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1、第8卷第1期光学精密工程Vol.8,No.12000年2月OPTICSANDPRECISIONENGINEERINGFeb.,2000文章编号1004-924X(2000)01-0091-05同心圆光栅二自由度误差测量系统朱建忠,李宁,李圣怡(国防科技大学机电工程及自动化学院,湖南长沙410073)摘要:提出了一种基于同心圆光栅莫尔条纹图象处理的超精密二自由度误差测量(TDFM)方法,介绍了该测量方法的基本原理,包括同心圆光栅莫尔条纹产生机理、三光栅光学系统原理、影像光学原理以及CCD莫尔条纹图象处理的方法。通过实验对实际测量系统进行了分析与标定,并将测量结果与双频激光干涉仪进行了比较。结果表
2、明该测量方法可实现超精密二自由度的误差在线测量及补偿,测量精度优于0.1m。关键词:同心圆光栅;莫尔条纹;图像处理;CCD;二自由度误差测量中图分类号:O436.1文献标识码:A线测量。由于采用软件的方法可以提高加工精度,1引言避免了采用硬件所带来的昂贵代价,因此这种高精度、低成本的方法对提高国内超精密加工技术航空、航天、计算机、集成电路等高技术产业水平有着重要的意义。要实现在线测量,必须要有需要大量的精密、超精密零件,制造这些零件必须使用方便、可靠,精度高、成本低的测量仪器。有高精度的机床。提高机床精度一般来讲有两种本文提出了一种新颖的基于同心圆光栅莫尔基本方法:误差防止和误差补偿。误差防
3、止是试图条纹图象处理方法的超精密二自由度误差测量通过设计和制造途径消除可能的误差源。误差补(two-degree-of-freedommeasurementTDFM)方偿涉及机床误差测量以及对机床误差作用的纠法,由此建立的测量系统具有以下特点:可同时测[1]正。量两个自由度的误差,测量精度高、测量范围大,误差防止的典型实例是美国Lawrence抗干扰能力强,可用于在线测量及使用。实验表明Livermore国家实验室(LLNL)的大型光学镜面该测量方法的两个自由度方向的测量精度在金刚石车床,采用了高压液体静压轴承,恒温油喷200mm的测量范围内均优于0.1m,通过进一步淋系统,油温控制在20±
4、0.0025℃,有效地消除的改进,测量精度有望进一步提高。了加工时的热变形,该机床耗资一亿美元。目前学术界、工程界越来越多的人认识到,用提高机床本2TDFM原理身精度的办法来保证要求日益精密的零件加工精度,代价是非常高昂的。在检测技术、计算机技术2.1TDFM的光学系统设计和数控技术飞速发展的带动下,误差补偿技术已基于同心圆光栅莫尔条纹图象处理方法的二成为一个很有前途的技术发展方向。自由度误差测量系统(TDFMs)光学设计原理图误差补偿方法一般分为离线软件补偿与实时如图1所示。该测量系统由四部分组成:光源部在线补偿两种,离线补偿不仅耗时耗力,操作烦分、三光栅光学系统部分、影像式光学系统部分和琐
5、,而且只能补偿重复性误差;在线误差补偿方法莫尔条纹图象接收部分。测量系统中只有标尺光通过实时在线测量机床系统的误差(包括几何误栅是可以移动的,其它部分均固定不动。标尺光栅差、热变形引起的误差、切削力造成的变形以及环在沿平行于激光光束的x方向移动的同时,可测境因素等造成的误差),建立误差的数学模型进行量出y,z两个自由度方向的误差。光源采用He-[2]校正。误差补偿技术的关键在于误差的实时在Ne激光,通过准直透镜后成为准直光;指示光栅收稿日期:1999-07-12;修订日期:1999-12-2192光学精密工程8卷G1和标尺光栅G以及光栅G2都是同心圆光栅,成;影像式光学系统部分由4倍放大镜和光
6、栅G2其中G1,G2为透射式光栅,G为反射式光栅。三组成;莫尔条纹图象接收部分则由目镜和CCD摄光栅光学系统部分由G1,G以及半透半反镜P组象机组成。Fig.1Opticallayoutofthetwo-degree-of-freedommeasurementsystem准直光束经指示光栅(参考光栅)G1入射到Gs上刻有N个圆,Gm上刻有(N-1)个圆。(即反射式标尺光栅(移动光栅)G,标尺光栅上的高DDGs栅距为,Gm栅距为)。用强度为I0的NN-1反射刻线作用象一系列一维的针孔相机,它在指平面光波照射这两片光栅时,以指示光栅G1圆心示光栅平面上形成该指示光栅的倒像。三光栅系为原点建立坐标系
7、,透射强度为:统的主要优点是可以在反射光栅和指示光栅间隔I0I0较大时进行工作,而且即使在两光栅间隔变化时,I(r/R,)=4+4cos[2N(r/R-Rcos(-))]+像也精确地重叠在指示光栅上。反射光栅G和指I0cos[2(N-1)r/R]+示光栅G1中间加入半反射镜P的作用是改变光4路,使指示光栅的像G1′成像于垂直于入射光的I0cos[2(2N-1)r/R-Ncos(-
