检测系统、拼接系统、检测方法、拼接方法与拼接光栅尺与流程

本发明涉及精密测量领域，尤其是涉及一种检测光栅拼接姿态的检测系统与检测方法，基于上述检测系统与检测方法实现长尺度光栅生产的拼接系统与拼接方法，以及利用上述拼接方法制得的拼接光栅尺。

背景技术：

光栅尺测距是较为精密的测距方法，其测距原理是利用参考光栅和测量光栅的±1级衍射光形成干涉条纹，当读数头沿测量光栅长度方向发生位移时，通过计数干涉条纹移动个数来解算增量位移。其中测量光栅长度长度决定了光栅尺测距的最大范围，光栅长度越长，光栅尺测距范围越大。但是目前为止单次加工长尺度光栅的技术尚不成熟，通常是通过光栅拼接的方法来增大光栅的长度，光栅拼接技术指将多个短光栅通过首尾连接的方式拼接出长尺度的光栅，此技术的难点在于如何保证各短光栅拼接时姿态的一致性，现有技术中的姿态检测系统结构复杂，操作不便，难以满足要求。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种检测系统与应该该检测系统的拼接系统，用于解决现有姿态检测系统结构复杂、操作不便的问题。

本发明还提供了一种检测方法与应用该检测方法的拼接方法。

本发明还提供了一种由上述拼接方制得的拼接光栅尺。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种检测系统，包括

支撑平台，支撑平台用于放置待检测的光栅，并可供光栅相对支撑平台移动；

检测光源，检测光源用于向光栅射出第一光束，第一光束经光栅形成至少两道第二光束；

接收装置，第二光束可分别在接收装置上形成光斑；

观测装置，观测装置用于记录各光斑的位置。

作为上述方案的进一步改进方式，还包括反射镜，第二光束经过反射镜的反射后在接收装置上形成光斑。

作为上述方案的进一步改进方式，包括沿第二光束射出方向分布的第一反射镜与第二反射镜，第一反射镜的镜面朝向接收装置，第二反射镜的镜面朝向光栅的出光面，第二光束经过第二反射镜反射至第一反射镜，再由第一反射镜反射至接收装置。

作为上述方案的进一步改进方式，接收装置包括与光栅平行放置的观测屏，观测装置包括相机。

一种拼接系统，包括姿态调整装置与上述检测系统，姿态调整装置用于调整光栅的姿态，以使该光栅形成的光斑与记录中的前一相邻光栅形成的光斑重合。

作为上述方案的进一步改进方式，还包括可相对支撑平台移动的光栅底板，光栅底板上设有用于放置光栅的基准平面。

作为上述方案的进一步改进方式，姿态调整装置包括分布于光栅的相对两侧的微调装置，微调装置包括可相对光栅伸缩的顶针。

作为上述方案的进一步改进方式，基准平面上还设置有储胶槽，支撑平台上设有滑槽，光栅底板位于滑槽内并可沿滑槽滑动。

作为上述方案的进一步改进方式，还包括用于将光栅压接在基准平面上的柔性预紧装置。

一种检测方法，包括以下步骤，

将前一块光栅放置在检测位置，向前一块光栅施加第一光束，第一光束经前一块光栅形成至少两道第二光束，记录各第二光束所形成的第一光斑的位置；

将前一块光栅移出检测位置，并将后一块光栅放置在检测位置，向后一块光栅施加第一光束，第一光束经后一块光栅形成至少两道第二光束，记录各第二光束所形成的第二光斑的位置；

比较第一光斑与第二光斑，当第一光斑与第二光斑重合时，视为前一块光栅与后一块光栅具有相同的姿态。

作为上述方案的进一步改进方式，还包括对第二光束进行反射的步骤，以延长第二光束的光路。

一种应用上述检测方法的拼接方法，包括以下步骤，当第一光斑与第二光斑不重合时，对后一块光栅进行姿态调整，以使第一光斑与第二光斑重合。

作为上述方案的进一步改进方式，对后一块光栅进行姿态调整的方法为：将前一块光栅与后一块光栅放置在同一基准平面上，驱动后一块光栅绕自身法向旋转。

一种拼接光栅尺，由上述拼接方法制得。

本发明的有益效果是：

本发明通过检测光源向待测光栅施加第一检测光束，第一检测光束经光栅作用后形成至少两条第二光束，第二光束在接收装置形成光斑，记录并比较不同光栅形成的光斑便可以实现光栅姿态的检测。本发明具有结构简单、易于操作等优点。

在本发明的优选实施例中，还可以设置反射镜组以延长第二光束的传播路径，提高检测精度。

在本发明的优选实施例中，还可以设置光栅底板，光栅底部上设有具有高平面度的基准平面，其可以简化光栅的姿态调整操作。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明检测系统一个实施例的正视图；

图2是本发明检测系统一个实施例的侧视图；

图3是本发明检测系统一个实施例的立体示意图；

图4是本发明检测系统一个实施例的立体示意图；

图5是本发明姿态调整装置与支撑平台连接的立体示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、前、后等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

参照图1、图2、图3，分别示出了本发明检测系统一个实施例的正视图、侧视图与立体示意图，图中带箭头的线条标识检测光束，箭头方向标识光束的传播方向。如图所示，检测系统包括基座1、支撑平台2、检测光源3、接收装置4与观测装置5。

基座1作为承载装置，其上固定有若干的安装柱11，该安装柱11用于固定上述的支撑平台2、检测光源3与观测装置5等部件，实现检测系统在立体空间上的安装。基座1可以采用现有技术，本发明对此不做具体描述。

支撑平台2通过安装柱11固定在基座1的上方，其作用在于放置待检测的光栅6，同时，支撑平台2上具有光滑表面等结构供光栅6相对其移动。本实施例中支撑平台2为平行于基座1设置的板状结构，该板状结构的中心位置设置有通孔21。

检测光源3用于发射用于检测的第一光束，本实施例中检测光源3为激光光源。检测光源3通过安装柱11固定在支撑平台2的一侧，可向水平方向射出第一光束，为了使得第一光束能够沿竖直方向射向光栅6，本实施例中还设置有反射镜71，该反射镜71通过安装柱11固定在支撑平台2的上方，接收水平的第一光束后将其向竖直方向反射。检测光源3与反射镜71均可以通过调节结构实现在三维空间上的姿态调节，涉及的自由度包括沿x、y、z轴的移动与绕x、y、z轴的转动中一种或其组合，从而增加本发明的适用场景。调节结构可以采用现有技术，本发明对此不做具体描述。

当然，检测光源3也可以直接设置在支撑平台2的上方，第一光束直接沿竖直方向射向光栅。

接收装置4与观测装置5配合使用，其中接收装置4用于接收检测光束以形成光斑，观测装置5则用于识别并记录光斑的位置。具体的，接收装置4为固定在基座1上的观测屏，观测屏平行于支撑平台2，并位于支撑平台2的正下方，观测屏的接受面朝向支撑平台2。观测装置5为相机，其通过安装柱11固定在接受装置4的一侧，相机的摄像头朝向接收装置4。

本实施例接收装置4与观测装置5为独立的两个装置，在本发明的其他实施例中，接收装置4与观测装置5也可以集合为一个装置。

基于上述结构，检测系统的使用流程为：

将待检测的光栅6放置在支撑平台2上，然后启动检测光源3，检测光源3向光栅6射出第一光束，第一光束a可以透过光栅6与支撑平台2上的通孔21，形成正一级衍射光b与负一级衍射光c，正一级衍射光b与负一级衍射光c称为第二光束。正一级衍射光与负一级衍射光投射在接收装置4上形成两个光斑，观测装置5记录该两个光斑的位置，并固定检测光源3与接收装置4的位置。

然后将该光栅6移出检测位置，将另一块光栅6放入检测位置，重复上述步骤，记录新的两个光斑的位置。比较前后两块光栅所形成的光斑，如果前后两块光栅所形成的光斑位置重合，则可以视为两块光栅具有相同的姿态；如果光斑的位置不重合，则可以视为两块光栅的姿态不同。通过以上步骤，可以实现对光栅姿态的检测。

本发明通过透射的方式使得第一光束直接生成第二光束，并通过第二光束直接在接收装置4上形成光斑，结构简单，操作方便。

本实施例中还设置有反射镜组，该反射镜组可以延长第二光束的传播路径，使得检测结果更为精确。具体的，本实施例对应正一级衍射光与负一级衍射光各设置有一组反射镜组，以其中一组反射镜组为例，反射镜组包括沿正一级衍射光的射出方向分布的第一反射镜72与第二反射镜73，第一反射镜72的镜面朝向接收装置4，第二反射镜73的镜面朝向光栅6的出光面，正一级衍射光经过第二反射镜73反射至第一反射镜72，再由第一反射镜72反射至接收装置4。

在本发明的其他实施例中，反射镜组的数量可以根据需要调整，最少可以只包含一个反射镜。反射镜组中各反射镜的安装位置同样可以根据需要调整，只需实现延长光束传播路径的目的即可，本发明对此不做限定。

本发明还公开一种基于上述检测系统的拼接系统，参照图4，示出了本发明检测系统一个实施例的立体示意图。如图所示，拼接系统包含上述的检测系统，以及姿态调整装置8，姿态调整装置8用于调整光栅6的姿态，以使该光栅6形成的光斑与记录中的前一相邻光栅形成的光斑重合，保证光栅6拼接操作的进行。

当光栅不受约束的情况下，影响光栅姿态的自由度包括沿x、y、z轴的移动自由度与绕x、y、z轴的转动自由度，自由度越多，对于姿态调整的要求也较高，为了简化姿态调节的结构与操作，本发明还设置了承载光栅的光栅底板，参照图5，示出了本发明姿态调整装置与支撑平台连接的立体示意图。如图所示，光栅底板9放置在支撑平台2上，并可以相对支撑平台2滑动。光栅底板9的上表面为具有高平面度的基准平面，当光栅放置在该基准平面上时，可以限制各光栅沿z轴的移动自由度与绕x、y轴的转动自由度，保证各光栅处于同一平面上。在剩下的三个自由度中，绕z轴的转动自由度为制约光栅拼接质量的关键自由度，故本发明通过设置光栅底板，可以将影响光栅姿态的6个自由度简化为绕z轴的转动自由度，从而大大的简化了光栅姿态调节的结构与操作。此外，光栅底板9还可以降低对支撑平台2的精度要求。

基于上述结构，本实施例中的姿态调整装置8包括分布于光栅6的相对两侧的微调装置，本实施例中微调装置共有四个，对称分布于光栅6的四角。微调装置具体为微调旋钮81，微调旋钮81包括可相对光栅6伸缩的顶针，微调旋钮81通过顶针与光栅抵持，当四角的微调旋钮81相互配合的伸出或者缩回时，光栅可以在顶针的作用下绕z轴旋转，从而实现光栅的姿态调整。

光栅姿态的调整精度取决于微调旋钮81的精度，本实施例中微调旋钮81的精度可以达到1μm，以实现对光栅姿态的精确调整。

本实施例中，支撑平台2上还设有滑槽22，光栅底板9位于滑槽22内并可沿滑槽22滑动.

本实施例中，光栅底板9的中心设有通孔91，该通孔与支撑平台2上的通孔21对正以供检测光束穿过。光栅底板9在通孔91的两侧还设置有点胶槽92，当两块光栅的姿态调整一致后，可以通过向点胶槽92内注入胶水的方式对光栅进行固定。

本实施例中还包括有柔性预紧装置(未示出)，柔性预紧装置固定在支撑平台2上方的安装架23上，使用时，柔性预紧装置将光栅6压紧在基准平面上，同时不会阻碍光栅的转动。

基于上述结构，拼接系统的使用流程为：按照上述的检测流程完成姿态检测后，如果前后光栅形成的光斑不重合，则可以通过微调旋钮81驱动光栅绕z轴转动，直至前后光栅形成的光斑重合后停止调整。

本发明还公开了一种检测方法，包括以下步骤，

一、设置上述的检测系统；

二、将前一块光栅放置在支撑平台2上的检测位置，通过检测光源3向前一块光栅施加第一光束，第一光束透过前一块光栅后形成至少两道第二光束，各第二光束在接收装置4上分别形成第一光斑，通过观测装置5记录各第一光斑的位置。

三、将前一块光栅移出检测位置，并将后一块光栅放置在检测位置，重复上述步骤，即通过检测光源3向后一块光栅施加第一光束，第一光束透过后一块光栅后形成至少两道第二光束，各第二光束在接收装置4上分别形成第二光斑，通过观测装置5记录各第二光斑的位置。

四、比较第一光斑与第二光斑，当第一光斑与第二光斑的位置重合时，视为前一块光栅与后一块光栅具有相同的姿态。

本检测方法中，还包括对第二光束进行反射的步骤，以延长第二光束的光路，提高检测精度。

本发明还公开了基于上述检测方法的拼接方法，当通过检测方法检测到第一光斑与第二光斑不重合时，通过对后一块光栅进行姿态调整，以使第一光斑与第二光斑重合，进而保证后一块光栅与前一块光栅的姿态一致性。

本拼接方法中，对后一块光栅进行姿态调整的具体方法为：将前一块光栅与后一块光栅放置在具有高平面度的同一基准平面上，通过该基准平面限制光栅沿z轴的移动自由度与绕x、y轴的转动自由度，然后驱动后一块光栅绕自身法向(z轴)旋转，直至第一光斑与第二光斑重合。

本拼接方法中，当前后两块光栅的姿态调整一致后，还包括对前一块光栅与后一块光栅进行固定的步骤。

本发明还公开了一种由上述拼接方法制得的光栅尺。

以上是对本发明的较佳实施进行的具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。