CN1074831C - 采用复式光栅对加工/测量误差进行实时修正的方法及装置 - Google Patents
采用复式光栅对加工/测量误差进行实时修正的方法及装置Info
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Abstract
本发明属于精密测量技术领域，其方法包括：在被测设备上安装复式光栅；对每个光栅输出的光电信号进行读数处理得到每个光栅处的位移测量结果；计算出相应的导轨运动的转角误差，再计算出转角误差所导致的最终误差。把误差从测量结果中修正掉并显示修正后的结果。其装置包括复式光栅，PC机的光栅读数装置。本发明具有简单、可靠、成本低等优点。尤其适用于中低精度的坐标测量设备和加工机床的精度升级改造。
Description
本发明属于精密测量技术领域，特别涉及到机床和三坐标测量机这样的坐标加工和测量设备的坐标误差实时修正和精度的升级。
提高加工/测量的精度一直是精密制造最为关心的问题之一。以前都是通过提高设备本身的制造精度来提高设备的加工和测量精度，这种方法成本投入很多而且还有技术上的局限性，所以近几十年来，通过误差修正来提高设备的加工/测量精度的方法正得到越来越多的关注和使用。
误差修正的方法是在原有设备的基础上通过误差测量系统测量出设备的误差并将其修正来提高设备的加工/测量精度。目前已有的误差修正的方法所使用的误差测量仪器都很复杂，有的系统使用了多通道激光干涉仪来实时测量多项机构误差，有的通过专门设计的多自由度光学测量系统来测量误差。这些系统虽然精度很高，功能也很强，但是成本也都非常高，所以只适用于精度较高的测量机或机床使用，目前还没用见到针对中低精度设备的简单、低成本的误差修正系统的报导。而目前我国的坐标加工和测量设备中，中低精度的设备要占绝大多数，提高这些设备的精度对我国的机械加工行业的整体水平的提高有很重要的意义，所以开发和推广针对中低精度设备的误差修正系统很有意义的。
本发明的目的在于为克服已有技术的不足之处，提出一种采用机床和坐标测量机上广泛使用的光栅测量系统来实时测量和修正测量/加工误差的方法及误差实时修正的装置，具有简单、可靠、成本低等优点。尤其适用于中低精度的坐标测量设备和加工机床的精度升级改造。
本发明提出一种采用复式光栅对测量/加工误差进行实时修正的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)在被测的测量/加工设备的每个坐标方向上安装由多根空间相互平行的光栅组成的
复式光栅；该复式光栅中每个光栅测量结果反应的是该光栅的位移量。
(b)通过光栅读数系统对该复式光栅中每个光栅输出的光电信号进行读数处理得到每
个光栅所在空间位置处的位移测量结果；
(c)根据各平行的光栅的位移测量结果的差计算出相应的导轨运动的转角误差，再通过误差模型实时地计算出上述转角误差所导致的最终误差；所说的误差模型包括四种机构误差：1)定位误差δx(x)、δy(y)、δz(z)；2)直线度误差δy(x)，δz(x)，δx(y)，δz(y)，δx(z)和δy(z)；3)垂直度误差αxy、αxz和cyz；4)转角误差εx(x)，εy(x)，εz(x)，εx(y)，εy(y)，εz(y)，εx(z)，εy(z)和εz(z)；
三个坐标方向上的最终误差(Δx、Δy和Δz)与所说的机构误差的关系如下：
Δx＝-δx(x)+δx(y)-Ys[αxy+εz(x)]+Zs[εy(x)+εy(y)]
Δy＝δy(x)-δy(y)-Ysαxy-Zs[εx(x)+εx(y)]
Δz＝δz(x)+δz(y)+Ysεx(x)
其中Xs、Ys和Zs为阿贝臂，最终误差中的阿贝误差为：
ΔxA＝Ysεz(x)+Zs[εy(x)+εy(y)]
ΔyA＝-Zs[εx(x)+εx(y)]
ΔzA＝Ysεx(x)。
(d)把计算出的误差从测量结果中修正掉并显示修正后的结果。
本发明提出一种采用上述方法的加工/测量误差实时修正装置，其特征在于，包括由多根空间相互平行的光栅组成的复式光栅，由信号预处理单元、PC机和插于PC机中的扩展槽中的计数卡及AD卡组成的PC机的光栅读数装置；以及存储在PC机中的实现误差修正的测量软件；所说的信号处理单元包括接收复式光栅的光电接收器和连接光电接收器输出端的整形和放大电路，该整形放大电路的输出端通过所说的计数卡和AD卡与PC机相连。
本发明的工作原理述叙如下：
本发明可以实时修正的是在最终误差中占很大比重的阿贝误差。很多机床和坐标测量机上都使用长光栅位移传感器(以下简称光栅)或与之同精度等级的磁栅、容栅等传感器来测量坐标值。由于结构的原因，位移测量传感器所在的测量线与工件所在的测量线一般都不重合，这样就违背了阿贝原则，会产生较大的阿贝误差，其大小等于导轨的转角与两条测量线之间的距离(称为阿贝臂)的乘积，这项误差在设备总误差中会占到相当大的比重。在本发明中，位移的测量和导轨转角误差的测量都是通过光栅来实现的，与普通的光栅测量系统不同的是，本发明在同一坐标方向上安装了多根空间相互平行的光栅，称之为复式光栅。复式光栅中的每一根光栅都可以得到一个独立的位移测量结果，根据它们之间的读数差得到转角误差，再通过根据设备结构特点推导出的误差模型计算出最终误差并修正它。
下面分别从以下三个方面介绍本发明的主要内容：
1〕复式光栅
光栅是中高精度的加工和测量装置中广泛使用的位移测量装置，图1是普通的光栅的示意图。图中，照明系统11射出的光线经过主光栅13和指示光栅15后由光电接收器14接收，得到光电信号。当主光栅与指示光栅有相对运动时，主光栅尺上的光栅刻线12与指示光栅上的刻线就会共同作用，产生明暗交替的条纹。接收器接收到这个条纹后将输出周期变化的光电信号。在主光栅上还可以刻划零位刻线。它与指示光栅作用后将在接收器上产生脉冲信号，由此可以确定光栅的绝对零点。
本发明的核心是采用复式光栅测量多组位移量，复式光栅是空间有序排列的光栅组，两路复式光栅由平行排列的两根光栅组成，三路复式光栅由三根空间平行排列的光栅组成。复式光栅可以是在同一基体上刻划制成，也可以由多个光栅通过专门的机械结构联接构成。图2中示意的复式光栅是一个同一基体上刻划的三路复式光栅。当然，复式光栅也可以由若干独立的光栅组合而成，只要通过一定的机械结构将它们联结起来并保证有足够的安装精度就可以了。
工作台的位移只需一根光栅便可进行测量，采用复式光栅就可以在位移测量的同时测量工作台直线运动中的偏转误差。设在X向运动的工作台上安装了如图2所示三路复式光栅，当工作台沿X方向或Y方向运动过程中由于机构误差引起工作台产生绕Y轴的偏转时，便会造成X0和X1两根光栅的读数产生差异。同理，若工作台绕Z轴偏转时，便会造成X0和X2两组光栅的读数差异。根据以上差异可以通过一定的数学模型计算出转角误差。
2)光栅读数系统
光栅读数系统的作用是处理光栅输出信号，得到光栅测得的位移值并通过屏幕、数码管等设备显示这一结果。光栅的输出信号的周期受到光栅常数的限制，要得到更高的分辨率就必须对光栅的信号进行细分。光栅细分的传统方法有电阻链细分法、电平切割法、载波调制法等。为了保证细分的精度，一般细分数越大电路部分也就越复杂，通常一根光栅就需要配上一个专门的读数箱来显示测量结果。使用复式光栅后，系统中安装的光栅就可能很多(如图3所示的实施例中就一共安装了5根光栅)，如果还使用普通的方法，光栅读数系统的体积将会很大，使用也不方便。
本发明采用了一种基于PC机的光栅信号幅值细分的方法。本发明中的光栅读数系统中使用了PC机，将信号处理部分做成插卡，直接插入PC机的扩展槽，并通过它与PC机进行数据和控制信号的通信。所有的光栅测量结果都将通过测量软件在PC机的监视器上显示。通过程序设计，使得测量操作更加简便，结果显示也更加清楚明了。PC机插卡可分为计数卡和AD卡，分别得到“大数”和“小数”。AD卡在采数的同时也实现了幅值的细分。在插卡之前有信号预处理单元，它将光栅输出的信号进行放大整形后再传输到插卡，减小了信号传输过程中产生的误差。这样整个光栅读数系统系统就只有一个含有预处理单元的箱体和一台PC机，非常灵活实用。
这种光栅读数系统的另一个优点是细分数可变。光栅读数系统的最终精度从根本上来说由光栅本身的精度决定，如果光栅本身精度不高，细分数和细分精度再高，最后的测量精度也不会高。所以应该根据光栅的精度来确定使用的细分数，这样才能充分发挥系统的能力同时也不会浪费系统的资源。在本发明中，可以在软件中实现AD转换位数的调节，这样也就能改变细分数的大小。3)误差模型
以三坐标机构为例，共有21项机构误差，它们是：
a)定位误差—每轴上有1项，共3项。计作δx(x)、δy(y)、δz(z)
b)直线度误差—每轴上有2项，共6项。计作
δy(x)，δ z(x)，δx(y)，δ z(y)，δx(z)和δy(z)
c)垂直度误差—每两轴之间一项，共3项。计作αxy、αxz和αyz
d)转角误差—每轴上有3项，共9项。计作
εx(x)，εy(x)，εz(x)，εx(y)，εy(y)，εz(y)，εx(z)，εy(z)和εz(z)
误差的测量装置可以测得这些相互独立的机构误差，但是要得到设备的最终误差，仅有这些还不够，还需要一个误差模型来将机构误差和最终误差联系起来。这个误差模型与所针对的设备的具体结构和运动特点有关系。在机构的刚体假设的前提下，本发明根据坐标变换的理论推导出了针对本发明实施例中的设备一万能工具显微镜的误差模型。三个坐标方向上的最终误差(Δx、Δy和Δz)与机构误差的关系如下：
Δx＝-δx(x)+δx(y)-Ys[αxy+εz(x)]+Zs[εy(x)+εy(y)]
Δy＝δy(x)δy(y)-Ysαxy-Zs[εx(x)+εx(y)] (1)
Δz＝δz(x)+δz(y)+Ysεx(x)
其中Xs、Ys和Zs为阿贝臂。可以看出，最终误差中的阿贝误差为：
ΔxA＝Ysεz(x)+Zs[εy(x)+εy(y)]
ΔyA＝-Zs[εx(x)+εx(y)] (2)
ΔzA＝Ysεx(x)
在万能工具显微镜的X方向上安装一个三路复式光栅，在Y方向上安装一个两路复式光栅，这样就可以在测量工作台两个方向位移的同时实时测量出(2)式中的所有的转角误差，阿贝臂可以事先测定，这样就可以计算出各个方向上的阿贝误差。如果忽略其它误差项的影响，可以用阿贝误差作为最终误差来修正测量结果。
本发明将这个误差模型写入了测量程序中，可以在得到机构误差测量结果后就计算出最终误差并将其修正。
本发明具有以下特点：
第一， 采用结构简单，操作方便的复式光栅构成的加工/测量误差实时修正装置，
在位移测量的同时测量工作台直线运动中的偏转误差，可以实时修正最终
误差中占很大比重的阿贝误差。
第二， 本发明采用了一种基于PC机的光栅信号幅值细分的方法。这样整个光栅读
数系统系统就只有一个含有预处理单元的箱体和一台PC机，非常灵活实
用，且细分数可变。
第三， 成本低，适用于中低精度的坐标测量设备和加工机床的精度升级改造，具
有很好的市场前景。
附图简要说明：
图1是已有的普通光栅的示意图。
图2是本发明的实施例的复式光栅示意图。
图3是本发明的实施例的系统功能框图。
图4是本发明的实施例的测量软件的流程图
本发明的一种采用复式光栅对测量/加工误差进行实时修正的方法及装置的实施例结合附图详细说明如下：
本实施例需要进行误差修正的设备是一台万能工具显微镜，它是一台测量范围为200mm×100mm的两坐标测量装置。根据其结构特点安装了一套三路复式光栅(X0-X1-X2)和一套二路复式光栅(Y0-Y1)来实时测量对最终测量结果有影响的转角误差。本实施例的复式光栅是一个同一基体上刻划的三路复式光栅，如图2所示。图中的21、22、23表示的是复式光栅上的空间相互平行的三套光栅系统，计作X0、X1和X2。24是共同的基体，上面有三组空间相互平行的刻线，如果需要绝对零位，可以在基体上再加上零位刻线。25是相对基体移动的部分，上面有三套光栅的照明系统、指示光栅和光电接收器。
图3是本发明的实施例的系统功能框图。其中，光栅读数系统由预处理电路、计数卡和AD卡和PC机组成。每根光栅都将输出四路相位差为90°的带有直流分量的光电信号，分别计作0°信号、90°信号、180°信号和270°信号。信号先通过预处理电路进行整形和放大，具体是：0°信号和180°信号相减然后放大，得到去除直流分量SIN信号；90°信号和270°信号相减然后放大，得到去除直流分量COS信号。每根光栅的SIN信号和COS信号都将分别送入计数卡和AD卡，AD卡和计数卡都插入PC机的扩展槽中。计数卡上有可逆计数器和接口电路，可以对整数周期的信号进行可逆计数并将结果通过接口电路输入PC机。AD卡采用AD574进行12位AD转换，转换结果也通过接口电路输入PC机。为了增强系统的抗干扰能力，计数卡和AD卡上都采用高速光耦6N137来进行光电隔离。测量软件进行分析计算并在监示器上显示结果。图4是本发明的实施例的测量软件流程图。其测量步骤为：1从数据文件中读取测量参数，包括个路光栅的标定值和AD转换位数等；2读取计数卡和AD卡的测量结果；3计算出每根光栅位移测量值。再通过光栅读数差计算出导轨转角误差，然后通过误差公式计算出总误差；4在监视器上显示每根光栅的测量结果、误差计算结果和修正后的测量结果；5判断是否继续；如选择退出则终止程序；选择改变参数则重新设定参数，然后回到1；默认选项是继续；6判断是否存储测量结果；如选择存盘则进行测量结果存储，然后继续；默认选项是不存盘继续；7判断是否清零；如选择清零则将测量结果全部清零，然后回到2；默认选项是不清零，然后回到2。
Claims (2)
1.一种采用复式光栅对测量/加工误差进行实时修正的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)在被测的测量/加工设备的每个坐标方向上安装由多根空间相互平行的光栅组成的
复式光栅；
(b)通过光栅读数系统对该复式光栅中每个光栅输出的光电信号进行读数处理得到每
个光栅所在空间位置处的位移测量结果；
(c)根据各平行的光栅的位移测量结果的差计算出相应的导轨运动的转角误差，再通过误差模型实时地计算出上述转角误差所导致的最终误差；所说的误差模型包括四种机构误差：1)定位误差δx(x)、δy(y)、δz(z)；2)直线度误差δy(x)，δz(x)，δx(y)，δz(y)，δx(z)和δy(z)；3)垂直度误差αxy、αxz和αyz；4)转角误差εx(x)，εy(x)，εz(x)，εx(y)，εy(y)，εz(y)，εx(z)，εy(z)和εz(z)；
三个坐标方向上的最终误差(Δx、Δy和Δz)与所说的机构误差的关系如下：
Δx＝-δx(x)+δx(y)-Ys[αxy+εz(x)]+Zs[εy(x)+εy(y)]
Δy＝δy(x)-δy(y)-Ysαxy-Zs[εx(x)+εx(y)]
Δz＝δz(x)+δz(y)+Ysεx(x)
其中Xs、Ys和Zs为阿贝臂，最终误差中的阿贝误差为：
ΔxA＝Ysεz(x)+Zs[εy(x)+εy(y)]
ΔyA＝-Zs[εx(x)+εx(y)]
ΔzA＝Ysεx(x)。
(d)把计算出的误差从测量结果中修正掉并显示修正后的结果。
2.采用如权利要1所述方法的加工/测量误差实时修正装置，其特征在于，包括由多根空间相互平行的光栅组成的复式光栅，由信号预处理单元、PC机和插于PC机中的扩展槽中的计数卡及AD卡组成的PC机的光栅读数装置；以及存储在PC机中的实现误差修正的测量软件；所说的信号处理单元包括接收复式光栅的光电接收器和连接光电接收器输出端的整形和放大电路，该整形放大电路的输出端通过所说的计数卡和AD卡与PC机相连。
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