專利名稱：具有修正扭轉(zhuǎn)誤差功能的位移檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種位移檢測(cè)系統(tǒng)，具體涉及一種具有修正扭轉(zhuǎn)誤差功能的位移檢測(cè)系統(tǒng)。用于高精度和高穩(wěn)定測(cè)量長(zhǎng)度的測(cè)量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光柵線位移測(cè)量系統(tǒng)在數(shù)控中主要作為閉環(huán)控制中的位置反饋元件，其精度和可靠性影響到加工精度，而全閉環(huán)相對(duì)于半閉環(huán)的優(yōu)勢(shì)主要在于能夠消除傳動(dòng)誤差，對(duì)于加工刀具位置和工件位置的直接測(cè)量。國內(nèi)外光柵尺的精度已經(jīng)能夠達(dá)到較高的測(cè)量精度要求，但是國內(nèi)的機(jī)床本身存在安裝精度不夠高的情況，使得高精度的測(cè)量?jī)x器的高精度優(yōu)勢(shì)很難在自己的數(shù)控系統(tǒng)中得到充分的發(fā)揮，原因之一就是數(shù)控系統(tǒng)中的各種影響因素， 包括移動(dòng)體在滑塊上的運(yùn)動(dòng)不是絕對(duì)的直線運(yùn)動(dòng)，對(duì)于位移的測(cè)量仍然存在誤差。如果不能處理好同機(jī)床搭配的問題，那么就無法發(fā)揮全閉環(huán)加工的優(yōu)勢(shì)，其穩(wěn)定性和精度可能還不如安裝精度高的半閉環(huán)系統(tǒng)，這樣的情況阻礙了對(duì)高精度數(shù)控系統(tǒng)的研究，使得人們對(duì)于機(jī)床的改裝存在較大的困難。
一般解決測(cè)量誤差的方法就是提高系統(tǒng)各個(gè)部件的精度和光柵尺的精度來減小測(cè)量誤差，但是系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行的精度和穩(wěn)定性仍然需要對(duì)于運(yùn)行中出現(xiàn)的偏差進(jìn)行修正。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有的位移測(cè)量技術(shù)主要是針對(duì)測(cè)量?jī)x器本身的測(cè)量精度來設(shè)計(jì)的，雖然能夠達(dá)到很高的測(cè)量精度，但是由于機(jī)床本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)精度或者安裝精度的原因，測(cè)量?jī)x器本身的測(cè)量精度不能夠得到充分的發(fā)揮，為了在已有的機(jī)床設(shè)計(jì)的精度的基礎(chǔ)上，提高系統(tǒng)位移測(cè)量的穩(wěn)定性，盡量減小由于軌道運(yùn)動(dòng)非直線性導(dǎo)致的偏差，減小對(duì)于安裝精度的要求，提供一種具有修正扭轉(zhuǎn)誤差功能的位移檢測(cè)系統(tǒng)。
具有修正扭轉(zhuǎn)誤差功能的位移檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括第一標(biāo)準(zhǔn)光柵、第二標(biāo)準(zhǔn)光柵、采樣控制模塊、第一位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)、第二位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)和位置分析模塊；所述采樣控制模塊發(fā)出采集信號(hào)，第一位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)和第二位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)分別對(duì)移動(dòng)體相對(duì)于第一標(biāo)準(zhǔn)光柵和第二標(biāo)準(zhǔn)光柵上的位移信號(hào)進(jìn)行采集，獲得第一位置信號(hào)和第二位置信號(hào)，所述位置分析模塊對(duì)第一位置信號(hào)和第二位置信號(hào)進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算，獲得修正后的移動(dòng)體的位移值，并將所述移動(dòng)體的位移值經(jīng)結(jié)果輸出模塊輸出。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明所述的位移檢測(cè)系統(tǒng)通過兩個(gè)分別安裝在兩個(gè)軌道上的第一位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)和第二位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)，兩個(gè)探測(cè)系統(tǒng)分別對(duì)應(yīng)于移動(dòng)體在兩個(gè)軌道上的移動(dòng)位移，那么通過比較得到的兩個(gè)位移值就能夠分析得到移動(dòng)體在運(yùn)動(dòng)過程中的扭轉(zhuǎn)情況，從而得到修正后的位移測(cè)量值，這是單獨(dú)通過一個(gè)位置探測(cè)系統(tǒng)所難以做到的。本發(fā)明用于提高測(cè)量系統(tǒng)的讀數(shù)穩(wěn)定性和自檢能力，同時(shí)消除或者盡量減小扭轉(zhuǎn)誤差。


圖1為本發(fā)明所述的具有修正扭轉(zhuǎn)誤差功能的位移檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2為本發(fā)明所述的具有修正扭轉(zhuǎn)誤差功能的位移檢測(cè)系統(tǒng)在理想情況下進(jìn)行檢測(cè)的位置示意圖3為非理想情況下的具有修正扭轉(zhuǎn)誤差功能的位移檢測(cè)系統(tǒng)的位置示意圖。
具體實(shí)施方式
結(jié)合圖1至圖3說明本實(shí)施方式，具有修正扭轉(zhuǎn)誤差功能的位移檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括第一標(biāo)準(zhǔn)光柵101、第二標(biāo)準(zhǔn)光柵201、采樣控制模塊10、第一位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)21、第二位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)22和位置分析模塊30 ；
所述位置分析模塊30接收來自第一位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)21和第二位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)22的位置信號(hào)，所述第一位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)21和第二位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)22由采樣控制模塊10統(tǒng)一發(fā)出采集信號(hào)，位置分析模塊30通過分析比較來自第一位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)21 和第二位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)22的獲得的移動(dòng)體300相對(duì)于第一標(biāo)準(zhǔn)光柵101和第二標(biāo)準(zhǔn)光柵201的位移信號(hào)，對(duì)兩個(gè)位移信號(hào)進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算移動(dòng)體300的位移值。
本實(shí)施方式中所述的第一標(biāo)準(zhǔn)光柵101和第二標(biāo)準(zhǔn)光柵201分別固定在第一軌道 100和第二軌道200上，在第一標(biāo)準(zhǔn)光柵101和第二標(biāo)準(zhǔn)光柵201上有標(biāo)志著位置信息的圖案，為了得到絕對(duì)位置信息，在第一標(biāo)準(zhǔn)光柵101和第二標(biāo)準(zhǔn)光柵201上至少有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光柵上有標(biāo)志絕對(duì)位置信息的圖案。在第一位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)21和第二位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng) 22固定在移動(dòng)體上，第一位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)21和第二位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)22把在第一標(biāo)準(zhǔn)光柵101和第二標(biāo)準(zhǔn)光柵201上的長(zhǎng)度的信息分別掃描到第一位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)21和第二位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)22中，所述第一位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)21和第二位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)22通過光電掃描的方式進(jìn)行掃描。所述第一位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)21和第二位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)22 為 CMOS (Complementary Metal Oxide kmiconductor)、光電池陣列或者 CCD。
本實(shí)施方式所述的第一位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)21為光電池陣列，其固定在移動(dòng)體上， 第二位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)22為光電池陣列，其固定在移動(dòng)體上。第一位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)21 和第二位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)22中至少任意一方具有絕對(duì)位置信號(hào)探測(cè)功能。
本實(shí)施方式所述的第一標(biāo)準(zhǔn)光柵101和第二標(biāo)準(zhǔn)光柵201可以是反射式光柵或者透射式光柵。第一位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)21和第二位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)22的接收芯片可以是硅光電池或者CXD。
結(jié)合圖3對(duì)本實(shí)施方式作進(jìn)一步說明，當(dāng)系統(tǒng)存在一定的運(yùn)動(dòng)偏差，存在一定的扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)的角度在圖示中表示為α，而第一位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)21和第二位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)22都分別沿著各自的軌道100和200運(yùn)動(dòng)，并沒有隨著移動(dòng)體的扭轉(zhuǎn)而扭轉(zhuǎn)，形成了圖 3中的形態(tài)，這樣，使得在兩個(gè)軌道上運(yùn)動(dòng)的位移值不相同，經(jīng)過位置分析模塊30的位置細(xì)分模塊后，對(duì)應(yīng)于軌道100和軌道200的讀數(shù)分別為Xl和Χ2，結(jié)合圖2，假設(shè)兩軌道上的刻線101和201間距表示為L(zhǎng)，可以根據(jù)圖3所示的位置關(guān)系得到移動(dòng)體中心(在本實(shí)例中假設(shè)移動(dòng)體的形狀和位置相對(duì)于兩軌道是對(duì)稱的，這樣移動(dòng)體的中心點(diǎn)處于與兩軌道等距的線上，并且不隨扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，即不動(dòng)點(diǎn))相對(duì)兩軌道等距離的點(diǎn)的位移值可以表示為
X = (Xl+X2)/2①
扭轉(zhuǎn)角α可以通過下面的公式計(jì)算出來
α = arctan[(Xl-X2)/L]②
為了描述方便在本實(shí)例中把移動(dòng)體的形狀假設(shè)成矩形，但是不影響結(jié)論的推廣， 假設(shè)移動(dòng)體運(yùn)行位移為X，那么兩讀數(shù)頭的讀數(shù)將分別為
Xl = X+L 氺 tan (α )/2③
X2 = X_L*tan(α )/2 ④
這樣不動(dòng)點(diǎn)的位置X就可以表示為式①，計(jì)算式①中得到的值獨(dú)立于扭轉(zhuǎn)角α， 所述α為很小的偏轉(zhuǎn)角，例如α的角度為10'。
下面分析以上計(jì)算公式的合理性，
為了描述方便在本實(shí)例中把移動(dòng)體的形狀假設(shè)成矩形，但是不影響結(jié)論的推廣， 假設(shè)移動(dòng)體運(yùn)行位移為X，那么兩讀數(shù)頭的讀數(shù)將分別為式③和式④
比如，Xl等于20. 345mm,而X2等于20. 355mm,這樣通過式①計(jì)算得到X為 20. 350mm，如果L等于200mm，則通過式②計(jì)算得到偏轉(zhuǎn)角α等于10. 3角秒，誤差降低了約 5微米。
如此，在本發(fā)明中，只需要一個(gè)處理電路，通過增加一個(gè)讀數(shù)系統(tǒng)，兩條標(biāo)準(zhǔn)光柵固定在兩個(gè)軌道上，通過讀數(shù)系統(tǒng)得到兩個(gè)獨(dú)立的位置值，并通過比較分析體系中不動(dòng)點(diǎn)所在的位置，用這個(gè)位置來表示體系所在的位置，有效的克服了由于移動(dòng)體扭轉(zhuǎn)帶來的測(cè)量誤差，同時(shí)能夠通過角度α來監(jiān)測(cè)其扭轉(zhuǎn)量，測(cè)量方法簡(jiǎn)單。這種測(cè)量方法能有效提高測(cè)量精度和測(cè)量的可靠性，特別適用于安裝精度不夠高，而測(cè)量精度要求高的環(huán)境，而不需要對(duì)于安裝設(shè)備和方法有很高的苛求。
此外，本發(fā)明中的測(cè)量方法還可以用于以下情況，以某一條軌道作為正常使用時(shí)所用的軌道，而另外一條軌道用于檢驗(yàn)和修正位置值，只需要進(jìn)行一定周期的檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)對(duì)前一條軌道的測(cè)量值進(jìn)行修正，這樣就把安裝誤差同時(shí)考慮進(jìn)去，第一條軌道得到的數(shù)值是包括了除讀數(shù)系統(tǒng)本身以外的體系的整體誤差，而不僅僅是對(duì)于光柵尺本身的修正。
權(quán)利要求
1.具有修正扭轉(zhuǎn)誤差功能的位移檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括第一標(biāo)準(zhǔn)光柵(101)、第二標(biāo)準(zhǔn)光柵001)、采樣控制模塊(10)、第一位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)(21)、第二位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng) (22)和位置分析模塊(30)；其特征是，所述采樣控制模塊(10)發(fā)出采集信號(hào)，第一位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)和第二位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)0 分別對(duì)移動(dòng)體(300)相對(duì)于第一標(biāo)準(zhǔn)光柵 (101)和第二標(biāo)準(zhǔn)光柵O01)上的位移信號(hào)進(jìn)行采集，獲得第一位置信號(hào)和第二位置信號(hào)， 所述位置分析模塊(30)對(duì)第一位置信號(hào)和第二位置信號(hào)進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算，獲得修正后的移動(dòng)體(300)的位移值，并將所述移動(dòng)體(300)的位移值經(jīng)結(jié)果輸出模塊輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有修正扭轉(zhuǎn)誤差功能的位移檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括第一軌道(100)和第二軌道000)，所述第一標(biāo)準(zhǔn)光柵(101)和第二標(biāo)準(zhǔn)光柵 (201分別固定在第一軌道(100)和第二軌道(200)上，所述第一標(biāo)準(zhǔn)光柵(101)和第二標(biāo)準(zhǔn)光柵O01)中至少有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光柵上標(biāo)志有絕對(duì)位置信息的圖案。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有修正扭轉(zhuǎn)誤差功能的位移檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一標(biāo)準(zhǔn)光柵(101)和第二標(biāo)準(zhǔn)光柵O01)為反射式光柵或者透射式光柵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有修正扭轉(zhuǎn)誤差功能的位移檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)和第二位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)0 分別固定在移動(dòng)體(300)上， 所述第一位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)和第二位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)(2 為光電池陣列、CCD或者 CMOS。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有修正扭轉(zhuǎn)誤差功能的位移檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)和第二位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)02)中至少有一個(gè)位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)具有絕對(duì)位置信號(hào)的探測(cè)功能。
全文摘要
具有修正扭轉(zhuǎn)誤差功能的位移檢測(cè)系統(tǒng)，涉及一種位移檢測(cè)系統(tǒng)，它解決現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)針對(duì)測(cè)量?jī)x器本身的測(cè)量精度設(shè)計(jì)，由于機(jī)床本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)精度或者安裝精度的原因，測(cè)量?jī)x器本身的測(cè)量精度不能夠得到充分的發(fā)揮，本系統(tǒng)第一標(biāo)準(zhǔn)光柵、第二標(biāo)準(zhǔn)光柵、采樣控制模塊、第一位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)、第二位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)和位置分析模塊；第一位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)和第二位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)由采樣控制模塊統(tǒng)一發(fā)出采集信號(hào)，位置分析模塊通過分析比較來自第一位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)和第二位置信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)的位移信號(hào)，對(duì)兩個(gè)位移信號(hào)進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算移動(dòng)體的位移值。本發(fā)明用于提高測(cè)量系統(tǒng)的讀數(shù)穩(wěn)定性和自檢能力，同時(shí)消除或者盡量減小扭轉(zhuǎn)誤差。
文檔編號(hào)G01B11/04GK102538685SQ20111044943
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者喬棟, 盧振武, 吳宏圣, 孫強(qiáng), 曾琪峰 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所