CN103712563B - 一种光栅尺扫描器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光栅尺扫描器，包括标尺光栅和光栅读数头，所述光栅读数头包括光栅光学系统和电路系统，所述电路系统对光栅光学系统与标尺光栅作用产生的莫尔条纹进行信号处理，并将得到的信号送入显示装置显示，所述光栅光学系统包括并列设置的第一光栅光学系统和第二光栅光学系统。当上述两组光栅光学系统中的任意一组分系统出现信号异常时，另一组扔可单独扫描拾取光栅测量信号。

Description

一种光栅尺扫描器

技术领域

本申请属于线性长度计测领域，特别是涉及一种光栅尺扫描器。

背景技术

密封式钢带光栅尺（也被称之为密封式钢带光栅线位移传感器）由光栅尺扫描器（也被称之为光栅读数头）和密封式钢带光栅尺主体（主要包含钢带标尺光栅、尺壳、密封胶条等零件）组成，密封式钢带光栅尺扫描器是一种用于光栅测量信号的扫描拾取器，它由光、机、电一体化形式组成；密封式钢带光栅尺是大型、超大型高档数控机床、基础制造装备、检测装备运行位置测量、控制反馈用的一种关键功能部件，它对提高整机工作精度、工作效率和智能化水平具有十分重要的作用。

目前，国内、外现有同类技术，它们普遍存在以下缺点：

1、当密封式钢带光栅尺主体中的钢带标尺光栅（也被称之为钢带主光栅）线纹局部被完全破坏掉或被冷却液、油污染达到局部光栅线纹已完全消失的严重程度时，因他们的光栅扫描器移动到上述有问题的区域都不能正常工作，而均失去正确的测量功能。

2、目前，现有钢带标尺光栅的单支最大长度均小于100米，当密封式钢带光栅尺要实现大于100米乃至更长的超大量程时，密封式测量基准器，即、钢带标尺光栅必须要由多条单支拼接组合而成，此种情况下，他们的光栅扫描器当移动到任意两条钢带标尺光栅的拼接缝处时，易可靠性降低产生丢数的问题，造成轻则测量精度降低，重则无法使用。

有鉴于此，有必要提供一种新型的光栅尺扫描器。

发明内容

本发明的目的在于提供一光栅尺扫描器，解决现有技术中标尺光栅线纹局部被完全破坏掉时光栅扫描器失去正确测量功能的技术问题；本发明还解决了现有技术中光栅扫描器移动到任意两条钢带标尺光栅的拼接缝处时，可靠性降低产生丢数的问题 。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请公开了一种光栅尺扫描器，包括标尺光栅和光栅读数头，所述光栅读数头包括光栅光学系统和电路系统，所述电路系统对光栅光学系统与标尺光栅作用产生的莫尔条纹进行信号处理，并将得到的信号送入显示装置显示，其中，所述光栅光学系统包括并列设置的第一光栅光学系统和第二光栅光学系统，所述第一光栅光学系统沿光路方向包括依次设置的第一光源、第一透镜、第一指示光栅和第一光电接收器件组，所述第二光栅光学系统沿光路方向包括依次设置的第二光源、第二透镜、第二指示光栅和第二光电接收器件组。

优选的，在上述的光栅尺扫描器中，所述的第一光源不位于所述第一透镜的焦点上，所述第二光源不位于所述第二透镜的焦点上。

优选的，在上述的光栅尺扫描器中，所述光栅尺扫描器还包括双孔光栏，所述双孔光栏具有第一透光孔和第二透光孔，所述第一透光孔和第二透光孔分别接收所述第一光源和第二光源的光。

优选的，在上述的光栅尺扫描器中，所述电路系统集成于所述双孔光栏上。

优选的，在上述的光栅尺扫描器中，所述第一光电接收器件组安装于所述双孔光栏的底面，且位于所述第一透光孔的周边；所述第二光电接收器件组安装于所述双孔光栏的底面，且位于所述第二透光孔的周边。

优选的，在上述的光栅尺扫描器中，所述光栅尺扫描器还包括消隙组件，所述消隙组件用以消除所述标尺光栅与第一指示光栅或第二指示光栅相连接构件因往返移动所产生的间隙。

优选的，在上述的光栅尺扫描器中，所述标尺光栅选自钢带标尺光栅、玻璃标尺光栅或金属标尺光栅；所述第一光源和第二光源选自钨丝灯泡或半导体发光器件；所述第一光电接收器件组和第二光电接收器件组选自光电池、光电二极管或光电三极管。

优选的，在上述的光栅尺扫描器中，所述半导体发光器件选自红外发光器件或半导体激光器。

优选的，在上述的光栅尺扫描器中，所述第一指示光栅和第二指示光栅形成于同一板上，所述板上刻划有两组相同的线纹图案，分别接收第一光源和第二光源的光束。

优选的，在上述的光栅尺扫描器中，所述板上的线纹图案由零位区和光栅刻划区组成，所述光栅刻划区的刻划图案按一字形排列或田形排列。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的光栅尺扫描器，能够在标尺光栅线纹局部被完全损坏或局部被冷却液、油污严重污染，达到光栅线纹已完全消失的恶劣情况下正常工作，还能够在由多条拼接组合标尺光栅的若干个大接缝处正常工作，因此可靠性高、精度高、可超大量程拾取测量信号。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明具体实施例中光栅尺扫描器的主视图（剖视图）；

图2所示为本发明具体实施例中光栅尺扫描器的侧视图；

图3所示为本发明具体实施例中光栅尺扫描器的俯视图；

图4所示为本发明具体实施中光栅光学系统的结构示意图；

图5至图7所示分别为本发明中指示光栅的三种实施方式；

图8所示为本发明具体实施例中电路系统的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参图1至图3所示，光栅尺扫描器为密封式的光栅尺扫描器，包括标尺光栅28，标尺光栅28可以是钢带标尺光栅、也可以是玻璃标尺光栅、可以是金属标尺光栅。本实施例中，标尺光栅28优选为钢带标尺光栅。

标尺光栅28被固定在密封式光栅尺主体的尺壳29上。

光栅尺扫描器还包括配合标尺光栅设置的光栅读数头，光栅读数头包括光栅光学系统和电路系统，电路系统对光栅光学系统与标尺光栅28作用产生的莫尔条纹进行信号处理，并将得到的信号送入显示装置显示。上述的显示装置为数字显示仪、计算机或数控系统。

参图4所示，光栅光学系统包括并列设置的第一光栅光学系统和第二光栅光学系统，第一光栅光学系统沿光路方向包括依次设置的第一光源41、第一透镜161、第一指示光栅18和第一光电接收器件组151，第二光栅光学系统沿光路方向包括依次设置的第二光源42、第二透镜162、第二指示光栅和第二光电接收器件组152。

第一光源41和第二光源42选自钨丝灯泡或半导体发光器件，半导体发光器件优选为红外发光器件或半导体激光器。

第一光源41不位于第一透镜161的焦点上，第二光源42也不位于第二透镜162的焦点上。

上述两个光源4分别被焊接在发光板3上。

第一透镜161和第二透镜162可以是球面透镜，也可以为非球面透镜，本发明并不限制。

上述两个光学透镜16被胶粘在镜架上。

第一指示光栅18和第二指示光栅形成于同一板上，板上刻划有A和B两组相同的线纹图案，分别用以接收第一光源41和第二光源42的光束。

线纹图案可以选自图5、图6或图7中所示的图形，板上每组线纹图案由零位区和光栅刻划区组成，光栅刻划区的刻划图案按一字形排列或田形排列。第一指示光栅中的第一条光栅线纹与第二指示光栅中的第一条光栅线纹为同相位。

光栅尺扫描器还包括双孔光栏20，双孔光栏具有第一透光孔和第二透光孔，第一透光孔和第二透光孔分别接收第一光源41和第二光源42的光束。电路系统集成于该双孔光栏20上。

第一光电接收器件组151安装于双孔光栏20的底面，且位于第一透光孔的周边；第二光电接收器件组152安装于双孔光栏20的底面，且位于第二透光孔的周边。

第一光电接收器件组151和第二光电接收器件组152为光电池、光电二极管或光电三极管。

当上述两组光栅光学系统中的任意一组分系统出现信号异常时，另一组扔可单独扫描拾取光栅测量信号。

上述光栅光学系统中，光源发光，经光学透镜会聚光能、压缩光源发散角，经双孔光栏去掉无用光束，通过的光束经相对移动的光栅副（标尺光栅与指示光栅的总称）产生光学莫尔条纹测量光电信号，该信号再经光栅副反射至位于双孔光栏孔下方周边的光电接收器组件上，被转换成按周期变化的基准测量电信号。

参图8所示，电路系统包括两路相同的分系统：第一电路系统和第二电路系统。其中第一电路系统包括第一信号处理电路，第二电路系统包括第二信号处理电路，第一信号处理电路和第二信号处理电路的输入端均分别依次设置有正余弦信号组输入电路、放大电路、细分电路、零位光信号输入电路、零位光电转化电路、零位信号输出电路和异常判断电路。第一信号处理电路和第二信号处理电路的输出端为数据串口输出。

当上述两组电路系统中的任意一组电路分系统出现信号异常时，另一组仍可单独经信号处理电路处理后，输出正常的光栅测量光电信号。

业内人士皆知：密封式光栅尺的异常信号主要有三种情况：一是光栅尺线纹被严重损坏、划掉面积≥全部光栅窗口面积或电路中有电器损坏时，无光栅测量信号输出；二是光栅线纹有局部疵病，有测量信号输出，只是光栅测量信号幅值减小或直流电平有适量地飘移；三是局部光栅副线纹相互存在适量的不平行，有测量信号输出，只是光栅测量信号有适量的相位角转变。

本实施中的异常判断电路的功能主要是对上述三种异常情况加以判定，当上述第一、第二电路系统经判断电路判定两组电路分系统均无异常信号时，信号处理电路不做异常处理，它只将首先到达的信号经正常处理后以数字量的形式串口输出，供后端的数显仪或计算机或数控系统使用；当上述两组电路分系统中的任意一组出现上述异常信号其一中所述的异常信号时，信号处理电路则不分先后到达的信号次序，它只对输入信号无异常信号的一组加以处理，之后再以数字量的形式串口输出；当上述两组电路中的任意一组出现上述异常信号其二或其三中所述的异常信号时，因该信号处理电路自身具有将上述其二，其三异常信号处理成正常信号的功能，所以，它可以将首先到达的异常信号处理成正常信号，再以数字的形式串口输出；

光栅尺扫描器还包括电路盒组件，电路盒组件是由电盒盖2、螺钉6、螺钉7、电路盒1、电路板5、两个压簧10、固定套8、电导线及金属软管9组成。

上述电盒盖通过螺钉6被固定在电路盒上面，电路板5通过螺钉7被固定在电路盒里面，电路板5上焊有除光源4和光电接收器件组15之外的其它全部电子器件，上述两个压簧10一端分别被安装在电路盒下部刀口形状长方体两端下部的圆孔内，另一端压在光栅架上部两端的圆槽内，两个压簧10的作用是向指示光栅随动组件提供与指示光栅工作面相垂直的压力，上述固定套被拧在电路盒端面的螺孔内，其作用是固定电导线及金属软管，上述电路盒其头部露出在密封式钢带光栅尺主体的外部，其刀口形的长方体被密装于光栅主体的内部，由密封胶条24密封。

光栅尺扫描器还包括指示光栅随动组件，该组件是由光栅架19、两个侧轴承33、两个侧动轴承26、两个轴位螺钉38、两个轴承架25、两个压簧35、三个位轴承30、横销34、镜架、光源板、螺钉23、螺钉22、螺钉21、螺钉27、螺钉31、螺钉32组成，两个侧轴承通过螺钉32被装在光栅架的一个侧边上，两个侧动轴承通过螺钉27被分别装在两个轴承架上，轴承架通过两个轴位钉及两个压簧35被固定在光栅架的另一个侧边上，三个位轴承通过螺钉31被装在光栅架低部侧面上，其中任意两个位轴承被装于一侧，一个位轴承被装于另一侧，电路板20（双孔光栏）通过螺钉21被固定在光栅架上，光源板通过螺钉23被固定在镜架的最上方，横销灵活的穿过电路盒下端长方体的竖腰孔被压入光栅架的销钉孔内，横销将电路盒组件、指示光栅随动组件和消隙组件三者柔性地连接成一体。

上述电路盒组件与指示光栅随动组件的作用：其一是保证指示光栅与钢带标尺光栅之间的正确位置，即，当指示光栅与钢带标尺光栅产生相对移动时，能够始终保证二者的光栅线纹相互平行，且保证光栅副工作间隙不发生变化；其二是承载光栅光学系统和电路系统的光学、电子器件（标尺光栅除外）。

光栅尺扫描器还包括消隙组件，该组件是由陶瓷片14、钢珠13、顶杆套40、压簧12、顶杆37、衬套11、钢珠36、钢珠39组成，上述陶瓷片被胶粘在光栅架一侧长方槽左端内侧面上，钢珠36被装在顶杆套内，右端圆孔内胶粘有钢珠39的顶杆，被装在有压簧12的顶杆套孔中，钢珠39顶在压入光栅架右端的衬套孔内，钢珠13被胶粘在顶杆套左端孔内，按上述方式组装的消隙组件，左端通过钢珠36顶在陶瓷片上，右端通过钢珠39顶在压入光栅架右端的衬套孔内，消隙组件用于消除光栅副相连构件因往返移动所产生的间隙。

安装使用工作原理：首先将本扫描器的电路盒组件的下部连同其它部分装入钢带光栅尺主体的尺壳内，由于两个压簧10的作用力，可使两个侧轴承和两个侧动轴承分别压在尺壳内的两条导轨上，使三个位轴承压在钢带标尺光栅线纹两侧的非工作面上，之后通过两个螺钉和电路盒上部的两个孔与加工、测量装备的移动工作台刚性连接，将钢带光栅尺主体的尺壳与上述装备基座刚性连接；当装备的工作台移动时，光栅副也同步相对移动，产生光栅莫尔条纹测量信号，该信号经光栅光学系统的扫描拾取和经电路系统的信号处理，最终以数字量的形式输出给外置的数字显示仪或计算机或数控系统。

综上所述，本发明的光栅尺扫描器，能够在标尺光栅线纹局部被完全损坏或局部被冷却液、油污严重污染，达到光栅线纹已完全消失的恶劣情况下正常工作，还能够在由多条拼接组合标尺光栅的若干个大接缝处正常工作，因此可靠性高、精度高、可超大量程拾取测量信号。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种光栅尺扫描器，包括标尺光栅和光栅读数头，所述光栅读数头包括光栅光学系统和电路系统，所述电路系统对光栅光学系统与标尺光栅作用产生的莫尔条纹进行信号处理，并将得到的信号送入显示装置显示，其特征在于:所述光栅光学系统包括并列设置的第一光栅光学系统和第二光栅光学系统，所述第一光栅光学系统沿光路方向包括依次设置的第一光源、第一透镜、第一指示光栅和第一光电接收器件组，所述第二光栅光学系统沿光路方向包括依次设置的第二光源、第二透镜、第二指示光栅和第二光电接收器件组，所述的第一光源不位于所述第一透镜的焦点上，所述第二光源不位于所述第二透镜的焦点上，所述光栅尺扫描器还包括双孔光栏，所述双孔光栏具有第一透光孔和第二透光孔，所述第一透光孔和第二透光孔分别接收所述第一光源和第二光源的光。

2.根据权利要求1所述的光栅尺扫描器，其特征在于：所述电路系统集成于所述双孔光栏上。

3.根据权利要求1所述的光栅尺扫描器，其特征在于:所述第一光电接收器件组安装于所述双孔光栏的底面，且位于所述第一透光孔的周边；所述第二光电接收器件组安装于所述双孔光栏的底面，且位于所述第二透光孔的周边。

4.根据权利要求1所述的光栅尺扫描器，其特征在于：所述光栅尺扫描器还包括消隙组件，所述消隙组件用以消除所述标尺光栅与第一指示光栅或第二指示光栅相连接构件因往返移动所产生的间隙。

5.根据权利要求1所述的光栅尺扫描器，其特征在于:所述标尺光栅选自钢带标尺光栅、玻璃标尺光栅或金属标尺光栅；所述第一光源和第二光源选自钨丝灯泡或半导体发光器件；所述第一光电接收器件组和第二光电接收器件组选自光电池、光电二极管或光电三极管。

6.根据权利要求5所述的光栅尺扫描器，其特征在于：所述半导体发光器件选自红外发光器件或半导体激光器。

7.根据权利要求1所述的光栅尺扫描器，其特征在于：所述第一指示光栅和第二指示光栅形成于同一板上，所述板上刻划有两组相同的线纹图案，分别接收第一光源和第二光源的光束。

8.根据权利要求7所述的光栅尺扫描器，其特征在于：所述板上的线纹图案由零位区和光栅刻划区组成，所述光栅刻划区的刻划图案按一字形排列或田形排列。