一种直线光栅尺的制作方法
【专利摘要】本发明旨在提供一种便于制作、成本低且测量精度高的直线光栅尺。本发明包括主尺组件和移动读数部件，在所述主尺组件上设置有玻璃光栅尺，在所述玻璃光栅尺上设置有增量码道和绝对码道，在所述增量码道上设置有等间距的增量光栅线纹，所述移动读数部件内设置有玻璃指示光栅，所述移动读数部件设置在所述主尺组件的一侧并可沿主尺组件的长度方向来回移动，在所述绝对码道和所述玻璃指示光栅上均间隔设置有若干组基准标记，每组所述基准标记均对应唯一的距离码，所述扫描单元根据所述绝对码道上的所述基准标记生成基准信号，基准信号参照所述绝对码道相对所述增量码道具有定义的位置和宽度，得到所述增量码道的位置。本发明可应用于测量领域。
【专利说明】一种直线光栅尺
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种测量装置，尤其涉及一种直线光栅尺。
【背景技术】
[0002]直线光栅尺是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。直线光栅尺经常应用于机床与现在加工中心以及测量仪器等方面。目前，大多数的光栅尺仅具有一个零位，当这种光栅尺应用在大型机台或仪器上时，设备开机后，需要耗费大量时间去寻找零位归零。这给使用带来很大不便。在直线光栅尺上设置多个位置参考点是非常必要的。
[0003]海德汉公司在直线光栅尺的玻璃光栅上设置有两条线纹轨道，一条是周期性的增量线纹轨道，另一条是基准标记轨道。基准标记轨道采用距离码排列方式，将位置参考点排列在基准标记轨道上。在基准标记轨道中，在基准标记的相邻两侧布置光栅结构，光栅结构在基准标记轨道中具有的刻度周期等于在增量线纹轨道中的增量刻度周期的一半。通过基准标记轨道上的基准标记为高解析度的增量位置测量提供参照点，在超过基准标记并且产生基准信号以后，增量测量以此参照点作为参考。这确保了从增量线纹轨道和基准标记轨道中最终形成的信号相互之间的影响仅很小。然而在基准标记轨道中在基准标记的相邻两侧布置光栅结构，并且光栅结构的刻度周期等于在增量线纹轨道中的增量刻度周期的一半。这样做非常浪费制作成本，难度也较高。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种便于制作、成本低且测量精度高的直线光栅尺。
[0005]本发明所采用的技术方案是:本发明包括主尺组件和移动读数部件，在所述主尺组件上设置有玻璃光栅尺，在所述玻璃光栅尺上设置有增量码道和绝对码道，在所述增量码道上设置有等间距的增量光栅线纹，所述移动读数部件内设置有扫描单元，所述扫描单元包括玻璃指示光栅，所述移动读数部件设置在所述主尺组件的一侧并可沿主尺组件的长度方向来回移动，在所述绝对码道和所述玻璃指示光栅上均间隔设置有若干组基准标记，每组所述基准标记均对应唯一的距离码，所述扫描单元扫描所述玻璃光栅尺，根据所述绝对码道上的所述基准标记生成基准信号，基准信号参照所述绝对码道相对所述增量码道具有定义的位置和宽度，得到所述增量码道的位置。
[0006]进一步地，所述基准标记为设置在所述绝对码道和所述玻璃指示光栅上的光栅线纹，所述光栅线纹为由数字编码的非周期性光栅线纹。
[0007]进一步地，所述基准标记由数字编码3 3131215151716411转换成 46 位二进制编码 1110001000100100000100000100000001000000111101，再转换成非周期性光栅线纹而成，其中二进制编码I表示透光，O表示不透光。
[0008]进一步地，在所述绝对码道和所述玻璃指示光栅上，所述基准标记以外的区域设置有不透明掩膜层。
[0009]进一步地，所述扫描单元还包括光源和直流光探测器元件，所述直流光探测器元件在所述扫描单元扫描所述玻璃光栅尺，所述光源发出的光衍射并第一次获得所述绝对码道上的所述基准标记时，产生一个补偿信号，所述补偿信号向所述基准信号提供一个脉冲信号。
[0010]进一步地，所述扫描单元还包括增量信号探测器和基准信号探测器，所述增量信号探测器对所述增量码道进行刻度扫描，所述基准信号探测器对所述绝对码道进行扫描，所述基准信号探测器在测量方向上具有的宽度等于当前所述增量信号探测器的刻度周期。
[0011]进一步地，还包括一个差动放大器，所述差动放大器的输入端与所述直流光探测器元件连接，所述直流光探测器元件产生的补偿信号经所述差动放大器处理后成为触发信号，触发信号向所述基准信号提供脉冲信号。
[0012]进一步地，在所述移动读数部件内还设置有温度传感器。
[0013]更进一步地，所述距离码通过伪随机编码法获得。
[0014]本发明的有益效果是:本发明通过由数字编码形成的二进制码进而获得的非周期性光栅线纹，在进行绝对码道读数时，能够获得极强的信号，根据该信号，所述扫描单元能够准确地获取该基准标记，根据该标记，相应地也就获得了增量码道上的精确位置读数；采用本发明的非周期性光栅线纹，能够获得较一般信号强五倍左右的极强信号，一般信号与极强信号之间的差值非常大，在这一区间内，不会产生干扰信号，探测器在测量过程中能够直接精准地获得绝对码道的位置，从而得出增量码道的位置信息，故其测量精度极高；另夕卜，本发明制作简单，成本低，与现有技术相比，其在绝对码道上无需设置太多刻线，只需要根据距离码在相应的位置设置基准标记即可。
[0015]由于本发明在所述绝对码道和所述玻璃指示光栅上，所述基准标记以外的区域设置有不透明掩膜层，所以，在所述扫描单元对绝对码道进行扫描时，除了在扫描到基准标记时产生信号外，在其它区域不会产生任何信号，减少了干扰信号的存在，避免了发生误读的可能，提高了读数精准度；也降低了绝对码道的制作难度，节约了制作成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是所述玻璃光栅尺上的线纹图；
图2是所述玻璃指示光栅上的线纹图；
图3是实施例中的扫描模拟比较产生的光学补偿信号图。
【具体实施方式】
[0017]如图1和图2所示，在本实施例中，本发明包括主尺组件和移动读数部件，在所述主尺组件上设置有玻璃光栅尺，在所述玻璃光栅尺上设置有增量码道I和绝对码道2，在所述增量码道I上设置有等间距的增量光栅线纹3，所述移动读数部件内设置有扫描单元，所述扫描单元包括玻璃指示光栅，所述移动读数部件设置在所述主尺组件的一侧并可沿主尺组件的长度方向来回移动。在所述绝对码道2和所述玻璃指示光栅上均间隔设置有若干组基准标记4，每组所述基准标记4均对应唯一的距离码，所述距离码通过伪随机编码法获得。所述扫描单元扫描所述玻璃光栅尺，根据所述绝对码道2上的所述基准标记4生成基准信号，基准信号参照所述绝对码道相对所述增量码道I具有定义的位置和宽度，得到所述增量码道I的位置。
[0018]上述距离码产生的过程举例如下:通过伪随机编码方法获得以下一条连续距离码:0.100mm、0.100mm、0.120mm、0.100mm、0.140mm、0.100mm、0.160mm、0.100mm、0.180mm、
0.100mm、0.200mm......1.160mm、1.200mm、1.180mm、1.180mm、1.200mm、1.200mm。这条距离码共3136个代码距离，3136个代码距离相加总长为2038.4mm。把基准标记的刻线按照距离码依次标记在光栅尺的绝对码道上，产生一条连续的带绝对式刻线的光栅尺。这就是距离码标记的过程。
[0019]所述基准标记4为设置在所述绝对码道2和所述玻璃指示光栅上的光栅线纹，所述光栅线纹为由数字编码的非周期性光栅线纹。所述基准标记4由数字编码3 3 13 1215 15 17 16 4 11 转换成 46 位二进制编码 1110001000100100000100000100000001000000111101，再转换成非周期性光栅线纹而成，其中二进制编码I表示透光，O表示不透光。该数字编码3 3 1 3 1 2 1 5 1 5 1 7 1 6 4 1 1通过数字模拟比较优化而得。在所述绝对码道2和所述玻璃指示光栅上，所述基准标记4以外的区域设置有不透明掩膜层5。所述扫描单元还包括光源和直流光探测器元件，所述直流光探测器元件在所述扫描单元扫描所述玻璃光栅尺，所述光源发出的光衍射并第一次获得所述绝对码道2上的所述基准标记4时，产生一个补偿信号，所述补偿信号向所述基准信号提供一个脉冲信号。所述扫描单元还包括增量信号探测器和基准信号探测器，所述增量信号探测器对所述增量码道I进行刻度扫描，所述基准信号探测器对所述绝对码道2进行扫描，所述基准信号探测器在测量方向上具有的宽度等于当前所述增量信号探测器的刻度周期。本发明还包括一个差动放大器，所述差动放大器的输入端与所述直流光探测器元件连接，所述直流光探测器元件产生的补偿信号经所述差动放大器处理后成为触发信号，触发信号向所述基准信号提供脉冲信号。在所述移动读数部件内还设置有温度传感器。所述温度传感器的作用:针对因温度偏差引起的材料膨胀进行误差修正，在应用时直线光栅尺输出的数据会自动进行温度误差修正。
[0020]本发明通过对绝对码道的扫描，在基准标记上通过光的衍射取得信号。对该信号进行处理，通过直流光探测器元件产生一个被调制的补偿信号，该信号在经过进一步的处理后成为基准信号。另外，通过直流光探测器元件产生的信号首先通过差分放大器放大成为补偿信号，在对触发信号进行适当的调节后，在基准信号输出端上输出基准信号。在此，通过选择差分放大器的放大系数，可以对基准信号的位置和宽度进行调节。
[0021]本发明在设计过程中，在获得数字编码3 3131215151716411后，转换成46位二进制码，并赋值I表示透光，O表示不透光:1110001000100100000100000100000001000000111101。在绝对码道和玻璃指示光栅上进行扫描模拟比较。其中，
玻璃指示光栅编码:1110001000100100000100000100000001000000111101基准标记光栅编码:1110001000100100000100000100000001000000111101总共进行91次扫描模拟比较。在进行第46次错位比较时，46位完全重叠，共计14个表示透光。此时，补偿信号取得最大值，其最大值相当于平均值相的5倍左右。如下为比较过程。
[0022](I)
11100010001001000001000001000000010000001111011110001000100100000100000100000001000000111101
重叠位:1
说明:比较长度91，倒退45位，重叠I位，I个“I”；
(2)
1110001000100100000100000100000001000000111101
1110001000100100000100000100000001000000111101
重叠位:01
说明:比较长度90，倒退44位，重叠2位，I个“I”；
(3)
1110001000100100000100000100000001000000111101
1110001000100100000100000100000001000000111101
重叠位:101
说明:比较长度89，倒退43位，重叠3位，2个“I”；
(4)
1110001000100100000100000100000001000000111101
1110001000100100000100000100000001000000111101
重叠位:1100
说明:比较长度88，倒退42位，重叠4位，2个“I” ；
(5)
1110001000100100000100000100000001000000111101
1110001000100100000100000100000001000000111101
重叠位:11100说明:比较长度87，倒退41位，重叠5位，3个“I” ；
(6)
1110001000100100000100000100000001000000111101
1110001000100100000100000100000001000000111101
重叠位:111000说明:比较长度86，倒退40位，重叠6位，3个“I”；
(44)
11100010001001000001000001000000010000001111011110001000100100000100000100000001000000111101重叠位:10000000000000000000000000000000000000001101
说明:比较长度48，倒退2位，重叠44位，4个“I” ；
(45)
1110001000100100000100000100000001000000111101
1110001000100100000100000100000001000000111101
重叠位:110000000000000000000000000000000000000011100
说明:比较长度47，倒退I位，重叠45位，5个“I” ；
(46)
1110001000100100000100000100000001000000111101
1110001000100100000100000100000001000000111101
重叠位:1110001000100100000100000100000001000000111101
说明:比较长度46，重叠46位，14个“I” ；
(47)
1110001000100100000100000100000001000000111101
1110001000100100000100000100000001000000111101
重叠位:110000000000000000000000000000000000000011100
说明:比较长度47，前进I位，重叠45位，5个“I”；
(48)
1110001000100100000100000100000001000000111101
1110001000100100000100000100000001000000111101
重叠位:10000000000000000000000000000000000000001101
说明:比较长度48，前进2位，重叠44位，4个“I” ；
(89)
1110001000100100000100000100000001000000111101
1110001000100100000100000100000001000000111101
重叠位:101
说明:比较长度89，前进43位，重叠3位，2个“I”；
(90)
1110001000100100000100000100000001000000111101
1110001000100100000100000100000001000000111101
重叠位:01
说明:比较长度90，前进44位，重叠2位，I个“I”；
(91)
1110001000100100000100000100000001000000111101
1110001000100100000100000100000001000000111101
重叠位:1
说明:比较长度91，前进45位，重叠I位，I个“I”。
[0023]至此，扫描模拟比较完毕。
[0024]由上，得到如图3所示的光学补偿信号图。在进行第46次扫描模拟比较时，获得了最大值与平均值之间存在约4倍的差值。在最大值与平均值之间没有出现其他突变点或者说干扰信号，亦即转换到绝对码道和增量码道上来，是指能够精确地获得在扫描过程中获得强信号的绝对码道位置，从而进一步精确查找到增量码道位置。在所述绝对码道上的除了基准标记位置的其它区域，设置有不透光掩膜层，这进一步避免了在测量扫描过程中出现干扰信号的情况。
[0025]本发明采用一组全新的数字编码形成的基准标记，通过该基准标记能够在移动读数部件进行扫描过程中，高精度地捕抓到绝对码道和增量码道的信号。更为重要的是，与海德汉公司生产的光栅尺相比，本发明光栅尺获得的最强信号值是平均信号值的5倍左右，在最强信号值与平均信号值之间不存在其它干扰信号，这是的探测器在获取信号时能够更加快速、精确，减少了干扰信号的出现，从而减少了运算量，提高工作效率；本发明与现有技术的光栅尺相比，其制作更为简单，成本更低。
[0026]本发明可应用于测量领域。
【权利要求】
1.一种直线光栅尺，包括主尺组件和移动读数部件，在所述主尺组件上设置有玻璃光栅尺，在所述玻璃光栅尺上设置有增量码道(I)和绝对码道(2)，在所述增量码道(I)上设置有等间距的增量光栅线纹(3)，所述移动读数部件内设置有扫描单元，所述扫描单元包括玻璃指示光栅，所述移动读数部件设置在所述主尺组件的一侧并可沿主尺组件的长度方向来回移动，其特征在于:在所述绝对码道(2)和所述玻璃指示光栅上均间隔设置有若干组基准标记(4)，每组所述基准标记(4)均对应唯一的距离码，所述扫描单元扫描所述玻璃光栅尺，根据所述绝对码道(2)上的所述基准标记(4)生成基准信号，基准信号参照所述绝对码道相对所述增量码道(I)具有定义的位置和宽度，得到所述增量码道(I)的位置。
2.根据权利要求1所述的一种直线光栅尺，其特征在于:所述基准标记(4)为设置在所述绝对码道(2)和所述玻璃指示光栅上的光栅线纹，所述光栅线纹为由数字编码的非周期性光栅线纹。
3.根据权利要求2所述的一种直线光栅尺，其特征在于:所述基准标记(4)由数字编码 33131215151716411 转换成 46 位二进制编码 1110001000100100000100000100000001000000111101，再转换成非周期性光栅线纹而成，其中二进制编码I表示透光，O表不不透光。
4.根据权利要求2所述的一种直线光栅尺，其特征在于:在所述绝对码道(2)和所述玻璃指示光栅上，所述基准标记(4 )以外的区域设置有不透明掩膜层(5 )。
5.根据权利要求1所述的一种直线光栅尺，其特征在于:所述扫描单元还包括光源和直流光探测器元件，所述直流光探测器元件在所述扫描单元扫描所述玻璃光栅尺，所述光源发出的光衍射并第一次获得所述绝对码道(2)上的所述基准标记(4)时，产生一个补偿信号，所述补偿信号向所述基准信号提供一个脉冲信号。
6.根据权利要求5所述的一种直线光栅尺，其特征在于:所述扫描单元还包括增量信号探测器和基准信号探测器，所述增量信号探测器对所述增量码道(I)进行刻度扫描，所述基准信号探测器对所述绝对码道(2)进行扫描，所述基准信号探测器在测量方向上具有的宽度等于当前所述增量信号探测器的刻度周期。
7.根据权利要求6所述的一种直线光栅尺，其特征在于:还包括一个差动放大器，所述差动放大器的输入端与所述直流光探测器元件连接，所述直流光探测器元件产生的补偿信号经所述差动放大器处理后成为触发信号，触发信号向所述基准信号提供脉冲信号。
8.根据权利要求1所述的一种直线光栅尺，其特征在于:在所述移动读数部件内还设置有温度传感器。
9.根据权利要求1所述的一种直线光栅尺，其特征在于:所述距离码通过伪随机编码法获得。
【文档编号】G01D5/347GK104501844SQ201410841896
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月30日 优先权日:2014年12月30日
【发明者】张传敏, 黄志良, 张松涛 申请人:吉林大学珠海学院, 珠海市怡信测量科技有限公司