CN115325941B - 一种光栅尺的误差补偿方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光栅尺的误差补偿方法及装置，其中方法包括：收集控制器的输出信息和光栅尺的实时位置信息；利用输出信息和实时位置信息得到若干个误差值，汇总误差值绘制成误差曲线；分析误差曲线，对输出信息进行误差补偿。通过在待测设备上收集设备控制器的输出信息和光栅尺的实时位置信息，利用输出信息和实时位置信息得到若干个误差值，对输出信息进行误差补偿，使得控制器得到反馈信息与光栅尺的实时位置信息匹配，从而提高设备精度。

Description

一种光栅尺的误差补偿方法及***

技术领域

本发明涉及的领域，具体涉及一种光栅尺的误差补偿方法及***。

背景技术

线光栅尺作为线位移传感器，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。

然而，现有的光栅尺在实际使用过程中，由于存在安装误差等误差因素，会在测量过程中造成实际测量值与设备控制器输出信息之间存在误差的结果，导致设备精度降低。

发明内容

为了克服上述现有技术中，光栅尺在测量过程中存在误差，导致设备精度降低的技术缺陷，本发明提供一种光栅尺的误差补偿方法及***。

为了解决上述问题，本发明按以下技术方案予以实现的：

第一方面，本发明公开一种光栅尺的误差补偿方法，包括以下步骤：

收集控制器的输出信息和光栅尺的实时位置信息；

利用输出信息和实时位置信息得到若干个误差值，汇总误差值绘制成误差曲线；

分析误差曲线，对输出信息进行误差补偿。

作为一种优选实施，收集控制器的输出信息和光栅尺的实时位置信息，具体包括以下步骤：

在光栅尺上选取若干测量点；

控制器向伺服直线电机服控制器发送输出信息，使光栅读数头到达测量点；

通过控制器向伺服直线电机发送控制指令，使伺服直线电机的动子带动移动滑块、光栅读数头一起运动，通过光栅读数头得到实时位置信息；

对各个测量点进行多次测量后，对输出信息和对实时位置信息进行记录收集。

作为一种优选实施，利用输出信息和实时位置信息得到若干个误差值，汇总误差值绘制成误差曲线，具体包括以下步骤：

利用输出信息和实时位置信息得到若干个误差值；

对各个测量点的误差值进行统计；

取各测量点的均值作为数据拟合点，绘制误差曲线。

作为一种优选实施，分析误差曲线，对输出信息进行误差补偿，具体包括以下步骤：

把误差曲线分解为振动误差曲线、安装误差常量和其他误差曲线；

基于最小二乘准则，用统计回归方法拟合出振动误差曲线公式以及安装误差为常变量值；

利用振动误差曲线公式和常变量值，对输出信息进行误差补偿。

作为一种优选实施，分析误差曲线，对输出信息进行误差补偿，具体包括以下步骤：

建立误差补偿模型，设置环境变量；

将所有的误差值随机分成训练集和测试集，

利用训练集对误差补偿模型进行训练，得到训练好的误差补偿模型；

利用测试集对误差补偿模型进行测试，对环境变量进行修正；

根据所述误差补偿模型对控制器输出的控制信息进行补偿。

作为一种优选实施，所述环境变量包括振动变量、安装变量和温度变量。

第二方面，本发明公开一种光栅尺的误差补偿***，其特征在于，包括：

光栅尺，包括光栅和光栅读数头；

第一装置，用于驱动光栅读数头以及输出获取待测光栅尺的控制信息；

第二装置，用于确定待测光栅尺的实时位置信息；

信号采集控制器，收集并发送第一装置的控制信息和第二装置获取的实时位置信息；

控制器，对接收到的控制信息和位置信号进行比较，确定光栅尺的测量误差。

作为一种优选实施，所述误差补偿***还包括导轨和可沿导轨方向滑动的移动滑块；

所述第二装置包括激光干涉组件，激光干涉组件包括激光器、干涉镜和反射镜；

所述激光器、干涉镜在导轨上依次设置；所述反射镜位于移动滑块上。

作为一种优选实施，第一装置包括光栅读数头驱动装置，所述光栅读数头驱动装置包括伺服直线电机；

所述光栅读数头固定于移动滑块或导轨上，计算机通过伺服直线电机控制器控制伺服直线电机；

所述伺服直线电机的定子与导轨固定，所述移动滑块与伺服直线电机的动子固定，伺服直线电机的动子可带动移动滑块一起运动。

作为一种优选实施，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；

激光干涉组件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。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过在待测设备上收集设备控制器的输出信息和光栅尺的实时位置信息，利用输出信息和实时位置信息得到若干个误差值，对输出信息进行误差补偿，使得控制器得到反馈信息与光栅尺的实时位置信息匹配，从而提高设备精度。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：

图1是本发明所述光栅尺的误差补偿方法的一种实施方式的流程示意图一；

图2是本发明所述光栅尺的误差补偿***的一种实施方式的结构框架图二。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施例。虽然附图中显示了本公开的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

访问设备和服务器可以通过有线或无线通信方式进行直接或间接地连接。访问设备可以是终端，也可以是服务器。访问设备上运行了目标应用。目标应用是能够向服务器发起数据请求的应用程序，如社交应用、支付应用、游戏应用等。服务器可以是目标应用提供服务的应用服务器，也可以是区别与目标应用所对应应用服务器的代理服务器。服务器用于识别每个访问设备是否属于恶意设备，对来自恶意设备的数据报文进行拦截。当服务器为代理服务器时，代理服务器将不属于来自恶意设备的数据报文转发至应用服务器。终端具体可以是台式终端或移动终端，移动终端具体可以智能手机、平板电脑、笔记本电脑、台式计算机、智能音箱、智能手表等，但并不局限于此。服务器与服务器分别可以是独立的物理服务器，也可以是多个物理服务器构成的服务器集群或者分布式***，还可以是提供云服务、云数据库、云计算、云函数、云存储、网络服务、云通信、中间件服务、域名服务、安全服务、CDN、以及大数据和人工智能平台等基础云计算服务的云服务器。

实施例1

第一方面，如图1所示，本发明实施例公开一种光栅尺的误差补偿方法，包括以下步骤：

步骤S1：收集控制器的输出信息和光栅尺的实时位置信息。其中，

步骤S11：在光栅尺上选取若干测量点。具体的，所述光栅尺为绝对光栅尺，所述绝对光栅尺包括光栅和光栅读数头，所述测量点均匀分布光栅尺的光栅上。

步骤S12：控制器向伺服直线电机服控制器发送输出信息，所述输出信息包括控制指令，所述控制指令包括速度指令和位移指令，用于控制光栅读数头到达测量点。

步骤S13：通过控制器向伺服直线电机的伺服控制器发送控制指令，使伺服直线电机的动子带动移动滑块、光栅读数头一起运动，通过光栅读数头读取光栅上的莫尔条纹得到实时位置信息，并上传到控制器中。具体的，所述控制器为计算机。

步骤S14：对各个测量点进行多次测量后，对输出信息和实时位置信息进行记录收集。通过多次测量，避免偶然误差的出现。

步骤S2：利用输出信息和实时位置信息得到若干个误差值，汇总误差值绘制成误差曲线。

其中，

步骤S21：利用输出信息和实时位置信息得到若干个误差值。

步骤S22：对各个测量点的误差值进行统计。

步骤S23：取各测量点的均值作为数据拟合点，绘制误差曲线。

得到误差曲线后，依次使用一次线性补偿、分段线性补偿以及基于误差补偿模型的神经网络补偿算法来进行修正，获取补偿数据。

步骤S3：分析误差曲线，对输出信息进行误差补偿。其中，

在一种实施方式中，

步骤S311：把误差曲线分解为振动误差曲线、安装误差常量和其他误差曲线。

步骤S312：基于最小二乘准则，用统计回归方法拟合出振动误差曲线公式以及安装误差为常变量值。

在一种实施方式中，使用一次线性函数对光栅尺进行全程范围线性补偿，具体的，使用MATLAB工具对误差曲线进行一次线性拟合，得到拟合函数f(x)＝ax+b+c+y(x)，所述振动误差曲线为f1＝ax+b，所述安装误差为f2＝c，所述其他误差曲线为f3＝y(x)。通过

在一种实施方式中，使用分段线性函数对光栅尺进行分段线性补偿，具体的，把光栅尺的测量点分为几段连续的补偿区域，每个区域用插值的方式建立补偿函数。具体如一次线性函数补偿相似，即在每段补偿区域中使用一次线性函数补偿的方法。

步骤S313：利用振动误差曲线公式和常变量值，对输出信息进行误差补偿。或者，

在另一种实施方式中，

步骤S321：分析误差曲线，对输出信息进行误差补偿，具体包括以下步骤：

步骤S322：建立误差补偿模型，设置环境变量。其中，所述环境变量包括振动变量、安装变量和温度变量。设备在使用过程中，随着光栅读数头的测量速度加快即设备输出部件的运行速度加快，工作台很大可能会受到振动的影响；此外，光栅尺在安装过程中不可避免地存在安装误差以及在使用过程中受温度变化而装配间隙热胀冷缩，其中，所述安装误差包括阿贝误差和余弦误差。

步骤S323：将所有的误差值随机分成训练集和测试集。

步骤S324：利用训练集对误差补偿模型进行训练，得到训练好的误差补偿模型。

步骤S325：利用测试集对误差补偿模型进行测试，对环境变量进行修正。

步骤S326：根据所述误差补偿模型对控制器输出的控制信息进行补偿。

步骤S327：利用搭建好的检测平台进行误差检测，对补偿进行二次修正。

通过建立误差补偿模型，利用包含大量误差值的误差数据对误差补偿模型进行训练和测试，得到补偿好的误差补偿模型，进而利用误差补偿模型对控制器输出的控制信息，使设备中光栅尺的实际位置信息与控制信息相同或误差减小，提高设备的加工精度或输出精度。

综上所述，本发明实施例所述方法在待测设备上收集设备控制器的输出信息和光栅尺的实时位置信息，利用输出信息和实时位置信息得到若干个误差值，对输出信息进行误差补偿，使得控制器得到反馈信息与光栅尺的实时位置信息匹配，从而提高设备精度。

本实施例所述的一种光栅尺的误差补偿方法的其它步骤参见现有技术。

实施例2

第二方面，如图2所示，本发明实施例公开一种光栅尺的误差补偿***，包括：

信息采集模块，用于收集控制器的输出信息和光栅尺的实时位置信息；

比对补偿模块，用于比对输出信息和实时位置信息得到若干个误差值，汇总误差值绘制成误差曲线，并分析误差曲线，对输出信息进行误差补偿。

本实施例创造性地，所述信息采集模块包括第一装置、第二装置和信号采集控制器，所述第一装置用于驱动光栅读数头以及输出获取待测光栅尺的控制信息，所述第二装置用于确定待测光栅尺的实时位置信息，所述信号采集控制器，用于收集并发送第一装置的控制信息和第二装置获取的实时位置信息；所述比对补偿模块包括控制器，所述控制器对接收到的控制信息和位置信号进行比较，确定光栅尺的测量误差并对测量误差进行补偿。

本实施例创造性地，所述误差补偿***还包括导轨和可沿导轨方向滑动的移动滑块；所述第二装置包括激光干涉组件，激光干涉组件包括激光器、干涉镜和反射镜；所述激光器、干涉镜在导轨上依次设置；所述反射镜位于移动滑块上。通过激光器控制激光束以平移的运动方式进行移动，借助干涉镜、反射镜和光学成像***实现激光束在像平面上的移动。经过激光干涉组件中的f-θ透镜矫正畸变后成像到感光鼓上，完成信息的转移，实现光栅尺实时位置信息的获取。采用激光干涉***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。

在一种实施方式中，第二装置包括双激光干涉组件，所述双激光干涉组件包括双频激光器、分光镜、接收器和处理器，所述接收器包括光电转换器，所述处理器包括激光计数轴卡。从双频激光器发射出来的激光分为两束，一束作为参考信号，另外一束用于测量工件台的位移。测量光束以一定的角度出射到光栅的光学面，并发生衍射，当入射光角度满足Littrow角时，会使得光束的+1级衍射光沿原路返回至光栅读数头，再经由光栅读数头内部角隅棱镜反射，作为二次出射光束在光栅光学面发生二次衍射，并同样沿原路返回至光栅读数头；接收器中的光电转换器将入射到其上的测量信号转换为交流电压信号，之后通过相关电路将交流电压信号转换为具有与测量信号拍频一致的方波电压信号，并传输给激光计数轴卡；最后激光计数轴卡进行电学细分和计数，即可获得测量信号的莫尔条纹数。根据平面光栅尺获取的莫尔条纹数，计算出光斑的位移，并通过坐标系的转化关系，将光斑的位移转化为移动滑块的位置信息。

本实施例创造性地，第一装置包括光栅读数头驱动装置，所述光栅读数头驱动装置包括伺服直线电机；所述光栅读数头固定于移动滑块或导轨上，计算机通过伺服直线电机控制器控制伺服直线电机；所述伺服直线电机的定子与导轨固定，所述移动滑块与伺服直线电机的动子固定，伺服直线电机的动子可带动移动滑块一起运动。

本实施例创造性地，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；激光干涉组件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。第一数据采集模块和第二数据采集模块同时进行双路数据采集，分别采集激光干涉***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。

综上所述，本发明实施例所述***在运行时，可执行实施例1中所述的一种光栅尺的误差补偿方法的全部步骤。

本实施例所述的一种光栅尺的误差补偿***的其它结构参见现有技术。

这里参照根据本公开实施例的方法、装置(***)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本公开的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。

这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理单元，从而生产出一种机器，使得这些指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理单元执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机可读程序指令存储在计算机可读存储介质中，这些指令使得计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作，从而，存储有指令的计算机可读介质则包括一个制造品，其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。

附图中的流程图和框图显示了根据本公开的多个实施例的***、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，上述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的***来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

以上已经描述了本公开的各实施方式，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施方式。在不偏离所说明的各实施方式的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施方式的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其他普通技术人员能理解本文披露的各实施方式。

Claims (2)

1.一种光栅尺的误差补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

收集控制器的输出信息和光栅尺的实时位置信息，具体包括以下步骤：在光栅尺上选取若干测量点；控制器向伺服直线电机控制器发送输出信息；通过控制器向伺服直线电机发送控制指令，使伺服直线电机的动子带动移动滑块、光栅读数头一起运动，通过光栅读数头得到实时位置信息；对各个测量点进行多次测量后，对输出信息和实时位置信息进行记录收集；其中，通过信息采集模块收集控制器的输出信息和光栅尺的实时位置信息，所述信息采集模块包括第一装置、第二装置和信号采集控制器，所述第一装置用于驱动光栅读数头以及输出获取待测光栅尺的控制信息，所述第二装置用于确定待测光栅尺的实时位置信息，所述信号采集控制器，用于收集并发送第一装置的控制信息和第二装置获取的实时位置信息；比对补偿模块包括控制器，所述控制器对接收到的控制信息和位置信号进行比较，确定光栅尺的测量误差并对测量误差进行补偿；第一装置包括光栅读数头驱动装置，所述光栅读数头驱动装置包括伺服直线电机；所述光栅读数头固定于移动滑块或导轨上，计算机通过伺服直线电机控制器控制伺服直线电机；所述伺服直线电机的定子与导轨固定，所述移动滑块与伺服直线电机的动子固定，伺服直线电机的动子可带动移动滑块一起运动；

所述第二装置包括双激光干涉组件，所述双激光干涉组件包括双频激光器、分光镜、接收器和处理器，所述接收器包括光电转换器，所述处理器包括激光计数轴卡，从双频激光器发射出来的激光分为两束，一束作为参考信号，另外一束用于测量工件台的位移；

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；所述第一数据采集模块与第一衰减电路相连；光栅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；

利用输出信息和实时位置信息得到若干个误差值，汇总误差值绘制成误差曲线，具体包括以下步骤：利用输出信息和实时位置信息得到若干个误差值；对各个测量点的误差值进行统计；取各测量点的均值作为数据拟合点，绘制误差曲线；把误差曲线分解为振动误差曲线、安装误差常量和其他误差曲线；拟合出振动误差曲线公式以及安装误差为常变量值；利用振动误差曲线公式和常变量值，对输出信息进行误差补偿；

分析误差曲线，对输出信息进行误差补偿，具体包括以下步骤：建立误差补偿模型，设置环境变量，所述环境变量包括振动变量、安装变量和温度变量；将所有的误差值随机分成训练集和测试集；利用训练集对误差补偿模型进行训练，得到训练好的误差补偿模型；利用测试集对误差补偿模型进行测试，对环境变量进行修正；根据所述误差补偿模型对控制器输出的控制信息进行补偿。

2.一种光栅尺的误差补偿***，其特征在于，包括：

信息采集模块，用于收集控制器的输出信息和光栅尺的实时位置信息；所述信息采集模块包括第一装置、第二装置和信号采集控制器，所述第一装置用于驱动光栅读数头以及输出获取待测光栅尺的控制信息，所述第二装置用于确定待测光栅尺的实时位置信息，所述信号采集控制器，用于收集并发送第一装置的控制信息和第二装置获取的实时位置信息；比对补偿模块包括控制器，所述控制器对接收到的控制信息和位置信号进行比较，确定光栅尺的测量误差并对测量误差进行补偿；第一装置包括光栅读数头驱动装置，所述光栅读数头驱动装置包括伺服直线电机；所述光栅读数头固定于移动滑块或导轨上，计算机通过伺服直线电机控制器控制伺服直线电机；所述伺服直线电机的定子与导轨固定，所述移动滑块与伺服直线电机的动子固定，伺服直线电机的动子可带动移动滑块一起运动；

所述第二装置包括双激光干涉组件，所述双激光干涉组件包括双频激光器、分光镜、接收器和处理器，所述接收器包括光电转换器，所述处理器包括激光计数轴卡，从双频激光器发射出来的激光分为两束，一束作为参考信号，另外一束用于测量工件台的位移；

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；所述第一数据采集模块与第一衰减电路相连；光栅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；

比对补偿模块，用于比对输出信息和实时位置信息得到若干个误差值，汇总误差值绘制成误差曲线，并分析误差曲线，对输出信息进行误差补偿，具体包括以下步骤：利用输出信息和实时位置信息得到若干个误差值；对各个测量点的误差值进行统计；取各测量点的均值作为数据拟合点，绘制误差曲线；把误差曲线分解为振动误差曲线、安装误差常量和其他误差曲线；拟合出振动误差曲线公式以及安装误差为常变量值；利用振动误差曲线公式和常变量值，对输出信息进行误差补偿；

其中，所述比对补偿模块分析误差曲线，对输出信息进行误差补偿，具体执行以下步骤：

建立误差补偿模型，设置环境变量，所述环境变量包括振动变量、安装变量和温度变量；将所有的误差值随机分成训练集和测试集；利用训练集对误差补偿模型进行训练，得到训练好的误差补偿模型；利用测试集对误差补偿模型进行测试，对环境变量进行修正；根据所述误差补偿模型对控制器输出的控制信息进行补偿。