二维影像激光测量系统

　　1 目前二维影像系统状况

　　近年来，我们对市场上的二维影像系统进行了调研和分析，目前的二维影像系统均为笛卡尔的二维坐标系统，精度约为 ( 3 + L/X) μm，其中 L 为被测件长度，以 mm 为单位，X 为 50 至 200 不等的常数。( 比如，SVM4030 型为( 3 + L/150) μm，VMS4030型为( 3 + L/75) μm，SOV5030A2 型为 ( 3 + L/200)μm。)

　　首先对影响测量系统的误差来源进行分析[1]，以我院的为例:

　　( 1) 轴向标准器 ( 光栅尺) 的误差;

　　( 2) 直线导轨的直线度误差;

　　( 3) 导轨之间的垂直度;

　　( 4) 瞄准误差;

　　( 5) 重复性误差;

　　( 6) 最小分辨率带来的细分误差;

　　( 7) CCD 影像自校准时带来的误差;

　　( 8) 测量轴与被测件的轴线不一致带来的阿贝误差;

　　( 9) 移动过程中，工作台相对转动带来的误差。

　　为了分辨出这些误差中的主要误差，使用 500mm玻璃线纹尺在工作台面的不同位置、不同时间做了几组重复测量，测量结果如表 1 ( 限于篇幅，此处仅节选部分数据作为说明) 。

　　经分析，测量数据的不一致主要来源是:

　　( 1) 线纹尺在不同时间测量时，放的位置不固定;

　　( 2) 轴向移动的重复性;

　　( 3) 工作台移动过程中，机台的各轴之间的相互位置变化( 根据计算，此项误差可在设计中大幅改善)[2]。

　　在这些误差来源中，因为轴向标准器及成像分辨率不足引起的误差分量对结果影响最大。因此，要想提高二维影像系统的精度，主要方向就是寻找高精度标准器和提高成像的分辨率。

　　2 二维高精度激光影像系统设计

　　目前比光栅精度更高的无疑是双频激光干涉仪，因此激光干涉仪是标准器的首选。然而用两台激光干涉仪分别作为两轴的标准器显然成本昂贵，所以我们选择了极坐标方式，用一台激光干涉仪和一个细分多齿分度台作为标准器建立二维坐标系统[3]，原理图见图 1。

　　要想实现此系统，根据初步计算，选定如下精度之组件。

　　( 1) 激光干涉仪 ( 环境修正后误差 0. 7 ×10- 6) ;

　　( 2) 细分多齿分度台( 任意测转角最大误差 <1″) ;

　　( 3) 成像系统 ( 成像后，屏幕实体分辨率0.1μm) ;

　　( 4) 直线工作台 ( 直线度 0. 4μm) 。

　　在确定了组件之后，如何保证细分多齿分度台的旋转中心与成像系统的中心一致程度以及激光光束与直线工作台移动方向的空间平行度成为工作的重点。

　　细分多齿分度台的旋转中心与成像系统的中心的调节可采用如下方法: