光栅尺动态误差的检测系统.pdf

《光栅尺动态误差的检测系统.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光栅尺动态误差的检测系统.pdf（9页完成版）》请在专利查询网上搜索。

1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 202021343321.9 (22)申请日 2020.07.09 (73)专利权人 广东省计量科学研究院 （华南国 家计量测试中心） 地址 510000 广东省广州市白云区广园中 路松柏东街30号 (72)发明人 徐全坤黄振宇阚侃张向 谭翠媚罗旭东 (74)专利代理机构 北京商专润文专利代理事务 所(普通合伙) 11317 代理人 许春兰罗泳诗 (51)Int.Cl. G01B 11/00(2006.01) (54)实用新型名称 光栅尺动态误差的检测系统 (57)摘要 本实用新。

2、型公开了光栅尺动态误差的检测 系统， 包括第一装置， 用于获取待测光栅尺的实 时位置； 第二装置， 用于确定待测光栅尺的基准 位置； 信号采集控制器， 将第一装置及第二装置 获取的位置信号发送至计算机； 计算机对接收到 的位置信号进行比较， 确定光栅尺的动态误差。 该检测系统采用激光干涉作为长度基准， 通过伺 服直线电机实现光栅尺不同运行工况的模拟， 设 计了基于FPGA的双路信号采集处理系统， 实现基 准信号和实时信号的同步采集， 通过数据存储和 后续传输处理， 对测量结果进行分析显示。 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 CN 212300247 U 2021.01.05 CN 2123。

3、00247 U 1.光栅尺动态误差的检测系统， 其特征在于， 包括： 第一装置， 用于获取待测光栅尺的实时位置； 第二装置， 用于确定待测光栅尺的基准位置； 信号采集控制器， 将第一装置及第二装置获取的位置信号发送至计算机； 计算机对接收到的位置信号进行比较， 确定光栅尺的动态误差。 2.根据权利要求1所述的光栅尺动态误差的检测系统， 其特征在于， 还包括导轨和可沿 导轨方向滑动的移动滑块； 所述第二装置包括激光干涉系统， 激光干涉系统包括激光器、 干 涉镜和反射镜； 所述激光器、 干涉镜在导轨上依次设置； 所述反射镜位于移动滑块上。 3.根据权利要求1所述的光栅尺动态误差的检测系统， 其特征。

4、在于， 所述第一装置包括 光栅尺读数头， 所述光栅尺读数头固定于移动滑块或导轨上。 4.根据权利要求1-3任一项所述的光栅尺动态误差的检测系统， 其特征在于， 信息采集 控制器包括第一数据采集模块、 第二数据采集模块、 第一衰减电路、 第二衰减电路、 FPGA控 制模块、 数据缓存模块； 激光干涉系统的激光器通过所述第一数据采集模块与第一衰减电路相连； 光栅尺读数 头通过第二数据采集模块与第二衰减电路相连； 第一衰减电路、 第二衰减电路均与FPGA控 制模块相连， 所述FPGA控制模块通过数据缓存模块与所述计算机连接。 5.根据权利要求3所述的光栅尺动态误差的检测系统， 其特征在于， 光栅尺读。

5、数头由光 栅尺读数头驱动系统驱动， 光栅尺读数头驱动系统包括伺服直线电机， 计算机通过伺服直 线电机控制器控制伺服直线电机； 所述伺服直线电机的定子与导轨固定， 所述移动滑块与伺服直线电机的动子固定， 伺 服直线电机的动子可带动移动滑块一起运动。 6.根据权利要求2-3或权利要求5任一项所述的光栅尺动态误差的检测系统， 其特征在 于， 所述导轨上还设有温度传感器和振动传感器。 7.根据权利要求2所述的光栅尺动态误差的检测系统， 其特征在于， 所述导轨为气浮导 轨。 权利要求书 1/1 页 2 CN 212300247 U 2 光栅尺动态误差的检测系统 技术领域 0001 本实用新型涉及光栅尺性。

6、能检测技术领域， 更具体地， 涉及光栅尺动态误差的检 测系统。 背景技术 0002 光栅尺是重要的位置反馈部件， 在数控机床等现代机加工行业中有着广泛应用。 高性能光栅尺， 尤其是大行程高精度绝对式光栅尺是我国高端全闭环数控机床技术瓶颈之 一， 目前几乎全部依赖进口。中国制造2025 发展战略中提出要加速高档数控机床等前沿 技术和装备的研发， 以提高可靠性、 精度保持性为重点， 开发高档数控系统、 光栅等主要功 能部件， 加快实现产业化。 0003 目前， 在光栅尺静动态特性研究及动态检测方面国内已有一些研究。 长春光机所 的郑黎明等研究了静态的精度检测与修正方法， 该方案主要考虑的是静态几何。

7、误差对精度 的影响， 并没有进行动态误差分析。 合肥工业大学的陈晓怀等分析了工作台、 导轨变形等因 素对光栅尺精度的影响， 但测量误差分析为静态分析， 并没有考虑光栅尺运行速度变化、 振 动等因素对动态精度的影响。 深圳大学的吴玉斌等搭建的光栅尺动态检测系统， 可以通过 计算机实现光栅尺检测的自动控制、 数据采集等功能， 其检测过程是在低速匀速情况下进 行， 对于测试过程中光栅尺的不同运行速度、 加速度和振动等动态因素， 以及温度等静态因 素均未考虑， 该系统实现了静态检测过程的自动化， 而非动态性能检测。 0004 综合国内外研究发现， 目前对光栅尺误差检测主要是静态误差检测， 有些涉及光 。

8、栅动态误差的研究只是特定工况下的动态误差测量， 或是对动态误差影响因素方面考虑不 全面， 缺乏系统性的研究， 例如缺乏对大量程、 高精度的光栅尺的动态精度检测。 0005 光栅尺静态误差是指光栅尺读数头停在某一位置等读数稳定后与基准位置之间 的误差； 光栅尺动态误差是指光栅尺在工作状态下， 读数头在移动过程中， 光栅尺实时动态 读数与实时基准位置之间的误差。 实用新型内容 0006 为解决上述问题， 本实用新型提供一种光栅尺动态误差检测系统， 通过光栅尺动 态实时位置与基准位置的比较得到光栅尺动态误差， 能够提高光栅尺动态误差测量的精 度。 具体包括： 0007 第一装置， 用于获取待测光栅尺。

9、的实时位置； 0008 第二装置， 用于确定待测光栅尺的基准位置； 0009 信号采集控制器， 将第一装置及第二装置获取的位置信号发送至计算机； 0010 计算机对接收到的位置信号进行比较， 确定光栅尺的动态误差。 0011 在一些具体的实施方式中， 光栅尺读数头与移动滑块连接。 光栅尺实时位置是在 不同速度、 加速度等工况下测得的移动滑块的一系列位置组成的曲线， 基准位置是在相同 工况下， 同时刻光栅尺基准位置确定装置测到的移动滑块的位置曲线。 说明书 1/5 页 3 CN 212300247 U 3 0012 在一些具体的实施方式中， 对光栅尺的校准要采用高精度的位置测试系统。 第二 装置。

10、包括激光干涉系统， 激光干涉系统包括激光器、 干涉镜和反射镜； 激光干涉系统的激光 器射出后的激光由干涉镜以一定的小角度分为两束， 并入射到反射镜中， 经反射镜反射后， 沿着新光路返回到干涉镜中， 经干涉镜合束后返回激光器的进光口， 从而完成直线测量， 从 而确定得到光栅尺的基准位置。 0013 在一些具体的实施方式中， 该光栅尺误差检测系统还包括导轨和可沿着导轨方向 滑动的移动滑块； 其中激光器、 干涉镜在导轨上依次设置； 反射镜位于移动滑块上。 0014 在一些具体的实施方式中， 第一装置包括光栅尺读数头， 光栅尺读数头用于获取 光栅尺的实时位置信号， 这里光栅尺和光栅尺读数头的安装位置有。

11、两种情况： 0015 (1)光栅尺读数头位于移动滑块上， 光栅尺固定于导轨上， 如此， 当移动滑块发生 位移后， 即光栅尺读数头同样发生位移， 从而改变了光栅尺读数头和光栅尺之间的相对距 离， 从而获取光栅尺的实时位置。 0016 (2)光栅尺位于移动滑块上， 光栅尺读数头固定于导轨上， 如此， 移动滑块发生位 移后， 即光栅尺同样发生位移， 从而改变了光栅尺读数头和光栅尺之间的相对距离， 从而获 取光栅尺的实时位置。 0017 光栅尺动态精度检测的难点之一是被测光栅尺实时位置信号和光栅尺基准位置 信号的高速同步采集， 尤其是在高速运行情况下， 信号同步误差带来的误差会更大。 传统基 于单片机。

12、的数据采集卡， 读取数据的速度在微秒级， 并且需要通过交替的方式轮流读取两 路信号， 每完成一次双路信号采集需要几微秒， 引起的测量误差达几微米， 对于高精度光栅 尺是不能够满足检测要求的， 因此本研究开发基于可编辑逻辑阵列(FPGA)的信号采集系 统， 可以并行执行多条逻辑而不会因不同步执行产生时延， 多个模块不分先后同时工作， 最 大程度上保证了多路信号采集的同步性， 以满足光栅尺动态检测高速同步信号采集的要 求。 0018 为了避免信号采集引起的同步误差， 本实用新型设计了高速双通道同步数据采集 系统， 在一些具体的实施方式中， 所述信息采集控制器包括第一数据采集模块、 第二数据采 集模。

13、块、 第一衰减电路、 第二衰减电路、 FPGA控制模块、 数据缓存模块； 激光干涉系统的激光 器通过所述第一数据采集模块与第一衰减电路相连； 光栅尺读数头通过第二数据采集模块 与第二衰减电路相连； 第一衰减电路、 第二衰减电路均与FPGA控制模块相连， 所述FPGA控制 模块通过数据缓存模块与所述计算机连接。 0019 为了更准确的模拟光栅尺实际使用时的工况， 在一些具体的实施方式中， 光栅尺 读数头移动驱动系统包括伺服直线电机， 伺服直线电机由伺服直线电机控制器控制， 伺服 直线电机控制器与计算机连接。 0020 在一些更为具体的实施方式中， 该伺服直线电机包括动子部分和定子部分， 其中 动。

14、子部分与移动滑块固定， 定子部分与导轨固定， 当通过计算机生成至少一组检测数据时， 计算机向伺服直线电机控制器发送控制信号， 从而控制驱动伺服直线电机工作， 定子部分 移动带动移动滑块一起移动。 0021 本实用新型上述激光器、 干涉镜、 导轨、 伺服直线电机置于同一工作台架(防震台) 上。 0022 在一些具体的实施方式中， 导轨上还设有温度传感器和振动传感器， 温度传感器 说明书 2/5 页 4 CN 212300247 U 4 和振动传感器分别用于监测导轨的工作温度以及振动情况。 0023 为了保证导轨系统的直线度和动态特性， 在一些具体的实施方式中， 上述导轨为 气浮导轨。 0024 。

15、本实用新型的光栅尺动态误差检测系统， 采用激光干涉系统作为长度基准， 通过 伺服直线电机实现光栅尺不同运行工况的模拟， 设计了基于FPGA的双路信号采集处理系 统， 实现基准信号和实时信号进行同步采集， 通过数据存储和后续传输处理， 对测量结果进 行分析显示。 0025 第二方面， 本实用新型还提供利用光栅尺动态误差检测系统进行光栅尺动态误差 检测的方法， 包括以下步骤： 0026 (1)通过计算机向直线电机伺服控制系统发送速度、 加速度指令， 使直线电机的动 子带动移动滑块、 光栅尺读数头一起运动， 光栅读数头获取的信号经信号处理系统处理后， 得到光栅尺动态实时位置曲线P(t,v,a,T)；。

16、 0027 (2)在上述运动过程中， 基准位置确定装置(即激光器、 干涉镜、 反射镜)获取的移 动滑块位置信号， 经信号处理系统处理后， 得到的位置曲线L(t,v,a,T)作为光栅尺的基准 位置曲线； 0028 (3)将同一组光栅尺的实时位置曲线P(t,v,a,T)， 与基准位置曲线L(t,v,a,T)比 较， 得到光栅尺的动态测量误差E(t,v,a,T)， 即式(1) 0029 E(t,v,a,T)P(t,v,a,T)-L(t,v,a,T) (1) 0030 其中， t为测量时刻， v为移动滑块运动速度， a为移动滑块运动加速度， T为实时环 境温度。 0031 在一些具体的实施方式中， 测。

17、试数据还包括移动方向， 因此还需要检测回程误差， 动态回程误差是相反两个运动方向测得的动态测量误差的差值， 即式(2) 0032 E(x,v,a,T)Ef(x,v,a,T)-Eb(x,v,a,T) (2) 0033 其中， x为回程误差测量位置， Ef(x,v,a,T)为通过式(1)测得的光栅尺第一移动方 向上动态测量误差， Eb(x,v,a,T)为通过式(1)测得的光栅尺与第一移动方向相反方向上动 态测量误差。 附图说明 0034 图1为本实用新型光栅尺动态误差的检测系统的立体图； 0035 图2为本实用新型信号采集控制器的示意图。 具体实施方式 0036 下面结合附图对本实用新型作进一步详。

18、细的说明 0037 为使本实用新型实施例的目的、 技术方案和优点更加清楚， 下面将结合本实用新 型实施例中的附图， 对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述， 显然， 所描 述的实施例是本实用新型一部分实施例， 而不是全部的实施例。 基于本实用新型中的实施 例， 本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于 本实用新型保护的范围。 0038 如图1所示， 本实用新型实施例提供一种光栅尺动态误差检测系统， 包括： 光栅尺 说明书 3/5 页 5 CN 212300247 U 5 15和与光栅尺15配合的光栅尺读数头4， 光栅尺沿导轨2方向固定安装， 光。

19、栅尺读数头4固定 在移动滑块3上， 移动滑块3可在导轨2上滑动， 导轨可以是气浮导轨。 0039 用于获取基准位置信号的光栅尺基准位置信号确定装置可以是激光干涉系统， 该 系统包括固定安装在导轨2上的激光器5和干涉镜6， 固定安装在移动滑块3上的反射镜7， 激 光器5、 干涉镜6、 反射镜7在导轨2方向上光路对准。 由此， 光栅尺动态误差检测系统通过激 光干涉系统采集基准信号作为基准位置信号， 能够实现更高精度的位置基准。 0040 移动滑块3由光栅尺读数头4移动驱动系统驱动其在导轨上滑动。 光栅尺读数头移 动驱动系统包括伺服直线电机8， 伺服直线电机8由伺服直线电机控制器9控制， 伺服直线电。

20、 机控制器9与计算机10连接。 0041 信号采集控制器11用于收集光栅尺实时位置信号及光栅尺基准位置信号并将其 传输至计算机中进行处理。 信号采集控制器11具有第一连接端子、 第二连接端子， 第三连接 端子； 其中， 第一连接端子连接激光器5， 第二连接端子连接光栅尺读数头4， 第三连接端子 连接计算机10。 0042 本实施例的光栅尺动态误差检测系统采用激光干涉系统作为长度基准， 在计算机 输入相应的指令， 从而驱动光栅尺读数头运动， 可实现待测光栅尺不同的运行工况(例如可 以实现光栅尺的不同速度、 加速度等工况)。 易于操作和控制。 0043 本实施例中， 直线电机8通过直线电机伺服控制。

21、器9与计算机10连接， 其中： 直线电 机8包括动子部分和定子部分， 动子部分与移动滑块3连接， 定子部分与导轨2固定。 计算机 10通过直线电机伺服控制器9控制直线电机8， 继而控制动子部分带动移动滑块3， 继而移动 滑块3带动光栅尺读数头4移动， 实现光栅尺15不同速度、 加速度的工况。 进而可以对光栅尺 运动状态的各项参数进行检测和反馈。 0044 本实施例中， 检测系统中， 光栅尺读数头4的数据传输线、 气浮导轨进气管等可以 随移动滑块3一起运动。 0045 本实施例中， 上述光栅尺动态误差检测系统还包括能够安装在气浮导轨2上的温 度传感器12和振动传感器13。 温度传感器和振动传感器。

22、分别监测测试系统的温度和振动情 况， 为减小误差提供温度补偿、 振动补偿。 0046 本实施例中， 待测光栅尺15被固定在导轨2上， 移动滑块3与导轨2之间设有气膜。 由此， 通过移动滑块3上的光栅尺读数头4来获取光栅尺的实时位置信号。 0047 本实施例中， 光栅尺动态误差检测系统还包括台架1， 用于固定气浮导轨2和直线 电子定子， 该台架1例如可以为隔震大理石台架。 光栅尺动态误差检测系统中其他部件都固 定在隔震大理石台架上， 能够进一步减小测量过程中的误差。 0048 图2所示为信号采集控制器11的一个实施例的结构图。 0049 如图2所示， 信息采集控制器11包括第一数据采集模块(即高。

23、速AD芯片1)、 第二数 据采集模块(即高速AD芯片2)、 第一衰减电路、 第二衰减电路、 FPGA控制模块、 数据缓存模 块； 第一数据采集模块分别与激光干涉系统的激光器、 第一衰减电路相连， 第二数据采集模 块分别与光栅尺读数头、 第二衰减电路相连； 第一衰减电路、 第二衰减电路均与FPGA控制模 块相连， FPGA控制模块与数据缓存模块相连， FPGA控制模块通过数据缓存模块与计算机连 接。 通过并行高速双通道同步采集， 避免了数据高速采集过程中传输至计算机引起的延迟 误差。 说明书 4/5 页 6 CN 212300247 U 6 0050 高速AD芯片1和高速AD芯片2同时进行双路数。

24、据采集， 分别采集激光干涉系统和光 栅尺的实时位置信号， 经衰减电路的信号衰减处理后， 再由FPGA进行信号转换和后处理。 衰 减电路的设置避免了数据高速采集过程中传输至计算机引起的延迟误差， 计算机读取缓存 的测量数据， 并进行后处理及显示。 0051 本实用新型一实施例提供的一种光栅尺动态误差检测方法， 包括如下步骤： 0052 (1)通过计算机向直线电机伺服控制系统发送速度、 加速度指令， 使直线电机的动 子带动移动滑块、 光栅尺读数头一起运动， 光栅读数头获取的信号经信号处理系统处理后， 得到光栅尺动态实时位置曲线P(t,v,a,T)； 0053 (2)在上述运动过程中， 基准位置确定。

25、装置(即激光器、 干涉镜、 反射镜)获取的移 动滑块位置信号， 经信号处理系统处理后， 得到的位置曲线L(t,v,a,T)作为光栅尺的基准 位置曲线； 0054 (3)将同一组光栅尺的实时位置曲线P(t,v,a,T)， 与基准位置曲线L(t,v,a,T)比 较， 得到光栅尺的动态测量误差E(t,v,a,T)， 即式(1) 0055 E(t,v,a,T)P(t,v,a,T)-L(t,v,a,T) (1) 0056 其中， t为测量时刻， v为移动滑块运动速度， a为移动滑块运动加速度， T为实时环 境温度。 0057 对于步骤(1)， 光栅尺动态误差检测系统根据被测光栅尺的规格参数， 生成至少一。

26、 组在规格参数范围内的测试数据， 例如规格参数一般包括速度范围、 加速度范围等(一般的 最高工作速度可以达到2m/s， 最高工作加速度为100m/s2)所生成的测试数据应该在光栅尺 的规格参数范围内。 0058 本实施例通过测试数据进行实时位置与基准位置的同步采集， 得到了光栅尺在不 同运动工况下的动态误差连续输出。 确定出的光栅尺的动态误差， 建立动态误差与速度、 加 速度、 温度、 振动等因素的关系模型， 从而为被测光栅尺的实际使用中的动态精度预测， 提 高了光栅尺的动态精度。 0059 当测试数据还包括移动方向时， 还需要检测动态回程误差， 动态回程误差是相反 两个运动方向测得的动态测量。

27、误差的差值， 即式(2) 0060 E(x,v,a,T)Ef(x,v,a,T)-Eb(x,v,a,T) (2) 0061 其中， x为回程误差测量位置， Ef(x,v,a,T)为通过式(1)测得的光栅尺第一移动方 向上动态测量误差， Eb(x,v,a,T)为通过式(1)测得的光栅尺与第一移动方向相反方向上动 态测量误差。 0062 最后应说明的是： 以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案， 而非对其限制； 尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明， 本领域的普通技术人员应当理解： 其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改， 或者对其中部分技术特征进行等 同替换； 而这些修改或者替换， 并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术 方案的精神和范围。 说明书 5/5 页 7 CN 212300247 U 7 图1 说明书附图 1/2 页 8 CN 212300247 U 8 图2 说明书附图 2/2 页 9 CN 212300247 U 9 。