定位与测量系统

定位与测量系统2011年4月

目录

1前言 (2)

2常见的定位与测量系统及工作原理 (3)

2.1双频激光干涉仪定位测量系统 (3)

2.2光栅尺位移定位测量系统 (4)

2.3电容传感器定位测量系统 (4)

2.4平面编码器定位测量系统 (5)

2.5 CCD定位测量系统 (5)

3定位与测量系统关键技术及发展现状 (7)

3.1光栅测量技术的最新发展 (7)

3.1.1全闭环控制逐渐成为标准 (7)

3.1.2单场扫描技术 (7)

3.1.3绝对式测量技术 (9)

3.2多传感器组合测量技术研究现状 (9)

3.2.1立体视觉系统和CMM的组合 (9)

3.2.2激光扫描系统与CMM的组合 (11)

3.2.3结构光三维视觉系统与CMM的组合 (11)

4定位与测量系统的市场状况 (13)

随着微电子机械系统及精密与超精密加工技术的快速发展，高效完善的定位与测量系统对于检验校准机床传动误差、精度及保证零件加工精度至关重要。本文首先主要介绍了常见的定位与测量系统及其工作原理，然后综合分析了目前定位测量系统关键技术的发展现状，最后介绍了激光干涉仪与光栅尺定位测量系统的产品市场状况。

关键词：定位与测量激光干涉仪光栅尺测量技术

随着集成电路、微电子机械系统及现代机床加工技术的快速发展，对超精密加工、测量的要求也越来越高，精度要求的数量级也从毫米级、微米级到纳米级，甚至亚纳米级。因此，研制具有高精度的定位与测量系统对于机床传动误差、定位与重复定位精度的测量、校准以及零件加工精度的提高具有重要的意义。

2常见的定位与测量系统及工作原理

2.1双频激光干涉仪定位测量系统

激光干涉仪分为双频和单频两种，以英国雷尼绍公司生产的双频激光干涉仪测距系统最为先进，精度指标为：（1.100+-0.025）μm。系统组成：ML10激光头，EC10环境补偿单元，空气、材料温度传感器，雷尼绍激光干涉仪测量软件。它具有环境温度、材料温度自动补偿功能，适用于数控机床、三测机等高于1μm 精度的测量，仪器的组成如图2.1所示。

图2.1 激光干涉仪测距系统

干涉测量技术的基本原理是把两束相干光波形合并相干（或引起相互干涉），其合成结果为两个波形的相位差，用该相位差来确定两个光波的光路差值的变化。在评定机床定位精度时，利用线性测量组件，包括1个分光镜、2个反射镜、2个标靶。1个反射镜通常用紧固螺钉固定在机床的工作台或床身上，从而形成干涉镜，而另一个反射镜放在安装测头或刀具的位置上随机床移动。测量原理如图2.2 所示，从激光头发出的光束在线性干涉镜处分裂为两束相干光束，一束从附加在线性干涉镜上的反射镜反射回激光头，另一束经由另一个线性反射镜反射回激光头，通过激光头的干涉条纹计数电路来确定两个反射镜间的距离变化，并与被测机床的光栅读数相比较来确定定位精度和重复性误差。

图2.2 测量原理图

2.2光栅尺位移定位测量系统

在高精度的数控机床上，可以使用光栅作为位置检测装置的敏感元件。光栅输出信号为数字量，数据不受温度、时间的影响，抗干扰能力强，它是一种定值式传感器，测量精度取决于光栅刻线的准确性，能够动态而高精度地测量直线位移，还可以测量角位移，是一种比较理想的测量工具。

整个系统以单片机为核心，以光栅尺为敏感元件，结构简单、工作可靠、体积小、制作成本低。该测量系统适用于测量数控机床加工过程中的直线位移和角位移，可以和CNC系统组成闭环控系统。

光栅是由光源、透镜、主光栅、标尺光栅和光电元件组成如图2.3。当主光栅和标尺光栅呈一很小的θ角相对倾斜重叠放置时，造成两光栅尺上的线纹交叉。在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠形成明暗相间的莫尔条纹与光栅线纹几乎成垂直方向排列。当标尺光栅相对主光栅沿垂直刻线移动时，莫尔条纹跟随其移动。莫尔条纹的光强度近似呈正（余）弦曲线变化，经光电元件所感应的光电流变化规律近似为正（余）弦曲线。经放大、整形，形成脉冲。光栅输出信号一般为两路相角相差90°的方波，因此可以通过记录这两路方波的个数来测量位移的方向和大小。

图2.3 光栅工作原理图

2.3电容传感器定位测量系统

电容式位移传感器属非接触测量，以极板间的电场力代替了测头与被测件的表面接触，而且由于极板间的电场力极其微弱，不会产生迟滞和变形，消除了接触式测量由于表面应力给测量带来的不利影响，不会引起测量点的功率损耗，且结构简单、体积小、分辨率高、动态响应快，特别适合动态测量；采用电容测微仪组成的位置闭环控制系统，可以得到纳米级的定位分辨率。因此，电容传感器在纳米级检测、加工领域得到了广泛的应用。

虽然电容传感器在测量精度上能达到纳米级，但是在同等精度要求下，它的测量范围较小（<10mm） , 而且存在电容传感器中电容参量的匹配问题，检测量的后处理困难，对环境条件要求苛刻。

目前，市场上有很多电容位移传感器产品。如：英国Queensgate仪器公司

的平板间隙式电容位移传感器，在行程范围内可获得优于1nm的测量分辨率，但最大行程只有1.25mm。

2.4平面编码器定位测量系统

日本东北大学的GaoWei提出了一种新型的二维测量传感器—平面编码器。该传感器由1个角度栅格及2个角度传感器组成。每个角度传感器包括1个激光光源LD、1个偏振分光镜、1块多光孔板、自准直仪（1块透镜和1个象限光电探测器）。

（1）位移测量

平面编码器是利用激光测量平面粗糙度的原理将激光投射到表面形状已知的、由X及Y两个方向上的正弦曲线合成的AG上，通过一个AS分别测量运动物体的起点与终点两个测量点的X、Y向斜率，并与AG表面已知的斜率数据对比，处理后就能得到被测物体在X、Y方向上的位移。

（2）θz测量

编码器通过使用2个AS来获得物体绕Z轴方向转动的微小角度，如图2.4所示。θz就是AB与A′B′之间的夹角。

图2.4 两点AS测量θz示意图

2.5 CCD定位测量系统

采用CCD的定位测量系统测量的方法有3种：

（1）用两个CCD来测量移动物体的角度变化来求出物体的位置。

（2）利用光三角反射非接触原理，由激光器发出的光束经聚焦，成为一极细小的光点投射到测量体表面。并通过透镜成像折射到极灵敏的光学线性检波器CCD上。CCD经信号处理后输出的电压与位移成正比，通过读取电压就可以得