CN106525089A - 一种高精度的测角装置 - Google Patents

Abstract

本发明介绍了一种高精度的测角装置，包括安装平台、壳体、上盖、出线孔、主控板、单片机、轴承、转动轴、两个激光头、电机、螺杆、光码盘、安装平台、电源线、数据线、底座；光码盘上设置有同心圆形的光测角轨、方向判断轨，测角轨的编码由“10”循环一周组成；方向判断轨的编码在“1”之间依次增加一个“0”；所述单片机、电机、电源线、数据线设置在主控板上，螺杆一端与电机连接，底座与螺杆相连接，两个激光头安装在底座上。本发明结构简单，成本低，测量精度高，使用范围广泛；尤其是巧妙地设计了测角轨和方向判断轨，既可以精确测量角度和转动方向，又可以使用简单的方法提高分辨率，可以在简单环境下生产高精度测角装置。

Description

一种高精度的测角装置

技术领域

本发明涉及精密测量技术领域，特别是一种高精度的测角装置。

背景技术

精密测量在航空、航天、舰船、数控设备中都有大量的应用，例如数控机床主轴的角度值测量关系到机床的精度。现在的测角装置光栅码盘是在盘片一周刻线，并对副光栅与主光栅在运动中形成的正弦波进行数字细分，目前最常用的20秒精度光栅码盘，需要在一个圆周刻6480条线并经过20倍数字细分，若要提高分辨率，需要极高的刻线数，其结构复杂、制造难度大、价格昂贵，德国海德汉公司的超高精度测角系统是在地下百米的超洁净、超静音、超微小振动环境下进行生产，要求极高。

发明内容

本发明要解决的问题是，提供一种高精度的测角装置，在简单环境下以低成本生产国际领先水平的高精度角度测量装置。

为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：

一种高精度的测角装置，其特征在于：包括安装平台、壳体、上盖、出线孔、主控板、单片机、轴承、转动轴、两个激光头、电机、螺杆、光码盘、测角轨、方向判断轨、安装平台、电源线、数据线、底座；

所述壳体和上盖组成一个密封的空间，以保证内部无尘环境；壳体外缘上设置有出线孔，内部电源线和数据线从出线孔引出；

所述电源线为测角装置提供电源；

所述数据线一端连接主控板，另一端连接被测系统的转动机构或者转动测量机构，把测量结果输出给被测系统的数据输入结构；

壳体底部设置有中心孔一，主控板中心设置有孔二，光码盘中心设置有孔三，上盖中心设置有孔四；

所述安装平台设置在转动轴中部，用于安装光码盘；

所述轴承的外环安装在孔一内，转动轴底端安装在轴承的内环，主控板固定在壳体内，转动轴穿过孔二、孔三，转动轴上的安装平台位于主控板上面，光码盘固定安装在安装平台上，转动轴上部穿过孔四，转动轴伸出壳体上盖的部分与被测系统相连接，使得当被测系统转动时，转动轴能够随之转动并带动光码盘转动；

所述光码盘材质为DVD盘，光码盘上设置有两条同心圆形的光轨，分别是测角轨、方向判断轨，两条光轨的间距与两个激光头的间距一致，分别正对两个激光头；测角轨的编码由“10”循环一周组成；方向判断轨的编码以“01001000100001”为特征，即在“1”之间依次增加一个“0”，如此循环一周做为方向码；

所述单片机、电机、激光头、电机、螺杆、底座、电源线、数据线设置在主控板上，螺杆一端与电机连接，底座与螺杆相连接，两个激光头安装在底座上；激光头用来发射激光和接收光码盘的测角轨和方向判断轨的反射激光；单片机用以处理激光头读取和传输的数据、数据解算、与被测系统通讯，并根据数据控制电机的转动。

更具体的，所述光码盘材质为DVD盘，DVD盘的基质上涂有反射层和数据层，数据转换成二进制后，经激光在数据层上烧出小坑，有坑的地方会透出反射层，在读取的时候，激光被有坑的地方反射回来，就读取为“0”，无坑的地方没有反射，被读取为“1”，例如，DVD的两个数据位的间隔为0.4微米，每厘米可存在25000个数据位，如果一条圆周轨道上有360*60*60＝129600个数据位，那么每个数据位的角度间隔即为1秒，把一片带有这样光轨的码盘，用激光照射的方式进行读取，对角度的测量可以精确到1秒，并且随着光轨直径的增加，精度也会增加，光轨直径为1.65厘米时精度为1秒，光轨直径为8.25厘米时精度为0.2秒。光码盘上设置有两条同心圆形的光轨，分别是测角轨、方向判断轨，两条光轨的间距与两个激光头的间距一致，分别正对两个激光头；被测系统转动时随着转动轴进行转动，两个激光头分别读取两条光轨上的数据；这样，可以通过转动轴的转动角度，来计算和表达被测系统的角度和方向；

所述测角轨，是一条正圆形的、用来计数的光轨。DVD光盘由于是匀变速转动，所以其计数方法是恒定角速度法，每个数据位转过的时间是一样的，可以按时间来计算转过了多少个“0”或“1”，而测角系统的转速是根据被测系统的转速决定的，不可能匀速转动，所以需要特殊的编码来完成计数任务，其编码由“10”循环一周组成，光码盘转动时，光头每读到一个“1”或一个“0”计数一次，若一直是“1”或“0”则说明没有转动；

所述方向判断轨，是和测角轨同心的正圆形光轨，用来判断光码盘正转或反转。DVD光盘是一直保持一个方向转动，所以不需要判断方向，而测角系统的转动方向会随着被测系统的转动方向随时变化，所以要能随时检测光码盘的转动方向，方向判断轨的编码以“01001000100001”为特征，即在“1”之间依次增加一个“0”，如此循环一周做为方向码，忽略先读到的0，从第一个读到的1开始计数，每经过一个1多一个0和00001变成01时定义为增加，判断为正转，每经过一个1少一个0和01变成00001时定义为减少，判断为反转；由于方向判断轨的编码中含有连续多个“0”，须由测角轨12实时提供数据位的数量可知其转过了多少数据位。由于测角轨在外圈，比方向判断轨直径略大，以0.2秒精度为例，测角轨周长约25.92CM，数据位有648000个，方向判断轨周长约24.48CM，数据位有612000个，相差36000个，占测角轨的1/18，那么需要按“测角轨每过18减1”的方法为方向判断轨提供数据位数量。方向判断轨需要通过数个数据才能判断出方向，但秒这个单位非常小，被测系统转动的最小角度都远大于1秒，现有最常用的测角系统精度值一般在10秒到20秒左右，所以前面几秒的方向值并不重要，只要最终输出正确的结果，例如“+3.6秒”即可满足精度“0.2秒”的要求。

所述单片机，用来完成控制本专利测角系统的运行、数据解算、与被测系统通讯等任务，其中对激光头的控制，包含寻迹、变焦控制等，都和DVD中的单片机一样，所不同的是对于读取到的数据的解算方法，当读到测角轨的数据时，以当前测角系统的精度来解算出角度值，以精度0.2秒的测角系统为例，每读到一个“1”或一个“0”计数一次，并换算成0.2秒，当读到方向判断轨的数据时，实时解算成“+”“-”号并放在角度值前，例如：从方向判断码中读到的数据为“10100”同时测角轨的数据为“10101”则换算成“+1”秒，从方向判断码中读到的数据为“010001001”同时测角轨的数据为“010101010”则换算成“-1.8”秒，并通过数据线把这个值实时传递给被测系统。

更具体的，所述光码盘和DVD媒体盘或者DVD数据盘不同的是光轨的设置，DVD媒体盘或者DVD数据盘上的光轨是一条连续螺旋形的，从外圈一圈圈向内收缩。

更具体的，所述的测角轨设置在光码盘外圈。

进一步具体的，所述的被测系统是需要测量角度值的外部设备，如数控机床、雷达、电梯、机器人等；

进一步具体的，所述的转动轴与孔四接触的部分涂有润滑油，使转动轴可自由转动并起到密封作用。

进一步具体的，所述的光码盘包括基质，基质设置涂有反射层和数据层；数据层的两个数据位的间隔小于1微米；反射层位于数据层下方。

进一步具体的，所述的测角轨的编码由“10”循环一周组成。这样，在光码盘转动时，光头每读到一个1或0计数一次，若一直是1或0则说明没有转动。

被测系统接收测量结果的方法为：一般来说对角度控制要求比较低的装置，采用开环控制，由电机的转速来得到转动的角度，但实际应用中，由于电机、机械的误差，电机理论上应该转了一周，但实际上到底转了多少，其控制系统并不知道，这在要求比较高的装置中是不被允许的，以电梯为例，假设电梯要从19楼下降到13楼，电机需要转动的圈数是100.123周，由于误差的存在，电机实际上转动了102.001周，那么电梯就会停在低于13楼的位置，人得从电梯中爬上来，所以需要测角系统来测量电机真实的转动角度，并反馈给电机的控制系统，以使控制系统可以精确的控制电机的转动角度，这就是闭环控制系统。

本专利的一种高精度的测角装置，其工作过程为：

1、系统开机后，通过电源线给系统上电，测角装置进行自检，自检通过后进入工作状态；

2、当被测系统产生转动时，转动轴随之转动并带动光码盘转动，两个激光头同时读取所对应光轨的数据，此数据输入到单片机后换算成角度值和转动方向，并经过数据线输出到被测系统；

3、当被测系统在晃动的环境下运动产生径向偏移时，单片机控制电机转动，微调激光头的位置，使激光头分别对准测角轨、方向判断轨；当产生轴向偏移时，激光头根据偏移大小调整焦距，使激光头能准确读取准测角轨、方向判断轨的数据；

根据测角轨和方向判断轨的直径差，计算测角轨和方向判断轨的数据位差值以及该差值占测角轨总数据位比例，计算测角轨和方向判断轨的数据位调节系数；根据该调节系数计算测角轨的测得的实际偏差角度；

例如由于测角轨在外圈，比方向判断轨直径略大，以0.2秒精度为例，测角轨周长约25.92CM，数据位有648000个，方向判断轨周长约24.48CM，数据位有612000个，相差36000个，占测角轨的1/18，那么需要按“测角轨数据每过18减1”的方法为方向判断轨提供数据位数量。

4、重复步骤2、3直到被测系统停止工作。

通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：结构简单，成本低，测量精度高，使用范围广泛；尤其是巧妙地设计了测角轨和方向判断轨，既可以精确测量角度和转动方向，又可以使用简单的方法提高分辨率，可以在简单环境下生产高精度测角装置。

附图说明

图1为本专利的高精度的测角装置外形图。

图2为本专利的高精度的测角装置的内部结构图。

图3为本专利的高精度的测角装置的分解结构图。

图4为本专利的高精度的测角装置的光码盘的光轨设置图。

图5为的一般的DVD媒体盘或者DVD数据盘光轨示意图。

图6为本专利的光码盘的光轨示意图。

图中，1-壳体，2-上盖，3-出线孔，4-主控板，5-单片机，6-轴承，7-转动轴，8-激光头，9-电机，10-螺杆，11-光码盘，12-测角轨，13-方向判断轨，14-安装平台，15-孔一，16-孔二，17-孔三，18-孔四，19-电源线，20-数据线，21-底座，22-被测系统。

具体实施方式。

下面结合附图对本发明进一步解释说明。但本发明的保护范围不限于具体的实施方式。

本发明的高精度的测角装置，包括包括安装平台14、壳体1、上盖2、出线孔3、主控板4、单片机5、轴承6、转动轴7、两个激光头8、电机9、螺杆10、光码盘11、测角轨12、方向判断轨13、安装平台14、电源线19、数据线20、底座21；

所述壳体1和上盖2组成一个密封的空间，以保证内部无尘环境；壳体1外缘上设置有出线孔3，内部电源线19和数据线20从出线孔3引出；

所述电源线19为测角装置提供电源；

所述数据线20一端连接主控板4，另一端连接被测系统22的转动机构或者转动测量机构，把测量结果输出给被测系统22的数据输入结构；

壳体1底部设置有中心孔一15，主控板4中心设置有孔二16，光码盘11中心设置有孔三17，上盖2中心设置有孔四18；

所述安装平台14设置在转动轴7中部，用于安装光码盘11；

所述轴承6的外环安装在孔一15内，转动轴7底端安装在轴承6的内环，主控板4固定在壳体1内，转动轴7穿过孔二16、孔三17，转动轴7上的安装平台14位于主控板4上面，光码盘11固定安装在安装平台14上，转动轴7上部穿过孔四18，转动轴7伸出壳体1上盖2的部分与被测系统22相连接，使得当被测系统22转动时，转动轴7能够随之转动并带动光码盘11转动；

所述光码盘11材质为DVD盘，光码盘11上设置有两条同心圆形的光轨，分别是测角轨12、方向判断轨13，两条光轨的间距与两个激光头8的间距一致，分别正对两个激光头8；测角轨12的编码由“10”循环一周组成；方向判断轨13的编码以“01001000100001”为特征，即在“1”之间依次增加一个“0”，如此循环一周做为方向码；这样，可以通过转动轴7的转动角度，来计算和表达被测系统22的角度和方向；

所述单片机5、电机9、激光头8、电机9、螺杆10、底座21、电源线19、数据线20设置在主控板4上，螺杆10一端与电机9连接，底座21与螺杆10相连接，两个激光头8安装在底座21上；激光头8用来发射激光和接收光码盘11的测角轨12和方向判断轨13的反射激光；单片机5用以处理激光头8读取和传输的数据、数据解算、与被测系统22通讯，并根据数据控制电机9的转动。

高精度的测角装置的工作过程为：

1、系统开机后，通过电源线19给系统上电，测角装置进行自检，自检通过后进入工作状态；

2、当被测系统22产生转动时，转动轴7随之转动并带动光码盘11转动，两个激光头8同时读取所对应光轨的数据，此数据输入到单片机5后换算成角度值和转动方向，并经过数据线20输出到被测系统22；

3、当被测系统22在晃动的环境下运动产生径向偏移时，单片机5控制电机9转动，微调激光头8的位置，使激光头8分别对准测角轨12、方向判断轨13；当产生轴向偏移时，激光头8根据偏移大小调整焦距，使激光头8能准确读取准测角轨12、方向判断轨13的数据；

根据测角轨12和方向判断轨13的直径差，计算测角轨12和方向判断轨13的数据位差值以及该差值占测角轨12总数据位比例，计算测角轨12和方向判断轨13的数据位调节系数；根据该调节系数计算测角轨12的测得的实际偏差角度；

例如由于测角轨12在外圈，比方向判断轨13直径略大，以0.2秒精度为例，测角轨12周长约25.92CM，数据位有648000个，方向判断轨13周长约24.48CM，数据位有612000个，相差36000个，占测角轨12的1/18，那么需要按“测角轨12数据每过18减1”的方法为方向判断轨13提供数据位数量。

4、重复步骤2、3直到被测系统22停止工作。

Claims (5)

1.一种高精度的测角装置，其特征在于：包括安装平台、壳体、上盖、出线孔、主控板、单片机、轴承、转动轴、两个激光头、电机、螺杆、光码盘、测角轨、方向判断轨、安装平台、电源线、数据线、底座；所述壳体和上盖组成一个密封的空间，以保证内部无尘环境；壳体外缘上设置有出线孔，内部电源线和数据线从出线孔引出；所述电源线为测角装置提供电源；所述数据线一端连接主控板，另一端连接被测系统的转动机构或者转动测量机构，把测量结果输出给被测系统的数据输入结构；壳体底部设置有中心孔一，主控板中心设置有孔二，光码盘中心设置有孔三，上盖中心设置有孔四；所述安装平台设置在转动轴中部，用于安装光码盘；所述轴承的外环安装在孔一内，转动轴底端安装在轴承的内环，主控板固定在壳体内，转动轴穿过孔二、孔三，转动轴上的安装平台位于主控板上面，光码盘固定安装在安装平台上，转动轴上部穿过孔四，转动轴伸出壳体上盖的部分与被测系统相连接，使得当被测系统转动时，转动轴能够随之转动并带动光码盘转动；所述光码盘材质为DVD盘，光码盘上设置有两条同心圆形的光轨，分别是测角轨、方向判断轨，两条光轨的间距与两个激光头的间距一致，分别正对两个激光头；测角轨的编码由“10”循环一周组成；方向判断轨的编码以“01001000100001”为特征，即在“1”之间依次增加一个“0”，如此循环一周做为方向码；所述单片机、电机、电源线、数据线设置在主控板上，螺杆一端与电机连接，底座与螺杆相连接，两个激光头安装在底座上；激光头用来发射激光和接收光码盘的测角轨和方向判断轨的反射激光；单片机用以处理激光头读取和传输的数据、数据解算、与被测系统通讯，并根据数据控制电机的转动。

2.根据权利要求1所述的高精度的测角装置，其特征是：所述的转动轴与孔四接触的部分涂有润滑油，使转动轴可自由转动并起到密封作用。

3.根据权利要求1所述的高精度的测角装置，其特征是：所述的光码盘包括基质，基质设置涂有反射层和数据层；数据层的两个数据位的间隔小于1微米；反射层位于数据层下方。

4.根据权利要求1所述的高精度的测角装置，其特征是：所述的被测系统是需要测量角度值的外部设备。

5.根据权利要求1所述的高精度的测角装置，其特征是：所述的测角轨设置在光码盘外圈。