光栅尺动态误差的检测系统及检测方法
阅读说明：本技术 光栅尺动态误差的检测系统及检测方法 (System and method for detecting dynamic error of grating ruler ) 是由 徐全坤 黄振宇 阚侃 张向 谭翠媚 罗旭东 于 2020-07-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了光栅尺动态误差检测系统,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。(The invention discloses a grating ruler dynamic error detection system, which comprises a first device, a second device and a third device, wherein the first device is used for acquiring the real-time position of a grating ruler to be detected; the second device is used for determining the reference position of the grating ruler to be measured; the signal acquisition controller is used for sending the position signals acquired by the first device and the second device to the computer; and the computer compares the received position signals to determine the dynamic error of the grating ruler. The detection system adopts laser interference as a length reference, realizes the simulation of different operation working conditions of the grating ruler through a servo linear motor, designs a double-path signal acquisition and processing system based on the FPGA, realizes the synchronous acquisition of reference signals and real-time signals, and analyzes and displays the measurement result through data storage and subsequent transmission processing.)
技术领域
本发明涉及光栅尺性能检测技术领域，更具体地，涉及光栅尺动态误 差的检测系统及检测方法。
背景技术
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。
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。
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。
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。
发明内容
为解决上述问题，本发明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：
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。
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。
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。
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。
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 置有两种情况：
(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。
(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。
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。
为了避免信号采集引起的同步误差，本发明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。
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。
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。
本发明上述激光器、干涉镜、导轨、伺服直线电机置于同一工作台架 (防震台)上。
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。
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。
本发明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。
第二方面，本发明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：
(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)；
(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；
(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)
E(t,v,a,T)＝P(t,v,a,T)-L(t,v,a,T) (1)
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。
在一些具体的实施方式中，测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)
ΔE(x,v,a,T)＝Ef(x,v,a,T)-Eb(x,v,a,T) (2)
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
图1为本发明光栅尺动态误差的检测系统的立体图；
图2为本发明信号采集控制器的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发 明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供一种光栅尺动态误差检测系统，包括： 光栅尺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。
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。
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，伺服直线电机控制器9与计算机10连接。
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。
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。
本实施例中，直线电机8通过直线电机伺服控制器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。
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。
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。
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。
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。
图2所示为信号采集控制器11的一个实施例的结构图。
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。
高速AD芯片1和高速AD芯片2同时进行双路数据采集，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。
本发明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：
(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)；
(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；
(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)
E(t,v,a,T)＝P(t,v,a,T)-L(t,v,a,T) (1)
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。
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。
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。
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误差的差值，即式(2)
ΔE(x,v,a,T)＝Ef(x,v,a,T)-Eb(x,v,a,T) (2)
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。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其 限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的精神和范围。