[发明专利]双读头光学尺球杆及其测量值处理方法

说明书

本发明提供一种双读头光学尺球杆及其测量值处理方法，其包含一第一光栅尺、一第二光栅尺、一第一读头以及一第二读头，第一读头从第一光栅尺读出一第一测量值，第二读头从第二光栅尺读出一第二测量值。其中，第一光栅尺、第二光栅尺、第一读头及第二读头依一设置安排，使第一测量值中的一第一阿贝误差与第二测量值中的一第二阿贝误差间有一已知关系。本发明也提供一种测量值处理方法，根据第一阿贝误差与第二阿贝误差间的关系，处理第一测量值及第二测量值，得出正确的测量值。借此可提升测量准确度。

技术领域

本发明涉及一种球杆及其测量值处理方法，且尤其是涉及一种具有双读头的光学尺球杆及其测量值处理方法。

背景技术

球杆的二末端有测量球搭配球窝构成的球轴承，并具有位移感测器来测量二末端球轴承球心间的距离(可简称为中心距离)。由于球轴承无转动拘束，球杆可以对二末端球轴承球心构成的轴线自由转动，而有一不确定的自旋角。本说明书中的球杆也可以是一末端有测量球搭配球窝构成的球轴承，另一末端是其他种类的接头，例如万向接头。球杆应用于测量空间中两点间的距离时，与水平面间有一夹角，可称之为倾斜角。球杆的测量姿态由三项因素决定：中心距离、倾斜角及自旋角。

由于球杆的位移感测器不是完全理想，线性导引元件间有背隙，自重会造成结构挠曲，环境温度变化会造成元件热变形等原因，导致球杆的测量值与中心距离间不具有简单的线性关系，会出现测量误差。

有业者使用光学尺作为位移感测器，此种球杆可称为光学尺球杆，光学尺球杆包含尺组件及读头组件，读头是固定在读头组件上，光栅尺是固定在尺组件上，尺组件及读头组件上装有导引元件，例如导引杆及衬套，使尺组件及读头组件可以相互导引做线性运动，读头的位移感测信号可以导线或是无线方式送出。在此种光学尺球杆中，衬套与导引杆间有背隙时会出现测量误差，深究此误差产生的原因，发现衬套与导引杆间的背隙使读头相对光栅尺不再平行，二者间有偏转角，光栅尺上的测量点会因此偏转角而偏移，使读头感测到额外的位移，造成测量误差，此测量误差与读头到光栅尺的间距及偏转角有关，因而可以归类于阿贝误差(Abbe error)。

为了描述上述光学尺球杆读头相对光栅尺的运动，可以定义一光栅尺坐标系，其以光栅尺尺面的中心线为X_S轴，以光栅尺相对读头运动使中心距离增加的方向为正方向，尺面的法线方向为正Z_S轴方向，再以右手定则定义出Y_S轴。在此定义下，读头相对光栅尺坐标系X_S轴的转动为翻滚(Roll)，对Y_S轴的转动为俯仰(Pitch)，对Z_S轴的转动为偏摆(Yaw)。

当光学尺球杆的导引元件例如衬套与导引杆间有背隙时，在重力作用下，尺组件及读头组件会各自以其末端的测量球为转动中心转动，当光学尺球杆光栅尺的尺面是面向上时，读头相对光栅尺会有对光栅尺坐标系Y_S轴的俯仰转动，此俯仰转动会使测量点产生变化，造成上述的阿贝误差。光学尺球杆的抗弯刚性有限，在重力作用下光学尺球杆会挠曲，此挠曲也会使读头相对光栅尺有俯仰转动，也造成上述的阿贝误差。

请参阅图1，其中图1示出现有的一光学尺球杆100被放置于一校正板10的一示意图，校正板10为水平放置。光学尺球杆100可由一读头组件101及一尺组件103组成，读头组件101包含一读头102，尺组件103包含一光栅尺104，二端的测量球分别以P_B及P_P表示，读头102相对光栅尺104的转动，对Xs轴的转动角为翻滚角A，对Ys轴的转动角是俯仰角B，对Zs轴的转动角是偏摆角C，光栅尺104相对读头102于Xs轴正方向移动时，中心距离变大。