一種高速高精度高冗余性絕對光柵尺讀數頭裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種高速高精度高冗余性絕對光柵尺讀數頭裝置。包括有滑車車身（1）、光柵玻璃（3）、絕對碼道（4）、增量碼道（5）、絕對碼道采集頭（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）運動方向并排安裝，并處于增量碼道（5）的正上方，用于采集讀數頭是否走到絕對位置的絕對碼道采集頭（6）也安裝在滑車車身（1）上，并處于絕對碼道（4）的正上方。本發(fā)明在光柵尺高速高精度工作條件下，保證了讀數的可靠性，并提供了位移量計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光柵尺讀數頭裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明是一種聞速聞精度聞幾余性絕對光棚尺讀數頭裝置，屬于聞速聞精度聞幾余性絕對光柵尺讀數頭裝置的創(chuàng)新技術。
【背景技術】
[0002]在現代機加行業(yè)中，大多采用光柵傳感器來進行位置反饋裝置。由于光柵尺能夠對系統實行全閉環(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，所以目前中高檔數控系統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合相對較低的價格，使其不僅在機床領域，而且在坐標測量機、機器人技術、每個位置和速度測量以及位置和運動控制應用領域得到了廣泛的應用[2]。
[0003]光柵尺可分為增量光柵尺和絕對光柵尺。增量式光柵尺工作原理為:光通過兩個相對運動的光柵形成莫爾條紋，通過對莫爾條紋進行計數、細分后得到位移變化量；絕對式光柵尺工作原理為:在標尺光柵上刻劃一條帶有絕對位置編碼的碼道，讀數頭通過讀取當前位置的編碼得到絕對位置。
[0004]增量式光柵尺由于是對莫爾條紋計數，輸出脈沖信號，故在工作中可以達到很高的運動速度，但其精度一般來說不如絕對式光柵尺，不能滿足更高精度的加工需求；絕對式光柵尺是利用攝像頭通過放大鏡來對絕對碼道進行圖像采集從而解碼出當前絕對位置的，但這種讀碼方式雖然精度可以達到很高，但當速度超過一定閾值時，就會產生拖影或拍攝延時等現象，故而達不到高速度工作的目的，導致加工效率較低。
[0005]此外，傳統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，則光柵尺易受到強烈撞擊而報廢。

【發(fā)明內容】

[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光柵尺讀數頭裝置。本發(fā)明可以提高讀數速度、讀數精度和讀數可靠性，本發(fā)明在光柵尺高速高精度工作條件下，保證了讀數的可靠性，并提供了位移量計算以及光柵尺自身的多重限位功能。
[0007]本發(fā)明的技術方案是:本發(fā)明的高速高精度高冗余性絕對光柵尺讀數頭裝置，包括有滑車車身、光柵玻璃、絕對碼道、增量碼道、絕對碼道采集頭、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動方向并排安裝，并處于增量碼道的正上方，用于采集讀數頭是否走到絕對位置的絕對碼道采集頭也安裝在滑車車身上，并處于絕對碼道的正上方。
[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邊安裝有若干個大小相同的滾輪，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，保證絕對碼道采集頭、第一指示光柵和第二指示光柵與光柵玻璃保持相對平行并且減小摩擦與振動。
[0010]本發(fā)明與其他現有技術相比，具有如下優(yōu)點:
I)本發(fā)明利用宏微復合技術思想，指示光柵作為增量式光柵尺必要器件高速運動，提高光柵尺工作速度，當運動到目標附近時，適當減速，此時絕對碼道采集頭工作，加大采集數據量，達到高精度的目的。
[0011]2)本發(fā)明利用冗余技術思想，兩片指示光柵得到的增量式的位置信息為誤碼糾錯提供了參考，從而提高了絕對光柵尺編碼解碼的可靠性，使光柵尺最終的絕對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限位功能失效時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，在絕對碼道采集頭失效時，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)明在提高絕對光柵尺工作時的運動速度、讀碼精度的同時，增加了其讀數的可靠性，并且具備光柵尺移動的方向判定及位移量增加或減少的計算功能，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光柵尺讀數頭裝置。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明讀數頭結構的立體圖。
[0017]圖2是本發(fā)明讀數頭結構的俯視圖。
[0018]圖中:1、滑車車身2、滾輪3、光柵玻璃4、絕對碼道5、增量碼道6、絕對碼道采集頭7、第一指示光柵8、第二指示光柵。
【具體實施方式】
[0019]實施例:
本發(fā)明的結構示意圖如圖1、2所示，本發(fā)明的高速高精度高冗余性絕對光柵尺讀數頭裝置，包括有滑車車身1、光柵玻璃3、絕對碼道4、增量碼道5、絕對碼道采集頭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的運動方向并排安裝，并處于增量碼道5的正上方，記錄增量碼道莫爾條紋數量；用于采集讀數頭是否走到絕對位置的絕對碼道采集頭6也安裝在滑車車身I上，并處于絕對碼道4的正上方，用于記錄光柵尺的絕對位置。
[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的同向側邊安裝有若干個大小相同的滾輪2，且它們的幾何中心不在同一直線上，工作時，滾輪2緊貼著光柵玻璃的上表面滾動，以確?；嚺c光柵玻璃3的相對水平，也保證絕對碼道采集頭6、第一指示光柵7和第二指示光柵8與光柵玻璃3保持相對平行，并且減小絕對碼道采集頭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，此外，上述滑車車身I的下端安裝有若干個大小相同的滾輪2，工作時，滾輪2沿著光柵玻璃3的側面隨著滑車移動而滾動，保證滑車車身I與光柵玻璃3的相對運動方向不發(fā)生變化。
[0022]本實施例中，上述滑車車身I的同向側邊安裝有3個大小相同的滾輪2，三個滾輪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個大小相同的滾輪2。
[0023]本實施例中，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上的指示光柵所產生的位置信號精度不同。
[0024]本實施例中，上述光柵玻璃3以膠連的方式固定在光柵尺的尺殼內部，因此可以認為光柵玻璃3是固定不動的，示意圖中沒有畫出光柵尺的尺殼。
[0025]上述絕對碼道采集頭6采集絕對碼道4上的位置信息時，采用的是攝像頭曝光的方式，該方式擁有相當高的精度，但同時也具有一定的速度局限性，當滑車速度超過一定閾值時，采集的圖像便會產生拖影，并且拍攝延時因素在高速運動下會產生較大誤差，故而當滑車速度在該閾值以內時，位置信息由絕對碼道采集頭6采集，這樣就擁有高精度的工作性能。
[0026]本實施例中，第一指示光柵7和第二指示光柵8與增量碼道5相對運動，形成莫爾條紋，采集系統對莫爾條紋計數，輸出脈沖信號，故在工作中可以達到很高的運動速度，但其精度一般來說不如絕對式光柵尺。因此，當滑車車身I是運動速度超過上述絕對碼道采集頭6的閾值時，系統停止絕對讀碼，轉而采集增量讀碼，并在轉換讀碼方式瞬間的最后一個絕對位置信息上累加增量信息，等到絕對碼道采集頭6快到達目標位置時，滑車減速，當速度減到上述閾值以下時，重新啟動絕對讀碼，這樣就能達到光柵尺高速度工作的性能。
[0027]在上述過程中，滑車車身I達到目標位置靜止時，此時系統會得到三個位置數據，即絕對碼道采集頭6得到的絕對位置信息，第一指示光柵7從起點絕對位置加上增量過程信息所得到的終點位置信息，第二指示光柵8從起點絕對位置加上增量過程信息所得到的終點位置信息。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碼道采集頭6所采集的絕對位置信息進行對比，若誤差在合理范圍內，則認為絕對碼道采集頭6所得到的絕對位置可信；若對比后，絕對碼道采集頭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，則認為此時絕對碼道采集頭6得到的絕對位置信息解碼錯誤，重新讀取圖像信息進行解碼對比，新的絕對位置信息在允許誤差范圍內，則認為該絕對位置信息可信并輸出之，反之，則輸出故障報警信息。
[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該在一很小的固定范圍內，若工作時，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，則絕對碼道采集頭6所取得的絕對位置信息是不可信的，此時系統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工作時具有方向鑒別功能，因此增加了絕對光柵尺的方向判定的可靠性。
[0030]當上述第一指示光柵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5兩端的預警位置時，自動停止移動，作為絕對光柵尺的備用限位功能，更好的保護絕對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，在絕對碼道采集頭6失效時，可做為兩個備份測量工具，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:
光柵尺進行位移測量時，滑車會帶動絕對碼道采集頭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。在絕對光柵尺讀數頭移動過程中，不妨設起點的絕對位置為Pd，經過滑行并停止后，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 (正向移動取正號，負向移動取負號)，則此時第一指示光柵7與第二指示光柵8得到的絕對位置為:
P1=Po+L1
P2=Po+L2
此時絕對碼道采集頭6取得絕對位置為 P3，理論上P1=P2=P3，但由于實際測量中存在誤差，使得這三個數值不一定相等，但這并不影響絕對光柵尺最后輸出測量結果。此時系統首先將P1與P2進行對比，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，導致P1與P2的比較也會產生相應的誤差。由于第一指示光柵7與第二指示光柵8安裝位置相對靜止，如果該誤差不在允許范圍內，則光柵尺輸出故障報警信息；若該誤差在允許范圍內，則系統繼續(xù)將P1 (或P2也可，因為此時P1P2幾乎相等)與P3進行對比，若此時的誤差在允許范圍之內，則說明絕對位置P3可信，系統輸出絕對位置P3，若此時的誤差超出允許范圍之外，則絕對碼道采集頭6立即再次采集圖像得到絕對位置P4,新的絕對位置P4再次與P1進行對比，如果誤差在允許范圍之內，則絕對位置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警信息。
[0033]綜上所述，本發(fā)明包含一種基于宏微復合思想的冗余技術，在提高絕對光柵尺工作時的運動速度、讀碼精度的同時，增加了其讀數的可靠性，并且具備光柵尺移動的方向判定及位移量增加或減少的計算功能，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、高冗余性的絕對光柵尺讀數頭裝置。
【權利要求】
1.一種高速高精度高冗余性絕對光柵尺讀數頭裝置，其特征在于包括有滑車車身(I)、光柵玻璃(3)、絕對碼道(4)、增量碼道(5)、絕對碼道采集頭(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)的運動方向并排安裝，并處于增量碼道(5)的正上方，用于采集讀數頭是否走到絕對位置的絕對碼道采集頭(6)也安裝在滑車車身(I)上，并處于絕對碼道(4)的正上方O
2.根據權利要求1所述的高速高精度高冗余性絕對光柵尺讀數頭的裝置，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.根據權利要求1所述的高速高精度高冗余性絕對光柵尺讀數頭的裝置，其特征在于上述滑車車身(I)的同向側邊安裝有若干個大小相同的滾輪(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。
4.根據權利要求1所述的高速高精度高冗余性絕對光柵尺讀數頭的裝置，其特征在于上述滑車車身(I)的下端安裝有若干個大小相同的滾輪(2)，滾輪(2)沿著光柵玻璃(3)的側面滾動。
5.根據權利要求4所述的高速高精度高冗余性絕對光柵尺讀數頭的裝置，其特征在于上述滑車車身(I)的同向側邊安裝有3個大小相同的滾輪(2)，上述滑車車身(I)的下端安裝有2個大小相同的滾輪(2)。
6.根據權利要求1至5任一項所述的高速高精度高冗余性絕對光柵尺讀數頭裝置，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)所調制出的莫爾條紋寬度不同。
7.根據權利要求6所述的高速高精度高冗余性絕對光柵尺讀數頭裝置，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部。
8.根據權利要求7所述的高速高精度高冗余性絕對光柵尺讀數頭裝置，其特征在于上述絕對碼道采集頭(6)采集絕對碼道(4)上的位置信息時，采用的是攝像頭曝光的方式。
【文檔編號】G01B11/00GK103776374SQ201410040692
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月28日 優(yōu)先權日:2014年1月28日
【發(fā)明者】劉強, 陳彬, 陳新, 陳新度, 王晗 申請人:廣東工業(yè)大學