CN203824522U - 高速高精度高冗余性绝对光栅尺读数头装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种高速高精度高冗余性绝对光栅尺读数头装置。包括有滑车车身（1）、光栅玻璃（3）、绝对码道（4）、增量码道（5）、绝对码道采集头（6）、第一指示光栅（7）、第二指示光栅（8），其中光栅玻璃（3）安装在滑车车身（1）的下方，光栅玻璃（3）上并排刻有两种码道，一种是绝对码道（4），另一种是增量码道（5），第一指示光栅（7）和第二指示光栅（8）沿滑车车身（1）运动方向并排安装，并处于增量码道（5）的正上方，用于采集读数头是否走到绝对位置的绝对码道采集头（6）也安装在滑车车身（1）上，并处于绝对码道（4）的正上方。本实用新型在光栅尺高速高精度工作条件下，保证了读数的可靠性，并提供了位移量计算以及光栅尺自身的多重限位功能。

Description

高速高精度高冗余性绝对光栅尺读数头装置

技术领域

本实用新型是一种高速高精度高冗余性绝对光栅尺读数头装置，属于高速高精度高冗余性绝对光栅尺读数头装置的创新技术。

背景技术

在现代机加行业中，大多采用光栅传感器来进行位置反馈装置。由于光栅尺能够对系统实行全闭环控制，降低滚珠丝杠热变形等原因引起的误差，提高加工精度，所以目前中高档数控系统越来越多地采用光栅尺作为线位移反馈元件^[1]。其高精度和高分辨率结合相对较低的价格，使其不仅在机床领域，而且在坐标测量机、机器人技术、每个位置和速度测量以及位置和运动控制应用领域得到了广泛的应用^[2]。

光栅尺可分为增量光栅尺和绝对光栅尺。增量式光栅尺工作原理为：光通过两个相对运动的光栅形成莫尔条纹，通过对莫尔条纹进行计数、细分后得到位移变化量；绝对式光栅尺工作原理为：在标尺光栅上刻划一条带有绝对位置编码的码道，读数头通过读取当前位置的编码得到绝对位置。

增量式光栅尺由于是对莫尔条纹计数，输出脉冲信号，故在工作中可以达到很高的运动速度，但其精度一般来说不如绝对式光栅尺，不能满足更高精度的加工需求；绝对式光栅尺是利用摄像头通过放大镜来对绝对码道进行图像采集从而解码出当前绝对位置的，但这种读码方式虽然精度可以达到很高，但当速度超过一定阈值时，就会产生拖影或拍摄延时等现象，故而达不到高速度工作的目的，导致加工效率较低。

此外，传统的光栅尺只依靠一条码道读取位置信息，可靠性较低，尤其受污染后，误码率极高；若光栅尺出现故障，则立即不能正常使用；限位功能方式单一，若限位装置失效，则光栅尺易受到强烈撞击而报废。

发明内容

本实用新型的目的在于考虑上述问题而提供一种高速度、高精度、高冗余性的高速高精度高冗余性绝对光栅尺读数头装置。本实用新型可以提高读数速度、读数精度和读数可靠性,本实用新型在光栅尺高速高精度工作条件下，保证了读数的可靠性，并提供了位移量计算以及光栅尺自身的多重限位功能。

本实用新型的技术方案是：本实用新型的高速高精度高冗余性绝对光栅尺读数头装置，包括有滑车车身、光栅玻璃、绝对码道、增量码道、绝对码道采集头、第一指示光栅、第二指示光栅，其中光栅玻璃安装在滑车车身的下方，光栅玻璃上并排刻有两种码道，一种是绝对码道，另一种是增量码道，第一指示光栅和第二指示光栅沿滑车车身的运动方向并排安装，并处于增量码道的正上方，用于采集读数头是否走到绝对位置的绝对码道采集头也安装在滑车车身上，并处于绝对码道的正上方。

上述第一指示光栅及第二指示光栅的上表面与光栅玻璃的上表面平行；上述绝对码道采集头的上表面也与光栅玻璃的上表面平行。

上述滑车车身的同向侧边安装有若干个大小相同的滚轮，且它们的几何中心不在同一直线上，滚轮紧贴着光栅玻璃的上表面滚动，保证绝对码道采集头、第一指示光栅和第二指示光栅与光栅玻璃保持相对平行并且减小摩擦与振动。

本实用新型与其他现有技术相比，具有如下优点：

1）本实用新型利用宏微复合技术思想，指示光栅作为增量式光栅尺必要器件高速运动，提高光栅尺工作速度，当运动到目标附近时，适当减速，此时绝对码道采集头工作，加大采集数据量，达到高精度的目的。

2）本实用新型利用冗余技术思想，两片指示光栅得到的增量式的位置信息为误码纠错提供了参考，从而提高了绝对光栅尺编码解码的可靠性，使光栅尺最终的绝对位置信息读取更加可靠。

3）本实用新型两片指示光栅的加入，使光栅尺方向判定准确性更增加了一层保障。

4）本实用新型两片指示光栅的加入，增加了光栅尺自身备用的限位功能，更好地避免直线电机限位功能失效时给光栅尺带来的冲击损害。

5）本实用新型两片指示光栅的加入，在绝对码道采集头失效时，可作为备份测量工具，提供两种不同精度的增量是测量，在故障状态下保证光栅尺具有一定的测量功能。

本实用新型在提高绝对光栅尺工作时的运动速度、读码精度的同时，增加了其读数的可靠性，并且具备光栅尺移动的方向判定及位移量增加或减少的计算功能，还额外提供了两重光栅尺自身的备用限位功能。本实用新型是一种具有高速度性、高精度性、高冗余性的高速高精度高冗余性绝对光栅尺读数头装置。

附图说明

图1为本实用新型读数头结构的立体图。

图2是本实用新型读数头结构的俯视图。

图中：1、滑车车身 2、滚轮 3、光栅玻璃 4、绝对码道 5、增量码道 6、绝对码道采集头 7、第一指示光栅 8、第二指示光栅。

具体实施方式

实施例：

本实用新型的结构示意图如图1、2所示，本实用新型的高速高精度高冗余性绝对光栅尺读数头装置，包括有滑车车身1、光栅玻璃3、绝对码道4、增量码道5、绝对码道采集头6、第一指示光栅7、第二指示光栅8，其中光栅玻璃3安装在滑车车身1的下方，光栅玻璃3上并排刻有两种码道，一种是绝对码道4，另一种是增量码道5，第一指示光栅7和第二指示光栅8沿滑车车身1的运动方向并排安装，并处于增量码道5的正上方，记录增量码道莫尔条纹数量；用于采集读数头是否走到绝对位置的绝对码道采集头6也安装在滑车车身1上，并处于绝对码道4的正上方，用于记录光栅尺的绝对位置。

上述第一指示光栅7及第二指示光栅8的上表面与光栅玻璃3的上表面平行；上述绝对码道采集头6的上表面也与光栅玻璃3的上表面平行。

上述滑车车身1的同向侧边安装有若干个大小相同的滚轮2，且它们的几何中心不在同一直线上，工作时,滚轮2紧贴着光栅玻璃的上表面滚动，以确保滑车与光栅玻璃3的相对水平，也保证绝对码道采集头6、第一指示光栅7和第二指示光栅8与光栅玻璃3保持相对平行，并且减小绝对码道采集头6、第一指示光栅7和第二指示光栅8与光栅玻璃3的摩擦与振动，此外，上述滑车车身1的下端安装有若干个大小相同的滚轮2，工作时，滚轮2沿着光栅玻璃3的侧面随着滑车移动而滚动，保证滑车车身1与光栅玻璃3的相对运动方向不发生变化。

本实施例中，上述滑车车身1的同向侧边安装有3个大小相同的滚轮2，三个滚轮2的几何中心不在同一直线上。上述滑车车身1的下端安装有2个大小相同的滚轮2。

本实施例中，上述第一指示光栅7与第二指示光栅8的大小相同，厚度相同，唯一不同的是第一指示光栅7与第二指示光栅8上的光栅相对于光栅玻璃3上的增量码道5上的光栅倾斜角度不同，第一指示光栅7和第二指示光栅8上的指示光栅与增量码道5所调制出的莫尔条纹宽度不同，从而使第一指示光栅7和第二指示光栅8上的指示光栅所产生的位置信号精度不同。

本实施例中，上述光栅玻璃3以胶连的方式固定在光栅尺的尺壳内部，因此可以认为光栅玻璃3是固定不动的，示意图中没有画出光栅尺的尺壳。

上述绝对码道采集头6采集绝对码道4上的位置信息时，采用的是摄像头曝光的方式，该方式拥有相当高的精度，但同时也具有一定的速度局限性，当滑车速度超过一定阈值时，采集的图像便会产生拖影，并且拍摄延时因素在高速运动下会产生较大误差，故而当滑车速度在该阈值以内时，位置信息由绝对码道采集头6采集，这样就拥有高精度的工作性能。

本实施例中，第一指示光栅7和第二指示光栅8与增量码道5相对运动，形成莫尔条纹，采集系统对莫尔条纹计数，输出脉冲信号，故在工作中可以达到很高的运动速度，但其精度一般来说不如绝对式光栅尺。因此，当滑车车身1是运动速度超过上述绝对码道采集头6的阈值时，系统停止绝对读码，转而采集增量读码，并在转换读码方式瞬间的最后一个绝对位置信息上累加增量信息，等到绝对码道采集头6快到达目标位置时，滑车减速，当速度减到上述阈值以下时，重新启动绝对读码，这样就能达到光栅尺高速度工作的性能。

在上述过程中，滑车车身1达到目标位置静止时，此时系统会得到三个位置数据，即绝对码道采集头6得到的绝对位置信息，第一指示光栅7从起点绝对位置加上增量过程信息所得到的终点位置信息，第二指示光栅8从起点绝对位置加上增量过程信息所得到的终点位置信息。第一指示光栅7和第二指示光栅8得到的较低精度位置信息与绝对码道采集头6所采集的绝对位置信息进行对比，若误差在合理范围内，则认为绝对码道采集头6所得到的绝对位置可信；若对比后，绝对码道采集头6与第一指示光栅7或第二指示光栅8中任一个位置信息比较，误差超出允许范围，且第一指示光栅7与第二指示光栅8两者的位置信息在允许误差范围之内，则认为此时绝对码道采集头6得到的绝对位置信息解码错误，重新读取图像信息进行解码对比，新的绝对位置信息在允许误差范围内，则认为该绝对位置信息可信并输出之，反之，则输出故障报警信息。

上述第一指示光栅7与第二指示光栅8由于都固定在滑车车身1上，两者位置相对静止，则理论上两者所得到的低精度位置信息是相等的，但由于存在误差，两者之间的位置差值应该在一很小的固定范围内，若工作时，第一指示光栅7与第二指示光栅8两者的位置信息之差不在允许范围之内，则绝对码道采集头6所取得的绝对位置信息是不可信的，此时系统输出光栅尺故障信息。

上述第一指示光栅7与第二指示光栅8工作时具有方向鉴别功能，因此增加了绝对光栅尺的方向判定的可靠性。

当上述第一指示光栅7与第二指示光栅8得到的低精度位置信息走到增量码道5两端的预警位置时，自动停止移动，作为绝对光栅尺的备用限位功能，更好的保护绝对光栅尺免遭意外的撞击损坏。

上述第一指示光栅7与第二指示光栅8的加入，在绝对码道采集头6失效时，可做为两个备份测量工具，在故障状态下保证光栅尺具有一定的测量功能。

本实用新型的工作原理为：

光栅尺进行位移测量时，滑车会带动绝对码道采集头6、第一指示光栅7和第二指示光栅8一起沿着光栅玻璃3滑动。在绝对光栅尺读数头移动过程中，不妨设起点的绝对位置为P₀，经过滑行并停止后，第一指示光栅7行走的距离为L₁，第二指示光栅8行走的距离为L₂（正向移动取正号，负向移动取负号），则此时第一指示光栅7与第二指示光栅8得到的绝对位置为：

P₁=P₀+L₁

P₂=P₀+L₂

此时绝对码道采集头6取得绝对位置为P₃，理论上P₁=P₂=P₃，但由于实际测量中存在误差，使得这三个数值不一定相等，但这并不影响绝对光栅尺最后输出测量结果。此时系统首先将P₁与P₂进行对比，由于第一指示光栅7与第二指示光栅8分别与增量码道5调制出精度不同的增量式光栅尺，那么L₁与L₂的比较就有一定的误差，导致P₁与P₂的比较也会产生相应的误差。由于第一指示光栅7与第二指示光栅8安装位置相对静止，如果该误差不在允许范围内，则光栅尺输出故障报警信息；若该误差在允许范围内，则系统继续将P₁（或P₂也可，因为此时P₁P₂几乎相等）与P₃进行对比，若此时的误差在允许范围之内，则说明绝对位置P₃可信，系统输出绝对位置P₃，若此时的误差超出允许范围之外，则绝对码道采集头6立即再次采集图像得到绝对位置P₄，新的绝对位置P₄再次与P₁进行对比，如果误差在允许范围之内，则绝对位置P₄可信并输出之，若还是超出误差允许范围，则输出光栅尺故障报警信息。

综上所述，本实用新型包含一种基于宏微复合思想的冗余技术，在提高绝对光栅尺工作时的运动速度、读码精度的同时，增加了其读数的可靠性，并且具备光栅尺移动的方向判定及位移量增加或减少的计算功能，还额外提供了两重光栅尺自身的备用限位功能。本实用新型是一种具有高速度性、高精度性、高冗余性的绝对光栅尺读数头装置。

Claims (7)

1.一种高速高精度高冗余性绝对光栅尺读数头装置，其特征在于包括有滑车车身（1）、光栅玻璃（3）、绝对码道（4）、增量码道（5）、绝对码道采集头（6）、第一指示光栅（7）、第二指示光栅（8），其中光栅玻璃（3）安装在滑车车身（1）的下方，光栅玻璃（3）上并排刻有两种码道，一种是绝对码道（4），另一种是增量码道（5），第一指示光栅（7）和第二指示光栅（8）沿滑车车身（1）的运动方向并排安装，并处于增量码道（5）的正上方，用于采集读数头是否走到绝对位置的绝对码道采集头（6）也安装在滑车车身（1）上，并处于绝对码道（4）的正上方。

2.根据权利要求1所述的高速高精度高冗余性绝对光栅尺读数头的装置，其特征在于上述第一指示光栅（7）及第二指示光栅（8）的上表面与光栅玻璃（3）的上表面平行；上述绝对码道采集头（6）的上表面也与光栅玻璃（3）的上表面平行。

3.根据权利要求1所述的高速高精度高冗余性绝对光栅尺读数头的装置，其特征在于上述滑车车身（1）的同向侧边安装有若干个大小相同的滚轮（2），且它们的几何中心不在同一直线上，滚轮（2）紧贴着光栅玻璃（3）的上表面滚动。

4.根据权利要求1所述的高速高精度高冗余性绝对光栅尺读数头的装置，其特征在于上述滑车车身（1）的下端安装有若干个大小相同的滚轮（2），滚轮（2）沿着光栅玻璃（3）的侧面滚动。

5.根据权利要求4所述的高速高精度高冗余性绝对光栅尺读数头的装置，其特征在于上述滑车车身（1）的同向侧边安装有3个大小相同的滚轮（2），上述滑车车身（1）的下端安装有2个大小相同的滚轮（2）。

6.根据权利要求1至5任一项所述的高速高精度高冗余性绝对光栅尺读数头装置，其特征在于上述第一指示光栅（7）和第二指示光栅（8）上的光栅相对于增量码道（5）上的光栅倾斜角度不同，第一指示光栅（7）和第二指示光栅（8）上的指示光栅与增量码道（5）所调制出的莫尔条纹宽度不同。

7.根据权利要求6所述的高速高精度高冗余性绝对光栅尺读数头装置，其特征在于上述光栅玻璃（3）以胶连的方式固定在光栅尺的尺壳内部。