CN114413763A - 一种基于二维绝对光栅的五自由度测量系统及方法 - Google Patents

一种基于二维绝对光栅的五自由度测量系统及方法 Download PDF

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CN114413763A CN202210037737.5A CN202210037737A CN114413763A CN 114413763 A CN114413763 A CN 114413763A CN 202210037737 A CN202210037737 A CN 202210037737A CN 114413763 A CN114413763 A CN 114413763A
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牛茹茹
张祚
吴宇桐
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Abstract

本发明公开一种基于二维绝对光栅的五自由度测量系统，包括CCD相机、同轴光远心镜头、激光器、分束器、视场分离装置、二维绝对光栅编码盘、平面镜及图像处理模块；二维绝对光栅编码盘固定在精密工作台上；同轴光远心镜头发出的同轴光经过视场分离装置照射到二维绝对光栅编码盘上形成两个独立视场；CCD相机获取该视场内的图像并传送到图像处理模块，经处理后得到X‑Y‑θ位置信息；激光器发出的光经过分束器照射到粘贴在二维绝对光栅编码盘的平面镜上，经平面镜反射后光线投射给CCD相机；旋转精密工作台，CCD相机采集到平面镜上的轨迹信息，根据自准直原理分析采集到的光点轨迹即可实现倾斜误差测量。

Description

一种基于二维绝对光栅的五自由度测量系统及方法
技术领域
本申请涉及精密测量领域，尤其涉及一种基于二维绝对光栅的五自由度测量系统及方法。
背景技术
在各种高端制造系统和科学仪器中，精密工作台被用作产生精确位置和扫描轨迹的主要部件。但由于零件的加工、装配存在误差，将导致精密工作台在运动过程中产生运动误差（X和Y方向直线度误差、偏转角误差和Z轴上的倾斜误差），为了提高其运动精度需要实时测量并补偿上述误差。大多数精密工作台系统具有多轴配置，产生的运动误差通过多个单轴传感器或专门设计的多轴传感器进行测量，但往往一个单轴传感器只能测得1~2个自由度，而使用多个传感器则会引入阿贝误差，增加成本。
针对上述问题，现有技术专利号：201710716611.X的中国专利公开了一种二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统，其说明了所采用的二维绝对光栅的编译码方式。该发明能够在一定视场中读取位置信息，但相机视场受到编码长度的限制，导致无法获得高精度的角度测量值。在上述专利技术的基础上，专利号为202110620152.1的中国专利公开了基于视场分离的X-Y-θ三自由度测量方法，其说明了通过分离相机视场，能够获取更为精确的阿贝角，从而进行X-Y-θ三自由度方向的测量。上述专利编码刻划方式对相机视场要求较高且难以达到亚微米级精度位移精确检测，且无法检测二维光栅码盘倾斜误差对位移和角度检测精度影响。针对上述问题，本发明专利在上述专利编码方式基础上，对二维光栅编码序列进行重新排布并结合激光自准直原理，利用单个传感器实现一种五自由度运动误差实时测量方法，为精密工作台的多轴测量提供一个具有竞争力的解决方案。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种解决现有技术中存在的误差问题以实现对精密工作台的多自由度误差实时检测的一种基于二维绝对光栅的五自由度测量系统及测量方法。
为实现本发明的发明目的，本发明提供的技术方案是：一种基于二维绝对光栅的五自由度测量系统，包括精密工作台1、二维绝对光栅编码盘2、CCD相机8、同轴光远心镜头7、激光器5、分束器6、视场分离装置3、平面镜4及图像处理模块9；其中，所述二维绝对光栅编码盘2固定在精密工作台1上；所述同轴光远心镜头7发出的同轴光经过视场分离装置3照射到二维绝对光栅编码盘2上形成两个独立视场；所述CCD相机8获取该两个独立视场内的图像并传送到图像处理模块9进行信息读取；所述激光器5发出的光经过分束器6照射到粘贴在二维绝对光栅编码盘2的平面镜4上，旋转精密工作台1，CCD相机8采集平面镜上的轨迹信息。
本发明提供的另外的优选方式是：所述的二维绝对光栅编码盘2由多个独立编码块组成，每个编码块大小相同，所储存的编码信息不同；每个编码块由4个基本单元组成，包括第一基本单元201A、第二基本单元201B、第三基本单元201C和第四基本单元201D，每个基本单元由10×10个方格组成；其中，第一基本单元201A的201A4和第四基本单元201D的201D4分别储存X和Y坐标信息，第一基本单元201A的201A1、201A2和201A3为X方向上的定位图案，第四基本单元201D的201D1、201D2和201D3为Y方向上的定位图案，第二基本单元201B、第三基本单元201C为黑白相间的棋盘格，用于后续图像处理时的亚像素细分。
本发明提供的另外的优选方式是：所述的视场分离装置3包括一个立体光学棱镜和两个反射镜，立体光学棱镜置于分束器6的下方，立体光学棱镜两个直角面用作反射镜；位于立体光学棱镜左右两边的两个反射镜平行于立体光学棱镜的两个侧平面；同轴光远心镜头7内的同轴光照射在立体光学棱镜上，再经过左右两个反射镜，在二维绝对位置码盘2上形成两个视场，通过图像处理模块9分析CCD相机获取的二维绝对光栅编码图像，获得二维绝对光栅编码盘上两个分离点的坐标，即（X1,Y1）和（X2,Y2），则二维绝对光栅码盘与工作台之间的偏转角
Figure DEST_PATH_IMAGE002
表述为（式1）所示，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
（式1）。
本发明提供的另外的优选方式是：所述的激光器5发出的光先经过分束器6反射到平面镜4上，再经平面镜反射到CCD相机8中，CCD相机8可检测到平面镜上的光点位置，设两个测量点之间的距离为
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
（式2）
Figure 670773DEST_PATH_IMAGE006
可表示为平均距离与变化量
Figure DEST_PATH_IMAGE010
之和，则变化量
Figure 430656DEST_PATH_IMAGE010
可由（式3）得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
（式3）
径向误差在X和Y方向上的误差分量（式4）：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
（式4）
由于旋转过程中距离应保持不变，且理想情况下应等于平均距离，则补偿值
Figure DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure DEST_PATH_IMAGE018
应满足（式5），旋转角的补偿值
Figure DEST_PATH_IMAGE020
可用（式6）表示，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
（式5）
Figure DEST_PATH_IMAGE024
（式6）
根据自准直原理分析采集到的光点轨迹即可得到旋转台倾斜误差
Figure DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure DEST_PATH_IMAGE028
。
本发明还提供了一种基于二维绝对光栅的五自由度测量方法，包括以下步骤：
步骤I）、将贴有平面镜的二维绝对位置编码盘（2）固定在精密位移台（1）上；
步骤II）、所述同轴光远心镜头（7）发出的同轴光经过视场分离装置（3）照射到二维绝对光栅编码盘（2）上形成两个独立视场； CCD相机（8）获取两个独立视场内的编码图像并传送到图像处理模块（9）进行信息读取；所述的步骤II）中，通过图像处理模块（9）分析CCD相机获取的二维绝对光栅编码图像，获得二维绝对光栅编码盘上两个分离点的坐标，即（X1,Y1）和（X2,Y2），则二维绝对光栅码盘与工作台之间的偏转角
Figure 478902DEST_PATH_IMAGE002
如表述为（式1）所示，
Figure 405270DEST_PATH_IMAGE004
（式1）。
步骤III）、激光器（5）发出的光经过分束器（6）照射到粘贴在二维绝对光栅编码盘（2）的平面镜（4）上，旋转精密工作台（1），CCD相机（8）采集平面镜上的轨迹信息。CCD相机（8）采集平面镜上的轨迹信息具体步骤为：所述的激光器（5）发出的光先经过分束器（6）反射到平面镜（4）上，再经平面镜反射到CCD相机（8）中，CCD相机（8）可检测到平面镜上的光点位置，设两个测量点之间的距离为
Figure 593543DEST_PATH_IMAGE006
，计算公式为：
Figure 862677DEST_PATH_IMAGE008
（式2）
Figure 785502DEST_PATH_IMAGE006
可表示为平均距离与变化量
Figure 781140DEST_PATH_IMAGE010
之和，则变化量
Figure 823920DEST_PATH_IMAGE010
可由（式3）得到：
Figure 305367DEST_PATH_IMAGE012
（式3）
径向误差在X和Y方向上的误差分量（式4）：
Figure 856434DEST_PATH_IMAGE014
（式4）
由于旋转过程中距离应保持不变，且理想情况下应等于平均距离，则补偿值
Figure 452500DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 756311DEST_PATH_IMAGE018
应满足（式5），旋转角的补偿值
Figure 451735DEST_PATH_IMAGE020
可用（式6）表示，
Figure 38835DEST_PATH_IMAGE022
（式5）
Figure 579537DEST_PATH_IMAGE024
（式6）
根据自准直原理分析采集到的光点轨迹即可得到旋转台倾斜误差
Figure 754167DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure 417229DEST_PATH_IMAGE028
。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明在专利《二维绝对式编码三自由度运动平台测量系统》（专利号：201710716611.X）基础上，在编码排列方式上做了改变，在相同的视场下，新的编码方式可以识别到的有用编码信息是原先的9倍，并且经过重新排布的编码序列可以更好的实现实时定位以及亚像素细分，从而得到更精确的位置信息。
本发明在专利《一种基于视场分离的X-Y-θ三自由度测量方法》（专利号：202110620152.1）基础上，增加了激光器、分束器和平面镜，当工作台存在倾斜误差时，可能会导致测量误差，由于编码器的测量点在旋转过程中发生变化，这些点之间的测量距离显示出周期性变化，该方法可检测精密位移台倾斜误差并消除倾斜误差对测角精度的影响。
附图说明
图1 为本发明基于二维绝对光栅的五自由度测量系统的结构示意图；
图2 为本发明基于二维绝对光栅的五自由度测量系统的二维绝对光栅编码块图样；
图3 为本发明基于二维绝对光栅的五自由度测量方法的采集图像；
图4为本发明基于二维绝对光栅的五自由度测量方法的倾斜误差运动示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，本发明的基于二维绝对光栅的五自由度测量系统，包括二维绝对光栅编码盘2、CCD相机8、同轴光远心镜头7、激光器5、分束器6、视场分离装置3、平面镜4及图像处理模块9；所述二维绝对光栅编码盘2固定在精密工作台1上；所述同轴光远心镜头7发出的同轴光经过视场分离装置3照射到二维绝对光栅编码盘2上形成两个独立视场；所述CCD相机8获取该视场内的图像并传送到图像处理模块9进行信息读取，实时获取X-Y-θ值；所述激光器5发出的光经过分束器6照射到平面镜4上，平面镜4粘贴在二维绝对光栅编码盘2上，旋转精密工作台1，CCD相机8采集平面镜4上的轨迹信息，通过图像处理能够实现绕Z轴的倾斜误差测量。
如图2A所示，所述的二维绝对光栅编码盘2包括多个独立编码块组成，每个编码块大小相同，所储存的编码信息不同；每个编码块包括4个基本单元组成，包括第一基本单元201A、第二基本单元201B、第三基本单元201C和第四基本单元201D，每个基本单元由10×10个方格组成；其中，第一基本单元201A的201A4和第四基本单元201D的201D4分别储存X和Y坐标信息，201A4、201D4的73个子单元由1编号到73，编号从上到下，从左到右，编号1到65放置由伪随机序列和二进制序列组合的编码序列，若序列值为1，则子单元格为白色，若序列值为0，则为黑色，第66位子单元放置奇偶校验码，用于判别编码正确性，编号67到73默认为序列值0；第一基本单元201A的201A1、201A2和201A3为X方向上的定位图案，201D1、201D2和201D3为Y方向上的定位图案，第二基本单元201B、第三基本单元201C为黑白相间的棋盘格，可提高编码识别精度。编码实例如图2B所示，编码值为：11101101001101010010101011001100101110000001100001100111111111101，奇偶校验码为1。
如图3所示，在使用精密工作台1和二维绝对光栅编码盘2进行角度测量时，旋转精密工作台中心和旋转中心之间的不一致会导致偏心误差，为了补偿该误差，CCD相机8经视场分离装置3获取A、B两个视场，图像处理后得到两个位置值（X1,Y1）和（X2,Y2），则偏转角如（式1）所示。
Figure 411730DEST_PATH_IMAGE004
（式1）
旋转工作台，激光器5发出的光经分束器6经反射出的光点到平面镜4上形成轨迹C，图像处理后可检测到倾斜误差
Figure DEST_PATH_IMAGE030
和
Figure DEST_PATH_IMAGE032
并补偿倾斜误差带来的转角误差。
如图4所示，由于精密工作台的倾斜误差运动，编码器的测量点在旋转过程中发生变化，因此这些点之间的测量距离呈现周期性变化（
Figure DEST_PATH_IMAGE034
）,这也会导致旋转角度测量误差。设两个测量点之间的距离为
Figure 8321DEST_PATH_IMAGE006
，计算公式为：
Figure 37457DEST_PATH_IMAGE008
（式2）
Figure 74683DEST_PATH_IMAGE006
又可表示为平均距离`D与变化量
Figure 353218DEST_PATH_IMAGE010
之和，则
Figure 766881DEST_PATH_IMAGE010
可由（式3）得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE036
（式3）
径向误差在X和Y方向上的误差分量如（式4）：
Figure 509578DEST_PATH_IMAGE014
（式4）
由于旋转过程中距离应保持不变，且理想情况下应等于平均距离，则补偿值
Figure 780023DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 483537DEST_PATH_IMAGE018
应满足（式5），旋转角的补偿值
Figure 232050DEST_PATH_IMAGE020
可用（式6）表示。
Figure 501357DEST_PATH_IMAGE022
（式5）
Figure 468002DEST_PATH_IMAGE024
（式6）
所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (7)

1.一种基于二维绝对光栅的五自由度测量系统，其特征在于：包括精密工作台（1）、二维绝对光栅编码盘（2）、CCD相机（8）、同轴光远心镜头（7）、激光器（5）、分束器（6）、视场分离装置（3）、平面镜（4）及图像处理模块（9）；其中，所述二维绝对光栅编码盘（2）固定在精密工作台（1）上；所述同轴光远心镜头（7）发出的同轴光经过视场分离装置（3）照射到二维绝对光栅编码盘（2）上形成两个独立视场；所述CCD相机（8）获取该两个独立视场内的图像并传送到图像处理模块（9）进行信息读取；所述激光器（5）发出的光经过分束器（6）照射到粘贴在二维绝对光栅编码盘（2）的平面镜（4）上，旋转精密工作台（1），CCD相机（8）采集平面镜上的轨迹信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于二维绝对光栅的五自由度测量系统，其特征在于：所述的二维绝对光栅编码盘（2）由多个独立编码块组成，每个编码块大小相同，所储存的编码信息不同；每个编码块由4个基本单元组成，包括第一基本单元（201A）、第二基本单元（201B）、第三基本单元（201C）和第四基本单元（201D），每个基本单元由10×10个方格组成；其中，第一基本单元（201A）的（201A4）和第四基本单元（201D）的（201D4）分别储存X和Y坐标信息，第一基本单元（201A）的（201A1）、（201A2）和（201A3）为X方向上的定位图案，第四基本单元（201D）的（201D1）、（201D2）和（201D3）为Y方向上的定位图案，第二基本单元（201B）、第三基本单元（201C）为黑白相间的棋盘格，用于后续图像处理时的亚像素细分。
3.根据权利要求1所述的一种基于二维绝对光栅的五自由度测量系统，其特征在于：所 述的视场分离装置（3）包括一个立体光学棱镜和两个反射镜，立体光学棱镜置于分束器（6） 的下方，立体光学棱镜两个直角面用作反射镜；位于立体光学棱镜左右两边的两个反射镜 平行于立体光学棱镜的两个侧平面；同轴光远心镜头（7）内的同轴光照射在立体光学棱镜 上，再经过左右两个反射镜，在二维绝对位置码盘（2）上形成两个视场，通过图像处理模块 （9）分析CCD相机获取的二维绝对光栅编码图像，获得二维绝对光栅编码盘上两个分离点的 坐标，即（X1,Y1）和（X2,Y2），则二维绝对光栅码盘与工作台之间的偏转角
Figure 52273DEST_PATH_IMAGE001
表述为（式1）所 示，
Figure 400078DEST_PATH_IMAGE002
（式1）。
4.根据权利要求1所述的一种基于二维绝对光栅的五自由度测量系统，其特征在于：所 述的激光器（5）发出的光先经过分束器（6）反射到平面镜（4）上，再经平面镜反射到CCD相机 （8）中，CCD相机（8）可检测到平面镜上的光点位置，设两个测量点之间的距离为
Figure 933827DEST_PATH_IMAGE003
，计算 公式为：
Figure 519529DEST_PATH_IMAGE004
（式2）
Figure 683794DEST_PATH_IMAGE003
可表示为平均距离与变化量
Figure 253316DEST_PATH_IMAGE005
之和，则变化量
Figure 590756DEST_PATH_IMAGE005
可由（式3）得到：
Figure 968648DEST_PATH_IMAGE006
（式3）
径向误差在X和Y方向上的误差分量（式4）：
Figure 366131DEST_PATH_IMAGE007
（式4）
由于旋转过程中距离应保持不变，且理想情况下应等于平均距离，则补偿值
Figure 891791DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 298501DEST_PATH_IMAGE009
应满足（式5），旋转角的补偿值
Figure 561860DEST_PATH_IMAGE010
可用（式6）表示，
Figure 130244DEST_PATH_IMAGE011
（式5）
Figure 143200DEST_PATH_IMAGE012
（式6）
根据自准直原理分析采集到的光点轨迹即可得到旋转台倾斜误差
Figure 619180DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 706085DEST_PATH_IMAGE014
。
5.一种如权利要求1所述的基于二维绝对光栅的五自由度测量方法，其特征在于：包括以下步骤： 步骤I）、将贴有平面镜的二维绝对位置编码盘（2）固定在精密位移台（1）上；
步骤II）、所述同轴光远心镜头（7）发出的同轴光经过视场分离装置（3）照射到二维绝对光栅编码盘（2）上形成两个独立视场； CCD相机（8）获取两个独立视场内的编码图像并传送到图像处理模块（9）进行信息读取；
步骤III）、激光器（5）发出的光经过分束器（6）照射到粘贴在二维绝对光栅编码盘（2）的平面镜（4）上，旋转精密工作台（1），CCD相机（8）采集平面镜上的轨迹信息。
6.根据权利要求5所述的一种基于二维绝对光栅的五自由度测量方法，其特征在于：所 述的步骤II）中，通过图像处理模块（9）分析CCD相机获取的二维绝对光栅编码图像，获得二 维绝对光栅编码盘上两个分离点的坐标，即（X1,Y1）和（X2,Y2），则二维绝对光栅码盘与工 作台之间的偏转角
Figure 445371DEST_PATH_IMAGE001
如表述为（式1）所示，
Figure 476781DEST_PATH_IMAGE002
（式1）。
7.根据权利要求5所述的一种基于二维绝对光栅的五自由度测量方法，其特征在于：所 述的步骤III）中，所述的CCD相机（8）采集平面镜上的轨迹信息具体步骤为：所述的激光器 （5）发出的光先经过分束器（6）反射到平面镜（4）上，再经平面镜反射到CCD相机（8）中，CCD 相机（8）可检测到平面镜上的光点位置，设两个测量点之间的距离为
Figure 631819DEST_PATH_IMAGE003
，计算公式为：
Figure 901126DEST_PATH_IMAGE004
（式2）
Figure 608051DEST_PATH_IMAGE003
可表示为平均距离与变化量
Figure 398195DEST_PATH_IMAGE005
之和，则变化量
Figure 684820DEST_PATH_IMAGE005
可由（式3）得到：
Figure 746317DEST_PATH_IMAGE006
（式3）
径向误差在X和Y方向上的误差分量（式4）：
Figure 827406DEST_PATH_IMAGE007
（式4）
由于旋转过程中距离应保持不变，且理想情况下应等于平均距离，则补偿值
Figure 144992DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 641833DEST_PATH_IMAGE009
应满足（式5），旋转角的补偿值
Figure 620153DEST_PATH_IMAGE010
可用（式6）表示，
Figure 934460DEST_PATH_IMAGE011
（式5）
Figure 83550DEST_PATH_IMAGE012
（式6）
根据自准直原理分析采集到的光点轨迹即可得到旋转台倾斜误差
Figure 446398DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 951329DEST_PATH_IMAGE014
。
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