用于绝对式光栅尺的一体化振动控制系统及方法与流程

本发明涉及光电测量技术领域及精密仪器的振动控制领域，特别是涉及一种用于绝对式光栅尺的一体化振动控制系统及方法。

背景技术：

绝对式光栅尺系统作为一种无须“归零”的、可在测量范围内任意位置直接获得绝对位置的位置传感器，在机械加工和精密仪器中有着广泛的应用，其性能影响着其使用平台的工作精度。目前，公知的绝对式光栅尺，其光栅尺读数头的读数方式为摄像式，通过摄取码道对应位置的图像并对图像进行数据处理从而获得当前绝对位置，因此绝对式光栅尺原始误差来源于其读码图像的信息误差。绝对式光栅尺可能应用于各种恶劣的工业环境中，应用于机床的开放式绝对光栅尺工况尤为恶劣。绝对式光栅尺读码精度的影响因素很多，其中，机床运动时光栅尺读数头的振动是影响其读码图像精度的重要原因，目前公知的读数头振动解决方法是通过对测量数据进行数据后处理的方式来纠正测量误差，提升所测结果的精度，但由光栅尺读数头振动导致的读码图像信息误差始终存在，故上述方式的精度提高受制于原始数据精度，难以更好提高光栅尺的测量精度。

技术实现要素：

为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供用于绝对式光栅尺的一体化振动控制系统，本发明的目的是提供用于绝对式光栅尺的一体化振动控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

用于绝对式光栅尺的一体化振动控制系统，所述绝对式光栅尺的光栅尺读数头安装在载体平台上，包括补偿式安装机构和振动补偿控制子系统，所述光栅尺读数头通过补偿式安装机构安装在载体平台上，所述振动补偿控制子系统用于读取载体平台的振动反馈信号以及载体平台所处数控机床的运动学参数后，计算获得相应的振动补偿指令，进而对补偿式安装机构实现振动补偿。

进一步，所述补偿式安装机构包括多个减震组件，各所述减震组件包括凸耳式安装座、可调刚度气囊、压电致动模块和用于对可调刚度气囊进行刚度调整的气囊刚度预调器，所述振动补偿控制子系统与压电致动模块连接，所述凸耳式安装座悬挂安装于载体平台上；所述可调刚度气囊和压电致动模块依次叠加后安装在凸耳式安装座上，实现对光栅尺读数头的支撑。

进一步，所述振动补偿控制子系统包括补偿控制模块、X向振动传感器、Y向振动传感器、Z向振动传感器、功率放大器和用于读取数控机床的运动学参数并发送到补偿控制模块的NC接口模块，所述X向振动传感器、Y向振动传感器和Z向振动传感器分别用于采集载体平台的X向、Y向和Z向的振动信号后发送到补偿控制模块，所述补偿控制模块用于读取载体平台的X向、Y向和Z向的振动信号以及载体平台所处数控机床的运动学参数后，计算获得相应的振动补偿指令，进而输出到功率放大器，驱动压电致动模块产生相应的位移输出从而改变可调刚度气囊的压缩量，实现振动补偿。

进一步，所述可调刚度气囊，包括阻尼纵隔和由阻尼纵隔分割获得的压力调整腔和气囊承载腔，所述阻尼纵隔上设有用于连通压力调整腔和气囊承载腔的阻尼通道。

进一步，所述气囊承载腔用于实现对光栅尺读数头的支撑，所述压电致动模块置于压力调整腔的上方并共同设置于气囊刚度预调器内。

进一步，所述压电致动模块置于气囊承载腔的上方并共同实现对光栅尺读数头的支撑，所述压力调整腔设置于气囊刚度预调器内。

进一步，多个所述减震组件对光栅尺读数头的支撑方式为轴对称支撑、正三角形支撑或四角对称支撑。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：

用于绝对式光栅尺的一体化振动控制方法，包括步骤：

采集载体平台的振动反馈信号以及载体平台所处数控机床的运动学参数；

根据获取的振动反馈信号和运动学参数，计算获得相应的振动补偿指令，进而对补偿式安装机构实现振动补偿。

进一步，所述读取载体平台的振动反馈信号以及载体平台所处数控机床的运动学参数的步骤，其具体为：

采用振动传感器采集载体平台的X向、Y向和Z向的振动信号，同时通过NC接口模块读取数控机床的运动控制指令后转译为运动学参数。

进一步，所述根据获取的振动反馈信号和运动学参数，计算获得相应的振动补偿指令，进而对补偿式安装机构实现振动补偿的步骤，其具体为：

根据获取的振动反馈信号和运动学参数，计算获得相应的对光栅尺读数头的振动补偿指令，进而将振动补偿指令输出至功率放大器，通过振动补偿指令驱动压电致动模块改变可调刚度气囊的压缩量，实现振动补偿。

本发明的有益效果是：本发明的用于绝对式光栅尺的一体化振动控制系统，包括补偿式安装机构和振动补偿控制子系统，所述光栅尺读数头通过补偿式安装机构安装在载体平台上，所述振动补偿控制子系统用于读取载体平台的振动反馈信号以及载体平台所处数控机床的运动学参数后，计算获得相应的振动补偿指令，进而对补偿式安装机构实现振动补偿。本系统可在绝对式光栅尺的测量过程中实现对光栅尺读数头的振动补偿，提高绝对式光栅尺的测量精度，可应用在各种存在振动的恶劣工况中。

本发明的另一有益效果是：用于绝对式光栅尺的一体化振动控制方法，包括步骤：采集载体平台的振动反馈信号以及载体平台所处数控机床的运动学参数；根据获取的振动反馈信号和运动学参数，计算获得相应的振动补偿指令，进而对补偿式安装机构实现振动补偿。本方法可在绝对式光栅尺的测量过程中实现对光栅尺读数头的振动补偿，提高绝对式光栅尺的测量精度，可应用在各种存在振动的恶劣工况中。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的用于绝对式光栅尺的一体化振动控制系统的安装结构示意图；

图2是图1中从上往下投影的透视结构示意图；

图3是本发明的用于绝对式光栅尺的一体化振动控制系统所采用的可调刚度气囊的结构图；

图4是本发明的用于绝对式光栅尺的一体化振动控制系统所采用的减震组件的第一结构示意图；

图5是本发明的用于绝对式光栅尺的一体化振动控制系统所采用的减震组件的第二结构示意图；

图6是本发明的用于绝对式光栅尺的一体化振动控制系统的控制原理示意图；

图7是本发明的用于绝对式光栅尺的一体化振动控制系统的工作原理示意图。

具体实施方式

实施例一

参照图1和图2，本发明提供了一种用于绝对式光栅尺的一体化振动控制系统，所述绝对式光栅尺的光栅尺读数头2安装在载体平台1上，包括补偿式安装机构和振动补偿控制子系统，所述光栅尺读数头2通过补偿式安装机构安装在载体平台1上，所述振动补偿控制子系统用于读取载体平台1的振动反馈信号以及载体平台1所处数控机床的运动学参数后，计算获得相应的振动补偿指令，进而对补偿式安装机构实现振动补偿。

优选的，参照图4和图5，所述补偿式安装机构包括多个减震组件，各所述减震组件包括凸耳式安装座3、可调刚度气囊4、压电致动模块5和用于对可调刚度气囊4进行刚度调整的气囊刚度预调器6，所述振动补偿控制子系统与压电致动模块5连接，所述凸耳式安装座3悬挂安装于载体平台1上；所述可调刚度气囊4和压电致动模块5依次叠加后安装在凸耳式安装座3上，实现对光栅尺读数头2的支撑。压电致动模块5采用多片压电晶体堆叠而成。

气囊刚度预调器6一搭扣式结构，转动其调节螺栓可调整气囊预压缩量，从而实现可调刚度气囊4的刚度预调。具体包含手动气囊刚度预调旋钮及气囊支架。其中手动气囊刚度预调旋钮类似于螺旋千分尺，用于确保刚度预调整精度。其调整量与具体装置的气囊刚度间对应关系可于安装后标定。因此，实际工作中可针对光栅尺安装平台的特性及通常工作模式进行气囊刚度预设，如此，则一方面，当减振系统处于主被动一体化隔振工作模式时，可减小压电致动模块5的工作范围，提高响应频率；另一方面，当补偿控制模块压电致动模块5由于某种原因未能正常投入时，本系统即处于被动减振工作模式时，其隔振效果相当于给定参数的气囊隔振系统，相当于实现对绝对式光栅尺的测量过程的焦距微调。

优选的，参照图7，所述振动补偿控制子系统包括补偿控制模块、X向振动传感器7、Y向振动传感器8、Z向振动传感器9、功率放大器和用于读取数控机床的运动学参数并发送到补偿控制模块的NC接口模块，所述X向振动传感器7、Y向振动传感器8和Z向振动传感器9分别用于采集载体平台1的X向、Y向和Z向的振动信号后发送到补偿控制模块，所述补偿控制模块用于读取载体平台1的X向、Y向和Z向的振动信号以及载体平台1所处数控机床的运动学参数后，计算获得相应的振动补偿指令，进而输出到功率放大器，驱动压电致动模块5产生相应的位移输出从而改变可调刚度气囊4的压缩量，实现振动补偿。NC接口模块通过标准现场总线接口（例如RS485）与数控机床连接，读取载体平台1的各伺服轴的运动控制指令，并把上述运动控制指令转译为运动学参数（如速度、加速度等）输出至补偿控制模块。而且本实施例在载体平台1的X、Y、Z三轴方向各设置一振动传感器，采集载体平台1的振动信号并发送到补偿控制模块，补偿控制模块根据运动学参数和振动信号计算获得相应的振动补偿指令，进而输出到功率放大器，驱动压电致动模块5产生相应的位移输出从而改变可调刚度气囊4的压缩量，实现对光栅尺读数头2的振动补偿。

优选的，如图3所示，所述可调刚度气囊4采用双气室连通式气囊，包括阻尼纵隔41和由阻尼纵隔41分割获得的压力调整腔42和气囊承载腔43，所述阻尼纵隔41上设有用于连通压力调整腔42和气囊承载腔43的阻尼通道44。

本实施例的减震组件的第一种结构形式如图4所示，所述气囊承载腔43用于实现对光栅尺读数头2的支撑，所述压电致动模块5置于压力调整腔42的上方并共同设置于气囊刚度预调器6内。工作时，补偿控制模块驱动压电致动模块5动作，实时调整气囊刚度预调器6刚度与阻尼参数，以改变系统K、C值，从而有效应对平台的宽频振动。

本实施例的减震组件的第二种结构形式如图5所示，所述压电致动模块5置于气囊承载腔43的上方并共同实现对光栅尺读数头2的支撑，所述压力调整腔42设置于气囊刚度预调器6内。工作时，气囊刚度预调器6作为系统的被动阻尼减振原件，压电致动模块5作为致动器实现主动振动补偿。

以上两种不同结构形式依据光栅尺读数头2与载体平台1的力学特性及几何特点而决定。所述振动补偿控制子系统根据实时检测的光栅尺读数头2的总成振动量值（包括加速度、速度、位移），结合接收NC控制器的实时运动控制指令，经运算输出控制信号使各压电致动模块5同时动作。

结合各振动传感器的实时反馈，本系统可预测光栅尺读数头2的振动趋势及性质（如振动烈度、幅频特性及作用方向的变化等），进而通过气囊刚度预调器6预调气囊刚度结合压电作动器实时补偿的方式满足相关工况的隔振要求，达到提升绝对式光栅尺测量精度及测量速度的目标。

需要注意的是，本实施例给出的是光栅尺读数头2悬挂安装于载体平台1下方时的实例，实际应用中，将其安装在载体平台1上方，对减震组件的各组成部件进行位置调整即可。

优选的，多个所述减震组件对光栅尺读数头2的支撑方式为轴对称支撑、正三角形支撑或四角对称支撑，即多个所述减震组件的数量可以为2个、3个、4个等，根据减震组件的数量均匀地对光栅尺读数头2进行支撑即可。如图2所示，本实施例优选采用4个减震组件呈四角对称支撑，此时令四角支承点的几何中心投影尽可能与光栅尺读数头2的总成重心重合，光栅尺读数头2的光轴与支承平面为正交关系，如此，可令压电堆叠动作时效率更高、控制算法复杂程度降低。轴对称支撑的方式通常应用于仅需控制二自由度的情形；正三角形支撑与四角对称型的布置相类似；多于四个减震组件的多边形布置方式往往针对较大型或结构上有特殊要求的应用。

本发明的具体应用领域为：应用于重型数控机床的开放式绝对光栅尺。由于光栅尺读数头的成像精确度直接影响光栅尺精度，而光栅尺读数头成像精确度受下述两方面因素影响：其一、载体平台1的振动（如前所述）；其二、数控机床几何误差（如导轨直线度误差等）导致的开放式绝对光栅尺的光栅尺读数头2与栅线尺体法向距离动态改变。因此本发明于本实施例的应用中，还具备动态微调读数头悬挂高度，从而利用主动减振单元（压电致动模块5）实现光栅尺读数头2动态焦距微调，动态补偿机床几何误差的功能。

本发明具有以下有益效果：

一、本发明可使光栅尺读数头2的动态特性提高，并降低由于振动导致的原始数据误差，故可使绝对式光栅尺测量精度得以提升；

二、减低由于系统运动所导致的光栅尺读数头2振动，使得对绝对光栅尺系统有相同测量精度要求时，可降低对光栅尺使用平台（如CNC工作台）的动态特性要求，有利于光栅尺使用平台应用于恶劣工况中；

三、本发明通过NC接口模块引入NC控制器信息，可提前预测光栅尺使用平台的运动学参数变化，并据此驱动压电致动模块5实现实时补偿，实现系统主、被动一体化减振，使得绝对式光栅尺在非平稳工况下也可以保持较高测量精度。应用场合更广泛。

四、本发明的一体化振动控制系统中，可调刚度气囊4本体作为高频振动的有效隔振组件，系统结构特征保证了该气囊组件可独立工作。当发生系统其他组件不工作时，如压电致动模块5失效等，则本发明的一体化振动控制系统处于被动减振工况，可一定程度上保证绝对光栅尺系统的正常工作。

五、本发明可实现动态微调读数头悬挂高度的功能，从而补偿机床几何误差导致的的读数头成像精度降低，使本发明应用范围及用途进一步扩大。

本申请的应用于绝对式光栅尺的一体化振动控制系统，实际也可以应用到其它紧密光学测量仪器中，进行振动补偿。

实施例二

本实施例是基于实施例一的用于绝对式光栅尺的一体化振动控制方法，如图6所示，包括步骤：

采集载体平台1的振动反馈信号以及载体平台1所处数控机床的运动学参数；

根据获取的振动反馈信号和运动学参数，计算获得相应的振动补偿指令，进而对补偿式安装机构实现振动补偿。

进一步作为优选的实施方式，所述读取载体平台1的振动反馈信号以及载体平台1所处数控机床的运动学参数的步骤，其具体为：

采用振动传感器采集载体平台1的X向、Y向和Z向的振动信号，同时通过NC接口模块读取数控机床的运动控制指令后转译为运动学参数。

进一步作为优选的实施方式，所述根据获取的振动反馈信号和运动学参数，计算获得相应的振动补偿指令，进而对补偿式安装机构实现振动补偿的步骤，其具体为：

根据获取的振动反馈信号和运动学参数，计算获得相应的对光栅尺读数头2的振动补偿指令，进而将振动补偿指令输出至功率放大器，通过振动补偿指令驱动压电致动模块5改变可调刚度气囊4的压缩量，实现振动补偿。

本方法可在绝对式光栅尺的测量过程中实现对光栅尺读数头2的振动补偿，提高绝对式光栅尺的测量精度，可应用在各种存在振动的恶劣工况中。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。