CN103411539A - 一种高冗余性绝对光栅尺读头的滑车装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种高冗余性绝对光栅尺读头的滑车装置。包括有滑车车身、两个半径不同的第一滚轮和第二滚轮、第一角编码器和第二角编码器、固定滚轮、扫描电路板、光栅玻璃，其中光栅玻璃安装在滑车车身的下方，扫描电路板安装在光栅玻璃的下方，所述两个半径不同的第一滚轮和第二滚轮分别固定于滑车车身的下端，所述两个第一角编码器和第二角编码器穿过滑车车身分别与第一滚轮和第二滚轮相连，用以记录第一滚轮和第二滚轮在测量过程中滚动的角度，固定滚轮固定在滑车车身的侧面，在测量过程中固定滚轮紧贴光栅玻璃滚动。本发明可提高读数的可靠性，同时具备光栅尺读头移动的方向判定及位移量计算的功能，并提供了光栅尺自身的备用限位功能。

Description

一种高冗余性绝对光栅尺读头的滑车装置

技术领域

本发明是一种高冗余性绝对光栅尺读头的滑车装置，属于高冗余性绝对光栅尺读头的滑车装置的改造技术。 

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]。

光栅尺精度受光栅尺直线度，刚度，震动和温度的影响较大^[3]，滑车装置是整个光栅尺结构的重要组成部分，上方与光栅尺信号处理装置相连，下方与光栅尺信号采集装置即扫描装置相连，中间与光栅玻璃紧密接触，保证扫描装置与玻璃光栅的相对平行并且减小摩擦与震动。

传统的光栅尺单纯依靠光栅玻璃来读取位置信息，可靠性较低，尤其受污染后，误码率极高；信息处理量较大，移动速度较慢，导致加工效率降低；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。

针对以上传统光栅尺的缺陷，本发明设计一种滑车装置，能很好的解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种可以提高读数的可靠性的滑车装置。本发明具备光栅尺读头移动的方向判定及位移量计算的功能，并提供了光栅尺自身的备用限位功能。

本发明的技术方案是：本发明的高冗余性绝对光栅尺读头的滑车装置，包括有滑车车身、两个半径不同的第一滚轮和第二滚轮、第一角编码器和第二角编码器、固定滚轮、扫描电路板、光栅玻璃，其中光栅玻璃安装在滑车车身的下方，扫描电路板安装在光栅玻璃的下方，所述两个半径不同的第一滚轮和第二滚轮分别固定于滑车车身的下端，所述两个第一角编码器和第二角编码器穿过滑车车身分别与第一滚轮和第二滚轮相连，用以记录第一滚轮和第二滚轮在测量过程中滚动的角度，固定滚轮固定在滑车车身的侧面，在测量过程中固定滚轮紧贴光栅玻璃滚动，以确保扫描电路板与光栅玻璃的相对平行并且减小摩擦与振动。

上述固定滚轮设有三个，三个固定滚轮分别固定在滑车车身的侧面，且三个固定滚轮的几何中心不在同一直线上。

上述扫描电路板通过连接件固定在滑车车身上。

上述连接件为螺纹连接件，扫描电路板通过两个连接件固定在滑车车身上，保持扫描电路板与滑车车身相对静止以及扫描电路板与光栅玻璃之间的相对平行。

上述扫描电路板的两端分别设有缺口，第一滚轮和第二滚轮分别穿过扫描电路板两端所设的缺口固定于滑车车身的下端。

上述第一角编码器和第二角编码器得到的是低精度位置信息，第一角编码器和第二角编码器得到的低精度位置信息和光栅尺得到的绝对位置信息进行对比分析，若误差在合理范围内，则认定编码正常；若超出误差范围，则认为编码错误，重新读取图像信息进行相关的编码对比，新的码值如等于前面分析数据的某一个，则认为重新编码的码值正确，反之则输出光栅尺故障报警信息。

上述低精度第一角编码器和第二角编码器高速运动，减小扫描电路板的图像采集数据量，从而提高直线运动的速度，当运动到目标附近时，适当减速，此时扫描电路板加大采集数据量，达到高效率、高精度到达的目的。

上述两个第一角编码器和第二角编码器得到的低精度位置信息所得的移动距离理论上是相等的，但由于存在误差，使得测量结果精确到整数部分时应该相等，这与权利要求4中低精度位置信息和光栅尺得到的绝对位置信息进行对比分析时，提供备用参考数据；若第一角编码器和第二角编码器测量结果精确到整数部分后，两者差值不在合理误差范围内，则输出故障信号。

上述两个第一角编码器和第二角编码器得到的低精度位置信息具有方向判定功能，增加了光栅尺的方向判定的可靠性。

上述当两个第一角编码器和第二角编码器得到的低精度位置信息走到光栅玻璃两端的预警位置时，自动停止移动，作为自身的第三备用限位功能，更好的保护光栅尺免遭意外的撞击损坏。 

上述第一角编码器和第二角编码器得到的低精度位置信息的加入，为绝对光栅尺失效时，做为备份测量工具，在故障状态下保证光栅尺一定的测量功能。

本发明由于采用包括一个滑车车体、三个大小相同的滚轮、两个半径不同的滚轮以及两个角编码器的结构，所述三个大小相同的滚轮分别安装在滑车车身的侧面，以确保滑车与光栅玻璃的相对水平，并且减小与光栅玻璃的摩擦与振动；所述滑车车身下端分别装有两个半径不同的滚轮，所述两个滚轮沿着光栅玻璃侧面随着滑车移动而滚动；所述两个角编码器安装在滑车车身上端并且穿过车身分别与所述两个半径不同的滚轮连接，用以分别记录该两个滚轮的滚动距离。本发明为一种基于宏微复合技术思想的冗余技术，可以提高读数的可靠性，同时具备光栅尺读头移动的方向判定及位移量计算的功能，并提供了光栅尺自身的备用限位功能。本发明与其他现有技术相比，其优点如下：

1) 本发明利用宏微复合技术思想，低精度角编码器高速运动，减小扫描电路板的图像采集数据量，从而提高直线运动的速度，当运动到目标附近时，适当减速，此时扫描电路板加大采集数据量，达到高效率、高精度到达的目的。

2) 本发明利用冗余技术思想，两个低精度角编码器得到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) 本发明角编码器的加入，使光栅尺方向判定准确性更增加了一层保障。

4) 本发明角编码器的加入，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) 本发明角编码器的加入，为绝对光栅尺失效时，做为备份测量工具，在故障状态下保证光栅尺一定的测量功能。

本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的高冗余性绝对光栅尺读头的滑车装置。

附图说明

图1为本发明滑车装置的立体图。

图2是本发明滑车装置的主视图。

图3是本发明滑车装置的仰视图。

具体实施方式

实施例：

本发明的结构示意图如图1、2、3所示，本发明的高冗余性绝对光栅尺读头的滑车装置，包括有滑车车身1、两个半径不同的第一滚轮2和第二滚轮3、第一角编码器4和第二角编码器5、固定滚轮6、扫描电路板7、光栅玻璃8，其中光栅玻璃8安装在滑车车身1的下方，扫描电路板7安装在光栅玻璃8的下方，所述两个半径不同的第一滚轮2和第二滚轮3分别固定于滑车车身1的下端，所述两个第一角编码器4和第二角编码器5穿过滑车车身1分别与第一滚轮2和第二滚轮3相连，用以记录第一滚轮2和第二滚轮3在测量过程中滚动的角度，固定滚轮6固定在滑车车身1的侧面，在测量过程中固定滚轮6紧贴光栅玻璃8滚动，以确保扫描电路板7与光栅玻璃8的相对平行并且减小摩擦与振动。本实施例中，第一滚轮2的直径比第二滚轮3的直径小，第一滚轮2简称为小滚轮，第二滚轮3简称为大滚轮。第一滚轮2和第二滚轮3与光栅玻璃8紧密接触，并随着测量的移动而沿着光栅玻璃8的侧面滚动。两个第一角编码器4和第二角编码器5穿过滑车车身1分别与第一滚轮2和第二滚轮3相连记录第一滚轮2和第二滚轮3沿着光栅玻璃8移动时所转过的角度。光栅玻璃8以胶连的方式固定在光栅尺尺壳的内部，因此可以认为光栅玻璃8是固定不动的，但本示意图中并没有画出光栅尺尺壳。

上述固定滚轮6设有三个，三个固定滚轮6分别固定在滑车车身1的侧面，且三个固定滚轮6的几何中心不在同一直线上。三个固定滚轮6分别安装在滑车车身1的侧面，并且紧贴光栅玻璃8并随着测量的移动而滚动，确保扫描电路板7与光栅玻璃8保持相对平行，并减小滑车装置与光栅玻璃8的摩擦与震动。

上述扫描电路板7通过连接件9固定在滑车车身1突出来的部分，并与光栅玻璃8保持相对平行。

上述连接件9为螺纹连接件，扫描电路板7通过两个连接件9固定在滑车车身1上，保持扫描电路板7与滑车车身1相对静止以及扫描电路板7与光栅玻璃8相对平行。

上述扫描电路板7的两端分别设有缺口，第一滚轮2和第二滚轮3分别穿过扫描电路板7两端所设的缺口固定于滑车车身1的下端。扫描电路板7两端所设的缺口不妨碍第一滚轮2和第二滚轮3的安装与拆卸。

上述第一角编码器4和第二角编码器5得到的低精度位置信息，第一角编码器4和第二角编码器5得到的低精度位置信息和光栅尺得到的绝对位置信息进行对比分析，若误差在合理范围内，则认定编码正常；若超出误差范围，则认为编码错误，重新读取图像信息进行相关的编码对比，新的码值如等于前面分析数据的某一个，则认为重新编码的码值正确，反之则输出光栅尺故障报警信息。

上述低精度第一角编码器4和第二角编码器5高速运动，减小扫描电路板7的图像采集数据量，从而提高直线运动的速度，当运动到目标附近时，适当减速，此时扫描电路板7加大采集数据量，达到高效率、高精度到达的目的。

上述两个第一角编码器4和第二角编码器5得到的低精度位置信息所得的移动距离理论上是相等的，但由于存在误差，使得测量结果精确到整数部分时应该相等，这与权利要求4中低精度位置信息和光栅尺得到的绝对位置信息进行对比分析时，提供备用参考数据；若第一角编码器4和第二角编码器5测量结果精确到整数部分后，两者差值不在合理误差范围内，则输出故障信号。

上述两个第一角编码器4和第二角编码器5得到的低精度位置信息具有方向判定功能，增加了光栅尺的方向判定的可靠性。

上述当两个第一角编码器4和第二角编码器5得到的低精度位置信息走到光栅玻璃两端的预警位置时，自动停止移动，作为自身的第三备用限位功能，更好的保护光栅尺免遭意外的撞击损坏。 

上述第一角编码器4和第二角编码器5得到的低精度位置信息的加入，为绝对光栅尺失效时，做为备份测量工具，在故障状态下保证光栅尺一定的测量功能。

本发明的工作原理为：

光栅尺进行位移测量时，滑车会带动两个半径大小不同的第一滚轮2和第二滚轮3沿着光栅玻璃8的侧面滚动，与之相连的两个第一角编码器4和第二角编码器5会分别得到两个转动角度                                               

，而且该角编码器具有方向判定功能，又由于本发明应用于一种绝对式光栅尺中，那么不妨设两滚轮正向滚动角度分别为

，

，反向滚动角度分别为

，

，再设大滚轮半径为R，小滚轮半径为r，则两滚轮一次测量中的滚动距离分别为：

理论上L=l，但由于实际测量中存在误差，使得L≠l，但并不影响光栅尺最后的测量结果。此时信号处理装置将这两个结果四舍五入精确到整数部分，然后分别与此时的光栅尺绝对位置信号比较，如果误差在允许范围内，则顺利输出，否则再次采样对比，新的位置信息如果等于前面分析数据的某一个，则认为重新编码的码值正确，反之则输出光栅尺故障报警信息。

Claims (9)

1.一种高冗余性绝对光栅尺读头的滑车装置，其特征在于包括有滑车车身（1）、两个半径不同的第一滚轮（2）和第二滚轮（3）、第一角编码器（4）和第二角编码器（5）、固定滚轮（6）、扫描电路板（7）、光栅玻璃（8），其中光栅玻璃（8）安装在滑车车身（1）的下方，扫描电路板（7）安装在光栅玻璃（8）的下方，所述两个半径不同的第一滚轮（2）和第二滚轮（3）分别固定于滑车车身（1）的下端，所述两个第一角编码器（4）和第二角编码器（5）穿过滑车车身（1）分别与第一滚轮（2）和第二滚轮（3）相连，用以记录第一滚轮（2）和第二滚轮（3）在测量过程中滚动的角度，固定滚轮（6）固定在滑车车身（1）的侧面，在测量过程中固定滚轮（6）紧贴光栅玻璃（8）滚动。

2.根据权利要求1所述的高冗余性绝对光栅尺读头的滑车装置，其特征在于上述固定滚轮（6）设有三个，三个固定滚轮（6）分别固定在滑车车身（1）的侧面，且三个固定滚轮（6）的几何中心不在同一直线上。

3.根据权利要求2所述的高冗余性绝对光栅尺读头的滑车装置，其特征在于上述固定滚轮（6）分别为三个直径大小相同的滚轮分别安装在滑车车身的侧面，以确保滑车与光栅玻璃的相对水平并且减小与光栅玻璃的摩擦与振动。

4.根据权利要求1所述的高冗余性绝对光栅尺读头的滑车装置，其特征在于上述扫描电路板（7）通过连接件（9）固定在滑车车身（1）上。

5.根据权利要求1所述的高冗余性绝对光栅尺读头的滑车装置，其特征在于上述连接件（9）为螺纹连接件，扫描电路板（7）通过两个连接件（9）固定在滑车车身（1）上，保持扫描电路板（7）与滑车车身（1）相对静止以及扫描电路板（7）与光栅玻璃（8）之间的相对平行。

6.根据权利要求1至5任一项所述的高冗余性绝对光栅尺读头的滑车装置，其特征在于上述扫描电路板（7）的两端分别设有缺口，第一滚轮（2）和第二滚轮（3）分别穿过扫描电路板（7）两端所设的缺口固定于滑车车身（1）的下端。

7.根据权利要求6所述的高冗余性绝对光栅尺读头的滑车装置，其特征在于上述第一角编码器（4）和第二角编码器（5）得到的是低精度位置信息。

8.根据权利要求7所述的高冗余性绝对光栅尺读头的滑车装置，其特征在于上述低精度第一角编码器（4）和第二角编码器（5）高速运动。

9.根据权利要求8所述的高冗余性绝对光栅尺读头的滑车装置，其特征在于上述两个第一角编码器（4）和第二角编码器（5）为具有方向判定功能的角编码器。

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