高精度二维平面光栅测量系统及关键技术研究

摘要

现代测量系统无论是坐标测量机还是精密数控加工中心，都需要对系统工作台的二维方向进行精确测量与定位。对于应用最多的二维平面微位移测量系统，通常在二维方向上分别采用一维测量装置在测量平面上装夹定位来实现，装夹定位的精度对二维平面运动的测量影响很大，安装定位时往往造成阿贝误差降低测量结果的精度，同时这种测量方法组成的测量系统占据较大的空间，对于一些小空间测量造成困难，给测量带来不便。在微位移测量方法中，光栅测量技术具有精度高、量程大、对测量环境要求相对较低等优点而广泛应用，特别是近年来光栅测量系统向纳米级精度发展，为光栅的在高精度测量应用中提供了广阔的应用前景。二维光栅测量技术具备一维光栅测量的优点，可同时对两个方向的平面微位移进行测量，并且可以实现较为紧凑的结构，为高精度二维平面测量提供了一种解决的方法，因此对二维光栅在精密测量应用中的研究是具有现实意义。 本课题受到河南省杰出青年基金项目：“激光—全息光栅小孔传感器中的关键技术研究”的资助，对利用单二维光栅与单光源的平面微位移测量方法以及测量系统进行了系统地研究，这种方法为解决小空间平面微位移测量提供了一种切实可行的办法，单光源和单二维平面光栅组成的测量系统在应用中易于定位，对测量环境要求相对不高，同时这种测量系统输出方波或者脉冲信号可以用来对平面位置的实时控制，为现代工业技术中精确定位提供一种紧凑的测量系统。 本论文主要对二维平面光栅在平面位移测量系统及其关键技术进行了理论和实验研究，论文的主要内容和工作包括： (1)对单平面二维光栅测量平面位移的理论进行研究。分析了二维平面光栅衍射场的分布规律，推导了二维光栅方程；基于波动光学、多普勒分析以及傅立叶光学的方法推导了二维光栅平面微位移测量的基本原理；并对二维光栅测量系统中主要光学元件对测量信号的影响进行了理论分析。 (2)基于平面二维光栅微位移测量理论的分析，研制了具有纳米分辨率的平面二维光栅实验测量系统。结合二维光栅测量系统的特点，为获得质量较好的莫尔条纹信号，降低测量系统对光栅平面运动误差的敏感性，增强系统适应性，对二维平面光栅测量系统的检测光路和光电接收电路进行实验分析，并在基于对二维光栅测量系统分析的基础上进行了实验研究。 (3)对平面二维光栅测量系统的信号处理方法进行了研究，提出基于BP神经网络的光栅信号细分方法。这种测量方法针对二维光栅测量信号的特点，这种细分方法对信号的调整精度降低了要求，当测量系统改变时，可以实现细分模型的软件自动化处理。BP神经网络细分在较少的采样点下实现高倍数的细分，这种细分方法软硬结合、结构简单、对硬件电路要求不高、同时具有很强的系统适应性。 (4)系统分析了平面二维光栅测量系统的误差来源，对激光光源导致的误差、二维光栅质量引入的误差，光路结构特别是光栅安装定位引入的误差、电路包括光电转换、电子细分引入的误差，以及测量环境引入的误差进行了详尽的分析。其中二维光栅基准、光源以及测量环境对测量的精度影响较大。经分析指出光栅引入的误差是整个测量系统最主要的系统误差源；二维导轨运动的直线度误差是整个测量系统的最主要的随机误差源。

目录

文摘

英文文摘

致谢

第一章绪论

第二章二维平面光栅位移测量的基本理论

第三章二维平面光栅测量系统分析与设计

3.1系统结构组成

3.2莫尔条纹信号分析

3.3光栅定位对莫尔条纹的影响

3.4光路设计

3.5激光光源分析

3.6信号检测系统设计

3.7系统实验

3.8小结

第四章二维平面光栅测量系统信号处理技术

第五章二维平面光栅测量系统精度实验

第六章总结和展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文