CN106767600B - 一种高精度同步监测旋转体转角及径向位移的系统 - Google Patents

Abstract

一种高精度同步监测旋转体转角及径向位移的系统，包括被测旋转体，被测旋转体上连接有二维栅式编码圆盘，二维栅式编码圆盘上设置有二维栅式编码器读数系统，二维栅式编码器读数系统的信号输出端和信号处理系统的信号输入端连接；二维栅式编码圆盘上制作有环形编码区，编码区内为周期栅式结构，具有径向周期和周向周期；二维栅式编码器读数系统内部包含两个读数模块，两个读数模块分别与周向周期与径向周期相对应，其读数方向分别沿周向、径向布置；信号处理系统包含两个读数通道和触发记录模块，在接收到转角计数比较模块发出的触发信号，同时记录周向、径向计数值输入的值，本发明实现对被测旋转体旋转角度及径向位移的同步监测。

Description

一种高精度同步监测旋转体转角及径向位移的系统

技术领域

本发明属于高精度测量监测技术领域，特别涉及一种高精度同步监测旋转体转角及径向位移的系统。

背景技术

旋转轴系作为高精度转台、高精度精密机床等设备的核心部件，其精度直接决定了设备的整体水平，而旋转轴系在运行时中央转轴径向位移对旋转精度有着重要影响，因此对旋转轴的径向位移的测量显得尤为重要，特别是在高精度转台的应用中，编码盘安装偏心是不可避免的，此时径向位移与旋转角度应同步记录，以补偿偏心导致的误差，提高测角精度。

目前，测量旋转轴径向位移一般采用千分表、电涡流传感器等接触或非接触式传感器测量旋转轴外轮廓，此时，外轮廓的加工误差将被引入测量结果，导致测量结果误差增大，难以实现高精度测量。同时，由于安装时存在误差，很难保证测量轴线与旋转体外廓切线垂直，引入测量误差，且很难保证与旋转角度同步的准确性。

为解决以上问题，国内外精密测量企业将目光转向了新型光栅位移传感器，例如利用两个光栅传感器对径布置时，光栅输出信号的相对相位变化获得径向跳动量，此方法降低了被检测面的加工难度和成本，但该方法容易在安装时引入误差影响测量结果的精度。

上述现有技术无法直接实现旋转轴系周向旋转和径向跳动的同步高精度监测；与此同时，现有技术还存在系统体积大和安装操作困难等问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种高精度同步监测旋转体转角及径向位移的系统，实现对旋转体旋转角度及径向位移的同步监测。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种高精度同步监测旋转体转角及径向位移的系统，包括被测旋转体1，被测旋转体1上连接有二维栅式编码圆盘2，二维栅式编码圆盘2上设置有二维栅式编码器读数系统3，二维栅式编码器读数系统3连接在读数系统机架4上，二维栅式编码器读数系统3的信号输出端和信号处理系统5的信号输入端连接；

所述的二维栅式编码圆盘2上制作有环形编码区，编码区内为周期栅式结构，相对于环形编码区环心形成环形阵列，以环心为极坐标极点建立平面极坐标系，阵列结构将极坐标系极轴等分，形成同心圆环，相邻圆环半径差相同，为径向周期；将360度圆周角等分，沿圆周形成等角度间隔，与某一同心圆相交，分割同心圆圆周，形成的相等弧长为周向周期；径向周期及周向周期为100nm-100μm，在周向周期恒定时，编码图形区半径越大，转角分辨率越高；制造时，径向周期结构与周向周期结构可重叠或不重叠，且径向周期与周向周期能不相同。

所述的二维栅式编码器读数系统3内部包含两个读数模块，两个读数模块分别与二维栅式编码圆盘2上读数位置的周向周期与径向周期相对应，其读数方向分别沿周向、径向布置。

所述的信号处理系统5包含两个读数通道和触发记录模块5-5，两个读数通道分别为转角通道和径向位移通道，转角通道包含第一细分模块5-1和转角计数比较模块5-3，径向位移通道包含第二细分模块5-2和径向位移计数模块5-4；

转角通道的信号和第一细分模块5-1的输入连接，第一细分模块5-1的输出和转角计数比较模块5-3的输入连接，转角计数比较模块5-3的计数值输出和触发记录模块5-5的第一计数值输入连接，转角计数比较模块5-3的触发输出和触发记录模块5-5的触发输入相连；

径向位移通道的信号和第二细分模块5-2的输入连接，第二细分模块5-2的输出和径向位移计数模块5-4的输入连接，径向位移计数模块5-4的输出和触发记录模块5-5的第二计数值输入连接。

所述的触发记录模块5-5同时接收第一计数值输入和第二计数值输入，在接收到转角计数比较模块5-3发出的触发信号，同时记录第一计数值输入和第二计数值输入的值。

本发明的有益效果为：

1、本发明使用二维栅式编码圆盘2，其上制作有环形编码区，编码区结构同时形成周向周期和径向周期，可实现转角与径向位移的同步测量，且其精度由编码盘制造工艺决定，可实现高精度制造，进而提高测量精度。

2、本发明使用的二维栅式编码器读数系统3，其包含两个读数模块，采用垂直布置方式，与二维栅式编码圆盘2周向周期和径向周期相匹配，可实现高精度测量转角和径向位移的目的。

3、本发明使用的信号处理系统5，采用旋转编码盘转角等角度同步采样径向位移的方式，转角通道和径向位移通道按照转角通道触发等角度同步采样，可精确得出转角与径向位移之间的相对关系，为高精度评价转轴稳定性提供了参考。并可用于补偿转角误差，提高测角精度。

通过二维栅式编码圆盘2、二维栅式编码器读数系统3和信号处理系统5实现对旋转体旋转角度及径向位移的同步监测。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图。

图2是二维栅式编码圆盘2结构示意图。

图3是二维栅式编码圆盘2编码区局部放大图。

图4是二维栅式编码读数系统3的读数模块布置图。

图5是信号处理系统5的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施实例详细介绍本发明。但以下实施实例仅限于解释本发明，本发明的保护范围包括权利要求的全部内容。本实施实例采用反射式光学编码盘及读数方法，本发明可使用其他多种栅状编码盘及相匹配的读数原理，包括但不限于光栅、磁栅等。

参照图1，一种高精度同步监测旋转体转角及径向位移的系统，包括被测旋转体1，被测旋转体1上连接有二维栅式编码圆盘2，二维栅式编码圆盘2上设置有二维栅式编码器读数系统3，二维栅式编码器读数系统3连接在读数系统机架4上，二维栅式编码器读数系统3的信号输出端和信号处理系统5的信号输入端连接，当二维栅式编码圆盘2随被测旋转体1相对于二维栅式编码器读数系统3旋转时，根据二维栅式编码圆盘2上的径向、周向周期结构，二维栅式编码器读数系统3输出相应信号进入信号处理系统5,信号处理系统5根据二维栅式编码圆盘2上二维阵列结构的周期，计算得出被测旋转体1旋转角度及径向位移，并实现对被测旋转体1旋转角度及径向位移的同步监测。

参照图2和图3，所述的二维栅式编码圆盘2上制作有环形编码区，编码区内为周期栅式结构，相对于环形编码区环心形成环形阵列，以环心为极坐标极点建立平面极坐标系，阵列结构将极坐标系极轴等分，形成同心圆环，相邻圆环半径差相同，为径向周期；将360度圆周角等分，沿圆周形成等角度间隔，与某一同心圆相交，分割同心圆圆周，形成的相等弧长为周向周期；径向周期及周向周期为100nm-100μm，在周向周期恒定时，编码图形区半径越大，转角分辨率越高；针对不同测量精度及配置方式，径向周期结构与周向周期结构可重叠或不重叠，且径向周期与周向周期可以不相同。当结构要求紧凑、测试分辨率要求不高的场合应使用小半径、疏栅距的二维栅式编码圆盘2，当精度要求高而且对体积没有特别限制的场合应该使用大半径、密栅距的二维栅式编码圆盘2。由于径向周期结构与周向周期结构的相对位置关系是由二维栅式编码圆盘2在制造时保证的，可以达到相当高的制造精度，与传统方法相比，降低了测量系统由于安装误差引入的测量误差。

在本实施实例中，径向周期与周向周期重叠，图形区外径为22.5mm，内径为17.5mm，沿圆周周向将圆周等分为6284个区域，其部分放大图如图3所示，图中封闭方形区域为反射区(不透光)，其余区域均为透光区；二维栅式编码圆盘2在设计读数位置，径向周期和周向周期均为20μm。

参照图4，为与二维栅式编码圆盘2相配合，所述的二维栅式编码器读数系统3内部包含两个读数模块，两个读数模块分别与二维栅式编码圆盘2上读数位置的周向周期与径向周期相对应，其读数方向分别沿周向、径向布置；当二维栅式编码圆盘2随被测旋转体1相对于二维栅式编码器读数系统3旋转时，根据二维栅式编码圆盘2上的径向、周向周期结构，两读数模块分别输出相应的周期信号，与二维栅式编码圆盘2转动时通过的周向、径向周期数相对应。二维栅式编码器读数系统3输出的信号需经过信号处理系统5进行细分计数转换后最终实现同步监测被测旋转体1旋转角度及径向位移目的。

在本实施实例中由于二维栅式编码圆盘2的周向周期与径向周期相同，因此可采用标准的针对20μm栅距的反射式光栅读数模块，其布置位置及读数方向如图中所示，两读数模块各输出四路周期模拟信号，A+、A-、B+、B-，当二维栅式编码圆盘2相对于读数模块周向或径向运动1个周期时，输出信号相应变化1个周期；同时，信号之间的相对位置关系能够确定二维栅式编码圆盘2转向和径向运动方向。

参照图5，所述信号处理系统5包含两个读数通道和触发记录模块5-5，两个读数通道分别为转角通道和径向位移通道，转角通道包含第一细分模块5-1和转角计数比较模块5-3，径向位移通道包含第二细分模块5-2和径向位移计数模块5-4。

转角通道的信号和第一细分模块5-1的输入连接，第一细分模块5-1的输出和转角计数比较模块5-3的输入连接，转角计数比较模块5-3的计数值输出和触发记录模块5-5的第一计数值输入连接，转角计数比较模块5-3的触发输出和触发记录模块5-5的触发输入相连；转角计数比较模块5-3根据二维栅式编码器读数系统3的输出信号与二维栅式编码圆盘2转动时通过的周向周期数的对应关系，根据二维栅式编码圆盘2整圆周周向分割的周期个数，计算得出旋转角度，并将旋转角度值通过计数值输出口发送至触发记录模块5-5；同时，监测二维栅式编码圆盘2转角，每当运动过一确定角度后，通过触发输出发送触发信号通知触发记录模块5-5。

径向位移通道的信号和第二细分模块5-2的输入连接，第二细分模块5-2的输出和径向位移计数模块5-4的输入连接，径向位移计数模块5-4的输出和触发记录模块5-5的第二计数值输入连接；径向位移计数模块5-4根据二维栅式编码器读数系统3的输出信号与二维栅式编码圆盘2转动时通过的径向周期数的对应关系，根据二维栅式编码圆盘2径向周期，计算得出径向位移值，并将径向位移值通过计数值输出口发送至触发记录模块5-5。

触发记录模块5-5同时接收第一计数值输入和第二计数值输入，在接收到转角计数比较模块5-3发出的触发信号，同时记录第一计数值输入和第二计数值输入的值。

在本实施实例中，信号输入信号处理系统5后，经第一细分模块5-1、第二细分模块5-2，将模拟信号细分后转为数字脉冲信号，两细分模块均为200细分，各输出2路数字信号(A、B)，分别进入转角计数比较模块5-3、径向位移计数模块5-4进行计数，并将旋转角度值和径向位移值输出至触发记录模块5-5，本实施实例使用触发间隔为360/6284/20，转角计数比较模块5-3比较当前值是否等于待触发值，若相等，则生成触发信号，并更新待触发值为当前值+360/6284/20，继续计数等待；触发记录模块5-5若收到触发信号，则同时记录第一计数值输入和第二计数值输入；转角计数比较模块5-3、径向位移计数模块5-4及触发记录模块5-5用FPGA实现，此时，理论旋转角度分辨率为：360/6284/200，约为：1角秒；径向位移分辨率为0.1μm，触发间隔为360/6284/20，约为10.31角秒。

Claims (3)

1.一种高精度同步监测旋转体转角及径向位移的系统，包括被测旋转体(1)，被测旋转体(1)上连接有二维栅式编码圆盘(2)，二维栅式编码圆盘(2)上设置有二维栅式编码器读数系统(3)，二维栅式编码器读数系统(3)连接在读数系统机架(4)上，二维栅式编码器读数系统(3)的信号输出端和信号处理系统(5)的信号输入端连接，其特征在于：

所述的二维栅式编码圆盘(2)上制作有环形编码区，编码区内为周期栅式结构，相对于环形编码区环心形成环形阵列，以环心为极坐标极点建立平面极坐标系，阵列结构将极坐标系极轴等分，形成同心圆环，相邻圆环半径差相同，为径向周期；将360度圆周角等分，沿圆周形成等角度间隔，与某一同心圆相交，分割同心圆圆周，形成的相等弧长为周向周期；径向周期及周向周期为100nm-100μm，在周向周期恒定时，编码图形区半径越大，转角分辨率越高；制造时，径向周期结构与周向周期结构可重叠或不重叠，且径向周期与周向周期不相同；

所述的信号处理系统(5)包含两个读数通道和触发记录模块(5-5)，两个读数通道分别为转角通道和径向位移通道，转角通道包含第一细分模块(5-1)和转角计数比较模块(5-3)，径向位移通道包含第二细分模块(5-2)和径向位移计数模块(5-4)；

转角通道的信号和第一细分模块(5-1)的输入连接，第一细分模块(5-1)的输出和转角计数比较模块(5-3)的输入连接，转角计数比较模块(5-3)的计数值输出和触发记录模块(5-5)的第一计数值输入连接，转角计数比较模块(5-3)的触发输出和触发记录模块(5-5)的触发输入相连；

径向位移通道的信号和第二细分模块(5-2)的输入连接，第二细分模块(5-2)的输出和径向位移计数模块(5-4)的输入连接，径向位移计数模块(5-4)的输出和触发记录模块(5-5)的第二计数值输入连接。

2.根据权利要求1所述的一种高精度同步监测旋转体转角及径向位移的系统，其特征在于：所述的二维栅式编码器读数系统(3)内部包含两个读数模块，两个读数模块分别与二维栅式编码圆盘(2)上读数位置的周向周期与径向周期相对应，其读数方向分别沿周向、径向布置。

3.根据权利要求1所述的一种高精度同步监测旋转体转角及径向位移的系统，其特征在于：所述的触发记录模块(5-5)同时接收第一计数值输入和第二计数值输入，在接收到转角计数比较模块(5-3)发出的触发信号，同时记录第一计数值输入和第二计数值输入的值。