CN111735393B - 一种同步在位测量导轨线位移与直线度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同步在位测量导轨线位移与直线度的装置及方法，共体二维光栅导轨是将二维光栅刻蚀在直线导轨上表面，将读数头镶嵌在滑块内部。其具体测量方法为：滑块在导轨上运动时，读数头同时输出两对正交的正余弦信号，经滤波和模数转换后通过采集卡传给上位机，通过高频脉冲对边沿计数的方法在上位机上求解位移和直线度；其中与x轴垂直的栅线产生的正交信号来求解导轨的线位移，与y轴垂直的栅线产生的正交信号来求解导轨的直线度。本发明具有导轨副安装体积小、定位精度高、多参量同步在位测量等优势，为导轨的位移和直线度测量提供了新方法。

Description

一种同步在位测量导轨线位移与直线度的装置及方法

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，具体涉及一种同步在位测量导轨线位移与直线度的装置及方法。

背景技术

定位精度的持续提升，是高端装备发展中的“卡脖子”技术难题之一。直线导轨组件作为高端装备的核心基础部件，其精密导向与定位精度对高端装备精度起着决定作用。

参照图1和图2，传统导轨组件的结构形式为导轨6、一维光栅7与多个外置传感器的装配组合，传感器外置安装不仅导致较长的阿贝臂，有较大的误差，而且装配工序复杂，引入的不确定度变大；其次是两者材料不一致，在受热的情况下容易引入非线性误差，无法有效补偿。

在加工过程中，希望在生产线上动态无损地随时监控导轨线位移和直线度的微小变化，以便利用计算机进行直接调整。而传统的方法是安装多个传感器，分开检测导轨的线位移和直线度，目前检测导轨直线度主要有节距法、光隙法、打表法，三坐标法等离线检测方法，存在着装配体积大，离线测量等缺点，影响生产速度和质量。

发明内容

本发明提供了一种同步在位测量导轨线位移与直线度的装置及方法，能够减小系统的阿贝误差和热涨误差，提高定位精度。

为达到上述目的，本发明一种同步在位测量导轨线位移与直线度的装置，包括共体二维光栅导轨，滑块，读数头，数据预处理模块和上位机；共体二维光栅导轨包括导轨和刻蚀在导轨上表面的二维光栅，二维光栅沿长度方向的栅线和导轨沿长度方向的中心轴线平行，读数头的输出端依次连接有数据预处理模块和数据计算模块；数据预处理模块用于将读数头采集到的信号转换为方波信号，并传递至上位机，上位机用于根据接收到的方波信号计算导轨线位移与直线度。

进一步的，读数头安装在滑块内部。

进一步的，导轨的上表面表面粗糙度小于二维光栅的栅距。

进一步的，数据预处理模块包括滤波模块，模数转换模块和细分模块，滤波模块的输入端和读数头连接，滤波模块的输出端和模数转换模块的输入端连接，模数转换模块的输出端和细分模块的输入端连接，细分模块的输出端和上位机连接。

进一步的，细分模块的细分倍数n为100。

进一步的，细分模块的输出端通过NI采集卡和上位机连接。

一种基于上述的测量装置的导轨位移与直线度测量方法，包括以下步骤：

步骤1、当滑块在共体二维光栅导轨上移动时，读数头输出x方向正交的正余弦信号和y方向的正交的正余弦信号，x方向正交的正余弦信号和y方向的正交的正余弦信号经数据预处理模块转换为x方向的方波信号和y方向的方波信号；

步骤2、上位机对x方向方波信号和y方向的方波信号分别进行边沿计数，在x方向，边沿计数结果记为N1，根据公式(1)计算滑块的位移x：

导轨线位移等于滑块的位移x；

在y方向上，边沿计数结果记为N2，根据公式(2)计算导轨直线度L，

进一步的，步骤2中，利用Labview FPGA模块进行高频插值，对x方向和y方向的方波信号进行边沿计数。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明所述的装置将二维光栅通过光刻直接布置在直线导轨上表面，得到共体二维光栅导轨，能有效的减少了阿贝误差，避免了使用粘合剂或螺钉等方式固定光栅而导致的传热不均匀，从而减少因受热变形引入的非线性误差，将传感与执行机构一体化，能有效的保证生产速度和质量。进一步的，读数头安装在滑块内部，减少了安装体积。

进一步的，导轨的上表面表面粗糙度小于二维光栅的栅距，保证测量精度。

进一步的，细分模块的细分倍数n为100，既能满足精度要求，也不会有的过大的计算量。

进一步的，细分模块的输出端通过NI采集卡和上位机连接，时间延迟可控制在毫秒级别。

本发明所述的方法，基于二维光栅具有空间上二维周期性重复排列的结构，采用干涉测量原理，这种位移测量装置的分辨力和精度都很高，其误差控制在0.01-100μm；同时利用二维光栅的x方向和y方向两个维度，在不影响滑块工作的情况下，同步测量导轨的线位移和直线度，将导轨的导向和位移测量功能一体化，减少了传感器数量；然后利用NI采集卡实时传输和处理数据，在位显示了导轨的线位移和直线度情况，时间延迟可控制在毫秒级别，并且能在导轨工作过程中通过测量其直线度情况来监测导轨的磨损状况。

本发明具有导轨副安装体积小、定位精度高、多参量同步在位测量等优势，为导轨的位移和直线度测量提供了新方法。

附图说明

图1为传统导轨组件的结构示意图；图2为传统导轨组件的阿贝偏置误差示意图；

图3为本发明所制造的共体二维光栅导轨副；

图4为基于共体二维光栅的导轨线位移与直线度同步在位测量过程示意图。

图中：1-共体二维光栅导轨，2-滚珠，3-带有内槽的滑块，4-读数头，5-二维光栅，6-导轨。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图3，一种同步在位测量导轨线位移与直线度的装置，包括集导向和传感一体的共体二维光栅导轨1，滚珠2，滑块3，读数头4，滤波模块，模数转换模块和细分模块，NI采集卡，用于驱动滑块3运动的电机，用来显示和处理数据的上位机。滤波模块，模数转换模块和细分模块集成在同一个电路板上，上位机为计算机。

其中，共体二维光栅导轨1包括导轨6，二维光栅5刻蚀在导轨6上表面中央，且二维光栅5的x方向的栅线和导轨6x方向的轴线平行，二维光栅5的y方向的栅线和导轨6的y方向的轴线平行；共体二维光栅导轨1通过滚珠2和滑块3滑动连接，滑块3上开设有腔体，腔体中固定有读数头4，读数头4和滤波模块的输入端连接，滤波模块的输出端和模数转换模块的输入端连接，模数转换模块的输出端和细分模块的输入端连接，细分模块的输出端和NI采集卡的输入端连接，NI采集卡和上位机的输入端连接。

滑块在导轨上运动，读数头4将莫尔条纹的变化转化为两对正余弦信号并输出，两对正余弦信号包括x方向的一对正余弦信号和y方向的一对正余弦信号，每一对正余弦信号包括两个相位差为90°的正余弦信号。

共体二维光栅导轨1的材料为不锈钢或轴承钢，导轨1的上表面表面粗糙度必须小于二维光栅5栅距p。

共体二维光栅导轨1的长度为0.1-10m，宽度为0.01-0.2m，二维光栅的栅距p为1-200μm。

细分模块的细分倍数n为20-2000倍，当n＝100时，既能满足精度要求，也不会有的过大的计算量。

参照图4，一种基于共体二维光栅的导轨线位移与直线度同步在位测量方法，以二维光栅5的长度方向为导轨x方向的测量基准，以二维光栅5的宽度方向为导轨y方向的测量基准，滑块3在导轨1上运动时，读数头4同时输出两对正交的正余弦信号，经滤波和模数转换后，将输出的数字信号通过NI采集卡传给上位机，通过高频脉冲对边沿计数的方法在上位机上求解导轨的线位移和直线度，以同步在位测量导轨的位移和直线度。

无论滑块3运动是匀速或变速运动，在速度范围为0.01-1m/s时本方法均可以测量得到导轨的线位移和直线度。

本发明所述的装置将二维光栅直接布置在直线导轨上表面，得到共体二维光栅导轨，光栅与导轨的材料一致，将传感与执行机构一体化，减少了受热等情况下引入的非线性误差，能有效的保证生产速度和质量。

具体包括顺序进行的以下步骤：

步骤1、将二维光栅5刻蚀在直线导轨上表面制造共体二维光栅导轨，光栅读数头4嵌入安装在滑块3的内腔，共体二维光栅导轨的材料为不锈钢，长度为0.4m，宽度为0.05m，二维光栅的栅距p为80μm，将共体二维光栅导轨放置在水平台上并固定。

步骤2、参照图3，测量前将滑块移动到共体二维光栅导轨1行程的一端，然后开启电机，电机驱动滑块3在共体二维光栅导轨1上以0.02m/s的速度移动，电机设置为定长移动，步距为40mm，向x轴正方向移动3次后再反向移动3次，以滑块3的初始点为原点，则电机每次移动滑块后的理论位置为：0mm，40.000mm，80.000mm，120.000mm，80.000mm，40.000mm以及0mm，移动过程中，读数头采集x方向和y方向的正交的正余弦信号，采集x方向和y方向的正交的正余弦信号经滤波和模数转换后，输出方波信号，将输出的方波信号经过细分模块细分后，通过NI采集卡，将细分模块的细分倍数n设置为50。

步骤3、细分模块将数字信号通过NI采集卡输入上位机后，通过Labview FPGA模块进行高频插值，对两对方波信号分别进行边沿计数，在x方向，边沿计数N1分别为1，100078，199976，299912，200096，100056，2；根据公式(1)计算滑块的位移x：

计算滑块的位移x：分别为0.0004，40.0312，79.9904，119.9648，80.0384，40.024，0.002，其分辨力为0.0004mm。

在y方向上，边沿计数N2为0，13，-3，2，-2，10，1，根据公式(2)计算导轨直线度L：

计算导轨直线度L为：0mm，0.0052mm，-0.0012mm，0.0008mm，0.0040mm，0.0004mm，其中，最大误差为0.0052mm。

与x轴垂直的栅线产生的正交信号求解导轨的线位移x，其测量误差为0.01-100μm，以与y轴垂直的栅线产生的正交信号来求解导轨的直线度L，其测量误差为0.01-100μm。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种同步在位测量导轨线位移与直线度的装置，其特征在于，包括共体二维光栅导轨(1)，滑块(3)，读数头(4)，数据预处理模块和上位机；所述共体二维光栅导轨(1)包括导轨(6)和刻蚀在导轨(6)上表面的二维光栅(5)，所述二维光栅(5)沿长度方向的栅线和导轨(6)沿长度方向的中心轴线平行，读数头(4)的输出端依次连接有数据预处理模块和数据计算模块；所述数据预处理模块用于将读数头(4)采集到的信号转换为方波号，并传递至上位机，所述上位机用于根据接收到的方波信号计算导轨线位移与直线度；

所述数据预处理模块包括滤波模块，模数转换模块和细分模块，所述滤波模块的输入端和读数头(4)连接，滤波模块的输出端和模数转换模块的输入端连接，模数转换模块的输出端和细分模块的输入端连接，细分模块的输出端和上位机连接；细分模块的细分倍数n为100。

2.根据权利要求1所述的一种同步在位测量导轨线位移与直线度的装置，其特征在于，所述读数头(4)安装在滑块(3)内部。

3.根据权利要求1所述的一种同步在位测量导轨线位移与直线度的装置，其特征在于，所述二维光栅的栅距为0.5μm～200μm。

4.一种基于权利要求1所述的装置的导轨位移与直线度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、当滑块(3)在共体二维光栅导轨(1)上移动时，读数头(4)输出x方向正交的正余弦信号和y方向的正交的正余弦信号，x方向正交的正余弦信号和y方向的正交的正余弦信号经数据预处理模块转换为x方向的方波信号和y方向的方波信号；

步骤2、上位机对x方向方波信号和y方向的方波信号分别进行边沿计数，在x方向，边沿计数结果记为N1，根据公式(1)计算滑块(3)的位移x：

导轨线位移等于滑块(3)的位移x；

在y方向上，边沿计数结果记为N2，根据公式(2)计算导轨直线度L，

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