双丝导航虚拟导轨技术的研究

　　0　引言

　　在激光干涉测长系统中,干涉反光镜通常安装在做直线运动的工作台上,沿激光束方向完成直线距离的测量。为了保证做直线运动的工作台在给定方向上做往复直线运动,导轨是必需的,常用的导轨形式是机械式导轨。对于短距离、高精度要求的场合,使用导轨导向和丝杠传动,可以保证必要的精度;对于大长度、中高精度的测量,若仍然完全依靠导轨保证导向精度是不合适的,因为随着导轨的加长,制造成本快速上升,调整维护也很困难。因此针对特定场合的应用,研究一种可以避免加工长导轨同时保证测量精度的方法和应用系统是必要的。本文为满足特殊激光测长系统(如长30m红外测距仪检定系统)中运动部件大行程直线运动的需要而建立了一种新型导航系统。该系统以金属丝为材料建立导航系统的虚拟导轨导航基准,利用线阵CCD对该基准作非接触测量,进而对工作台进行调整,以满足部件直线运动的需要。该系统对环境要求不高,安装调整方式简单,可实现自动导向功能。

　　1　工作原理

　　本导航系统是为满足红外测距仪检定系统中工作台直线运动要求而建立的。检定系统如图1所示,该检定系统对红外测距仪的检定精度要求为0.1mm,检定长度范围为0~30 m,被检仪器为红外测距仪,检定仪器为双频激光干涉仪,检定仪器和被检仪器分别位于两端,为符合阿贝原则,两仪器的光轴应位于一条直线上,它们发出的光束经靶镜返回双方的接收器。假设当运动小车处于某一位置1时,红外测距仪测得的位移值为H1,激光干涉仪测得的位移值为M1,位于位置2时,红外测距仪测得的位移值和激光干涉仪测得的位移值分别为H2、M2,则可通过对它们的相对差值ΔH=| H2-H1|、ΔM=| M2-M1|进行比对来对红外测距仪进行检定。为保证参考光斑与反射光斑充分重叠,搭载靶镜的运动工作台在30 m长范围内运动直线度误差不得超过1　　mm(1 mm偏差将使两光斑重叠率降低约80%)。

　　为克服机械式导轨在大长度导向中装配困难的问题,特开发了导航系统,其工作原理示意图见图2。工作时首先在工作台运动方向上张紧一根金属丝,作为工作台直线运动基准;光源发出的光束将张力金属丝(以下简称张丝)投影在线阵CCD表面,从而获得张丝在X、Y方向的位置量,工作台运动中在X、Y方向发生运动偏移时,偏移量的大小就可通过CCD反映出来;该偏移量信号经单片机处理后产生控制信号,控制电机运动对工作台进行调整,从而保证工作台的直线运动精度。其系统组成框图见图3。

　　2　导航直线基准悬垂量的修正

　　拉丝法在长距离直线度的准直和测量中较早就得到了应用,其优点是结构简单、直观、价格低廉[1]。但是在铅垂面上,由于金属丝具有的质量,在重力的作用下会产生悬垂,虽然对金属丝施加了一定的拉力(在其强度极限范围内),但这一悬垂量仍然无法从根本上予以消除,若不加修正地以此为基准,势必会对导引结果产生影响。如图4所示,被施加一定张力悬挂于同高度A、B两点的金属丝在垂直面内的挠度曲线方程[2]为