專利名稱：采用復(fù)式光柵對加工/測量誤差進行實時修正的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到機床和三坐標(biāo)測量機這樣的坐標(biāo)加工和測量設(shè)備的坐標(biāo)誤差實時修正和精度的升級。
提高加工/測量的精度一直是精密制造最為關(guān)心的問題之一。以前都是通過提高設(shè)備本身的制造精度來提高設(shè)備的加工和測量精度，這種方法成本投入很多而且還有技術(shù)上的局限性，所以近幾十年來，通過誤差修正來提高設(shè)備的加工/測量精度的方法正得到越來越多的關(guān)注和使用。
誤差修正的方法是在原有設(shè)備的基礎(chǔ)上通過誤差測量系統(tǒng)測量出設(shè)備的誤差并將其修正來提高設(shè)備的加工/測量精度。目前已有的誤差修正的方法所使用的誤差測量儀器都很復(fù)雜，有的系統(tǒng)使用了多通道激光干涉儀來實時測量多項機構(gòu)誤差，有的通過專門設(shè)計的多自由度光學(xué)測量系統(tǒng)來測量誤差。這些系統(tǒng)雖然精度很高，功能也很強，但是成本也都非常高，所以只適用于精度較高的測量機或機床使用，目前還沒用見到針對中低精度設(shè)備的簡單、低成本的誤差修正系統(tǒng)的報導(dǎo)。而目前我國的坐標(biāo)加工和測量設(shè)備中，中低精度的設(shè)備要占絕大多數(shù)，提高這些設(shè)備的精度對我國的機械加工行業(yè)的整體水平的提高有很重要的意義，所以開發(fā)和推廣針對中低精度設(shè)備的誤差修正系統(tǒng)很有意義的。
本發(fā)明的目的在于為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種采用機床和坐標(biāo)測量機上廣泛使用的光柵測量系統(tǒng)來實時測量和修正測量/加工誤差的方法及誤差實時修正的裝置，具有簡單、可靠、成本低等優(yōu)點。尤其適用于中低精度的坐標(biāo)測量設(shè)備和加工機床的精度升級改造。
本發(fā)明提出一種采用復(fù)式光柵對測量/加工誤差進行實時修正的方法，其特征在于，包括以下步驟(a)在被測的測量/加工設(shè)備的每個坐標(biāo)方向上安裝由多根空間相互平行的光柵組成的復(fù)式光柵；該復(fù)式光柵中每個光柵測量結(jié)果反應(yīng)的是該光柵的位移量。
(b)通過光柵讀數(shù)系統(tǒng)對該復(fù)式光柵中每個光柵輸出的光電信號進行讀數(shù)處理得到每個光柵所在空間位置處的位移測量結(jié)果；(c)根據(jù)各平行的光柵的位移測量結(jié)果的差計算出相應(yīng)的導(dǎo)軌運動的轉(zhuǎn)角誤差，再通過誤差模型實時地計算出上述轉(zhuǎn)角誤差所導(dǎo)致的最終誤差。
(d)把計算出的誤差從測量結(jié)果中修正掉并顯示修正后的結(jié)果。本發(fā)明提出一種采用上述方法的加工/測量誤差實時修正裝置，其特征在于，包括由多根空間相互平行的光柵組成的復(fù)式光柵；由信號預(yù)處理單元、PC機和插于PC機中的擴展槽中的計數(shù)卡及AD卡組成的PC機的光柵讀數(shù)裝置；以及存儲在PC機中的實現(xiàn)誤差修正的測量軟件。
本發(fā)明的工作原理述敘如下本發(fā)明可以實時修正的是在最終誤差中占很大比重的阿貝誤差。很多機床和坐標(biāo)測量機上都使用長光柵位移傳感器(以下簡稱光柵)或與之同精度等級的磁柵、容柵等傳感器來測量坐標(biāo)值。由于結(jié)構(gòu)的原因，位移測量傳感器所在的測量線與工件所在的測量線一般都不重合，這樣就違背了阿貝原則，會產(chǎn)生較大的阿貝誤差，其大小等于導(dǎo)軌的轉(zhuǎn)角與兩條測量線之間的距離(稱為阿貝臂)的乘積，這項誤差在設(shè)備總誤差中會占到相當(dāng)大的比重。在本發(fā)明中，位移的測量和導(dǎo)軌轉(zhuǎn)角誤差的測量都是通過光柵來實現(xiàn)的，與普通的光柵測量系統(tǒng)不同的是，本發(fā)明在同一坐標(biāo)方向上安裝了多根空間相互平行的光柵，稱之為復(fù)式光柵。復(fù)式光柵中的每一根光柵都可以得到一個獨立的位移測量結(jié)果，根據(jù)它們之間的讀數(shù)差得到轉(zhuǎn)角誤差，再通過根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)特點推導(dǎo)出的誤差模型計算出最終誤差并修正它。
下面分別從以下三個方面介紹本發(fā)明的主要內(nèi)容1)復(fù)式光柵光柵是中高精度的加工和測量裝置中廣泛使用的位移測量裝置，

圖1是普通的光柵的示意圖。圖中，照明系統(tǒng)11射出的光線經(jīng)過主光柵13和指示光柵15后由光電接收器14接收，得到光電信號。當(dāng)主光柵與指示光柵有相對運動時，主光柵尺上的光柵刻線12與指示光柵上的刻線就會共同作用，產(chǎn)生明暗交替的條紋。接收器接收到這個條紋后將輸出周期變化的光電信號。在主光柵上還可以刻劃零位刻線。它與指示光柵作用后將在接收器上產(chǎn)生脈沖信號，由此可以確定光柵的絕對零點。
本發(fā)明的核心是采用復(fù)式光柵測量多組位移量，復(fù)式光柵是空間有序排列的光柵組，兩路復(fù)式光柵由平行排列的兩根光柵組成，三路復(fù)式光柵由三根空間平行排列的光柵組成。復(fù)式光柵可以是在同一基體上刻劃制成，也可以由多個光柵通過專門的機械結(jié)構(gòu)聯(lián)接構(gòu)成。圖2中示意的復(fù)式光柵是一個同一基體上刻劃的三路復(fù)式光柵。當(dāng)然，復(fù)式光柵也可以由若干獨立的光柵組合而成，只要通過一定的機械結(jié)構(gòu)將它們聯(lián)結(jié)起來并保證有足夠的安裝精度就可以了。
工作臺的位移只需一根光柵便可進行測量，采用復(fù)式光柵就可以在位移測量的同時測量工作臺直線運動中的偏轉(zhuǎn)誤差。設(shè)在X向運動的工作臺上安裝了如圖2所示三路復(fù)式光柵，當(dāng)工作臺沿X方向或Y方向運動過程中由于機構(gòu)誤差引起工作臺產(chǎn)生繞Y軸的偏轉(zhuǎn)時，便會造成X0和X1兩根光柵的讀數(shù)產(chǎn)生差異。同理，若工作臺繞Z軸偏轉(zhuǎn)時，便會造成X0和X2兩組光柵的讀數(shù)差異。根據(jù)以上差異可以通過一定的數(shù)學(xué)模型計算出轉(zhuǎn)角誤差。
2)光柵讀數(shù)系統(tǒng)光柵讀數(shù)系統(tǒng)的作用是處理光柵輸出信號，得到光柵測得的位移值并通過屏幕、數(shù)碼管等設(shè)備顯示這一結(jié)果。光柵的輸出信號的周期受到光柵常數(shù)的限制，要得到更高的分辨率就必須對光柵的信號進行細分。光柵細分的傳統(tǒng)方法有電阻鏈細分法、電平切割法、載波調(diào)制法等。為了保證細分的精度，一般細分?jǐn)?shù)越大電路部分也就越復(fù)雜，通常一根光柵就需要配上一個專門的讀數(shù)箱來顯示測量結(jié)果。使用復(fù)式光柵后，系統(tǒng)中安裝的光柵就可能很多(如圖3所示的實施例中就一共安裝了5根光柵)，如果還使用普通的方法，光柵讀數(shù)系統(tǒng)的體積將會很大，使用也不方便。
本發(fā)明采用了一種基于PC機的光柵信號幅值細分的方法。本發(fā)明中的光柵讀數(shù)系統(tǒng)中使用了PC機，將信號處理部分做成插卡，直接插入PC機的擴展槽，并通過它與PC機進行數(shù)據(jù)和控制信號的通信。所有的光柵測量結(jié)果都將通過測量軟件在PC機的監(jiān)視器上顯示。通過程序設(shè)計，使得測量操作更加簡便，結(jié)果顯示也更加清楚明了。PC機插卡可分為計數(shù)卡和AD卡，分別得到“大數(shù)”和“小數(shù)”。AD卡在采數(shù)的同時也實現(xiàn)了幅值的細分。在插卡之前有信號預(yù)處理單元，它將光柵輸出的信號進行放大整形后再傳輸?shù)讲蹇?，減小了信號傳輸過程中產(chǎn)生的誤差。這樣整個光柵讀數(shù)系統(tǒng)系統(tǒng)就只有一個含有預(yù)處理單元的箱體和一臺PC機，非常靈活實用。
這種光柵讀數(shù)系統(tǒng)的另一個優(yōu)點是細分?jǐn)?shù)可變。光柵讀數(shù)系統(tǒng)的最終精度從根本上來說由光柵本身的精度決定，如果光柵本身精度不高，細分?jǐn)?shù)和細分精度再高，最后的測量精度也不會高。所以應(yīng)該根據(jù)光柵的精度來確定使用的細分?jǐn)?shù)，這樣才能充分發(fā)揮系統(tǒng)的能力同時也不會浪費系統(tǒng)的資源。在本發(fā)明中，可以在軟件中實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換位數(shù)的調(diào)節(jié)，這樣也就能改變細分?jǐn)?shù)的大小。3)誤差模型以三坐標(biāo)機構(gòu)為例，共有21項機構(gòu)誤差，它們是a)定位誤差-每軸上有1項，共3項。計作δx(x)、δy(y)、δz(z)b)直線度誤差-每軸上有2項，共6項。計作δy(x),δz(x),δx(y),δz(y),δx(z)和δy(z)c)垂直度誤差-每兩軸之間一項，共3項。計作αxy、αxz和αyzd)轉(zhuǎn)角誤差-每軸上有3項，共9項。計作εx(x),εy(x),εz(x),εx(y),εy(y),εz(y),εx(z),εy(z)和εz(z)
誤差的測量裝置可以測得這些相互獨立的機構(gòu)誤差，但是要得到設(shè)備的最終誤差，僅有這些還不夠，還需要一個誤差模型來將機構(gòu)誤差和最終誤差聯(lián)系起來。這個誤差模型與所針對的設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)和運動特點有關(guān)系。在機構(gòu)的剛體假設(shè)的前提下，本發(fā)明根據(jù)坐標(biāo)變換的理論推導(dǎo)出了針對本發(fā)明實施例中的設(shè)備-萬能工具顯微鏡的誤差模型。三個坐標(biāo)方向上的最終誤差(Δx、Δy和Δz)與機構(gòu)誤差的關(guān)系如下Δx=-δx(x)+δx(y)-Ys[αxy+εz(x)]+Zs[εy(x)+εy(y)]Δy=δy(x)-δy(y)-Ysαxy-Zs[εx(x)+εx(y)] (1)Δz=δz(x)+δz(y)+Ysεx(x)其中Xs、Ys和Zs為阿貝臂?？梢钥闯觯罱K誤差中的阿貝誤差為ΔxA=Ysεz(x)+Zs[εy(x)+εy(y)]ΔyA=-Zs[εx(x)+εx(y)](2)ΔzA=Ysεx(x)在萬能工具顯微鏡的X方向上安裝一個三路復(fù)式光柵，在Y方向上安裝一個兩路復(fù)式光柵，這樣就可以在測量工作臺兩個方向位移的同時實時測量出(2)式中的所有的轉(zhuǎn)角誤差，阿貝臂可以事先測定，這樣就可以計算出各個方向上的阿貝誤差。如果忽略其它誤差項的影響，可以用阿貝誤差作為最終誤差來修正測量結(jié)果。
本發(fā)明將這個誤差模型寫入了測量程序中，可以在得到機構(gòu)誤差測量結(jié)果后就計算出最終誤差并將其修正。
本發(fā)明具有以下特點第一，采用結(jié)構(gòu)簡單，操作方便的復(fù)式光柵構(gòu)成的加工/測量誤差實時修正裝置，在位移測量的同時測量工作臺直線運動中的偏轉(zhuǎn)誤差，可以實時修正最終誤差中占很大比重的阿貝誤差。
第二，本發(fā)明采用了一種基于PC機的光柵信號幅值細分的方法。這樣整個光柵讀數(shù)系統(tǒng)系統(tǒng)就只有一個含有預(yù)處理單元的箱體和一臺PC機，非常靈活實用，且細分?jǐn)?shù)可變。
第三，成本低，適用于中低精度的坐標(biāo)測量設(shè)備和加工機床的精度升級改造，具有很好的市場前景。
附圖簡要說明圖1是已有的普通光柵的示意圖。
圖2是本發(fā)明的實施例的復(fù)式光柵示意圖。
圖3是本發(fā)明的實施例的系統(tǒng)功能框圖。
圖4是本發(fā)明的實施例的測量軟件的流程圖本發(fā)明的一種采用復(fù)式光柵對測量/加工誤差進行實時修正的方法及裝置的實施例結(jié)合附圖詳細說明如下本實施例需要進行誤差修正的設(shè)備是一臺萬能工具顯微鏡，它是一臺測量范圍為200mm×100mm的兩坐標(biāo)測量裝置。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點安裝了一套三路復(fù)式光柵(X0-X1-X2)和一套二路復(fù)式光柵(Y0-Y1)來實時測量對最終測量結(jié)果有影響的轉(zhuǎn)角誤差。本實施例的復(fù)式光柵是一個同一基體上刻劃的三路復(fù)式光柵，如圖2所示。圖中的21、22、23表示的是復(fù)式光柵上的空間相互平行的三套光柵系統(tǒng)，計作X0、X1和X2。24是共同的基體，上面有三組空間相互平行的刻線，如果需要絕對零位，可以在基體上再加上零位刻線。25是相對基體移動的部分，上面有三套光柵的照明系統(tǒng)、指示光柵和光電接收器。
圖3是本發(fā)明的實施例的系統(tǒng)功能框圖。其中，光柵讀數(shù)系統(tǒng)由預(yù)處理電路、計數(shù)卡和AD卡和PC機組成。每根光柵都將輸出四路相位差為90°的帶有直流分量的光電信號，分別計作0°信號、90°信號、180°信號和270°信號。信號先通過預(yù)處理電路進行整形和放大，具體是0°信號和180°信號相減然后放大，得到去除直流分量SIN信號；90°信號和270°信號相減然后放大，得到去除直流分量COS信號。每根光柵的SIN信號和COS信號都將分別送入計數(shù)卡和AD卡，AD卡和計數(shù)卡都插入PC機的擴展槽中。計數(shù)卡上有可逆計數(shù)器和接口電路，可以對整數(shù)周期的信號進行可逆計數(shù)并將結(jié)果通過接口電路輸入PC機。AD卡采用AD574進行12位AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果也通過接口電路輸入PC機。為了增強系統(tǒng)的抗干擾能力，計數(shù)卡和AD卡上都采用高速光耦6N137來進行光電隔離。測量軟件進行分析計算并在監(jiān)示器上顯示結(jié)果。
圖4是本發(fā)明的實施例的測量軟件流程圖。其測量步驟為1 從數(shù)據(jù)文件中讀取測量參數(shù)，包括個路光柵的標(biāo)定值和AD轉(zhuǎn)換位數(shù)等；2 讀取計數(shù)卡和AD卡的測量結(jié)果；3 計算出每根光柵位移測量值。再通過光柵讀數(shù)差計算出導(dǎo)軌轉(zhuǎn)角誤差，然后通過誤差公式計算出總誤差；4 在監(jiān)視器上顯示每根光柵的測量結(jié)果、誤差計算結(jié)果和修正后的測量結(jié)果；5 判斷是否繼續(xù)；如選擇退出則終止程序；選擇改變參數(shù)則重新設(shè)定參數(shù)，然后回到1；默認(rèn)選項是繼續(xù)；6 判斷是否存儲測量結(jié)果；如選擇存盤則進行測量結(jié)果存儲，然后繼續(xù)；默認(rèn)選項是不存盤繼續(xù)；7 判斷是否清零；如選擇清零則將測量結(jié)果全部清零，然后回到2；默認(rèn)選項是不清零，然后回到2。
權(quán)利要求
1．一種采用復(fù)式光柵對測量/加工誤差進行實時修正的方法，其特征在于，包括以下步驟(a)在被測的測量/加工設(shè)備的每個坐標(biāo)方向上安裝由多根空間相互平行的光柵組成的復(fù)式光柵；(b)通過光柵讀數(shù)系統(tǒng)對該復(fù)式光柵中每個光柵輸出的光電信號進行讀數(shù)處理得到每個光柵所在空間位置處的位移測量結(jié)果；(c)根據(jù)各平行的光柵的位移測量結(jié)果的差計算出相應(yīng)的導(dǎo)軌運動的轉(zhuǎn)角誤差，再通過誤差模型實時地計算出上述轉(zhuǎn)角誤差所導(dǎo)致的最終誤差。(d)把計算出的誤差從測量結(jié)果中修正掉并顯示修正后的結(jié)果。
2．采用如權(quán)利要1所述方法的加工/測量誤差實時修正裝置，其特征在于，包括由多根空間相互平行的光柵組成的復(fù)式光柵，由信號預(yù)處理單元、PC機和插于PC機中的擴展槽中的計數(shù)卡及AD卡組成的PC機的光柵讀數(shù)裝置；以及存儲在PC機中的實現(xiàn)誤差修正的測量軟件。
全文摘要
本發(fā)明屬于精密測量技術(shù)領(lǐng)域,其方法包括:在被測設(shè)備上安裝復(fù)式光柵;對每個光柵輸出的光電信號進行讀數(shù)處理得到每個光柵處的位移測量結(jié)果;計算出相應(yīng)的導(dǎo)軌運動的轉(zhuǎn)角誤差,再計算出轉(zhuǎn)角誤差所導(dǎo)致的最終誤差。把誤差從測量結(jié)果中修正掉并顯示修正后的結(jié)果。其裝置包括復(fù)式光柵,PC機的光柵讀數(shù)裝置。本發(fā)明具有簡單、可靠、成本低等優(yōu)點。尤其適用于中低精度的坐標(biāo)測量設(shè)備和加工機床的精度升級改造。
文檔編號G01B11/02GK1207494SQ9811774
公開日1999年2月10日 申請日期1998年9月4日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月4日
發(fā)明者方仲彥, 湯文駿, 張玉坤, 段敏謨 申請人:清華大學(xué)