導(dǎo)軌五自由度運(yùn)動(dòng)誤差的光學(xué)與傾角傳感器組合測量方法

郭俊康,李鑫波,李勰

(1.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,710049,西安;2.西安交通大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,710049,西安)

高端精密裝備的技術(shù)水平與研發(fā)能力是現(xiàn)代工業(yè)中國家競爭力與綜合國力的重要因素。直線導(dǎo)軌系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于精密機(jī)床、半導(dǎo)體制造裝備等高端精密裝備中,其幾何精度與運(yùn)動(dòng)精度直接決定著精密裝備的整機(jī)精度性能[1]。直線導(dǎo)軌系統(tǒng)包含3項(xiàng)線性誤差(定位誤差、水平和豎直平動(dòng)誤差)和3項(xiàng)姿態(tài)誤差(俯仰、偏擺和滾轉(zhuǎn)),其中定位誤差通常由絲杠等驅(qū)動(dòng)單元決定,并通過光柵進(jìn)行檢測與反饋,其他的五自由度誤差取決于導(dǎo)軌、導(dǎo)軌安裝基準(zhǔn)面的加工誤差。對于高端精密裝備來說,由于其運(yùn)動(dòng)精度要求苛刻,在直線導(dǎo)軌實(shí)際裝配中往往需要反復(fù)測量、拆裝、調(diào)整[2]。

當(dāng)前對于直線導(dǎo)軌誤差測量多采用激光干涉儀、激光準(zhǔn)直儀、電子水平儀等。測量過程中,通常每次只能進(jìn)行單項(xiàng)誤差測量,需要更換測量組件或儀器才可完成多自由度的完全測量。因此,測量手段不足成為了制約精密裝備制造效率、質(zhì)量提升的主要瓶頸問題,直線導(dǎo)軌系統(tǒng)多自由度誤差同時(shí)測量技術(shù)越來越得到國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)及生產(chǎn)企業(yè)的重視[3-4]。

當(dāng)前多自由度誤差同時(shí)測量研究的測量原理與方案主要包括3類:基于激光準(zhǔn)直的方案、基于激光干涉的方案、基于光柵衍射的方案。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一個(gè)特殊組合棱鏡,并提出了和相敏檢測技術(shù)相結(jié)合,測量移動(dòng)工作臺(tái)五自由度誤差的方法。文獻(xiàn)[6-8]對多自由度誤差同時(shí)測量開展了系統(tǒng)研究,提出將保偏光纖耦合的雙頻激光器引入到六自由度幾何誤差測量中,并詳細(xì)分析了誤差串?dāng)_和角錐棱鏡加工誤差對測量精度的影響。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于幾何光學(xué)的四自由度幾何誤差測量方案,設(shè)計(jì)了一種二維混合調(diào)整鏡架,以抑制激光漂移對測量結(jié)果的影響。文獻(xiàn)[10-11]進(jìn)一步提出了通過測量兩平行光束之間的相對位置變化進(jìn)行滾轉(zhuǎn)角測量的方案,同時(shí)實(shí)現(xiàn)五自由度同時(shí)測量。

在基于激光干涉的測量方面,2016年,文獻(xiàn)[12-13]提出了一種六自由度誤差同時(shí)測量方案,將外差干涉和差分波前技術(shù)相結(jié)合用于測量工作臺(tái)的定位誤差和俯仰偏擺角誤差,利用位敏探測器感知二維直線度誤差的變化,以半波片為敏感元件,通過干涉信號(hào)的強(qiáng)度變化確定滾轉(zhuǎn)角誤差。文獻(xiàn)[14-15]在沃拉斯頓棱鏡式直線度干涉儀和邁克爾遜干涉儀的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了六自由度誤差的同時(shí)測量。利用光柵衍射特性,文獻(xiàn)[16-17]提出一種六自由度同時(shí)測量的方法。文獻(xiàn)[18]通過反射光柵和參考光柵的±1級(jí)衍射光的干涉信號(hào)實(shí)現(xiàn)了定位誤差和豎直直線度誤差的同時(shí)測量。文獻(xiàn)[19]基于幾何變換關(guān)系和自準(zhǔn)直原則,提出了一種新的滾轉(zhuǎn)角測量方法,相較于傳統(tǒng)方法,特殊的光學(xué)設(shè)計(jì)使得分辨率提高了一倍。在此基礎(chǔ),進(jìn)一步開發(fā)了一種緊湊的三維角度測量系統(tǒng)。

對比上述3種測量方案,其中基于激光干涉原理的方案,測量精度較高,測量范圍大,但測量過程不可斷光,對激光器以及采集系統(tǒng)等硬件要求較高,光學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本較高,難以在生產(chǎn)現(xiàn)場規(guī)模應(yīng)用?；诠鈻叛苌涞臏y量方案,測量范圍較小,難以實(shí)現(xiàn)光路的快速調(diào)節(jié)。此外,光柵作為敏感元件,可能因溫度影響產(chǎn)生形變引入測量誤差?；跍?zhǔn)直激光和幾何光學(xué)的測量方案,結(jié)構(gòu)簡單,成本低,具備生產(chǎn)現(xiàn)場規(guī)模應(yīng)用的潛力,但也存在明顯的激光漂移對測量精度的直接影響。

本文從制造現(xiàn)場實(shí)際需求出發(fā),提出一種基于多傳感器融合的導(dǎo)軌五自由度同時(shí)測量方案,并提出激光漂移的補(bǔ)償方案,建立了高效、低成本的測量系統(tǒng)。

1 多傳感器融合的直線導(dǎo)軌五自由度測量方法

本文采用多傳感器融合方式,建立直線導(dǎo)軌五自由度測量系統(tǒng)。首先對俯仰偏擺角測量、二維直線度測量以及滾轉(zhuǎn)角測量原理進(jìn)行分析,進(jìn)而提出誤差分離與補(bǔ)償策略。

1.1 俯仰偏擺角測量

俯仰偏擺角測量光路如圖1所示,包括移動(dòng)單元和固定單元。固定單元固定于靜止的安裝基準(zhǔn)上,發(fā)射激光光束并且接收和檢測反射光束。移動(dòng)單元固定于直線導(dǎo)軌系統(tǒng)工作臺(tái),用于感知和反饋工作臺(tái)的位姿變化。

圖1 俯仰偏擺角測量光路

光束由激光器出射后通過分光棱鏡(BS)分為兩條光束,透射光線沿測量方向垂直入射移動(dòng)單元平面鏡,反射后通過分光鏡、直角轉(zhuǎn)向棱鏡(TM),經(jīng)過透鏡入射到位敏傳感器(PSD)上。當(dāng)移動(dòng)單元產(chǎn)生俯仰偏擺角度變化時(shí),將引起平面鏡空間姿態(tài)變化,此時(shí)平面反射鏡的法向量變?yōu)?/p>

(1)

式中:α、β分別為移動(dòng)單元繞x軸和y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)誤差。通過空間光追跡法可以得到進(jìn)入透鏡的光線矢量變?yōu)閇20]

(2)

以初始位置時(shí)光束通過透鏡中心作為基準(zhǔn),則在測量位置處透鏡入射光束產(chǎn)生角度偏移,傳感器1檢測到光斑相對于參考位置處的水平和豎直位移變化分別為

(3)

式中:d1x為傳感器1檢測到的光斑水平位移變化;f為透鏡焦距;d1y為傳感器1檢測到光斑的豎直位移變化。移動(dòng)單元運(yùn)動(dòng)中角度變化較小,因此有2α≈tan2α,2β≈tan2β,其角度變化與傳感器1位移信號(hào)對應(yīng)關(guān)系如下

(4)

1.2 二維直線度測量

二維直線度測量模塊光路如圖2所示。移動(dòng)單元在運(yùn)動(dòng)中發(fā)生平移變化時(shí),安裝于其上的角錐棱鏡(RR)使準(zhǔn)直激光器出射基準(zhǔn)光束的反射光束產(chǎn)生相應(yīng)平移變動(dòng),通過安裝于固定單元的傳感器2檢測光斑位置變化,即可得到移動(dòng)單元相對于準(zhǔn)直激光束的平移變動(dòng)。

圖2 二維直線度測量模塊光路

圖3所示為角錐棱鏡位置變化時(shí)激光光路變化,其中xyz坐標(biāo)系為移動(dòng)單元處于初始基準(zhǔn)位置處角錐棱鏡坐標(biāo)系。此時(shí),激光束垂直入射至平面ABC,在3個(gè)直角面依次反射,I1、I2、I3、I4分別為反射后相應(yīng)的光矢量。D0是入射光線和平面ABC的交點(diǎn),D1、D2、D3依次是光線與3個(gè)反射面的交點(diǎn),D4是出射光線和平面ABC的交點(diǎn)。i、j、k分別為直角面OBC、OAC、OAB的單位法向量,折射進(jìn)入平面AOB的光線1的單位矢量為

I1=-ai-bj-ck

(5)

式中:a、b、c為入射光線I1在x、y、z軸上相應(yīng)的方向數(shù)。反射光線2、3、4的單位矢量分別為

(6)

圖3 角錐棱鏡位置變動(dòng)時(shí)的光路變化

入射點(diǎn)的坐標(biāo)為D0(x0,y0,z0),則可以得到出射光線與出射面交點(diǎn)的坐標(biāo)為

(7)

式中:l為OA、OB、OC的距離。當(dāng)移動(dòng)單元沿導(dǎo)軌移動(dòng)時(shí),入射光線不變,固定在其上的角錐棱鏡變?yōu)镺′-x′y′z′。當(dāng)工作臺(tái)僅存在平移變化Δx、Δy時(shí),坐標(biāo)系O′-x′y′z′下入射點(diǎn)坐標(biāo)變?yōu)?/p>

(8)

式中Δu、Δv、Δw分別為坐標(biāo)系O′-x′y′z′相對于坐標(biāo)系O-xyz的x、y、z軸平動(dòng)量,則出射點(diǎn)坐標(biāo)變?yōu)?/p>

(9)

工作臺(tái)平動(dòng)誤差與傳感器2位移信號(hào)光斑平移的映射關(guān)系為

(10)

1.3 滾轉(zhuǎn)角測量

目前的光學(xué)測量方案中,滾轉(zhuǎn)角測量較為復(fù)雜,需要光學(xué)元件組合使用,測量儀器體積大、成本高。本文采用傾角傳感器對滾轉(zhuǎn)角進(jìn)行高靈敏度測量,實(shí)現(xiàn)了測量方案集成度高與低成本的目標(biāo)。

1.4 基于共光路的激光漂移分離檢測與補(bǔ)償

激光器發(fā)射光束作為測量的幾何基準(zhǔn),其穩(wěn)定性對測量系統(tǒng)精度具有直接影響。激光器在實(shí)際工作中,受到諧振腔發(fā)熱變形、空氣介質(zhì)折射率變化等因素影響,產(chǎn)生激光光束漂移,直接影響測量精度,因此需要對激光漂移進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測與補(bǔ)償。激光漂移可分為平漂移、角漂移與隨機(jī)漂移3種。隨機(jī)漂移主要與大氣湍流和環(huán)境波動(dòng)等因素有關(guān),可通過相關(guān)濾波算法抑制隨機(jī)漂移的影響。角漂移與平漂移主要與激光器的穩(wěn)定性有關(guān),可以通過分離檢測的方法進(jìn)行補(bǔ)償[21]。

圖4 平漂移分離檢測方法

圖4、圖5所示為本文提出的共光路激光漂移分離檢測方法。利用透鏡對光束平漂移不敏感而對角漂移敏感的特點(diǎn),通過傳感器3可以得到由于平漂移和角漂移共同引起的光斑位置變化,而通過傳感器4分離平漂移和角漂移誤差的分離。激光束在x、y方向的平漂移分量分別為εx和εy,激光器本身引起光矢量在x、y方向的角漂移分別為θ1、φ1,環(huán)境變化造成的激光束在x、y方向上的角漂移分別為θ2、φ2。

如圖4所示,當(dāng)只存在平漂移誤差時(shí),由幾何關(guān)系可知,在傳感器3檢測到的光斑位移為d3x=εx,d3y=εy。

圖5 角漂移分離檢測方法

如圖5所示,當(dāng)只存在角漂移誤差時(shí),在傳感器4上檢測到的光斑位移為

(11)

1.5 測量方法

綜合上述各誤差項(xiàng)的測量模型和基于共光路的激光漂移分離檢測與補(bǔ)償方法,得到如圖6所示的測量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方法。

①—俯仰偏擺測量單元;②—二維直線度測量單元;③—激光漂移測量補(bǔ)償單元;④—滾轉(zhuǎn)角測量單元。

相較現(xiàn)有的測量儀器,本文測量方法具有以下特點(diǎn):該測量系統(tǒng)可同時(shí)測量直線進(jìn)給系統(tǒng)五自由度誤差,測量效率高;通過共光路分離激光漂移誤差,提高了測量系統(tǒng)精度;采用傾角傳感器取代了角度誤差測量復(fù)雜光路元件,測量裝置更加簡單緊湊,成本顯著降低。

2 測量精度的影響因素與補(bǔ)償

在1.2節(jié)直線度測量中,假設(shè)移動(dòng)單元只存在水平和豎直兩方向的平移誤差。實(shí)際上角度誤差使光束空間位姿發(fā)生變動(dòng),對位移測量光路產(chǎn)生串?dāng)_,需要進(jìn)一步研究誤差串?dāng)_及解耦方法[6]。

如圖7所示,建立參考坐標(biāo)系O1-x1y1z1,測量坐標(biāo)系O2-x2y2z2。測量初始位置角錐棱鏡坐標(biāo)系為O3-x3y3z3,取角錐棱鏡頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),反射光束如紅色實(shí)線所示。在后續(xù)測量位置,角錐棱鏡產(chǎn)生平移和角度變化,坐標(biāo)系為O4-x4y4z4,光束如藍(lán)色虛線所示。

圖7 姿態(tài)變化對直線度的串?dāng)_

通過坐標(biāo)變換,可以得到測量位置角錐棱鏡坐標(biāo)系O4-x4y4z4相對于參考坐標(biāo)系O1-x1y1z1的齊次變換矩陣為

(12)

式中:a、b、c分別為角錐棱鏡相對于參考坐標(biāo)系O1-x1y1z1沿各方向的平移距離;Δx、Δy和α、β、γ分別為坐標(biāo)系O4-x4y4z4相對于坐標(biāo)系O3-x3y3z3的平移和旋轉(zhuǎn)分量。

采用下角標(biāo)i表示入射光斑的相關(guān)參數(shù),e表示出射光斑的相關(guān)參數(shù),上角標(biāo)“′”表示角錐棱鏡展開后的出射光斑的相關(guān)參數(shù)。在初始測量基準(zhǔn)位置處,入射光斑M(jìn)i在O1-x1y1z1中的齊次坐標(biāo)為

在O3-x3y3z3中的齊次坐標(biāo)為

出射光斑M(jìn)e在角錐棱鏡展開后的等效出射面中的坐標(biāo)為

式中:h為角錐棱鏡入射面到其錐頂?shù)木嚯x。通過中心對稱變換將入射面和出射面重合,實(shí)際的出射光斑在O3-x3y3z3的坐標(biāo)為[20]

式中:M為展開后角錐棱鏡出射面與其實(shí)際出射面間的中心對稱齊次變換矩陣

出射光斑在參考坐標(biāo)系O1-x1y1z1中坐標(biāo)為

在測量位置,入射光斑Ni在O1-x1y1z1中的齊次坐標(biāo)為

通過角錐棱鏡展開分析,可以得到在坐標(biāo)系O1-x1y1z1下,出射光斑Ne在角錐棱鏡展開后的等效出射面中的齊次坐標(biāo)為

式中:n為角錐棱鏡材料折射率。出射光斑Ne在實(shí)際出射面中的坐標(biāo)為

與初始基準(zhǔn)位置相比,可得傳感器2實(shí)際測得光斑位移變化為

d2=N1e-M1e=

(13)

角度誤差對平移誤差測量的串?dāng)_為

(14)

式中:偏擺角和滾轉(zhuǎn)角與水平直線度誤差耦合,俯仰角和滾轉(zhuǎn)角與豎直直線度誤差耦合。通過式(14)可以實(shí)現(xiàn)平移誤差的有效辨識(shí),消除由移動(dòng)單元姿態(tài)變化和阿貝誤差引起的誤差串?dāng)_。

3 測量系統(tǒng)性能測試實(shí)驗(yàn)

3.1 激光漂移補(bǔ)償方案驗(yàn)證

為了驗(yàn)證1.4節(jié)提出的激光漂移分離檢測方案的有效性,搭建如圖8所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),激光器及鏡組均安裝于隔振氣浮平臺(tái)上,其中傳感器1、傳感器2用于測量激光器本身的角漂移和平漂移,在距離1 m處通過傳感器4檢測包含環(huán)境干擾的總漂移,傳感器3測量角漂移,連續(xù)采樣4 000 s。

圖8 激光漂移分離檢測方案驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

環(huán)境干擾主要包含溫度、氣壓、濕度變化和氣流等干擾因素。根據(jù)實(shí)驗(yàn)光路建立激光束平漂移和角漂移與傳感器檢測到的光斑位移的對應(yīng)關(guān)系如下

(15)

式中:x1、y1、x2、y2、x3、y3、x4、y4分別是4個(gè)傳感器在x和y方向測得的光斑位移值;f1、f2分別為傳感器1和傳感器3前方安裝透鏡焦距;l1、l2、l3、l4分別為激光經(jīng)過的各段路徑長度;lBS為立方分光棱鏡的邊長。

利用上述平漂移和角漂移的對應(yīng)關(guān)系,由各個(gè)傳感器測量結(jié)果,對傳感器4檢測得到漂移量進(jìn)行補(bǔ)償,得到1 m位置處經(jīng)過分離檢測并補(bǔ)償?shù)募す馐灰谱儎?dòng)為

(16)

圖9所示為4 000 s內(nèi)傳感器4上的光斑位置散點(diǎn)圖以及通過式(16)分離補(bǔ)償后的結(jié)果,可見光斑漂移明顯變小。激光束在x軸漂移變動(dòng)量標(biāo)準(zhǔn)差為14.50 μm,范圍為45.13 μm;y軸漂移變動(dòng)量標(biāo)準(zhǔn)差為4.77 μm,范圍為25.12 μm。經(jīng)過分離檢測并補(bǔ)償后,x軸漂移范圍減小為2.19 μm,標(biāo)準(zhǔn)差為0.39 μm;y軸漂移范圍減小為3.02 μm,標(biāo)準(zhǔn)差為0.61 μm。本文提出的分離檢測激光漂移的方法通過多個(gè)傳感器檢測光源及環(huán)境引起的光束漂移,且可以實(shí)現(xiàn)快速補(bǔ)償,進(jìn)一步提高了測量系統(tǒng)精度。

圖9 補(bǔ)償前后光斑位置散點(diǎn)圖

3.2 測量系統(tǒng)精度對比實(shí)驗(yàn)

為了對本文提出的測量系統(tǒng)性能進(jìn)行實(shí)際測試,采用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌搭建了直線進(jìn)給系統(tǒng)測試平臺(tái)。相比于機(jī)床的直線進(jìn)給系統(tǒng),試驗(yàn)臺(tái)導(dǎo)軌安裝基準(zhǔn)面為銑削加工,未經(jīng)過刮研,幾何誤差較大,工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)誤差變化范圍大。在每一項(xiàng)誤差測量對比實(shí)驗(yàn)中,以導(dǎo)軌靠近固定單元處為起始位置,工作臺(tái)以50 mm的間距沿導(dǎo)軌移動(dòng),導(dǎo)軌行程為400 mm,共測量9個(gè)位置處的運(yùn)動(dòng)單元平移量與角度誤差。激光器光束漂移和環(huán)境干擾已通過前述補(bǔ)償光路方案進(jìn)行補(bǔ)償,在測量過程中設(shè)置傳感器采樣頻率為50 Hz,在每一個(gè)測量位置處平穩(wěn)狀態(tài)下停留10 s,取該位置處500個(gè)測量點(diǎn)的平均值作為該位置測量結(jié)果,以減少讀數(shù)穩(wěn)定性影響。

(1)俯仰偏擺角對比實(shí)驗(yàn)。使用XL-80激光干涉儀(Renishaw,分辨率為0.1 μm/m,精度為±0.000 2×當(dāng)前測量值±0.5±0.1×測量距離μrad)進(jìn)行俯仰角和偏擺角誤差測量對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中,將本文測量系統(tǒng)固定單元和激光干涉儀發(fā)射器放置在測試平臺(tái)兩側(cè),實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)過程俯仰角和偏擺角誤差的同時(shí)測量對比,如圖10所示。

圖11所示為對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以看出兩條誤差測量結(jié)果曲線非常接近,本文系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)與干涉儀數(shù)據(jù)基本一致。俯仰角誤差最大偏差為3.43″,最小偏差為-5.55″,標(biāo)準(zhǔn)差為2.52″;偏擺角誤差最大偏差為4.28″,最小偏差為-3.05″,標(biāo)準(zhǔn)差為2.22″。

(2)平移誤差對比實(shí)驗(yàn)。采用GEPARD M4激光準(zhǔn)直儀(REYTEC,分辨率為0.1 μm,重復(fù)性精度為±0.25 μm)進(jìn)行平移誤差測量對比實(shí)驗(yàn),測量方案如圖12所示,兩套測量系統(tǒng)的激光器同樣分別位于導(dǎo)軌平臺(tái)兩側(cè)。在平移誤差測量中需要遵循阿貝原則,但由于實(shí)際測量中無法保證兩個(gè)測量系統(tǒng)基準(zhǔn)光路重合,需要進(jìn)一步考慮角度誤差進(jìn)行修正對比。

圖12 平移誤差對比實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示,可以看出,兩條測量曲線的趨勢一致,本文測量系統(tǒng)與激光準(zhǔn)直儀相比,水平平移誤差最大偏差為2.03 μm,最小偏差為-2.47 μm,標(biāo)準(zhǔn)差為1.40 μm;豎直平移誤差最大偏差為1.30 μm,最小偏差為-1.92 μm,標(biāo)準(zhǔn)差為0.96 μm。

(a)水平平移誤差

(3)滾轉(zhuǎn)角對比實(shí)驗(yàn)。采用BLUELEVEL高精度電子水平儀(Wyler,分辨率為0.2″,精度為1%×當(dāng)前測量值+最小數(shù)顯位)進(jìn)行滾轉(zhuǎn)角對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中,將移動(dòng)測量單元和電子水平儀放置在工作臺(tái)上,同時(shí)對直線進(jìn)給系統(tǒng)的滾轉(zhuǎn)角誤差進(jìn)行測量,如圖14所示。

圖14 滾轉(zhuǎn)角誤差對比實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖15所示,與電子水平儀相比,滾轉(zhuǎn)角誤差測量的最大偏差為1.70″,最小偏差為-2.21″,標(biāo)準(zhǔn)差為1.59″。

圖15 滾轉(zhuǎn)角對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過上述對比實(shí)驗(yàn)可以看出,直線進(jìn)給系統(tǒng)的五自由度測量當(dāng)前需要激光干涉儀、準(zhǔn)直儀、水平儀等多種測量儀器的綜合使用,測量時(shí)間長。雷尼紹公司的多光束激光干涉儀XM-60通過四光束干涉測量和光學(xué)偏擺測量可實(shí)現(xiàn)任意方向6個(gè)自由度的同時(shí)測量,結(jié)構(gòu)緊湊,其主要參數(shù)與本文測量系統(tǒng)對比如表1所示。

由于本文提出的測量系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)簡單、元件成本更低的幾何光學(xué)測量原理,其測量分辨率與多光束激光干涉儀存在差距,但相比于現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道的多自由度測量方案,結(jié)構(gòu)更加緊湊,成本低。通過誤差測量對比試驗(yàn),本文系統(tǒng)測量精度可以滿足較高精度直線進(jìn)給系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)誤差要求。

4 結(jié) 論

(1)本文提出了一種基于光學(xué)與傾角傳感器組合的直線導(dǎo)軌系統(tǒng)五自由度運(yùn)動(dòng)誤差測量原理與方法,通過誤差解耦,消除各自由度誤差串?dāng)_。建立了基于共光路的激光漂移分離與補(bǔ)償方案,通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了可將激光漂移減小到3 μm范圍。

(2)通過與激光干涉儀、激光準(zhǔn)直儀、電子水平儀測量結(jié)果對比,本文提出的測量系統(tǒng)測量偏差滿足工程需求,且可實(shí)現(xiàn)五自由度同時(shí)測量,測量裝置成本顯著降低。