CN111238337A - 基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明主要涉及长度测量技术领域，提供了一种基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准***，包括：在空间上可形成任意三棱柱形的3路激光干涉光路，和设置于空间内并与3路激光干涉光路平行的用于波长补偿的第四激光干涉光路，激光器发射的激光光束一部分经分光镜后反射到干涉镜作为参考信号，一部分被投射到反射镜反射***于干涉镜内形成测量信号，被测步距规发生位移时，通过测量信号和参考信号并根据测量模型计算得到被测步距规的消除了阿贝误差的位移值，将3路激光光路合成到被测步距规测量线上的测量模型，无论步距规安装在坐标测量机测量平台的任何位置，都可以非常方便地实现基于阿贝原则的激光干涉法步距规测量精度。

Description

基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准方法及***

技术领域

本发明涉及长度测量技术领域，尤其涉及一种基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准方法及***。

背景技术

步距规作为一种通用的长度实物计量器具，由于步距规具有精度高、一致性好等特点，因此，国际计量局(BIPM)把步距规列入了国际长度量的关键比对项目，使之成为衡量一个国家几何量校准实验室能力的重要标志。广泛应用于坐标测量机、数控机床、光仪量具等高精度仪器的精度校准及量值传递。

因此，日本国家计量院(简称NMIJ)在坐标测量机的基础上，通过架设4路激光干涉测长***实现大位移测量，通过采集坐标测量机的测头偏置电压得到微位移量，从而得到被测步距规各个尺寸值。该装置可以实现的测量不确定度为U＝(0.06+0.22L)μm。芬兰国家计量院(简称MIKES)采用基于阿贝原则的四光路激光干涉仪实现高精度位移测量，其中一路激光监测感应测头的位移，用来瞄准，其他三路激光经空气折射率补偿后实现位移精确测量。该装置可以实现的测量不确定度为U＝(0.064+0.088L)μm。美国国家计量院在坐标测量机的基础上，设计了基于电感式位移传感器座位测头，实现了低至7nm的测量重复性。

但是，上述三种测量***是在三维坐标测量原理的基础上建立的，不可避免会引入阿贝误差。由此，德国国家计量院在纳米比较仪的基础上，通过增加Z向位移台和接触式测头实现步距规端面上测量点的瞄准，从而实现纳米量级的测量精度。该装置可以实现的测量重复性优于7nm。该***采用基于真空干涉原理的位移测量方法，精度高，但***结构比较复杂，不易实现。

发明内容

基于上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准方法及***，通过增加四路激光干涉仪，构建三路激光的空间相互位置关系模型，将三路激光的合成光路平移到被测步距规的测量线上，极大的降低了坐标测量机的阿贝误差，而且***结构简单易实现。

第一方面，本发明提供了一种基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准***，所述***具体包括激光器、干涉测量单元、被测步距规和数据处理单元；

所述干涉测量单元包括在空间上可形成任意三棱柱形的第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路，以及第四激光干涉光路，每一路激光干涉光路沿光轴方向依次均设置分光镜、干涉镜和反射镜，所述分光镜、干涉镜和反射镜均固定设置在坐标测量机尾部的大理石平台上，所述第四激光干涉光路分别与所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路平行，所述第四激光干涉光路包括设置于第四干涉镜和第四反射镜之间的波长补偿标准具，用于补偿所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路的波长；

所述被测步距规设置于所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路形成的棱柱形空间内，并将所述被测步距规安装在所述大理石平台上的运动平台上，在所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路形成的棱柱形空间内设置有自准直仪，用于测量所述运动平台的俯仰角度和偏摆角度；

所述激光器用于发射激光光束，一部分经分光镜后反射到干涉镜作为参考光束，在干涉镜内形成参考信号，一部分被投射到反射镜作为测量光束，所述参考光束和所述测量光束沿同一轴线入位于干涉镜内形成测量信号，当所述被测步距规发生位移时，所述数据处理单元用于通过接收到的测量信号和参考信号通过测量模型可计算所述被测步距规的消除了阿贝误差的位移值，所述测量模型为

oo`为所述被测步距规的位移值，所述x、y、z分别为所述被测步距规移动到目标坐标点o`时的x轴、y轴、z轴的坐标值，o点为所述被测步距规的起始坐标点。

优选的，所述***还包括设置于所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路形成的棱柱形空间内的环境参数补偿单元，包括空气测量传感器，用于监测所述第一、第二和第三路激光干涉光路中的空气温度、空气湿度和气压。

优选的，所述被测步距规的两端分别设置材料温度传感器，用于测量所述被测步距规的温度。

第二方面，本发明还提供了一种基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准方法，所述方法包括：

将第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路以任意三棱柱形的形式设置在坐标测量机尾部的大理石平台上，被测步距规设置在所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路形成的三棱柱形的任意空间内；

在所述被测步距规位于起始测量位置处时，将所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路中的干涉镜与所述被测步距规的示值清零；

通过大理石平台上设置的运动平台将所述被测步距规移动至目标测量位置，测量所述被测步距规在所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路形成的三棱柱形的任意空间内的移动坐标值，根据所述移动坐标值，通过测量模型计算所述被测步距规的消除了阿贝误差的位移值

oo`为所述被测步距规的位移值，所述x、y、z分别为所述被测步距规移动到目标坐标点o`时的x轴、y轴、z轴的坐标值，o点为所述被测步距规的起始坐标点。

优选的，所述在所述被测步距规位于起始测量位置处时，将所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路中的干涉镜与所述被测步距规的示值清零，之后还包括：

启动环境参数补偿单元，所述环境参数补偿包括空气温度、气压和空气湿度参数。

优选的，所述通过大理石平台上设置的运动平台将所述被测步距规移动至目标测量位置，测量所述被测步距规在所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路形成的三棱柱形的任意空间内的移动坐标值，之后还包括：

通过环境参数补偿单元校正所述被测步距规在所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路形成的三棱柱形的任意空间内的移动坐标值，得到校正后的移动坐标值。

有益效果：本发明主要提供了一种基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准***，包括在空间上可形成任意三棱柱形的3路激光干涉光路，和设置于空间内并与3路激光干涉光路平行的用于波长补偿的第四激光干涉光路，激光器发射的激光光束一部分经分光镜后反射到干涉镜作为参考信号，一部分被投射到反射镜反射***于干涉镜内形成测量信号，被测步距规发生位移时，通过测量信号和参考信号并根据测量模型计算得到被测步距规的消除了阿贝误差的位移值，将3路激光光路合成到被测步距规测量线上的测量模型，无论步距规安装在坐标测量机测量平台的任何位置，都可以非常方便地实现基于阿贝原则的激光干涉法步距规测量精度。

本发明的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准***的结构框图；

图2为本发明实施例提供的一种基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准***的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准***中的测量模型示意图；

图4为本发明实施例提供的一种基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准方法的流程示意图；

laser:激光头；pc:数据处理单元；air sensor：空气测量传感器；bs：分光镜；mat.Temp sensor:材料温度传感器；step gauge:被测步距规；retro mirror:反射镜；wavelength compensation:波长补偿标准具；autocollimator:自准直仪。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

下面将结合附图对本申请的实施例进行描述，但并非对本发明的限制。

如图1和图2所示，为本发明实施例提供的一种基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准***的结构示意图，所述***具体包括激光器、干涉测量单元和数据处理单元；

所述干涉测量单元包括在空间上可形成任意三棱柱形的第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路，以及第四激光干涉光路，每一路激光干涉光路沿光轴方向依次均设置50％分光镜、干涉镜和反射镜，所述分光镜、干涉镜和反射镜均固定设置在坐标测量机尾部的大理石平台上，所述被测步距规设置于所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路形成的棱柱形空间内，并将所述被测步距规安装在所述大理石平台上的运动平台上，所述第四激光干涉光路分别与所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路平行，所述第四激光干涉光路包括设置于第四干涉镜和第四反射镜之间的波长补偿标准具，用于补偿所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路的波长；在所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路形成的棱柱形空间内设置有自准直仪，用于测量所述运动平台的俯仰角度和偏摆角度；

所述激光器用于发射激光光束，一部分经分光镜后反射到干涉镜作为参考光束，在干涉镜内形成参考信号，一部分被投射到反射镜作为测量光束，所述参考光束和所述测量光束沿同一轴线入位于干涉镜内形成测量信号，当所述被测步距规发生位移时，所述数据处理单元用于通过接收到的测量信号和参考信号通过测量模型可计算所述被测步距规的消除了阿贝误差的位移值，所述测量模型为

oo`为所述被测步距规的位移值，所述x、y、z分别为所述被测步距规移动到目标坐标点o`时的x轴、y轴、z轴的坐标值，o点为所述被测步距规的起始坐标点。

需要说明的是，本发明提供的基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准***是建立在坐标测量机的结构基础上的，被测步距规固定安放在坐标测量机的大理石平台上，并随大理石平台运动。在坐标测量机尾部架设大理石平台，在其上安装激光器，用于发射激光光束，在激光器的出光口之后安装4个分光镜，形成第一激光干涉光路、第二激光干涉光路、第三路激光干涉光路以及第四激光干涉光路，每一路激光干涉光路沿光轴方向依次均设置50％分光镜、干涉镜和反射镜，包括第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜和第四分光镜，第一干涉镜、第二干涉镜、第三干涉镜和第四干涉镜，第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜。

4个反射镜安装在大理石平台上，对大理石平台的运动位移进行精密测量；其中所述第四激光干涉光路包括设置于第四干涉镜和第四反射镜之间的波长补偿标准具，用于补偿所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路的波长。

考虑到坐标测量机的运动平台在任意一个运动轴方向的运动总是存在着六个自由度方面的误差，而对步距规这种一维尺度的标准器来说，当把被测步距规沿坐标测量机的某一运动轴方向放置时，该轴的直线度误差和滚摆误差对长度测量的影响基本可以忽略不计。误差主要来自于该运动轴方向的长度测量误差、俯仰角和偏航角引起的误差。

如图3所示，为本发明实施例提供的基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准***中的测量模型示意图，βi为

与Z轴的夹角，θi是

与Z轴的夹角，反射镜P₁(x₁,y₁,z₁)，反射镜P₂(x₂,y₂,z₁)，反射镜P₃(x₃,y₃,z₁)，步距规初始零面点o(x₀,y₀,z₁)。

当所述被测步距规移动一定距离后，已知移动后的反射镜P₁P₁`的矢量距离为L<sub>1</sub>u<sub>1</sub>，反射镜P<sub>2</sub>P<sub>2</sub>`的矢量距离为L₂u₂,光学镜P₃P₃`的矢量距离为L₃u₃。

具体的，当被测步距规从o点移动到o`点时，通过所述测量模型计算oo`的距离。将所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路中的干涉镜与所述被测步距规的示值清零，令被测步距规初始零面点，即测量原点o的坐标为(0,0,0),则需要求解出o`点的坐标值(x,y,z)。

基于闭环矢量原理可建立数学模型如下：

的矢量为

式中，

表示OP_i的模。

的方向矢量为：

则将式(1)改写为r-e_i-l_iu_i＝-e′_i，两端分别乘以各自的转置，可得

将上式展开得

进一步展开得：

令

则有

其中：

因此

即

G_i-2l_i(xcosβ_i+ysinβ_i-e_i)sinθ_i-2l_izcosθ_i＝0 (6)

将G_i带入可得：

展开得

即

这是关于x、y和z的非线性方程组，采用牛顿迭代法求解位置正解问题：

令上式为f_i(x,y,z)＝0，分别对x、y和z求导，则有：

f′_ix＝2x-2(l_isinθ_i+e_i)cosβ_i (9)

f′_iy＝2y-2(l_isinθ_i+e_i)sinβ_i (10)

f′_iz＝2z-2l_icosθ_i (11)

设t＝(xyz)，t^(k)是解t的第k次近似，在t^(k)将函数f_i(t)泰勒展开

写成向量形式，即：

记

第k步是先求解线性方程组

f′(t^(k))Δt^(k)＝-f(t^(k)) (15)

解出Δt^(k)。具体方法如下：

对于平面有

解出Δt^(k)后，再令t^(k+1)＝t^(k)+Δt^(k)。

基于MATLAB(一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境)的解算步骤如下：

(1)迭代赋初值x₀＝(x₀ y₀ z₀)^T；

(2)根据初值计算函数初值f₀(x,y,z)；

(3)计算初始海塞矩阵f′₀(x)；

(4)根据式f′(x^(k))Δx^(k)＝-f(x^(k))计算出Δx⁽⁰⁾；

(5)根据式x^(k+1)＝x^(k)+Δx^(k)计算出x⁽¹⁾；

(6)判断是否满足迭代结束条件，如不满足，则返回第2步开始继续迭代。如满足迭代条件。则可得到此时的t,即：t＝(xyz)。则所需要求解的OO'的距离为：

根据被测步距规所要测量的不同位置，即可测量和计算出所需要的被测步距规各个测量面与零面间的长度，达到步距规的校准之目的。

步距规测量原理符合阿贝原则是减少测量误差的基本条件，在基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准***中，本发明设计了一种将3路激光光路合成到被测步距规测量线上的测量模型，可以非常方便地实现无论步距规安装在坐标测量机测量平台的任何位置，都可以实现基于阿贝原则的激光干涉法步距规测量精度。

优选的，所述***还包括设置于所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路形成的棱柱形空间内的环境参数补偿单元，包括空气测量传感器，在所述被测步距规位于起始测量位置处时，将所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路中的干涉镜与所述被测步距规的示值清零，之后启动环境参数补偿单元，监测所述第一、第二和第三路激光干涉光路中的空气温度、空气湿度和气压的变化，通过环境参数补偿单元校正所述被测步距规在所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路形成的三棱柱形的任意空间内的移动坐标值，得到校正后的移动坐标值。

优选的，在被测步距规两端布设材料温度传感器，测量步距规的温度，根据步距规的热膨胀系数将被测步距规的移动距离长度测量值转化为20℃条件下的长度值。

本发明实施例还提供了一种基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准方法，如图4所示，所述方法包括了以下步骤：

S₁，将第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路以任意三棱柱形的形式设置在坐标测量机尾部的大理石平台上，被测步距规设置在所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路形成的三棱柱形的任意空间内；

S₂，在所述被测步距规位于起始测量位置处时，将所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路中的干涉镜与所述被测步距规的示值清零；

S₃，通过大理石平台上设置的运动平台将所述被测步距规移动至目标测量位置，测量所述被测步距规在所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路形成的三棱柱形的任意空间内的移动坐标值，根据所述移动坐标值，通过测量模型计算所述被测步距规的消除了阿贝误差的位移值

oo`为所述被测步距规的位移值，所述x、y、z分别为所述被测步距规移动到目标坐标点o`时的x轴、y轴、z轴的坐标值，o点为所述被测步距规的起始坐标点。

优选的，在所述被测步距规位于起始测量位置处时，将所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路中的干涉镜与所述被测步距规的示值清零，之后还包括：

启动环境参数补偿单元，所述环境参数补偿包括空气温度、气压和空气湿度参数。

优选的，通过大理石平台上设置的运动平台将所述被测步距规移动至目标测量位置，测量所述被测步距规在所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路形成的三棱柱形的任意空间内的移动坐标值，之后还包括：

通过环境参数补偿单元校正所述被测步距规在所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路形成的三棱柱形的任意空间内的移动坐标值，得到校正后的移动坐标值。

本发明实施例一种基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准方法是对应上述实施例一种基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准***，由于上述实施例中已经对一种基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准***的各个功能模块、单元进行了详细的说明，故在此基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准方法实施例中不再赘述。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准***，其特征在于，所述***包括激光器、干涉测量单元、被测步距规和数据处理单元；

所述干涉测量单元包括在空间上可形成任意三棱柱形的第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路，以及第四激光干涉光路，每一路激光干涉光路沿光轴方向依次均设置分光镜、干涉镜和反射镜，所述分光镜、干涉镜和反射镜均固定设置在坐标测量机尾部的大理石平台上，所述第四激光干涉光路分别与所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路平行，所述第四激光干涉光路包括设置于第四干涉镜和第四反射镜之间的波长补偿标准具，用于补偿所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路的波长；

所述被测步距规设置于所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路形成的棱柱形空间内，并将所述被测步距规安装在所述大理石平台上的运动平台上，在所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路形成的棱柱形空间内设置有自准直仪，用于测量所述运动平台的俯仰角度和偏摆角度；

所述激光器用于发射激光光束，一部分经分光镜后反射到干涉镜作为参考光束，在干涉镜内形成参考信号，一部分被投射到反射镜作为测量光束，所述参考光束和所述测量光束沿同一轴线入位于干涉镜内形成测量信号，当所述被测步距规发生位移时，所述数据处理单元用于通过接收到的测量信号和参考信号通过测量模型可计算所述被测步距规的消除了阿贝误差的位移值，所述测量模型为

oo`为所述被测步距规的位移值，所述x、y、z分别为所述被测步距规移动到目标坐标点o`时的x轴、y轴、z轴的坐标值，o点为所述被测步距规的起始坐标点。

2.根据权利要求1所述的基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准***，其特征在于，所述***还包括设置于所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路形成的棱柱形空间内的环境参数补偿单元，包括空气测量传感器，用于监测所述第一、第二和第三路激光干涉光路中的空气温度、空气湿度和气压。

3.根据权利要求1或2所述的基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准***，其特征在于，所述被测步距规的两端分别设置材料温度传感器，用于测量所述被测步距规的温度。

4.一种基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准方法，其特征在于，所述方法包括：

将第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路以任意三棱柱形的形式设置在坐标测量机尾部的大理石平台上，被测步距规设置在所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路形成的三棱柱形的任意空间内；

在所述被测步距规位于起始测量位置处时，将所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路中的干涉镜与所述被测步距规的示值清零；

通过大理石平台上设置的运动平台将所述被测步距规移动至目标测量位置，测量所述被测步距规在所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路形成的三棱柱形的任意空间内的移动坐标值，根据所述移动坐标值，通过测量模型计算所述被测步距规的消除了阿贝误差的位移值

oo`为所述被测步距规的位移值，所述x、y、z分别为所述被测步距规移动到目标坐标点o`时的x轴、y轴、z轴的坐标值，o点为所述被测步距规的起始坐标点。

5.根据权利要求4所述的基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准方法，其特征在于，所述在所述被测步距规位于起始测量位置处时，将所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路中的干涉镜与所述被测步距规的示值清零，之后还包括：

启动环境参数补偿单元，所述环境参数补偿包括空气温度、气压和空气湿度参数。

6.根据权利要求5所述的基于激光干涉可消除阿贝误差的步距规校准方法，其特征在于，所述通过大理石平台上设置的运动平台将所述被测步距规移动至目标测量位置，测量所述被测步距规在所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路形成的三棱柱形的任意空间内的移动坐标值，之后还包括：

通过环境参数补偿单元校正所述被测步距规在所述第一激光干涉光路、第二激光干涉光路和第三路激光干涉光路形成的三棱柱形的任意空间内的移动坐标值，得到校正后的移动坐标值。

Images