本發(fā)明涉及光柵尺，具體涉及一種光柵尺的誤差補(bǔ)償系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

在現(xiàn)代生產(chǎn)制造中，光柵尺已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各種精密運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，在一些精度要求不高的機(jī)械加工中，如普通粗加工機(jī)床的工作過程，低精度的光柵尺就可以滿足要求；而現(xiàn)在，需要精密加工的器件越來越多，而且要求的精度也越來越高，就需要用到更多的高精度的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，例如半導(dǎo)體加工、ic封裝等設(shè)備都需要高精度的光柵尺。

目前使用的光柵線位移測(cè)量裝置包括標(biāo)尺光柵、掃描單元和信號(hào)處理單元，掃描單元和標(biāo)尺光柵分別固定于被測(cè)物體的可移動(dòng)部件和不可動(dòng)部件上，掃描單元可相對(duì)于標(biāo)尺光柵在測(cè)量方向上運(yùn)動(dòng)。光柵線位移測(cè)量裝置的測(cè)量誤差主要表現(xiàn)為周期內(nèi)誤差和全長(zhǎng)誤差。

周期內(nèi)誤差，是指增量式光柵的柵距內(nèi)的誤差，影響周期內(nèi)誤差的主要因素有光源信號(hào)的準(zhǔn)直性、光電轉(zhuǎn)換元件性能的波動(dòng)、光柵副間隙變化、光柵刻線的毛刺、彎曲、缺損等缺陷和弱衍射作用等。為提高周期內(nèi)測(cè)量精度，常采取以下措施：對(duì)正余弦信號(hào)進(jìn)行插值細(xì)分、對(duì)正余弦信號(hào)的相位補(bǔ)償、直流電平漂移的補(bǔ)償、通過光學(xué)或電子學(xué)的方法濾掉高次諧波以提高信號(hào)正弦性、提高光源的準(zhǔn)直性等。但是光柵尺傳感器輸出的兩路正弦信號(hào)并不能保證幅值絕對(duì)相等，也不能嚴(yán)格保持相位差為90度，因此細(xì)分倍數(shù)大時(shí)，相對(duì)誤差也會(huì)大，使得補(bǔ)償效果失效。

影響全長(zhǎng)誤差的主要因素是標(biāo)尺光柵在編碼柵線制作時(shí)，由于工藝原因所引起的在全長(zhǎng)范圍內(nèi)的柵線位置誤差。為了減小這種全長(zhǎng)誤差，人們期望通過改進(jìn)標(biāo)尺光柵的刻劃工藝水平來達(dá)到目的，但由于工藝水平改進(jìn)所需成本高、難度大等原因而難于實(shí)現(xiàn)。

由此可見，現(xiàn)有技術(shù)的光柵尺存在精度差的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是目前的光柵尺存在精度差的問題。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是提供了一種光柵尺的誤差補(bǔ)償系統(tǒng)，包括：

底座，包括第一平臺(tái)和平行設(shè)置在所述第一平臺(tái)的頂面的第二平臺(tái)和第三平臺(tái)，所述第二平臺(tái)的頂面沿著其長(zhǎng)度方向設(shè)有光柵尺；

氣浮滑動(dòng)裝置，包括設(shè)置在所述第三平臺(tái)的外周面的半包圍滑塊和設(shè)置在所述半包圍滑塊的內(nèi)壁上的各氣浮塊，所述半包圍滑塊在驅(qū)動(dòng)裝置的作用下，帶動(dòng)各所述氣浮塊在所述第三平臺(tái)的外周面做直線運(yùn)動(dòng)，所述半包圍滑塊的頂面設(shè)有光柵尺讀數(shù)頭，所述光柵尺與所述光柵尺讀數(shù)頭設(shè)置在同一水平面內(nèi)；

激光干擾儀，包括設(shè)置在激光頭支架上的激光頭、設(shè)置在所述第三平臺(tái)的頂面靠近所述激光頭的一側(cè)的分光鏡以及設(shè)置在所述半包圍滑塊的頂面的反光鏡，所述激光頭、分光鏡和反光鏡的中心設(shè)置在同一水平面內(nèi)。

在上述方案中，所述驅(qū)動(dòng)裝置包括通過電機(jī)固定架設(shè)置在所述第一平臺(tái)的靠近所述激光頭的一側(cè)的伺服電機(jī)，所述伺服電機(jī)的輸出軸上設(shè)有第一同步輪，所述電機(jī)固定架上轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)有第一連桿，所述第一連桿的一端設(shè)有與所述第一同步輪通過第一同步帶聯(lián)動(dòng)的第二同步輪，所述第一連桿的中部設(shè)有第三同步輪，所述第一平臺(tái)的另一側(cè)設(shè)有固定架，所述固定架內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)有第二連桿，所述第二連桿的中部設(shè)有與所述第三同步輪通過第二同步帶聯(lián)動(dòng)的第四同步輪。

在上述方案中，所述半包圍滑塊包括相對(duì)設(shè)置的第一直板和第二直板，所述第一直板和所述第二直板通過第三直板連接，所述第二直板的外壁設(shè)有一彎板，所述第二直板和所述彎板之間的空隙組成可供所述第二同步帶穿過的通道，所述第二同步帶與所述彎板的其中一內(nèi)壁固定設(shè)置，使所述半包圍滑塊跟隨所述第二同步帶做直線運(yùn)動(dòng)。

在上述方案中，所述第二同步輪的直徑大于所述第一同步輪的直徑，所述第三同步輪的直徑與所述第四同步輪的直徑相同。

在上述方案中，所述第一平臺(tái)和所述第二平臺(tái)的兩側(cè)的連接處各設(shè)有一固定板，所述電機(jī)固定架設(shè)置在其中一所述固定板上，所述固定架設(shè)置在另一所述固定板上，兩所述固定板均設(shè)有可供所述第二同步帶穿過的通孔。

在上述方案中，所述第三平臺(tái)的頂面兩側(cè)各設(shè)有一限位架，所述分光鏡設(shè)置在其中一所述限位架的頂面。

在上述方案中，所述第一平臺(tái)設(shè)置在支架上，所述第一平臺(tái)和所述支架之間均勻設(shè)置六個(gè)調(diào)平螺絲。

在上述方案中，所述第一平臺(tái)靠近所述激光頭的一側(cè)設(shè)有空氣過濾器和壓力調(diào)節(jié)閥，所述空氣過濾器和壓力調(diào)節(jié)閥通過氣管與所述氣浮塊連通。

在上述方案中，所述第一平臺(tái)、第二平臺(tái)和第三平臺(tái)均采用大理石材質(zhì)。

根據(jù)以上所述的一種光柵尺的誤差補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行的誤差補(bǔ)償方法，所述誤差補(bǔ)償方法包括以下步驟：

(a)在所述光柵尺的行程范圍內(nèi)每間距為n設(shè)置一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，總共設(shè)置k個(gè)所述測(cè)量點(diǎn)；

(b)通過所述光柵尺讀數(shù)頭得到任意兩相鄰位置的所述測(cè)量點(diǎn)nk和nk-1，得到該段距離通過所述光柵尺讀數(shù)頭測(cè)量的實(shí)際長(zhǎng)度nk-nk-1；同時(shí)得到所述激光干涉儀在該處的真實(shí)測(cè)量值hk和hk-1，得到該段距離通過所述激光干涉儀測(cè)量的實(shí)際長(zhǎng)度hk-hk-1，k≥1；

(c)利用公式δnk＝(nk-nk-1)-(hk-hk-1)得到該段內(nèi)通過所述光柵尺讀數(shù)頭得到的測(cè)量長(zhǎng)度與所述激光干涉儀得到的測(cè)量長(zhǎng)度的差值δnk；

(d)利用公式lk＝n/(nk-nk-1)得到該段內(nèi)的修正系數(shù)lk。

本發(fā)明，將光柵尺的行程范圍內(nèi)設(shè)置k個(gè)點(diǎn)，通過激光干擾儀依次測(cè)量?jī)上噜忺c(diǎn)之間的距離，同時(shí)通過光柵尺測(cè)量該兩相鄰點(diǎn)之間的距離，得到兩者之間的測(cè)量數(shù)值差，進(jìn)而進(jìn)行誤差分段線性擬合，再得到該段距離內(nèi)的修正系數(shù)，進(jìn)而得到全程范圍內(nèi)的修正系數(shù)，輸出給后序電子設(shè)備，進(jìn)而提高了光柵線位移測(cè)量裝置的測(cè)量精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的另一側(cè)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的半包圍結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的氣浮塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例和說明書附圖對(duì)本發(fā)明予以詳細(xì)說明。

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種光柵尺的誤差補(bǔ)償系統(tǒng)，包括底座、氣浮滑動(dòng)裝置和激光干擾儀。

底座包括第一平臺(tái)100和平行設(shè)置在第一平臺(tái)100的頂面的第二平臺(tái)110和第三平臺(tái)120，第二平臺(tái)110的頂面沿著其長(zhǎng)度方向設(shè)有光柵尺200。

氣浮滑動(dòng)裝置包括設(shè)置在第三平臺(tái)120的外周面的半包圍滑塊300和設(shè)置在半包圍滑塊300的內(nèi)壁上的各氣浮塊400，半包圍滑塊300在驅(qū)動(dòng)裝置的作用下，帶動(dòng)各氣浮塊400在第三平臺(tái)120的外周面做直線運(yùn)動(dòng)，半包圍滑塊300的頂面設(shè)有光柵尺讀數(shù)頭121，光柵尺200與光柵尺讀數(shù)頭121設(shè)置在同一水平面內(nèi)，氣浮塊400確保了氣浮滑動(dòng)裝置的水平度和平穩(wěn)性。

激光干擾儀包括設(shè)置在激光頭支架510上的激光頭500、設(shè)置在第三平臺(tái)120的頂面靠近激光頭500的一側(cè)的分光鏡520以及設(shè)置在半包圍滑塊300的頂面的反光鏡530，激光頭500、分光鏡520和反光鏡530的中心設(shè)置在同一水平面內(nèi)。

根據(jù)光柵尺的誤差補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行的誤差補(bǔ)償方法，誤差補(bǔ)償方法包括以下步驟：

(a)在光柵尺200的行程范圍內(nèi)每間距為n設(shè)置一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，總共設(shè)置k個(gè)測(cè)量點(diǎn)；

(b)通過光柵尺讀數(shù)頭121得到任意兩相鄰位置的測(cè)量點(diǎn)nk和nk-1，得到該段距離通過光柵尺讀數(shù)頭121測(cè)量的實(shí)際長(zhǎng)度nk-nk-1；同時(shí)得到激光干涉儀在該處的真實(shí)測(cè)量值hk和hk-1，得到該段距離通過激光干涉儀測(cè)量的實(shí)際長(zhǎng)度hk-hk-1，k≥1；

(c)利用公式δnk＝(nk-nk-1)-(hk-hk-1)得到該段內(nèi)通過光柵尺讀數(shù)頭121得到的測(cè)量長(zhǎng)度與激光干涉儀得到的測(cè)量長(zhǎng)度的差值δnk；

(d)利用公式lk＝n/(nk-nk-1)得到該段內(nèi)的修正系數(shù)lk。

再以光柵尺200的位置編碼信號(hào)為基礎(chǔ)，經(jīng)細(xì)分后的最高分辨率生成位置誤差數(shù)據(jù)表，并存儲(chǔ)位置誤差數(shù)據(jù)，位置誤差修正及信號(hào)處理采用fpga編程實(shí)現(xiàn)，位置誤差修正利用存儲(chǔ)位置誤差數(shù)據(jù)對(duì)信號(hào)處理進(jìn)行計(jì)算，對(duì)光柵尺200的位置原始測(cè)量值進(jìn)行修正，得到位置測(cè)量修正值，輸出給后續(xù)電子設(shè)備，從而提高了光柵線位移測(cè)量裝置的測(cè)量精度。

例如，當(dāng)n＝5時(shí)，測(cè)量的數(shù)值如下：

驅(qū)動(dòng)裝置包括通過電機(jī)固定架設(shè)置在第一平臺(tái)100的靠近激光頭500的一側(cè)的伺服電機(jī)600，伺服電機(jī)600的輸出軸上設(shè)有第一同步輪610，電機(jī)固定架上轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)有第一連桿，第一連桿的一端設(shè)有與第一同步輪610通過第一同步帶620聯(lián)動(dòng)的第二同步輪630，第一連桿的中部設(shè)有第三同步輪，第一平臺(tái)100的另一側(cè)設(shè)有固定架124，固定架124內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)有第二連桿，第二連桿的中部設(shè)有與第三同步輪通過第二同步帶650聯(lián)動(dòng)的第四同步輪640，驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過控制伺服電機(jī)600的轉(zhuǎn)動(dòng)能夠準(zhǔn)確的控制半包圍滑塊300停留的位置，進(jìn)而減少測(cè)量誤差。

半包圍滑塊300包括相對(duì)設(shè)置的第一直板310和第二直板320，第一直板310和第二直板320通過第三直板330連接，第二直板320的外壁設(shè)有一彎板340，第二直板320和彎板340之間的空隙組成可供第二同步帶650穿過的通道，第二同步帶650與彎板340的其中一內(nèi)壁固定設(shè)置，半包圍滑塊300跟隨第二同步帶650做直線運(yùn)動(dòng)，使半包圍滑塊300與第三平臺(tái)120連接緊密的同時(shí)，第三同步輪和第四同步輪640聯(lián)動(dòng)，占用空間小。

第二同步輪630的直徑大于第一同步輪610的直徑，第三同步輪的直徑與第四同步輪640的直徑相同，使第二同步帶650沿水平方向設(shè)置，便于第二同步帶650與半包圍滑塊300的連接；通過第一同步輪610和第二同步輪630的直徑比，降低運(yùn)動(dòng)速度，進(jìn)而減少了半包圍滑塊300的運(yùn)動(dòng)速度，便于半包圍滑塊300的精準(zhǔn)定位的數(shù)據(jù)的采集。

第一平臺(tái)100和第二平臺(tái)110的兩側(cè)的連接處各設(shè)有一固定板123，電機(jī)固定架設(shè)置在其中一固定板123上，固定架124設(shè)置在另一固定板123上，兩固定板123均設(shè)有可供第二同步帶650穿過的通孔，固定板123使第一平臺(tái)100和第二平臺(tái)110之間的連接更加的牢固，同時(shí)將便于電機(jī)固定架以及固定架124安裝在第一平臺(tái)100的兩側(cè)。

第三平臺(tái)120的頂面兩側(cè)各設(shè)有一限位架122，分光鏡520設(shè)置在其中一限位架122的頂面，限位架122限制了半包圍滑塊300的運(yùn)動(dòng)范圍，避免其超出行程后脫落裝置而損壞。

第一平臺(tái)100設(shè)置在支架700上，第一平臺(tái)100和支架700之間均勻設(shè)置六個(gè)調(diào)平螺絲710，支架700方便了第一平臺(tái)100、第二平臺(tái)110和第三平臺(tái)120的移動(dòng)和擺放，調(diào)平螺絲710使第一平臺(tái)100處于水平位置，避免因其傾斜進(jìn)而影響測(cè)量精度。

第一平臺(tái)100靠近激光頭500的一側(cè)設(shè)有空氣過濾器800和壓力調(diào)節(jié)閥810，空氣過濾器800和壓力調(diào)節(jié)閥810通過氣管與氣浮塊400連通，空氣經(jīng)過壓力調(diào)節(jié)閥810調(diào)節(jié)后，保證進(jìn)入氣浮塊400內(nèi)的空氣壓力為最適壓力，調(diào)整好氣壓后通過螺母鎖緊固定，保證氣浮塊400與第三平臺(tái)120之間的距離不大于5微米,空氣過濾器800可凈化空氣中的雜質(zhì)，保證氣浮運(yùn)動(dòng)裝置可以平穩(wěn)滑動(dòng)。

第一平臺(tái)100、第二平臺(tái)110和第三平臺(tái)120均采用大理石材質(zhì)，大理石為自然界中變形最小的材質(zhì)，降低了自然形變對(duì)測(cè)量精度的影響。

本發(fā)明，將光柵尺的行程范圍內(nèi)設(shè)置k個(gè)點(diǎn)，通過激光干擾儀依次測(cè)量?jī)上噜忺c(diǎn)之間的距離，同時(shí)通過光柵尺測(cè)量該兩相鄰點(diǎn)之間的距離，得到兩者之間的測(cè)量數(shù)值差，進(jìn)而進(jìn)行誤差分段線性擬合，再得到該段距離內(nèi)的修正系數(shù)，進(jìn)而得到全程范圍內(nèi)的修正系數(shù)，輸出給后序電子設(shè)備，進(jìn)而提高了光柵線位移測(cè)量裝置的測(cè)量精度。

本發(fā)明不局限于上述最佳實(shí)施方式，任何人應(yīng)該得知在本發(fā)明的啟示下作出的結(jié)構(gòu)變化，凡是與本發(fā)明具有相同或相近的技術(shù)方案，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。