一种高精度数码圆分度传感器及系统和检测方法与流程

[0001]
本发明属于机械圆分度测量技术领域，具体涉及一种高精度数码圆分度传感器及系统和检测方法。


背景技术：

[0002]
分度就是把圆形工件的圆周分成若干等份的一种方法，在机械行业中分度是由分度盘来实现的，分度盘的精度是圆形部件加工精度的基础，目前，主要有机械式、光栅编码式二种。机械式的圆分度盘可以分为：直接分度、简单分度、差动分度三种，机械式分度盘是传统的一种分度装置通过涡轮蜗杆的传动，结构复杂，并且传动链实现的分度存在较大的累积误差，通常精度较低。光栅编码式分度盘是目前最常用的圆分度仪器，是一种较成熟的分度仪器，一般可达到分级，最高精度可达到秒级，但由于采用光栅计量原理，它也有一些难以克服的缺陷。首先，作为计量标准的圆光栅必须精密加工、精密安装，这必然导致制造成本昂贵；而且由于制造母机精度的限制，使得提高圆光栅加工精度变得越来越难。其次，光栅的几何量转换原理是以光强信号表示位置，以计数光强变化产生的脉冲个数表示位移，这种光强变化必须由机械运行产生，而机械振动和电场噪声都会干扰电脉冲的产生和计数，导致测量准确性下降；再者，脉冲计数的产生和计数只能在圆光栅旋转时进行，测量结果只是旋转时光栅所产生脉冲的累计量，它是对测量越点的量，而不是相对固定零位的绝对偏差量，而且，在实际应用中为了获得绝对偏差量往往需要其他附加操作与处理，也给测量带来误差和不便。


技术实现要素：

[0003]
本发明的目的在于提供一种高精度数码圆分度传感器及系统和检测方法。
[0004]
本发明一种高精度数码圆分度传感器，包括主光栅、动光栅片、动光电二极管对、静光栅片、静光电二极管对、光栅传感器外壳、检测输入轴和转轴。检测输入轴通过轴承支承在光栅传感器外壳上。转轴由电机驱动能够恒速转动。转轴的轴线与检测输入轴的轴线重合。主光栅固定在转轴上。动光栅片固定在检测输入轴上。静光栅片固定光栅传感器外壳内。主光栅、动光栅片和静光栅片同心且上均设置有一道同样宽度的细光栅线。所述的动光电二极管对与检测输入轴固定，与动光栅片上的光栅线对齐。动光电二极管对内的发射管和接收管分别设置在主光栅片、动光栅片的两侧。静光电二极管对与光栅传感器外壳固定，与静光栅片上的光栅线对齐。静光电二极管对内的发射管和接收管分别设置在主光栅片、静光栅片的两侧。
[0005]
作为优选，所述的主光栅共有两片，分别为第一主光栅片和第二主光栅片。第一主光栅片和第二主光栅片间隔固定在转轴上。第一主光栅片与第二主光栅片上的光栅线在检测输入轴的径向上对齐。第一主光栅片靠近动光栅片。第二主光栅片靠近静光栅片。第一主光栅片及动光栅片位于动光电二极管对内的发射管和接收管之间。第二主光栅片及静光栅片位于静光电二极管对内的发射管和接收管之间。
[0006]
作为优选，所述主光栅片、动光栅片(2)和静光栅片(5)上的光栅线均沿着检测输入轴(15)径向设置。动光栅片(2)和静光栅片(5)采用两种安装方式中的任意一种：
[0007]
方式一、所述的主光栅片、动光栅片(2)和静光栅片(5)均与检测输入轴同心设置；
[0008]
方式二、所述的动光栅片和静光栅片均为一块小光栅片，均设置在检测输入轴一侧；动光栅片与动光电二极管对的发射管粘接固定，随检测输入轴一同转动；静光栅片与静光电二极管对粘的发射管接固定，保持静止。
[0009]
作为优选，本发明还包括滑环。所述的滑环包括滑环内套和滑环外套。滑环内套与检测输入轴固定，随着动光电二极管对一同转动；滑环外套套置在滑环内套上，且与光栅传感器机座固定；动光电二极管对的信号线与滑环内套的导电环相连，动光电二极管对的输出信号经导电环及电刷引出，接入到数据处理系统。静光电二极管对的信号线直接接入到数据处理系统中。
[0010]
作为优选，驱动转轴转动的动力元件为电机。电机安装在光栅传感器外壳远离检测输入轴的一侧；电机的输出轴与光栅传感器转轴同心固定。
[0011]
作为优选，所述的电机包括电机转子铁心、电机定子铁心、电机定子绕组、电机轴承、转轴和电机外壳。所述的电机外壳与光栅传感器外壳固定。转轴通过电机轴承支承在电机外壳中。电机转子铁心固定在转轴上。电机定子铁心套置在电机转子铁心的外侧，且与电机外壳固定。电机定子绕组绕置在电机定子铁心上。
[0012]
本发明一种应用前述高精度数码圆分度传感器的检测系统，还包括数据处理系统和数据显示系统。数据处理系统用于动光电二极管对和静光电二极管对输出的脉冲序列并进行处理，获得两个脉冲序列的相位差，并根据相位差计算被测转动件的圆分度量；数据显示系统用于显示计算出的圆分度量。
[0013]
该高精度数码圆分度传感器及其圆分度检测方法具体如下：
[0014]
步骤一、将检测输入轴与被检测的转动件连接在一起，光栅传感器外壳与安装转动件的机架固定。
[0015]
步骤二、在驱动电机的驱动下转轴带动主光栅片匀速转动；每当主光栅片上的光栅线转动至动光栅片的光栅线对齐时，动光电二极管对输出电流，当主光栅片上的光栅线转动至动光栅片的光栅线错位时，动光电二极管对输出电流接近零。每当主光栅片的光栅线转动至静光栅片的光栅线对齐时，静光电二极管对输出电流，当主光栅片的光栅线转动至静光栅片的光栅线错位时，静光电二极管对输出电流接近零。动光电二极管对输出动光栅脉冲序列a1；静光电二极管对输出静光栅脉冲序列a2。
[0016]
步骤三、计算动光栅脉冲序列a1与静光栅脉冲序列a2的相位差与静光栅脉冲序列a2的比值，该比值即为检测到的圆分度量η。
[0017]
作为优选，初始状态下，动光栅片上的光栅线与静光栅片上的光栅线对齐，初始的对齐通过限位块对检测输入轴进行复位来实现。
[0018]
作为优选，在被检测的转动件开始转动前，该数码圆分度传感器通过步骤一至三的方式检测动光栅片与静光栅片上光栅线的初始夹角并储存；在转动件经过转动，通过检测动光栅片与静光栅片上光栅线的夹角，将检测到的该夹角减去初始夹角，即得到被检测的转动件相对于初始位置的转动角度。
[0019]
作为优选，步骤三中计算圆分度量η的具体过程如下：
[0020]
3-1根据动光栅脉冲序列a1和静光栅脉冲序列a2，获取错位矩形波信号a3和圆周矩形波信号a4；
[0021]
错位矩形波信号a3的获取方法如下：当动光栅脉冲序列a1出现上升沿时，错位矩形波信号a3置为高电平；当静光栅脉冲序列a2出现上升沿时，错位矩形波信号a3置为低电平。错位矩形波信号a3的脉宽m
′
2
等于动光栅脉冲序列a1与静光栅脉冲序列a2的相位差m
2
。
[0022]
周矩形波信号a4的获取方法如下：当静光栅脉冲序列a2出现上升沿时，周矩形波信号a4的电平置反。周矩形波信号a4的脉宽m
′
1
等于静光栅脉冲序列a2的周期m
1
。
[0023]
3-2.使用计数脉冲序列a5跟错位矩形波信号a3和圆周矩形波信号a4分别进行求“与”计算，分别得到错位计数序列a6、圆周计数序列a7。计数脉冲序列a5为周期恒定的高频脉冲序列，且计数脉冲序列a5的周期比静光栅脉冲序列a2的周期小一个或多个数量级。
[0024]
3-3计算错位计数序列a6中与错位矩形波信号a3一个高电平范围对应的位置中的脉冲个数m
″
2
；计算圆周计数序列a7中与圆周矩形波信号a4一个高电平范围对应的位置中的脉冲个数m
″
1
。计算圆盘主轴当前位置与初始位置的圆分度量相对角度θ＝η
·
360
°
。
[0025]
本发明的有益效果如下：
[0026]
1、本发明中通过恒速转动的主光栅盘的光栅线与动光栅片、静光栅片上的光栅线对齐时的相位差，检测出动光栅片上的光栅线与静光栅片上的光栅线的相对夹角；而动光栅片与静光栅片上的光栅线随着被检测的转动件的转动而错开；故根据检测到的两条光栅线的相对夹角可检测转动件当前的转动角度；检测出的转动角度是跟初始位置的相对夹角，不会因转动件的持续转动而累积误差。
[0027]
2、本发明通过检测相位差来获取夹角，不依赖在光栅盘上开设致密的光栅圈来提高精度，而能够通过高频脉冲检测相位差而且可以通过提高高频脉冲频率来提高精度，从而大大降低了传感器的制造成本，且突破了光栅盘检测的精度上限，大大提高了圆分度传感器的检测精度。
[0028]
3、本发明可用于一般机床的圆工件加工中圆分度检测，也可用于数控加工设备的工作台圆分度检测、天文望远镜姿态角检测等，可以将被检测的转盘视为静止，实现对被检测的转盘的圆分度进行实时检测的技术效果。
[0029]
4、现有的光栅编码式圆分度传感器需要在转动件转动时计算产生的脉冲个数，在转动件保持静止的情况下无法获取当前的转动件角度；而本申请能够对静止的转动件进行当前位置与初始位置的相对角度。
附图说明
[0030]
图1为本发明实施例1的结构示意图；
[0031]
图2为本发明实施例1的动光栅片、第一主光栅片和第二主光栅片的结构示意图；
[0032]
图3为本发明实施例1中的步骤三至五中对脉冲序列的信号处理示意图。
[0033]
图4为本发明实施例4的动光栅片、静光栅片的粘片结构示意图。
具体实施方式
[0034]
以下结合附图对本发明作进一步说明。
[0035]
实施例1
[0036]
如图1所示，一种高精度数码圆分度传感器，包括主光栅组1、动光栅片2、动光电二极管对3、静光电二极管对4、静光栅片5、光栅传感器外壳12、光栅传感器轴承13、检测输入轴15、滑环和基准电机。检测输入轴15通过光栅传感器轴承13支承在光栅传感器外壳12上。基准电机安装在光栅传感器外壳12远离检测输入轴15的一侧；基准电机的转轴10伸入光栅传感器外壳12内，且与检测输入轴15的内端对齐。转轴10的轴线与检测输入轴15的轴线重合。
[0037]
如图1和2所示，主光栅组1包括第一主光栅片1-1和第二主光栅片1-2。第一主光栅片1-1和第二主光栅片1-2间隔固定在转轴10上。动光栅片2固定在检测输入轴15上，且靠近第一主光栅片1-1。静光栅片5固定光栅传感器外壳12内，且靠近第二主光栅片1-2。动光电二极管对3与检测输入轴15相对固定。第一主光栅片1-1、第二主光栅片1-2、动光栅片2和静光栅片5上均设置有沿着检测输入轴15径向设置的一道光栅线(通槽)。
[0038]
第一主光栅片1-1与第二主光栅片1-2上的光栅线在检测输入轴15的径向上位置对应，使得第一主光栅片1-1和动光栅片2上的光栅线随着转轴的转动周期性对齐和错开。第二主光栅片1-2和静光栅片5上的光栅线在检测输入轴15的径向上位置对应，使得第二主光栅片1-2和静光栅片5上的光栅线随着转轴的转动周期性对齐和错开。
[0039]
动光电二极管对3与检测输入轴15固定，随着动光栅片2的转动而一同转动。动光电二极管对3内的发射管和接收管分别设置在第一主光栅片1-1、动光栅片2组成的光栅对的两侧。动光电二极管对3与动光栅片2上的光栅线对齐。当第一主光栅片1-1上的光栅线与动光栅片2上的光栅线对齐时，动光电二极管对3内的接收管接收到光信号，有电流输出，当第一主光栅片1-1上的光栅线与动光栅片2上的光栅线错位时，动光电二极管对3内的接收管接收不到光信号，输出电流接近零。
[0040]
静光电二极管对4与光栅传感器外壳12固定，与静光栅片5一同保持静止。静光电二极管对4内的发射管和接收管分别设置在第二主光栅片1-2、静光栅片5组成的光栅对的两侧。静光电二极管对4与静光栅片5上的光栅线对齐。当第二主光栅片1-2上的光栅线与静光栅片5上的光栅线对齐时，静光电二极管对4内的接收管接收到光信号，有电流输出，当第一主光栅片1-2上的光栅线与静光栅片5上的光栅线错位时，静光电二极管对4内的接收管接收不到光信号，输出电流接近零。
[0041]
滑环包括滑环内套14和滑环外套16。滑环内套14与检测输入轴15固定，随着动光电二极管对3一同转动；滑环外套16套置在滑环内套14上，且与光栅传感器机座12固定；动光电二极管对3的信号线接入滑环内套14；信号线输出的电信号经滑环内套14和滑环外套16上的电刷和导电环引出，接入数据处理系统中。静光电二极管对4的信号线直接接入数据处理系统中。
[0042]
当向基准电机输入稳定信号时，基准电机匀速转动；转轴每转动一周，第二主光栅片1-2与静光栅片5上的光栅线就重合一次，静光电二极管对4输出一个脉冲信号；在检测输入轴15保持静止的情况下，转轴每转动一周，第一主光栅片1-1与动光栅片2上的光栅线就重合一次，动光电二极管对3输出一个脉冲信号；且动光电二极管对3和静光电二极管对4输
出的脉冲信号周期相同，相位差由动光栅片2与静光栅片5上的光栅线错开的角度大小决定；因此就能够通过检测相位差来检测动光栅片2与静光栅片5上的光栅线错开的角度。由于动光栅片2随检测输入轴15的转动而转动，故以动光栅片2与静光栅片5上的光栅线对齐的情况为初始角，就能够根据两个脉冲信号的相位差检测到检测输入轴15当前位置与初始角度的夹角。并且，由于本发明通过检测相位差来获取夹角，不依赖在光栅盘上开设致密的光栅圈来提高精度，而能够通过高频脉冲检测相位差而且可以通过提高高频脉冲频率来提高精度，从而大大降低了传感器的制造成本，且突破了光栅盘检测的精度上限，大大提高了圆分度传感器的检测精度。
[0043]
在检测输入轴15的转速比基准电机的输出转速低多个数量级的情况下，检测输入轴15可以视为静止，而对检测精度影响较小；故本发明可用于一般机床的圆工件加工中圆分度检测，也可用于数控加工设备的工作台圆分度检测、天文望远镜姿态角检测等，可以将被检测的转盘视为静止，实现对被检测的转盘的圆分度进行实时检测的技术效果。
[0044]
基准电机包括电机转子铁心6、电机定子铁心7、电机定子绕组8、电机轴承9、转轴10和电机外壳11。电机外壳11与光栅传感器外壳12固定。转轴10通过电机轴承9支承在电机外壳11中。电机转子铁心6固定在转轴10上。电机定子铁心7套置在电机转子铁心6的外侧，且与电机外壳11固定。电机定子绕组8绕置在电机定子铁心7上。通过向电机定子绕组8输入稳定的驱动信号即可带动转轴10匀速转动。由于转轴10需要进行自转和带动主光栅组1转动，不需要带动额外负载，故转轴10的转速十分稳定。
[0045]
该高精度数码圆分度传感器及其圆分度检测方法具体如下：
[0046]
步骤一、将检测输入轴与需要圆分度的圆盘主轴同轴固连；传感器的外壳与加工机床的基础固定。初始状态下，动光栅片2上的光栅线与静光栅片上的光栅线对齐，初始的对齐通过可移动的限位块对检测输入轴进行初始位置限定。当圆盘主轴转动时，带动检测输入轴同步转动，使得动光栅片2转动，动光栅片2上的光栅线与静光栅片上的光栅线错开一定角度。该角度即为圆盘主轴与初始位置的将对夹角。
[0047]
步骤二、基准电机驱动第一主光栅片1-1和第二主光栅片1-2匀速转动；每当第一主光栅片1-1的光栅线转动至动光栅片2的光栅线对齐时，动光电二极管对3的中间没有阻挡物，接收管有输出电流，其余时间动光电二极管对3受主光栅片阻挡，接收管输出电流接近零。同理，每当第二主光栅片1-2的光栅线转动至静光栅片5的光栅线对齐时，静光电二极管对4的中间没有阻挡物，接收管有输出电流，其余时间静光电二极管对4受主光栅片阻挡，接收管输出电流接近零。
[0048]
因此，第一主光栅片1-1每相对于动光栅片2转动一周，动光电二极管对3输出一个脉冲信号，形成动光栅脉冲序列a1；第二主光栅片1-2每相对于静光栅片5转动一周，静光电二极管对4输出一个脉冲信号，形成静光栅脉冲序列a2。动光栅脉冲序列a1与静光栅脉冲序列a2的周期m1视为相等；相位错开，相位差为m2；相位错开的大小等于动光栅片2上的光栅线与静光栅片上的光栅线错开的角度。
[0049]
步骤三、如图3所示，根据动光栅脉冲序列a1和静光栅脉冲序列a2，获取错位矩形波信号a3和圆周矩形波信号a4；
[0050]
错位矩形波信号a3的获取方法如下：当动光栅脉冲序列a1出现上升沿时，错位矩形波信号a3置为高电平；当静光栅脉冲序列a2出现上升沿时，错位矩形波信号a3置为低电
平。错位矩形波信号a3的脉宽m
′
2
即为动光栅脉冲序列a1与静光栅脉冲序列a2的相位差m
2
。
[0051]
周矩形波信号a4的获取方法如下：当静光栅脉冲序列a2出现上升沿时，周矩形波信号a4的电平置反。周矩形波信号a4的脉宽m
′
1
即为静光栅脉冲序列a2的周期m
1
。
[0052]
步骤四、使用计数脉冲序列a5跟错位矩形波信号a3和圆周矩形波信号a4分别进行求“与”计算，分别得到错位计数序列a6、圆周计数序列a7。计数脉冲序列a5为周期恒定的脉冲序列，且计数脉冲序列a5的周期比静光栅脉冲序列a2的周期小一个或多个数量级。
[0053]
步骤五、计算错位计数序列a6中与错位矩形波信号a3一个高电平范围对应的位置中的脉冲个数m
″
2
；计算圆周计数序列a7中与圆周矩形波信号a4一个高电平范围对应的位置中的脉冲个数m
″
1
。计算圆盘主轴当前位置与初始位置的圆分度量相对角度θ＝η
·
360
°
。
[0054]
步骤六、将检测到的圆分度量η和相对角度θ，通过数字显示屏显示出来。
[0055]
可见，本发明是能够真正的应用到机床的机械加工的圆分度测量及圆分度中的高精度数码圆分度计量仪器。
[0056]
实施例2
[0057]
本实施例与实施例1的区别在于：将基准电机更换为其他输出恒速转动的动力元件；输出恒速转动的动力元件包括但不限于液压马达。
[0058]
实施例3
[0059]
本实施例与实施例1的区别在于：主光栅组1中仅有一片主光栅片。该片主光栅片既在动光电二极管对3之间，又在静光电二极管对4之间。本实施例减少了一片主光栅片，但是主光栅片到动光栅片2、静光栅片5的距离有所增大(主光栅片与动光栅片2、静光栅片5之间需要放置发射管或接收管)。
[0060]
实施例4
[0061]
本实施例与实施例1的区别在于：动光栅片和静光栅片均不是与检测输入轴15同轴的圆片状；而是设置在检测输入轴15一侧的一块方形光栅片如图4所示；动光栅片和静光栅片上均带有一道光栅线；动光栅片与动光电二极管对粘接固定，随检测输入轴15一同转动；静光栅片与静光电二极管对粘接固定，保持静止。本实施例可进一步简化传感器结构，缩小传感器的体积。
[0062]
实施例5
[0063]
本实施例与以上实施例的区别在于：通过检测任意位置(角度)的动光栅片与静光栅片上光栅线的初始相位差，并将该初始相位差存储于系统，当加工工件产生角位移时；再次检测动光栅片与静光栅片上光栅线的相位差，将此时所测得的相位差减去初始相位差即为工件产生的角位移量，通过该方法可以以任意位置(角度)作为初始位(零分度位)，这就解决了分度检测的复位问题。