CN112344859A - 一种基于光栅读头组合的位移测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于光栅读头组合的位移测量方法，属于精密测量领域。其特征是：所述测量方法由建立光栅尺位移测量系统模型1、划分测量区域2、各自由度读头组合分析3、规划运动轨迹4和最优读头组合选取5五个部分组成。根据光栅尺位移测量系统模型1可得一个描述光栅尺测量计数与运动台之间变化关系的测量模型，采用光栅尺测量计数即可间接求解运动台位置。划分测量区域2可得小范围内不同读头组合的测量差异，提高系统精确度。规划运动轨迹4根据运动台的运动特性，模拟运动台的运动轨迹，得到各个光栅读头的干涉条纹数，干涉条纹数所包含的位移信息经位移测量系统模型解算，输出运动台当前的位置信息即运动台的六自由度。最优读头组合选取5选取在不同区域内各自由度误差最小的读头组合，在最小解算误差读头组合有变化时，临界区域进行读头切换，对全量程范围内测量时各自由度读头组合进行优化。本发明可用于运动台位移测量、机床定位、校准等领域。

Description

一种基于光栅读头组合的位移测量方法

(一)技术领域

本发明涉及的是一种基于光栅读头组合的位移测量方法，可用于运动台位移测量、机床定位、校准等领域，能够测量亚纳米量级的位移变化量，属于精密测量技术领域。

(二)背景技术

随着国内外科学技术的迅猛发展，信息产业迎来了技术性的革命，越来越多的智能化和现代化电子设备广泛应用于微电子制造工业、航空航天、纳米技术以及生物科技等高端领域。这些电子设备的应用，离不开光刻机等高端精密测量仪器设备的研发。同时，信息产业的发展水平在一定程度上代表了整个国家的工业发展水平，而这些先进技术的实现必须以超精密的测量技术为基础，因此超精密位移测量技术已成为信息产业发展的前提条件。近年来，伴随着高端产业技术的不断发展，对测量精度、测量速度以及测量实时性等方面提出了越来越高的要求，这使得对超精密位移测量技术的相关研究成为了科研人员的研究热点。

运动台位移测量系统为运动台运动控制系统实时提供运动台的位置信息，精准的位置信息是定位、对准等过程中的前提条件，因此对运动台位移测量技术的研究刻不容缓。传统的位移测量系统采用激光干涉仪来测量运动台位置，该系统是一种比较成熟的超精密测量系统，能够测量亚纳米量级的位移变化量并进行大量程的测量，但激光干涉仪在大量程范围下对环境等因素较为敏感，不能满足更高精度的测量需求。目前普遍采用光栅尺来替代激光干涉仪作为位移测量的标尺。与激光干涉仪相比，光栅尺位移测量系统鲁棒性强，有良好的抗干扰能力，也能够满足运动台位移测量的精度需求。光栅尺以光栅周期作为测量基准，具有测量光程短，环境变化敏感性低等优点，测量精度亦可达到亚纳米量级。

为提高运动台测量精准度，研究了一种基于光栅位移测量系统的最优光栅读头组合的位移测量方法。运动台在同一运动轨迹下，采用不同光栅读头组合解算六自由度存在差异，通过模拟运动台运动轨迹，分析不同读头组合在全行程范围内解算六自由度的精度误差。设计运动台在不同运动轨迹下切换解算自由度读头组合的方案并验证其精度误差，选取误差最小的光栅读头组合对运动台六自由度进行解算。该方法能够为运动台在不同运动轨迹时提供最优读头组合方案以提高测量精确度及可靠性。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光栅读头组合的位移测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

基于光栅位移测量系统，分析测量系统的基本原理，推导位移测量模型，得到运动台姿态与相位变化的关系，建立四光栅与四读头之间的相对位移关系。根据运动台的运动特性，采用仿真软件模拟运动台运动轨迹，运动台的运动轨迹经由仿真模型解算后，会得到各个光栅读头的干涉条纹数，将其转化为位移量输入到位移测量系统模型中，干涉条纹数所包含的位移信息经过位移测量系统模型解算后，会输出运动台当前的位置信息即运动台的六自由度，比较此时运动台六自由度与运动台预定位置坐标的差异，即可得到位移测量系统模型的解算误差。运动台在同一运动轨迹下，采用不同光栅读头组合解算六自由度存在差异，通过模拟运动台运动轨迹，分析不同读头组合在全行程范围内解算六自由度的精度误差。设计运动台在不同运动轨迹下切换解算自由度读头组合的方案并验证其精度误差，从而提出一种光栅读头组合选取优化的方案，该方案通过选取误差最小的光栅读头组合对运动台六自由度进行解算，为运动台在各运动轨迹时提供最优读头组合方案以提高测量精确度及可靠性。

下面将详细阐述基于光栅读头组合的位移测量方法的测量原理。

由图3可知，光栅尺位移测量系统采用四块一维光栅栅线相互垂直的布局方式。第一、第三象限的光栅测量方向沿着X轴方向；第二、第四象限的光栅测量方向沿着Y轴测量方向。光栅1、3能测量X轴和Z轴方向的位移；光栅 2、4能测量Y轴和Z轴方向的位移。当光栅发生位移时，光斑在光栅上划过一段距离。根据多普勒效应，测量光束的光学频率发生变化，产生额外的相位差，在测量板卡中，测量光的相位差被转化为跟相位相关的计数值。利用光栅尺测量计数与电子分辨率的乘积表示由于光斑位移引起的相位差，根据矢量衍射理论推导了光斑位移与测量光束相位差之间的关系表达式，利用相位差相等建立关系式，推导出描述光斑位移与测量计数之间变化关系的位移模型。

当光栅1在X轴方向和Z轴方向发生位移时，+1级衍射光相位差与光栅尺测量计数的关系为：

-1级衍射光的相位差与测量计数的关系为：

其中

表示当光栅1沿着X轴方向和Z轴方向发生位移时，+1级衍射光产生的相位差；下标的第一位数字表示光栅编号，下标的第二位数字表示测量方向和衍射光级次。φ₁₁表示读头1通道1输出的测量计数值。下标第一位数字表示读头编号，第二位数字表示读头输出通道编号。R表示电子分辨率，

通过联立(1)与(2)式可得光斑在光栅1上沿着X轴方向的位移S_x1和沿着 Z轴方向的位移S_z1。同理，可得光斑在光栅2上沿着y轴方向的位移S_y2和沿着 Z轴方向的位移S_z2,光斑在光栅3上沿着X轴方向的位移S_x3和沿着Z轴方向的位移S_z3,光斑在光栅4上沿着y轴方向的位移S_y4和沿着Z轴方向的位移S_z4。

利用光斑在光栅上初位置、末位置矢量差与测量方向的乘积表示光斑位移。光斑在光栅1X轴测量方向的位移S_x1为：

光斑在光栅1Z轴测量方向的位移S_z1为：

其中P_gs,g1表示光斑在运动坐标系下的位置，P_gs,g1,0表示运动台在零位的时候光斑在运动坐标系下的位置，t_g1,x表示光栅1的测量方向向量，P_gs0,g1表示光斑在参考坐标系下的位置。同理，可得光斑在光栅2上沿着y轴方向的位移S_y2和沿着Z轴方向的位移S_z2,光斑在光栅3上沿着X轴方向的位移S_x3和沿着Z轴方向的位移S_z3,光斑在光栅4上沿着y轴方向的位移S_y4和沿着Z轴方向的位移S_z4。利用光斑位移相等原则，可得一个描述光栅尺测量计数与运动台之间变化关系的测量模型，采用光栅尺测量计数即可间接求解运动台位置。

通过选取光斑位移的平均值来计算X,Y,Z；通过选取两光斑位移之差与两光斑间距之比的正切值来计算Rx,Ry,Rz。六自由度表示公式如下所示：

其中E_x表示X自由度位移，E_y表示Y自由度位移，E_z表示Z自由度位移，

表示R_x自由度偏移量，

表示R_y自由度偏移量，E_Rz表示R_z自由度偏移量，d_xx1、 d_xx2、d_yy1、d_yy3、d_yy4分别表示当运动台在零位的时候，光斑在运动坐标系的坐标，下标分别表示坐标轴和光栅编号。

根据运动台的运动特性，采用仿真软件模拟运动台运动轨迹，运动台的运动轨迹经由仿真模型解算后，会得到各个光栅读头的干涉条纹数，将其转化为位移量输入到位移测量系统模型中，干涉条纹数所包含的位移信息经过位移测量系统模型解算后，会输出运动台当前的位置信息即运动台的六自由度，比较此时运动台六自由度与运动台预定位置坐标的差异，即可得到位移测量系统模型的解算误差。

运动台在同一运动轨迹下，采用不同光栅读头组合解算六自由度存在差异，通过模拟运动台运动轨迹，分析不同读头组合在全行程范围内解算六自由度的精度误差。设计运动台在不同运动轨迹下切换解算自由度读头组合的方案并验证其精度误差，将运动台测量范围进行划分，分别解算各小区域内六自由度的读头组合测量误差，择出各区域内最优读头组合，跨区域测量时，如最优读头组合有异，在临界处进行读头切换，时刻保持在测量区域内所用读头组合为最佳选择。该方案通过选取误差最小的光栅读头组合对运动台六自由度进行解算，为运动台在各运动轨迹时提供读头组合优化方案以提高测量精确度及可靠性。

(四)附图说明

图1是基于光栅读头组合的位移测量方法的测量流程图。

图2是光栅位移测量系统结构示意图。

图3是光栅尺位移测量系统光栅布局示意图。

图4是光栅尺位移测量系统四读头布局示意图。

图5是光栅尺位移测量系统光栅位移计算示意图。

图6是测量区域划分图。

图7是运动台轨迹规划示意图。

图8是运动台移动各自由度变化示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：

结合图1，本发明基于光栅位移测量系统，分析测量系统的基本原理，推导位移测量模型，得到运动台姿态与相位变化的关系，建立四光栅与四读头之间的相对位移关系。根据运动台运动特性，采用仿真软件模拟运动台运动轨迹，运动轨迹经由仿真模型解算后，会得到各个光栅读头的干涉条纹数，将其转化为位移量输入位移测量系统模型，干涉条纹数所包含的位移信息经过位移测量系统模型解算后，会输出运动台当前的位置信息即运动台的六自由度，比较此时运动台六自由度与运动台预定位置坐标的差异，分析不同读头组合在全行程范围内解算六自由度的精度误差，即可对位移测量系统模型的读头组合进行优化。

图2展示了六自由度光栅干涉仪位移测量系统的结构设计，位移测量系统主要由读头承载台、四个读头、四块一维光栅、光栅承载台及光学元件组成。实验平台采用六足位移运动台辅助位移测量系统工作。读头承载台起到固定读头的作用，读头能够发出测量光束以及接收从光栅上返回的衍射光束。光栅承载台，作为光栅的承载工具，固定在运动台上，跟随运动台移动。测量系统采用四块一维光栅逆时针依次旋转90度的布局方式，如图3所示。

基于光栅读头组合的位移测量方法的测量过程可分为以下五个步骤(见图5-图8)：

步骤一、得到光栅尺测量计数与运动台之间变化关系的测量模型。光栅尺位移测量系统采用四块一维光栅栅线相互垂直的布局方式。第一、第三象限的光栅测量方向沿着X轴方向；第二、第四象限的光栅测量方向沿着Y轴测量方向。光栅1、3能测量X轴和Z轴方向的位移；光栅2、4能测量Y轴和Z轴方向的位移。当光栅发生位移时，光斑在光栅上划过一段距离。根据多普勒效应，测量光束的光学频率发生变化，产生额外的相位差，在测量板卡中，测量光的相位差被转化为跟相位相关的计数值。利用光栅尺测量计数与电子分辨率的乘积表示由于光斑位移引起的相位差，根据矢量衍射理论推导了光斑位移与测量光束相位差之间的关系表达式，利用相位差相等建立关系式，推导出描述光斑位移与测量计数之间变化关系的位移模型。利用光斑在光栅上初位置、末位置矢量差与测量方向的乘积表示光斑位移，可推导出描述光斑位移与运动台位置之间变化的位移模型。图5给出了光栅尺位移测量系统光栅位移计算示意图。利用光斑位移相等原则，可得一个描述光栅尺测量计数与运动台之间变化关系的测量模型，采用光栅尺测量计数即可间接求解运动台位置。

步骤二、划分测量区域。将运动台运动范围(±16mm*±16mm*±5mm) 划分为1mm*1mm*1mm的小区域，图6给出了测量区域划分图，可根据不同测量需求对测量范围进行划分，例如机床定位测量应用，可对划分区域做部分调整，例如将划分区域相对扩大或缩小，由给出的1mm*1mm*1mm升至 100mm*100mm*100mm甚至更广，结合具体应用可做进一步变通，划分范围非强制固定不变，扩大缩小或适当改变测量范围及划分范围亦属于本发明保护内容。

步骤三、分配六自由度位置测量的读头组合。根据光栅尺位移测量系统的布局情况，对各自由度测量的读头组合做初步删选，将不符合各自由度的读头组合剔除，对符合需求的读头组合进行测试，选取最优，大大提高实验效率。由于光栅布局情况，根据光栅测量特性可知读头2和读头4组合只能测量Y向自由度位移，无法测量X向自由度位移，读头1和读头3组合只能测量X向自由度位移，无法测量Y向自由度位移。R_X和R_X向自由度测量时尽可能选择用同一侧读头组合，否则可能会大量引入Y、X向自由度的串扰，影响测量结果。图 8为各自由度变化量示意图。对各自由度测量的读头组合进行初步分析，删选后的读头组合为：

X自由度:H₁₃、H₁₂₃、H₁₃₄、H₁₂₃₄；Y自由度:H₂₄、H₁₂₄、H₂₃₄、H₁₂₃₄；

Z自由度:H₁₃、H₂₄、H₁₂₃、H₁₂₄、H₁₃₄、H₂₃₄、H₁₂₃₄；R_X自由度:H₁₄、H₂₃；

R_Y自由度:H₁₂、H₃₄；R_Z自由度:H₁₃、H₂₄、H₁₂₃、H₁₂₄、H₁₃₄、H₂₃₄、H₁₂₃₄。

其中H表示读头，H下标表示光栅编号。

步骤四：规划运动轨迹。根据运动台的运动特性，采用仿真软件模拟运动台运动轨迹，图7为运动台轨迹规划示意图，运动台的运动轨迹经由仿真模型解算后，会得到各个光栅读头的干涉条纹数，将其转化为位移量输入到位移测量系统模型中，干涉条纹数所包含的位移信息经过位移测量系统模型解算后，会输出运动台当前的位置信息即运动台的六自由度，比较各个读头组合下运动台六自由度与运动台预定位置坐标的差异，即可得到不同读头组合位移测量系统模型的解算误差。

步骤五：最优读头组合选取。根据规划的运动台运动轨迹各自由度名义位置与不同读头组合解算的各自由度位置的误差，得出不同区域下各自由度解算误差最小的读头组合，在最小解算误差读头组合有变化时，临界区域进行读头切换，对全量程范围内测量时各自由度读头组合进行最优。

Claims (7)

1.基于光栅读头组合的位移测量方法。其特征是：所述测量方法由建立光栅尺位移测量系统模型1、划分测量区域2、各自由度读头组合分析3、规划运动轨迹4和最优读头组合选取5五个部分组成。

2.根据权利要求1所述的基于光栅读头组合的位移测量方法，其特征是：位移测量系统主要由读头承载台、四个读头、四块一维光栅、光栅承载台及光学元件组成。实验平台采用六足位移运动台辅助位移测量系统工作。读头承载台起到固定读头的作用，读头能够发出测量光束以及接收从光栅上返回的衍射光束。测量系统采用四块一维光栅逆时针依次旋转90度的布局方式。光栅承载台作为光栅的承载工具，固定在运动台上，跟随运动台移动。

3.根据权利要求1所述的基于光栅读头组合的位移测量方法，其特征是：所述运动轨迹可以是沿六自由度做匀加速运动、匀速运动及匀减速运动。也可以是沿着X自由度做步进运动，Y自由度做往返运动，其他自由度相对静止不动或沿着Y自由度做步进运动，X自由度做往返运动，其他自由度相对静止不动。

4.根据权利要求1所述的基于光栅读头组合的位移测量方法，其特征是：对运动台全量程进行划分，解算各小区域内不同读头组合六自由度位移误差。

5.根据权利要求1所述的基于光栅读头组合的位移测量方法，其特征是：通过选取各区域误差最小的光栅读头组合对运动台六自由度进行解算，在最小解算误差读头组合有变化时，临界区域进行读头切换，以保证在全量程范围内测量时各自由度读头组合误差最小，使运动台在各运动轨迹下的模型误差更小。

6.根据权利要求1所述的基于光栅读头组合的位移测量方法，其特征是：测量系统采用读头固定不动，光栅随着运动台移动的运动方式。

7.根据权利要求1所述的基于光栅读头组合的位移测量方法，其特征是：所述运动台也可以是机床。

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