一种验证激光追踪测量系统标准球面反射镜减小轴系跳动误差方法技术方案

本发明专利技术公开了一种验证激光追踪测量系统标准球面反射镜减小轴系跳动误差方法，提供了一种基于相对运动思想的验证激光追踪测量系统标准球面反射镜减小轴系跳动误差的手段。该方法转变了激光追踪测量系统中标准球面反射镜与垂直回转轴系和水平回转轴系的运动关系，即两回转轴系固定不动，以标准球面反射镜在空间的微动代替两回转轴系的跳动。根据激光干涉仪的读数变化判断轴系跳动误差对激光追踪测量系统激光干涉测长结果的影响。实验表明，一种验证激光追踪测量系统标准球面反射镜减小轴系跳动误差方法简化了实验流程，并得出了激光追踪测量系统使用的标准球面反射镜具有减小轴系跳动误差作用的结论。

A method of reducing the vibration error of shafting by verifying the standard spherical reflector of laser tracking measurement system

The invention discloses a laser tracking measurement system to verify the standard spherical reflector to reduce shaft runout error method, provides a validation of laser tracking measurement system of the relative motion principle standard spherical mirror method based on shaft runout error decreases. This method changes the motion between the laser tracking measurement system in standard spherical reflecting mirror and a vertical rotary shaft and horizontal rotary shaft, the rotary shaft two is fixed, beating with a standard spherical reflector in micro space instead of the two rotary shaft. According to the change of the laser interferometer, the influence of the runout error of the axis on the laser interference measurement results of the laser tracking measurement system is analyzed. Experiments show that a laser tracking measurement system to verify the standard spherical reflector to reduce shaft runout error method simplified the experimental procedure, and the laser tracking measurement system using a standard spherical reflecting mirror has a reduced effect of shafting runout error conclusion.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种激光测量领域，特别涉及一种验证激光追踪测量系统标准球面反射镜减小轴系跳动误差方法。
技术介绍
激光追踪测量系统是工业测量领域中一种高精度的大尺寸测量系统。具有测量空间大、测量效率高、测量精度高、操作简单等特点，类似于便携式三坐标测量机，并广泛应用于船舶制造、汽车制造、飞行器制造等领域。激光追踪测量系统主要由能够实现自动跟踪的二维回转机构和干涉测长系统组成。传统的商业激光跟踪仪利用平面镜作为仪器内部的反射装置，难以避免由两轴电机回转时的振动和游动所引入的测量误差。这些误差是无法补偿的，从而降低了激光跟踪仪的测量精度。鉴于此，以标准球为反射装置的激光追踪测量系统应运而生。以标准球为反射装置的激光追踪测量系统使用亚微米球度的球面反射镜代替传统激光跟踪仪的平面反射镜，在增大了角度测量空间的基础上，减小了轴系跳动误差为激光追踪测量系统激光干涉测长结果引入的误差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于验证激光追踪测量系统使用的标准球面反射镜具有减小轴系跳动误差的作用，提供了一种基于相对运动思想的验证激光追踪测量系统标准球面反射镜减小轴系跳动误差的方法。如图1所示，激光追踪测量系统局部结构以及测量原理如下：经光纤准直器(1)射出的相干光束被第一分光棱镜(2)透射和反射，对应作为透射光束和反射光束。透射光束作为参考光束照射在光电接收器(6)上。反射光束经透镜(7)的会聚，照射在标准球面反射镜(9)的外表面。经过标准球面反射镜(9)的发散反射后，被透镜(7)变为平行光束。该平行光束透射过第一分光棱镜(2)和第二分光棱镜(3)后，照射到靶镜(4)上。经过靶镜(4)反射后的平行光束一部分被第二分光棱镜(3)反射，照射到四象限传感器(5)上，使之产生用于控制两轴系电机回转的电信号。透射过第二分光棱镜(3)的光束，被第一分光棱镜(2)反射，作为测量光束与参考光束形成干涉，干涉条纹由光电接收器(6)接收。四象限传感器(5)产生的电信号控制两轴系的回转运动。水平轴(12)在回转过程中，使精密轴承(13)产生沿轴线方向的轴向跳动和垂直轴线方向的径向跳动。垂直轴(14)在回转的过程中，使精密转台(11)产生沿轴线方向的轴向跳动和垂直轴线方向的径向跳动。由于标准球面反射镜直接与底板固连，不参与回转运动，两轴系的跳动误差会直接改变激光束照射在标准球面反射镜外表面上的位置，使光束偏离标准球面反射镜的球心。激光束的传播方向和测量光束的光程会受影响。如图2所示，垂直回转轴和水平回转轴一共产生四项跳动误差，即垂直回转轴轴向跳动、垂直回转轴径向跳动、水平回转轴轴向跳动和水平回转轴径向跳动。标准球面反射镜不参与运动，并且两回转轴系和标准球面反射镜之间的运动是相对的，因此假设两回转轴系固定不动，标准球面反射镜存在着两种运动，即垂直激光束光轴方向的跳动和沿激光束光轴方向的跳动。验证上述两回转轴系沿垂直激光束光轴方向的跳动和沿激光束光轴方向的跳动对激光追踪测量系统激光干涉测量结果的影响分为以下两个步骤：步骤一：标准球面反射镜沿垂直激光束光轴方向的跳动如图3所示。两轴系沿Ⅰ方向上的跳动能够转换为标准球面反射镜和靶镜同时沿Ⅱ方向上的跳动。利用干涉仪、光阑、透镜、标准球面反射镜和纳米定位平台简化上述运动，并且能够找到标准球面反射镜的跳动与激光干涉测量之间的关系。如图4所示，激光干涉仪发出的光束通过光阑小孔，透射过透镜。调节透镜光轴与激光束轴线同轴，并且调节标准球面反射镜的位置，使激光束照射到标准球面反射镜外表面中心位置。要求透镜焦点在标准球面反射镜的球心位置。被标准球面反射镜反射回的激光束与激光干涉仪内部的测量光束形成干涉。利用纳米定位平台沿垂直激光束光轴方向微小移动标准球面反射镜来模拟两回转轴系沿垂直激光束光轴方向的跳动，同时观察激光干涉仪读数。步骤二：标准球面反射镜沿激光束光轴方向的跳动如图5所示。两轴系沿Ⅰ方向上的跳动转换为标准球面反射镜和靶镜同时沿Ⅱ方向上的跳动。而标准球面反射镜和靶镜同时沿Ⅱ方向上的跳动，又能够转换为透镜沿Ⅰ方向上的跳动。利用干涉仪、光阑、透镜、标准球面反射镜和纳米定位平台简化上述运动，并且能够找到标准球面反射镜的跳动与激光干涉测量之间的关系。如图6所示，激光干涉仪发出的光束通过光阑小孔，透射过透镜。调节透镜光轴与激光束轴线同轴，并且调节标准球面反射镜的位置，使激光束照射到标准球面反射镜外表面中心位置。要求透镜焦点在标准球面反射镜的球心位置。被标准球面反射镜反射回的激光束与激光干涉仪内部的测量光束形成干涉。利用纳米定位平台沿激光束光轴方向微小移动透镜来模拟两回转轴系沿激光束光轴方向的跳动，同时观察激光干涉仪读数。附图说明图1为激光追踪测量系统局部示意图。图2为二维转台基于相对运动思想的轴系跳动转换示意图。图3为基于相对运动思想的垂直光束方向轴系跳动转换示意图1。图4为基于相对运动思想的垂直光束方向轴系跳动转换示意图2。图5为基于相对运动思想的沿光束方向轴系跳动转换示意图1。图6为基于相对运动思想的沿光束方向轴系跳动转换示意图2。图7为标准球面反射镜沿垂直光束方向正向移动的激光干涉仪读数曲线图。图8为标准球面反射镜沿垂直光束方向负向移动的激光干涉仪读数曲线图。图9为透镜沿光束方向正向移动的激光干涉仪读数曲线图。图10为透镜沿光束方向负向移动的激光干涉仪读数曲线图。图中标记：1-光纤准直器，2-第一分光棱镜，3-第二分光棱镜，4-靶镜，5-四象限传感器，6-光电接收器，7-透镜，8-谐波减速器，9-标准球面反射镜，10-支撑板，11-精密转台，12-水平轴，13-精密轴承，14-垂直轴，15-同步带轮。具体实施方式下面结合附图及具体实施方式对本专利技术作进一步的详细描述。但不应将此理解为本专利技术上述主题的范围仅限于以下的实施方式，凡基于本
技术实现思路
所实现的技术均属于本专利技术的范围。实施方式中以SIOS单频激光干涉仪和PI纳米定位平台为例，使用球度为0.4微米的标准球面反射镜。实施方式1：如图4所示，将激光干涉仪固定在光学平台上，微调激光干涉仪姿态，使激光束方向与光学平台平行。在激光干涉仪前端固定光阑，光阑后面固定透镜。通过调节三维滑台确定透镜在空间的位置，保证透镜光轴与激光束共轴线。为了减小激光干涉仪的死区误差，使光阑和透镜尽量安装在靠近激光干涉仪的位置。在透镜焦点附近安装一个纳米定位平台，并将标准球面反射镜固定在纳米定位平台上，标准球面反射镜球心位于透镜焦点处。通过微调标准球面反射镜的空间位置，调整反射光经过光阑入射到激光干涉仪内部，与干涉仪内部的测量光束形成干涉。纳米定位平台按照图4所示的方向移动，观察干涉仪读数，将激光干涉仪读数最小值位置作为标准球面反射镜的零点位置。利用纳米定位平台沿垂直激光束光轴方向微小移动标准球面反射镜来模拟两回转轴系沿垂直激光束光轴方向的跳动。纳米定位平台以1微米为步长，分别向正反两个方向移动5微米，记录激光干涉仪4组读数，如表1所示。激光干涉仪读数曲线如图7、8所示。表1为实验测量数据，单位均为微米。正向012345读数00.020.030.050.040.06负向0-1-2-3-4-5读数-0.010.010.020.030.040.03正向012345读数0.020.030.030.040.04本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种验证激光追踪测量系统标准球面反射镜减小轴系跳动误差方法，其特征在于：经光纤准直器(1)射出的相干光束被第一分光棱镜(2)透射和反射，对应作为透射光束和反射光束；透射光束作为参考光束照射在光电接收器(6)上；反射光束经透镜(7)的会聚，照射在标准球面反射镜(9)的外表面；经过标准球面反射镜(9)的发散反射后，被透镜(7)变为平行光束；该平行光束透射过第一分光棱镜(2)和第二分光棱镜(3)后，照射到靶镜(4)上；经过靶镜(4)反射后的平行光束一部分被第二分光棱镜(3)反射，照射到四象限传感器(5)上，使之产生用于控制两轴系电机回转的电信号；透射过第二分光棱镜(3)的光束，被第一分光棱镜(2)反射，作为测量光束与参考光束形成干涉，干涉条纹由光电接收器(6)接收；四象限传感器(5)产生的电信号控制两轴系的回转运动；水平轴(12)在回转过程中，使精密轴承(13)产生沿轴线方向的轴向跳动和垂直轴线方向的径向跳动；垂直轴(14)在回转的过程中，使精密转台(11)产生沿轴线方向的轴向跳动和垂直轴线方向的径向跳动；由于标准球面反射镜直接与底板固连，不参与回转运动，两轴系的跳动误差会直接改变激光束照射在标准球面反射镜外表面上的位置，使光束偏离标准球面反射镜的球心；激光束的传播方向和测量光束的光程会受影响；垂直回转轴和水平回转轴一共产生四项跳动误差，即垂直回转轴轴向跳动、垂直回转轴径向跳动、水平回转轴轴向跳动和水平回转轴径向跳动；标准球面反射镜不参与运动，并且两回转轴系和标准球面反射镜之间的运动是相对的，因此假设两回转轴系固定不动，标准球面反射镜存在着两种运动，即垂直激光束光轴方向的跳动和沿激光束光轴方向的跳动。...

【技术特征摘要】
1.一种验证激光追踪测量系统标准球面反射镜减小轴系跳动误差方法，其特征在于：经光纤准直器(1)射出的相干光束被第一分光棱镜(2)透射和反射，对应作为透射光束和反射光束；透射光束作为参考光束照射在光电接收器(6)上；反射光束经透镜(7)的会聚，照射在标准球面反射镜(9)的外表面；经过标准球面反射镜(9)的发散反射后，被透镜(7)变为平行光束；该平行光束透射过第一分光棱镜(2)和第二分光棱镜(3)后，照射到靶镜(4)上；经过靶镜(4)反射后的平行光束一部分被第二分光棱镜(3)反射，照射到四象限传感器(5)上，使之产生用于控制两轴系电机回转的电信号；透射过第二分光棱镜(3)的光束，被第一分光棱镜(2)反射，作为测量光束与参考光束形成干涉，干涉条纹由光电接收器(6)接收；四象限传感器(5)产生的电信号控制两轴系的回转运动；水平轴(12)在回转过程中，使精密轴承(13)产生沿轴线方向的轴向跳动和垂直轴线方向的径向跳动；垂直轴(14)在回转的过程中，使精密转台(11)产生沿轴线方向的轴向跳动和垂直轴线方向的径向跳动；由于标准球面反射镜直接与底板固连，不参与回转运动，两轴系的跳动误差会直接改变激光束照射在标准球面反射镜外表面上的位置，使光束偏离标准球面反射镜的球心；激光束的传播方向和测量光束的光程会受影响；垂直回转轴和水平回转轴一共产生四项跳动误差，即垂直回转轴轴向跳动、垂直回转轴径向跳动、水平回转轴轴向跳动和水平回转轴径向跳动；标准球面反射镜不参与运动，并且两回转轴系和标准球面反射镜之间的运动是相对的，因此假设两回转轴系固定不动，标准球面反射镜存在着两种运动，即垂直激光束光轴方向的跳动和沿激光束光轴方向的跳动。2.根据权利要求1所述的一种验证激光追踪测量系统标准球面反射镜减小轴系跳动误差方法，其特征在于：两轴系沿Ⅰ方向上的跳动能够转换为标准球面反射镜和靶镜同时沿Ⅱ方向上的跳动；利用干涉仪、光阑、透镜、标准球面反射镜和纳米定位平台简化上述运动，并且能够找到标准球面反射镜的跳动与激光干涉测量之间的关系；激光干涉仪发出的光束通过光阑小孔，透射过透镜；调节透镜光轴与激光束轴线同轴，并且调节标准球面反射镜的位置，使激光束照射到标准球面反射镜外表面中心位置；要求透镜焦点在标准球面反射镜的球心位置；被标准球面反射镜反射回的激光束与激光干涉仪内部的测量光束形成干涉；利用纳米定位平台沿垂直激光束光轴方向微小移动标准球面反射镜来模拟两回转轴系沿垂直激光束光轴方向的跳动，同时观察激光干涉仪读数。3.根据权利要求1所述的一种验证激光追踪测量系统标准球面反射镜减小轴系跳动误差方法，其特征在于：两轴系沿Ⅰ方向上的跳动能够转换为标准球面反射镜和靶镜同时沿Ⅱ方向上的跳...

【专利技术属性】
技术研发人员：石照耀，宋辉旭，陈洪芳，孙衍强，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11