直线光栅尺的检测方法与流程

本发明涉及一种精密测量仪器的检测技术，主要涉及一种直线光栅尺的检测方法。

背景技术：

光栅线位移传感器与直线移动导轨机构组成光栅线位移测量装置，诸如：光栅万能工具显微镜、光栅测长机、比长仪、三坐标测量机、齿轮测量中心、轮对压装机、数控加工中心、数控机床、磨床、铣床，自动卸货机、金属板压制和焊接机、机器人和其他自动化科技装置。光栅线位移测量装置属于精密测量仪器，其广泛应用于我国的装备制造业，在精密机械加工、工业生产、计量检定等行业均占有重要的地位。

我国对光栅线位移传感器的检测工作主要集中在计量部门，目前，还没有统一的对光栅线位移传感器的测量仪器设备，大都是各自搭建的测量系统，测量原理是利用双频激光作为标准器在测量平台上读取被检光栅线位移传感器的数据与双频激光进行比较。目前国内的技术指标能够在在200mm有效量程内测量精度可以达到±1μm。

而且目前的检测设备不能实现光栅线位移传感器的自动化测量，在测量直线光栅尺的指标时只能依靠手动找点，并且测量都是人工测量，人为因素对测量结果影响很大并且工作效率极低。

技术实现要素：

本发明为了解决目前的直线光栅尺的检测方法存在的只能依靠手动找点的问题和人为因素对测量结果影响较大的问题。

直线光栅尺的检测方法，是基于一维直线光栅尺的检测装置实现的；一维直线光栅尺的检测装置包括基台、位移基准机构、位移传递机构和三光轴激光干涉仪；

所述位移基准机构包括第一夹持滑块、第一夹持机构、第二夹持滑块、第二夹持机构和滑块导轨座；

所述位移传递机构包括电机、滚珠丝杠、滚珠导轨座、滚珠滑块、光栅读数头、轴承座；

所述的滑块导轨座和滚珠导轨座设置在基台上；滑块导轨座与滚珠导轨座平行设置，也就是滑块导轨座与滚珠导轨座的导向方向上的轴线平行；

第一夹持滑块和第二夹持滑块均设置在滑块导轨座上，并能沿着滑块导轨座运动；第一夹持机构设置在第一夹持滑块上，第二夹持机构设置在第二夹持滑块上；第一夹持机构和第二夹持机构分别夹持住被检测直线光栅尺的两端；

滚珠导轨座上设置滚珠滑块，滚珠滑块上设置丝杠运动螺孔，滚珠丝杠穿过丝杠运动螺孔，且滚珠丝杠的轴线与滚珠导轨座导向方向上的轴线平行，滚珠丝杠驱动滚珠滑块沿着滚珠丝杠的轴线方向运动；

滚珠滑块上设有光栅读数头，且光栅读数头垂直指向被检测直线光栅尺的光栅面，光栅读数头读取被检测直线光栅尺上的光栅距离数据；反射镜设置在滚珠滑块的上表面；

滚珠丝杠的一端连接电机，另一端设置在轴承座上；

三光轴激光干涉仪设置在基台上，三光轴激光干涉仪的激光射出方向与滚珠丝杠的轴线平行，且能够垂直射到反射镜上。

所述直线光栅尺的检测方法，包括以下步骤：

步骤一：将被检测直线光栅尺安装在第一夹持机构和第二夹持机构上，保证被检测直线光栅尺与光栅读数头运动方向平行；

步骤二：控制位移传递机构进行回零运动，使光栅读数头回到被检测直线光栅尺的初始零点；

位移传递机构中的光栅读数头找到被检测直线光栅尺的零位，作为初始零点；

步骤三：控制位移基准机构进行清零；

控制位移基准机构进行清零的过程：滚珠滑块与光栅读数头从初始零点出发，运动到被检测直线光栅尺检测行程起始点；

步骤四：控制位移传递机构进行检测运动：

被检测直线光栅尺的检测距离对应滚珠滑块的检测行程，滚珠滑块的检测行程记为总量程A；在滚珠滑块的检测行程内，等间隔选取N个测量点，当滚珠滑块运动到选取的每个测量点时，同步采集三光轴激光干涉仪三束激光测量的位移测量值sαi'、sβi'、sγi'和被检测直线光栅尺上的光栅距离数据s_i；三光轴激光干涉仪射出的三束激光分别记为第一光束、第二光束和第三光束，sαi'、sβi'、sγi'分别为第一光束、第二光束、第三光束的位移测量值；

步骤五：针对第i个测量点，利用三光轴激光干涉仪所测得的位移值sαi'、sγi'对sβi'进行补偿得到s_i′；

步骤六：将各个测量点补偿后的数据s_i′进行线性拟合得到函数

y＝k*s′+b；i＝1，2，…，N；

其中k、b分别为拟合后的参数；

利用y＝k*s'+b对每个测量点补偿后的数据的s_i'进行修正，得到s_i'对应的修正后的值y_i；

步骤七：将max|y_i-s_i|与总量程A的比值作为被检测直线光栅尺的检测标准，实现对直线光栅尺的检测。

优选地，步骤五所述的针对第i个测量点，利用三光轴激光干涉仪所测得的位移值sαi'、sγi'对sβi'进行补偿得到s_i′的过程包括以下步骤：

针对第i个测量点，根据第二光束与第三光束之间的距离D得到偏转角

然后根据距离D和偏转角θ计算出偏转所引起的第二光束上的位移偏差e，再通过公式s_i′＝sβi′-e对sβi'进行补偿得到s_i′。

优选地，步骤五所述的e＝Dsinθ。

优选地，所述的N＝10。

优选地，所述检测方法还包括以下步骤：

步骤八：将max|y_i-s_i|与总量程A的比值记为λ，当λ小于设定的阈值时，被检测直线光栅尺的检测为合格；当λ大于等于设定的阈值时，被检测直线光栅尺的检测为不合格。

本发明具有以下有益效果：

本发明直线光栅尺的检测方法，是基于直线光栅尺的检测装置实现的，不但能够实现光栅线位移传感器的自动化检测，而且无需手动找点不但检测方便，而且排除了人为因素对测量结果的影响，提高了直线光栅尺的检测的准确度。

本发明采用三光轴激光干涉仪提供位移基准，保证了检测装置具有较高的精度，从而保证了检测方法的精度。三光轴激光干涉仪能够实时监测检测装置在运动过程中的姿态，并进行位移补偿处理，从而消除了检测装置在运动过程中偏转和俯仰带来的误差，进一步保证了检测精度。相比现有最高精度的检测方法，本发明能够在有效量程内将检测精度提高50％以上。

附图说明

图1是直线光栅尺的检测装置结构示意图；

图2是三光轴激光干涉仪射出的三束激光的示意图；

图3是具体实施方式二中的位移补偿原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：

直线光栅尺的检测方法，是基于一维直线光栅尺的检测装置实现的；

如图1所示，一维直线光栅尺的检测装置包括基台1、位移基准机构、位移传递机构和三光轴激光干涉仪16；

所述位移基准机构包括第一夹持滑块2、第一夹持机构3、第二夹持滑块7、第二夹持机构6和滑块导轨座8；

所述位移传递机构包括电机15、滚珠丝杠13、滚珠导轨座12、滚珠滑块10、光栅读数头5、轴承座9；

所述的滑块导轨座8和滚珠导轨座12设置在基台1上；滑块导轨座8与滚珠导轨座12平行设置，也就是滑块导轨座8与滚珠导轨座12的导向方向上的轴线平行；

第一夹持滑块2和第二夹持滑块7均设置在滑块导轨座8上，并能沿着滑块导轨座8运动；第一夹持机构3设置在第一夹持滑块2上，第二夹持机构6设置在第二夹持滑块7上；第一夹持机构3和第二夹持机构6分别夹持住被检测直线光栅尺4的两端；

滚珠导轨座12上设置滚珠滑块10，滚珠滑块10上设置丝杠运动螺孔，滚珠丝杠13穿过丝杠运动螺孔，且滚珠丝杠13的轴线与滚珠导轨座12导向方向上的轴线平行，滚珠丝杠13驱动滚珠滑块10沿着滚珠丝杠13的轴线方向运动；

滚珠滑块10上设有光栅读数头5，且光栅读数头5垂直指向被检测直线光栅尺4的光栅面，光栅读数头5读取被检测直线光栅尺4上的光栅距离数据；反射镜11设置在滚珠滑块10的上表面，也就是设置在滚珠滑块10上与滚珠导轨座12相接触表面的相对的表面上；

滚珠丝杠13的一端连接电机15，另一端设置在轴承座9上；所述电机15通过电机固定座14固定在基台1上；

三光轴激光干涉仪16设置在基台1上，三光轴激光干涉仪16的激光射出方向与滚珠丝杠13的轴线平行，且能够垂直射到反射镜11上。

如图2所示，三光轴激光干涉仪16射出的三束激光分别记为第一光束16a、第二光束16b和第三光束16c；所述三光轴激光干涉仪16射出的第二光束16b通过照射到反射镜11上测量滚珠滑块10的运动距离。

所述直线光栅尺的检测方法，包括以下步骤：

步骤一：将被检测直线光栅尺4安装在第一夹持机构3和第二夹持机构6上，保证被检测直线光栅尺4与光栅读数头5运动方向平行；

步骤二：控制位移传递机构进行回零运动，使光栅读数头5回到被检测直线光栅尺4的初始零点；

位移传递机构中的光栅读数头5找到被检测直线光栅尺4的零位，作为初始零点；

步骤三：控制位移基准机构进行清零；

控制位移基准机构进行清零的过程：滚珠滑块10与光栅读数头5从初始零点出发，运动到被检测直线光栅尺4检测行程起始点；

步骤四：控制位移传递机构进行检测运动：

被检测直线光栅尺4的检测距离对应滚珠滑块10的检测行程，滚珠滑块10的检测行程记为总量程A；在滚珠滑块10的检测行程内，等间隔选取N个测量点，当滚珠滑块10运动到选取的每个测量点时，同步采集三光轴激光干涉仪16三束激光测量的位移测量值sαi'、sβi'、sγi'和被检测直线光栅尺4上的光栅距离数据s_i；三光轴激光干涉仪16射出的三束激光分别记为第一光束16a、第二光束16b和第三光束16c，要保证第二光束16b和第三光束16c所形成的平面与滚珠滑块10的平面平行；sαi'、sβi'、sγi'分别为第一光束16a、第二光束16b、第三光束16c的位移测量值；

步骤五：针对第i个测量点，利用三光轴激光干涉仪所测得的位移值sαi'、sγi'对sβi'进行补偿得到s_i′；

步骤六：将各个测量点补偿后的数据s_i′进行线性拟合得到函数

y＝k*s′+b；i＝1，2，…，N；

其中k、b分别为拟合后的参数；

利用y＝k*s'+b对每个测量点补偿后的数据的s_i'进行修正，得到s_i′对应的修正后的值y_i；

之所以要对每个测量点的s_i′进行修正，是因为每个测量点的s_i′不一定在y＝k*s′+b上，会因为误差致使s_i′偏离y＝k*s′+b，为了排除误差利用y＝k*s′+b对每组的s_i′进行修正，就是在线性拟合得到的函数y＝k*s′+b上找到每个测量点s_i′应该对应在直线y＝k*s′+b上的值。

步骤七：将max|y_i-s_i|与总量程A的比值作为被检测直线光栅尺4的检测标准，实现对直线光栅尺的检测。

基于直线光栅尺的检测装置，本发明直线光栅尺的检测方法不但能够实现光栅线位移传感器的自动化检测，而且无需手动找点不但检测方便，而且排除了人为因素对测量结果的影响，提高了直线光栅尺的检测的准确度。

本发明采用三光轴激光干涉仪提供位移基准，保证了检测装置具有较高的精度，从而保证了检测方法的精度。三光轴激光干涉仪能够实时监测检测装置在运动过程中的姿态，并进行位移补偿处理，从而消除了检测装置在运动过程中偏转和俯仰带来的误差，进一步保证了检测精度。相比现有最高精度的检测方法，本发明能够在有效量程内将检测精度提高50％以上。

具体实施方式二：结合图2和图3说明本实施方式，

本实施方式所述的步骤五所述的针对第i个测量点，利用三光轴激光干涉仪所测得的位移值sαi'、sγi'对sβi'进行补偿得到s_i′的过程包括以下步骤：

针对第i个测量点，根据第二光束16b与第三光束16c之间的距离D得到偏转角

然后根据距离D和偏转角θ计算出偏转所引起的第二光束16b上的位移偏差e，再通过公式s_i′＝sβi′-e对sβi'进行补偿得到s_i′。

其他步骤和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：

本实施方式所述的步骤五所述的e＝Dsinθ。

其他步骤和参数与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：

本实施方式所述的N＝10。

其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：

本实施方式所述检测方法还包括以下步骤：

步骤八：将max|y_i-s_i|与总量程A的比值记为λ，当λ小于设定的阈值时，被检测直线光栅尺4的检测为合格；当λ大于等于设定的阈值时，被检测直线光栅尺4的检测为不合格。

其他步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。