高精度二維平面光柵測量系統(tǒng)及關鍵技術研究.pdf

1、現代測量系統(tǒng)無論是坐標測量機還是精密數控加工中心，都需要對系統(tǒng)工作臺的二維方向進行精確測量與定位。對于應用最多的二維平面微位移測量系統(tǒng)，通常在二維方向上分別采用一維測量裝置在測量平面上裝夾定位來實現，裝夾定位的精度對二維平面運動的測量影響很大，安裝定位時往往造成阿貝誤差降低測量結果的精度，同時這種測量方法組成的測量系統(tǒng)占據較大的空間，對于一些小空間測量造成困難，給測量帶來不便。在微位移測量方法中，光柵測量技術具有精度高、量程大、對測量環(huán)

2、境要求相對較低等優(yōu)點而廣泛應用，特別是近年來光柵測量系統(tǒng)向納米級精度發(fā)展，為光柵的在高精度測量應用中提供了廣闊的應用前景。二維光柵測量技術具備一維光柵測量的優(yōu)點，可同時對兩個方向的平面微位移進行測量，并且可以實現較為緊湊的結構，為高精度二維平面測量提供了一種解決的方法，因此對二維光柵在精密測量應用中的研究是具有現實意義。 本課題受到河南省杰出青年基金項目：“激光—全息光柵小孔傳感器中的關鍵技術研究”的資助，對利用單二維光柵與單光

3、源的平面微位移測量方法以及測量系統(tǒng)進行了系統(tǒng)地研究，這種方法為解決小空間平面微位移測量提供了一種切實可行的辦法，單光源和單二維平面光柵組成的測量系統(tǒng)在應用中易于定位，對測量環(huán)境要求相對不高，同時這種測量系統(tǒng)輸出方波或者脈沖信號可以用來對平面位置的實時控制，為現代工業(yè)技術中精確定位提供一種緊湊的測量系統(tǒng)。 本論文主要對二維平面光柵在平面位移測量系統(tǒng)及其關鍵技術進行了理論和實驗研究，論文的主要內容和工作包括： (1)對單平面

4、二維光柵測量平面位移的理論進行研究。分析了二維平面光柵衍射場的分布規(guī)律，推導了二維光柵方程；基于波動光學、多普勒分析以及傅立葉光學的方法推導了二維光柵平面微位移測量的基本原理；并對二維光柵測量系統(tǒng)中主要光學元件對測量信號的影響進行了理論分析。 (2)基于平面二維光柵微位移測量理論的分析，研制了具有納米分辨率的平面二維光柵實驗測量系統(tǒng)。結合二維光柵測量系統(tǒng)的特點，為獲得質量較好的莫爾條紋信號，降低測量系統(tǒng)對光柵平面運動誤差的敏感性

5、，增強系統(tǒng)適應性，對二維平面光柵測量系統(tǒng)的檢測光路和光電接收電路進行實驗分析，并在基于對二維光柵測量系統(tǒng)分析的基礎上進行了實驗研究。 (3)對平面二維光柵測量系統(tǒng)的信號處理方法進行了研究，提出基于BP神經網絡的光柵信號細分方法。這種測量方法針對二維光柵測量信號的特點，這種細分方法對信號的調整精度降低了要求，當測量系統(tǒng)改變時，可以實現細分模型的軟件自動化處理。BP神經網絡細分在較少的采樣點下實現高倍數的細分，這種細分方法軟硬結合、

6、結構簡單、對硬件電路要求不高、同時具有很強的系統(tǒng)適應性。 (4)系統(tǒng)分析了平面二維光柵測量系統(tǒng)的誤差來源，對激光光源導致的誤差、二維光柵質量引入的誤差，光路結構特別是光柵安裝定位引入的誤差、電路包括光電轉換、電子細分引入的誤差，以及測量環(huán)境引入的誤差進行了詳盡的分析。其中二維光柵基準、光源以及測量環(huán)境對測量的精度影響較大。經分析指出光柵引入的誤差是整個測量系統(tǒng)最主要的系統(tǒng)誤差源；二維導軌運動的直線度誤差是整個測量系統(tǒng)的最主要的隨