CN109916315B - 一种基于分离式光栅的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于分离式光栅的测量装置，包括控制模块、基座、平面移动平台、光栅刚体以及光栅读数头和测头，所述光栅刚体上开设有穿孔，所述测头与所述光栅刚体的栅面位于同一平面，所述光栅刚体上设置有两组以上的栅线组，所述栅线组包括多条相互平行且等间距依次排列的栅线，所述光栅读数头的数量与所述栅线组的数量相同，各所述光栅读数头与各所述栅线组一一对应布置，且所述测头与所述光栅读数头之间的连线和与该光栅读数头对应的所述栅线组中的所述栅线垂直布置。本发明实现了零阿贝误差设计，对导向元件的精度要求相对较低，成本也相对较低；同时，环境适应性较强，适用范围相对较广。

Description

一种基于分离式光栅的测量装置

技术领域

本发明涉及一种测量装置，尤其是一种基于分离式光栅的测量装置。

背景技术

为实现高精度位移测量，零阿贝误差设计是一不可忽视的理念，零阿贝误差(即阿贝原则)是仪器学领域一条历史悠久的设计原则，其要求测量线和读数线重合，即阿贝臂为零，否则将有阿贝误差。

传统的二维或三维测量装置通常采用光栅作为位移传感器，当平台运动时，光栅随之运动，整个坐标系即无法保持恒定，坐标轴不仅无法始终通过测头测量点，且二者距离始终在变化，这种存在阿贝臂的设计，要求尽量减少运动中出现的角度偏摆，因此对机械导向元件(如直线导轨等)的直线度和平面度要求极高，成本相对较高。

在精密计量领域，为实现零阿贝误差设计，激光干涉技术是一种应用广泛的解决方案。激光干涉仪使用位置恒定的激光器发出激光束，构成恒定坐标系。通过在激光光轴方向跟踪附着于运动平台上的平面靶镜，可实现三轴位移的高精度测量，然而，激光干涉系统对环境要求极高，对温度、气流、空气密度的变化极其敏感，因此激光干涉技术需要昂贵的环境控制腔体，很难实现在线测量，适用范围相对较窄。

有鉴于此，本申请人对可实现零阿贝误差的测量装置进行了深入的研究，遂有本案产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本相对较低且使用范围相对较广的基于分离式光栅的测量装置。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于分离式光栅的测量装置，包括控制模块、基座、水平滑动连接在所述基座上的平面移动平台、固定连接在所述平面移动平台上的光栅刚体以及分别固定连接在所述基座上的光栅读数头和测头，所述光栅刚体上开设有穿孔，所述测头位于所述穿孔内且与所述光栅刚体的栅面位于同一平面，所述光栅刚体上设置有两组以上的栅线组，所述栅线组包括多条相互平行且等间距依次排列的栅线，所述光栅读数头的数量与所述栅线组的数量相同，各所述光栅读数头与各所述栅线组一一对应布置，且所述测头与所述光栅读数头之间的连线在所述光栅刚体的栅面上的投影和与该光栅读数头对应的所述栅线组中的所述栅线垂直布置，所述测头和各所述光栅读数头分别与所述控制模块通讯连接。

作为本发明的一种改进，所述平面移动平台上竖直滑动连接有位于所述光栅刚体的栅面下方的升降台，所述升降台上滑动连接有一组所述栅线组，该栅线组竖直滑动连接在所述基座上。

作为本发明的一种改进，所述光栅刚体上设置有两组所述栅线组，两组所述栅线组中的所述栅线相互垂直布置。

作为本发明的一种改进，所述平面移动平台上设置有用于检测所述升降台的运动耦误差的第一传感器，所述第一传感器有两对，每对中的两个所述第一传感器以所述升降台的台面的中心线为中心对称布置。

作为本发明的一种改进，所述基座上设置有用于驱动所述平面移动平台运动的大位移驱动器和微位移驱动器。

作为本发明的一种改进，所述大位移驱动器为步进马达，所述微位移驱动器为压电陶瓷驱动器。

作为本发明的一种改进，所述光栅读数头包括激光发射器、用于接收所述激光发射器发出的双频激光的第一分光元件、分别用于接收所述第一分光元件射出的光束的第一相干模块和偏振分光元件、用于将所述偏振分光元件射出的光束反射到对应的所述栅线组上的反射镜、与所述偏振分光元件配合的第二相干模块以及分别与所述第一相干模块和所述第二相干模块连接的计算比较模块。

作为本发明的一种改进，将期望位移信息输入所述控制模块后，所述控制模块根据所述期望位移信息向所述大位移驱动器和/或微位移驱动器发送控制信息，所述大位移驱动器和/或微位移驱动器根据所述控制信息带动所述平面移动平台相对于所述基座滑动，同时所述测头将所述平面移动平台的实际位移信息反馈给所述控制模块，所述控制模块再根据所述实际位移信息向所述大位移驱动器和/或微位移驱动器发送修正信息，所述大位移驱动器和/或微位移驱动器根据所述修正信息继续带动所述平面移动平台相对于所述基座滑动。

作为本发明的一种改进，所述控制模块具有数据库，所述期望位移信息以及该所述期望位移信息对应的所述修正信息都会被录入所述数据库，所述控制模块接收所述期望位移信息后从所述数据库中调取所述修正信息并作为控制信息发送给所述大位移驱动器和/或微位移驱动器作为前馈误差补偿信息。

采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过在光栅刚体上设置两组以上的栅线组，并将光栅读数头和测头固定连接在基座上，实现了零阿贝误差设计，对导向元件的精度要求相对较低，成本也相对较低；同时，环境适应性较强，适用范围相对较广。

2、通过高精度闭环运动控制，实现近似理想的运动轨迹，实现虚拟几何标准，减少测量领域对高精度物理实体的依赖。

附图说明

图1为实施例中的测量装置的结构示意图；

图2为实施例中的光栅缸体和光栅读数头的配合结构示意；

图3为实施例中的闭环控制流程示意图；

图4为实施例中的光栅读数头的光路结构示意图；

图5为实施例中提供的另一种光栅读数头的光路结构示意图；

图6为实施例中提供的又一种光栅读数头的光路结构示意图。

上图省略部分零部件，图中对应标示如下：

10-基座； 20-平面移动平台；

21-第一传感器； 30-光栅刚体；

31-穿孔； 32-栅线组；

40-光栅读数头； 41-激光发射器；

42-第一分光元件； 43-第一相干模块；

44-偏振分光元件； 45-反射镜；

46-第二相干模块； 47-计算比较模块；

48-λ/4波片； 50-升降台；

51-面板； 61-半波片；

62-光电探测器 63-直角棱镜；

64-平行四边形棱镜； 65-消偏振分光棱镜。

具体实施方式

下面结合具体实施例对发明做进一步的说明：

如图1-图6所示，本实施例提供了一种基于分离式光栅的测量装置，该测量装置可以作为二维测量装置使用，也可以作为三维测量装置使用，当其作为二维测量装置使用时，也可以不设置下文将会提及的升降台50。

本实施例提供的测量装置包括控制模块(图中未示出)、基座10、水平滑动连接在基座10上的平面移动平台20、固定连接在平面移动平台20上的光栅刚体30以及分别固定连接在基座10上的光栅读数头40和测头(图中未示出)，其中，基座10具有位于光栅刚体30上方的支架(图中未示出)，测头固定连接在该支架上。平面移动平台为常规的三维测量装置中所使用的移动平台，如十字滑台等，并非本实施例的重点，此处不再详述。此外，测头和各光栅读数头40分别与控制模块通讯连接，以便传递信息，当然，控制模块为常规的测量装置中所使用的系统，此处也不再详述。

光栅刚体30为一体式平板结构，其与平面移动平台20的台面平行布置，光栅刚体30上开设有穿孔31，该穿孔最好为方形孔且位于光栅刚体30的中部位置；光栅刚体30上设置有两组以上的栅线组32，各栅线组32都包括多条相互平行且等间距依次排列的栅线，上述栅线组32最好位于光栅刚体30的边缘位置或者靠近光栅刚体30边缘的位置，每组栅线组32各自形成一个矩形区域，其可以采用常规的机械刻画技术或全息技术设置在光栅刚体30。光栅刚体30设置有栅线组32的一侧为栅面，需要说明的是，在本实施例中以光栅刚体30上设置有两组栅线组32为例进行说明，且在本实施例中，光栅刚体30的栅面为其下表面，即栅面朝下。

测头为常规的光栅式三维测量装置所使用的测头，其位于穿孔31内且与光栅刚体30的栅面位于同一平面。光栅读数头40的数量与栅线组32的数量相同，各光栅读数头40与各栅线组32一一对应布置，在本实施例中，位于光栅刚体30上的各栅线组32正下方都设置有一个光栅读数头40。测头与上述任一光栅读数头40之间的连线在光栅刚体30的栅面上的投影(即测量轴，也即各种位移测量线)都和与该光栅读数头40对应的栅线组32中的栅线垂直布置，这样可确保各轴测量线相交于测头的测量点，且能够构成静止坐标系，当平面移动平台20或下文将会提及的升降台移动时，坐标系不发生改变。优选的，在本实施例中，位于光栅刚体30上的两组栅线组32中的栅线相互垂直布置，其中一组栅线组32中的栅线的长度方向为X轴方向，与该栅线组32对应的光栅读数头40称为Y轴读数头，另一组栅线组32中的栅线的长度方向为Y轴方向，与该栅线组32对应的光栅读数头40称为X轴读数头，测头、对应的栅线组32以及Y轴读数头和X轴读数头共同构成分离式二位光栅干涉仪。

使用时，当平面移动平台20沿着X轴方向运动时，X轴读数头的入射光点作跨栅线运动，产生周期性弦波信号，通过控制模块对该信号的辨向计数和细分，可测得平台的X轴运动位移；与此同时，Y轴读数头的入射光点在对应的光栅上沿着栅线运动，不会产生弦波信号，即其测量线不会发生移动，；当平面移动平台20沿Y轴运动时，其情形亦然，因此，符合坐标系恒定这一零阿贝误差的先决条件。

为了实现三维测量，在本实施例中，平面移动平台20上竖直滑动连接有位于光栅刚体30的栅面下方的升降台50，具体的，平面移动平台20在于穿孔31对应的位置处开设有安装孔，升降台50设于该安装孔中。升降台50上滑动连接有一组栅线组32，该栅线组32竖直滑动连接在基座10上，且该栅线组32中的栅线都与光栅刚体30的栅面平行布置。具体的，该栅线组32设置在一面板51上，该面板51同时滑动连接在升降台50和基座10上，其底部为一平面度很高的近似理想平面，当然，基座10上同样设置有与该栅线组32对应布置的光栅读数头40，即Z轴读数头，测头、对应的栅线组32以及Z轴读数头共同构成一套一维光栅干涉仪。此外，该栅线组32位于测头的正下方，其栅线的排列方向为Z轴线方向(即竖直方向)，这样可确保Z轴的测量线与其他轴的测量线相交于测头的测量点，以实现零阿贝误差设计。

使用时，被测件置于升降台的台面上，当平面移动平台20带动升降台50在水平面上移动时，面板51及其上的栅线组32相对于升降台50滑动，当升降台50上下运动时，面板51及其上的栅线组32可在升降台50的带动下上下滑动，此时，Z轴读数头的入射光点作跨栅线运动，产生周期性弦波信号，而其他读数头不会产生弦波信号。

优选的，为了消除测量装置中存在的运动耦误差，在本实施例中，平面移动平台20上设置有用于检测升降台50的运动耦误差的第一传感器21，具体的，第一传感器21用于检测升降台50(即Z轴)运动时其在X轴和Y轴方向上出现的运动耦误差，至于Z轴方向出现的运动耦误差，可直接通过Z轴读数头测得。第一传感器21为可从市场上直接购买获得的位移传感器，如电感测微传感器、像散传感器、共焦传感器或涡流传感器等，且都与控制模块通讯连接，其中，第一传感器21有两对，每对有两个，即第一传感器21有四个，每对第一传感器中的两个第一传感器21都以升降台50的台面在初始状态下(即测量前的状态，可通过控制模块设置其位移为零)的中心线为中心对称布置，由于升降台50的台面为平面，其具有两条中心线(宽度方向和长度方向的中心线)，两对第一传感器的对称中心线为不同的升降台50的台面中心线，以其中一对的第一传感器为例，且以Y轴为例，假设X轴位移为0时，两个第一传感器21的读数都为零，假设在某位置(x1,y1,z1),两个第一传感器21位移读数分别为Δ1和Δ2，两个第一传感器21之间的间距为D，则在X轴上发生的运动耦合误差为Δ以下满足关系：

则可以得出：

控制模块根据上述运动耦合误差为Δ以测得并修正耦合误差。需要说明的是，平面移动平台20的每一轴(即每个运动方向都需要设置两个相互对称布置的第一传感器21)，此外，上述消耦合的结构要求传感器的接受部(如平面镜等)具有较高精度，由于目前光学制备工艺已经可以实现纳米级精度，并且成本很低，因此传感器的引入不会带来成本和装配难度的明显提升。

平面移动平台20的驱动方式可以为常规的方式，如手推等。优选的，基座10上设置有用于驱动平面移动平台20运动的大位移驱动器和微位移驱动器(图中都未示出)，即平面移动平台20的每一个运动方向(在本实施例中即X轴运动和Y轴运动)都通过大位移驱动器和微位移驱动器两个驱动器进行驱动，以便实现快速移动和微调。驱动器的具体类型及型号可以根据实际需要从市场上选购，在本实施例中，大位移驱动器为步进马达，微位移驱动器为压电陶瓷驱动器。同样的，升降台50也通过大位移驱动器和微位移驱动器进行驱动，此处不再重述。当然，每个大位移驱动器和微位移驱动器都连接有一对一配合的大位移控制器或微位移控制器。

本实施例提供的测量装置还具有闭环控制系统，以对平面磨移动平台20的移动控制为例，如图3所示，同时参考图1和图2所示，该闭环控制系统的实现方式如下：将期望位移信息(即期望平面移动平台20的移动轨迹，该信息的内容可以为直线、圆或者其他轨迹)输入控制模块后，控制模块根据期望位移信息通过大位移控制器或微位移控制器向各大位移驱动器和/或微位移驱动器发送控制信息(如不需要某一个驱动器工作，则对应的控制器不会收的控制信号，即没有收到控制信号这一行为本身就是一种信息)；各大位移驱动器和/或微位移驱动器根据控制信息带动平面移动平台20相对于基座10滑动，在这个过程中，会存在运动耦合以及外部干扰(如摩擦力和环境扰动等)，会影响移动精度，因此，在滑动的同时测头利用分离式二位光栅干涉仪将平面移动平台20的实际位移信息反馈给控制模块，控制模块再根据实际位移信息向大位移驱动器和/或微位移驱动器发送修正信息，大位移驱动器和/或微位移驱动器根据修正信息继续带动平面移动平台20相对于基座10滑动，以此提高移动精度，直至完成整个移动过程。也就是说，当平面移动平台20沿X轴运动时，分离式二维光栅干涉仪也可以实时测得Y轴的微小位移，这一“不期望”的运动耦合误差由运动系统的导向误差所产生，运动误差实时传递给微动平台，进行位置修正，通过这一闭环控制，可以使得常规精度的运动导向机构实现超高精度的运动控制，有助于降低测量装置对导向机构精度的依赖；此外，上述闭环控制，也可以为计量提供虚拟几何标准。

优选的，控制模块具有数据库并内置有自学算法(该算法为常规的算法，此处不再描述)，期望位移信息以及该期望位移信息对应的修正信息以及实际位移信息都会被录入所述数据库，在下一次接收到同样的期望位移时，控制模块接收期望位移信息后利用自学算法从数据库中调取修正信息并作为控制信息发送给所述大位移驱动器和/或微位移驱动器作为前馈误差补偿信息，即数据库中的信息可作为运动耦合前馈补偿信息发送给控制器，，从而减少控制的盲目性，帮助控制系统较快进入稳态。

本实施例中的光栅读数头40可以采用常规的光栅干涉仪所使用的读数头，如图5和图6所示即为两种可用于本实施例的光栅读数头的光路结构，这两种光路结构所采用的半波片61、光电探测器62、直角棱镜63、平行四边形棱镜64和消偏振分光棱镜65都为常规的光学元件，此处不再详述。为了直流干扰的影响，本实施例中的光栅读数头40采用了高容差光路设计，并采用了双拼干涉技术，具体的，如图4所示，本实施例中的光栅读数头40包括激光发射器41、用于接收激光发射器41发出的双频激光的第一分光元件42、分别用于接收第一分光元件42射出的光束的第一相干模块43和偏振分光元件44、用于将偏振分光元件44射出的光束反射到对应的栅线组32上的反射镜45、与偏振分光元件44配合的第二相干模块46以及分别与第一相干模块43和第二相干模块46连接的计算比较模块47，其中，激光发射器41为可从市场上直接购买获得的He-Ne激光器，He-Ne激光器为双频激光器，由于采用双频激光器作光源，采用交流信号的相位差解位移，该设计可有效避免直流漂移带来的测量误差(对于本实施例而言，当光栅读数头40相对于对应的栅线组32作沿栅线方向的相对运动时，理论上不应产生信号电平的变化，然而由于光栅片的反射率差异，直流漂移不可避免。使用双频干涉可以有效消除直流干扰)。第一分光元件42和偏振分光元件44都为分光棱镜，但是作为偏振分光元件44的分光棱镜上设置有λ/4波片48(其中λ为光的波长)，反射镜45有多个，其位置需要根据实际需要布置，以确保光速入射栅线组32后可沿路返回，这样可以保证光路与栅线组32之间的距离改变不会影响干涉现象的发生，具有良好的运动容差性能，安装也较为方便。此外，计算比较模块47包括两个分别与第一相干模块43和第二相干模块46连接的积分模块以及用于比较两个积分模块的相位比较模块。第一相干模块43和第二相干模块46以及计算比较模块47都为常规的模块，此处也不再详述。

使用时，He-Ne激光器发出的双频激光束含有f1和f2两种极其接近的频率，该双频激光束经过第一分光元件42被分成两束，其中一束直接进入第一相干模块形成拍频干涉，即为静态干涉，作为参考分量；另一束射入偏振分光元件44，频率为f1和f2的光由于其自身的偏振态而分别发生透射和反射(在本实施例中以f1为透射、f2为反射进行说明)，分别借助不同的反射镜45入射处于运动状态的栅线组32，且其衍射光分别循原路返回，由于多普勒频移的作用，两束衍射光的频率分别变为f1+Δf和f2-Δf；由于λ/4波片48的作用，两束光在穿过λ/4波片48后，其偏振态发生了改变，原先透射的光束第二次经过偏振分光元件44时发生了反射，原先反射的光束第二次经过偏振分光元件44时发生了透射，因此两路光束不会回到He-Ne激光器，而是进入第二相干模块，产生频率为f1-f2-2Δf的干涉信号，该信号与频率为f1-f2的参考干涉信号经过积分和比较运算，即可得出光栅片的位移信息，其物理原理是：多普勒频移Δf与速度成正比，经过积分运算后即可得出位移；而通过比较运算可以消除f1-f2的分量，在此过程中f1-f2分量并不影响位移计算结果，只是作为载波存在。在上述光路中，两路干涉光束光程相等，且有奇偶性相同的反射次数，因此当栅线组32发生偏摆时，两光束不会分开，从而保证良好的干涉强度。

上面结合附图对本发明做了详细的说明，但是本发明的实施方式并不仅限于上述实施方式，本领域技术人员根据现有技术可以对本发明做出各种变形，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于分离式光栅的测量装置，其特征在于，包括控制模块、基座、水平滑动连接在所述基座上的平面移动平台、固定连接在所述平面移动平台上的光栅刚体以及分别固定连接在所述基座上的光栅读数头和测头，所述光栅刚体上开设有穿孔，所述测头位于所述穿孔内且与所述光栅刚体的栅面位于同一平面，所述光栅刚体上设置有两组以上的栅线组，所述栅线组包括多条相互平行且等间距依次排列的栅线，所述光栅读数头的数量与所述栅线组的数量相同，各所述光栅读数头与各所述栅线组一一对应布置，且所述测头与所述光栅读数头之间的连线在所述光栅刚体的栅面上的投影和与该光栅读数头对应的所述栅线组中的所述栅线垂直布置，所述测头和各所述光栅读数头分别与所述控制模块通讯连接；

所述平面移动平台上竖直滑动连接有位于所述光栅刚体的栅面下方的升降台，所述升降台上滑动连接有一组所述栅线组，该栅线组竖直滑动连接在所述基座上；

所述光栅刚体上设置有两组所述栅线组，两组所述栅线组中的所述栅线相互垂直布置；

所述平面移动平台上设置有用于检测所述升降台的运动耦误差的第一传感器，所述第一传感器有两对，每对中的两个所述第一传感器以所述升降台的台面的中心线为中心对称布置；

所述基座上设置有用于驱动所述平面移动平台运动的大位移驱动器和微位移驱动器；

所述光栅读数头包括激光发射器、用于接收所述激光发射器发出的双频激光的第一分光元件、分别用于接收所述第一分光元件射出的光束的第一相干模块和偏振分光元件、用于将所述偏振分光元件射出的光束反射到对应的所述栅线组上的反射镜、与所述偏振分光元件配合的第二相干模块以及分别与所述第一相干模块和所述第二相干模块连接的计算比较模块；

将期望位移信息输入所述控制模块后，所述控制模块根据所述期望位移信息向所述大位移驱动器和/或微位移驱动器发送控制信息，所述大位移驱动器和/或微位移驱动器根据所述控制信息带动所述平面移动平台相对于所述基座滑动，同时所述测头将所述平面移动平台的实际位移信息反馈给所述控制模块，所述控制模块再根据所述实际位移信息向所述大位移驱动器和/或微位移驱动器发送修正信息，所述大位移驱动器和/或微位移驱动器根据所述修正信息继续带动所述平面移动平台相对于所述基座滑动。

2.如权利要求1所述的基于分离式光栅的测量装置，其特征在于，所述大位移驱动器为步进马达，所述微位移驱动器为压电陶瓷驱动器。

3.如权利要求1所述的基于分离式光栅的测量装置，其特征在于，所述控制模块具有数据库，所述期望位移信息以及该所述期望位移信息对应的所述修正信息都会被录入所述数据库，所述控制模块接收所述期望位移信息后从所述数据库中调取所述修正信息并作为控制信息发送给所述大位移驱动器和/或微位移驱动器作为前馈误差补偿信息。