激光外差干涉长行程精密导轨直线度测量及补偿方法研究

摘要

直线度误差作为几何测量领域中基本的参数之一，在现代精密设备与仪器制造中起着重要的作用。在众多直线度测量方法当中，基于激光外差干涉的方法因其具有纳米级的测量精度、米级的测量范围和能直接溯源到米定义等优点而得到广泛应用。但是在实际测量中，除了光学元器件的非线性误差、干涉信号处理误差以及激光波长稳定性等因素外，激光光束漂移是影响基于激光外差干涉原理直线度或位移测量精度的一个关键因素，特别是在长行程导轨直线度测量当中。本论文重点研究了激光光束漂移对激光干涉长行程精密导轨直线度测量精度影响，提出激光光束漂移对长行程精密导轨直线度和位移测量的补偿方法，旨在提高长行程导轨直线度和位移的测量精度。
　　论文综合分析了直线度测量方法和激光光束漂移检测及补偿方法国内外研究现状，提出了检测两测量光束多普勒频移差和单测量光束多普勒频移相结合的直线度误差和位移的测量方法，设计了长行程精密导轨直线度与位移测量及补偿系统的光路结构，建立了激光光束漂移与偏摆角和俯仰角分离检测的数学模型，分析了测量过程中激光束角度偏转与位置敏感探测器上光斑位置变化的关系，给出了水平和竖直方向上激光光束漂移以及偏摆角和俯仰角检测表达式。分析了激光光束漂移对直线度和位移测量结果的影响，提出了激光光束漂移对直线度和位移测量的补偿方法，设计了系统的信号处理方法并利用VisualBasic语言设计了系统测量软件。
　　为了验证本论文提出的激光外差干涉长行程精密导轨直线度和位移测量及补偿方法的可行性，搭建了系统实验装置，分别进行了以下实验:(1)激光光束静态稳定性实验，实验结果表明经过补偿后光斑的位置在x方向上和y方向上的稳定性都能够提升50％以上;(2)偏摆角和俯仰角的检测与补偿实验，实验结果表明对于同一个线性导轨在距离激光器不同位置上，经过激光光束漂移补偿后，偏摆角和俯仰角与Renishaw干涉仪角度测量组件具有较好的一致性;(3)直线度和位移测量与补偿实验，实验结果表明对于同一个线性导轨在距离激光器不同位置上，经过激光光束漂移补偿后，系统直线度测量值与Renishaw干涉仪直线度测量组件测量值，系统位移测量值与导轨定位位移都具有良好的一致性。

目录

声明

摘要

第一章 综述

1．1 论文的研究背景及意义

1．2 直线度测量方法研究现状

1．2．1 非激光类直线度测量方法

1．2．2 激光类直线度测量方法

1．3 激光漂移检测及补偿方法研究现状

1．4 论文的研究内容及组织结构

第二章 长行程精密导轨直线度测量系统设计与理论分析

2．1 本章概述

2．2 系统方案设计

2．3 激光外差直线度及位移测量原理

2．4 激光光束漂移检测

2．4．1 分析模型的坐标定义

2．4．2 建模分析

2．4．3 位置敏感探测器光斑位置分析

2．5 偏摆角与俯仰角检测及补偿

2．6 长行程导轨直线度和位移补偿方法研究

2．6．1 旋转前后光束的变化关系

2．6．2 旋转后测量镜外部光程分析

2．6．3 直线度及其位移的补偿表达式

2．7 本章小结

第三章 信号处理方法

3．1 本章概述

3．2 系统信号处理总体方案设计

3．3 激光外差干涉信号处理方法

3．3．1 信号预处理模块

3．3．2 基于FPGA的信号处理模块

3．4 激光光束漂移检测信号处理

3．5 系统软件设计

3．6 本章小结

第四章 实验与误差分析

4．1 本章概述

4．2 系统实验装置搭建

4．3 静态稳定性实验

4．4 角度比对实验

4．4．1 偏摆角检测及比对实验

4．4．2 俯仰角检测及比对实验

4．5 直线度及位移补偿实验

4．5．1 直线度补偿实验

4．5．2 位移补偿实验

4．6 系统测量误差分析

4．7 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 主要创新点

5．3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果