基于双衍射光栅外差干涉的高精度滚转角测量技术研究

Roll angle is a key parameter for guide motion pair and precision displacement platform. Roll angle measurement is a basis of error compensation and accuracy improvement, which need to be urgently resolved for modern precision engineering and advanced manufacturing technology. Different from pitch or yaw angle, roll angle is difficult to be measured due to orthnogonality between the motion direction and the plane of angular displacement which makes the methods such as interferometer and autocollimator infeasible to be applied directly for roll angle test. This project adopts dual diffraction gratings for displacement measurement to deal with the orthnogonality problem, combines heterodyne interferometer to sense the angular displacement, calculates measurand roll angle accoding to the geometrical relationship of qusi-linear arc displacement and roll radius, and forms a method for roll angle measurement based on diffraction grating heterodyne interferometer. For variable or unknown of roll center point, we present a scheme of dual diffraction gratings to differential interferometer for the angular displacement in order to improve robustness. Principle and theoretical analysis reveal proposed method has merits of high accuracy, good stability, simple and practicable. Fabricating test system is employed to field test for experimental verification, and achieving error analysis and accuracy evaluation, which promise a effective way and approach for high accuracy roll angle mesurement. Moroover, the application prospect of commerical interferometer system will be extended by a dual-grating accessory like other test functions.

滚转角为导轨运动副及精密运动平台的关键参数。滚转角的测量为误差补偿、精度改善的提前和基础，是现代精密工程和先进制造技术中亟待解决的问题。与俯仰角和偏摆角不同，滚转角由于导轨运动方向与角位移所在平面的正交造成干涉仪、自准直仪等测角方法难以直接应用。本项目拟采用双衍射光栅位移技术解决正交问题，结合外差干涉测量技术进行角位移测量，由近似线性弧位移与半径几何关系求解待测量角度，形成一种基于衍射光栅外差干涉的滚转角测量方法。针对滚转角中心非恒定问题，提出双光栅的方案对角位移进行差动干涉测量，以提高稳定性。原理研究与理论分析，表明该方法具有高精度、技术可靠、简便易行等优点。建立相应的测试系统进行实验验证，完成误差分析与精度评价，为高精度滚转角测量提供一种途径，同时，为辅以光栅附件而增加滚转角测量功能，拓展现有商用激光干涉仪系统的应用提供理论依据和实践铺垫。

精密运动导轨是现代工业中一项关键共性技术，广泛应用于先进制造、精密工程、航空航天等领域。滚转角测量一直以来是导轨及其系统的误差补偿与性能改善的瓶颈问题。. 本项目开展了基于双衍射光栅外差干涉的高精度滚转角测量技术研究。首先，提出一种基于衍射光栅和激光外差干涉相结合的非接触式高精度滚转角测量方法，并推演了测量原理及其数学模型，进一步地，提出了一种双光栅差动结构以提高其鲁棒性，并理论证明了它的可行性。其次，从技术实现角度，分析了光栅衍射效率以及相匹配的反射器性能，为了改善器件性能，采用闪耀光栅作为传感元件获得更佳的信噪比，此外，设计了基于平面镜组合式直角反射棱镜作为反射器，它由于镂空结构，可避免使测量光束从空气到棱镜即不同材料中传播，提高稳定性，且也可降低加工难度。理论和实验均证明可行。再次，基于典型激光干涉系统完成了该测量系统样机研制，为了评价其精度性能，开展了与高精度电子水平仪在准静态情况下的对比实验，获得了0.01arcsec测量分辨度，相对误差为0.05%。实验中也发现一些问题，如测量光路对准调节较难等。为了解决此问题，本项目提出以平面镜为反射器并结合1/4波片组从而实现四倍光学细分的光路设计，从而形成平面镜光栅外差干涉滚转角测量方法。它具有更高光学分辨率以及更佳的可操作性，将是未来应用发展方向之一。最后，开展相关应用探索研究。长程轮廓面形仪（LTP）是基于大行程导轨运动扫描的精密测角装置，它主要用于测量同步辐射长条形X射线反射镜的光学面形，由于其运动导轨的滚转角测量技术限制，使得传统LTP仅具备一维测角功能。本项目提出光栅外差干涉滚转角测量技术，具有高精度、非接触、实时和高采样率等优势，将其应用LTP从而实现二维测量功能，将在同步辐射X射线光学面形检测领域具有较好应用前景。