[发明专利]不连续基准光栅导轨一体化直线运动测量系统及方法

说明书

本发明公开的不连续基准光栅导轨一体化直线运动测量系统及方法，包括设有通孔的光栅导轨、读数体、数据处理模块、上位机；光栅导轨上刻有若干段光栅，读数体安装在滑块上；读数体包括2至4个读数头，各读数头之间刚性连接；数据处理模块采用FPGA芯片作为主控，对读数体所输出的编码数据进行解码并处理，将实时连续反馈信号发送给数控系统，同时将位置信息通过串口发送至上位机，上位机将数据进行显示以及通过串口向数据处理模块发送命令。本发明的测量系统直接将光栅刻于导轨上，解决了光栅尺在机床上安装时产生阿贝误差的技术问题；将读数体直接与滑块相结合，紧凑性高，实现了运动‑测量共基面以及不连续光栅的连续信号输出。

技术领域

本发明属于导轨装置及光栅应用术领域，具体涉及不连续基准光栅导轨一体化直线运动测量系统，还涉及不连续基准光栅导轨一体化直线运动测量方法。

背景技术

光栅尺的生产制造误差、应用时的阿贝误差及测量误差是影响测量精度的关键要素。常规的导轨直线运动系统，要想测量滑块或滑块上固定物体的直线运动结果，需要外置额外的光栅尺等测量系统，但是外置的光栅尺导致了导轨运动轴线/平面和测量系统的测量基准轴线/平面并不统一，在不可避免的转角误差运动作用下，就会产生阿贝误差。

现有的光栅尺测量系统通常将光栅尺通过机械方式安装到导轨上，其不仅综合考虑光栅尺选型、设计、安装位置等因素，还存在量程短、体积大等问题。安装光栅尺时，需要添加一根与光栅尺尺身长度相等的基座，保证其平面平行度在一定范围以内，还需在机床导轨上安装限位装置，以免机床加工产品移动时读数头冲撞到主尺两端，从而损坏光栅尺。由此，光栅尺的安装质量决定了光栅尺的最终精度，光栅尺的安装不仅会引入阿贝误差，同时也增大了系统的体积。在大量程高精度的位移测量或加工时，单一的光栅尺往往不能实现非连续光栅的测量。另外，光栅尺在机床的应用中，受其环境因素影响，易使光栅尺受到污染，造成测量误差。

发明内容

本发明的目的在于提供不连续基准光栅导轨一体化直线运动测量系统，解决了现有低阿贝误差下应用于机床的不连续基准的光栅测量精度较低问题。

本发明所采用的第一种技术方案是：不连续基准光栅导轨一体化直线运动测量系统，包括设有通孔的光栅导轨、读数体、数据处理模块、上位机；光栅导轨上刻有若干段光栅，读数体安装在滑块上；读数体包括2至4个读数头，各读数头之间刚性连接；数据处理模块采用FPGA芯片作为主控，对读数体所输出的编码数据进行解码并处理，将实时连续反馈信号发送给数控系统，同时将位置信息通过串口发送至上位机，上位机将数据进行显示以及通过串口向数据处理模块发送命令。

光栅通过光刻、压印或转印技术将光栅刻于光栅导轨面上。

读数体安装在滑块上，滑块沿着光栅导轨直线运动实现测量-运动共基面。

读数体包括2个基准读数头以及0-2个辅助读数头，辅助读数头均匀的安装的两个基准读数头之间，用于均化误差进一步提高精度。

两个基准读数头之间间距大于相邻光栅之间的间距；基准读数头分别安装在滑块的前端和后端。

光栅包括至少一条绝对编码和至少一条增量编码，增量式码道的栅距范围是[20um，120um]；绝对位置信息来自一系列由绝对编码组成的光栅，增量位置信息由周期性光栅组成；读数头内包括绝对式读数单元和增量式读数单元。

数据处理模块中包括细分子系统、FPGA处理子系统和ARM处理子系统；细分子系统用于对正弦增量信号进行细分；读数头获取的增量读数单元信号进入细分子系统，细分子系统输出符合RS485/RS232/TTL标准的连续增量式反馈信号；FPGA处理子系统用于对读数头绝对读数单元信号进行调理并输出符合EnDat 2.2接口标准的连续绝对式反馈信号以及完成对增量式反馈信号进行采集；ARM处理子系统用于实现信号的实时判断并对FPGA处理子系统发送命令；

细分子系统的分辨率范围是[0.0002um,1.2um]。