CN113932909B - 一种刀具颤振状态的在线检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种刀具颤振状态的在线检测装置，包括双频激光干涉仪、第一分光棱镜、激光干涉仪Y向测量单元、激光干涉仪X向测量单元、第三分光棱镜、二维光栅、二维光栅衍射结构单元、光栅Z向位移测量单元、光栅Y向位移测量单元、光栅X向位移测量单元、第三反射镜、二维光栅和第六反射镜。通过激光干涉仪Y向测量单元和激光干涉仪X向测量单元测量第三反射镜和第六反射镜的位移，将位移作为刀具的位移对照数据，通过二维光栅、光栅Z向位移测量单元、光栅Y向位移测量单元和光栅X向位移测量单元得到基于光栅测量原理得到的刀具位移基础数据，两种数据进行对照得出刀具颤振状态，本发明具有测量精度高的优点。

Description

一种刀具颤振状态的在线检测装置

技术领域

本发明涉及到光学元件超精密制造技术领域，特别涉及一种刀具颤振状态的在线检测装置。

背景技术

光栅的刻划制造是一种超精密的周期性微结构加工过程。刻划光栅时，光栅刻划刀具按照其刃口的特定形状对铝模表面进行挤压擦光，从而形成特定槽形形状的周期性微结构的过程。光栅刻划刀具的工作状态相比于其他刀具（如车刀、铣刀等）具有很好的平稳性，其颤振状态的定量数据是通过常用的手段（如振动传感器、力传感器、电流信号或声音信号等）很难直接准确的获取。但是对于光栅的挤压成形机理而言刀具刃口与铝膜的微小范围内的相互作用就能够带来微米尺度，甚至纳米尺度位移量的颤振，且由于刀具刃口狭小空间和其特殊的工作原理，无法安装特定传感器来实现直接测量。目前用的传统的间接判别方法为对所刻划光栅的杂散光及衍射光状态进行观察，可以给出非量化的评价。

随着超精密光栅的刻划制造需求及超精密光栅刻划制造技术的发展，逐渐对光栅刻划刀具工作平稳性提出更严格的要求，因此光栅刻划时刀具颤振状态的实时定量评价变得更加迫切，刀具颤振状态的实时检测也变得十分重要。

发明内容

本发明为解决上述问题，本发明目的在于提供一种基于二维光栅的刀具颤振状态在线检测装置，基于二维光栅不同级次的衍射光，实现对光栅刻划刀具在三个坐标方向的振动位移量的实时精密测量。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

一种刀具颤振状态的在线检测装置，包括双频激光干涉仪、第一分光棱镜、激光干涉仪Y向测量单元、激光干涉仪X向测量单元、第三分光棱镜、二维光栅衍射结构单元、光栅Z向位移测量单元、光栅Y向位移测量单元、光栅X向位移测量单元、第三反射镜、二维光栅和第六反射镜；

双频激光干涉仪的双频激光包括频率为f的第一光束和f的第二光束，双频激光形成正交线偏振光，第一光束和第二光束之间具有固定的频率差，频率差在预设范围内；

第六反射镜的镜面固定平行设置在刀具的顶面上；

刀具的移动方向设置为Z向，二维光栅固定在刀具的侧面上，侧面的法向与Z向平行；

第三反射镜固定在刀具上，第三反射镜的镜面、顶面和二维光栅的栅面互相垂直；

第六反射镜的镜面的法向设置为Y向，第三反射镜的镜面的法向设置为X向；

二维光栅的X向栅距和Y向栅距相等；

激光干涉仪Y向测量单元用于测量第三反射镜的沿Y向激光测量位移QD_y1；

激光干涉仪X向测量单元用于测量第六反射镜的沿X向激光测量位移QD_x1；

双频激光经第一分光棱镜透射至第三分光棱镜，经第三分光棱镜反射，垂直入射至二维光栅，经二维光栅衍射产生五束衍射光，五束衍射光包括垂直二维光栅的栅面的第一束衍射光、沿X向栅距的第二束衍射光、沿X向栅距的第三束衍射光、沿Y向栅距的第四束衍射光、沿Y向栅距的第五束衍射光；

第一束衍射光包括频率为f ₁的0级衍射光和频率为f ₂的0级衍射光；第二束衍射光包括频率为f ₁的-1级衍射光和频率为f ₂的-1级衍射光；第三束衍射光包括频率为f ₁的+1级衍射光和频率为f ₂的+1级衍射光；第四束衍射光包括频率为f ₁的-1级衍射光和频率为f ₂的-1级衍射光；第五束衍射光包括频率为f ₁的+1级衍射光和频率为f ₂的+1级衍射光；

第一束衍射光入射到光栅Z向位移测量单元，光栅Z向位移测量单元用于测量二维光栅的Z向光栅测量位移QD_z；

第四束衍射光、第五束衍射光经二维光栅衍射结构单元入射到光栅Y向位移测量单元，光栅Y向位移测量单元用于测量沿二维光栅的Y栅线方向的Y向光栅测量位移（QD_y2、QD_y3）；

第三束衍射光、第二束衍射光经二维光栅衍射结构单元入射到光栅X向位移测量单元，光栅X向位移测量单元用以测量沿二维光栅的X栅线方向的X向光栅测量位移（QD_x2、QD_x3）。

进一步的，光栅Z向位移测量单元包括第七反射镜、聚光透镜和第三光纤耦合器；

第一束衍射光经第三分光棱镜透射至第七反射镜，经第七反射镜反射至聚光透镜，经聚光透镜入射至第三光纤耦合器。

进一步的，二维光栅衍射结构单元包括第二十一反射镜、第二十二反射镜、第二十三反射镜及第二十四反射镜：

第二十一反射镜、第二十二反射镜、第二十三反射镜及第二十四反射镜分别与二维光栅倾斜布置；

第二十一反射镜用以反射第五束衍射光；

第二十三反射镜用以反射第四束衍射光；

第二十二反射镜用以反射第三束衍射光；

第二十四反射镜用以反射第二束衍射光。

进一步的，在线检测装置在二维光栅衍射结构单元和光栅Y向位移测量单元之间还设置有第九反射镜；

光栅Y向位移测量单元包括第三偏振分光棱镜、第三四分之一波片、第十二反射镜、第四偏振分光棱镜、第四四分之一波片、第二二分之一波片、第十三反射镜、第六光纤耦合器和第七光纤耦合器；

第四束衍射光经第二十三反射镜反射至第三分光棱镜，经第三分光棱镜透射至第九反射镜，经第九反射镜反射至第三偏振分光棱镜；

第四束衍射光的频率为f ₁的-1级衍射光经第三偏振分光棱镜透射至第三四分之一波片后，入射至第十二反射镜，经第十二反射镜反射至第三偏振分光棱镜，经第三偏振分光棱镜反射至第六光纤耦合器；

第四束衍射光的频率为f ₂的-1级衍射光经第三偏振分光棱镜反射至第二二分之一波片后入射至第四偏振分光棱镜，经第四偏振分光棱镜透射至第七光纤耦合器；

第五束衍射光经第二十一反射镜反射至第三分光棱镜，经第三分光棱镜透射至第九反射镜，经第九反射镜反射至第四偏振分光棱镜；

第五束衍射光的频率为f ₁的+1级衍射光经第四偏振分光棱镜透射至第四四分之一波片后，入射至第十三反射镜，经第十三反射镜反射至第四偏振分光棱镜，经第四偏振分光棱镜反射至第七光纤耦合器；

第五束衍射光的频率为f ₂的+1级衍射光经第四偏振分光棱镜反射至第二二分之一波片后，入射至第三偏振分光棱镜，经第三偏振分光棱镜透射至第六光纤耦合器。

进一步的，光栅X向位移测量单元包括第一偏振分光棱镜、第一四分之一波片、第十反射镜、第一二分之一波片、第二偏振分光棱镜、第二四分之一波片、第十一反射镜、第四光纤耦合器和第五光纤耦合器；

第二束衍射光经第二十四反射镜反射至第三分光棱镜，经第三分光棱镜透射至第九反射镜，经第九反射镜反射至第一偏振分光棱镜；

第二束衍射光的频率为f ₁的-1级衍射光经第一偏振分光棱镜透射至第一四分之一波片后入射至第十反射镜，经第十反射镜反射至第一偏振分光棱镜，经第一偏振分光棱镜反射至第四光纤耦合器；

第二束衍射光的频率为f ₂的-1级衍射光经第一偏振分光棱镜反射至第一二分之一波片后入射至第二偏振分光棱镜，经第二偏振分光棱镜透射至第五光纤耦合器；

第三束衍射光经第二十二反射镜反射至第三分光棱镜，经第三分光棱镜透射至第九反射镜，经第九反射镜反射至第二偏振分光棱镜；

第三束衍射光的频率为f ₁的+1级衍射光经第二偏振分光棱镜透射至第二四分之一波片后入射至第十一反射镜，经第十一反射镜反射至第二偏振分光棱镜，经第二偏振分光棱镜反射至第五光纤耦合器；

第三束衍射光的频率为f ₂的+1级衍射光经第二偏振分光棱镜反射至第一二分之一波片后入射至第一偏振分光棱镜，经第一偏振分光棱镜透射至第四光纤耦合器。

进一步的，激光干涉仪Y向测量单元包括第二反射镜、第一干涉仪结构和第一光纤耦合器；

双频激光经第一分光棱镜反射至第二分光棱镜，经第二分光棱镜透射至第二反射镜，经第二反射镜入射至第一干涉仪结构后，经第三反射镜反射，反射光与第一干涉仪结构形成的参考光干涉，形成的干涉光垂直入射至第一光纤耦合器。

进一步的，激光干涉仪X向测量单元包括第四反射镜、第五反射镜、第二干涉仪结构，第六反射镜和第二光纤耦合器；

双频激光经第一分光棱镜反射至第二分光棱镜，经第二分光棱镜反射至第四反射镜、经第四反射镜反射至第五反射镜，经第五反射镜入射至第二干涉仪结构后，经第六反射镜反射，反射光与第二干涉仪结构形成的参考光干涉，形成的干涉光垂直入射至第二光纤耦合器。

进一步的，预设范围为2M-3M。

本发明能够取得以下技术效果：

本发明提出基于二维光栅的刀具颤振状态在线检测装置，以刀具为基准，采用二维光栅和双反射镜结构设计，实现对光栅刻划刀具在三个坐标方向的振动位移量的实时精密测量；基于二维光栅的不同衍射光，同时实现对三轴不同颤振状态的实时检测；同时与激光干涉仪的X向测量和Y向测量做对比，通过对绕X轴的颤振状态QDx₁、QDx₂和QDx₃、绕Y轴的颤振状态QDy₁、QDy₂和QDy₃、绕Z轴的颤振状态QDx₁、QDy₁和QD_z相互解耦计算，保证在刀具运行过程中，解决三轴不同颤振所带来的影响，进而解决现有技术存在的切削抖动、刻划精度和刻划效率均低的问题。需要注意的是本发明中二维光栅衍射结构单元和两个反射镜结构均与刀具结构相连接，用于实现实时检测。本发明适合大部分切削过程中的颤振状态实时检测，在实现高精度的同时，也可以保证多维度的检测，通过实时对比检测结果，可实现定量对光栅刻划刀具评估，进而实现对光栅刻划刀工作时的高精度、高效率和高可靠性的实时颤振检测。

附图说明

图1是本发明实施例的刀具颤振状态检测装置的结构示意图；

图2是本发明实施例的激光干涉仪Y向测量单元的结构示意图；

图3是本发明实施例的激光干涉仪X向测量单元结构示意图；

图4是本发明实施例的二维光栅衍射结构示意图；

图5是本发明实施例的光栅Z向位移测量单元的结构示意图；

图6是本发明实施例的光栅X向和Y向位移测量单元结构示意图。

附图标记：

刀具1、双频激光干涉仪2、第一分光棱镜3、第二分光棱镜4、激光干涉仪Y向测量单元5、激光干涉仪X向测量单元6、第三分光棱镜7、第一反射镜8、二维光栅衍射结构单元9、光栅Z向位移测量单元10、光栅Y向位移测量单元11、光栅Y向位移测量单元12、第二反射镜501、第一干涉仪结构502，第三反射镜503、第一光纤耦合器504、第四反射镜601、第五反射镜602，第二干涉仪结构603，第六反射镜604，第二光纤耦合器605、二维光栅901、第九反射镜1101、第一偏振分光棱镜1102、第一四分之一波片1103、第十反射镜1104、第一二分之一波片1105、第二偏振分光棱镜1106、第二四分之一波片1107、第十一反射镜1108、第四光纤耦合器1109、第五光纤耦合器1110、第三偏振分光棱镜1111、第三四分之一波片1112、第十二反射镜1113、第四偏振分光棱镜1114、第四四分之一波片1115、第二二分之一波片1116、第十三反射镜1117、第六光纤耦合器1118、第七光纤耦合器1119、第二十一反射镜9021、第二十二反射镜9022、第二十三反射镜9023、第二十四反射镜9024。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

如图1所示，一种刀具颤振状态的在线检测装置，用双频激光干涉仪在线检测光栅刻划刀具工作过程中三个坐标轴方向的实时位移量，实现光栅刻划过程中刀具颤振状态的实时检测，以二维光栅为基准，与以二维光栅的X栅线和Y栅线一致的X轴和Y轴的激光干涉仪做对比，排除其他状态测量影响，实现在线精准测量，该装置主要包括刀具1、双频激光干涉仪2、第一分光棱镜3、第二分光棱镜4、激光干涉仪Y向测量单元5、激光干涉仪X向测量单元6、第三分光棱镜7、第一反射镜8、二维光栅衍射结构单元9、光栅Z向位移测量单元10、光栅X向位移测量单元12和Y向位移测量单元11。

具体的，第六反射镜604的镜面平行设置在刀具1的顶面上，顶面的法向即垂直第六反射镜604的镜面方向为Y向、刀具1的移动方向设置为Z向，二维光栅901固定在刀具1的侧面上，侧面的法向与Z向平行；二维光栅901的X向栅距和Y向栅距相等；第三反射镜503固定在刀具1上，并与顶面和二维光栅901相互垂直。

刀具工作时，刀具1沿Z轴移动，由于刀具在光栅刻划过程中与铝模的相互作用，不可避免的引起一定程度的颤振现象，主要表现为分别围绕X轴、Y轴和Z轴微小的角位移。所以本装置以刀具为基准，采用二维光栅901和双反射镜（第三反射镜503和第六反射镜604）结构设计，实现对光栅刻划刀具在三个坐标方向的振动位移量的实时精密测量。激光干涉仪Y向测量单元5得到第三反射镜503的沿Y向激光测量位移QD_y1，激光干涉仪X向测量单元6所得第六反射镜604的沿X向激光测量位移QD_x1，光栅Z向位移测量单元10得到二维光栅901的Z向光栅测量位移QD_z；光栅X向位移测量单元12得到X向光栅测量位移QD_x2、QD_x3；光栅Y向位移测量单元11得到Y向光栅测量位移QD_y2、QD_y3。

刀具1在光栅刻划过程中，X向、Y向和Z向的位移变化，可得沿Z向刀具移动不同量的情况下，通过QD_x1、QD_x2和QD_x3实现在刀具移动时，对沿Y向的颤振状态实时检测；通过QD_y1、QD_y2和QD_y3实现在刀具移动时，对沿X向的颤振状态实时检测；通过QD_x1、QD_y1和QD_z实现在刀具移动时，对沿Z向的颤振状态实时检测。

沿二维光栅X栅线和Y栅线的X向和Y向激光干涉仪部分作为对照组；光栅位移测量系统以沿二维光栅X栅线和Y栅线作为测量，其中含两个部分，第一部分为二维光栅衍射结构单元9，二维光栅衍射结构单元9与刀具结构相连接，实现实时检测；第二部分为光栅Z向位移测量单元10、光栅X向位移测量单元12和Y向位移测量单元11，实现X向、Y向和Z向实时检测。

双频激光器2出射两束频率相差很小的正交线偏振光，频率差可以限定在2M-3M之间。经第一分光棱镜3分光，反射光经第二分光棱镜4分光，反射光进入激光干涉仪X向测量单元6，通过测量第六反射镜604随着刀具1颤振在X向的位移值变化，实现激光测量手段对X向位移实时检测；透射光进入激光干涉仪Y向测量单元5，通过测量第三反射镜503随着刀具1颤振在Y向的位移值变化，实现通过激光测量手段测量对Y向位移实时检测；透射光经第三分光棱镜7分光，反射光入射至二维光栅衍射结构单元9，出射五束衍射光，经第三分光棱镜7透射，其中（0,0）级衍射光、即第一束衍射光入射至光栅Z向位移测量单元10；（-1,0）级衍射光即第二束衍射光、（1,0）级衍射光即第三束衍射光、（0,-1）级衍射光即第四束衍射光、（0,1）级衍射光即第五束衍射光入射至光栅X向位移测量单元12和Y向位移测量单元11，通过光栅位移测量单元分别实现对二维光栅的X栅线和Y栅线的两轴位移实时检测；透射光经第一反射镜8反射，经第三分光棱镜7分光，入射至光栅Z向位移测量单元10，实现对垂直于二维光栅的Z向位移实时测量。

五束衍射光包括频率为f ₁的（0,0）级衍射光和频率为f ₂的（0,0）级衍射光、频率为f ₁的（-1,0）级衍射光和频率为f ₂的（-1,0）级衍射光、频率为f ₁的（1,0）级衍射光和频率为f ₂的（1,0）级衍射光、频率为f ₁的（0,-1）级衍射光和频率为f ₂的（0,-1）级衍射光、频率为f ₁的（0,1）级衍射光和频率为f ₂的（0,1）级衍射光，其中（-1,0）级衍射光和（1,0）级衍射光沿X向栅距；（0,-1）级衍射光和(0,1)级衍射光沿Y向栅距；（0,0）级衍射光垂直光栅面方向。

如图2示出了激光干涉仪Y向测量单元的结构示意图，如图2所示，激光干涉仪Y向测量单元主要包括第二反射镜501、第一干涉仪结构502、第一光纤耦合器504。双频激光器2出射的正交线偏振光经过第一分光棱镜3反射，经第二分光棱镜4透射后，入射至第二反射镜501，经第一干涉仪结构502，第三反射镜503反射，两束干涉光垂直入射至第一光纤耦合器504，实现用激光干涉仪对Y向位移在线检测。第一干涉仪结构504采用迈克尔逊型回射结构设计。第一光纤耦合器得到第三反射镜503的沿Y向激光测量位移QD_y1，而第三反射镜503与刀具固定为一体，可以用它的沿Y向激光测量位移QD_y1反应刀具的Y位移。

如图3示出了激光干涉仪X向测量单元的结构示意图，如图3所示，激光干涉仪X向测量单元主要包括第四反射镜601、第五反射镜602、第二干涉仪结构603、第二光纤耦合器605。双频激光器2出射的正交线偏振光经过第一分光棱镜3反射，经第二分光棱镜4反射，入射至第四反射镜601和第五反射镜602，经第二干涉仪结构603，经第六反射镜604反射，形成两束干涉光垂直入射至第二光纤耦合器605，实现用激光干涉仪对X向位移在线检测；第六反射镜604平行于刀具1上表面；第二干涉仪结构603采用迈克尔逊型回射结构设计。第二光纤耦合器得到第六反射镜604的沿X向激光测量位移QD_x1，而第六反射镜604与刀具固定为一体，可以用它的沿X向激光测量位移QD_x1反应刀具的X位移。

如图4示出了一种二维光栅衍射结构示意图，其包括四个反射镜，第二十一反射镜9021、第二十二反射镜9022、第二十三反射镜9023及第二十四反射镜9024均可实现衍射光垂直出射，均沿Z向平行出射。其中四个反射镜的两两方位角相反，即相对布置的第二十一反射镜9021和第二十三反射镜9023的方位角相反，另两个的也相反；两束频率相差很小的光束垂直入射至二维光栅901，经二维光栅901衍射，衍射光为（0,0）、（-1,0）、（1,0）、（0,-1）、（0,1）五束衍射光束；二维光栅901位于刀具1的前表面上，栅面与前表面平行。二维光栅901和四个反射镜均与刀具1固定为一个整体，用于对刀具运行过程中实现实时检测。二维光栅衍射结构单元9包括第二十一反射镜9021、第二十二反射镜9022、第二十三反射镜9023及第二十四反射镜9024：第二十一反射镜9021、第二十二反射镜9022、第二十三反射镜9023及第二十四反射镜9024均与二维光栅901呈的栅面倾斜布置，以使衍射光垂直出射。二十一反射镜9021和第二十三反射镜9023的镜面中心的连线位于Y向上。

如图5示出了一种Z向光栅位移测量单元的结构示意图，如图5所示，Z向光栅位移测量单元包括第七反射镜1001、聚光透镜1002和第三光纤耦合器1003。将二维光栅901粘接于金刚石刀头前表面，使双频激光器发出的两束正交线偏振光转折后垂直入射于二维光栅栅面。

双频激光器2发出两束频率相差不大的线偏振光，频率分别为f1、f2；双频激光经第一分光棱镜3透射，于第三分光棱镜7分光，反射光垂直入射至二维光栅901，经二维光栅衍射出射(0,0)级衍射光，经第三分光棱镜7透射，经第七反射镜1001、聚光透镜1002，入射至第三光纤耦合器1003；透射光垂直入射至第一反射镜8，经第三分光棱镜7反射，经第七反射镜1001、聚光透镜1002，入射至第三光纤耦合器1003。

（0,0）级衍射光频率为f ₁-f ₂+Δf，参考信号频率为f ₁-f ₂，两束光干涉，干涉信号频率可表示为Δf，即所产生的多普勒频移，根据频移量的变化来实现Z向的位移测量。第四光纤耦合器和第五光纤耦合器处形成干涉，可得X向光栅测量位移QD_x2、QD_x3。其中QD_x2、QD_x3分别为沿X栅线方向的正向和负向的两个位移测量信息，其中QD_x2为频率为f ₁的（1,0）和频率为f ₂的(-1,0)级衍射光干涉形成的位移信息，QD_x3为频率为f ₁的（-1,0）和频率为f ₂的(1,0)级衍射光干涉形成的位移信息。

如图6示出了一种X向光栅位移测量单元和Y向光栅位移测量单元，如图6所示，X向光栅位移测量单元包括第一偏振分光棱镜1102、第一四分之一波片1103、第十反射镜1104、第一二分之一波片1105、第二偏振分光棱镜1106、第二四分之一波片1107、第十一反射镜1108、第四光纤耦合器1109、第五光纤耦合器1110。Y向光栅位移测量单元包括第三偏振分光棱镜1111、第三四分之一波片1112、第十二反射镜1113、第四偏振分光棱镜1114、第四四分之一波片1115、第二二分之一波片1116、第十三反射镜1117、第六光纤耦合器1118、第七光纤耦合器1119。

（0,-1）级衍射光经第二十二反射镜9022反射，经第三分光棱镜7透射，第九反射镜1101反射至第三偏振分光棱镜1111；其中，频率为f ₁的（0,-1）级衍射光经第三偏振分光棱镜1111透射，依次经过经第三四分之一波片1112和第十二反射镜1113，第十二反射镜1113将衍射光反射至第三偏振分光棱镜1111，经第三偏振分光棱镜1111反射至第六光纤耦合器1118；其中，频率为f ₂的（0,-1）级衍射光经第三偏振分光棱镜1111反射，经第二二分之一波片1116，于第四偏振分光棱镜1114透射至第七光纤耦合器1119。

（0,1）级衍射光经第二十四反射镜9024反射，经第三分光棱镜7透射，第九反射镜1101反射至第四偏振分光棱镜1114；其中，频率为f ₁的（0,1）级衍射光经第四偏振分光棱镜1114透射，经第四四分之一波片1115和第十三反射镜1117，经第四偏振分光棱镜1114反射至第七光纤耦合器1119；其中，频率为f ₂的（0,1）级衍射光经第四偏振分光棱镜1114反射，经第二二分之一波片1116，于第三偏振分光棱镜1111透射至第六光纤耦合器1118。

第六光纤耦合器1118和第七光纤耦合器1119分别接收来频率为f ₁的（0,-1）级衍射光和频率为f ₂的（0,1）级衍射光、频率为f ₁的（0,1）级衍射光和频率为f ₂的（0,-1）级衍射光相互干涉所产生的Y向位移信号；Y向信号产生的多普勒频移分别为Δf和-Δf，两者进行相位解耦，产生多普勒频移为2Δf。第六光纤耦合器和第七光纤耦合器处解耦，可得Y向光栅测量位移QD_y2、QD_y3；而二维光栅901与刀具是固定的，可以用Y向光栅测量位移QD_y2、QD_y3反应刀具的Y向位移。

（-1,0）级衍射光经第二十一反射镜9021反射，经第三分光棱镜7透射，第九反射镜1101反射至第一偏振分光棱镜1102；其中，频率为f ₁的（-1,0）级衍射光经第一偏振分光棱镜1102透射，经第一四分之一波片1103和第十反射镜1104，经第一偏振分光棱镜1102反射至第四光纤耦合器1109；其中，频率为f ₂的（-1,0）级衍射光经第一偏振分光棱镜1102反射，经第一二分之一波片1105，于第二偏振分光棱镜1106透射至第五光纤耦合器1110。

（1,0）级衍射光经第二十三反射镜9023反射，经第三分光棱镜7透射，第九反射镜1101反射至第二偏振分光棱镜1106；其中，频率为f ₁的（1,0）级衍射光经第二偏振分光棱镜1106透射，经第二四分之一波片1107和第十一反射镜1108，经第二偏振分光棱镜1106反射至第五光纤耦合器1110；其中，频率为f ₂的（1,0）级衍射光经第二偏振分光棱镜1106反射，经第一二分之一波片1105，于第一偏振分光棱镜1102透射至第四光纤耦合器1109。

优选的，双频激光干涉仪2、第一分光棱镜3、第三分光棱镜7、第一反射镜8依次位于同一直线上，二维光栅901、第三分光棱镜7、第九反射镜1101依次位于另一位于Z向的直线上，两条直线相互垂直。第九反射镜1101、第一偏振分光棱镜1102、第一四分之一波片1103依次位于X向的直线上。第一偏振分光棱镜1102、第一四分之一波片1103、第十反射镜1104、第一二分之一波片1105、第二偏振分光棱镜1106、第二四分之一波片1107、第十一反射镜1108、第四光纤耦合器1109、第五光纤耦合器1110的位置关系是在同一个直线上，即沿X向测量方向：

优选的，第三偏振分光棱镜1111、第三四分之一波片1112、第十二反射镜1113、第四偏振分光棱镜1114、第四四分之一波片1115、第二二分之一波片1116、第十三反射镜1117、第六光纤耦合器1118、第七光纤耦合器1119的位置关系是在同一个直线上，即沿Y向测量方向。

使用本装置时，沿Z轴方向，频率为f ₁-f ₂+Δf的0级衍射光和频率为f ₁-f ₂的参考光干涉形成Δf频移量；沿X轴方向，频率为f ₁+Δf的(-1,0)级衍射光和频率为f ₂-Δf的(1,0)级衍射光干涉形成f ₁-f ₂+2Δf频移量，频率为f ₂+Δf的(-1,0)级衍射光和频率为f ₁-Δf的(1,0)级衍射光干涉形成f ₁-f ₂-2Δf频移量，解耦可实现4Δf频移量测量；沿Y轴方向，频率为f ₁+Δf的(-1,0)级衍射光和频率为f ₂-Δf的(1,0)级衍射光干涉形成f ₁-f ₂+2Δf频移量，频率为f ₂+Δf的(-1,0)级衍射光和频率为f ₁-Δf的(1,0)级衍射光干涉形成f ₁-f ₂-2Δf频移量，解耦可实现4Δf频移量测量。

本发明通过激光干涉仪Y向测量单元5中的光纤耦合器探测沿激光测量X向位移信息量QD_x1、光栅Y向位移测量单元11中的光纤耦合器解耦获得沿光栅矢量方向X栅线和Y栅线的位移信息量QD_x2和QD_x3，实现刻划刀具沿Y向的颤振状态实时检测；通过激光干涉仪X向测量单元6中的光纤耦合器探测沿激光测量Y向位移信息量QD_y1、位移测量单元11中的光纤耦合器解耦获得沿光栅矢量方向X栅线和Y栅线的位移信息量QD_y2和QD_y3，实现光栅刻划刀具沿X向的颤振状态实时检测；激光干涉仪Y向测量单元5和激光干涉仪X向测量单元6中的光纤耦合器探测沿激光测量X向和Y位移信息量QD_x1、QD_y1和可以通过光电探测器等常规手段获得沿垂直光栅面方向的位移信息量QD_z，实现光栅刻划刀具沿Z向的颤振状态检测。

综上，本发明提出基于二维光栅的刀具颤振状态在线检测装置，以刀具为基准，采用二维光栅和双反射镜结构设计，实现对光栅刻划刀具在三个坐标方向的振动位移量的实时精密测量；基于二维光栅的不同衍射光，同时实现对三轴不同颤振状态的实时检测；同时与激光干涉仪的X向测量和Y向测量做对比，通过对绕X轴的颤振状态QD_x1、QD_x2和QD_x3、绕Y轴的颤振状态QD_y1、QD_y2和QD_y3、绕Z轴的颤振状态QD_x1、QD_y1和QD_z相互解耦计算，保证在刀具运行过程中，解决三轴不同颤振所带来的影响，进而解决现有技术存在的切削抖动、刻划精度和刻划效率均低的问题。需要注意的是本发明中二维光栅衍射结构单元和两个反射镜结构均与刀具结构相连接，用于实现实时检测。本发明适合大部分切削过程中的颤振状态实时检测，在实现高精度的同时，也可以保证多维度的检测，通过实时对比检测结果，可实现定量对光栅刻划刀具评估，进而实现对光栅刻划刀工作时的高精度、高效率和高可靠性的实时颤振检测。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种刀具颤振状态的在线检测装置，其特征在于，包括双频激光干涉仪（2）、第一分光棱镜（3）、激光干涉仪Y向测量单元（5）、激光干涉仪X向测量单元（6）、第三分光棱镜（7）、二维光栅衍射结构单元（9）、光栅Z向位移测量单元（10）、光栅Y向位移测量单元（11）、光栅X向位移测量单元（12）、第三反射镜（503）、二维光栅（901）和第六反射镜（604）；

所述双频激光干涉仪（2）的双频激光包括频率为f ₁的第一光束和f ₂的第二光束，所述双频激光形成正交线偏振光，所述第一光束和所述第二光束之间具有固定的频率差，所述频率差在预设范围内；

所述第六反射镜（604）的镜面固定平行设置在刀具（1）的顶面上；

所述刀具（1）的移动方向设置为Z向，所述二维光栅（901）固定在所述刀具（1）的侧面上，所述侧面的法向与所述Z向平行；

所述第三反射镜（503）固定在所述刀具（1）上，所述第三反射镜（503）的镜面、所述顶面和所述二维光栅（901）的栅面互相垂直；

所述第六反射镜（604）的镜面的法向设置为Y向，所述第三反射镜（503）的镜面的法向设置为X向；

所述二维光栅（901）的X向栅距和Y向栅距相等；

所述激光干涉仪Y向测量单元（5）用于测量所述第三反射镜（503）的沿Y向激光测量位移QD_y1；

所述激光干涉仪X向测量单元（6）用于测量所述第六反射镜（604）的沿X向激光测量位移QD_x1；

所述双频激光经所述第一分光棱镜（3）透射至所述第三分光棱镜（7），经所述第三分光棱镜（7）反射，垂直入射至所述二维光栅（901），经所述二维光栅（901）衍射产生五束衍射光，所述五束衍射光包括垂直所述二维光栅（901）的栅面的第一束衍射光、沿所述X向栅距的第二束衍射光、沿所述X向栅距的第三束衍射光、沿所述Y向栅距的第四束衍射光、沿所述Y向栅距的第五束衍射光；

所述第一束衍射光包括频率为f ₁的0级衍射光和频率为f ₂的0级衍射光；所述第二束衍射光包括频率为f ₁的-1级衍射光和频率为f ₂的-1级衍射光；所述第三束衍射光包括频率为f ₁的+1级衍射光和频率为f ₂的+1级衍射光；所述第四束衍射光包括频率为f ₁的-1级衍射光和频率为f ₂的-1级衍射光；所述第五束衍射光包括频率为f ₁的+1级衍射光和频率为f ₂的+1级衍射光；

所述第一束衍射光入射到所述光栅Z向位移测量单元（10），所述光栅Z向位移测量单元（10）用于测量所述二维光栅（901）的Z向光栅测量位移QD_z；

所述第四束衍射光、所述第五束衍射光经所述二维光栅衍射结构单元（9）入射到所述光栅Y向位移测量单元（11），所述光栅Y向位移测量单元（11）用于测量沿所述二维光栅（901）的Y栅线方向的Y向光栅测量位移（QD_y2、QD_y3）；

所述第三束衍射光、所述第二束衍射光经所述二维光栅衍射结构单元（9）入射到所述光栅X向位移测量单元（12），所述光栅X向位移测量单元（12）用以测量沿所述二维光栅（901）的X栅线方向的X向光栅测量位移（QD_x2、QD_x3）；

所述光栅Z向位移测量单元（10）包括第七反射镜（1001）、聚光透镜（1002）和第三光纤耦合器（1003）；

所述第一束衍射光经所述第三分光棱镜（7）透射至所述第七反射镜（1001），经所述第七反射镜（1001）反射至所述聚光透镜（1002），经所述聚光透镜（1002）入射至所述第三光纤耦合器（1003）；所述二维光栅衍射结构单元（9）包括第二十一反射镜（9021）、第二十二反射镜（9022）、第二十三反射镜（9023）及第二十四反射镜（9024）：所述第二十一反射镜（9021）、所述第二十二反射镜（9022）、所述第二十三反射镜（9023）及所述第二十四反射镜（9024）分别与所述二维光栅（901）的栅面呈角度布置；所述第二十一反射镜（9021）用以反射所述第五束衍射光；所述第二十三反射镜（9023）用以反射所述第四束衍射光； 所述第二十二反射镜（9022）用以反射所述第三束衍射光；所述第二十四反射镜（9024）用以反射所述第二束衍射光；

所述在线检测装置在所述二维光栅衍射结构单元（9）和所述光栅Y向位移测量单元（11）之间还设置有第九反射镜（1101）；所述光栅Y向位移测量单元（11）包括第三偏振分光棱镜（1111）、第三四分之一波片（1112）、第十二反射镜（1113）、第四偏振分光棱镜（1114）、第四四分之一波片（1115）、第二二分之一波片（1116）、第十三反射镜（1117）、第六光纤耦合器（1118）和第七光纤耦合器（1119）； 所述第四束衍射光经所述第二十三反射镜（9023）反射至所述第三分光棱镜（7），经所述第三分光棱镜（7）透射至所述第九反射镜（1101），经所述第九反射镜（1101）反射至所述第三偏振分光棱镜（1111）；所述第四束衍射光的频率为f ₁的-1级衍射光经所述第三偏振分光棱镜（1111）透射至所述第三四分之一波片（1112）后，入射至所述第十二反射镜（1113），经所述第十二反射镜（1113）反射至所述第三偏振分光棱镜（1111），经所述第三偏振分光棱镜（1111）反射至所述第六光纤耦合器（1118）；所述第四束衍射光的频率为f ₂的-1级衍射光经所述第三偏振分光棱镜（1111）反射至所述第二二分之一波片（1116）后入射至所述第四偏振分光棱镜（1114），经所述第四偏振分光棱镜（1114）透射至所述第七光纤耦合器（1119）；所述第五束衍射光经所述第二十一反射镜（9021）反射至所述第三分光棱镜（7），经所述第三分光棱镜（7）透射至所述第九反射镜（1101），经所述第九反射镜（1101）反射至第四偏振分光棱镜（1114）；所述第五束衍射光的频率为f ₁的+1级衍射光经所述第四偏振分光棱镜（1114）透射至所述第四四分之一波片（1115）后，入射至所述第十三反射镜（1117），经所述第十三反射镜（1117）反射至所述第四偏振分光棱镜（1114），经所述第四偏振分光棱镜（1114）反射至所述第七光纤耦合器（1119）；所述第五束衍射光的频率为f ₂的+1级衍射光经所述第四偏振分光棱镜（1114）反射至第二二分之一波片（1116）后，入射至所述第三偏振分光棱镜（1111），经所述第三偏振分光棱镜（1111）透射至所述第六光纤耦合器（1118）；

所述光栅X向位移测量单元（12）包括第一偏振分光棱镜（1102）、第一四分之一波片（1103）、第十反射镜（1104）、第一二分之一波片（1105）、第二偏振分光棱镜（1106）、第二四分之一波片（1107）、第十一反射镜（1108）、第四光纤耦合器（1109）和第五光纤耦合器（1110）； 所述第二束衍射光经所述第二十四反射镜（9024）反射至所述第三分光棱镜（7），经所述第三分光棱镜（7）透射至所述第九反射镜（1101），经所述第九反射镜（1101）反射至所述第一偏振分光棱镜（1102）；所述第二束衍射光的频率为f ₁的-1级衍射光经所述第一偏振分光棱镜（1102）透射至所述第一四分之一波片（1103）后入射至所述第十反射镜（1104），经所述第十反射镜（1104）反射至所述第一偏振分光棱镜（1102），经所述第一偏振分光棱镜（1102）反射至所述第四光纤耦合器（1109）；所述第二束衍射光的频率为f ₂的-1级衍射光经所述第一偏振分光棱镜（1102）反射至所述第一二分之一波片（1105）后，入射至所述第二偏振分光棱镜（1106），经所述第二偏振分光棱镜（1106）透射至所述第五光纤耦合器（1110）；所述第三束衍射光经所述第二十二反射镜（9022）反射至所述第三分光棱镜（7），经所述第三分光棱镜（7）透射至所述第九反射镜（1101），经所述第九反射镜（1101）反射至所述第二偏振分光棱镜（1106）；所述第三束衍射光的频率为f ₁的+1级衍射光经所述第二偏振分光棱镜（1106）透射至所述第二四分之一波片（1107）后，入射至所述第十一反射镜（1108），经所述第十一反射镜（1108）反射至所述第二偏振分光棱镜（1106），经所述第二偏振分光棱镜（1106）反射至所述第五光纤耦合器（1110）；所述第三束衍射光的频率为f ₂的+1级衍射光经所述第二偏振分光棱镜（1106）反射至所述第一二分之一波片（1105）后入射至所述第一偏振分光棱镜（1102），经所述第一偏振分光棱镜（1102）透射至所述第四光纤耦合器（1109）；

所述激光干涉仪Y向测量单元（5）包括第二反射镜（501）、第一干涉仪结构（502）和第一光纤耦合器（504）；所述双频激光经所述第一分光棱镜（3）反射至第二分光棱镜（4），经所述第二分光棱镜（4）透射至所述第二反射镜（501），经所述第二反射镜（501）入射至所述第一干涉仪结构（502）后，经所述第三反射镜（503）反射，反射光与所述第一干涉仪结构（502）形成的参考光干涉，形成的干涉光垂直入射至所述第一光纤耦合器（504）；

所述激光干涉仪X向测量单元（6）包括第四反射镜（601）、第五反射镜（602）、第二干涉仪结构（603）和第二光纤耦合器（605）；

所述双频激光经所述第一分光棱镜（3）反射至所述第二分光棱镜（4），经所述第二分光棱镜（4）反射至所述第四反射镜（601）、经所述第四反射镜（601）反射至所述第五反射镜（602），经所述第五反射镜（602）入射至所述第二干涉仪结构（603）后，经所述第六反射镜（604）反射，反射光与所述第二干涉仪结构（603）形成的参考光干涉，形成的干涉光垂直入射至所述第二光纤耦合器（605）。

2.根据权利要求1所述一种刀具颤振状态的在线检测装置，其特征在于，所述预设范围为2M-3M。

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