CN1064933A

CN1064933A - 微机细分和误差补偿式光栅数显仪

Info

Publication number: CN1064933A
Application number: CN 92101795
Authority: CN
Inventors: 周千怐; 王炳源; 张季平
Original assignee: HANGZHOU INSTITUTE OF ELECTRONIC ENGINEERING
Current assignee: HANGZHOU INSTITUTE OF ELECTRONIC ENGINEERING
Priority date: 1992-03-12
Filing date: 1992-03-12
Publication date: 1992-09-30

Abstract

一种微机细分和误差补偿式光栅数显仪，由光栅测量头、微机控制电路、W/8周期内细分电路、八细分脉冲计数电路、数显及键盘控制电路和具有断电保护的读写存储器等组成。利用微机细分原理和误差补偿方法，使光栅数显仪具有高分辨率、高细分精度和强的误差补偿能力，不但能补偿累积误差，还能补偿阿贝误差并具有快速计数电路，最高测量速度可达 15米/分，电路结构简单，造价较低。可用于位移量的精密测量和机床加工时，检测、控制位移精度。

Description

本发明涉及特定类型的计量设备，特别是一种采用微机细分和误差补偿的光栅数显仪。

为了提高光栅测量装置的测量精度，要求数显仪具有高的分辨率和高的细分精度，具有强的补偿误差的功能。光栅信号电子细分法，常用的有：直接细分法、电阻移相桥细分法、电平切割细分法及矢量运算细分法等。直接细分法细分数为4～8细分，其余几种方法细分数一般不超过100细分。

我国北京量具刃具厂生产的CDY-1型传动链测试仪，采用电平切割细分法，细分数为80，细分精度高，但细分电路很复杂，它由三角波形成电路、参考电压形成电路和电平切割电路等组成，使用了40多个运算放大器和大量精密电阻和门电路。

德国Leitz比长仪，采用电阻移相桥细分法，细分数为50;德国OPTON公司GPGOS传动比测量仪，采用电平切割细分法，细分数为80;我国中科院北京自动化研究所生产的GS-9000数显仪，细分数为100。以上几种方法虽可获得较大的细分数，但细分数大时，电路结构将显得非常复杂，调整困难。同时国内外数显仪均无强的补偿功能，特别是不能补偿阿贝误差。往往会造成光栅测量装置本身虽具有高的测量精度，而在使用时受阿贝误差影响，实际控制的被测工件的尺寸精度却较低。

本发明的目的是：它提供一种微机细分原理和误差补偿方法，使光栅数显仪具有高分辨率、高细分精度和强的误差补偿能力，特别是能补偿阿贝误差，克服现有技术不足。

本发明的技术方案是：它包括光栅测量头、细分、控制电路。具体的说由以下几个部份组成。

微机控制电路，包括微型计算机4（以下简称微机），只读存储器5，控制软件存放在只读存储器5中，软件运行所需的读写存储单元（RAM）由微机4内部的RAM来完成，微机4通过只读存储器5中的管理软件控制W/8周期内细分电路（W-为光栅栅距），八细分脉冲计数电路，数字显示屏10，键盘11及进行数据处理。

W/8周期内细分电路，包括绝对值电路1，模拟开关2，比较器6，模数转换芯片（A/D）3。由光栅测量头12测得的相位差为90°的正、余弦信号13经前置处理后，送入绝对值电路1，得到两路正、余弦的绝对值信号16、20，信号16、20一方面经比较器6后，输出信号17到模拟开关2，信号16、20另一方面直接送模拟开关2，使模拟开关2的输出信号18始终为信号16、20中的小值，信号19始终为信号16、20中的大值，并将信号18送入模数转换芯片3的模拟输入端口，信号20始终送模数转换芯片3的参考信号输入端口，形成用一块模数转换芯片3完成对正切或余切的采样，并转换成数字量，由线21通过线24接微机4进行数据处理。

数显及键盘控制电路，包括可编程键盘显示控制器9，与其连接的数显屏10、键盘11，数显屏10和键盘11均通过可编程键盘显示控制器9管理，并通过控制器9由线22经线24送给微机4处理，同时控制器9经线24通过线22由微机4管理。

下面对本发明作详细描述：

图1、光栅数显仪工作原理的电路结构图;

图2、细分原理图。

（一）光栅数显仪细分原理及计数原理（如图1、图2所示）：

（1）W/8周期内的细分原理：

光栅测量头12中的光栅尺移动时，即输送出两路正、余弦信号，经数显仪中的前置处理后，得到两路等幅、无直流电平的正交信号A、B，经绝对值电路1后，转变为｜A｜、｜B｜信号，｜A｜信号接模拟开关2（如CD4053B）的a_y、b_x和比较器6（如LM339）的正极，｜B｜信号接模拟开关2的a_x、b_y和比较器6的负极，得到：

a＝Min（｜A｜，｜B｜）＝Min（｜usinθ｜、｜ucosθ｜）

b＝Max（｜A｜，｜B｜）＝Max（｜usinθ｜、｜ucosθ｜）

u-常数

模拟开关2使a接模数转换芯片的模拟量输入端IN口，b接模数转换芯片3的参考信号电压输入端V_REF（+）口，这样，对｜A｜、｜B｜信号采样值为：

Data＝K· (a)/(b) ＝K｜tgθ｜（或K｜ctgθ｜）

式中：K-常数

θ-光栅栅距W对应的电角度

以上处理实质上是对正切（或余切）函数在45°电角度范围内的采样，亦即在W/8范围内的采样，（此时栅距W已被八等分）。采样得到的数字量，根据需要用Ktgθ（或Kctgθ）-θ列表法查找θ，经微机4处理，转换成n等分的相应位移量，即在W/8周期内的位移量t₁（本仪器实施例采用n＝25等分）。由上可知，光栅栅距W被细分为8n＝8×25＝200等分。

（2）八细分脉冲计数电路原理：

它包括由八细分电路7a和方向辨别器7b组成的电路7，可逆计数器8。光栅测量头12测得的相位差为90°的正、余弦信号13为A、B，分别送入八细分电路7a经方向辨别器7b，输出两路具有方向性的脉冲信号14为P_P、P_N，到可逆计数器8后，可逆计数器8计数计满溢出或不够借位时，由线15送微机4的中断输入口，同时计数器8中寄存的数，也可通过线15由微机4读出，完成快速计数。

计数电路原理是：A、B信号经八细分电路7a可得到在一个栅距内的8个彼此相隔45°电角度的脉冲波，而后经方向辨别器7a，获得两路正向和反向移动时的脉冲波P_P和P_N，分别送入可逆计数器8，计数器8容量为2⁸＝256，当输入计数器的脉冲数超过计数器容量时，计数器进位位Carry将溢出，输出一个脉冲（或计数器不够减时，借位位borrow将借位，输出一个脉冲），送入微机4的中断输入口，得到T₀（或T₁），计数器中余留的脉冲数设为T₂，微机在读取T₀、T₁和T₂时，可得到该位置的光栅位移“大数”值S₁：

S₁＝〔（T₀-T₁）×256+T₂〕×W/8。

光栅尺的总位移量为S：

S＝s₁+t₁-t₀＝〔（T₀-T₁）×256+T₂〕×W/8+t₁-t₀

式中：T₀-计数器进位位（即正向移动时）的溢出脉冲数;

T₁-计数器借位位（即反射移动时）的溢出脉冲数;

T₂-计数器中余留的脉冲数;

W-光栅栅距;

t₁-W/8范围内的位移量（以W/200为单位）;

t₀-W/8范围内初始计数位置的位移量（以 (W)/200 为单位）。

（二）误差补偿原理：

微机4上接具有断电保护的读写存储器RAM23，阿贝误差、累积误差等系统误差补偿参数存储在存储器23中，具体补偿参数可由键盘11通过微机4存入存储器23中。

（1）累积误差和周期误差的补偿：

利用双频激光干涉仪等高精度测量仪器测定“位置-误差”关系，测量头12输出的绝对零位信号ABS，直接送微机4的中断输入口INTO，作为误差补偿时的原始绝对零点，“位置-累积误差”存入微机4的存贮器中，周期误差通过改变软件来实现补偿。经实测，小周期误差补偿后约可使误差降低40%左右。

（2）机床加工中阿贝误差的补偿：

光栅部件装在机床上后，进行“在机”实测，获得“位置-阿贝误差”补偿参数，经处理后存入微机。使用时，操作者只需置入测量光栅与加工部位的距离，则数显仪能自动进行运算，补偿阿贝误差。

“位置-阿贝误差”补偿参数的测定，可采用两条光栅尺，一条作为测量件，另一条作为“模拟工件”，两者读数，经计算即可得到。

本发明与现有技术相比其优点是：

（1）采用W/8周期细分及八细分脉冲计数电路原理，细分数可达200或者更大，而且细精度高;

（2）具有快速计数电路，最高测量速度可达15米/分;

（3）具有强的误差补偿功能，除能补偿光栅传感器的误差外，还能补偿机床加工工件时，由于不符合阿贝测量原则而产生的误差，即能准确显示出工件实际加工孔距尺寸;

（4）电路结构较简单，造价较低。

本发明可用于位移量的精密测量和机床加工时，检测、控制位移精度。

Claims

1、一种微机细分和误差补偿式光栅数显仪，它包括光栅测量头、细分、控制电路，本发明的特征是：

a.微机控制电路，包括微型计算机[4]、存放控制软件的只读存储器[5]，微型计算机[4]通过只读存储器[5]中的软件控制1/8周期内细分电路、数字显示屏[10]、键盘[11]及进行数据处理；

b.W/8周期内细分电路，包括绝对值电路[1]、模拟开关[2]，比较器[6]，模数转换芯片[3]，光栅测量头[12]测得的相位差为90°的正、余弦信号[13]经前置处理后，送入绝对值电路[1]，得到两路正、余弦的绝对值信号[16]、[20]，信号[16]、[20]一方面经比较器[6]后，输出信号[17]到模拟开关[2]、信号[16]、[20]另一方面直接送模拟开关[2]，模拟开关[2]的输出信号[18]、[19]分别送入模数转换芯片[3]，转换成数字量，由线[21]通过线[24]接微型计算机[4]，并由微型计算机[4]进行数据处理；

c.数显及键盘控制电路，包括可编程键盘显示控制器[9]，与其连接的数显屏[10]、键盘[11]。

2、根据权利要求1所述的光栅数显仪，其特征是：有八细分脉冲计数电路，包括由八细分电路〔7a〕和方向辨别器〔7b〕组成的电路〔7〕，可逆计数器〔8〕，光栅测量头〔12〕测得的相位差为90°的正、余弦信号〔13〕为A、B分别送入八细分电路〔7a〕经方向辨别器〔7b〕，输出两路具有方向性的八细分脉冲信号〔14〕为P_P、P_N到可逆计数器〔8〕后，由线〔15〕通过线〔24〕输入微型计算机〔4〕。

3、根据权利要求1或2所述的光栅数显仪，其特征是：微型计算机〔4〕上接具有断电保护的读写存储器〔23〕。