同心圆光栅二自由度误差测量系统

　　1　引　　言

　　航空、航天、计算机、集成电路等高技术产业需要大量的精密、超精密零件,制造这些零件必须有高精度的机床。提高机床精度一般来讲有两种基本方法:误差防止和误差补偿。误差防止是试图通过设计和制造途径消除可能的误差源。误差补偿涉及机床误差测量以及对机床误差作用的纠正[1]。

　　误差防止的典型实例是美国LawrenceLivermore国家实验室(LLNL)的大型光学镜面金刚石车床,采用了高压液体静压轴承,恒温油喷淋系统,油温控制在20±0.0025℃,有效地消除了加工时的热变形,该机床耗资一亿美元。目前学术界、工程界越来越多的人认识到,用提高机床本身精度的办法来保证要求日益精密的零件加工精度,代价是非常高昂的。在检测技术、计算机技术和数控技术飞速发展的带动下,误差补偿技术已成为一个很有前途的技术发展方向。

　　误差补偿方法一般分为离线软件补偿与实时在线补偿两种,离线补偿不仅耗时耗力,操作烦琐,而且只能补偿重复性误差;在线误差补偿方法通过实时在线测量机床系统的误差(包括几何误差、热变形引起的误差、切削力造成的变形以及环境因素等造成的误差),建立误差的数学模型进行校正[2]。误差补偿技术的关键在于误差的实时在线测量。由于采用软件的方法可以提高加工精度,避免了采用硬件所带来的昂贵代价,因此这种高精度、低成本的方法对提高国内超精密加工技术水平有着重要的意义。要实现在线测量,必须要有使用方便、可靠,精度高、成本低的测量仪器。

　　本文提出了一种新颖的基于同心圆光栅莫尔条纹图象处理方法的超精密二自由度误差测量(two-degree-of-freedom measurement TDFM)方法,由此建立的测量系统具有以下特点:可同时测量两个自由度的误差,测量精度高、测量范围大,抗干扰能力强,可用于在线测量及使用。实验表明该测量方法的两个自由度方向的测量精度在200mm的测量范围内均优于0.1μm,通过进一步的改进,测量精度有望进一步提高。

　　2　TDFM原理

　　2.1　TDFM的光学系统设计

　　基于同心圆光栅莫尔条纹图象处理方法的二自由度误差测量系统(TDFMs)光学设计原理图如图1所示。该测量系统由四部分组成:光源部分、三光栅光学系统部分、影像式光学系统部分和莫尔条纹图象接收部分。测量系统中只有标尺光栅是可以移动的,其它部分均固定不动。标尺光栅在沿平行于激光光束的x方向移动的同时,可测量出y,z两个自由度方向的误差。光源采用He-Ne激光,通过准直透镜后成为准直光;指示光栅G1和标尺光栅G以及光栅G2都是同心圆光栅,其中G1,G2为透射式光栅,G为反射式光栅。三光栅光学系统部分由G1,G以及半透半反镜P组成;影像式光学系统部分由4倍放大镜和光栅G2组成;莫尔条纹图象接收部分则由目镜和CCD摄象机组成。