[發(fā)明專利]一種具有真實(shí)刻度的精密位移測量裝置

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110333173.1
• 申請日: 2011-10-28
• 公開（公告）號(hào): CN102506718A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃繼祥
• 申請（專利權(quán)）人: 黃繼祥
• 主分類號(hào): G01B11/02
• 分類號(hào): G01B11/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種機(jī)械位移與機(jī)械長度物理量的精密測量方法和裝置，屬于機(jī)械設(shè)備制造中的精密測量領(lǐng)域。特別是涉及一種刻度直接讀取的方法，用于替代光柵、磁柵等以柵格為特征的位移測量裝置。

背景技術(shù)

目前，以柵格為特征的位移測量裝置被廣泛應(yīng)用在機(jī)械設(shè)備上，其特點(diǎn)是：測量精度高，測量距離長，特別是其在主尺上采用直接讀取數(shù)字信號(hào)的方式進(jìn)行測量比其他采用模擬信號(hào)方式進(jìn)行測量的裝置表現(xiàn)出更高的可靠性。具有代表性的裝置如：光柵、磁柵等。

這類裝置在機(jī)械結(jié)構(gòu)上采用柵格作為測量技術(shù)手段和方法。其特征是：柵距相等和柵形的一致。因此，在其后的信號(hào)處理上，必然導(dǎo)致將位移測量的距離數(shù)據(jù)化分為兩個(gè)距離數(shù)據(jù)段分別處理：一段是采用增量編碼的方法對柵格的數(shù)目進(jìn)行累計(jì)，用于對整數(shù)倍于柵距的那部分距離進(jìn)行計(jì)算；另一段是對不足一個(gè)柵距的那部分距離進(jìn)一步的細(xì)分確定精確的位置。然后將兩段數(shù)據(jù)相加，得到完整的測量結(jié)果。

就增量編碼而言，其特征是在累計(jì)的歷史數(shù)值上進(jìn)行加1或減1操作。這就使得歷史數(shù)據(jù)上不僅有真實(shí)數(shù)據(jù)的累計(jì)結(jié)果，也存在著各種誤差的累計(jì)。累計(jì)誤差主要來源于換向誤差，微震動(dòng)產(chǎn)生的抖動(dòng)誤差，和產(chǎn)品的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的回差。另外，如何能夠保證歷史數(shù)據(jù)無損的保存也是一個(gè)頭疼的問題。歷史數(shù)據(jù)的無限累計(jì)，最怕受到干擾。通常，數(shù)據(jù)是采用電子器件存放，不論是硬件方式還是軟件方式，都怕電磁干擾。所謂智能化的位移裝置都帶有微處理器，通過適當(dāng)?shù)能浖O(shè)計(jì)，可以使程序流程的不確定性不至于影響程序的正確運(yùn)行。但是程序流程的不確定性對存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)的影響概率是存在的。

上述問題在機(jī)械設(shè)備的使用中的主要表現(xiàn)是：

1、怕失電：為了保證數(shù)據(jù)的存在，電子器件上不能斷電。斷電不僅會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失，更主要的是斷電時(shí)的位移數(shù)據(jù)無法累計(jì)，使之前的累計(jì)結(jié)果喪失了存在的意義。電源電壓的不穩(wěn)定和附加在電源上的干擾也會(huì)導(dǎo)致累計(jì)結(jié)果誤差。備用電池的壽命也制約了設(shè)備的可靠性。

2、怕電磁干擾，怕機(jī)械振動(dòng)；在機(jī)加工現(xiàn)場，電磁干擾和振動(dòng)是很大的。解決這些問題迫使測量裝置電子和機(jī)械部分都變得很復(fù)雜，復(fù)雜性必然會(huì)犧牲可靠性。

3、回零操作：以柵格為特征的位移測量裝置沒有固定的原點(diǎn)即零點(diǎn)。需要用一些手段在特定的位置產(chǎn)生一個(gè)零信號(hào)，制造出一個(gè)虛擬的零點(diǎn)。回零操作是在數(shù)據(jù)不能確定的時(shí)候，將工作給進(jìn)行程回到零點(diǎn)的位置，用以清除舊的累計(jì)數(shù)據(jù)，從新開始計(jì)數(shù)。每次當(dāng)設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，都會(huì)將設(shè)備的進(jìn)給行程移動(dòng)到零點(diǎn)的位置校對零值，進(jìn)行一次回零操作。在設(shè)備的使用中，通常要求盡量采用相對位移測量，相對位移測量就是在行程中臨時(shí)的將累計(jì)數(shù)據(jù)清零，設(shè)置一個(gè)臨時(shí)的起點(diǎn)，從這個(gè)起點(diǎn)開始測量計(jì)算相對位移。這樣做的目的是避開原點(diǎn)，減少累計(jì)帶來的誤差。回零操作也存在回零誤差。回零操作使設(shè)備表現(xiàn)不夠完美，限制了設(shè)備的使用條件。

4、在設(shè)備的終端顯示結(jié)果中常會(huì)出現(xiàn)距離的刻度值，像一把尺子，有起始零點(diǎn)也有從零點(diǎn)開始的距離刻度。不過，這個(gè)尺子上的刻度不是從真實(shí)的位置讀出來的，而是從零點(diǎn)開始累計(jì)換算出來的。也就是說這個(gè)尺子是虛擬出來的，它的刻度和真實(shí)的位置存在不確定的誤差。

5、像光柵，磁柵這樣的裝置判讀柵格時(shí)，讀出部分需要和主尺保持盡量小的微距離，克服摩擦問題是免不了的。

6、由于上述原因的存在，使機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化受到了限制。首先，如果使用數(shù)據(jù)庫對加工的過程進(jìn)行備份，就不能使用相對位移測量數(shù)據(jù)，必須有真實(shí)刻度值支持。因此現(xiàn)有設(shè)備很難建立一個(gè)大的數(shù)據(jù)庫，用于存儲(chǔ)各個(gè)不同零件的加工數(shù)據(jù)。因?yàn)樵诂F(xiàn)有條件下，這樣的數(shù)據(jù)庫是不確定、不可靠的。再有，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，需要對多處的設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，要知道設(shè)備進(jìn)給行程的運(yùn)行位置，現(xiàn)有設(shè)備是做不到的。一方面，相對測量的數(shù)據(jù)沒有刻度值。另一方面，各種因素造成的累積誤差不能夠得到實(shí)時(shí)的修正。這些問題限制了現(xiàn)有設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。此外，數(shù)據(jù)庫的建立也是機(jī)械設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種直接采集數(shù)字信號(hào)的裝置。該裝置不采用柵格設(shè)計(jì)，因此沒有增量編碼，進(jìn)而不存在增量累計(jì)的問題。該裝置采用真實(shí)刻度直接讀取的方法獲得刻度值和刻度位置信號(hào)，因此，不存在虛擬刻度帶來的一系列問題。本發(fā)明要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題是：在主尺上設(shè)置刻度并能夠識(shí)別和讀取，還要對刻度之間部分進(jìn)行刻度細(xì)分。

本發(fā)明在技術(shù)方案中提出一種真實(shí)刻度的精密位移測量裝置，包括主尺、副尺、光源，還包括光路、信號(hào)處理電路。其中主尺也叫定尺，副尺叫動(dòng)尺。