[发明专利]直线度误差和位置同时测量的检测装置及测试方法

说明书

本发明涉及直线度误差和位置同时测量的检测装置及测试方法，该方案包括控制端以及依次设置的双频激光器、偏振分光镜、普通分光镜、半透半反射镜、渥拉斯顿棱镜及双直角棱镜；偏振分光镜一侧依次设有第一偏振片和第一光电探测器；普通分光镜一侧依次设有第二偏振片和第二光电探测器，另一侧依次设有四分之一波片和反射镜；半透半反射镜和渥拉斯顿棱镜组合作为移动测量镜；渥拉斯顿棱镜接收从半透半反射镜发出的透射光的同一侧依次设有二分之一波片、偏振分光镜及第三光电探测器，该偏振分光镜另一侧设有第四光电探测器。本发明在一套激光干涉装置中实现直线度误差与位移的同时测量，提高直线度误差测量精度与稳定性。

技术领域

本发明涉及高端装备制造技术领域，具体涉及直线度误差和位置同时测量的检测装置及测试方法。

背景技术

近年来，我国在数控机床制造上已经有了很大的发展和进步，但是无论在性能稳定性和可靠性，还是在精度水平上与国外先进水平还有一定差距。数控机床作为实现超精密加工的关键载体，它决定了零件加工的精度、效率和可靠性。目前超精密加工技术已达到亚微米级加工精度，超精密零件加工误差小于 0.1μm，表面粗糙度Ra小于0.0025μm。要实现零件的超精密加工，数控机床加工的精度必须高于0.1μm。这对精密数控机床的加工制造提出了更高的要求，涉及高精度的校准、测试计量。数控机床的检测与校准是机床工具行业和机械加工行业的关键环节，也是保证加工精度及产品质量的重要手段。数控机床的加工精度受到几何误差、运动误差、切削力误差、热误差、夹具误差、伺服误差、刀具磨损误差等影响，其中，以直线度为主的几何误差是主要误差源。为此，可对机床运动进行直线度测试以提高其加工精度。

机床在运动过程中当存在直线度误差时，采用相对于机床更高精度的检测仪器，如采用测量精度较高的激光直线度干涉仪对运动误差进行检测，来补偿机床的运动轴误差，协助调整机床的机械结构和对误差进行补偿，以保证和提高机床的加工精度。随着加工精度和质量水平要求的提高，机床运动中直线度误差参数的实时测量，并反馈给伺服系统和机械运动部分，实现对数控机床加工精度的补偿是保证和提高数控机床加工精度的重要技术手段。

目前国内外研究和应用的直线度计量检测技术根据是否以激光为载体可以分为两类：非激光类直线度测量技术和激光类直线度测量技术。其中非激光类直线度测量技术主要包括测微仪、拉丝检验、电子水平仪等测量技术，过程简单、成本较低且对环境要求不高，但是其测量精度低，测量工作量较大，常用在对直线度测量精度要求不高的场合。目前国内外高精度的直线度测量技术及装置大都是采用激光类直线度测量技术，激光具有强度高而集中，频率单一，发散小等卓越性能，比较成功的范例是利用激光外差干涉仪及其直线度组件测量直线度。激光直线度测量技术按照测量原理又可以分为激光准直测量技术和激光干涉测量技术。

激光准直测量技术主要是利用激光高方向性和高亮度的特性，通常使用位置敏感探测器(PSD)、四象限探测器(QPD)或电荷耦合器(CCD)作为直线度误差的感测元件，跟随被测对象运动，当被测对象存在直线度误差时，感测元件将会偏离基准直线，通过检测偏移量，实现直线度误差的测量。

与激光准直直线度测量技术相比，激光干涉直线度测量技术具有米溯源性、测量分辨率高等优点。激光干涉测量技术是利用分光元件来产生两束对称的测量光束，通过检测两束测量光束之间的光程差，实现直线度误差的测量。在激光干涉直线度测量技术中，最典型的代表是由渥拉斯顿棱镜和反射镜组成的激光直线度干涉仪。目前，国际上顶尖的高精密测量设备制造厂商的直线度测量组件大部分都基于激光直线度干涉仪设计制造。激光直线度干涉仪根据在测量期间以渥拉斯顿棱镜还是反射镜作为移动传感器可以分为两种类型。

第一类激光直线度干涉仪是以渥拉斯顿棱镜为移动测量镜，跟随被测对象运动，反射镜被固定在合适位置。第二类激光直线度干涉仪是以反射镜为移动测量镜，跟随被测对象运动，渥拉斯顿棱镜被固定。通过激光外差干涉法分别测量两个V形测量光束的位移，这类激光直线度干涉仪可以同时获得直线度误差和位移。