[发明专利]一种基于双频激光干涉原理的多自由度精确位移监测系统

说明书

本发明公开了一种基于双频激光干涉原理的多自由度精确位移监测系统。其包括双频激光器、光束调节器、多路双频激光干涉仪和反射角镜；所述多路双频激光干涉仪由相互平行的若干个双频激光干涉仪组成；双频激光器产生的激光通过光束调节器，经过多路双频激光干涉仪后，经反射角镜得到的不同空间位置的多路干涉信号分别通过光纤传输到数据采集卡，再通过计算机对多路干涉信号进行分析，得到每个运动轴中的多自由度的运动误差。本发明的有益效果在于，本发明利用双频激光干涉技术，在提升监测精度的同时，还可以监测更多自由度的误差，为运动轴的精确监控与定位提供了很好的解决方案。

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，具体的说，涉及一种基于双频激光干涉原理的多自由度精确位移监测系统。

背景技术

传统的三坐标测量机各个轴独立运动，各轴采用单轴激光测量方式进行线性定位精度及重复定位精度的测量，没有合适手段来同时获得运动轴的俯仰、偏摆及转动；同时，轴运动的俯仰、偏摆及转动，使得与其正交的运动轴产生阿贝误差，阿贝误差随着不同行程范围放大和改变，不确定的阿贝误差给系统精度带来极大的不可测和不可控的误差源，从而无法根本上提高空间定位和检测精度。

例如，荷兰IBS Precision Engineering公司研发的超精密测量系统-ISARA400是采用独特结构的超精密级探针式 3D 坐标测量仪，可实现对大口径自由曲面和集成光学系统等复杂工件的纳米级精准测量。ISARA400 结构示意图如图1 所示。中间部分为微晶玻璃，微晶玻璃作为运动载台，在X和Y向水平移动，在Z向上下移动。微晶玻璃载台在X、Y、Z三维空间移动过程中，实际运动特征存在多自由度姿态，即线性位移精度、重复定位精度、旋转、俯仰及偏摆，如图2所示。如果每个方向只采用单轴平镜干涉仪测量，只能获得X、Y、Z的线性位移精度和重复定位精度，俯仰、偏摆及旋转需要通过机械结构设计来保证，但不论如何工程实现上均无法保证绝对不存在俯仰、偏摆及旋转问题，且一旦发生此类问题，单轴激光干涉测量系统是无法测得的，从而给系统导入无可测不可控的误差源，大大增加整机设计难度，使得该设备价格非常昂贵。其他公司的高端三坐标测量系统也存在同样问题，例如卡尔蔡司的三坐标测量机。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种精确监测各轴运动的基于双频激光干涉原理的多自由度精确位移监测系统。该系统采用用二路乃至六路同轴的双频激光干涉仪，从而实现对运动轴运动过程中的多自由度（2~6个自由度）的误差监控，提升设备的测量精度。

本发明中，将各个运动轴的测量控制系统设为多路（2-6路）平行双频激光干涉仪。干涉仪具有优越的回光功能，适合长行程测量，即可一次测得一维运动轴的位移定位精度、直线度、俯仰、偏摆及转动，测得的俯仰角或扭转角结合正交轴的线性位置可计算得出阿贝误差，从而通过软件算法获取测量空间点的实际真实位置信息，起到了提高系统测量精度的目的。以X轴为例，通过特定的反射角镜设计，一次测量可以得到六路位移信号，然后通过换算可以得到X运动轴沿Y、Z方向上的直线度，沿X轴的定位误差和扭转Rx，以及绕Y、Z方向上的俯仰(Ry)和偏摆(Rz)，从而实现X方向的全自由度（六自由度）的监控。

本发明的技术方案具体介绍如下。

一种基于双频激光干涉原理的多自由度精确位移监测系统，其包括双频激光器、光束调节器、多路双频激光干涉仪和反射角镜；所述多路双频激光干涉仪由相互平行的若干个双频激光干涉仪组成；双频激光器产生的激光依次经过光束调节器和多路双频激光干涉仪，再经过反射角镜得到不同空间位置的多路干涉信号；多路干涉信号分别通过光纤传输到数据采集卡，再通过计算机对多路干涉信号进行分析，得到每个运动轴中的多自由度的运动误差；每个运动轴在工作时产生的运动误差可以看成是多自由度误差的耦合误差，各自由度的误差精确测量则是精确位移监测的关键。

本发明中，所述多路双频激光干涉仪由相互平行的2~6个双频激光干涉仪组成。

本发明中，所述反射角镜有1个或几个。