激光外差干涉直線度測(cè)量的阿貝誤差分析及補(bǔ)償研究.pdf

1、在現(xiàn)代精密機(jī)械及儀器的制造中，直線度作為表征零件形狀的主要幾何要素之一，在機(jī)械精度中有著重要的地位和作用。激光外差干涉直線度測(cè)量方法以其高精度、高信噪比、高抗干擾性等特點(diǎn)在直線度測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但是在實(shí)際測(cè)量過程中，系統(tǒng)存在的阿貝誤差嚴(yán)重制約了激光外差干涉直線度測(cè)量方法測(cè)量精度的提高。
　　本論文依托國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“誤差補(bǔ)償式激光偏振干涉直線度及位移測(cè)量方法研究”(No：51375461)，就激光外差干涉直線度及其位

2、置測(cè)量系統(tǒng)中的阿貝誤差分析及其補(bǔ)償方法進(jìn)行了相關(guān)研究，旨在減小或者消除該測(cè)量系統(tǒng)中的阿貝誤差影響，在提高其直線度及其位置測(cè)量精度的同時(shí)給出了基于該系統(tǒng)的多自由度同時(shí)測(cè)量方法。
　　論文綜合分析了激光直線度測(cè)量方法和阿貝誤差及其補(bǔ)償方法的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，介紹了激光外差干涉直線度及其位置同時(shí)測(cè)量的原理，分析了該方法在測(cè)量過程中存在的阿貝誤差產(chǎn)生的原因，設(shè)計(jì)了具有多自由度檢測(cè)及阿貝誤差補(bǔ)償?shù)募す馔獠罡缮嬷本€度及其位置測(cè)量系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)，

3、建立了阿貝誤差的檢測(cè)數(shù)學(xué)模型，利用激光追跡法以及光學(xué)幾何法分析了系統(tǒng)直線度測(cè)量過程中存在的多自由度參數(shù)與探測(cè)器接收到的光斑位置之間的映射關(guān)系，由此給出了系統(tǒng)六自由度同時(shí)測(cè)量的表達(dá)式，隨后分析了被測(cè)導(dǎo)軌的角度誤差對(duì)系統(tǒng)直線度及其位置測(cè)量結(jié)果的影響，提出了直線度及其位置檢測(cè)的阿貝誤差補(bǔ)償方法及表達(dá)式，接著設(shè)計(jì)了信號(hào)處理系統(tǒng)，包括激光干涉信號(hào)處理以及阿貝誤差檢測(cè)信號(hào)處理，最后利用Visual Basic語言設(shè)計(jì)了系統(tǒng)上位機(jī)軟件。
　　為

4、了驗(yàn)證本論文提出的激光外差干涉直線度測(cè)量系統(tǒng)多自由度檢測(cè)及阿貝誤差補(bǔ)償方法的可行性，搭建了系統(tǒng)整體實(shí)驗(yàn)裝置，分別進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)：(1)單參數(shù)檢測(cè)與比對(duì)實(shí)驗(yàn)，包括俯仰角、偏擺角、滾轉(zhuǎn)角、水平直線度的檢測(cè)及比對(duì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：俯仰角檢測(cè)結(jié)果與Renishaw干涉儀中的角度測(cè)量組件的測(cè)量結(jié)果的偏差最大值為1.586arcsec，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.568arcsec；偏擺角的檢測(cè)結(jié)果與Renishaw干涉儀中的角度測(cè)量組件測(cè)量結(jié)果的偏差最大值為0.84

5、2arcsec，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.352arcsec；滾轉(zhuǎn)角的檢測(cè)結(jié)果與WL11電子水平儀的測(cè)量結(jié)果的偏差最大值為2.692arcsec，標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.080arcsec；水平直線度檢測(cè)與Renishaw的直線度測(cè)量組件的測(cè)量結(jié)果的偏差最大值為1.869μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.735μm。由這些檢測(cè)比對(duì)結(jié)果可知，論文提出的系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)檢測(cè)方法具有可行性且能達(dá)到較高的測(cè)量精度。(2)阿貝誤差補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)，包括被測(cè)導(dǎo)軌直線度及其位移的檢測(cè)及補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)，

6、實(shí)驗(yàn)結(jié)果：補(bǔ)償前系統(tǒng)直線度測(cè)量結(jié)果與 Renishaw固定測(cè)量鏡法的測(cè)量結(jié)果的偏差最大值為26.311μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為9.767μm，補(bǔ)償后的系統(tǒng)直線度測(cè)量結(jié)果與Renishaw的固定干涉鏡法的測(cè)量結(jié)果的偏差最大值為2.075μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.935μm。補(bǔ)償前系統(tǒng)的位移測(cè)量結(jié)果與 PI導(dǎo)軌的定位位置結(jié)果的偏差最大值為10.229μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.669μm，補(bǔ)償后的系統(tǒng)位移測(cè)量結(jié)果與PI導(dǎo)軌的定位位置結(jié)果的偏差最大值為0.712μ

7、m，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.331μm，由此可見論文提出的直線度及位移補(bǔ)償方法具有很好的補(bǔ)償效果，有效的提高了系統(tǒng)直線度及其位置的測(cè)量精度。(3)為了驗(yàn)證系統(tǒng)系統(tǒng)多自由度同時(shí)檢測(cè)及阿貝誤差補(bǔ)償?shù)闹貜?fù)性，進(jìn)行了系統(tǒng)重復(fù)性測(cè)量實(shí)驗(yàn)。三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：偏擺角的標(biāo)準(zhǔn)偏差依次為2.50arcsec、2.23arcsec、2.34arcsec；俯仰角的標(biāo)準(zhǔn)偏差依次為9.00arcsec、9.33arcsec、9.16arcsec；滾轉(zhuǎn)角的標(biāo)準(zhǔn)偏差依次為3.39