[发明专利]一种激光六自由度运动误差同步测量系统

说明书

本发明公开了一种激光六自由度运动误差同步测量系统，是由固定单元和移动测量单元构成收发一体式结构，固定单元安装在固定平面上，移动测量单元安装在线性位移平台上，以激光器为光源，以四象限光电探测器和二维位置探测器为检测器件，实现线性位移平台的俯仰角、偏摆角、滚转角、水平直线度、竖直直线度及位移的同时测量，通过设置光束角度漂移检测模块有效消除光束角度漂移对俯仰角、偏摆角、滚转角、水平直线度、垂直直线度误差和位移测量精度的影响；本发明结构简单、成本低，可同时实现线性位移平台六自由度运动误差的在线测量。

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，更具体地说是涉及一种可同时获得六自由度运动误差的激光测量系统。

背景技术

高精度线性平台在许多工业应用中被用作线性运动的基础，例如精密装配加工、半导体加工、微加工、印刷电路板PCB钻孔和自动光学检测，其在精密机器中起着至关重要的作用。单轴线性运动平台存在沿运动方向的定位误差、垂直于运动方向的直线度误差(即水平直线度误差和竖直直线度误差)以及角度误差(即俯仰角误差、偏摆角误差和滚转角误差)，共六个自由度误差，这些几何误差的测量是精密机器精度校准和误差补偿的一项基本任务。

目前的高精度多自由度测量系统，例如：基于激光干涉仪和光栅干涉仪的方法，所需要的光学元件较多，成本高昂，光路系统复杂，不能满足紧凑性、低成本、调节简单的要求，并且许多测量系统为收发分体式结构，移动单元连接有电缆，影响了实际工程使用。同时，激光束的角度漂移对最终测量结果也产生较大的影响。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种激光六自由度运动误差同步测量系统，以期在获得结构简单、操作方便、成本低廉的优势的同时，实现线性平台六自由度误差的同时测量，并能够通过建立有效的误差模型补偿激光束的角度漂移对测量精度的影响。

本发明为实现发明目的采用如下技术方案：

本发明激光六自由度运动误差同步测量系统的特点是：由固定单元和移动测量单元构成收发一体式结构；

所述固定单元安装在固定平面上，包括激光器、偏振分光棱镜、四分之一波片、第二聚焦透镜、第二四象限光电探测器、第一位置探测器和第二位置探测器；

所述移动测量单元安装在线性位移平台上，包括分光棱镜、分光膜、角锥棱镜和直角折返棱镜；

所述激光器的出射光以线偏振光态入射偏振分光镜、经偏振分光镜的透射形成P偏振光，并经偏振分光镜的反射形成S偏振光；所述偏振分光镜的透射光经四分之一波片形成圆偏振光作为第一测量光，所述第一测量光经分光膜发生等光强反射和透射，其中，分光膜的反射光经四分之一波片形成S偏振光、再经偏振分光镜反射后通过第二聚焦透镜入射第二四象限光电探测器，用于获得关于线性位移平台的俯仰和偏摆误差的检测信号；分光膜的透射光经分光棱镜发生等光强反射和透射，其中，分光棱镜的透射光经角锥棱镜作为第二测量光入射第一位置探测器，用于获得关于水平直线度误差和竖直直线度误差的检测信号；分光棱镜的反射光作为第三测量光束经直角折返棱镜入射第二位置探测器，用于获得关于线性位移平台的滚转角误差和位移的检测信号。

本发明激光六自由度运动误差同步测量系统的特点也在于：

全局坐标系O-XYZ的X方向为移动测量单元位移方向，Y方向为移动测量单元水平方向，Z方向为移动测量单元竖直方向；

所述直角折返棱镜的反射斜面垂直于水平面，其反射法向量相对于全局坐标系O-XYZ绕Z轴逆时针旋转67.5°；

所述第二位置探测器与移动测量单元位移方向X成45°夹角，第二位置探测器的局部坐标系O₁-X₁Y₁Z₁相对于全局坐标系O-XYZ绕Y轴逆时针旋转45°。