方向稳定性基准激光光束的需求，在此发明中，提出了稳定激光光束漂移量反馈控制的光纤准直系统。
其构成原理见图5，激光器1出射的光束经扩束器27光纤耦合器28进入单模光纤2，单模光纤2和准直镜29进行初级准直后变为平行光射向光束二维平移光镜机构30，平移光镜机构30出射的光经空间转角反射镜机构31射向分光镜BS1 33和分光镜BS2 34，BS1反射的光照射在四象限探测器系统QPD1 35中心上用于探测光束的平漂量，BS2反射的光经聚焦物镜36聚焦在四象限探测器系统QPD2 37中心，QPD2位于聚焦物镜36的焦平面上，用于探测光束的角漂移量。准直过程中，计算机32首先依据QPD1检测出的激光束的空间二维角漂分量，来控制二维驱动机构转动角度反射镜31使激光束向角漂减小的方向转动，来减小激光束的角度漂移。QPD2探测的值主要体现为激光光束的平漂，其大小可以通过控制光束二维平移光镜机构30来抑制。光束漂移量反馈控制准直系统中，QPD1和光束空间平漂量控制机构30构成光束空间漂移量反馈控制系统，实时控制光束的空间平漂量。QPD2和光经空间转角反射镜机构31构成光束空间漂移量反馈控制系统，实时控制光束的空间角漂量。在光束实时反馈控制准直过程中，激光束的空间平漂量及角漂量实现了分离检测并各自形成实时反馈控制，减小了激光束控制过程中的相互耦合，提高了光束空间漂移量控制精度和准直效率。
准直系统中，QPD探测器选用日本HAMAMATSU公司生产的S1557型号，其十字交叉分隔线的线宽为10μm。为减小十字交叉分隔线对检测电路精度的影响，同时提高系统的分辨力，激光器选用美国JDS Uniphase公司生产的1145P型号，其出射功率高达35mW。单模光纤选用美国MELLES GRIOT公司生产的型号为05FDS207的单模保偏光纤传输系统，它将耦合系统、光纤及准直系统集成于一体，耦合后出射光束的效率高达65％，出射光束的直径为φ0.7mm光斑的圆度优于95％，出射点稳定度优于1μrad/℃。压电陶瓷驱动器选用中科院成都光电所的可伸缩压电陶瓷驱动器，伸缩范围为-6μm～+6μm，将其与四路压电驱动电源及二维驱动机构相配，角度反射镜控制分辨力达2×10-8rad，有效调整范围达20×10-6rad。平移控制镜分辨力达3nm，控制范围达2000nm，聚焦透镜的焦距选用f＝150mm，信号采集及控制卡采用研华PCL813B。在准直距离约为500mm处，对准直基准光束垂直方向和水平方向的准直效果进行了测试。测试时间为900s，共采集40000个点，水平方向漂移量测试实验数据见图6，垂直方向漂移量测试见图7。
激光束经单模光纤准直后，如图6中曲线38所示，出射光束在水平方向达到约0.9×10-6rad的准直精度；如图7中曲线40所示，垂直方向达到约0.8×10-6rad的准直精度。光束经单模光纤准直，再经漂移量反馈控制后，如图6中曲线39所示，水平方向达到约0.6×10-7rad的准直精度；如图7中曲线41所示，垂直方向达到约0.5×10-7rad的准直精度。从实验看出，经过光束漂移量反馈控制补偿后，光束的漂移量明显得到抑制，准直效果提高一个量级。
权利要求
1.一种激光透、反组合监测补偿式圆柱度仪直线运动基准装置，包括主导轨立柱(16)、主导轨套(19)，其特征在于该装置还包括平行于主导轨套(19)运动方向的激光光束(10)、依次放置在沿激光光束(10)方向上的半透半反平面镜(6)、放置在主导轨套上的检测主导轨套偏移量的激光透射光束对心监测系统(4)、放置在半透半反平面镜(6)反射光束方向上的主导轨套角漂量光电检测系统(13)构成的导轨运动误差激光透反监测系统；与主导轨立柱(16)平行设置的副导轨立柱(17)、其上设置副导轨套(18)、柔性连接带(15)通过滑轮机构(14)连接主导轨套(19)和副导轨套(18)构成的主副双导轨直行系统；直流驱动电机(22)、精密丝杠(21)、与副导轨套(18)相联的解耦驱动式丝杠螺母连接机构(20)、固结在副导轨套(18)上的指示光栅(8)、与副导轨立柱(17)平行设置的测高标尺光栅尺(9)构成的隔离式抗干扰驱动及测高系统。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所说的激光透射光束对心监测系统(4)上设置有基于压电陶瓷(PZT)驱动的圆柱度仪传感器测量方向(y向)微位移找中工作台(3)和y向找中微位移监测传感器(5)。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于还包括产生基准激光光束的系统，该系统包括高方向稳定激光器(1)、单模光纤准直系统(2)、激光方向稳定装置(12)。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于还包括放置在激光方向稳定装置(12)出射光束方向上的偏振分光镜(10)、放置在半透、半反射镜(6)上方的四分之一波片(7)。
全文摘要
本发明涉及一种激光透、反组合监测补偿式圆柱度仪直线运动基准装置，属于表面形状测量技术领域，特别适应于超精密圆柱度测量装置。本发明将激光透反组合监测补偿技术、主副双导轨直行技术和隔离式抗干扰驱动技术集为一体，以激光光束作为物理基准，依据导轨直线运动基准运动误差对圆柱度测量装置测量结果的作用规律，提供一种基于激光透、反组合监测补偿式主副双导轨结构的超精密圆柱度直线运动基准装置，克服了已有圆柱度测量装置直线运动基准技术的不足。
文档编号G01B11/24GK1584495SQ200410062208
公开日2005年2月23日 申请日期2004年6月30日 优先权日2004年6月30日
发明者谭久彬, 赵维谦, 邹丽敏, 崔继文, 赵熙萍 申请人:哈尔滨工业大学
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