本發(fā)明涉及一種激光測量領域，特別涉及一種驗證激光追蹤測量系統(tǒng)標準球面反射鏡減小軸系跳動誤差方法。
背景技術：
：激光追蹤測量系統(tǒng)是工業(yè)測量領域中一種高精度的大尺寸測量系統(tǒng)。具有測量空間大、測量效率高、測量精度高、操作簡單等特點，類似于便攜式三坐標測量機，并廣泛應用于船舶制造、汽車制造、飛行器制造等領域。激光追蹤測量系統(tǒng)主要由能夠實現(xiàn)自動跟蹤的二維回轉機構和干涉測長系統(tǒng)組成。傳統(tǒng)的商業(yè)激光跟蹤儀利用平面鏡作為儀器內部的反射裝置，難以避免由兩軸電機回轉時的振動和游動所引入的測量誤差。這些誤差是無法補償?shù)?，從而降低了激光跟蹤儀的測量精度。鑒于此，以標準球為反射裝置的激光追蹤測量系統(tǒng)應運而生。以標準球為反射裝置的激光追蹤測量系統(tǒng)使用亞微米球度的球面反射鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)激光跟蹤儀的平面反射鏡，在增大了角度測量空間的基礎上，減小了軸系跳動誤差為激光追蹤測量系統(tǒng)激光干涉測長結果引入的誤差。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于驗證激光追蹤測量系統(tǒng)使用的標準球面反射鏡具有減小軸系跳動誤差的作用，提供了一種基于相對運動思想的驗證激光追蹤測量系統(tǒng)標準球面反射鏡減小軸系跳動誤差的方法。如圖1所示，激光追蹤測量系統(tǒng)局部結構以及測量原理如下：經(jīng)光纖準直器(1)射出的相干光束被第一分光棱鏡(2)透射和反射，對應作為透射光束和反射光束。透射光束作為參考光束照射在光電接收器(6)上。反射光束經(jīng)透鏡(7)的會聚，照射在標準球面反射鏡(9)的外表面。經(jīng)過標準球面反射鏡(9)的發(fā)散反射后，被透鏡(7)變?yōu)槠叫泄馐?。該平行光束透射過第一分光棱鏡(2)和第二分光棱鏡(3)后，照射到靶鏡(4)上。經(jīng)過靶鏡(4)反射后的平行光束一部分被第二分光棱鏡(3)反射，照射到四象限傳感器(5)上，使之產生用于控制兩軸系電機回轉的電信號。透射過第二分光棱鏡(3)的光束，被第一分光棱鏡(2)反射，作為測量光束與參考光束形成干涉，干涉條紋由光電接收器(6)接收。四象限傳感器(5)產生的電信號控制兩軸系的回轉運動。水平軸(12)在回轉過程中，使精密軸承(13)產生沿軸線方向的軸向跳動和垂直軸線方向的徑向跳動。垂直軸(14)在回轉的過程中，使精密轉臺(11)產生沿軸線方向的軸向跳動和垂直軸線方向的徑向跳動。由于標準球面反射鏡直接與底板固連，不參與回轉運動，兩軸系的跳動誤差會直接改變激光束照射在標準球面反射鏡外表面上的位置，使光束偏離標準球面反射鏡的球心。激光束的傳播方向和測量光束的光程會受影響。如圖2所示，垂直回轉軸和水平回轉軸一共產生四項跳動誤差，即垂直回轉軸軸向跳動、垂直回轉軸徑向跳動、水平回轉軸軸向跳動和水平回轉軸徑向跳動。標準球面反射鏡不參與運動，并且兩回轉軸系和標準球面反射鏡之間的運動是相對的，因此假設兩回轉軸系固定不動，標準球面反射鏡存在著兩種運動，即垂直激光束光軸方向的跳動和沿激光束光軸方向的跳動。驗證上述兩回轉軸系沿垂直激光束光軸方向的跳動和沿激光束光軸方向的跳動對激光追蹤測量系統(tǒng)激光干涉測量結果的影響分為以下兩個步驟：步驟一：標準球面反射鏡沿垂直激光束光軸方向的跳動如圖3所示。兩軸系沿Ⅰ方向上的跳動能夠轉換為標準球面反射鏡和靶鏡同時沿Ⅱ方向上的跳動。利用干涉儀、光闌、透鏡、標準球面反射鏡和納米定位平臺簡化上述運動，并且能夠找到標準球面反射鏡的跳動與激光干涉測量之間的關系。如圖4所示，激光干涉儀發(fā)出的光束通過光闌小孔，透射過透鏡。調節(jié)透鏡光軸與激光束軸線同軸，并且調節(jié)標準球面反射鏡的位置，使激光束照射到標準球面反射鏡外表面中心位置。要求透鏡焦點在標準球面反射鏡的球心位置。被標準球面反射鏡反射回的激光束與激光干涉儀內部的測量光束形成干涉。利用納米定位平臺沿垂直激光束光軸方向微小移動標準球面反射鏡來模擬兩回轉軸系沿垂直激光束光軸方向的跳動，同時觀察激光干涉儀讀數(shù)。步驟二：標準球面反射鏡沿激光束光軸方向的跳動如圖5所示。兩軸系沿Ⅰ方向上的跳動轉換為標準球面反射鏡和靶鏡同時沿Ⅱ方向上的跳動。而標準球面反射鏡和靶鏡同時沿Ⅱ方向上的跳動，又能夠轉換為透鏡沿Ⅰ方向上的跳動。利用干涉儀、光闌、透鏡、標準球面反射鏡和納米定位平臺簡化上述運動，并且能夠找到標準球面反射鏡的跳動與激光干涉測量之間的關系。如圖6所示，激光干涉儀發(fā)出的光束通過光闌小孔，透射過透鏡。調節(jié)透鏡光軸與激光束軸線同軸，并且調節(jié)標準球面反射鏡的位置，使激光束照射到標準球面反射鏡外表面中心位置。要求透鏡焦點在標準球面反射鏡的球心位置。被標準球面反射鏡反射回的激光束與激光干涉儀內部的測量光束形成干涉。利用納米定位平臺沿激光束光軸方向微小移動透鏡來模擬兩回轉軸系沿激光束光軸方向的跳動，同時觀察激光干涉儀讀數(shù)。附圖說明圖1為激光追蹤測量系統(tǒng)局部示意圖。圖2為二維轉臺基于相對運動思想的軸系跳動轉換示意圖。圖3為基于相對運動思想的垂直光束方向軸系跳動轉換示意圖1。圖4為基于相對運動思想的垂直光束方向軸系跳動轉換示意圖2。圖5為基于相對運動思想的沿光束方向軸系跳動轉換示意圖1。圖6為基于相對運動思想的沿光束方向軸系跳動轉換示意圖2。圖7為標準球面反射鏡沿垂直光束方向正向移動的激光干涉儀讀數(shù)曲線圖。圖8為標準球面反射鏡沿垂直光束方向負向移動的激光干涉儀讀數(shù)曲線圖。圖9為透鏡沿光束方向正向移動的激光干涉儀讀數(shù)曲線圖。圖10為透鏡沿光束方向負向移動的激光干涉儀讀數(shù)曲線圖。圖中標記：1-光纖準直器，2-第一分光棱鏡，3-第二分光棱鏡，4-靶鏡，5-四象限傳感器，6-光電接收器，7-透鏡，8-諧波減速器，9-標準球面反射鏡，10-支撐板，11-精密轉臺，12-水平軸，13-精密軸承，14-垂直軸，15-同步帶輪。具體實施方式下面結合附圖及具體實施方式對本發(fā)明作進一步的詳細描述。但不應將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實施方式，凡基于本
發(fā)明內容所實現(xiàn)的技術均屬于本發(fā)明的范圍。實施方式中以SIOS單頻激光干涉儀和PI納米定位平臺為例，使用球度為0.4微米的標準球面反射鏡。實施方式1：如圖4所示，將激光干涉儀固定在光學平臺上，微調激光干涉儀姿態(tài)，使激光束方向與光學平臺平行。在激光干涉儀前端固定光闌，光闌后面固定透鏡。通過調節(jié)三維滑臺確定透鏡在空間的位置，保證透鏡光軸與激光束共軸線。為了減小激光干涉儀的死區(qū)誤差，使光闌和透鏡盡量安裝在靠近激光干涉儀的位置。在透鏡焦點附近安裝一個納米定位平臺，并將標準球面反射鏡固定在納米定位平臺上，標準球面反射鏡球心位于透鏡焦點處。通過微調標準球面反射鏡的空間位置，調整反射光經(jīng)過光闌入射到激光干涉儀內部，與干涉儀內部的測量光束形成干涉。納米定位平臺按照圖4所示的方向移動，觀察干涉儀讀數(shù)，將激光干涉儀讀數(shù)最小值位置作為標準球面反射鏡的零點位置。利用納米定位平臺沿垂直激光束光軸方向微小移動標準球面反射鏡來模擬兩回轉軸系沿垂直激光束光軸方向的跳動。納米定位平臺以1微米為步長，分別向正反兩個方向移動5微米，記錄激光干涉儀4組讀數(shù)，如表1所示。激光干涉儀讀數(shù)曲線如圖7、8所示。表1為實驗測量數(shù)據(jù)，單位均為微米。正向012345讀數(shù)00.020.030.050.040.06負向0-1-2-3-4-5讀數(shù)-0.010.010.020.030.040.03正向012345讀數(shù)0.020.030.030.040.040.05負向0-1-2-3-4-5讀數(shù)-0.010.0100.010.020.03正向012345讀數(shù)0.020.040.050.040.050.06負向0-1-2-3-4-5讀數(shù)0-0.010.010.030.020.03正向012345讀數(shù)0.020.030.030.050.040.05負向0-1-2-3-4-5讀數(shù)-0.01-0.0100.010.010.02如圖6所示，將激光干涉儀固定在光學平臺上，微調激光干涉儀姿態(tài)，使激光束方向與光學平臺平行。在激光干涉儀前端固定光闌，光闌后面安裝一個納米定位平臺，并將透鏡固定在納米定位平臺上。通過調節(jié)納米定位平臺確定透鏡在空間的位置，保證透鏡光軸與激光束共軸線。為了減小激光干涉儀的死區(qū)誤差，使光闌和透鏡盡量安裝在靠近激光干涉儀的位置。在透鏡焦點附近安裝一個三維滑臺，并將標準球面反射鏡固定在三維滑臺上，標準球面反射鏡球心位于透鏡焦點處。通過微調標準球面反射鏡的空間位置，調整反射光經(jīng)過光闌入射到激光干涉儀內部，與干涉儀內部的測量光束形成干涉。沿垂直于激光束光軸方向微動三維滑臺，觀察干涉儀讀數(shù)，將激光干涉儀讀數(shù)最小值位置作為標準球面反射鏡的零點位置。納米定位平臺按照圖6所示的方向移動，觀察干涉儀讀數(shù)。利用納米定位平臺沿激光束光軸方向微小移動透鏡來模擬兩回轉軸系沿激光束光軸方向的跳動。納米定位平臺以1微米為步長，分別向正反兩個方向移動5微米，記錄激光干涉儀讀數(shù)，如表2所示。激光干涉儀讀數(shù)曲線如圖9、10所示。表2為實驗測量數(shù)據(jù)，單位均為微米。正向012345讀數(shù)00.020.030.020.020.05負向0-1-2-3-4-5讀數(shù)0.0200.0100.020.02正向012345讀數(shù)00.010.030.040.050.07負向0-1-2-3-4-5讀數(shù)-0.0100.010.020.040.03正向012345讀數(shù)00.010.010.030.020.03負向0-1-2-3-4-5讀數(shù)0.01-0.010.010.030.020正向012345讀數(shù)0.010.030.040.030.040.04負向0-1-2-3-4-5讀數(shù)-0.010.010.020.0200.02根據(jù)以上表格中數(shù)據(jù)可知，垂直回轉軸系和水平回轉軸系的徑向跳動誤差和軸向跳動誤差幾乎不會影響激光追蹤測量系統(tǒng)的測量結果。經(jīng)過上述計算，若將兩回轉軸系跳動誤差控制在10微米以內，激光追蹤測量系統(tǒng)激光干涉測長誤差不足0.1微米。實驗表明，一種驗證激光追蹤測量系統(tǒng)標準球面反射鏡減小軸系跳動誤差方法簡化了實驗流程，并得出了激光追蹤測量系統(tǒng)使用的標準球面反射鏡具有減小軸系跳動誤差作用的結論。當前第1頁1 2 3