基于激光干涉仪的影像测量仪定位误差和补偿的研究

　　0前言

　　随着加工技术的不断提高，对测量技术提出了更高的要求， 影像测量仪作为新型的测量工具，改变传统的测量方式。 它结合了机器视觉和运动控制技术，具有大批量、非接触的测量特点。 测量仪作为测量工具，对本身的精度也提出更高的要求，但是单纯依靠提高测量仪的制造精度， 不仅成本昂贵，而且也是不现实的。 误差补偿则是根据对误差的检　　测分析，在以后的加工中可以从硬件或软件上对这　　种误差进行修正，从而达到降低误差目的。 因此有必要对测量仪进行误差检测和补偿。

　　1激光干涉仪工作原理

　　双频激光干涉仪是一种增量式的测长仪器，它将由多普勒频率移效应所产生的频率不同的 2 束光转换为测量装置。 如图 1 所示，由于激光器内轴向磁场产生的塞曼分裂效应和频率牵引效应，激光器产生了 1 和 2 两个不同频率偏振光， 经过 1/4 波片后成为 2 个相互垂直的偏振光，再经分光镜分为2 路。 一路经偏振片 1 后成为含有频率为 f1-f2的参考光束，其参照信号

　　2定位误差检测

　　根据 BG/T 17421.2-2000 机床检验通则， 使用测量精度为 0.01 μm 的 Renishaw ML10 激光干涉仪的测量步骤：

　　(1)将测量仪回到机械坐标原点，即为参考零点;

　　(2)让该轴运动 20 mm，激光干涉仪会显示并存储该轴实际运动的距离;

　　(3)重复(2)，直至全行程，然后进行反行程全程测量;

　　(4)为了消除测试结果的随机误差 ，重复 (2)～(3)5 次，尽量满足误差的抵偿性;

　　(5)整理测量数据，计算定位误差值。

　　按照以上方法，X/Y 轴全行程为 280/320mm， 测量环境：膨胀系数 11.70PPm/℃，空气气压 101.650MPa，空气湿度 39.08%，材料温度 19.30 ℃，环境系数 0.632823 08， X 轴未补偿前测量结果如图 2 所示。

　　4误差分析

　　该影像测量仪采用移动桥式结构， 花岗岩工作台上装有移动桥，X 轴滑台 2 沿 X 轴左右固定导轨1 运动，形成 X 坐标轴;Y 轴滑台 6 沿固定导轨 5 运动， 形成 Y 坐标轴;Z 轴滑台 3 沿固定导轨 4 运动，形成 Z 坐标轴。 运动平台机械结构如图 4 所示。

　　由于测量仪为闭环控制系统， 所以定位误差产生的主要原因为系统的标尺误差， 它包括光栅尺的刻线误差， 读数系统误差以及电路与细分造成的误差 。在激光干涉仪测量定位误差时，除了有固有的系统误差外, 由于干涉仪的轴线和导轨运动轴线不平行，不满足阿贝原则，所以 X、Y 轴有阿贝误差。 导轨的长期使用磨损和制造误差，X、Y 轴的定位误差还包括：X 轴直线度误差 δx(x)、δy(x)、δz(x)，X 轴角度误差εx(x)、，εy(x)、εz(x)。 Y 轴直线度误差 δx(y)、δy(y)、δz(y)，Y 轴角度误差 εx(y)、εy(y)、εz(y)。 下标符号表示该　　轴方向，括号内的符号表示沿该轴方向运动。