直线位移工作台运动误差补偿方法研究

　　近年来,伴随着测试技术的飞速发展,相应地对测试精度也提出了更高的要求,而直线位移工作台作为仪器测试系统的关键部件,其导轨的运动精度直接影响仪器最终的测试结果.直线位移工作台在工作中,受导轨自身精度的影响,不可避免地会产生平移和微小的角运动,这种附加运动必然会产生多余误差,影响仪器的测试精度,因此,为了减小或消除这种附加运动所带来的误差,有必要研究导轨误差补偿方法,以提高导轨的运动精度.

　　关于直线位移工作台导轨运动误差的补偿方法大致有两种,一种是机械式补偿;另一种是光学补偿.前一种一般采用机电方式进行补偿,如文献[1],采用空气静压气浮导轨结合控制电路对小零件实现精密测量和误差补偿,测量范围可达50 mm,精度为0.5μm/mm;后一种采用的是显微干涉法和激光小角度测量法[223],这两种方法都可以实现一维和二维精密测量及实时误差补偿.从原理上讲,两种方法精度都很高[3],测角精度可达0.5″,但在实际应用中受机械结构限制,而使其精度降低,另外,若同时补偿导轨运动时产生的不必要的平移和摆角,往往需要两套系统来完成[4],仪器的整体结构和处理电路变得复杂化,成本相应提高,而且干涉法对结构设计和工作环境要求较为严格.研究一种新的误差补偿方法.采用凹面反射镜原理,根据光学系统的光路变化,把导轨运动误差通过光学系统所成的像,用四象限光电探测器接收,并通过计算机系统达到自动补偿的目的.

　　1　补偿原理

　　图1是补偿装置示意图.为了补偿的需要,仪器采用双层工作台.下工作台(即纵向调整平台)通过滚柱导轨在底座上做纵向移动,上工作台(即直线位移工作台)通过滚珠导轨在下工作台上实现横向(即测试方向)移动.在下工作台的两侧分别装有弹性元件和压电陶瓷,其作用就是利用压电陶瓷的电场2应变效应,使上工作台相对于下工作台有小的位移和摆角[4].凹面反射镜通过与上工作台接触的触接座及活动轴和轴套安装在反射镜座上,轴套下面有一小角度弹性回转平台以保证直线位移工作台有微小摆角时,凹面反射镜相对光轴有倾斜量.弹性回转平台和补偿光学系统安装在底座上,触接座与上工作台侧端的接触力由弹性元件来保证.激光器发出的激光束经扩束镜组扩展成具有一定口径的平行光,再经分光棱镜和物镜入射到凹面反射镜上.反射回来的光线经物镜和分光棱镜反射到四象限光电探测器上,并形成光斑像.

　　在上述光学系统中,光轴和凹面反射镜的中心一致时,反射光在四象限光电探测器的中心成像,此时,四个象限的输出电压相等,直线位移工作台没有附加运动,即没有误差产生.若直线位移工作台在运动过程中,在水平面内有微小的纵向移动(与运动方向垂直)或有摆角,工作台就会通过触片推动补偿装置中的凹面反射镜(或弹性元件推动凹面反射镜使触片保持与直线位移工作台紧密接触),此时,从凹面反射镜反射回来的光线偏离入射光线,经分光棱镜在四象限光电探测器上所成的光斑像就会偏离中心,因此,四个象限的输出电压就会产生差值,即直线位移工作台在运动过程中有误差产生,这个误差信号经后续电路处理,由计算机系统根据一定的误差公式计算得到其误差量.既可反馈给测试系统完成误差补偿作用,也可如图1所示经直流升压电路将误差量的输出电压施加给压电陶瓷,使纵向调整平台带动直线位移工作台产生平移或摆角,直到四象限光电探测器输出电压为零为止,从而实现自动补偿误差的目的.