CN111351430B - 基于光束自动稳定的半导体激光运动误差测量***及方法 - Google Patents

基于光束自动稳定的半导体激光运动误差测量***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于线性导轨的运动精度测量技术领域，具体公开了基于光束自动稳定的半导体激光运动误差测量***及方法，***包括：长距离四自由度误差测量模块和光束稳定模块。长距离四自由度误差测量模块中，直线度误差和角度误差是基于激光准直原理和激光自准直原理进行的。在光束稳定模块中，近端平行漂移反馈源和远端角度漂移反馈源接收到光束漂移信号后，通过控制电路反馈给两个可由PZT控制角度的直角反射镜，用于补偿和抑制测量范围内的光束稳定。该测量***采用半导体激光器，成本较低、体积小、设计光路结构简单，易集成在线性平台上，实现在线误差测量。光束稳定模块，可减少光束漂移，有效的提高了测量精度和稳定性。

Description

基于光束自动稳定的半导体激光运动误差测量***及方法
技术领域
本发明属于运动平台的定位精度测量技术领域，具体涉及带有光束稳定功能的长距离半导体激光四自由度运动误差测量***及方法。
背景技术
数控机床在国防军工、航空航天及民用生产等领域有着极为重要的地位，运动平台的精度直接影响数控运动平台的加工精度。
由于加工工艺及装配方式不可避免的存在偏差，运动平台总存在六自由度的几何运动误差：沿轴向的位置误差、垂直于轴向的两个直线度误差(水平直线度误差、垂直直线度误差)、三个绕轴转动的角度误差(俯仰角误差、偏摆角误差、滚转角误差)。
目前已经许多能够同时测量多自由度几何运动误差的***。基于干涉原理的测量***，例如光栅衍射干涉测量和激光合成波长干涉测量，已实现了优于亚纳米的线性位移分辨率和大约亚弧度的角位移分辨率。然而，基于干涉原理的测量***装置复杂且光路调整过程复杂。相比之下，基于非干涉原理的测量***有许多优于基于干涉原理的测量***的点，例如结构简单、易于调整、测量范围大等。因此，被广泛地用于测量诸如数控机床和坐标测量机之类的精密机器的运动误差。
上述基于非干涉原理的测量***中，***的激光源常采用光束质量较好的氦氖激光器。但是，氦氖激光器的体积较大，导致测量***体积也会变大，从而无法集成在运动平台上进行在线误差测量。另外成本也较高。而半导体激光器的体积较小，成本较低，易实现在线误差测量。但是，半导体激光器总会存在激光束偏移的物理现象，这会影响***的稳定性和测量精度。因此，实时补偿和抑制激光束偏移是提高基于非干涉原理的测量***稳定性和测量精度的必要条件。
发明内容
针对现有技术的上述问题，本发明提供了基于光束自动稳定的半导体激光运动误差测量***，所述四自由度误差测量模块中，直线度误差和角度误差是基于激光准直原理和激光自准直原理进行的。所述光束稳定模块中，近端平行漂移反馈源和远端角度漂移反馈源接收到光束漂移信号后，通过控制电路反馈给两个可由PZT控制角度的直角反射镜，用于补偿和抑制测量范围内的光束稳定。
具体技术方案如下：
该***包括四自由度误差测量模块和光束稳定模块，其中：
所述四自由度误差测量模块包括半导体激光器、第一直角反射镜、第二直角反射镜、第一分光棱镜、第一四象限光电探测器、第三直角反射镜、第一聚焦透镜、第二四象限光电探测器。半导体激光器产生的光束经第一直角反射镜和第二直角反射镜反射后平行射入第二分光棱镜和第三分光棱镜，其透射光射入第一分光棱镜，第一分光棱镜的透射光由第一四象限光电探测器接收，第一四象限光电探测器探测到的光斑位移作为运动平台的二维直线度误差；第一分光棱镜的反射光经第三直角反射镜和第一聚焦透镜后射入第二四象限光电探测器，第二四象限光电探测器探测到的光斑位移作为运动平台的俯仰角误差和偏摆角误差。
所述光束稳定模块包括第一直角反射镜、第二直角反射镜、第二分光棱镜、第三四象限光电探测器、第三分光棱镜、第四直角反射镜、第二聚焦透镜、第四四象限光电探测器。第二分光棱镜的反射光射入第三四象限光电探测器，作为光束稳定模块的近端光束漂移反馈源；第四直角反射镜的反射光经第二聚焦透镜射入第四四象限光电探测器，作为光束稳定模块的远端光束漂移反馈源；第一直角反射镜、第二直角反射镜均安装在可由PZT(压电陶瓷)控制的高精度二维角度调整架上，当第三四象限光电探测器和第四四象限光电探测器检测到激光光束发生漂移即示数不为零时，其输出信号在计算机中经PID控制后转换为电压信号输出给PZT，PZT根据输出电压改变自身的长度进而改变第一直角反射镜和第二直角反射镜的角度从而改变光束出射角度，使第三四象限光电探测器和第四四象限光电探测器的示数尽可能向零靠近，以此补偿和抑制激光器在测量区间内的光束漂移。
本发明具有以下优点及突出性效果：本发明中的四自由度误差测量模块采用成本低、体积小的半导体激光器代替传统激光运动误差测量***中的氦氖激光器，半导体激光器基于非干涉原理进行长距离运动误差测量，成本较低；设计光路结构简单，易于集成，可实现在线误差测量。光束稳定模块采用两个由PZT控制角度的直角反射镜，来补偿和抑制测量范围内的半导体激光器光束的稳定性，基于PID反馈控制原理稳定激光，减少光束漂移，有效的提高了测量精度和稳定性。
附图说明
图1带有光束稳定功能的长距离半导体激光四自由度运动误差测量***光路图；
图2半导体激光器光束漂移自动稳定***示意图；
图中：1半导体激光器；2第一直角反射镜；3第二直角反射镜；4第二分光棱镜；5第三四象限光电探测器；6第三分光棱镜；7第四直角反射镜；8第一分光棱镜；9第一四象限光电探测器；10第三直角反射镜；11第一聚焦透镜；12第二四象限光电探测器；13第二聚焦透镜；14第四四象限光电探测器。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述。
参照附图1，本发明所采用的技术方案是：一种基于光束自动稳定的半导体激光运动误差测量***，该测量***包括半导体激光器1、第一直角反射镜2、第二直角反射镜3、第二分光棱镜4、第三四象限光电探测器5、第三分光棱镜6、第四直角反射镜7、第一分光棱镜8、第一四象限光电探测器9、第三直角反射镜10、第一聚焦透镜11、第二四象限光电探测器12、第二聚焦透镜13、第四四象限光电探测器14；其中，半导体激光器1、带PZT驱动的第一直角反射镜2、带PZT驱动的第二直角反射镜3、第二分光棱镜4、第三四象限光电探测器5、第三分光棱镜6、第四直角反射镜7安装在固定端；第一分光棱镜8、第一四象限光电探测器9、第三直角反射镜10、第一聚焦透镜11、第二四象限光电探测器12安装在测量端；第二聚焦透镜13、第四四象限光电探测器14安装在反馈端。固定端与反馈端固定安装在运动平台平面上，测量端在被测运动平台上运动。
在长距离四自由度误差测量模块中，二维直线度误差和俯仰角误差、偏摆角误差是基于激光准直原理进行测量的：
半导体激光器1产生的激光经第一直角反射镜2和第二直角反射镜3反射进入第二分光棱镜4和第三分光棱镜6，第三分光棱镜的透射光作为测量光经第一分光棱镜8分成两束光，透射光射入第一四象限光电探测器9作为二维直线度误差的测量光，当被测平台有水平直线度误差和垂直直线度误差时，第一四象限光电探测器9中光斑的中心位置会产生位移，从而使第一四象限光电探测器9的四个象限的电压(V9_1,V9_2,V9_3,V9_4)发生变化,则实际的水平直线度误差和垂直直线度误差可表示为：
Figure BDA0002410835930000051
Figure BDA0002410835930000052
其中，kx和ky为第一四象限光电探测器9的灵敏度。
反射光经第三直角反射镜10和第一聚焦透镜11射入第二四象限光电探测器12作为俯仰角误差和偏摆角误差的测量光，当被测平台有俯仰角误差和偏摆角误差时，第二四象限光电探测器12中光斑的中心位置会产生位移，从而使第二四象限光电探测器12的四个象限的电压(V12_1,V12_2,V12_3,V12_4)发生变化,则实际的俯仰角误差和偏摆角误差可表示为：
Figure BDA0002410835930000053
Figure BDA0002410835930000054
其中，k1x和k1y为第二四象限光电探测器12的灵敏度。fL表示平凸透镜11的焦距。
参照附图2，在光束稳定模块中，第二分光棱镜4的反射光射入第三四象限光电探测器5，作为近端平行漂移反馈源；第三分光棱镜6的反射光经第四直角反射镜反射后射入第二聚焦透镜16，最终由第四四象限光电探测器14接收，作为远端角度漂移反馈源；第一四象限光电探测器9、第二四象限光电探测器12、第三四象限光电探测器5、第四四象限光电探测器14的信号经过信号处理电路、数据采集卡与计算机连接。
当第三四象限光电探测器5和第四四象限光电探测器14检测到激光光束发生漂移(Δx,Δy,Δθx,Δθy)时，其输出信号在计算机中经PID控制后转换为电压信号输出给PZT，PZT根据输出电压改变自身的长度进而改变由PZT(压电陶瓷)控制的高精度二维角度调整架上的第一直角反射镜2和第二直角反射镜3的角度(αx,αy,βx,βy)从而改变光束出射角度，使第三四象限光电探测器5和第四四象限光电探测器14的示数尽可能向零靠近，以此保证光束的稳定，光束漂移量与反射镜角度的理论关系可如下表示：
Δx＝z1tanαx+z2tanβx (5)
Δy＝z1tanαy+z2tanβy (6)
Δθx＝2(βx-αx) (7)
Δθy＝2(βy-αy) (8)
其中，z1为第一直角反射镜2和第二直角反射镜3间的光程，z2为第二直角反射镜3至第三四象限光电探测器5的光程。
测量开始前，调整测量光与待测运动平台同轴，调整第三四象限光电探测器5和第四四象限光电探测器14的示数为零；开启PID反馈控制，使测量光束稳定；在被测平台起始位置处，调整第一四象限光电探测器9和第二四象限光电探测器12的示数为零。测量时，测量端在运动平台上运动，第一四象限光电探测器9中光斑的中心位置和第二四象限光电探测器12中光斑的中心位置随运动误差的不同而产生不同的变化；当被测平台有垂直直线度误差和水平直线度误差时，第一四象限光电探测器9中光斑的中心位置会发生改变，而第二四象限光电探测器12中光斑的中心位置不会改变；当被测平台有俯仰角误差和偏摆角误差时，第一四象限光电探测器9中光斑的中心位置不会改变，而第二四象限光电探测器12中光斑的中心位置会发生改变；通过读取第一四象限光电探测器9和第二四象限光电探测器12的示数即可测量出平台水平直线度误差、垂直直线度误差、俯仰角误差、偏摆角误差的四自由度运动误差。

Claims (2)

1.基于光束自动稳定的半导体激光运动误差测量***的方法，用于测量长行程线性平台运动误差，其特征在于，该***包括四自由度误差测量模块和光束稳定模块，其中：
所述四自由度误差测量模块包括半导体激光器(1)、第一直角反射镜(2)、第二直角反射镜(3)、第一分光棱镜(8)、第一四象限光电探测器(9)、第三直角反射镜(10)、第一聚焦透镜(11)、第二四象限光电探测器(12)；半导体激光器产生的光束经第一直角反射镜(2)和第二直角反射镜(3) 反射后平行射入第二分光棱镜(4)和第三分光棱镜(6)，其透射光射入第一分光棱镜(8)，第一分光棱镜(8)的透射光由第一四象限光电探测器(9)接收，第一四象限光电探测器(9)探测到的光斑位移作为线性平台的二维直线度误差；第一分光棱镜(8)的反射光经第三直角反射镜(10)和第一聚焦透镜(11)后射入第二四象限光电探测器(12)，第二四象限光电探测器(12)探测到的光斑位移作为线性平台的俯仰角误差和偏摆角误差；
所述光束稳定模块包括第一直角反射镜(2)、第二直角反射镜(3)、第二分光棱镜(4)、第三四象限光电探测器(5)、第三分光棱镜(6)、第四直角反射镜(7)、第二聚焦透镜(13)、第四四象限光电探测器(14)；第二分光棱镜(4)的反射光射入第三四象限光电探测器(5)，作为光束稳定模块的近端光束漂移反馈源；第四直角反射镜(7)的反射光经第二聚焦透镜(13)射入第四四象限光电探测器(14)，作为光束稳定模块的远端光束漂移反馈源；第一直角反射镜(2)、第二直角反射镜(3)均安装在可由PZT控制的高精度二维角度调整架上，当第三四象限光电探测器(5)和第四四象限光电探测器(14)检测到激光光束发生漂移即示数不为零时，其输出信号在计算机中经PID控制后转换为电压信号输出给PZT，PZT根据输出电压改变自身的长度进而改变第一直角反射镜(2)和第二直角反射镜(3)的角度从而改变光束出射角度，使第三四象限光电探测器(5)和第四四象限光电探测器(14)的示数向零靠近，以此补偿和抑制激光器在测量区间内的光束漂移；
所述半导体激光器(1)、带PZT驱动的第一直角反射镜(2)、带PZT驱动的第二直角反射镜(3)、第二分光棱镜(4)、第三四象限光电探测器(5)、第三分光棱镜(6)、第四直角反射镜(7)安装在固定端；第一分光棱镜(8)、第一四象限光电探测器(9)、第三直角反射镜(10)、第一聚焦透镜(11)、第二四象限光电探测器(12)安装在测量端；第二聚焦透镜(13)、第四四象限光电探测器(14)安装在反馈端；固定端与反馈端固定安装在线性平台平面上，测量端在被测线性平台上运动；
包括步骤如下：
测量开始前，调整测量光与待测线性平台同轴，调整第三四象限光电探测器(5)和第四四象限光电探测器(14)的示数为零；开启PID反馈控制，使测量光束稳定；在被测平台起始位置处，调整第一四象限光电探测器(9)和第二四象限光电探测器(12)的示数为零；
测量时，测量端在线性平台上运动，第一四象限光电探测器(9)中光斑的中心位置和第二四象限光电探测器(12)中光斑的中心位置随运动误差的不同而产生不同的变化；当被测平台有垂直直线度误差和水平直线度误差时，第一四象限光电探测器(9)中光斑的中心位置会发生改变，而第二四象限光电探测器(12)中光斑的中心位置不会改变；当被测平台有俯仰角误差和偏摆角误差时，第一四象限光电探测器(9)中光斑的中心位置不会改变，而第二四象限光电探测器(12) 中光斑的中心位置会发生改变；通过读取第一四象限光电探测器(9)和第二四象限光电探测器(12)的示数即可测量出平台水平直线度误差、垂直直线度误差、俯仰角误差、偏摆角误差的四自由度运动误差；当第三四象限光电探测器(5)和第四四象限光电探测器(14)检测到激光光束发生漂移(Δx,Δy,Δθx,Δθy)时，其输出信号在计算机中经PID控制后转换为电压信号输出给PZT，PZT根据输出电压改变自身的长度进而改变由PZT控制的高精度二维角度调整架上的第一直角反射镜(2)和第二直角反射镜(3)的角度(αx,αy,βx,βy)从而改变光束出射角度，使第三四象限光电探测器(5)和第四四象限光电探测器(14)的示数向零靠近，以此保证光束的稳定，光束漂移量与反射镜角度的关系如下表示：
Δx＝z1tanαx+z2tanβx (5)
Δy＝z1tanαy+z2tanβy (6)
Δθx＝2(βx-αx) (7)
Δθy＝2(βy-αy) (8)
其中，z1为第一直角反射镜(2)和第二直角反射镜(3)间的光程，z 2为第二直角反射镜(3)至第三四象限光电探测器(5)的光程。
2.根据权利要求1所述基于光束自动稳定的半导体激光运动误差测量***的方法，其特征在于，直线度误差和角度误差的计算如下：
Figure FDA0003294332620000031
Figure FDA0003294332620000032
Figure FDA0003294332620000033
Figure FDA0003294332620000041
其中，(V9_1,V9_2,V9_3,V9_4)和(V12_1,V12_2,V12_3,V12_4)为第一四象限光电探测器(9)和第二四象限光电探测器(12)的四个象限的电压，kx和ky为第一四象限光电探测器(9)的灵敏度，k1x和k1y为第二四象限光电探测器(12)的灵敏度，fL表示平凸透镜(11)的焦距。
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