[发明专利]基于共路平行光线的滚转角测量方法

说明书

技术领域

本发明属于角度光学测量技术领域，特别涉及滚转角测量方法。

背景技术

在机床导轨三种角运动误差中，滚转角误差是六个误差中最难测量的一个参数。机床和三座标测量机等系统为了实时修正阿贝误差需要对滚转角、俯仰角和偏转角进行测量。另外，某些工件的安装和校准中，也需要对滚转角测量或者定位。

目前光学测量滚转角方法主要有以下四种：

基于干涉测量方法。尽管有些干涉系统能得到很高测量分辨率，但测量系统过于复杂、造价高(如中国专利ZL01130893.1所公开的滚转角测量方法)。

基于全息光栅衍射的测量方法。利用全息光栅衍射现象来实现对滚转角测量，其缺点是测量精度不高，同时测量头带有跟随电缆，造成现场测量不方便(如美国专利US6316779所公开的滚转角测量方法)。

基于偏振基准的测量方法。尽管偏振法是目前研究较多的一种方法，但其测量的分辨率难以提高，系统稳定性难以保证(如中国专利ZL200510011877.1所公开的滚转角测量方法)。

基于准直激光测量方法。这种方法的测量原理相对简单，利用几何光学测量原理。美国专利US5798828公开了一种准直激光测量滚转角的方法，该方法基于平行光线通过测量两个不同地方的直线度计算得到滚转角大小。要提高测量灵敏度，需要增大准直平行光线之间的距离，且测量头带有电缆，给现场测量带来不便。Chien-Hung Liu在题为“Development ofa laser-based high-precision six-degrees-of-freedom motion errors measuringsystem for linear stage”(Review of Scientific instruments，2005，76，055110)中提出利用角锥棱镜逆向反射，从而使系统测量移动头不带电缆，从而克服移动头有电缆的缺点。但是，这样一来，两测量光在空气中的光程也成倍地增加了，空气对测量的影响也增大了。另外，基于平行光线测量滚转角的方法，要提高测量分辨率，只能靠增大平行光线之间的距离，从而增大了测量系统的体积。

发明内容

本发明提供了一种基于共路平行光线的滚转角测量方法，采用两次偏振分光得到两平行光线，并同时利用由一对反射平面互成90°的反射器件和一对逆向反射器实现了两平行光线的共路和误差放大，从而提高结构的紧凑性，系统的稳定性、测量的可靠性和灵敏度。

一种滚转角测量方法，包括：

由激光器发出的准直激光经过第一偏振分光器偏振分光后产生互相垂直的透射线偏振光和反射线偏振光；

所述的透射线偏振光为测量光线I；

所述的反射线偏振光射入沿其光线方向设置的第二偏振分光器，被再次垂直反射，形成与透射线偏振光平行且不重叠的测量光线II，

所述的测量光线I和II分别射入沿各自的光线方向设置的第一和第二滚转角敏感部件，形成与各自的入射光线平行且不重叠的逆向反射光I和II；其中，测量光线I和II分别垂直于其入射的接触面，入射的接触面与待测系统的滚转轴平行；

所述的逆向反射光I和II分别经二次90°交叉反射后，形成分别沿逆向反射光II和I的光线逆向出射的二次反射光I和II；

所述的二次反射光I和II分别射入第二和第一滚转角敏感部件，并分别沿测量光线II和I的光线逆向返回至第二和第一偏振分光器，分别形成透过第二偏振分光器的探测光线I和被第一偏振分光器垂直反射的探测光线II；

探测光线I和II分别射入第一和第二探测器，第一和第二探测器采集获得探测光线I和II的位置变化信号；

同时，第一探测器和第二探测器分别产生反映各自入射光位置变化的电流信号，并送入与两探测器相连接的信号处理电路，信号处理电路对来自探测器的电流信号进行处理，得到反映位置变化的电压信号，并将得到的电压信号送入与其连接的计算机，经计算机差分处理后，再除以两滚转角敏感部件之间的距离得到被测的滚转角的大小和方向，其中正负号来判断滚转角的方向。

还可以将上述的探测器设为二维探测器，探测器可同时产生二维位置变化的信号，第一探测器和第二探测器的竖直方向位置信号经过差分后，再除以两滚转角敏感部件之间距离得到滚转角信号。第一探测器和第二探测器的水平方向位置信号经过平均处理后，得到水平方向直线度误差。

所述的滚转角敏感部件为放置在待测系统上的逆向反射器，用于改变入射光线的方向，使得入射光线经反射后沿与入射光线平行且不重叠的方向逆向返回。为了实现以上功能，所述的滚转角敏感部件可以为角锥棱镜、空心角锥棱镜或猫眼结构。