高精度二維平面光柵測量系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、現(xiàn)代測量系統(tǒng)無論是坐標(biāo)測量機(jī)還是精密數(shù)控加工中心，都需要對(duì)系統(tǒng)工作臺(tái)的二維方向進(jìn)行精確測量與定位。對(duì)于應(yīng)用最多的二維平面微位移測量系統(tǒng)，通常在二維方向上分別采用一維測量裝置在測量平面上裝夾定位來實(shí)現(xiàn)，裝夾定位的精度對(duì)二維平面運(yùn)動(dòng)的測量影響很大，安裝定位時(shí)往往造成阿貝誤差降低測量結(jié)果的精度，同時(shí)這種測量方法組成的測量系統(tǒng)占據(jù)較大的空間，對(duì)于一些小空間測量造成困難，給測量帶來不便。在微位移測量方法中，光柵測量技術(shù)具有精度高、量程大、對(duì)測量環(huán)

2、境要求相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用，特別是近年來光柵測量系統(tǒng)向納米級(jí)精度發(fā)展，為光柵的在高精度測量應(yīng)用中提供了廣闊的應(yīng)用前景。二維光柵測量技術(shù)具備一維光柵測量的優(yōu)點(diǎn)，可同時(shí)對(duì)兩個(gè)方向的平面微位移進(jìn)行測量，并且可以實(shí)現(xiàn)較為緊湊的結(jié)構(gòu)，為高精度二維平面測量提供了一種解決的方法，因此對(duì)二維光柵在精密測量應(yīng)用中的研究是具有現(xiàn)實(shí)意義。 本課題受到河南省杰出青年基金項(xiàng)目：“激光—全息光柵小孔傳感器中的關(guān)鍵技術(shù)研究”的資助，對(duì)利用單二維光柵與單光

3、源的平面微位移測量方法以及測量系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)地研究，這種方法為解決小空間平面微位移測量提供了一種切實(shí)可行的辦法，單光源和單二維平面光柵組成的測量系統(tǒng)在應(yīng)用中易于定位，對(duì)測量環(huán)境要求相對(duì)不高，同時(shí)這種測量系統(tǒng)輸出方波或者脈沖信號(hào)可以用來對(duì)平面位置的實(shí)時(shí)控制，為現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)中精確定位提供一種緊湊的測量系統(tǒng)。 本論文主要對(duì)二維平面光柵在平面位移測量系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，論文的主要內(nèi)容和工作包括： (1)對(duì)單平面

4、二維光柵測量平面位移的理論進(jìn)行研究。分析了二維平面光柵衍射場的分布規(guī)律，推導(dǎo)了二維光柵方程；基于波動(dòng)光學(xué)、多普勒分析以及傅立葉光學(xué)的方法推導(dǎo)了二維光柵平面微位移測量的基本原理；并對(duì)二維光柵測量系統(tǒng)中主要光學(xué)元件對(duì)測量信號(hào)的影響進(jìn)行了理論分析。 (2)基于平面二維光柵微位移測量理論的分析，研制了具有納米分辨率的平面二維光柵實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)。結(jié)合二維光柵測量系統(tǒng)的特點(diǎn)，為獲得質(zhì)量較好的莫爾條紋信號(hào)，降低測量系統(tǒng)對(duì)光柵平面運(yùn)動(dòng)誤差的敏感性

5、，增強(qiáng)系統(tǒng)適應(yīng)性，對(duì)二維平面光柵測量系統(tǒng)的檢測光路和光電接收電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，并在基于對(duì)二維光柵測量系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。 (3)對(duì)平面二維光柵測量系統(tǒng)的信號(hào)處理方法進(jìn)行了研究，提出基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光柵信號(hào)細(xì)分方法。這種測量方法針對(duì)二維光柵測量信號(hào)的特點(diǎn)，這種細(xì)分方法對(duì)信號(hào)的調(diào)整精度降低了要求，當(dāng)測量系統(tǒng)改變時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)細(xì)分模型的軟件自動(dòng)化處理。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)細(xì)分在較少的采樣點(diǎn)下實(shí)現(xiàn)高倍數(shù)的細(xì)分，這種細(xì)分方法軟硬結(jié)合、

6、結(jié)構(gòu)簡單、對(duì)硬件電路要求不高、同時(shí)具有很強(qiáng)的系統(tǒng)適應(yīng)性。 (4)系統(tǒng)分析了平面二維光柵測量系統(tǒng)的誤差來源，對(duì)激光光源導(dǎo)致的誤差、二維光柵質(zhì)量引入的誤差，光路結(jié)構(gòu)特別是光柵安裝定位引入的誤差、電路包括光電轉(zhuǎn)換、電子細(xì)分引入的誤差，以及測量環(huán)境引入的誤差進(jìn)行了詳盡的分析。其中二維光柵基準(zhǔn)、光源以及測量環(huán)境對(duì)測量的精度影響較大。經(jīng)分析指出光柵引入的誤差是整個(gè)測量系統(tǒng)最主要的系統(tǒng)誤差源；二維導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的直線度誤差是整個(gè)測量系統(tǒng)的最主要的隨