本發(fā)明屬于高精度測(cè)量監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高精度同步監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)角及徑向位移的系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

旋轉(zhuǎn)軸系作為高精度轉(zhuǎn)臺(tái)、高精度精密機(jī)床等設(shè)備的核心部件，其精度直接決定了設(shè)備的整體水平，而旋轉(zhuǎn)軸系在運(yùn)行時(shí)中央轉(zhuǎn)軸徑向位移對(duì)旋轉(zhuǎn)精度有著重要影響，因此對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的徑向位移的測(cè)量顯得尤為重要，特別是在高精度轉(zhuǎn)臺(tái)的應(yīng)用中，編碼盤安裝偏心是不可避免的，此時(shí)徑向位移與旋轉(zhuǎn)角度應(yīng)同步記錄，以補(bǔ)償偏心導(dǎo)致的誤差，提高測(cè)角精度。

目前，測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸徑向位移一般采用千分表、電渦流傳感器等接觸或非接觸式傳感器測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸外輪廓，此時(shí)，外輪廓的加工誤差將被引入測(cè)量結(jié)果，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果誤差增大，難以實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。同時(shí)，由于安裝時(shí)存在誤差，很難保證測(cè)量軸線與旋轉(zhuǎn)體外廓切線垂直，引入測(cè)量誤差，且很難保證與旋轉(zhuǎn)角度同步的準(zhǔn)確性。

為解決以上問題，國(guó)內(nèi)外精密測(cè)量企業(yè)將目光轉(zhuǎn)向了新型光柵位移傳感器，例如利用兩個(gè)光柵傳感器對(duì)徑布置時(shí)，光柵輸出信號(hào)的相對(duì)相位變化獲得徑向跳動(dòng)量，此方法降低了被檢測(cè)面的加工難度和成本，但該方法容易在安裝時(shí)引入誤差影響測(cè)量結(jié)果的精度。

上述現(xiàn)有技術(shù)無法直接實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸系周向旋轉(zhuǎn)和徑向跳動(dòng)的同步高精度監(jiān)測(cè)；與此同時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)還存在系統(tǒng)體積大和安裝操作困難等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供了一種高精度同步監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)角及徑向位移的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)角度及徑向位移的同步監(jiān)測(cè)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種高精度同步監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)角及徑向位移的系統(tǒng)，包括被測(cè)旋轉(zhuǎn)體1，被測(cè)旋轉(zhuǎn)體1上連接有二維柵式編碼圓盤2，二維柵式編碼圓盤2上設(shè)置有二維柵式編碼器讀數(shù)系統(tǒng)3，二維柵式編碼器讀數(shù)系統(tǒng)3連接在讀數(shù)系統(tǒng)機(jī)架4上，二維柵式編碼器讀數(shù)系統(tǒng)3的信號(hào)輸出端和信號(hào)處理系統(tǒng)5的信號(hào)輸入端連接；

所述的二維柵式編碼圓盤2上制作有環(huán)形編碼區(qū)，編碼區(qū)內(nèi)為周期柵式結(jié)構(gòu)，相對(duì)于環(huán)形編碼區(qū)環(huán)心形成環(huán)形陣列，以環(huán)心為極坐標(biāo)極點(diǎn)建立平面極坐標(biāo)系，陣列結(jié)構(gòu)將極坐標(biāo)系極軸等分，形成同心圓環(huán)，相鄰圓環(huán)半徑差相同，為徑向周期；將360度圓周角等分，沿圓周形成等角度間隔，與某一同心圓相交，分割同心圓圓周，形成的相等弧長(zhǎng)為周向周期；徑向周期及周向周期為100nm-100μm，在周向周期恒定時(shí)，編碼圖形區(qū)半徑越大，轉(zhuǎn)角分辨率越高；制造時(shí)，徑向周期結(jié)構(gòu)與周向周期結(jié)構(gòu)可重疊或不重疊，且徑向周期與周向周期能不相同。

所述的二維柵式編碼器讀數(shù)系統(tǒng)3內(nèi)部包含兩個(gè)讀數(shù)模塊，兩個(gè)讀數(shù)模塊分別與二維柵式編碼圓盤2上讀數(shù)位置的周向周期與徑向周期相對(duì)應(yīng)，其讀數(shù)方向分別沿周向、徑向布置。

所述的信號(hào)處理系統(tǒng)5包含兩個(gè)讀數(shù)通道和觸發(fā)記錄模塊5-5，兩個(gè)讀數(shù)通道分別為轉(zhuǎn)角通道和徑向位移通道，轉(zhuǎn)角通道包含第一細(xì)分模塊5-1和轉(zhuǎn)角計(jì)數(shù)比較模塊5-3，徑向位移通道包含第二細(xì)分模塊5-2和徑向位移計(jì)數(shù)模塊5-4；

轉(zhuǎn)角通道的信號(hào)和第一細(xì)分模塊5-1的輸入連接，第一細(xì)分模塊5-1的輸出和轉(zhuǎn)角計(jì)數(shù)比較模塊5-3的輸入連接，轉(zhuǎn)角計(jì)數(shù)比較模塊5-3的計(jì)數(shù)值輸出和觸發(fā)記錄模塊5-5的第一計(jì)數(shù)值輸入連接，轉(zhuǎn)角計(jì)數(shù)比較模塊5-3的觸發(fā)輸出和觸發(fā)記錄模塊5-5的觸發(fā)輸入相連；

徑向位移通道的信號(hào)和第二細(xì)分模塊5-2的輸入連接，第二細(xì)分模塊5-2的輸出和徑向位移計(jì)數(shù)模塊5-4的輸入連接，徑向位移計(jì)數(shù)模塊5-4的輸出和觸發(fā)記錄模塊5-5的第二計(jì)數(shù)值輸入連接。

所述的觸發(fā)記錄模塊5-5同時(shí)接收第一計(jì)數(shù)值輸入和第二計(jì)數(shù)值輸入，在接收到轉(zhuǎn)角計(jì)數(shù)比較模塊5-3發(fā)出的觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)記錄第一計(jì)數(shù)值輸入和第二計(jì)數(shù)值輸入的值。

本發(fā)明的有益效果為：

1、本發(fā)明使用二維柵式編碼圓盤2，其上制作有環(huán)形編碼區(qū)，編碼區(qū)結(jié)構(gòu)同時(shí)形成周向周期和徑向周期，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角與徑向位移的同步測(cè)量，且其精度由編碼盤制造工藝決定，可實(shí)現(xiàn)高精度制造，進(jìn)而提高測(cè)量精度。

2、本發(fā)明使用的二維柵式編碼器讀數(shù)系統(tǒng)3，其包含兩個(gè)讀數(shù)模塊，采用垂直布置方式，與二維柵式編碼圓盤2周向周期和徑向周期相匹配，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量轉(zhuǎn)角和徑向位移的目的。

3、本發(fā)明使用的信號(hào)處理系統(tǒng)5，采用旋轉(zhuǎn)編碼盤轉(zhuǎn)角等角度同步采樣徑向位移的方式，轉(zhuǎn)角通道和徑向位移通道按照轉(zhuǎn)角通道觸發(fā)等角度同步采樣，可精確得出轉(zhuǎn)角與徑向位移之間的相對(duì)關(guān)系，為高精度評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定性提供了參考。并可用于補(bǔ)償轉(zhuǎn)角誤差，提高測(cè)角精度。

通過二維柵式編碼圓盤2、二維柵式編碼器讀數(shù)系統(tǒng)3和信號(hào)處理系統(tǒng)5實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)角度及徑向位移的同步監(jiān)測(cè)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是二維柵式編碼圓盤2結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是二維柵式編碼圓盤2編碼區(qū)局部放大圖。

圖4是二維柵式編碼讀數(shù)系統(tǒng)3的讀數(shù)模塊布置圖。

圖5是信號(hào)處理系統(tǒng)5的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施實(shí)例詳細(xì)介紹本發(fā)明。但以下實(shí)施實(shí)例僅限于解釋本發(fā)明，本發(fā)明的保護(hù)范圍包括權(quán)利要求的全部?jī)?nèi)容。本實(shí)施實(shí)例采用反射式光學(xué)編碼盤及讀數(shù)方法，本發(fā)明可使用其他多種柵狀編碼盤及相匹配的讀數(shù)原理，包括但不限于光柵、磁柵等。

參照?qǐng)D1，一種高精度同步監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)角及徑向位移的系統(tǒng)，包括被測(cè)旋轉(zhuǎn)體1，被測(cè)旋轉(zhuǎn)體1上連接有二維柵式編碼圓盤2，二維柵式編碼圓盤2上設(shè)置有二維柵式編碼器讀數(shù)系統(tǒng)3，二維柵式編碼器讀數(shù)系統(tǒng)3連接在讀數(shù)系統(tǒng)機(jī)架4上，二維柵式編碼器讀數(shù)系統(tǒng)3的信號(hào)輸出端和信號(hào)處理系統(tǒng)5的信號(hào)輸入端連接，當(dāng)二維柵式編碼圓盤2隨被測(cè)旋轉(zhuǎn)體1相對(duì)于二維柵式編碼器讀數(shù)系統(tǒng)3旋轉(zhuǎn)時(shí)，根據(jù)二維柵式編碼圓盤2上的徑向、周向周期結(jié)構(gòu)，二維柵式編碼器讀數(shù)系統(tǒng)3輸出相應(yīng)信號(hào)進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)5,信號(hào)處理系統(tǒng)5根據(jù)二維柵式編碼圓盤2上二維陣列結(jié)構(gòu)的周期，計(jì)算得出被測(cè)旋轉(zhuǎn)體1旋轉(zhuǎn)角度及徑向位移，并實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)旋轉(zhuǎn)體1旋轉(zhuǎn)角度及徑向位移的同步監(jiān)測(cè)。

參照?qǐng)D2和圖3，所述的二維柵式編碼圓盤2上制作有環(huán)形編碼區(qū)，編碼區(qū)內(nèi)為周期柵式結(jié)構(gòu)，相對(duì)于環(huán)形編碼區(qū)環(huán)心形成環(huán)形陣列，以環(huán)心為極坐標(biāo)極點(diǎn)建立平面極坐標(biāo)系，陣列結(jié)構(gòu)將極坐標(biāo)系極軸等分，形成同心圓環(huán)，相鄰圓環(huán)半徑差相同，為徑向周期；將360度圓周角等分，沿圓周形成等角度間隔，與某一同心圓相交，分割同心圓圓周，形成的相等弧長(zhǎng)為周向周期；徑向周期及周向周期為100nm-100μm，在周向周期恒定時(shí)，編碼圖形區(qū)半徑越大，轉(zhuǎn)角分辨率越高；針對(duì)不同測(cè)量精度及配置方式，徑向周期結(jié)構(gòu)與周向周期結(jié)構(gòu)可重疊或不重疊，且徑向周期與周向周期可以不相同。當(dāng)結(jié)構(gòu)要求緊湊、測(cè)試分辨率要求不高的場(chǎng)合應(yīng)使用小半徑、疏柵距的二維柵式編碼圓盤2，當(dāng)精度要求高而且對(duì)體積沒有特別限制的場(chǎng)合應(yīng)該使用大半徑、密柵距的二維柵式編碼圓盤2。由于徑向周期結(jié)構(gòu)與周向周期結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置關(guān)系是由二維柵式編碼圓盤2在制造時(shí)保證的，可以達(dá)到相當(dāng)高的制造精度，與傳統(tǒng)方法相比，降低了測(cè)量系統(tǒng)由于安裝誤差引入的測(cè)量誤差。

在本實(shí)施實(shí)例中，徑向周期與周向周期重疊，圖形區(qū)外徑為22.5mm，內(nèi)徑為17.5mm，沿圓周周向?qū)A周等分為6284個(gè)區(qū)域，其部分放大圖如圖3所示，圖中封閉方形區(qū)域?yàn)榉瓷鋮^(qū)(不透光)，其余區(qū)域均為透光區(qū)；二維柵式編碼圓盤2在設(shè)計(jì)讀數(shù)位置，徑向周期和周向周期均為20μm。

參照?qǐng)D4，為與二維柵式編碼圓盤2相配合，所述的二維柵式編碼器讀數(shù)系統(tǒng)3內(nèi)部包含兩個(gè)讀數(shù)模塊，兩個(gè)讀數(shù)模塊分別與二維柵式編碼圓盤2上讀數(shù)位置的周向周期與徑向周期相對(duì)應(yīng)，其讀數(shù)方向分別沿周向、徑向布置；當(dāng)二維柵式編碼圓盤2隨被測(cè)旋轉(zhuǎn)體1相對(duì)于二維柵式編碼器讀數(shù)系統(tǒng)3旋轉(zhuǎn)時(shí)，根據(jù)二維柵式編碼圓盤2上的徑向、周向周期結(jié)構(gòu)，兩讀數(shù)模塊分別輸出相應(yīng)的周期信號(hào)，與二維柵式編碼圓盤2轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過的周向、徑向周期數(shù)相對(duì)應(yīng)。二維柵式編碼器讀數(shù)系統(tǒng)3輸出的信號(hào)需經(jīng)過信號(hào)處理系統(tǒng)5進(jìn)行細(xì)分計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換后最終實(shí)現(xiàn)同步監(jiān)測(cè)被測(cè)旋轉(zhuǎn)體1旋轉(zhuǎn)角度及徑向位移目的。

在本實(shí)施實(shí)例中由于二維柵式編碼圓盤2的周向周期與徑向周期相同，因此可采用標(biāo)準(zhǔn)的針對(duì)20μm柵距的反射式光柵讀數(shù)模塊，其布置位置及讀數(shù)方向如圖中所示，兩讀數(shù)模塊各輸出四路周期模擬信號(hào)，A+、A-、B+、B-，當(dāng)二維柵式編碼圓盤2相對(duì)于讀數(shù)模塊周向或徑向運(yùn)動(dòng)1個(gè)周期時(shí)，輸出信號(hào)相應(yīng)變化1個(gè)周期；同時(shí)，信號(hào)之間的相對(duì)位置關(guān)系能夠確定二維柵式編碼圓盤2轉(zhuǎn)向和徑向運(yùn)動(dòng)方向。

參照?qǐng)D5，所述信號(hào)處理系統(tǒng)5包含兩個(gè)讀數(shù)通道和觸發(fā)記錄模塊5-5，兩個(gè)讀數(shù)通道分別為轉(zhuǎn)角通道和徑向位移通道，轉(zhuǎn)角通道包含第一細(xì)分模塊5-1和轉(zhuǎn)角計(jì)數(shù)比較模塊5-3，徑向位移通道包含第二細(xì)分模塊5-2和徑向位移計(jì)數(shù)模塊5-4。

轉(zhuǎn)角通道的信號(hào)和第一細(xì)分模塊5-1的輸入連接，第一細(xì)分模塊5-1的輸出和轉(zhuǎn)角計(jì)數(shù)比較模塊5-3的輸入連接，轉(zhuǎn)角計(jì)數(shù)比較模塊5-3的計(jì)數(shù)值輸出和觸發(fā)記錄模塊5-5的第一計(jì)數(shù)值輸入連接，轉(zhuǎn)角計(jì)數(shù)比較模塊5-3的觸發(fā)輸出和觸發(fā)記錄模塊5-5的觸發(fā)輸入相連；轉(zhuǎn)角計(jì)數(shù)比較模塊5-3根據(jù)二維柵式編碼器讀數(shù)系統(tǒng)3的輸出信號(hào)與二維柵式編碼圓盤2轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過的周向周期數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)二維柵式編碼圓盤2整圓周周向分割的周期個(gè)數(shù)，計(jì)算得出旋轉(zhuǎn)角度，并將旋轉(zhuǎn)角度值通過計(jì)數(shù)值輸出口發(fā)送至觸發(fā)記錄模塊5-5；同時(shí)，監(jiān)測(cè)二維柵式編碼圓盤2轉(zhuǎn)角，每當(dāng)運(yùn)動(dòng)過一確定角度后，通過觸發(fā)輸出發(fā)送觸發(fā)信號(hào)通知觸發(fā)記錄模塊5-5。

徑向位移通道的信號(hào)和第二細(xì)分模塊5-2的輸入連接，第二細(xì)分模塊5-2的輸出和徑向位移計(jì)數(shù)模塊5-4的輸入連接，徑向位移計(jì)數(shù)模塊5-4的輸出和觸發(fā)記錄模塊5-5的第二計(jì)數(shù)值輸入連接；徑向位移計(jì)數(shù)模塊5-4根據(jù)二維柵式編碼器讀數(shù)系統(tǒng)3的輸出信號(hào)與二維柵式編碼圓盤2轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過的徑向周期數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)二維柵式編碼圓盤2徑向周期，計(jì)算得出徑向位移值，并將徑向位移值通過計(jì)數(shù)值輸出口發(fā)送至觸發(fā)記錄模塊5-5。

觸發(fā)記錄模塊5-5同時(shí)接收第一計(jì)數(shù)值輸入和第二計(jì)數(shù)值輸入，在接收到轉(zhuǎn)角計(jì)數(shù)比較模塊5-3發(fā)出的觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)記錄第一計(jì)數(shù)值輸入和第二計(jì)數(shù)值輸入的值。

在本實(shí)施實(shí)例中，信號(hào)輸入信號(hào)處理系統(tǒng)5后，經(jīng)第一細(xì)分模塊5-1、第二細(xì)分模塊5-2，將模擬信號(hào)細(xì)分后轉(zhuǎn)為數(shù)字脈沖信號(hào)，兩細(xì)分模塊均為200細(xì)分，各輸出2路數(shù)字信號(hào)(A、B)，分別進(jìn)入轉(zhuǎn)角計(jì)數(shù)比較模塊5-3、徑向位移計(jì)數(shù)模塊5-4進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將旋轉(zhuǎn)角度值和徑向位移值輸出至觸發(fā)記錄模塊5-5，本實(shí)施實(shí)例使用觸發(fā)間隔為360/6284/20，轉(zhuǎn)角計(jì)數(shù)比較模塊5-3比較當(dāng)前值是否等于待觸發(fā)值，若相等，則生成觸發(fā)信號(hào)，并更新待觸發(fā)值為當(dāng)前值+360/6284/20，繼續(xù)計(jì)數(shù)等待；觸發(fā)記錄模塊5-5若收到觸發(fā)信號(hào)，則同時(shí)記錄第一計(jì)數(shù)值輸入和第二計(jì)數(shù)值輸入；轉(zhuǎn)角計(jì)數(shù)比較模塊5-3、徑向位移計(jì)數(shù)模塊5-4及觸發(fā)記錄模塊5-5用FPGA實(shí)現(xiàn)，此時(shí)，理論旋轉(zhuǎn)角度分辨率為：360/6284/200，約為：1角秒；徑向位移分辨率為0.1μm，觸發(fā)間隔為360/6284/20，約為10.31角秒。