專利名稱：激光透、反組合監(jiān)測補償式圓柱度儀直線運動基準裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種激光透、反組合監(jiān)測補償式圓柱度儀直線運動基準裝置，屬于表面形狀測量技術領域，特別適應于超精密圓柱度測量裝置。
背景技術：
現(xiàn)代工業(yè)，特別是國防尖端工業(yè)技術的不斷發(fā)展，對回轉(zhuǎn)體工件表面輪廓的測量提出了越來越高的要求。例如，在超精密加工和測量過程中，通常作為超精密機床、光刻機轉(zhuǎn)臺、激光直寫設備及超精密測試轉(zhuǎn)臺等超精密裝備的空氣靜壓主軸研磨后的圓度允差已達到0.05μm，圓柱度和同軸度允差達到0.2μm/100mm～0.5μm/100mm；航天、航空等領域中廣泛應用的慣性器件轉(zhuǎn)子軸的圓柱度和同軸度允差為0.3μm/100mm～0.8μm/100mm，而下一代慣性器件圓柱度和同軸度允差將達到0.1μm/100mm ～0.5μm/100mm。上述所列技術指標都需經(jīng)過精確測量，這就對現(xiàn)有圓柱度測量裝置的測量精度提出了更高的要求，如圓度測量不確定度應達到0.005μm，圓柱度和同軸度測量不確定度應達到0.1μm/100mm。
目前，現(xiàn)有的圓柱度測量裝置普遍采用如圖1所示的裝置結(jié)構(gòu)，其主要由底座23、立式主導軌運動套19、回轉(zhuǎn)工作臺24、測量傳感器25和被測工件26組成。立式主導軌套19作為其直線運動測量基準，由于受加工工藝和使用狀態(tài)的限制，導軌運動系統(tǒng)立式使用時，其加工檢測的初始臥式狀態(tài)被改變，很難保持其原始的制造和檢測精度，特別是運動精度要求高而運動行程又大的情況下，就顯得尤為突出。立式導軌由于失去臥式加工檢測狀態(tài)時自身的作用重力，其立式狀態(tài)常表現(xiàn)為整體彎曲，目前其導軌直線運動基準精度，只能達到0.1μm/100mm左右的暫時極限水平，它已成為制約圓柱度測量裝置測量精度進一步提高的最大障礙。究其根源有二一是直線運動基準的絕對精度水平比回轉(zhuǎn)運動基準的精度水平低一個數(shù)量級，若再考慮誤差分離技術對回轉(zhuǎn)基準運動精度的貢獻，直線運動基準精度水平約低兩個數(shù)量級；二是直線運動基準的誤差不具周期復現(xiàn)性，很難借助誤差分離技術較大幅度地減小直線運動誤差。因此，如何減小傳感器直線運動誤差已成為提高圓柱度測量裝置測量精度的關鍵所在。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服已有圓柱度測量裝置直線運動基準技術的不足，將激光透反組合監(jiān)測補償技術、主副雙導軌直行技術和隔離式抗干擾驅(qū)動技術集為一體，以激光光束作為物理基準，依據(jù)導軌直線運動基準運動誤差對圓柱度測量裝置測量結(jié)果的作用規(guī)律，提供一種基于激光透、反組合監(jiān)測補償式主副雙導軌結(jié)構(gòu)的超精密圓柱度直線運動基準裝置。
本發(fā)明的技術解決方案是一種激光透、反組合監(jiān)測補償式圓柱度儀直線運動基準裝置，包括主導軌立柱16、主導軌套19，其特征在于該裝置還包括平行于主導軌套19運動方向的激光光束10、依次放置在沿激光光束10方向上的半透半反平面鏡6、放置在主導軌套上的檢測主導軌套偏移量的激光透射光束對心監(jiān)測系統(tǒng)4、放置在半透半反平面鏡6反射光束方向上的主導軌套角漂量光電檢測系統(tǒng)13構(gòu)成的導軌運動誤差激光透反監(jiān)測系統(tǒng)；與主導軌立柱16平行設置的副導軌立柱17、其上設置副導軌套18、柔性連接帶15通過滑輪機構(gòu)14連接主導軌套19和副導軌套18構(gòu)成的主副雙導軌直行系統(tǒng)；直流驅(qū)動電機22、精密絲杠21、與副導軌套18相聯(lián)的解耦驅(qū)動式絲杠螺母連接機構(gòu)20、固結(jié)在副導軌套18上的指示光柵8、與副導軌立柱17平行設置的測高標尺光柵尺9構(gòu)成的隔離式抗干擾驅(qū)動及測高系統(tǒng)。
為確保主導軌系統(tǒng)的原始基礎精度，消除驅(qū)動系統(tǒng)運動過程中引起的對直行導軌的中、高頻的擾動，使其免受驅(qū)動系統(tǒng)、立式光柵測量系統(tǒng)等環(huán)節(jié)的干擾，本發(fā)明采用了主、副導軌的雙導軌結(jié)構(gòu)和隔離式驅(qū)動技術。雙導軌結(jié)構(gòu)使主導軌運動系統(tǒng)與副導軌運動系統(tǒng)處于準平衡狀態(tài)，采用微驅(qū)動力便可以實現(xiàn)平穩(wěn)驅(qū)動，減小電機的驅(qū)動負載，使主副運動導軌系統(tǒng)處于平穩(wěn)狀態(tài)。同時，電機驅(qū)動通過無徑向力球體接觸，僅產(chǎn)生Z向推力驅(qū)動環(huán)節(jié)作用在副導軌上，立式光柵測量系統(tǒng)也作用在副導軌上，主、副導軌間通過解耦式的“柔性”聯(lián)接，最大程度地減小對主導軌套19的干擾。由于驅(qū)動系統(tǒng)與主導軌系統(tǒng)相隔離，微電機中的高頻振動通過副導軌氣膜的濾波作用，使其對主導軌套的擾動僅存在低頻成分，使主導軌系統(tǒng)運動誤差的隨機成分得到最大程度的抑制，并為對其運動誤差的監(jiān)測補償?shù)於ㄇ疤岷突A。圓柱度測量裝置主、副導軌的雙導軌結(jié)構(gòu)和隔離式驅(qū)動技術，是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術的發(fā)明點之一。
如前所述，圓柱度測量裝置主導軌立柱16由于失去臥式加工檢測狀態(tài)時自身的作用重力，其立式狀態(tài)常表現(xiàn)為整體彎曲，同時還受各種隨機量的干擾。本發(fā)明通過對圓柱度測量裝置直線運動導軌運動誤差的作用機理進行分析，得出θx和εy是影響單測頭圓柱度儀直線運動誤差的根本。為此提出了基于激光透、反組合監(jiān)測補償技術，該技術通過監(jiān)測圓柱度測量裝置導軌特定方向的角擺量和平動量，再利用模型求解，來實現(xiàn)直線運動基準運動誤差的補償?；诩す馔?、反組合式的圓柱度測量裝置直線運動誤差激光監(jiān)測補償技術，是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術的發(fā)明點之二。
采用上述技術后，不僅可以實時監(jiān)測補償運動導軌的系統(tǒng)誤差，還可以實時監(jiān)測補償其隨機運動誤差，使圓柱度測量裝置直線運動精度達到30nm/100mm；40nm/300mm；50nm/500mm。


圖1為現(xiàn)有圓柱度儀傳感器結(jié)構(gòu)示意2為激光透反組合監(jiān)測補償式圓柱度儀直線運動基準裝置結(jié)構(gòu)示意3為直線運動誤差示意4為激光透反組合監(jiān)測補償技術原理5為漂移量反饋控制光纖準直系統(tǒng)構(gòu)成6為水平方向漂移量測試實驗數(shù)據(jù)7為垂直方向漂移量測試實驗數(shù)據(jù)中1激光器、2單模光纖準直系統(tǒng)、3微位移找中工作臺、4對心監(jiān)測系統(tǒng)、5微位移監(jiān)測傳感器、6半透半反平面鏡、7四分之一波片、8指示光柵、9標尺光柵、10激光光束、11偏振分光鏡PBS、12激光方向穩(wěn)定裝置、13角漂量光電檢測系統(tǒng)、14滑輪機構(gòu)、15柔性連接帶、16主導軌立柱、17副導軌立柱、18副導軌套、19主導軌套、20絲杠螺母連接機構(gòu)、21精密絲杠、22直流驅(qū)動電機、23裝置底座、24回轉(zhuǎn)工作臺、25測量傳感器、26被測工件、27光束擴束器、28光纖耦合器、29準直鏡、30光束二維平移光鏡機構(gòu)、31空間轉(zhuǎn)角反射鏡機構(gòu)、32計算機、33分光鏡BS1、34分光鏡BS2、35四象限探測器QPD1系統(tǒng)、36聚焦物鏡、37四象限探測器QPD2系統(tǒng)、38單模光纖準直后水平方向曲線、39漂移量反饋控制準直后水平方向曲線、40單模光纖準直后垂直方向曲線、41漂移量反饋控制準直后垂直方向曲線。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明基于激光透、反組合監(jiān)測補償式圓柱度儀直線運動基準裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理進行詳細說明本發(fā)明的裝置包括主副雙導軌直行系統(tǒng)，導軌運動誤差激光透反監(jiān)測系統(tǒng)，隔離式抗干擾驅(qū)動及測高系統(tǒng)。
如圖2所示，主副雙導軌直行系統(tǒng)包括垂直于裝置座23的主導軌立柱16和副導軌立柱17，主導軌立柱16上設置主導軌套19、副導軌立柱17上設置副導軌套18，柔性連接帶15通過滑輪機構(gòu)14使主導軌立柱16、主導軌套19、副導軌立柱17、副導軌套18連接起來。
導軌運動誤差激光透反監(jiān)測系統(tǒng)包括產(chǎn)生基準激光光束的高方向穩(wěn)定激光器1、單模光纖準直系統(tǒng)2、激光方向穩(wěn)定裝置12、放置在激光方向穩(wěn)定裝置出射光束方向上的偏振分光鏡11、平行于主導軌套19運動方向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、半透半反平面鏡6、放置在主導軌套上的檢測導軌套偏移量的激光透射光束中心監(jiān)測系統(tǒng)4、放置在半透半反平面鏡6的反射光束方向上的主導軌套角漂量光電檢測系統(tǒng)13，其中光束中心監(jiān)測系統(tǒng)4、y向圓柱度儀傳感器測量方向找中微位移監(jiān)測傳感器5與微位移找中工作臺3相連。
隔離式抗干擾驅(qū)動及測高系統(tǒng)包括直流驅(qū)動電機22、精密絲杠21、解耦驅(qū)動式絲杠螺母連接機構(gòu)20、指示光柵8、測高標尺光柵尺9。解耦驅(qū)動式絲杠螺母連接機構(gòu)20與副導軌套18相聯(lián)，用于驅(qū)動副導軌套18沿Z向運動，指示光柵8固結(jié)在副導軌套18上，光柵9與副導軌立柱17平行設置，指示光柵8與標尺光柵9組成測高裝置，用于測量主導軌套19在運動方向z向的高度。
本發(fā)明裝置的工作過程如圖2所示，高方向穩(wěn)定激光器1發(fā)出的激光經(jīng)單模光纖準直系統(tǒng)2進行初級準直、再經(jīng)激光方向穩(wěn)定裝置12出射為高方向穩(wěn)定性的的激光光束10，將該激光光束作為物理基準光束入射到偏振分光鏡PBS 11分光面上，經(jīng)PBS 11反射并平行于導軌運動方向z向的反射光束，透過四分之一波片7，照射在固結(jié)在運動導軌上的半透、半反平面鏡6，被該半透半反平面鏡6反射的反射光又返回到四分之一波片7并透過PBS 11的分光面照射位于PBS11上方的角漂量光電檢測系統(tǒng)13，用于測量主導軌套繞x軸方向的角擺變化量θx；經(jīng)半透半反平面鏡6透射的光束，照射到主導軌套19激光對心監(jiān)測系統(tǒng)4，基于壓電陶瓷PZT驅(qū)動技術的微位移找中工作臺3帶動激光對心監(jiān)測系統(tǒng)與激光光束對中，其位移量由y向找中微位移監(jiān)測傳感器5監(jiān)測，主導軌套19運動過程中，其y向平動量由激光對心監(jiān)測系統(tǒng)4的y向分量和y向微位移監(jiān)測傳感器5得到，這樣就可以得到運動主導軌套19沿y向的平移量εy。知道了主導軌套19繞垂直于紙面方向的角擺變化量θx和沿y向的平移量εy，再經(jīng)過模型求解，將εy和θx對圓柱度測量結(jié)果的影響值從圓柱度測量結(jié)果中剔除，最終實現(xiàn)超精密圓柱度測量裝置直線運動誤差的檢測和補償。
導軌運動過程中，直流驅(qū)動電機22驅(qū)動精密絲杠21轉(zhuǎn)動，帶動絲杠螺母連接機構(gòu)20向上運動，解耦驅(qū)動式絲杠螺母連接機構(gòu)20與副導軌套18相聯(lián)，用于驅(qū)動副導軌套18沿Z向運動，由于采用了主副雙導軌直行系統(tǒng)并使主導軌套直線運動基準與副導軌套平衡導軌處于準平衡狀態(tài)，這樣采用微動力便可以實現(xiàn)平衡驅(qū)動，減小電機的驅(qū)動負載，使運動體處于準平穩(wěn)狀態(tài)。同時，電機驅(qū)動采用球體與副導軌套18下平面接觸，僅產(chǎn)生Z向推力驅(qū)動環(huán)節(jié)作用在副導軌上，立式光柵測量系統(tǒng)也作用在副導軌上，主、副導軌間通過解耦式的“柔性”鋼絲連接，最大程度地減小對主導軌套19的干擾，使其干擾對圓柱度儀測量傳感器25的影響極小。
圓柱度儀直行運動誤差激光透反組合監(jiān)測補償理論依據(jù)及原理如圖3所示，設主導軌套19初始位置坐標系為O-xoyozo，O為坐標原點，zo為運動方向。當主導軌套19沿zo方向從初始位置到達某一位置時，物體的坐標系變?yōu)镺′-xyz，由于物體運動誤差的影響，坐標原點O離開理想的運動方向zo軸，到達O′(εx，εy，εz+vt)點。物體在運動過程中的直線運動誤差可分解為在xo軸和yo軸方向上產(chǎn)生的平移運動誤差εx和εy、分別繞三個坐標軸xo、yo和zo的轉(zhuǎn)動誤差θx、θy和θz及沿zo軸運動的定位誤差εz六項運動誤差。
選主導軌套19上任意一點r作為參考點，運動前的初始位置坐標設為r(rxo，ryo，rzo)，由于受主導軌套19運動誤差θx、θy、θz、εx、εy和εz的影響，到達坐標系O′-xyz中的位置點為r′(rx，ry，rz)，其坐標位置相對于初始坐標系O-xoyozo的關系相當于坐標系O′-xyz繞x、y及z坐標軸的三次旋轉(zhuǎn)及沿z軸的平動得到，即首先繞x軸旋轉(zhuǎn)一個-θx角，得中間坐標系O′-xy1z1，再繞y軸旋轉(zhuǎn)一個-θy角得第二個坐標系O′-x1y1zo，再繞z軸旋轉(zhuǎn)一個-θz角得坐標系O′-xoyozo，然后沿zo軸平動得到坐標系O-xoyozo，當坐標系在xo軸、yo軸方向上產(chǎn)生εx、εy平移，沿zo軸方向產(chǎn)生εz+vt項平移，即坐標原點由O′移到O時，矢量r′在O-xoyozo坐標系中可表示為rxoryorzo=1-θzθyθz1-θx-θyθx1rxryrz+ϵxϵyϵz+vt--(1)]]>無運動誤差理想狀態(tài)下，r點運動后應該到達理想位置(rx，ry，rz+vt)，則運動誤差與理想位置的偏差為ΔrxoΔryoΔrzo=rxo-rxryo-ryrzo-rz=0-θzθyθz0-θx-θyθx0rxryrz+ϵxϵyϵz--(2)]]>就直線運動而言，zo方向的定位誤差εz由位移傳感器直接測得，導軌直線運動誤差中，可不考慮該項誤差，即令εz＝0，則上式可簡化為 式(3)中有εx、εy、θx、θy和θz五個獨立變量，若求得這五個變量，必須聯(lián)立5個獨立方程，即在主導軌套19上選取三個不同的監(jiān)測點，分別檢測它們與理想狀態(tài)的偏移量，將其代入方程3中，即可獲得直線運動誤差各項值。
依據(jù)上述運動誤差模型，用相互平行的與導軌運動方向一致的三束激光光束作為監(jiān)測基準，在導軌運動物體上選r1、r2和r3三點作為監(jiān)測點，并用三個四象限探測器QPD探測各自點位置狀態(tài)。在初始位置時，使三束激光光束中心與三個QPD中心重合，這樣當運動導軌沿Z軸移動時，三個QPD就能夠分別測得它們與x、y軸的平移偏差Δrxoi、Δryoii＝1，2，3，依據(jù)公式(3)有 選r1點作為基準坐標原點，即rx1＝ry1＝rz1＝0，主導軌套19誤差即可描述為r1點在x、y坐標上的平移誤差εx、εy和繞r1點轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)角誤差θx、θy和θz，此時有rx1＝ry1＝rz1＝0 求解式(5)方程組得 則主導軌套上任意點Q(x，y，z)的運動誤差狀態(tài)可表示為 其中εx、εy、θx、θy和θz由公式6決定。
圓柱度測量裝置中，傳感器通常布置為如圖1所示的單測頭法，被測回轉(zhuǎn)工件26置于回轉(zhuǎn)工作臺24上，傳感器25位于主導軌套19上。單測頭式圓柱度測量傳感器測量敏感方向設為y，導軌運動誤差對傳感器測量影響可由公式(7)得
Δy＝εy-xθz+zθx(8)光路布置時，若使x＝0、z＝0即傳感器測量線的延長線與運動導軌監(jiān)測點相交時，可完全消除導軌轉(zhuǎn)角誤差對傳感器測量值的影響。但在一般情況下，由于工件測量位置及傳感器安裝位置不同，致使z≠0，則Δy＝εy+zθx(9)在導軌運動誤差分離檢測中，三光束激光基準導軌直線度監(jiān)測法理論上可完全分離運動導軌的θx、θy、θz、εx、εy五種運動誤差，但其前提是三束基準光束與導軌運動方向嚴格保持平行、三個QPD接收面中心初始位置應分別與三束光束中心重合且與運動方向保持垂直、三束激光本身的方向穩(wěn)定性優(yōu)良、QPD的探測靈敏度高等。從技術角度看，滿足上述條件，特別是滿足三束基準光束與導軌運動方向嚴格保持平行，在實際調(diào)整中是很困難的。從公式9可以看出對圓柱度儀直線基準導軌這種特定使用條件下的直線運動基準監(jiān)測系統(tǒng)，無須完全分離檢測運動導軌的五種運動誤差，只要實時分離檢測θx及εy，即可完全分離補償直線運動基準運動誤差對圓柱度測量裝置測量精度的影響。針對圓柱度這種特殊需要，在此提出了基于激光透、反式圓柱度導軌誤差檢測法，用于實時檢測運動主導軌套θx和εy的運動體誤差，得到θx和εy遠動誤差再經(jīng)過模型化求解，即可得到由運動導軌誤差θx和εy引起的傳感器的誤差，并實時從傳感器測量結(jié)果中剔除，繼而實現(xiàn)了圓柱度導軌運動誤差的高精度實時監(jiān)測補償。
基于上述分析，本發(fā)明針對圓柱度測量裝置直線運動基準的具體應用狀況，提出了一種監(jiān)測圓柱度測量裝置直線運動誤差透反組合的激光光束檢測補償方法與技術。其光束透、反組合監(jiān)測補償技術原理如4所示，光路布局時，盡量減小半透、半反平面鏡6和激光對心檢測系統(tǒng)4之間的距離。微位移找中工作臺3與主導軌套19相聯(lián)，檢測y向平移量的對心監(jiān)測系統(tǒng)4位于其上，控制微位移驅(qū)動系統(tǒng)，使QPD中心始終對中基準激光光束10能量中心，微驅(qū)動的位移量由高精度微位移監(jiān)測傳感器5檢測，其大小與QPD的y向偏移量之和對應導軌套運動過程中的y向平動量。依據(jù)光杠桿原理，H向尺寸越大，角擺量監(jiān)測系統(tǒng)的檢測靈敏度越高，若H向結(jié)構(gòu)尺寸受限制，測角傳感器也可設計為基于內(nèi)反射原理的臨界角測角傳感器，增加對導軌角擺量的測量能力。H向尺寸高度可用圖2中的測高標尺光柵系統(tǒng)測得。
激光透、反組合監(jiān)測補償技術的具體原理如圖4所示，經(jīng)方向穩(wěn)定處理后的高穩(wěn)定激光光束作為物理光束，將其入射到偏振分光鏡PBS 11的分光面反射后透過四分之一波片7，照射在固結(jié)在運動導軌上的半透半反平面鏡6，被該反射鏡反射的反射光又返回到四分之一波片7并透過PBS 11的分光面照射到角漂量光電檢測系統(tǒng)13上，用于測量主導軌套19繞垂直于紙面的x方向的角擺變化量，如圖4a所示；透射光照射到四象限硅光電池對心探測系統(tǒng)4上，用于測量主導軌套19沿y向的平移量，如圖4b所示。光路布置時，可使H遠大于h，這樣角漂量對平漂量的影響減小到最小，同時，H很大可使角擺量引起的Δx變化大，可增加角擺量的探測靈敏度。
目前，光杠桿式角度檢測系統(tǒng)檢測精度可達到10-8rad量級、平移量檢測精度可達到10nm以內(nèi)，完全可以滿足基準型圓柱度儀直線運動誤差激光檢測的精度需求。而激光光束自身的漂移量一般在10-4～10-6rad量級，遠不能滿足基準光束應達到10-7rad量級的準直精度要求。為滿足基準型圓柱度儀直線運動誤差高精度激光監(jiān)測時對高方向穩(wěn)定性基準激光光束的需求，在此發(fā)明中，提出了穩(wěn)定激光光束漂移量反饋控制的光纖準直系統(tǒng)。
其構(gòu)成原理見圖5，激光器1出射的光束經(jīng)擴束器27光纖耦合器28進入單模光纖2，單模光纖2和準直鏡29進行初級準直后變?yōu)槠叫泄馍湎蚬馐S平移光鏡機構(gòu)30，平移光鏡機構(gòu)30出射的光經(jīng)空間轉(zhuǎn)角反射鏡機構(gòu)31射向分光鏡BS1 33和分光鏡BS2 34，BS1反射的光照射在四象限探測器系統(tǒng)QPD1 35中心上用于探測光束的平漂量，BS2反射的光經(jīng)聚焦物鏡36聚焦在四象限探測器系統(tǒng)QPD2 37中心，QPD2位于聚焦物鏡36的焦平面上，用于探測光束的角漂移量。準直過程中，計算機32首先依據(jù)QPD1檢測出的激光束的空間二維角漂分量，來控制二維驅(qū)動機構(gòu)轉(zhuǎn)動角度反射鏡31使激光束向角漂減小的方向轉(zhuǎn)動，來減小激光束的角度漂移。QPD2探測的值主要體現(xiàn)為激光光束的平漂，其大小可以通過控制光束二維平移光鏡機構(gòu)30來抑制。光束漂移量反饋控制準直系統(tǒng)中，QPD1和光束空間平漂量控制機構(gòu)30構(gòu)成光束空間漂移量反饋控制系統(tǒng)，實時控制光束的空間平漂量。QPD2和光經(jīng)空間轉(zhuǎn)角反射鏡機構(gòu)31構(gòu)成光束空間漂移量反饋控制系統(tǒng)，實時控制光束的空間角漂量。在光束實時反饋控制準直過程中，激光束的空間平漂量及角漂量實現(xiàn)了分離檢測并各自形成實時反饋控制，減小了激光束控制過程中的相互耦合，提高了光束空間漂移量控制精度和準直效率。
準直系統(tǒng)中，QPD探測器選用日本HAMAMATSU公司生產(chǎn)的S1557型號，其十字交叉分隔線的線寬為10μm。為減小十字交叉分隔線對檢測電路精度的影響，同時提高系統(tǒng)的分辨力，激光器選用美國JDS Uniphase公司生產(chǎn)的1145P型號，其出射功率高達35mW。單模光纖選用美國MELLES GRIOT公司生產(chǎn)的型號為05FDS207的單模保偏光纖傳輸系統(tǒng)，它將耦合系統(tǒng)、光纖及準直系統(tǒng)集成于一體，耦合后出射光束的效率高達65％，出射光束的直徑為φ0.7mm光斑的圓度優(yōu)于95％，出射點穩(wěn)定度優(yōu)于1μrad/℃。壓電陶瓷驅(qū)動器選用中科院成都光電所的可伸縮壓電陶瓷驅(qū)動器，伸縮范圍為-6μm～+6μm，將其與四路壓電驅(qū)動電源及二維驅(qū)動機構(gòu)相配，角度反射鏡控制分辨力達2×10-8rad，有效調(diào)整范圍達20×10-6rad。平移控制鏡分辨力達3nm，控制范圍達2000nm，聚焦透鏡的焦距選用f＝150mm，信號采集及控制卡采用研華PCL813B。在準直距離約為500mm處，對準直基準光束垂直方向和水平方向的準直效果進行了測試。測試時間為900s，共采集40000個點，水平方向漂移量測試實驗數(shù)據(jù)見圖6，垂直方向漂移量測試見圖7。
激光束經(jīng)單模光纖準直后，如圖6中曲線38所示，出射光束在水平方向達到約0.9×10-6rad的準直精度；如圖7中曲線40所示，垂直方向達到約0.8×10-6rad的準直精度。光束經(jīng)單模光纖準直，再經(jīng)漂移量反饋控制后，如圖6中曲線39所示，水平方向達到約0.6×10-7rad的準直精度；如圖7中曲線41所示，垂直方向達到約0.5×10-7rad的準直精度。從實驗看出，經(jīng)過光束漂移量反饋控制補償后，光束的漂移量明顯得到抑制，準直效果提高一個量級。
權(quán)利要求
1.一種激光透、反組合監(jiān)測補償式圓柱度儀直線運動基準裝置，包括主導軌立柱(16)、主導軌套(19)，其特征在于該裝置還包括平行于主導軌套(19)運動方向的激光光束(10)、依次放置在沿激光光束(10)方向上的半透半反平面鏡(6)、放置在主導軌套上的檢測主導軌套偏移量的激光透射光束對心監(jiān)測系統(tǒng)(4)、放置在半透半反平面鏡(6)反射光束方向上的主導軌套角漂量光電檢測系統(tǒng)(13)構(gòu)成的導軌運動誤差激光透反監(jiān)測系統(tǒng)；與主導軌立柱(16)平行設置的副導軌立柱(17)、其上設置副導軌套(18)、柔性連接帶(15)通過滑輪機構(gòu)(14)連接主導軌套(19)和副導軌套(18)構(gòu)成的主副雙導軌直行系統(tǒng)；直流驅(qū)動電機(22)、精密絲杠(21)、與副導軌套(18)相聯(lián)的解耦驅(qū)動式絲杠螺母連接機構(gòu)(20)、固結(jié)在副導軌套(18)上的指示光柵(8)、與副導軌立柱(17)平行設置的測高標尺光柵尺(9)構(gòu)成的隔離式抗干擾驅(qū)動及測高系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所說的激光透射光束對心監(jiān)測系統(tǒng)(4)上設置有基于壓電陶瓷(PZT)驅(qū)動的圓柱度儀傳感器測量方向(y向)微位移找中工作臺(3)和y向找中微位移監(jiān)測傳感器(5)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于還包括產(chǎn)生基準激光光束的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括高方向穩(wěn)定激光器(1)、單模光纖準直系統(tǒng)(2)、激光方向穩(wěn)定裝置(12)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于還包括放置在激光方向穩(wěn)定裝置(12)出射光束方向上的偏振分光鏡(10)、放置在半透、半反射鏡(6)上方的四分之一波片(7)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種激光透、反組合監(jiān)測補償式圓柱度儀直線運動基準裝置，屬于表面形狀測量技術領域，特別適應于超精密圓柱度測量裝置。本發(fā)明將激光透反組合監(jiān)測補償技術、主副雙導軌直行技術和隔離式抗干擾驅(qū)動技術集為一體，以激光光束作為物理基準，依據(jù)導軌直線運動基準運動誤差對圓柱度測量裝置測量結(jié)果的作用規(guī)律，提供一種基于激光透、反組合監(jiān)測補償式主副雙導軌結(jié)構(gòu)的超精密圓柱度直線運動基準裝置，克服了已有圓柱度測量裝置直線運動基準技術的不足。
文檔編號G01B11/24GK1584495SQ200410062208
公開日2005年2月23日 申請日期2004年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月30日
發(fā)明者譚久彬, 趙維謙, 鄒麗敏, 崔繼文, 趙熙萍 申請人:哈爾濱工業(yè)大學