一種高速高精度高冗余性絕對(duì)光柵尺讀數(shù)頭裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種高速高精度高冗余性絕對(duì)光柵尺讀數(shù)頭裝置。包括有滑車車身（1）、光柵玻璃（3）、絕對(duì)碼道（4）、增量碼道（5）、絕對(duì)碼道采集頭（6）、第一指示光柵（7）、第二指示光柵（8），其中光柵玻璃（3）安裝在滑車車身（1）的下方，光柵玻璃（3）上并排刻有兩種碼道，一種是絕對(duì)碼道（4），另一種是增量碼道（5），第一指示光柵（7）和第二指示光柵（8）沿滑車車身（1）運(yùn)動(dòng)方向并排安裝，并處于增量碼道（5）的正上方，用于采集讀數(shù)頭是否走到絕對(duì)位置的絕對(duì)碼道采集頭（6）也安裝在滑車車身（1）上，并處于絕對(duì)碼道（4）的正上方。本發(fā)明在光柵尺高速高精度工作條件下，保證了讀數(shù)的可靠性，并提供了位移量計(jì)算以及光柵尺自身的多重限位功能。
【專利說明】一種高速高精度高冗余性絕對(duì)光柵尺讀數(shù)頭裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種聞速聞精度聞幾余性絕對(duì)光棚尺讀數(shù)頭裝置，屬于聞速聞精度聞幾余性絕對(duì)光柵尺讀數(shù)頭裝置的創(chuàng)新技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]在現(xiàn)代機(jī)加行業(yè)中，大多采用光柵傳感器來進(jìn)行位置反饋裝置。由于光柵尺能夠?qū)ο到y(tǒng)實(shí)行全閉環(huán)控制，降低滾珠絲杠熱變形等原因引起的誤差，提高加工精度，所以目前中高檔數(shù)控系統(tǒng)越來越多地采用光柵尺作為線位移反饋元件[1]。其高精度和高分辨率結(jié)合相對(duì)較低的價(jià)格，使其不僅在機(jī)床領(lǐng)域，而且在坐標(biāo)測量機(jī)、機(jī)器人技術(shù)、每個(gè)位置和速度測量以及位置和運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2]。
[0003]光柵尺可分為增量光柵尺和絕對(duì)光柵尺。增量式光柵尺工作原理為:光通過兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的光柵形成莫爾條紋，通過對(duì)莫爾條紋進(jìn)行計(jì)數(shù)、細(xì)分后得到位移變化量；絕對(duì)式光柵尺工作原理為:在標(biāo)尺光柵上刻劃一條帶有絕對(duì)位置編碼的碼道，讀數(shù)頭通過讀取當(dāng)前位置的編碼得到絕對(duì)位置。
[0004]增量式光柵尺由于是對(duì)莫爾條紋計(jì)數(shù)，輸出脈沖信號(hào)，故在工作中可以達(dá)到很高的運(yùn)動(dòng)速度，但其精度一般來說不如絕對(duì)式光柵尺，不能滿足更高精度的加工需求；絕對(duì)式光柵尺是利用攝像頭通過放大鏡來對(duì)絕對(duì)碼道進(jìn)行圖像采集從而解碼出當(dāng)前絕對(duì)位置的，但這種讀碼方式雖然精度可以達(dá)到很高，但當(dāng)速度超過一定閾值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生拖影或拍攝延時(shí)等現(xiàn)象，故而達(dá)不到高速度工作的目的，導(dǎo)致加工效率較低。
[0005]此外，傳統(tǒng)的光柵尺只依靠一條碼道讀取位置信息，可靠性較低，尤其受污染后，誤碼率極高；若光柵尺出現(xiàn)故障，則立即不能正常使用；限位功能方式單一，若限位裝置失效，則光柵尺易受到強(qiáng)烈撞擊而報(bào)廢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于考慮上述問題而提供一種聞速度、聞精度、聞幾余性的聞速聞精度高冗余性絕對(duì)光柵尺讀數(shù)頭裝置。本發(fā)明可以提高讀數(shù)速度、讀數(shù)精度和讀數(shù)可靠性，本發(fā)明在光柵尺高速高精度工作條件下，保證了讀數(shù)的可靠性，并提供了位移量計(jì)算以及光柵尺自身的多重限位功能。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是:本發(fā)明的高速高精度高冗余性絕對(duì)光柵尺讀數(shù)頭裝置，包括有滑車車身、光柵玻璃、絕對(duì)碼道、增量碼道、絕對(duì)碼道采集頭、第一指示光柵、第二指示光柵，其中光柵玻璃安裝在滑車車身的下方，光柵玻璃上并排刻有兩種碼道，一種是絕對(duì)碼道，另一種是增量碼道，第一指示光柵和第二指示光柵沿滑車車身的運(yùn)動(dòng)方向并排安裝，并處于增量碼道的正上方，用于采集讀數(shù)頭是否走到絕對(duì)位置的絕對(duì)碼道采集頭也安裝在滑車車身上，并處于絕對(duì)碼道的正上方。
[0008]上述第一指示光柵及第二指示光柵的上表面與光柵玻璃的上表面平行；上述絕對(duì)碼道采集頭的上表面也與光柵玻璃的上表面平行。[0009]上述滑車車身的同向側(cè)邊安裝有若干個(gè)大小相同的滾輪，且它們的幾何中心不在同一直線上，滾輪緊貼著光柵玻璃的上表面滾動(dòng)，保證絕對(duì)碼道采集頭、第一指示光柵和第二指示光柵與光柵玻璃保持相對(duì)平行并且減小摩擦與振動(dòng)。
[0010]本發(fā)明與其他現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn):
I)本發(fā)明利用宏微復(fù)合技術(shù)思想，指示光柵作為增量式光柵尺必要器件高速運(yùn)動(dòng)，提高光柵尺工作速度，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)附近時(shí)，適當(dāng)減速，此時(shí)絕對(duì)碼道采集頭工作，加大采集數(shù)據(jù)量，達(dá)到高精度的目的。
[0011]2)本發(fā)明利用冗余技術(shù)思想，兩片指示光柵得到的增量式的位置信息為誤碼糾錯(cuò)提供了參考，從而提高了絕對(duì)光柵尺編碼解碼的可靠性，使光柵尺最終的絕對(duì)位置信息讀取更加可靠。
[0012]3)本發(fā)明兩片指示光柵的加入，使光柵尺方向判定準(zhǔn)確性更增加了一層保障。
[0013]4)本發(fā)明兩片指示光柵的加入，增加了光柵尺自身備用的限位功能，更好地避免直線電機(jī)限位功能失效時(shí)給光柵尺帶來的沖擊損害。
[0014]5)本發(fā)明兩片指示光柵的加入，在絕對(duì)碼道采集頭失效時(shí)，可作為備份測量工具，提供兩種不同精度的增量是測量，在故障狀態(tài)下保證光柵尺具有一定的測量功能。
[0015]本發(fā)明在提高絕對(duì)光柵尺工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度、讀碼精度的同時(shí)，增加了其讀數(shù)的可靠性，并且具備光柵尺移動(dòng)的方向判定及位移量增加或減少的計(jì)算功能，還額外提供了兩重光柵尺自身的備用限位功能。本發(fā)明是一種具有高速度性、高精度性、高冗余性的高速高精度高冗余性絕對(duì)光柵尺讀數(shù)頭裝置。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)的立體圖。
[0017]圖2是本發(fā)明讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)的俯視圖。
[0018]圖中:1、滑車車身2、滾輪3、光柵玻璃4、絕對(duì)碼道5、增量碼道6、絕對(duì)碼道采集頭7、第一指示光柵8、第二指示光柵。
【具體實(shí)施方式】
[0019]實(shí)施例:
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1、2所示，本發(fā)明的高速高精度高冗余性絕對(duì)光柵尺讀數(shù)頭裝置，包括有滑車車身1、光柵玻璃3、絕對(duì)碼道4、增量碼道5、絕對(duì)碼道采集頭6、第一指示光柵7、第二指示光柵8，其中光柵玻璃3安裝在滑車車身I的下方，光柵玻璃3上并排刻有兩種碼道，一種是絕對(duì)碼道4，另一種是增量碼道5，第一指示光柵7和第二指示光柵8沿滑車車身I的運(yùn)動(dòng)方向并排安裝，并處于增量碼道5的正上方，記錄增量碼道莫爾條紋數(shù)量；用于采集讀數(shù)頭是否走到絕對(duì)位置的絕對(duì)碼道采集頭6也安裝在滑車車身I上，并處于絕對(duì)碼道4的正上方，用于記錄光柵尺的絕對(duì)位置。
[0020]上述第一指示光柵7及第二指示光柵8的上表面與光柵玻璃3的上表面平行；上述絕對(duì)碼道采集頭6的上表面也與光柵玻璃3的上表面平行。
[0021]上述滑車車身I的同向側(cè)邊安裝有若干個(gè)大小相同的滾輪2，且它們的幾何中心不在同一直線上，工作時(shí)，滾輪2緊貼著光柵玻璃的上表面滾動(dòng)，以確保滑車與光柵玻璃3的相對(duì)水平，也保證絕對(duì)碼道采集頭6、第一指示光柵7和第二指示光柵8與光柵玻璃3保持相對(duì)平行，并且減小絕對(duì)碼道采集頭6、第一指示光柵7和第二指示光柵8與光柵玻璃3的摩擦與振動(dòng)，此外，上述滑車車身I的下端安裝有若干個(gè)大小相同的滾輪2，工作時(shí)，滾輪2沿著光柵玻璃3的側(cè)面隨著滑車移動(dòng)而滾動(dòng)，保證滑車車身I與光柵玻璃3的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向不發(fā)生變化。
[0022]本實(shí)施例中，上述滑車車身I的同向側(cè)邊安裝有3個(gè)大小相同的滾輪2，三個(gè)滾輪2的幾何中心不在同一直線上。上述滑車車身I的下端安裝有2個(gè)大小相同的滾輪2。
[0023]本實(shí)施例中，上述第一指示光柵7與第二指示光柵8的大小相同，厚度相同，唯一不同的是第一指示光柵7與第二指示光柵8上的光柵相對(duì)于光柵玻璃3上的增量碼道5上的光柵傾斜角度不同，第一指示光柵7和第二指示光柵8上的指示光柵與增量碼道5所調(diào)制出的莫爾條紋寬度不同，從而使第一指示光柵7和第二指示光柵8上的指示光柵所產(chǎn)生的位置信號(hào)精度不同。
[0024]本實(shí)施例中，上述光柵玻璃3以膠連的方式固定在光柵尺的尺殼內(nèi)部，因此可以認(rèn)為光柵玻璃3是固定不動(dòng)的，示意圖中沒有畫出光柵尺的尺殼。
[0025]上述絕對(duì)碼道采集頭6采集絕對(duì)碼道4上的位置信息時(shí)，采用的是攝像頭曝光的方式，該方式擁有相當(dāng)高的精度，但同時(shí)也具有一定的速度局限性，當(dāng)滑車速度超過一定閾值時(shí)，采集的圖像便會(huì)產(chǎn)生拖影，并且拍攝延時(shí)因素在高速運(yùn)動(dòng)下會(huì)產(chǎn)生較大誤差，故而當(dāng)滑車速度在該閾值以內(nèi)時(shí)，位置信息由絕對(duì)碼道采集頭6采集，這樣就擁有高精度的工作性能。
[0026]本實(shí)施例中，第一指示光柵7和第二指示光柵8與增量碼道5相對(duì)運(yùn)動(dòng)，形成莫爾條紋，采集系統(tǒng)對(duì)莫爾條紋計(jì)數(shù)，輸出脈沖信號(hào)，故在工作中可以達(dá)到很高的運(yùn)動(dòng)速度，但其精度一般來說不如絕對(duì)式光柵尺。因此，當(dāng)滑車車身I是運(yùn)動(dòng)速度超過上述絕對(duì)碼道采集頭6的閾值時(shí)，系統(tǒng)停止絕對(duì)讀碼，轉(zhuǎn)而采集增量讀碼，并在轉(zhuǎn)換讀碼方式瞬間的最后一個(gè)絕對(duì)位置信息上累加增量信息，等到絕對(duì)碼道采集頭6快到達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，滑車減速，當(dāng)速度減到上述閾值以下時(shí)，重新啟動(dòng)絕對(duì)讀碼，這樣就能達(dá)到光柵尺高速度工作的性能。
[0027]在上述過程中，滑車車身I達(dá)到目標(biāo)位置靜止時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)得到三個(gè)位置數(shù)據(jù)，即絕對(duì)碼道采集頭6得到的絕對(duì)位置信息，第一指示光柵7從起點(diǎn)絕對(duì)位置加上增量過程信息所得到的終點(diǎn)位置信息，第二指示光柵8從起點(diǎn)絕對(duì)位置加上增量過程信息所得到的終點(diǎn)位置信息。第一指示光柵7和第二指示光柵8得到的較低精度位置信息與絕對(duì)碼道采集頭6所采集的絕對(duì)位置信息進(jìn)行對(duì)比，若誤差在合理范圍內(nèi)，則認(rèn)為絕對(duì)碼道采集頭6所得到的絕對(duì)位置可信；若對(duì)比后，絕對(duì)碼道采集頭6與第一指示光柵7或第二指示光柵8中任一個(gè)位置信息比較，誤差超出允許范圍，且第一指示光柵7與第二指示光柵8兩者的位置信息在允許誤差范圍之內(nèi)，則認(rèn)為此時(shí)絕對(duì)碼道采集頭6得到的絕對(duì)位置信息解碼錯(cuò)誤，重新讀取圖像信息進(jìn)行解碼對(duì)比，新的絕對(duì)位置信息在允許誤差范圍內(nèi)，則認(rèn)為該絕對(duì)位置信息可信并輸出之，反之，則輸出故障報(bào)警信息。
[0028]上述第一指示光柵7與第二指示光柵8由于都固定在滑車車身I上，兩者位置相對(duì)靜止，則理論上兩者所得到的低精度位置信息是相等的，但由于存在誤差，兩者之間的位置差值應(yīng)該在一很小的固定范圍內(nèi)，若工作時(shí)，第一指示光柵7與第二指示光柵8兩者的位置信息之差不在允許范圍之內(nèi)，則絕對(duì)碼道采集頭6所取得的絕對(duì)位置信息是不可信的，此時(shí)系統(tǒng)輸出光柵尺故障信息。
[0029]上述第一指示光柵7與第二指示光柵8工作時(shí)具有方向鑒別功能，因此增加了絕對(duì)光柵尺的方向判定的可靠性。
[0030]當(dāng)上述第一指示光柵7與第二指示光柵8得到的低精度位置信息走到增量碼道5兩端的預(yù)警位置時(shí)，自動(dòng)停止移動(dòng)，作為絕對(duì)光柵尺的備用限位功能，更好的保護(hù)絕對(duì)光柵尺免遭意外的撞擊損壞。
[0031 ] 上述第一指示光柵7與第二指示光柵8的加入，在絕對(duì)碼道采集頭6失效時(shí)，可做為兩個(gè)備份測量工具，在故障狀態(tài)下保證光柵尺具有一定的測量功能。
[0032]本發(fā)明的工作原理為:
光柵尺進(jìn)行位移測量時(shí)，滑車會(huì)帶動(dòng)絕對(duì)碼道采集頭6、第一指示光柵7和第二指示光柵8 —起沿著光柵玻璃3滑動(dòng)。在絕對(duì)光柵尺讀數(shù)頭移動(dòng)過程中，不妨設(shè)起點(diǎn)的絕對(duì)位置為Pd，經(jīng)過滑行并停止后，第一指示光柵7行走的距離為L1,第二指示光柵8行走的距離為L2 (正向移動(dòng)取正號(hào)，負(fù)向移動(dòng)取負(fù)號(hào))，則此時(shí)第一指示光柵7與第二指示光柵8得到的絕對(duì)位置為:
P1=Po+L1
P2=Po+L2
此時(shí)絕對(duì)碼道采集頭6取得絕對(duì)位置為 P3，理論上P1=P2=P3，但由于實(shí)際測量中存在誤差，使得這三個(gè)數(shù)值不一定相等，但這并不影響絕對(duì)光柵尺最后輸出測量結(jié)果。此時(shí)系統(tǒng)首先將P1與P2進(jìn)行對(duì)比，由于第一指示光柵7與第二指示光柵8分別與增量碼道5調(diào)制出精度不同的增量式光柵尺，那么L1與L2的比較就有一定的誤差，導(dǎo)致P1與P2的比較也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的誤差。由于第一指示光柵7與第二指示光柵8安裝位置相對(duì)靜止，如果該誤差不在允許范圍內(nèi)，則光柵尺輸出故障報(bào)警信息；若該誤差在允許范圍內(nèi)，則系統(tǒng)繼續(xù)將P1 (或P2也可，因?yàn)榇藭r(shí)P1P2幾乎相等)與P3進(jìn)行對(duì)比，若此時(shí)的誤差在允許范圍之內(nèi)，則說明絕對(duì)位置P3可信，系統(tǒng)輸出絕對(duì)位置P3，若此時(shí)的誤差超出允許范圍之外，則絕對(duì)碼道采集頭6立即再次采集圖像得到絕對(duì)位置P4,新的絕對(duì)位置P4再次與P1進(jìn)行對(duì)比，如果誤差在允許范圍之內(nèi)，則絕對(duì)位置P4可信并輸出之，若還是超出誤差允許范圍，則輸出光柵尺故障報(bào)警信息。
[0033]綜上所述，本發(fā)明包含一種基于宏微復(fù)合思想的冗余技術(shù)，在提高絕對(duì)光柵尺工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度、讀碼精度的同時(shí)，增加了其讀數(shù)的可靠性，并且具備光柵尺移動(dòng)的方向判定及位移量增加或減少的計(jì)算功能，還額外提供了兩重光柵尺自身的備用限位功能。本發(fā)明是一種具有高速度性、高精度性、高冗余性的絕對(duì)光柵尺讀數(shù)頭裝置。
【權(quán)利要求】
1.一種高速高精度高冗余性絕對(duì)光柵尺讀數(shù)頭裝置，其特征在于包括有滑車車身(I)、光柵玻璃(3)、絕對(duì)碼道(4)、增量碼道(5)、絕對(duì)碼道采集頭(6)、第一指示光柵(7)、第二指示光柵(8)，其中光柵玻璃(3)安裝在滑車車身(I)的下方，光柵玻璃(3)上并排刻有兩種碼道，一種是絕對(duì)碼道(4)，另一種是增量碼道(5)，第一指示光柵(7)和第二指示光柵(8)沿滑車車身(I)的運(yùn)動(dòng)方向并排安裝，并處于增量碼道(5)的正上方，用于采集讀數(shù)頭是否走到絕對(duì)位置的絕對(duì)碼道采集頭(6)也安裝在滑車車身(I)上，并處于絕對(duì)碼道(4)的正上方O
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速高精度高冗余性絕對(duì)光柵尺讀數(shù)頭的裝置，其特征在于上述第一指示光柵(7)及第二指示光柵(8)的上表面與光柵玻璃(3)的上表面平行；上述絕對(duì)碼道采集頭(6)的上表面也與光柵玻璃(3)的上表面平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速高精度高冗余性絕對(duì)光柵尺讀數(shù)頭的裝置，其特征在于上述滑車車身(I)的同向側(cè)邊安裝有若干個(gè)大小相同的滾輪(2)，且它們的幾何中心不在同一直線上，滾輪(2)緊貼著光柵玻璃(3)的上表面滾動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速高精度高冗余性絕對(duì)光柵尺讀數(shù)頭的裝置，其特征在于上述滑車車身(I)的下端安裝有若干個(gè)大小相同的滾輪(2)，滾輪(2)沿著光柵玻璃(3)的側(cè)面滾動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高速高精度高冗余性絕對(duì)光柵尺讀數(shù)頭的裝置，其特征在于上述滑車車身(I)的同向側(cè)邊安裝有3個(gè)大小相同的滾輪(2)，上述滑車車身(I)的下端安裝有2個(gè)大小相同的滾輪(2)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的高速高精度高冗余性絕對(duì)光柵尺讀數(shù)頭裝置，其特征在于上述第一指示光柵(7)和第二指示光柵(8)上的光柵相對(duì)于增量碼道(5)上的光柵傾斜角度不同，第一指示光柵(7)和第二指示光柵(8)上的指示光柵與增量碼道(5)所調(diào)制出的莫爾條紋寬度不同。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高速高精度高冗余性絕對(duì)光柵尺讀數(shù)頭裝置，其特征在于上述光柵玻璃(3)以膠連的方式固定在光柵尺的尺殼內(nèi)部。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高速高精度高冗余性絕對(duì)光柵尺讀數(shù)頭裝置，其特征在于上述絕對(duì)碼道采集頭(6)采集絕對(duì)碼道(4)上的位置信息時(shí)，采用的是攝像頭曝光的方式。
【文檔編號(hào)】G01B11/00GK103776374SQ201410040692
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月28日
【發(fā)明者】劉強(qiáng), 陳彬, 陳新, 陳新度, 王晗 申請人:廣東工業(yè)大學(xué)