一种小行程导轨垂直度测量方法

　　1　引言

　　各行业的迅速发展和相关科学研究的不断深入，对垂直度测量提出了越来越多和越来越 高的要求[1～7]。垂直度测量是精密测量的一项重要内容，用于评价直线之间、平面之间或直线与平面之间的正交程度，其中直 线(平面)可以是被测样品的直线(平面)部分或运动轨迹形成的直线(平面)。常见的垂直度测量方法一般可以分为 专业仪器测量法和激光测量法[8～10]。

　　专业仪器测量法主要采用垂直度测量仪、数显测高仪、测角仪或者自准直仪等专业测量仪进行垂直度测量[11，12]，再利用图解法处理。这种方法操作简单、数据处理方便，但只适用于中小零件和短距离垂直度的测量，测量适用性范 围和测 量精度具有局限性。

　　激光测量法属于非 接触式 测量。其中，单缝衍射法测量精度高，但是操作要求较高[8];CCD图像处理法系统简单[13]，特别适用于导轨垂直度的测量，但由于扫描光斑受到光束漂移的影响，扫描精度受限，同时传统扫描光斑的大小限制了光斑在CCD上的扫描范围[9];双频激光法是在测量直线度的基础上进行的，这种方法光能量损失大，光路调整复杂，且双频激光干涉仪的价格昂贵不适用于大规模的工业生产[10]。

　　为了克服激光光束漂移对测量精度的影响和减弱光斑在CCD等电荷耦合器件上对扫描范围的限制，本文基于平行光束的远场干涉衍射原理，采用涡旋位相板对激光光束进行位相编码，经涡旋位相板编码的激光光束可在中央产生干涉暗斑。暗斑的中心位置只由涡旋位相板的中心点决定，不随光束漂移变化，暗斑可通过增强光束功率获得比传统实心光斑小得多的尺寸，在探测 面 大小一定的情况下，若采用暗斑作为扫描光斑，暗斑具有比传统扫描光斑更大的扫描范围和更精确的定位。本文方法特别适用于小行程的导轨垂直度测量，系统结构简单、操作方便，与传统实心光斑扫描方法相比，具有定位精确和测量精度高等优点。

　　2　系统装置

　　导轨垂直度的实验测量装置如图1所示。激光器发出中心波长为635nm的激光，之后经单模光纤(SMF)耦合，SMF的作用是使激光与入射激光的分布无关，从而使得光束的横向漂移和角漂移只影响激光的耦合效率;由SMF出射的激光经过透镜准直，之后经0～2π涡旋位相板正透射并调制，0～2π涡旋位相板可由光刻加工或者空 间光调制器实现，经过涡旋位相板调制的激光光 束中央产生干涉暗斑，暗斑的中心位置只由涡 旋位相板的中心点决定，不随光束漂移变化;经涡旋位相板调制后的激光正入射到CCD的探测面上，CCD固定在平台上，其探测面垂直于光轴放置，调节平台的X导轨或Y导轨可使CCD在垂直于光轴的横向平面沿X导轨或Y导轨方向上扫描，同时，CCD与计算机相连，计算机用于记录和分析数据。