【摘要】：直線度是表征各類高端裝備中精密導(dǎo)軌或運(yùn)動(dòng)平臺(tái)性能的重要幾何參數(shù),直線度的高精度測(cè)量是保證高端裝備整體性能的先決條件。直線度測(cè)量技術(shù)屬測(cè)試計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域重要研究課題,可以用于超精密加工、微電子制造、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)等領(lǐng)域的直線度誤差檢測(cè)與校準(zhǔn)。隨著我國供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的不斷深化,“加快發(fā)展先進(jìn)制造業(yè),加快建設(shè)制造業(yè)強(qiáng)國”制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略路線的不斷推進(jìn),愈加突顯測(cè)量?jī)x器的作用與地位。然而,我國在新型精密測(cè)量技術(shù)及儀器領(lǐng)域與歐美日等工業(yè)發(fā)達(dá)國家之間存在差距。本論文從國家對(duì)高端裝備制造業(yè)需求出發(fā),開展新型直線度與位移同時(shí)測(cè)量技術(shù)研究,提出了激光單頻偏振干涉直線度及位移同時(shí)測(cè)量方法,利用非線性更具優(yōu)勢(shì)的激光單頻干涉技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高精度測(cè)量,建立直線度、位移以及轉(zhuǎn)動(dòng)誤差六自由度參數(shù)同時(shí)測(cè)量數(shù)學(xué)模型,充分利用激光單頻干涉技術(shù)高精度測(cè)量?jī)?yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了4個(gè)自由度參數(shù)測(cè)量,依據(jù)直線度、位移以及轉(zhuǎn)動(dòng)誤差耦合關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了直線度及位移測(cè)量結(jié)果的補(bǔ)償。論文詳細(xì)研究了激光單頻偏振干涉直線度及位移同時(shí)測(cè)量的方法及測(cè)量系統(tǒng)研制的相關(guān)技術(shù)。論文主要的研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:1、從直線度及位移測(cè)量的實(shí)際實(shí)現(xiàn)方法出發(fā),深入分析直線度及位移測(cè)量模型,從“共光路”結(jié)構(gòu)與空氣折射率影響方面進(jìn)行光路分析與優(yōu)化,提出了一種激光單頻偏振干涉直線度及位移同時(shí)測(cè)量方法,通過激光單頻偏振干涉技術(shù)解調(diào)兩測(cè)量光束的位移信息,解決了直線度誤差及其位置信息同時(shí)獲取的技術(shù)問題,并利用其非線性優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)了高精度測(cè)量。2、在激光單頻偏振干涉直線度及位移同時(shí)測(cè)量光路的基礎(chǔ)上,提出了一種直線度、位移以及轉(zhuǎn)動(dòng)誤差六自由度參數(shù)同時(shí)測(cè)量方法,采用基于單頻干涉條紋圖分析的二維小角度測(cè)量方法檢測(cè)俯仰角與偏擺角誤差,結(jié)合準(zhǔn)直測(cè)量方法檢測(cè)滾轉(zhuǎn)角與水平直線度誤差,實(shí)現(xiàn)了六自由度參數(shù)同時(shí)測(cè)量;建立了直線度、位移及轉(zhuǎn)動(dòng)誤差的六自由度參數(shù)同時(shí)測(cè)量數(shù)學(xué)模型,結(jié)合測(cè)量光束渥拉斯頓棱鏡內(nèi)部光程分析,實(shí)現(xiàn)了對(duì)直線度及位移測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確補(bǔ)償。3、提出了一種基于信號(hào)修正的激光單頻偏振干涉信號(hào)處理方法,設(shè)計(jì)預(yù)處理、前置處理和相位延遲修正用于干涉信號(hào)修正,消除了直流偏置、振幅不一致以及相位非正交產(chǎn)生的相位測(cè)量影響,設(shè)計(jì)CORDIC小數(shù)計(jì)數(shù)方法,結(jié)合雙路信號(hào)整數(shù)計(jì)數(shù)方法,實(shí)現(xiàn)了高精度的相位檢測(cè);提出了以中值濾波器、二值化、分離條紋、條紋直線擬合以及直線間距計(jì)算算法為核心的干涉條紋圖像處理方法,實(shí)現(xiàn)了基于LabVIEW的干涉條紋圖像處理程序;分析了四象限探測(cè)器差分電流信號(hào)與光斑位置坐標(biāo)關(guān)系,對(duì)用于歸一化坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)之間轉(zhuǎn)換參數(shù)k進(jìn)行推導(dǎo)與仿真分析;最后給出了信號(hào)處理系統(tǒng)配套設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng),并對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行了說明。4、建立了激光單頻偏振干涉直線度及位移同時(shí)測(cè)量非線性誤差分析模型,理論研究和仿真分析了激光偏振態(tài)橢偏化、渥拉斯頓棱鏡安裝誤差、直角反射棱鏡偏擺角誤差、四分之一波片安裝誤差以及偏振分光棱鏡安裝誤差對(duì)直線度及位移測(cè)量影響;利用空氣折射率間接測(cè)量方法(PTF法)實(shí)現(xiàn)了激光波長(zhǎng)的修正,設(shè)計(jì)了測(cè)量裝置環(huán)境擾動(dòng)抑制方案,降低了外界環(huán)境干擾對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的影響;結(jié)合最小二乘法與滿足最小包容區(qū)域法的優(yōu)點(diǎn),提出了基于最小二乘法與二分搜索法的直線度誤差評(píng)定方法。5、構(gòu)建了激光單頻偏振干涉直線度及位移同時(shí)測(cè)量與運(yùn)動(dòng)誤差檢測(cè)系統(tǒng),分別進(jìn)行可行性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、綜合性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)�？尚行则�(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明研制的測(cè)量系統(tǒng)三次重復(fù)性六自由度參數(shù)同時(shí)測(cè)量結(jié)果趨勢(shì)一致,且均符合被測(cè)導(dǎo)軌自身的規(guī)格參數(shù);綜合性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中俯仰角、偏擺角、水平直線度、垂直直線度誤差以及位移測(cè)量數(shù)據(jù)與英國Renishaw公司XL80干涉儀測(cè)量數(shù)據(jù)比對(duì),標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.353 arcsec、0.414arcsec、0.882μm、0.398μm和0.320μm,滾轉(zhuǎn)角誤差測(cè)量與青島前哨精密儀器有限公司的WL11型數(shù)字水平儀測(cè)量數(shù)據(jù)比對(duì),標(biāo)準(zhǔn)差為0.839 arcsec,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示研制的測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)與比對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)具有較好的一致性;應(yīng)用性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了VM1000型數(shù)控機(jī)床Y軸導(dǎo)軌直線度校準(zhǔn)檢測(cè)實(shí)驗(yàn),檢測(cè)結(jié)果表明研制的測(cè)量系統(tǒng)可應(yīng)用于實(shí)地?cái)?shù)控機(jī)床直線度校準(zhǔn)檢測(cè)。
【學(xué)位授予單位】：浙江理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG659
【圖文】：

圖 1.1 基于單模光纖和調(diào)制解調(diào)技術(shù)準(zhǔn)直直線度誤差測(cè)量學(xué)的馮其波團(tuán)隊(duì)用半導(dǎo)體激光器、單模光纖準(zhǔn)直激光束作測(cè)器作為位置傳感器實(shí)現(xiàn)直線度誤差測(cè)量[22]。在此基礎(chǔ)上測(cè)量靈敏度[23-25]，提出了一種雙角錐棱鏡多反射二自由度

圖 1.2 角錐棱鏡多反射二自由度直線度誤差測(cè)量 1.2 所示，該系統(tǒng)由一個(gè)固定單元和一個(gè)移動(dòng)單元組成，固定單元放置單元?jiǎng)傂缘匕惭b到移動(dòng)物體或目標(biāo)上；準(zhǔn)直激光源（1）和 CCD 攝像機(jī)單元上，從單模光纖（2）發(fā)出的激光束通過準(zhǔn)直透鏡（3）變?yōu)槠叫袦?zhǔn)

如圖1.4 所示，該系統(tǒng)由光纖耦合傳輸單元、測(cè)量單元和移動(dòng)單元組成。光纖耦合傳輸單元由雙頻 He-Ne 激光器、四分之一波片（QWP1）、分光棱鏡（BS1）、偏振片（P1）、光電探測(cè)器（D1）、耦合透鏡（C-lens）和保偏光纖（PMF）組成，雙頻激光器的輸出光束是具有恒定頻率差的右旋和左旋圓偏振光束，通過 QWP1 被變換為兩個(gè)正交線性偏振光束，兩個(gè)正交線性偏振光束是六自由度運(yùn)動(dòng)誤差的測(cè)量基準(zhǔn)，由 PMF 傳輸以保持頻率差和偏振態(tài)的穩(wěn)定性。圖 1.4 基于基于保偏光纖耦合雙頻激光的六自由度運(yùn)動(dòng)兩個(gè)正交的線性偏振光束由 PMF 引入測(cè)量單元，被偏振分光棱鏡（PBS1）分光，透射的 p 偏振光作為測(cè)量光束，用于直線度誤差、定位誤差和光束漂移測(cè)量，被反射的 s 偏振光被分光棱鏡（BS2）分光，透射光束作為測(cè)量定位誤差的參考光束，反射光束作為測(cè)量直線度誤差、俯仰和偏擺角的測(cè)量光束。沿 Z 軸運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)單元是由兩個(gè)立體角反射器（RR2 和 RR3）和一個(gè)分束器（BS5）組成。該測(cè)量系統(tǒng)通過光電探測(cè)器 D1 和光電探測(cè)器 D2 產(chǎn)生的參考與測(cè)量信號(hào)

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2797501