CN107167083A - 一种光栅尺的误差补偿系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光栅尺的误差补偿系统及方法，其中光栅尺的误差补偿系统包括底座、气浮滑动装置和激光干扰仪，底座包括第一平台、第二平台和第三平台，第二平台的顶面设有光栅尺；气浮滑动装置包括半包围滑块和气浮块，半包围滑块的顶面设有光栅尺读数头；激光干扰仪包括设置在同一水平面的激光头、分光镜以及反光镜。本发明，将光栅尺的行程范围内设置K个点，通过激光干扰仪依次测量两相邻点之间的距离，同时通过光栅尺测量该两相邻点之间的距离，得到两者之间的测量数值差，进而进行误差分段线性拟合，再得到该段距离内的修正系数，进而得到全程范围内的修正系数，输出给后序电子设备，进而提高了光栅线位移测量装置的测量精度。

Description

一种光栅尺的误差补偿系统及方法

技术领域

本发明涉及光栅尺，具体涉及一种光栅尺的误差补偿系统及方法。

背景技术

在现代生产制造中，光栅尺已经广泛应用在各种精密运动系统中，在一些精度要求不高的机械加工中，如普通粗加工机床的工作过程，低精度的光栅尺就可以满足要求；而现在，需要精密加工的器件越来越多，而且要求的精度也越来越高，就需要用到更多的高精度的运动控制系统，例如半导体加工、IC封装等设备都需要高精度的光栅尺。

目前使用的光栅线位移测量装置包括标尺光栅、扫描单元和信号处理单元，扫描单元和标尺光栅分别固定于被测物体的可移动部件和不可动部件上，扫描单元可相对于标尺光栅在测量方向上运动。光栅线位移测量装置的测量误差主要表现为周期内误差和全长误差。

周期内误差，是指增量式光栅的栅距内的误差，影响周期内误差的主要因素有光源信号的准直性、光电转换元件性能的波动、光栅副间隙变化、光栅刻线的毛刺、弯曲、缺损等缺陷和弱衍射作用等。为提高周期内测量精度，常采取以下措施：对正余弦信号进行插值细分、对正余弦信号的相位补偿、直流电平漂移的补偿、通过光学或电子学的方法滤掉高次谐波以提高信号正弦性、提高光源的准直性等。但是光栅尺传感器输出的两路正弦信号并不能保证幅值绝对相等，也不能严格保持相位差为90度，因此细分倍数大时，相对误差也会大，使得补偿效果失效。

影响全长误差的主要因素是标尺光栅在编码栅线制作时，由于工艺原因所引起的在全长范围内的栅线位置误差。为了减小这种全长误差，人们期望通过改进标尺光栅的刻划工艺水平来达到目的，但由于工艺水平改进所需成本高、难度大等原因而难于实现。

由此可见，现有技术的光栅尺存在精度差的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是目前的光栅尺存在精度差的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供了一种光栅尺的误差补偿系统，包括：

底座，包括第一平台和平行设置在所述第一平台的顶面的第二平台和第三平台，所述第二平台的顶面沿着其长度方向设有光栅尺；

气浮滑动装置，包括设置在所述第三平台的外周面的半包围滑块和设置在所述半包围滑块的内壁上的各气浮块，所述半包围滑块在驱动装置的作用下，带动各所述气浮块在所述第三平台的外周面做直线运动，所述半包围滑块的顶面设有光栅尺读数头，所述光栅尺与所述光栅尺读数头设置在同一水平面内；

激光干扰仪，包括设置在激光头支架上的激光头、设置在所述第三平台的顶面靠近所述激光头的一侧的分光镜以及设置在所述半包围滑块的顶面的反光镜，所述激光头、分光镜和反光镜的中心设置在同一水平面内。

在上述方案中，所述驱动装置包括通过电机固定架设置在所述第一平台的靠近所述激光头的一侧的伺服电机，所述伺服电机的输出轴上设有第一同步轮，所述电机固定架上转动设有第一连杆，所述第一连杆的一端设有与所述第一同步轮通过第一同步带联动的第二同步轮，所述第一连杆的中部设有第三同步轮，所述第一平台的另一侧设有固定架，所述固定架内转动设有第二连杆，所述第二连杆的中部设有与所述第三同步轮通过第二同步带联动的第四同步轮。

在上述方案中，所述半包围滑块包括相对设置的第一直板和第二直板，所述第一直板和所述第二直板通过第三直板连接，所述第二直板的外壁设有一弯板，所述第二直板和所述弯板之间的空隙组成可供所述第二同步带穿过的通道，所述第二同步带与所述弯板的其中一内壁固定设置，使所述半包围滑块跟随所述第二同步带做直线运动。

在上述方案中，所述第二同步轮的直径大于所述第一同步轮的直径，所述第三同步轮的直径与所述第四同步轮的直径相同。

在上述方案中，所述第一平台和所述第二平台的两侧的连接处各设有一固定板，所述电机固定架设置在其中一所述固定板上，所述固定架设置在另一所述固定板上，两所述固定板均设有可供所述第二同步带穿过的通孔。

在上述方案中，所述第三平台的顶面两侧各设有一限位架，所述分光镜设置在其中一所述限位架的顶面。

在上述方案中，所述第一平台设置在支架上，所述第一平台和所述支架之间均匀设置六个调平螺丝。

在上述方案中，所述第一平台靠近所述激光头的一侧设有空气过滤器和压力调节阀，所述空气过滤器和压力调节阀通过气管与所述气浮块连通。

在上述方案中，所述第一平台、第二平台和第三平台均采用大理石材质。

根据以上所述的一种光栅尺的误差补偿系统进行的误差补偿方法，所述误差补偿方法包括以下步骤：

(A)在所述光栅尺的行程范围内每间距为N设置一个测量点，总共设置K个所述测量点；

(B)通过所述光栅尺读数头得到任意两相邻位置的所述测量点N_k和N_k-1，得到该段距离通过所述光栅尺读数头测量的实际长度N_k-N_k-1；同时得到所述激光干涉仪在该处的真实测量值H_k和H_k-1，得到该段距离通过所述激光干涉仪测量的实际长度H_k-H_k-1，k≥1；

(C)利用公式ΔN_k＝(N_k-N_k-1)-(H_k-H_k-1)得到该段内通过所述光栅尺读数头得到的测量长度与所述激光干涉仪得到的测量长度的差值ΔN_k；

(D)利用公式L_k＝N/(N_k-N_k-1)得到该段内的修正系数L_k。

本发明，将光栅尺的行程范围内设置K个点，通过激光干扰仪依次测量两相邻点之间的距离，同时通过光栅尺测量该两相邻点之间的距离，得到两者之间的测量数值差，进而进行误差分段线性拟合，再得到该段距离内的修正系数，进而得到全程范围内的修正系数，输出给后序电子设备，进而提高了光栅线位移测量装置的测量精度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的另一侧的结构示意图；

图3为本发明的半包围结构的结构示意图；

图4为本发明的气浮块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和说明书附图对本发明予以详细说明。

如图1所示，本发明提供了一种光栅尺的误差补偿系统，包括底座、气浮滑动装置和激光干扰仪。

底座包括第一平台100和平行设置在第一平台100的顶面的第二平台110和第三平台120，第二平台110的顶面沿着其长度方向设有光栅尺200。

气浮滑动装置包括设置在第三平台120的外周面的半包围滑块300和设置在半包围滑块300的内壁上的各气浮块400，半包围滑块300在驱动装置的作用下，带动各气浮块400在第三平台120的外周面做直线运动，半包围滑块300的顶面设有光栅尺读数头121，光栅尺200与光栅尺读数头121设置在同一水平面内，气浮块400确保了气浮滑动装置的水平度和平稳性。

激光干扰仪包括设置在激光头支架510上的激光头500、设置在第三平台120的顶面靠近激光头500的一侧的分光镜520以及设置在半包围滑块300的顶面的反光镜530，激光头500、分光镜520和反光镜530的中心设置在同一水平面内。

根据光栅尺的误差补偿系统进行的误差补偿方法，误差补偿方法包括以下步骤：

(A)在光栅尺200的行程范围内每间距为N设置一个测量点，总共设置K个测量点；

(B)通过光栅尺读数头121得到任意两相邻位置的测量点N_k和N_k-1，得到该段距离通过光栅尺读数头121测量的实际长度N_k-N_k-1；同时得到激光干涉仪在该处的真实测量值H_k和H_k-1，得到该段距离通过激光干涉仪测量的实际长度H_k-H_k-1，k≥1；

(C)利用公式ΔN_k＝(N_k-N_k-1)-(H_k-H_k-1)得到该段内通过光栅尺读数头121得到的测量长度与激光干涉仪得到的测量长度的差值ΔN_k；

(D)利用公式L_k＝N/(N_k-N_k-1)得到该段内的修正系数L_k。

再以光栅尺200的位置编码信号为基础，经细分后的最高分辨率生成位置误差数据表，并存储位置误差数据，位置误差修正及信号处理采用FPGA编程实现，位置误差修正利用存储位置误差数据对信号处理进行计算，对光栅尺200的位置原始测量值进行修正，得到位置测量修正值，输出给后续电子设备，从而提高了光栅线位移测量装置的测量精度。

例如，当N＝5时，测量的数值如下：

驱动装置包括通过电机固定架设置在第一平台100的靠近激光头500的一侧的伺服电机600，伺服电机600的输出轴上设有第一同步轮610，电机固定架上转动设有第一连杆，第一连杆的一端设有与第一同步轮610通过第一同步带620联动的第二同步轮630，第一连杆的中部设有第三同步轮，第一平台100的另一侧设有固定架124，固定架124内转动设有第二连杆，第二连杆的中部设有与第三同步轮通过第二同步带650联动的第四同步轮640，驱动装置结构简单，通过控制伺服电机600的转动能够准确的控制半包围滑块300停留的位置，进而减少测量误差。

半包围滑块300包括相对设置的第一直板310和第二直板320，第一直板310和第二直板320通过第三直板330连接，第二直板320的外壁设有一弯板340，第二直板320和弯板340之间的空隙组成可供第二同步带650穿过的通道，第二同步带650与弯板340的其中一内壁固定设置，半包围滑块300跟随第二同步带650做直线运动，使半包围滑块300与第三平台120连接紧密的同时，第三同步轮和第四同步轮640联动，占用空间小。

第二同步轮630的直径大于第一同步轮610的直径，第三同步轮的直径与第四同步轮640的直径相同，使第二同步带650沿水平方向设置，便于第二同步带650与半包围滑块300的连接；通过第一同步轮610和第二同步轮630的直径比，降低运动速度，进而减少了半包围滑块300的运动速度，便于半包围滑块300的精准定位的数据的采集。

第一平台100和第二平台110的两侧的连接处各设有一固定板123，电机固定架设置在其中一固定板123上，固定架124设置在另一固定板123上，两固定板123均设有可供第二同步带650穿过的通孔，固定板123使第一平台100和第二平台110之间的连接更加的牢固，同时将便于电机固定架以及固定架124安装在第一平台100的两侧。

第三平台120的顶面两侧各设有一限位架122，分光镜520设置在其中一限位架122的顶面，限位架122限制了半包围滑块300的运动范围，避免其超出行程后脱落装置而损坏。

第一平台100设置在支架700上，第一平台100和支架700之间均匀设置六个调平螺丝710，支架700方便了第一平台100、第二平台110和第三平台120的移动和摆放，调平螺丝710使第一平台100处于水平位置，避免因其倾斜进而影响测量精度。

第一平台100靠近激光头500的一侧设有空气过滤器800和压力调节阀810，空气过滤器800和压力调节阀810通过气管与气浮块400连通，空气经过压力调节阀810调节后，保证进入气浮块400内的空气压力为最适压力，调整好气压后通过螺母锁紧固定，保证气浮块400与第三平台120之间的距离不大于5微米,空气过滤器800可净化空气中的杂质，保证气浮运动装置可以平稳滑动。

第一平台100、第二平台110和第三平台120均采用大理石材质，大理石为自然界中变形最小的材质，降低了自然形变对测量精度的影响。

本发明，将光栅尺的行程范围内设置K个点，通过激光干扰仪依次测量两相邻点之间的距离，同时通过光栅尺测量该两相邻点之间的距离，得到两者之间的测量数值差，进而进行误差分段线性拟合，再得到该段距离内的修正系数，进而得到全程范围内的修正系数，输出给后序电子设备，进而提高了光栅线位移测量装置的测量精度。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光栅尺的误差补偿系统，其特征在于，包括：

底座，包括第一平台和平行设置在所述第一平台的顶面的第二平台和第三平台，所述第二平台的顶面沿着其长度方向设有光栅尺；

气浮滑动装置，包括设置在所述第三平台的外周面的半包围滑块和设置在所述半包围滑块的内壁上的各气浮块，所述半包围滑块在驱动装置的作用下，带动各所述气浮块在所述第三平台的外周面做直线运动，所述半包围滑块的顶面设有光栅尺读数头，所述光栅尺与所述光栅尺读数头设置在同一水平面内；

激光干扰仪，包括设置在激光头支架上的激光头、设置在所述第三平台的顶面靠近所述激光头的一侧的分光镜以及设置在所述半包围滑块的顶面的反光镜，所述激光头、分光镜和反光镜的中心设置在同一水平面内。

2.如权利要求1所述的一种光栅尺的误差补偿系统，其特征在于，所述驱动装置包括通过电机固定架设置在所述第一平台的靠近所述激光头的一侧的伺服电机，所述伺服电机的输出轴上设有第一同步轮，所述电机固定架上转动设有第一连杆，所述第一连杆的一端设有与所述第一同步轮通过第一同步带联动的第二同步轮，所述第一连杆的中部设有第三同步轮，所述第一平台的另一侧设有固定架，所述固定架内转动设有第二连杆，所述第二连杆的中部设有与所述第三同步轮通过第二同步带联动的第四同步轮。

3.如权利要求2所述的一种光栅尺的误差补偿系统，其特征在于，所述半包围滑块包括相对设置的第一直板和第二直板，所述第一直板和所述第二直板通过第三直板连接，所述第二直板的外壁设有一弯板，所述第二直板和所述弯板之间的空隙组成可供所述第二同步带穿过的通道，所述第二同步带与所述弯板的其中一内壁固定设置，使所述半包围滑块跟随所述第二同步带做直线运动。

4.如权利要求2所述的一种光栅尺的误差补偿系统，其特征在于，所述第二同步轮的直径大于所述第一同步轮的直径，所述第三同步轮的直径与所述第四同步轮的直径相同。

5.如权利要求2所述的一种光栅尺的误差补偿系统，其特征在于，所述第一平台和所述第二平台的两侧的连接处各设有一固定板，所述电机固定架设置在其中一所述固定板上，所述固定架设置在另一所述固定板上，两所述固定板均设有可供所述第二同步带穿过的通孔。

6.如权利要求1所述的一种光栅尺的误差补偿系统，其特征在于，所述第三平台的顶面两侧各设有一限位架，所述分光镜设置在其中一所述限位架的顶面。

7.如权利要求1所述的一种光栅尺的误差补偿系统，其特征在于，所述第一平台设置在支架上，所述第一平台和所述支架之间均匀设置六个调平螺丝。

8.如权利要求1所述的一种光栅尺的误差补偿系统，其特征在于，所述第一平台靠近所述激光头的一侧设有空气过滤器和压力调节阀，所述空气过滤器和压力调节阀通过气管与所述气浮块连通。

9.如权利要求1所述的一种光栅尺的误差补偿系统，其特征在于，所述第一平台、第二平台和第三平台均采用大理石材质。

10.根据权利要求1所述的一种光栅尺的误差补偿系统进行的误差补偿方法，其特征在于，所述误差补偿方法包括以下步骤：

(A)在所述光栅尺的行程范围内每间距为N设置一个测量点，总共设置K个所述测量点；

(B)通过所述光栅尺读数头得到任意两相邻位置的所述测量点N_k和N_k-1，得到该段距离通过所述光栅尺读数头测量的实际长度N_k-N_k-1；同时得到所述激光干涉仪在该处的真实测量值H_k和H_k-1，得到该段距离通过所述激光干涉仪测量的实际长度H_k-H_k-1，k≥1；

(C)利用公式ΔN_k＝(N_k-N_k-1)-(H_k-H_k-1)得到该段内通过所述光栅尺读数头得到的测量长度与所述激光干涉仪得到的测量长度的差值ΔN_k；

(D)利用公式L_k＝N/(N_k-N_k-1)得到该段内的修正系数L_k。