基于激光干涉的长导轨直线度误差测量

    随着现代科技的发展,对各项几何参数的测量精度要求越来越高。直线度作为形状误差的要素之一,直接影响仪器精度、性能、质量,在有些场合,甚至是决定因素。因此直线度误差的测量是一项最基本也是最重要的测量。大尺寸长导轨检测[1]是几何量测量的一个重要分支[2]。随着科学技术和生产需求的发展,对导轨的精度要求越来越高,导轨的长度变得越来越长,测量的难度也就越来越大。现为解决长导轨检测问题做了一种探索,介绍了一种基于激光干涉的激光准直系统,用氦氖激光经准直、扩束后投射到固定在接收靶上的楔形光学平板上,产生的干涉条纹由光电传感器检测。将接收靶沿被测导轨移动,如果导轨有直线度误差,则接收靶过桥与导轨的接触点所形成的直线角度发生变化,这样干涉条纹就会发生移动[3],通过检测干涉条纹的变化来检测长导轨的直线度。

    2 系统工作原理及其组成

    2.1 平行板干涉原理

    激光束打在楔形板上,光束在上下两个表面反射后干涉,产生干涉条纹。由于实际测量中光楔角度极小,故可以引用平行光学板的干涉情况。如图1所示,假定激光光束投射到楔形分光板,并由上下表面分别反射而后形成干涉条纹,则楔形分光板角度的变化和干涉条纹移动量的函数关系可由图1导出。图中氦氖激光平行照到分光平板的上表面,分成两路光:一路光束I2经上表面反射,另一路光束I1经玻璃折射后到下表面,再由下表面反射到上表面又折射到空气中,此时从下表面来的I1光束与上表面反射的I2光束相遇产生干涉,光程差$为:

    再考虑到光从光疏到光密介质表面上反射时的半波损失,可得光程差$:

    式(4)即为这一测量方法的传动比,即由光入射角的变化引起的光程差的变化,进而可求出干涉条纹的移动量[4]。需要说明的是,式(4)是按照光学平行平板出发推算的结果,在实用的干涉系统中,楔形平板的厚度一般都很小,且楔角极小,一般在2b以下。可近似用平行平板的光程差公式来代替。

    实际测量过程中这个角度的变化主要是由导轨的直线度误差引起的,当接收靶沿导轨运动时,由于导轨表面存在直线度误差,这样导轨的接触点所形成的直线角度发生变化,故导致放置在其上的接收靶倾斜,引起楔形角度变化,从而干涉条纹发生移动。通过检测干涉条纹的移动来检测导轨直线度。

    2.2 系统组成

    由楔形角度变化引起的干涉条纹图像移动,由硅光电池作为敏感元件接收,通过后续电路的处理,再送给单片机,进而得到测量结果。具体的测量过程如下: