基于激光准直的直线度误差自动测量系统

    0 引言

    随着激光以及新型光电位置传感器(如CCD、PSD等)的出现,激光准直技术因具有可测距离长、便于实现自动化测量等特点得到了国内外学者的广泛关注,目前常用的激光准直技术大致可分为3种类型[1]:(1)将直线度误差转换为激光干涉仪相位变化的相位测量型;(2)将直线度误差转换为激光偏振方向变化的位相检测型;(3)利用激光本身的方向性,以光束的光强分布中心作为准直基准的强度测量型。前两种准直方法精度很高,但结构复杂,成本也高。

    1 激光准直直线度误差的检测原理

    如图1所示,任取被测件上某一点p,运动后假设到了pc点,其直线度误差类型可分为3类:在x轴、y轴方向产生的平行移动误差Ex、Ey;绕3个轴的转动误差Hx、Hy、Hz;沿z轴正方向运动但因速度变动引起的定位误差Ez.

    实际测量这3类单项误差比较困难,考虑到生产实际中比较关心的是这3类误差的综合影响,假设运动速度恒定不变,直线度误差[2]可表示为

    上式表明物体上任一点沿z方向运动后的误差,可以用相对于x轴、y轴的误差$xp、$yp表示,也就是用在垂直平面内的偏差和水平面的的偏差来表示,所以,基于激光准直的直线度误差测量原理即是利用激光器发出的光线作为直线度误差的基准直线,在被测件上安装二维光电位置传感器,将直线度的误差$xp和$yp转化为光电流的检测。

    2 直线度误差自动检测系统设计

    如图2所示,直线度自动检测系统由激光器、光靶和数据采集处理系统组成,激光器安装在光学微调架上,以激光器发出的光线作为直线度测量的基准直线,在运动控制系统的控制下,安装在光靶上的PSD传感器将将被测件的直线度误差转变为电流信号,经专用信号处理电路(前置放大、加减运算和除法运算)后被数据采集系统采集后,由开发的专用软件快速评判出直线度误差。

    2.1 激光器

    采用半导体激光器作为准直光源,为克服半导体激光器的安装误差,获得直线度误差评定的一条基准直线,将半导体激光器安装在O型015Lm精密四维光学架上,其y、z方向位移手动调节分辨率为015Lm,调整范围为3Lm ;y、z方向角度调节分辨率为01001b,调整范围为4b。

    2.2 改进型二维PSD传感器及专用信号处理电路

    位置敏感探测器件PSD是为适应位置、位移等的实时动态测量而于20世纪70年代发展起来的一种新型光电传感器,与四象限硅光电池相比,具有响应速度快、位置分辨率高、位置输出只对光的能量中心敏感等突出优点,选用了改进型二维PSD和专用信号处理电路,如图3所示,假设光点入射到传感器的敏感面上的位置为(x,y),PSD传感器的4个电极上将有与位置有关的4路微小电流信号(X1、X2、Y1、Y2)输出,专用信号处理电路将这4路电流信号进行前置放大后,变成4路电压信号,再进行加、减法运算和除法运算后,得到与入射光点位置成正比的电压信号。