基于法拉第效应的激光多自由度精密运动参数测量方法研究

High precision geometric parameter measurement is the key technology to guarantee the accuracy of precision machining and manufacturing. At present, the simultaneous multiple degrees of freedom measurement, decoupling between geometric parameters and error compensation are crucial common problems need to be solved in the field of multiple degrees of freedom measurement. According to the reverse return method based on the Faraday effect of the incident light, using laser polarization interference theory and laser spot detection technology, a laser simultaneous measurement of precision motion parameters with multiple degrees of freedom based on the Faraday effect is proposed in this application. And after theoretical analysis, system design, error analysis and experiment verification, the five degree of freedom parameters of the measured object are obtained simultaneously, including linear displacement, vertical straightness, horizontal straightness, angle of pitch and angle of yaw. Then new method will solve the problem of angular error influence on displacement and straightness measurement and settle the problem of coupling between geometric parameters in simultaneous multiple degrees of freedom measurement. Then, a measurement principle of precision motion parameters with multiple degrees of freedom based on the Faraday effect will be established and a new laser multiple degrees of freedom measurement device will be developed. This project can provide a new multiple degrees of freedom measurement theory and technology for precision machining and manufacturing and precision measurement and calibration, which has important scientific significance and application value to improve the level of precision measurement technology in our country.

高精度的几何参数检测是保证精密加工与制造精度的关键技术。目前多自由度几何参数测量中，多自由度参数同时测量、参数间耦合和误差补偿是需要解决的关键共性问题。本申请项目依据基于法拉第旋光效应的入射光原路逆返方法，采用激光偏振干涉理论和激光光斑检测技术，提出一种基于法拉第效应的激光多自由度精密运动参数同时测量方法，通过理论研究、系统设计、误差分析以及实验验证的研究思路，获得对被测对象的线性位移、垂直和水平直线度、俯仰角和偏摆角等五个自由度参数的同时测量，解决被测对象转动误差对线性位移和直线度测量的影响以及多自由度参数间存在的耦合等问题，建立基于法拉第效应的多自由度精密运动参数测量原理，研制一套新型的激光多自由度参数测量装置。本项目研究旨在为精密加工与制造和精密测量与校准等技术领域提供新的多自由度测量理论和技术支持，对提升我国精密测量技术水平具有重要的科学意义和应用价值。

本项目针对目前多自由度几何参数测量中，多自由度参数同时测量、参数间耦合和误差补偿等需要解决的关键共性问题，开展了基于法拉第效应的激光多自由度精密运动参数测量方法的研究。依据基于法拉第旋光效应的入射光原路逆返方法，结合激光偏振干涉理论和激光光斑检测技术，设计并研制了基于法拉第效应的激光多自由度精密运动参数测量系统。开展了基于法拉第效应的多自由度测量方法理论研究，进行了光路机械结构设计与实现，设计并研制了多自由度测量信号处理系统，开展了多自由度参数测量中误差影响的研究，构建了多自由度参数测量和验证实验装置，并开展了大量实验研究。研究中取得的主要成果包括：（1）提出一种具有跟随干涉单元的外差干涉测量系统，可用于实现二维平面内X-Y-θ三自由度同时测量，并构建了测量系统；（2）提出一种角度误差补偿式激光外差干涉位移方法并构建了测量系统，可实现二维角度和线性位移三个自由度的同时测量，并且使用测得角度值可实现对影响线性位移测量准确度的角度误差的补偿，进一步提高线性位移测量精度；（3）提出一种基于参考信号移相的激光外差干涉信号处理方法，可用于实现大范围高精度位移测量系统的信号处理，并确保整小数的准确结合；（4）提出了一种基于法拉第效应的大范围高精度激光外差干涉角度测量方法，测量范围优于± 20°。利用基于法拉第效应的线偏振光原路逆反方法，设计的创新的光路结构能够确保即使测量镜存在较大的横向位移运动时，测量光束的准确逆反，保证干涉测量的顺利实施。（5）提出一种基于法拉第效应的三自由度测量方法，可实现二维直线度误差和直线度误差所在位置的同时测量。项目研究中获得的多自由度测量理论、方法和系统，可为精密加工与制造和精密测量与校准等技术领域提供新的多自由度测量理论和技术支持，对提升我国精密测量技术水平具有重要的科学意义和应用价值。