CN112815878A - 角度位移测量装置及测量标定方法 - Google Patents
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Abstract
角度位移测量装置及测量标定方法，涉及角度位移测量技领域，解决现有角度测量方式无法实现对转台或编码器的每个光栅栅距对应角度进行测量标定的问题，建立一个测量轴系，在测量轴系本体外圆表面加工有锁丝丝钉和丝线挂销；第一丝线的一端通过锁丝丝钉紧固，第一丝线另一端紧固于滑台座的一端；滑台座的另一端紧固第二丝线，第二丝线经滑轮后紧固于平衡块；平衡块的重量将第一丝线和第二丝线绷紧，并牵动高精度光栅尺滑台运动，当测量轴系本体转动时，第一丝线将缠绕所述测量轴系本体的外圆表面，同时牵动高精度光栅尺滑台以及平衡块移动。本发明能够实现对转台或编码器的每个光栅栅距对应角度进行测量标定，提高了测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及角度位移测量技领域，具体涉及一种角度位移测量装置及测量标定方法。
背景技术
目前，在实际生产中，转台和编码器角度测量与标定是一个非常重要指标，它的好与坏直接关系到生产的产品的质量，所以人们不断探索提高角度测量精度的方法，现在常用角度标定的标准是采用棱体进行标定，比如采用36面棱体、 24面棱体以及23面棱体等等；36面棱体每个面差10°，24面棱体每个面差15°，但它与高精度光栅尺(0.0001mm)或激光干涉仪测量的方式不同，高精度光栅尺或激光干涉仪通过等值栅距或干涉波长来测量长度。采用棱体测量转台或编码器角度时只是测量与棱体面对应最近的特定角度的转台或编码器那一位置光栅精度，而转台或编码器其它角度的光栅精度只能是与棱体两个面对应特定角度光栅值(栅距数量)做平均差补。所以采用棱体测量出来的精度同时还决定于转台的圆光栅和编码器光栅自身原有栅距加工的精度。
现有转台或编码器测量标定是采用棱体对几个特定栅距标定，对于其它 99.99％栅距不标定，且测量转台或编码器圆光栅精度远低于直线光栅精度低的问题是无法改变的事实，为了将圆光栅精度提高到直线光栅精度高度，为了能像高精度光栅尺或激光干涉仪测量那样通过等值栅距或干涉波长(理论上波长 0.000001mm就是1nm)来丈量长度，通过测量长度方法测量出每一角度位置对应栅距的精度，需要研发一种角度测量方法与装置，要求其理论精度是 0.00005°，也就是0.18"，考虑到客观环境等因素影响，它的全圆周绝对精度也要能达到1"，因此，它将作为角度测量的一种比较理想的测量装置。
发明内容
本发明为解决现有角度测量方式无法实现对转台或编码器的每个角度(栅距)进行测量标定，且测量精度低的问题，提供一种角度位移测量装置及测量标定方法。
角度位移测量装置，包括测量轴系本体、高精度光栅尺滑台和滑台座；还包括第一丝线、第二丝线、滑轮和平衡块；
在所述测量轴系本体外圆表面加工有锁丝丝钉和丝线挂销；所述第一丝线的一端通过锁丝丝钉紧固，第一丝线另一端紧固于滑台座的一端；所述滑台座的另一端紧固第二丝线，所述第二丝线经滑轮后紧固于平衡块；
所述平衡块的重量将第一丝线和第二丝线拉直绷紧，并牵动高精度光栅尺滑台运动，当测量轴系本体转动时，第一丝线将缠绕所述测量轴系本体的外圆表面，同时牵动高精度光栅尺滑台以及平衡块移动。
角度位移测量标定方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、控制器控制转台或编码器的基准点置于零点；
步骤二、当转台带动测量轴系本体，或测量轴系本体带动编码器转动时，控制器采集转台或编码器的数据；
步骤三、控制器采集高精度光栅尺记录高精度光栅尺滑台的位移距离数据，同时采集转台或编码器的光栅角度信息；
步骤四、当所述测量轴系本体旋转一周到达转台或编码器的基准零点时，所述高精度光栅尺的位移距离数据(栅距数量)则与转台或编码器的光栅角度信息对应(栅距数量)，实现对转台或编码器的测量标定。
本发明的有益效果：本发明所述的测量装置通过在平衡块重力牵引下，丝线每一部分拉力是恒定的，丝线缠绕测量轴系过程长度是不变的，也就是说缠绕均等弧长在高精度光栅尺显示的栅距是相同的，(测量轴系跳动0.001mm)而圆周弧长和角度是一一相关对应的，所以直接提高了转台或编码器的光栅角度测量精度。
本发明所述的测量装置将圆光栅做不到的直线高精度玻璃光栅精度通过丝线转换为圆周尺寸，可以用来校准圆光栅。
本发明所述的测量标定方法，能够实现对转台或编码器的每个光栅栅距角度进行测量标定，减少了不准确栅距导致的测量误差。
附图说明
图1为本发明所述的角度位移测量装置中测量装置结构示意图；
图2为本发明所述的角度位移测量装置中测量轴系本体示意图；
图3为测量轴系本体的剖视图；
图4为测量轴系本体固定在被测转台的俯视图；
图5为图4的剖视图。
图中：1、测量轴系本体，2、顶丝孔，3、锁丝丝钉，4、丝线挂销，5、第一丝线，6、高精度光栅尺滑台，7、滑台座，8、第二丝线，9、滑轮，10、平衡块，11、固定孔，12、顶丝孔。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图5说明本实施方式，角度位移测量装置，包括测量轴系本体1、第一丝线5、高精度光栅尺滑台6、滑台座7、第二丝线8、滑轮9和平衡块10；
在所述测量轴系本体1外圆表面加工有锁丝丝钉3和丝线挂销4；所述第一丝线5的一端通过锁丝丝钉3紧固，第一丝线5另一端紧固于滑台座7的一端；所述滑台座7的另一端紧固第二丝线8，所述第二丝线8经滑轮9后紧固于平衡块10；
所述平衡块10的重量将第一丝线5和第二丝线8拉直绷紧，并牵动高精度光栅尺滑台6运动，在平衡块10恒定重量力作用下丝线所受拉力是定值，在同一温度丝线长度是固定的，当被测轴系本体1转动时第一丝线将缠绕轴系本体1 外圆表面，同时牵动高精度光栅尺滑台6以及平衡块10移动。
本实施方式中，所述测量轴系本体1上加工有固定孔11和顶丝孔2；采用顶丝12与顶丝孔2配合对测量轴系本体1调平，将固定螺钉穿过测量轴系本体 1的固定孔11将测量轴系本体1固定在被测件上。所述测量轴系本体1与被测件同轴，被测件可为转台或编码器。
在测量过程中，所述丝线运动方向与高精度光栅尺滑台6的移动方向平行，并且第一丝线5与测量轴系本体1外圆表面相切。所述第一丝线5运动方向与测量轴系本体1的轴向垂直。
本实施方式中，所述锁丝丝钉3与丝线挂销4平行安装，且所述锁丝丝钉3 与丝线挂销4的连线与测量轴系本体1的轴线平行。所述锁丝丝钉3靠近所述测量轴系本体1的边缘端。
本实施方式中，所述测量轴系本体1外圆表面与轴系跳动为0.001mm。
具体实施方式二、本实施方式为采用具体实施方式一所述的角度位移测量装置的测量标定方法，在测量标定转台和编码器角度时，转台和编码器都有基准零点，当转台带动测量轴系本体1，或者测量轴系本体1带动编码器转动时，在转台或编码器基准零点发出指令，高精度光栅尺或激光干涉仪同步开始记录滑台位移距离，转台或编码器光栅角度信息与高精度光栅尺或激光干涉仪位移信息同步记录，旋转一周到基准零点，高精度光栅尺或激光干涉仪位移可以对应到转台或编码器角度上。
本实施方式中，当所述高精度光栅尺采集第m个栅距时，对应转台的第n 个栅距，高精度光栅尺对应角度为α，转台对应角度为β；进行修正，将转台的第n个栅距对应的角度β修改为高精度光栅尺采集第m个栅距时对应角度α；
所述高精度光栅尺继续采集，直到当高精度光栅尺采用第M个栅距时，对应转台的第N个栅距，高精度光栅尺对应角度为γ，转台对应角度同样为γ；则控制器记录转台对应的栅距值，直到测量轴系本体1旋转到达转台或编码器的基准零点结束；所述1≤m≤M，1≤n≤N，M和N为整数且M≠N。
具体实施方式三、本实施方式为采用具体实施方式二所述的角度位移测量标定方法的实施例，如果测量轴系本体外圆轴径是
所对应1°弧长是 2mm，高精度光栅尺或激光干涉仪精度是200nm，那么高精度光栅尺或激光干涉仪校准转台或编码器角度精度是0.0001°，就是0.36"。如果高精度光栅尺再做电子细分的话，或者在实验室要是激光干涉仪精度是1nm，高精度光栅尺或激光干涉仪校准转台或编码器角度精度理论上是0.0000005°，就是0.0018"。
假如设定转台360°有144000栅距，1°应是4000，理想一个栅距对应 0.00025°，测量轴系外圆直径
对应圆周长720mm，对应高精度光栅尺栅距7200000个，一个栅距对应角度0.00005°，测量标定转台光栅时，测量轴系本体1旋转，带动高精度光栅尺与转台光栅运动两组光栅同步采集，如表1，表1为高精度光栅尺、转台光栅尺以及转台光栅尺补偿数据对应关系。
表1
结合上述表1，当高精度光栅尺采集第四个栅距时，转台是第一个栅距，高精度光栅尺对应角度是0.0002°，而转台对应角度是0.00025°，修正后将转台第一个栅距改为0.0002°，高精度光栅尺采集第九个栅距时，转台是第二个栅距，高精度光栅尺对应角度是0.00045°，而转台对应角度是0.0005°，修正后将转台第二个栅距改为0.00045°，高精度光栅尺采集第十六栅距时，转台是第三个栅距，高精度光栅尺对应角度是0.0008°，而转台对应角度是 0.00075°，修正后将转台第二个栅距改为0.0008°，高精度光栅尺采集第二十个栅距时，转台是第四个栅距，高精度光栅尺对应角度是0.001°，而转台对应角度是0.001°，高精度光栅尺栅距与转台第四个栅距的角度值相等，转台第四个栅距值保留不变，按此方法往下推，直到回到零位。采用测量轴系本体1标定转台误差应该小于0.09"。
本实施方式中，当测量轴系本体的外圆直径尺寸为300mm，它的周长是942.4778mm，对应高精度光栅栅距为9424778个，一个栅距对应角度为 0.0000382°，对应0.1375"。采用该测量轴系本体标定转台误差应该小于0.07"。
本实施方式中，采用的丝线直径存在的影响为：当采用0.2mm直径的丝线时，测量轴系旋转一周高精度光栅将增加6283个栅距。
本实施方式中，采用丝线缠绕测量轴系本体，目的有三个，第一个是在平衡重重力牵引下，丝线每一部分拉力是恒定的，丝线缠绕测量轴系过程长度是不变的，也就是说缠绕均等弧长在高精度光栅尺显示的栅距是一样的。第二个是把圆光栅做不到的直线高精度玻璃光栅精度通过丝线转换为圆周尺寸，可以用来校准圆光栅。第三个温度对于丝线长度有影响，但是它是对丝线整体的影响，缠绕均等弧长在高精度光栅尺显示的栅距是还是一样的，而对于测量结果是没有影响的。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。
Claims (9)
1.角度位移测量装置，包括测量轴系本体(1)、高精度光栅尺滑台(6)和滑台座(7)；其特征是：还包括第一丝线(5)、第二丝线(8)、滑轮(9)和平衡块(10)；
在所述测量轴系本体(1)外圆表面加工有锁丝丝钉(3)和丝线挂销(4)；所述第一丝线(5)的一端通过锁丝丝钉(3)紧固，第一丝线(5)另一端紧固于滑台座(7)的一端；所述滑台座(7)的另一端紧固第二丝线(8)，所述第二丝线(8)经滑轮(9)后紧固于平衡块(10)；
所述平衡块(10)的重量将第一丝线(5)和第二丝线(8)绷紧，并牵动高精度光栅尺滑台(6)运动，当测量轴系本体(1)转动时，第一丝线将缠绕所述测量轴系本体(1)的外圆表面，同时牵动高精度光栅尺滑台(6)以及平衡块(10)移动。
2.根据权利要求1所述的角度位移测量装置，其特征在于：所述测量轴系本体(1)上加工有固定孔(11)和顶丝孔(2)；采用顶丝(12)与顶丝孔(2)配合对测量轴系本体(1)调平，将固定螺钉穿过测量轴系本体(1)的固定孔(11将测量轴系本体(1)固定在被测件上。
3.根据权利要求2所述的角度位移测量装置，其特征在于：所述测量轴系本体(1)与被测件同轴。
4.根据权利要求1所述的角度位移测量装置，其特征在于：测量过程中，所述丝线运动方向与高精度光栅尺滑台(6)的移动方向平行，并且第一丝线(5)与测量轴系本体(1)外圆表面相切。
5.根据权利要求1所述的角度位移测量装置，其特征在于：所述第一丝线(5)运动方向与测量轴系本体(1)的轴向垂直。
6.根据权利要求1所述的角度位移测量装置，其特征在于：所述锁丝丝钉(3)与丝线挂销(4)平行安装，且所述锁丝丝钉(3)与丝线挂销(4)的连线与测量轴系本体1的轴线平行。
7.根据权利要求6所述的角度位移测量装置，其特征在于：所述锁丝丝钉(3)靠近所述测量轴系本体(1)的边缘端。
8.基于权利要求1-7任意一项所述的角度位移测量装置的测量标定方法，其特征是：该方法由以下步骤实现：
步骤一、控制器控制转台或编码器的基准点置于零点；
步骤二、当转台带动测量轴系本体(1)，或测量轴系本体(1)带动编码器转动时，控制器采集转台或编码器的数据；
步骤三、控制器采集高精度光栅尺记录高精度光栅尺滑台(6)的位移距离数据，同时采集转台或编码器的光栅角度信息；
步骤四、当所述测量轴系本体(1)旋转一周到达转台或编码器的基准零点时，所述高精度光栅尺的位移距离数据则与转台或编码器的光栅角度信息对应，实现对转台或编码器的测量标定。
9.根据权利要求8所述的测量标定方法，其特征在于：在测量标定过程中，当所述高精度光栅尺采集第m个栅距时，对应转台的第n个栅距，高精度光栅尺对应角度为α，转台对应角度为β；进行修正，将转台的第n个栅距对应的角度β修改为高精度光栅尺采集第m个栅距时对应角度α；
所述高精度光栅尺继续采集，直到当高精度光栅尺采用第M个栅距时，对应转台的第N个栅距，高精度光栅尺对应角度为γ，转台对应角度同样为γ；则控制器记录转台对应的栅距值，直到测量轴系本体(1)旋转到达转台或编码器的基准零点结束；所述1≤m≤M，1≤n≤N，M和N为整数且M≠N。
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