一种考虑安装误差的光栅读数头非一致性误差补偿方法技术

本发明专利技术提供的是一种考虑安装误差的光栅读数头非一致性误差补偿方法，属于精密测量领域。所述补偿方法包括：对安装误差进行定义、选取和分析，将安装误差项范围进行设定；通过各误差相互对比得到不同安装误差下的模型误差变化量，建立含有安装误差的位移测量模型；规划测量路径，设定测量点，采用3个读数头模型计算工作台位置，并由工作台位置计算出读数头4位移；将计算位移和实测位移做差，得到第4读数头差值位移面型；利用位移面型拟合与X、Y位置系数，补偿实际位置处的读数头4位移面型。本发明专利技术可用于运动台安装误差和读数头非一致性误差分析、光栅尺位移测量系统的位移测量优化、机床定位、校准。校准。校准。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑安装误差的光栅读数头非一致性误差补偿方法
(一)

[0001]本专利技术涉及的是一种考虑安装误差的光栅读数头非一致性误差补偿方法，可用于运动台位移测量优化、机床定位、校准等领域，属于精密位移测量

(二)
技术介绍

[0002]光栅测量系统作为精密位移传感器，广泛应用于需要高精度及高分辨率的定位装置中，其测量精度直接影响装置的定位及重复定位精度,另一方面，随着微纳加工、半导体等技术的发展，对精密加工机床、电子制造设备等都提出了更高的定位精度及重复定位精度要求，因此对光栅尺的测量精度提出了挑战。
[0003]传统的位移测量系统采用激光干涉仪来测量运动台位置，该系统是一种比较成熟的超精密测量系统，能够测量亚纳米量级的位移变化量并进行大量程的测量，但激光干涉仪在大量程范围下对环境等因素较为敏感，不能满足更高精度的测量需求。目前普遍采用光栅尺来替代激光干涉仪作为位移测量的标尺。与激光干涉仪相比，光栅尺位移测量系统鲁棒性强，有良好的抗干扰能力，也能够满足运动台位移测量的精度需求。光栅尺以光栅周期作为测量基准，具有测量光程短，环境变化敏感性低等优点，测量精度亦可达到亚纳米量级。
[0004]根据矢量衍射理论推导出光斑位移与测量光束相位差之间的关系表达式，利用相位差相等建立关系式，可以推导出描述光斑位移与光栅尺测量计数之间变化关系的位移模型；其次根据测量系统的布局，定义所需参量，通过坐标系转换关系式，可以建立描述光斑位移与运动台位置变化关系的位置模型。最后根据位移相等原则将位移模型和位置模型这两者建立等式，得到光栅尺测量计数与运动台之间变化关系的测量系统全局模型。因此可以直接利用光栅尺测量计数来间接求解运动台位置。
[0005]在光栅干涉仪装配的过程中，光栅以及读数头的安装误差是不可控因素，对光栅干涉仪的测量精度和行程范围有较大影响，因此提出了一种基于光栅干涉仪解算模型的光栅干涉仪安装误差范围的计算方式以及对应的测量系统结构布局。现有技术通过仿真的方式给出了光栅干涉仪几类安装误差的参考范围，没有具体考虑每个读数头和光栅的安装误差允许范围。即现有的技术方式不能明确的给出光栅干涉仪中每个读数头或者每块光栅安装误差的阈值，因此提出一种方法用于计算光栅干涉仪每个读数头或者每块光栅安装误差的限定值。
[0006]在解算运动台运动轨迹时一般对读数头非一致性误差的处理方法有两种，一是假定系统处于理想状态，不存在读数头非一致性误差，4读数头区域内设定的期望位置与测得的位置一致；二是考虑到读数头的非一致性误差是必然存在的，读数头的非一致性误差会对测量模型误差造成影响，为了完整描述位移台的位置变化关系，应考虑读数头的非一致性误差对测量系统造成的影响。
(三)
技术实现思路

[0007]为了克服上述现有技术中，光栅尺位移测量系统中的安装误差以及读数头的非一致性误差导致设备精度降低的技术缺陷，本专利技术提供一种考虑安装误差的光栅读数头非一致性误差补偿方法。
[0008]本专利技术公开一种考虑安装误差的光栅读数头非一致性误差补偿方法，具体包括以下步骤：
[0009]步骤S1：定义安装误差，选取安装误差项。安装误差分为平移和旋转两种，平移包括沿X、Y、Z轴正负方向的平移；旋转包括沿R
X
轴、R
Y
、R
Z
正负方向的旋转。其中在X和Y自由度的位移测量只与光斑初末位置有关，光栅在X和Y轴的平移误差不会对测量系统有影响，Z自由度的变化影响光斑重合度，此项变化在测量模型中有考虑，所以本专利技术主要考虑光栅旋转误差、读数头旋转误差和读数头平移误差三类安装误差。
[0010]步骤S2：设定安装误差取值范围，将安装误差引入测量模型中。首先根据系统设计情况可将每块光栅和每个读数头造成的安装误差平移量与旋转量的大小和方向限定在一定范围内，对测量系统各安装误差项和各安装误差项的取值范围进行设定。然后将光栅的旋转误差、读数头的平移和旋转误差采取两两组合对比的方法引入测量模型，两两对比时其他误差项设为安装所能达到的极限值，其他两类误差按照一定规律进行变化，观察误差项对测量模型精度及六自由度解算误差的影响情况。
[0011]步骤S3：规划测量路径，设定测量点，并由3读数头组合运动台位置计算读数头4位移。控制运动台沿设计路径移动，在每个测量点读取光栅干涉仪数据，分别依次读取不同的3读数头组合来计算的运动台位置，然后利用每组中一个读数头组合来计算由工作台位置推导出的第4个读数头位移。
[0012]步骤S4：执行测量，将工作台从3读数头切换到4个读数头有效的测量点进行测量。规划测量路径，设置测量点，依次将工作台从不同的测量区域切换到4个读数头有效的各个测量点处执行测量。
[0013]步骤S5：将计算位移和实测位移做差，得到读数头4的位移不一致性误差。将计算的读数头4位移与实际测量的读数头4位移作差，得到差值不为零，存在读数头位移值的非一致性，即得到了读数头4的位移不一致性误差。
[0014]步骤S6：使用位移面型拟合与X、Y位置的系数，补偿实际位置处的读数头4位移面型。首先利用位移模型求解出X、Y位移模型系数，求解出补偿实际位置处测量点差值坐标，其次利用差值坐标来补偿实际位置处的位移，得到补偿后的读数头4的位移面型。最后将每组中3读数头组合分别计算运动台位置差值与对实测的位移进行补偿后再次计算两种读数头组合的运动台位置差值进行对比比较，以此来验证考虑安装误差的光栅读数头非一致性误差补偿方法的有效性。
[0015]如上所述，本专利技术一种考虑安装误差的光栅读数头非一致性误差补偿方法，具有以下有益结果：
[0016]本专利技术能够直接用于光栅干涉仪位移测量系统中安装误差限定值的设定以及读数头位移非一致性补偿，达到运动台位移测量优化和提高精度的目的。
(四)附图说明
[0017]图1考虑安装误差的光栅读数头非一致性误差补偿方法的测量流程图。
[0018]图2光栅和读数头安装误差示意图。
[0019]图3考虑安装误差的光栅读数头非一致性误差补偿方法的具体实施流程图。
(五)具体实施方式
[0020]下面结合具体的实施例来进一步阐述本专利技术。
[0021]以下由特定的具体实施例说明本专利技术的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点及功效。
[0022]请参阅图1至图3。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本专利技术可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本专利技术所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本专利技术所揭示的
技术实现思路
得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本专利技术可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更
技术实现思路
下，当亦视为本专利技术可实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑安装误差的光栅读数头非一致性误差补偿方法。所述补偿方法包括：对安装误差进行定义、选取和分析，将安装误差项范围进行设定；通过各误差相互对比得到不同安装误差下的模型误差变化量，建立含有安装误差的位移测量模型；规划测量路径，设定测量点，采用3个读数头模型计算工作台位置，并由工作台位置计算出读数头4位移；将计算位移和实测位移做差，得到第4读数头差值位移面型；利用位移面型拟合与X、Y位置系数，补偿实际位置处的读数头4位移面型。2.根据权利要求1所述的一种考虑安装误差的光栅读数头非一致性误差补偿方法，其特征是：选取并引入测量模型的安装误差包括光栅旋转误差、读数头旋转误差和读数头平移误差。光栅旋转误差、读数头旋转误差和读数头平移误差三类误差项采取两两组合对比的方法引入测量模型，两两对比时第三类误差项设为安装所能达到的极限值。3.根据权利要求2所述的一种考虑安装误差的光栅读数头非一致性误差补偿方法，其特征是：设定...

【专利技术属性】
技术研发人员：张文涛，韩雪，杜浩，熊显名，李承航，谷兴泉，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：