CN114923419A - 一种基于空间光路的自校准光栅定位装置及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空间光路的自校准光栅定位装置，其包括机架和安装在机架上的光栅组件、齿轮传动组件、步进电机组件、运动控制电路、电机驱动电路、光电传感器；运动控制电路向电机驱动电路发送指令，电机驱动电路驱动步进电机组件旋转，步进电机组件驱动齿轮传动组件运转，齿轮传动组件驱动光栅组件旋转；齿轮传动组件在运转过程中持续触发光电传感器，光电传感器的触发状态反馈至运动控制电路，运动控制电路判断光电传感器的触发状态，向电机驱动电路发送运转指令，电机驱动电路发送驱动脉冲到步进电机组件，驱动步进电机组件作相应的旋转。本发明可快速实现仪器的自校准，避免了回厂校准的麻烦，具有很强的实用性和通用性。

Description

一种基于空间光路的自校准光栅定位装置及标定方法

技术领域

本发明属于光谱仪器技术领域，涉及一种基于空间光路的自校准光栅定位装置及标定方法。

背景技术

光栅是光谱仪中一个重要光学元件，用于将复合光分成单色光。近年来，随着高分辨率宽光谱范围光栅光谱仪的发展，需要使用多个光栅进行串联和并联，以满足高光谱分辨率和宽光谱范围的测量需求，所谓串联即多次分光以提高光谱分辨率，所谓并联即多个光栅位置替换以拓展光谱测量范围。多个光栅在切换的过程中需要进行精确定位，以降低切换光栅带来的测量误差。

北京卓立汉光仪器有限公司研制的Omni-λ300i光谱仪，使用了三块光栅并联的方式，即同时只有一块光栅进入光路，三块光栅绕竖直轴均匀分布在转台上。其采用的光栅切换机构为齿轮齿轮方式，位置反馈元件为布置在光栅旋转轴上的一个光电传感器，即位置反馈元件靠近负载端。这种光栅定位装置适合单层光路，其优点是传动机构简单，易装调。缺点是位置反馈元件布置在负载端，位置反馈元件的定位精度直接决定了光栅定位精度。另一方面，每个光栅的方位角度可以通过齿轮齿轮传动机构改变，但俯仰角度是固定的，不可调整，光路一旦失调，仪器需返厂校准。

北京赛凡光电仪器有限公司公布了一种多光栅转台及含有该多光栅转台的单色仪和光谱仪。三个光栅为串联布置，适于单层光路。

传统光栅定位机构通常是在单层光路上使用平移机构或旋转机构驱动光栅定位，这些机构体积往往比较大，很难在有限空间空间光路中实现高精度光栅定位。传统光栅定位方法是通过在光栅座Z1和光栅座Z2的转轴上安装光栅尺或磁栅尺等测量标尺来实现定位的，这些测量标尺的分辨率越高，定位精度也越好，但相应地测量标尺的制造成本也越高。

针对上述问题，亟需研究一种用于空间光路的紧凑型、低成本、自校准光栅定位装置及标定方法。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：针对现有的光栅定位装置无法用于空间光路，也不具有自校准功能，光路一旦失调，维护成本比较高的问题，提供一种基于空间光路的自校准光栅定位装置及标定方法，适用于空间光路，实现自校准功能，结构紧凑、成本低、重复定位精度高。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于空间光路的自校准光栅定位装置，其包括机架、光栅组件、齿轮传动组件、步进电机组件、光电传感器、电机驱动电路和运动控制电路。步进电机组件驱动齿轮传动组件实现光栅组件转动，光电传感器反馈光栅组件运动过程，将位置信息实时反馈给运动控制电路，运动控制电路将接收到的位置信息和上位机指令进行比较运算，控制电机驱动电路输出不同形式的驱动脉冲，驱动步进电机组件作出相应的运转动作。

光栅G1和光栅G2交替进入上层光路分光，光栅G3和光栅G4 交替进入下层光路分光。光栅G1和光栅G2背对背安装在光栅座Z1 上，反射面朝向外侧。光栅G3和光栅G4背对背安装在光栅座Z2上，反射面朝向外侧。光栅座Z1和光栅座Z2分别绕自身转轴旋转180°，实现光栅交替进入光路。光栅G1和光栅G2、光栅G3和光栅G4在切换过程中需要准确保证俯仰角度，否则会造成上层光路与下层光路不平行，造成轴外像差，降低光谱测量精度。

所述机架呈日字形，用于支撑光栅组件、齿轮传动组件、光电传感器和步进电机组件。由左竖板、右竖板、上横板、下横板和中横板通过螺钉连接而成。日字形机架所形成的上部中空区域左右两侧居中位置处设置有台阶孔，用于安装轴承，两处台阶孔中心轴重合。日字形所形成的下部中空区域左右两侧居中位置处设置有台阶孔，用于安装轴承，两处台阶孔中心轴重合。

所述光栅组件包括上光栅组件和下光栅组件。上光栅组件安装在日字形机架的上部中空区域，下光栅组件安装在下部中空区域。上光栅组件和下光栅组件结构形式相同，下面仅以上光栅组件为例说明，上光栅组件包括光栅座和两块光栅，两块光栅背对背固定在光栅座上，反射面朝外。光栅座左右两侧居中位置处设置有轴伸出，两侧的轴旋转中心重合，分别安装在轴承的内圈中，轴承的外圈安装在机架的台阶孔中。左侧轴上固定齿轮C1，齿轮端面上靠近齿的位置处有通孔，通孔上覆盖有零位挡片，零位挡片上开有通光狭缝，狭缝方向沿齿轮半径方向。

所述齿轮传动组件包括俯仰组件1和俯仰组件2和俯仰组件3。俯仰组件1固定在机架左竖板和中横板的结合处靠上位置，由齿轮 C2、齿轮C3、旋转轴1和轴承座1组成。齿轮C2和齿轮C3同轴固定安装在旋转轴1的左右两端，旋转轴1的中部用轴承支撑，轴承固定在轴承座1的台阶孔中，齿轮C2与齿轮C1啮合。俯仰组件2固定在机架的中横板上，由齿轮C4、齿轮5、旋转轴2、齿轮C10、齿轮11、旋转轴3、零位挡盘2、零位挡盘5和轴承座2组成。齿轮C4 和齿轮5分别固定在旋转轴2的的左端和中间位置，旋转轴2两端用轴承支撑，轴承固定在轴承座2的台阶孔里。齿轮C10和齿轮12分别固定在旋转轴3的左端和中部，零位挡盘2固定在旋转轴3的右端，旋转轴3两端用轴承支撑，轴承固定在轴承座2的台阶孔里。旋转轴 2和旋转轴3上下平行布置，分别安装在轴承座2的两组台阶孔中。齿轮C3和齿轮C4啮合。俯仰组件3固定在机架左竖板和中横板的结合处靠下位置，由齿轮C8、齿轮C9、旋转轴4和轴承座3组成。齿轮C8和齿轮C9同轴固定安装在旋转轴4的左右两端，旋转轴4 的中部用轴承支撑，轴承固定在轴承座3的台阶孔中，齿轮C8与齿轮C7啮合。

所述步进电机组件包括步进电机组件1和步进电机组件2。步进电机组件1和步进电机组件2结构形式相同，下面仅以步进电机组件 1为例说明。步进电机组件1包括步进电机1、齿轮6、零位挡环3 和光电传感器K3。步进电机1具有双输出轴，一端输出轴上固定齿轮6，另一端输出轴上固定零位挡环3，步进电机1的外壳上固定光电传感器K3，步进电机1的安装法兰上有通孔，用螺钉将步进电机 1固定在轴承座2上，齿轮6和齿轮5啮合传动，齿轮轴和齿轮轴垂直布置。光电传感器K3呈圆环状，内圈与电机轴固定，侧壁上开有豁口，电机转一圈，豁口处会触发光电传感器K3一次。68286660-222

所述光电传感器包括光电传感器K1、光电传感器K2、光电传感器K3、光电传感器K4、光电传感器K5、光电传感器K6、校准探测器JZ1和校准探测器JZ2。光电传感器K1、光电传感器K2、光电传感器K3、光电传感器K4、光电传感器K5和光电传感器K6呈U形，当有物体从U形的中间豁口通过时，会输出开关信号。校准探测器 JZ1和校准探测器JZ2为反射型光电传感器，呈I形，当光栅反射面与校准探测器平行时，校准探测器的出射光束会被光栅原路反射回入射孔，校准探测器被触发，此时认为光栅进入光路，会输出开关信号。光电传感器K1固定在机架的左竖板左侧上端居中位置，光电传感器 K4固定在机架的左竖板左侧下端居中位置，光电传感器K2和光电传感器K5上下并排固定在旋转轴承座2的右端，光电传感器K3固定在步进电机1的外壳上，光电传感器K6固定在步进电机2的外壳上。校准探测器JZ1固连在旋转轴承座2上，位于步进电机1的左侧，感光面朝向上光栅组件。校准探测器JZ2固连在旋转轴承座2上，位于步进电机2的左侧，感光面朝向下光栅组件。

进一步的，步进电机轴的旋转运动通过齿轮传动组件，传递到光栅组件上的齿轮带动光栅绕旋转轴实现俯仰旋转，在此过程中光电传感器将齿轮传动组件和光栅组件的位置信息实时传送到运动控制器，运动控制电路根据上位机指令和光电探测器反馈信息，向电机驱动电路发送指令，驱动步进电机正转、反转或停止。运动控制电路上有三个计数器J1、J2和J3，J1用于记录发送给步进电机的脉冲数，J2用于记录光电传感器K2的脉冲数，J3用于记录光电传感器K3的脉冲数。

本发明中光栅位置标定方法(上层光栅的位置标定方法与下层光栅的位置标定方法相同，仅以上层光栅的位置标定方法为例说明)如下：

第一步：找机械零位1。装置上电，步进电机1反向转动驱动光栅组件1沿逆时针方向(从光栅组件左侧看，如图3所示)转动至A 点停止，光点传感器1触发。

第二步：找机械零位2。步进电机1正转，驱动光栅组件1沿顺时针方向转动至D点停止，此时光电传感器K2触发，计为光栅组件 1的机械零位2，此时计数器J1、J2、J3清零。

第三步：标定光栅G1位置。步进电机1正转，驱动光栅组件1 沿顺时针方向转动至B点停止，光栅G1的反射面竖直，调整校准探测器JZ1的俯仰角度直至刚好被触发，发送给步进电机1的脉冲数为 N11，光电传感器K2触发N12次，光电传感器K3触发N13次，此位置计为光栅G1位置。

第四步：标定光栅G2位置。步进电机1正转，驱动光栅组件1 沿顺时针方向转动至C点停止，光栅G2反射面竖直。发送给步进电机1的脉冲数为N21，光电传感器K2触发N22次，光电传感器K3 触发N23次，此位置计为光栅G2位置。将N11、N12、N13、N21、N22、N23的值写入运动控制电路的下位机控制程序中即完成光栅初始位置标定。

进一步的，上述光栅位置标定方法满足了出厂前光栅位置标定需求，经过长时间的运转，机械磨损和器件老化，会导致光栅定位不准。在上述第三步中，将经纬仪的水平基准与校准探测器关联，当需要光栅自校准时，无需架设经纬仪，以校准探测器被触发为基准来判断光栅反射面竖直即可按照上述四个步骤对光栅位置进行重新标定，避免了返厂校准的麻烦。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的基于空间光路的自校准光栅定位装置及标定方法，具有以下有益效果：

1)本发明在有限空间内同一位置处实现了双层光栅的准确定位，具有结构紧凑，可靠性高的优点；

2)本发明选用多级齿轮传动机构，在运动传递过程中设置了3 个光电传感器，组成了闭环位置控制回路，光电传感器布置在远离负载端，光电传感器本身的测量误差会被齿轮减速机构缩小，达到了与采用高精度测量标尺相当的重复定位精度，所选器件成本低，可靠性高。

3)本发明提出的光栅位置标定方法在电机控制程序上简单易行，光栅G1切换至光栅G2与光栅G2切换至光栅G1，皆为顺时针方向转动，光栅G2切换至光栅G1有找机械零位环节，避免了齿轮传动组件回差带来的影响和长时间运行步进电机丟步，光栅的重复定位精度高。

4)本发明装置可用于高光谱分辨率和宽光谱范围光谱仪，当光路失调时，可快速实现仪器的自校准，避免了回厂校准的麻烦，具有很强的实用性和通用性。

附图说明

图1本发明多光栅定位装置结构示意图。

图2为图1的B-B向视图。

图3本发明光栅定位装置控制原理图(以光栅组件1为例)。

图4本发明光栅组件转动路径示意图(以光栅组件1为例)。

图5本发明光栅定位装置控制程序运行流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

如图1和图2所示，本实施例基于空间光路的自校准光栅定位装置包括机架和安装在机架上的光栅组件(G1、G2、G3、G4)、齿轮传动组件(C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11、 C12)、步进电机组件(M1、M2)、运动控制电路、电机驱动电路、光电传感器(K1、K2、K3、K4、K5、K6、JZ1、JZ2)。

运动控制电路向电机驱动电路发送指令，电机驱动电路驱动步进电机组件旋转，步进电机组件驱动齿轮传动组件运转，齿轮传动组件驱动光栅组件旋转；齿轮传动组件在运转过程中持续触发光电传感器 K1、K2、K3，光电传感器K1、K2、K3的触发状态反馈至运动控制电路，运动控制电路判断光电传感器K1、K2、K3的触发状态，向电机驱动电路发送运转指令，电机驱动电路发送驱动脉冲到步进电机组件，驱动步进电机组件作相应的旋转。

所述机架呈“日”字形，由左竖板、右竖板、上横板、下横板和中横板组成，它们通过左竖板左侧和右竖板右侧的螺钉连接而成，材料采用硬铝2A12加工，表面黑色阳极氧化处理以消除杂散光的影响。“日”字形机架中上部“口”字形区域左右两侧居中位置处加工有台阶孔，用于安装轴承，两侧台阶孔通过组合加工保证同轴度不大于 0.01mm。同样的，日字形机架中下部“口”字形区域左右两侧居中位置处加工有台阶孔，用于安装轴承，两侧台阶孔通过组合加工保证同轴度不大于0.01mm。

所述光栅组件包括上光栅组件和下光栅组件，上光栅组件包括光栅G1、光栅G2和光栅座Z1。光栅的材料为石英，光栅座的材料为钛合金。光栅G1尺寸为64mm×64mm×10mm，刻线数为1200g/mm，光栅G2尺寸为64mm×64mm×10mm，刻线数为2400g/mm。光栅G1 和光栅G2背对背(反射面朝向外侧)用光学环氧胶粘接在光栅座Z1 上，光栅座Z1左右两侧中间位置处加工有左转轴和右转轴，左转轴和右转轴分别用轴承支撑，轴承安装在机架中上部“口”形区域左右两侧的台阶孔内，轴承选用是精密滚珠轴承。下光栅组件的结构形式与上光栅组件相同，此处不再赘述。

齿轮传动组件包括齿轮C1、齿轮C2、齿轮C3、齿轮C4、齿轮 C5、齿轮C6、齿轮C7、齿轮C8、齿轮C9、齿轮C10、齿轮C11、齿轮C12，步进电机组件包括步进电机M1、步进电机M2，光电传感器有光电传感器K1、光电传感器K2、光电传感器K3、光电传感器K4、光电传感器K5、光电传感器K6，C1、齿轮C2、齿轮C3、齿轮C4、齿轮C5、齿轮C6、步进电机M1、光电传感器K1、光电传感器K2、光电传感器K3对应上光栅组件的位置标定，齿轮C7、齿轮C8、齿轮C9、齿轮C10、齿轮C11、齿轮C12、步进电机M2、光电传感器K4、光电传感器K5、光电传感器K6对应下光栅组件的位置标定。

所述齿轮传动组件包括上齿轮传动组件和下齿轮传动组件。上齿轮传动组件与下齿轮传动组件结构形式相同，下面仅以上齿轮传动组件为例说明。上齿轮传动组件包括齿轮C1、齿轮C2、齿轮C3、齿轮C4、齿轮C5和齿轮C6。光栅座左转轴上固连齿轮C1，光栅座左转轴端部固定零位挡片1，光电传感器K1固定在机架左竖板上端居中位置，零位挡片1每转动一周便会通过光电传感器K1的U形槽一次，使K1触发一次。齿轮C2与齿轮C1啮合，齿轮C2与齿轮C3 固连在转轴1两端，在转轴1中部用两个精密滚珠轴承轴承并排支撑，轴承安装在轴承座1的台阶孔内。齿轮C3与齿轮C4啮合。齿轮C4 和齿轮C5分别固连在转轴2的左侧和中部，转轴2两端分别用精密滚珠轴承支撑。滚珠轴承安装在轴承座2的台阶孔内。轴承座2用螺钉固定在机架的横板上。转轴2右端固定零位挡片2，光电传感器 K2固定在轴承座2上，零位挡片2每转动一周便会通过光电传感器 K2的U形槽一次，使光电传感器K2触发一次。需要指出的是，轴承座2上加工有两个上下并排的台阶通孔，上部台阶通孔安装转轴2，下部台阶通孔安装转轴3，转轴3结构功能与转轴2相同，不再赘述。齿轮C1与齿轮C2啮合，传动比为4。齿轮C3与齿轮C4啮合，传动比为4。齿轮C5与齿轮C6啮合传动比为32。齿轮C5与齿轮C6 具有自锁特性，即旋转运动只能从齿轮C6传递到齿轮C5，而不能从齿轮C5传递到齿轮C6。齿轮传动组件总的传动比为512。

所述步进电机组件包括上电机组件和下电机组件，下电机组件与上电机组件结构形式相同，下面仅以上电机组件为例说明。上电机组件包括步进电机M1，齿轮C6、零位挡环3和光电传感器K3。步进电机M1一端固连齿轮C6，另一端固连零位挡环3，零位挡环3是一个圆环形零件，内孔与电机轴用环氧胶固定，外圆面位于光电传感器 K3的U形槽内，外圆面上开有豁口，电机每转一周零位挡环3便会触发一次光电传感器K3。光电传感器K3固定在电机外壳上，如图3 中虚框所示。所选步进电机型号为NPM公司的PFC25-48D1，最小步距角为7.5°，电机一周48个步距角，电机驱动8细分，电机转一周共384个脉冲。

光电传感器还包括校准探测器JZ1和校准探测器JZ2。校准探测器JZ1固定在轴承座2中部上表面，靠近步进电机M1左侧，出射口对准上层光栅反射面。校准探测器JZ2固定在轴承座2中部下表面，靠近步进电机M2左侧，出射口对准下层光栅反射面。校准探测器JZ1和JZ2为反射形光电传感器，其发射的光线经外界反射面反射后进入校准探测器JZ1的入射孔内，方可触发，定位精度高。

所述运动控制电路选用的是固高GT800-PCI-11多轴运动控制卡，步进电机驱动器选用的是雷赛DMA860H型驱动器。

参照图4和图5所示，上光栅组件的位置标定方法与下光栅组件的位置标定方法相同，下面仅以上光栅组件为例说明。上光栅组件位置标定方法是：首先确定上光栅组件的机械零位1；其次确定光栅组件的机械零位2；再次记录从光栅组件机械零位2到光栅G1反射面竖直时止，发送给步进电机的脉冲数N11，光电传感器K2的触发次数N12，光电传感器K3的触发次数N13。最后记录从光栅组件机械零位2到光栅G2反射面竖直时止，发送给步进电机的脉冲数N21，光电传感器K2的触发次数N22，光电传感器K3的触发次数N23，并将N11、N12、N13、N21、N22、N23写入运动控制器的下位机控制程序中。具体步骤如下：

第一步：找机械零位1。将经纬仪和本装置放置在光学平台上，经纬仪调整至水平，打开经纬仪上的自准开关，让经纬仪物镜中心对准光栅中心，左右摆动物镜筒直至从目镜观察到竖直亮线。装置上电，控制步进电机M1反向转动驱动光栅沿逆时针方向(从光栅座左侧看，后面所述光栅转动方向皆从此视角看，如图3所示)转动直至光电传感器K1触发，步进电机M1停止运转。

第二步：找机械零位2。步进电机M1正向旋转，光栅组件1沿顺时针方向转动，直至光电传感器K2触发，此位置计为机械零位2，计数器J1、J2和J3清零。

第三步：标定光栅G1位置。光栅组件1继续沿顺时针方向转动，直至光栅G1的反射面朝向经纬仪物镜，从经纬仪目镜观察，亮十字与分划十字重合，步进电机M1停止运转，计为光栅G1位置。调整校准探测器JZ1的俯仰角度，直至刚好被触发为止。步进电机M1收到的脉冲数为N11，光电传感器K2触发N12次，光电传感器K3触发N13次。

第四步：标定光栅G2位置。光栅组件1继续沿顺时针方向转动，直至光栅G2的反射面朝向经纬仪物镜，从经纬仪目镜观察，亮十字与分划十字重合，步进电机M1停止运转，计为光栅G2位置。步进电机M1收到的脉冲数为N21，光电传感器K2触发N22次，光电传感器K3触发N23次。将N11、N12、N13、N21、N22、N23的值写入运动控制电路的下位机程序中，即完成光栅位置标定。

本发明光栅定位装置标定完成后，其控制程序的运行过程如下 (以光栅组件1的运行为例)：

(1)装置上电即开始自动找零，即寻找光栅组件1的机械零位 1和机械零位2，在寻找零过程中，运动控制器是不接受上位机指令的，直至找到光栅组件1的机械零位2，方可接受上位机指令。

(2)当运动控制器收到光栅G1进入光路的指令时：首先判断光栅G1是否在光路中，若光栅G1不在光路中，则电机M1正转，直至J1＝N11，且J2＝N12，且J3＝N13，则结束，并将光栅G1到位信息反馈给上位机显示；若光栅G1处于光路中，则结束，并将光栅 G1到位信息反馈给上位机显示。

(3)当运动控制器收到光栅G2进入光路的指令时：首先判断光栅G2是否在光路中，若光栅G2在光路中，则结束并将光栅G2 到位信息反馈给上位机显示；若光栅G2不在光路中，且光栅G1处于光路中，则步进电机M1正转，直至J1＝N21，且J2＝N22，且J3＝N23，则结束，并将光栅G2到位信息反馈给上位机显示；若光栅G1和光栅G2都不在光路中，则开始运行(1)找光栅组件1的机械零位1 和机械零位2，然后步进电机M1正转，直至J1＝N21，且J2＝N22，且J3＝N23，则结束，并将光栅G2到位的信息反馈给上位机显示。

由以上可知，本发明可满足双层光路光谱仪的分光需求，光栅组件1在运转过程中，光栅G1和光栅G2相互之间来回切换，中间过程设置了两次机械找零，大大减小了回程误差和电机丟步带来的测量误差。将价格十几元的光电传感器设置在远离负载端，把光电传感器精度引入的测量误差降低到原来的1/512。与价格几千元安装在负载端的测量标尺相比，节省了成本和空间。将经纬仪的水平基准转移到校准探测器上，将校准探测器的光轴调整至与经纬仪的光轴重合，并将校准探测器牢固地固定在机架上。将本装置安装在光谱仪器中，无需打开壳体，即可按照前述四个步骤重新标定光栅位置，可实现光谱仪器不返厂而自校准。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于空间光路的自校准光栅定位装置，其特征在于，包括机架和安装在机架上的光栅组件、齿轮传动组件、步进电机组件、运动控制电路、电机驱动电路、光电传感器；运动控制电路向电机驱动电路发送指令，电机驱动电路驱动步进电机组件旋转，步进电机组件驱动齿轮传动组件运转，齿轮传动组件驱动光栅组件旋转；齿轮传动组件在运转过程中持续触发光电传感器，光电传感器的触发状态反馈至运动控制电路，运动控制电路判断光电传感器的触发状态，向电机驱动电路发送运转指令，电机驱动电路发送驱动脉冲到步进电机组件，驱动步进电机组件作相应的旋转。

2.如权利要求1所述的基于空间光路的自校准光栅定位装置，其特征在于，所述机架呈“日”字形，包括左竖板、右竖板、上横板、下横板和中横板，各板之间通过左竖板左侧和右竖板右侧的螺钉连接而成，材料采用硬铝2A12加工，表面黑色阳极氧化处理以消除杂散光的影响；“日”字形机架中上部“口”字形区域左右两侧居中位置处加工有台阶孔，用于安装轴承，两侧台阶孔通过组合加工保证同轴度不大于0.01mm；日字形机架中下部“口”字形区域左右两侧居中位置处加工有台阶孔，用于安装轴承，两侧台阶孔通过组合加工保证同轴度不大于0.01mm。

3.如权利要求2所述的基于空间光路的自校准光栅定位装置，其特征在于，所述光栅组件包括上光栅组件和下光栅组件，上光栅组件包括光栅G1、光栅G2和光栅座Z1；光栅G1和光栅G2背对背用光学环氧胶粘接在光栅座Z1上，反射面朝向外侧，光栅座Z1左右两侧中间位置处加工有左转轴和右转轴，左转轴和右转轴分别用轴承支撑，轴承安装在机架中上部“口”形区域左右两侧的台阶孔内；下光栅组件的结构形式与上光栅组件的结构形式相同。

4.如权利要求3所述的基于空间光路的自校准光栅定位装置，其特征在于，所述光电传感器包括光电传感器K1、光电传感器K2、光电传感器K3、光电传感器K4、光电传感器K5、光电传感器K6；各传感器均呈U形，当有物体从U形的中间豁口通过时，输出开关信号；光电传感器K1固定在机架的左竖板左侧上端居中位置，光电传感器K4固定在机架的左竖板左侧下端居中位置，光电传感器K2和光电传感器K5上下并排固定在旋转轴承座2的右端，光电传感器K3固定在上光栅组件对应的步进电机组件中步进电机M1的外壳上，光电传感器K6固定在下光栅组件对应的步进电机组件中步进电机M2的外壳上。

5.如权利要求4所述的基于空间光路的自校准光栅定位装置，其特征在于，所述光电传感器还包括校准探测器JZ1和校准探测器JZ2，呈I形，校准探测器JZ1固连在旋转轴承座2上，位于步进电机M1的左侧，感光面朝向上光栅组件；校准探测器JZ2固连在旋转轴承座2上，位于步进电机M2的左侧，感光面朝向下光栅组件。

6.如权利要求5所述的基于空间光路的自校准光栅定位装置，其特征在于，所述齿轮传动组件包括上齿轮传动组件和下齿轮传动组件，上齿轮传动组件包括齿轮C1、齿轮C2、齿轮C3、齿轮C4、齿轮C5和齿轮C6，光栅座左转轴上固连齿轮C1，光栅座左转轴端部固定零位挡片1，零位挡片1每转动一周则通过光电传感器K1的U形槽一次，使K1触发一次，齿轮C2与齿轮C1啮合，齿轮C2与齿轮C3固连在转轴1两端，在转轴1中部用两个精密滚珠轴承轴承并排支撑，轴承安装在轴承座1的台阶孔内；齿轮C3与齿轮C4啮合，齿轮C4和齿轮C5分别固连在转轴2的左侧和中部，转轴2两端分别用精密滚珠轴承支撑，滚珠轴承安装在轴承座2的台阶孔内；轴承座2用螺钉固定在机架的横板上，转轴2右端固定零位挡片2，零位挡片2每转动一周则通过光电传感器K2的U形槽一次，使光电传感器K2触发一次；下齿轮传动组件与上齿轮传动组件结构形式相同。

7.如权利要求6所述的基于空间光路的自校准光栅定位装置，其特征在于，所述轴承座2上加工有两个上下并排的台阶通孔，上部台阶通孔安装转轴2，下部台阶通孔安装转轴3，转轴3结构功能与转轴2相同；齿轮C5与齿轮C6啮合并具有自锁特性，旋转运动能从齿轮C6传递到齿轮C5，不能从齿轮C5传递到齿轮C6。

8.如权利要求7所述的基于空间光路的自校准光栅定位装置，其特征在于，所述步进电机组件包括上电机组件和下电机组件，上电机组件包括步进电机M1，齿轮C6、零位挡环3；步进电机M1一端固连齿轮C6，另一端固连零位挡环3，零位挡环3为圆环形零件，内孔与电机轴用环氧胶固定，外圆面位于光电传感器K3的U形槽内，外圆面上开有豁口，电机每转一周，零位挡环3则触发一次光电传感器K3；下电机组件与上电机组件结构形式相同。

9.一种基于空间光路的自校准光栅标定方法，其特征在于，所述定位方法基于权利要求8所述的定位装置进行，所述标定方法中，上光栅组件的位置标定方法与下光栅组件的位置标定方法相同，上光栅组件位置标定过程是：

第一步：确定上光栅组件的机械零位1；

第二步：确定光栅组件的机械零位2；

第三步：标定光栅G1位置；

第四步：标定光栅G2位置。

10.如权利要求9所述的基于空间光路的自校准光栅标定方法，其特征在于，第一步中，将经纬仪和定位装置放置在光学平台上，经纬仪调整至水平，打开经纬仪上的自准开关，让经纬仪物镜中心对准光栅中心，左右摆动物镜筒直至从目镜观察到竖直亮线；定位装置上电，控制步进电机M1反向转动驱动光栅沿逆时针方向转动直至光电传感器K1触发，步进电机M1停止运转；

第二步中，步进电机M1正向旋转，光栅组件1沿顺时针方向转动，直至光电传感器K2触发，此位置计为机械零位2；

第三步中，光栅组件1继续沿顺时针方向转动，直至光栅G1的反射面朝向经纬仪物镜，从经纬仪目镜观察，亮十字与分划十字重合，步进电机M1停止运转，计为光栅G1位置；调整校准探测器JZ1的俯仰角度，直至刚好被触发为止，步进电机M1收到的脉冲数为N11，光电传感器K2触发N12次，光电传感器K3触发N13次；

第四步中，光栅组件1继续沿顺时针方向转动，直至光栅G2的反射面朝向经纬仪物镜，从经纬仪目镜观察，亮十字与分划十字重合，步进电机M1停止运转，计为光栅G2位置；步进电机M1收到的脉冲数为N21，光电传感器K2触发N22次，光电传感器K3触发N23次；将N11、N12、N13、N21、N22、N23的值写入运动控制电路的下位机程序中，即完成光栅位置标定。

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