长导轨五自由度测量中直线度精度提升方法与优化设计

张聪; 刘文正; 段发阶; 傅骁; 王新星

doi:10.37188/OPE.20223020.2467

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长导轨五自由度测量中直线度精度提升方法与优化设计

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2022-10-27

- 长导轨五自由度测量中直线度精度提升方法与优化设计
- Accuracy improvement method and optimal design of straightness in five-degree-of-freedom measurement of long guide
- 光学精密工程 2022年30卷第20期页码：2467-2478
- 作者机构：
  
  天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072
- 作者简介：
  
  [ "张聪（1994-），男，河北沧州人，博士研究生，2016年于天津大学获得学士学位，主要从事机床误差测量与补偿方面的研究。E-mail： zhangcong2016@tju.edu.cn" ]
  [ "段发阶（1968-），男，湖南郴州人，教授，博士生导师，1989年、1992年和1994年于天津大学分别获得学士、硕士和博士学位，主要从事激光及光电测试技术、光纤传感技术、机床误差测量与补偿技术、计算机视觉、仪器智能化、海洋声学探测技术等方向研究。E-mail： fjduan@tju.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划项目(2020YFB2010800);国家自然科学基金项目(61905175;61971307);国家重点实验室探索课题项目(Pilt2103);霍英东教育基金会资助项目(171055);青年人才托举工程项目(2021QNRC001);广东省重点研发计划项目(2020B0404030001);国防科技重点实验室基金项目(6142212210304)
- DOI：10.37188/OPE.20223020.2467
  中图分类号： TB921;TH741
- 收稿日期：2022-02-28，
  
  修回日期：2022-04-12，
  
  纸质出版日期：2022-10-25
- 稿件说明：
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张聪,刘文正,段发阶等.长导轨五自由度测量中直线度精度提升方法与优化设计[J].光学精密工程,2022,30(20):2467-2478.

ZHANG Cong,LIU Wenzheng,DUAN Fajie,et al.Accuracy improvement method and optimal design of straightness in five-degree-of-freedom measurement of long guide[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(20):2467-2478.
张聪,刘文正,段发阶等.长导轨五自由度测量中直线度精度提升方法与优化设计[J].光学精密工程,2022,30(20):2467-2478. DOI： 10.37188/OPE.20223020.2467.

ZHANG Cong,LIU Wenzheng,DUAN Fajie,et al.Accuracy improvement method and optimal design of straightness in five-degree-of-freedom measurement of long guide[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(20):2467-2478. DOI： 10.37188/OPE.20223020.2467.

摘要

为了提升长导轨五自由度测量中直线度测量精度，对五自由度测量装置中直线度测量单元的测量光路、误差模型和标定方法等进行研究。长距离测量时基准光束角度漂移会造成严重的直线度误差，光路中采用了望远物镜结构测量角度漂移，相比于单透镜，这种可以在有限空间内增加焦距，使得组合焦距大于机械尺寸，从而提高测量精度，并通过补偿提高测量稳定性；分析了角度串扰引入的误差，并结合装置中的角度测量值建立了补偿模型；采用四象限探测器作为直线度测量传感器，为解决传感器测量非线性随量程变大而加剧以及测量灵敏度随长导轨移动非线性变化的问题，提出了一种多项式拟合与三次样条插值拟合相结合的分区间标定方法。试验结果表明：在5 m的测量距离以及±400 μm的量程内，与激光干涉仪测量结果对比，误差标准差小于0.3 μm，3 h内漂移小于±0.5 μm。满足长导轨直线度测量对大量程、高精度、高稳定性的要求。

Abstract

To improve the straightness accuracy during the five-degree-of-freedom measurement （5DOFM） of long guide， the measurement light path， error model， and calibration method of the straightness measurement unit in the 5DOFM device were examined. During long distance measurement， the angle drift of the reference beam causes severe straightness error. Accordingly， a telescopic objective lens structure was adopted to measure the angle drift in the optical path. Compared with a single lens， the focal length can be increased in a limited space， such that the combined focal length is larger than the mechanical size， thereby improving the measurement accuracy， and compensating for the angle drift to improve the measurement stability. Additionally， the error introduced by angle crosstalk was analyzed， and a compensation model was established based on the angle measurement value in the device. A four-quadrant detector was used as the straightness measurement sensor. To solve the problems that the nonlinearity of the sensor increases as the range increases， and the sensitivity changes nonlinearly with the movement of the long guide， an interval calibration method combining polynomial fitting and cubic spline interpolation fitting was proposed. The experimental results showed that within the 5-m measurement distance and ±400-μm range， the error standard deviation was less than 0.3 μm compared with the measurement results of the laser interferometer， and the drift was less than ±0.5 μm within 3 h. Thus， the straightness measurement unit meets the requirements of large range， high precision， and high stability of long guide straightness measurement.

关键词

Keywords

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焦明星，冯其波，王鸣 . 激光传感与测量［M］. 北京：科学出版社， 2014 .

JIAO M X ， FENG Q B ， WANG M . Sensing and measuring with lasers ［M］. Beijing ： Science Press ， 2014 . （in Chinese）

孙攀攀 . 大型多轴机床几何误差建模及后置补偿求解［D］. 武汉：华中科技大学， 2014 .

SUN P P . The geometric error modeling and compensation in post-processing solution for large multi-axis machine tools ［D］. Wuhan ： Huazhong University of Science and Technology ， 2014 . （in Chinese）

匡萃方，冯其波，张斌，等 . 直线导轨四自由度同时测量方法的研究［J］. 中国激光， 2005 ， 32 （ 9 ）： 1266 - 1270 . doi: 10.3321/j.issn:0258-7025.2005.09.024 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:0258-7025.2005.09.024

KUANG C F ， FENG Q B ， ZHANG B ， et al . Study of the method for measuring four-degree-of-freedom geometric errors of a linear stage ［J］. Chinese Journal of Lasers ， 2005 ， 32 （ 9 ）： 1266 - 1270 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:0258-7025.2005.09.024 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:0258-7025.2005.09.024

LI J K ， FENG Q B ， BAO C C ， et al . Method for simultaneous measurement of five DOF motion errors of a rotary axis using a single-mode fiber-coupled laser ［J］. Optics Express ， 2018 ， 26 （ 3 ）： 2535 - 2545 . doi: 10.1364/oe.26.002535 http://dx.doi.org/10.1364/oe.26.002535

HUANG P ， LI Y ， WEI H Y ， et al . Five-degrees-of-freedom measurement system based on a monolithic prism and phase-sensitive detection technique ［J］. Applied Optics ， 2013 ， 52 （ 26 ）： 6607 - 6615 . doi: 10.1364/ao.52.006607 http://dx.doi.org/10.1364/ao.52.006607

YU X Z ， GILLMER S R ， WOODY S C ， et al . Development of a compact， fiber-coupled， six degree-of-freedom measurement system for precision linear stage metrology ［J］. The Review of Scientific Instruments ， 2016 ， 87 （ 6 ）： 065109 . doi: 10.1063/1.4953335 http://dx.doi.org/10.1063/1.4953335

冯其波，刘依真，张斌，等 . 基于半导体激光光纤组件的激光准直仪［J］. 仪器仪表学报， 2005 ， 26 （ 1 ）： 28 - 31 . doi: 10.3321/j.issn:0254-3087.2005.01.006 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:0254-3087.2005.01.006

FENG Q B ， LIU Y Z ， ZHANG B ， et al . A simple laser collimator based on single-mode fiber-coupled laser module ［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument ， 2005 ， 26 （ 1 ）： 28 - 31 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:0254-3087.2005.01.006 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:0254-3087.2005.01.006

殷纯永，曾理江，梁晋文，等 . 自适应直线度测量方法及其装置： CN1017090B ［P］. 1992-06-17 .

YIN C Y ， ZENG L J ， LIANG J W . Method and apparatus for adaptive measurement of linearity ： CN1017090B ［P］. 1992-06-17 . （in Chinese）

由凤玲，冯其波，张斌 . 基于共路光线漂移补偿的直线度测量［J］. 光学精密工程， 2011 ， 19 （ 3 ）： 515 - 519 . doi: 10.3788/ope.20111903.0515 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20111903.0515

YOU F L ， FENG Q B ， ZHANG B . Straightness error measurement based on common-path compensation for laser beam drift ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2011 ， 19 （ 3 ）： 515 - 519 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20111903.0515 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20111903.0515

朱凡，李颖先，谭久彬 . 高精度激光光束准直系统设计［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 4 ）： 817 - 826 .

ZHU F ， LI Y X ， TAN J B . Design of high-accuracy laser beam collimation system ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2020 ， 28 （ 4 ）： 817 - 826 . （in Chinese）

杨滨赫，蔡引娣，文志祥，等 . 长距离激光测量中光束漂移的自动补偿［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 11 ）： 2393 - 2402 . doi: 10.37188/OPE.20202811.2393 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20202811.2393

YANG B H ， CAI Y D ， WEN Z X ， et al . Automatic compensation method for beam drift in long-distance laser measurement ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2020 ， 28 （ 11 ）： 2393 - 2402 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20202811.2393 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20202811.2393

高帅 . 直线导轨多自由度几何误差同时测量中误差分析与补偿方法的研究［D］. 北京：北京交通大学， 2015 . doi: 10.1364/ao.54.000458 http://dx.doi.org/10.1364/ao.54.000458

GAO S . Errors crosstalk analysis and compensation in the simultaneous measuring system for five-degree-of-freedom geometric error ［D］. Beijing ： Beijing Jiaotong University ， 2015 . （in Chinese） . doi: 10.1364/ao.54.000458 http://dx.doi.org/10.1364/ao.54.000458

崔存星 . 直线导轨激光六自由度几何运动误差同时测量方法与系统的研究［D］. 北京：北京交通大学， 2016 . doi: 10.1364/oe.24.006735 http://dx.doi.org/10.1364/oe.24.006735

CUI C X . Study on method and system for laser simultaneously measuring six degree-of-freedom geometric motion errors of a linear guide ［D］. Beijing ： Beijing Jiaotong University ， 2016 . （in Chinese） . doi: 10.1364/oe.24.006735 http://dx.doi.org/10.1364/oe.24.006735

ZHANG C ， DUAN F J ， FU X ， et al . Research of intelligent segment-fitting algorithm for increasing the measurement accuracy of quadrant detector in straightness measuring system ［J］. Optics & Laser Technology ， 2020 ， 125 ： 106062 . doi: 10.1016/j.optlastec.2020.106062 http://dx.doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106062

VO Q ， ZHANG X D ， FANG F Z . Extended the linear measurement range of four-quadrant detector by using modified polynomial fitting algorithm in micro-displacement measuring system ［J］. Optics & Laser Technology ， 2019 ， 112 ： 332 - 338 . doi: 10.1016/j.optlastec.2018.11.036 http://dx.doi.org/10.1016/j.optlastec.2018.11.036

CHEN M W ， YANG Y P ， JIA X T ， et al . Investigation of positioning algorithm and method for increasing the linear measurement range for four-quadrant detector ［J］. Optik ， 2013 ， 124 （ 24 ）： 6806 - 6809 . doi: 10.1016/j.ijleo.2013.06.010 http://dx.doi.org/10.1016/j.ijleo.2013.06.010

CAI Y D ， YANG B H ， FAN K C . Robust roll angular error measurement system for precision machines ［J］. Optics Express ， 2019 ， 27 （ 6 ）： 8027 - 8036 . doi: 10.1364/oe.27.008027 http://dx.doi.org/10.1364/oe.27.008027

CUI C X ， FENG Q B ， ZHANG B . Compensation for straightness measurement systematic errors in six degree-of-freedom motion error simultaneous measurement system ［J］. Applied Optics ， 2015 ， 54 （ 11 ）： 3122 - 3131 . doi: 10.1364/ao.54.003122 http://dx.doi.org/10.1364/ao.54.003122

LIU W Z ， ZHANG C ， DUAN F J ， et al . A method for noise attenuation of straightness measurement based on laser collimation ［J］. Measurement ， 2021 ， 182 ： 109643 . doi: 10.1016/j.measurement.2021.109643 http://dx.doi.org/10.1016/j.measurement.2021.109643

苏宇浩，段发阶，蒋佳佳，等 . 五自由度测量中直线度现场标定方法研究［J］. 光电工程， 2020 ， 47 （ 9 ）： 30 - 38 .

SU Y H ， DUAN F J ， JIANG J J ， et al . Research on field calibration method of straightness in five-degree-of-freedom measurement ［J］. Opto-Electronic Engineering ， 2020 ， 47 （ 9 ）： 30 - 38 . （in Chinese）

WU J B ， CHEN Y S ， GAO S J ， et al . Improved measurement accuracy of spot position on an InGaAs quadrant detector ［J］. Applied Optics ， 2015 ， 54 （ 27 ）： 8049 - 8054 . doi: 10.1364/ao.54.008049 http://dx.doi.org/10.1364/ao.54.008049

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