[发明专利]光栅线位移测量方法及测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种光栅线位移测量方法及测量装置。

背景技术

光栅线位移测量装置由于其测量精度高的特点被应用于各种领域，随着科学技术的发展，对测量精度提出更高要求，因此，提高测量精度一直是人们努力追求的方向。

目前使用的光栅线位移测量装置包括：标尺光栅、扫描单元、信号处理单元。扫描单元和标尺光栅分别固定于被测物体的可移动部件和不可动部件上，扫描单元可相对于标尺光栅在测量方向上运动；标尺光栅测量方向上刻有代表位置信息的编码字，标尺光栅作为位置测量的基准；扫描单元包括发光单元和光信号接收单元，发光单元产生的平行光将标尺光栅上的编码字投影于光信号接收单元，光信号接收单元完成编码字的光电转换，信号处理单元提取并处理光信号接收单元形成的编码信号，基于编码信号计算出可移动部件位置原始测量值；原始测量值通过位置数据输出单元以数字形式输出。

光栅线位移测量装置的测量误差表现形式有两种：周期内误差和全长误差。所谓周期内误差，即是增量式光栅的栅距内的误差，影响周期内误差的主要因素有：光源信号的准直性、光电转换元件性能的波动、光栅副间隙变化、光栅刻线的毛刺、弯曲、缺损等缺陷和弱衍射作用等。为提高周期内测量精度，常采取以下措施：对正余弦信号进行插值细分、对正余弦信号的相位补偿、直流电平漂移的补偿、通过光学或电子学的方法滤掉高次谐波以提高信号正弦性、提高光源的准直性等。影响全长误差的主要因素是：标尺光栅在编码栅线制作时，由于工艺原因所引起的在全长范围内的栅线位置误差。为了减小这种全长误差，人们期望通过改进标尺光栅的刻划工艺水平来达到目的，但由于工艺水平改进所需成本高、难度大等原因而难于实现。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是提供一种能够提高全长测量范围测量精度的光栅线位移测量方法。

为了解决上述技术问题，本发明的光栅线位移测量方法包括下述步骤：

1)将扫描单元和标尺光栅分别固定于被测物体的可移动部件和不可动部件上，扫描单元可相对于标尺光栅在测量方向上移动；

2)扫描单元相对于标尺光栅在测量方向上以设定间隔移动，每移动到一个测量位置，信号处理单元提取并处理扫描单元的光信号接收单元形成的编码信号，并基于编码信号计算出可移动部件位置原始测量值N_i(i＝0，1，2......n，n为在标尺光栅全长范围内测量数据量的大小)；同时，利用激光测长干涉仪同步测量，得到可移动部件位置精确测量值N_i′(i＝0，1，2......n，n为在标尺光栅全长范围内测量数据量的大小)；

3)将信号处理单元与激光测长干涉仪在全长范围内的测量结果进行一一比对，得到测量误差数据ΔN_i＝N_i-N_i′，从而形成测量误差数据表；

4)基于形成的测量误差数据进行误差曲线拟合，获得误差变化轨迹；

5)基于误差拟合曲线，得到以标尺光栅的位置编码信号经细分后的最高分辨率为间隔的栅线刻划误差数据ΔN_j(j＝0，1，2......m，m代表在标尺光栅全长范围内的数据量大小)，生成栅线刻划误差数据表，并将表中数据固化于位置误差数据存储单元；

6)实际测量可移动部件位移时，位置误差修正单元根据关系式(1)，利用误差数据存储单元中的栅线刻划误差数据ΔN_j对信号处理单元计算出的可移动部件位置原始测量值N_j进行修正，得到可移动部件位置测量修正值N_j′；

N_j′＝N_j+ΔN_j    (1)

。

标尺光栅作为光栅线位移测量装置中的位置基准部件，在进行编码栅线制作时，会在全长范围内形成栅线位置误差，这种栅线位置误差属于固有误差或系统误差。本发明利用现有技术的光栅线位移测量装置获得全长范围内可移动部件的多个位置原始测量值，同时利用激光测长干涉仪同步测量获得全长范围内对应的可移动部件位置精确测量值，从而得到在全长范围内的栅线刻划误差数据，建立栅线刻划误差数据表。实际测量时，利用栅线刻划误差数据即可对光栅线位移测量装置获得的每一位置原始测量值进行误差修正，从而提高了光栅线位移测量装置的测量精度。

本发明要解决的另一个技术问题是提供一种全长范围测量精度高的光栅线位移测量装置。