CN108088370A - 一种基于光栅尺及编码器的位置测量系统和测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于光栅尺及编码器的位置测量系统和测量方法，属于测量技术领域。是由数据采集装置、磁性连接装置、数控装置和计算机终端组成的。该测量装置以旋转编码器和光栅尺为主要测量器件，数控装置运动时，使得光栅尺以旋转编码器为中心旋转，通过数据采集卡和计算机终端实时获得旋转编码器和光栅尺的数据，再通过计算得到数控装置末端执行器的相对坐标，实现数控装置在固定平面内运动时的实时位置测量，测量过程操作方便，测量的数据精度较高，采用磁性连接装置，提高了装置的安全性和可靠性。

Description

一种基于光栅尺及编码器的位置测量系统和测量方法
技术领域
本发明涉及一种基于光栅尺及编码器的位置测量系统和测量方法，具体地说是一种机器人、机床等机械装备末端位置实时测量系统和测量方法，属于测量技术领域。
背景技术
随着科学技术的发展，对机械设备在运动时的准确定位、速度和加速度的大小有严格的要求，在实际工程中，经常需要实时测量装备末端或执行端的位置、速度和加速度。目前主要的测量方法包括：激光跟踪仪、多激光位移测量法和摄像跟踪等方法。激光跟踪仪的成本高，易用性差，而包括多激光位移测量法在内的其他方法存在着易受空间限制，现场实用性差，实现难度大等问题。
发明内容
针对上述的不足，本发明提供了一种基于光栅尺及编码器的位置测量系统和测量方法，是一种利用光栅尺和旋转编码器的实时测量系统和测量方法，具有成本低，使用方便等特点。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于光栅尺及编码器的位置测量系统，是由数据采集装置、磁性连接装置、数控装置和计算机终端组成的，所述的磁性连接装置分为两个连接模块，分别与所述的数控装置的末端执行器和数据采集装置连接，所述的数据采集装置通过数据线与所述的计算机终端连接。
所述的数据采集装置是由装置基座、编码器安装底座、旋转编码器、两个轴承、两个轴承支座、法兰联轴器、L型连接角铁、数据采集卡和光栅尺组成的，所述的编码器安装底座固定到所述的装置基座上，所述的旋转编码器与所述的编码器安装底座通过螺栓连接，所述的两个轴承支座固定到所述的编码器安装底座的侧面上，所述的轴承安装在所述的轴承支座上，使得所述的两个轴承支座与所述的旋转编码器的转轴同轴连接，所述的法兰联轴器与所述的L型连接角铁的一侧通过螺栓连接，所述的法兰联轴器和所述的L型连接角铁的定位中心孔与所述的旋转编码器的转轴同轴放置，且位于所述的两个轴承支座中间，所述的L型角铁的另一侧与所述的光栅尺主尺的一端连接，所述的旋转编码器和光栅尺读数头的数据线都连接到所述的数据采集卡上。
所述的磁性连接装置由两个连接模块组成，每个连接模块是由连接装置固定座、球槽杆和磁球组成的，两个连接模块的连接装置固定座分别与所述的数控装置的末端执行器和数据采集装置的光栅尺读数头连接，所述的磁性连接装置的两个连接模块之间通过磁球连接，保证所述的数控装置的末端执行器和数据采集装置为点连接。
所述的磁性连接装置的两个连接模块的磁球应具有适当大小的磁吸力，既确保所述的数控装置的末端执行器在正常运动时，处于可靠连接的状态，又要保证在出现卡尺现象时，能够及时的分开，以保护光栅尺。
一种基于光栅尺及编码器的位置测量方法，具体步骤如下：
a.将数据采集装置放置在数控装置周围不影响其工作的合理位置处，将磁性连接装置的其中一个连接模块与光栅尺读数头连接，将磁性连接装置的另一个连接模块与数控装置的末端执行器连接，再将磁性连接装置的两个连接模块的磁球吸在一起，通过数据线将数据采集装置与计算机终端连接；
b.操控数控装置运动到一个确定的位置，测得在数控装置基坐标系下该点的坐标值，并通过计算机终端将此时的旋转编码器和光栅尺的数据设置为零，即把该点作为数据采集装置确定的坐标系的原点；
c.操控数控装置运动到同一平面内的另一个确定的位置，再次测得在数控装置基坐标系下该位置的坐标值，同时通过数据采集装置将该位置处的旋转编码器和光栅尺的数据发送到计算机终端；
d.通过计算机终端处理旋转编码器和光栅尺的数据可以得到相应的旋转角度和在该角度方向上移动的距离，即可以求出该位置在数据采集装置确定的坐标系下的坐标值；
e.通过步骤a-d可以得到两个固定点在数控装置的基座标系和数据采集装置确定的坐标系下的坐标值，然后计算出数据采集装置确定的坐标系与数控装置基坐标系之间的变换矩阵；
f.操纵数控装置在上述平面内运动，通过数据采集装置实时采集旋转编码器和光栅尺的数据，通过计算机终端计算出末端执行器在数据采集装置确定的坐标系下的坐标值；
g.利用步骤e得到的变换矩阵，通过计算机终端求得末端执行器在数控装置基座标系下的坐标值。
该发明的有益之处是，该测量装置以旋转编码器和光栅尺为主要测量器件，通过磁性连接装置将数据采集装置与数控装置连接，数控装置运动时，使得光栅尺以旋转编码器为中心旋转，通过数据采集卡和计算机终端实时获得旋转编码器和光栅尺的数据，即得到数控装置的末端执行器转过的角度和在该角度方向上的距离，再通过计算得到数控装置末端执行器的相对坐标，实现数控装置在固定平面内运动时的实时位置测量，且使用时，对数据采集装置的摆放位置没有严格要求，使得测量过程操作方便，采用高精度的旋转编码器和光栅尺作为测量器件，测量的数据精度较高，采用磁性连接装置，利用强力磁球的吸力进行连接，不但保证了连接精度，而且有效防止了因为卡尺等原因而造成光栅尺损坏的现象，提高了装置的安全性和可靠性。
附图说明
附图1为本发明的测量示意图，附图2为数据采集装置的结构示意图，附图3为数据采集装置在L型连接角铁处的放大图，附图4为磁性连接装置的结构示意图，附图5为建立坐标系计算末端执行器位置示意图。
图中，1、数据采集装置，1.1、装置基座，1.2、编码器安装底座，1.3、法兰联轴器，1.4、轴承支座，1.5、轴承，1.6、L型连接角铁，1.7、光栅尺，1.7.1、光栅尺主尺，1.7.2、光栅尺读数头，1.8、数据采集卡，1.9、旋转编码器，2、磁性连接装置，2.1、连接装置固定座，2.2、球槽杆，2.3、磁球，3、数控装置，4、计算机终端。
具体实施方式
一种基于光栅尺及编码器的位置测量系统，是由数据采集装置1、磁性连接装置2、数控装置3和计算机终端4组成的，所述的磁性连接装置2分为两个连接模块，分别与所述的数控装置3的末端执行器和数据采集装置1连接，所述的数据采集装置1通过数据线与所述的计算机终端4连接。
所述的数据采集装置1是由装置基座1.1、编码器安装底座1.2、旋转编码器1.9、两个轴承1.5、两个轴承支座1.4、法兰联轴器1.3、L型连接角铁1.6、数据采集卡1.8和光栅尺1.7组成的，所述的编码器安装底座1.2固定到所述的装置基座1.1上，所述的旋转编码器1.9与所述的编码器安装底座1.2通过螺栓连接，所述的两个轴承支座1.4固定到所述的编码器安装底座1.2的侧面上，所述的轴承1.5安装在所述的轴承支座1.4上，使得所述的两个轴承支座1.4与所述的旋转编码器1.9的转轴同轴连接，所述的法兰联轴器1.3与所述的L型连接角铁1.6的一侧通过螺栓连接，所述的法兰联轴器1.3和所述的L型连接角铁1.6的定位中心孔与所述的旋转编码器1.9的转轴同轴放置，且位于所述的两个轴承支座1.4中间，所述的L型角铁1.6的另一侧与所述的光栅尺主尺1.7.1的一端连接，所述的旋转编码器1.9和光栅尺读数头1.7.2的数据线都连接到所述的数据采集卡1.8上。
所述的磁性连接装置2由两个连接模块组成，每个连接模块是由连接装置固定座2.1、球槽杆2.2和磁球2.3组成的，两个连接模块的连接装置固定座2.1分别与所述的数控装置3的末端执行器和数据采集装置1的光栅尺读数头1.7.2连接，所述的磁性连接装置2的两个连接模块之间通过磁球2.3连接，保证所述的数控装置3的末端执行器和数据采集装置1为点连接。
所述的磁性连接装置2的两个连接模块的磁球2.3应具有适当大小的磁吸力，既确保所述的数控装置3的末端执行器在正常运动时，处于可靠连接的状态，又要保证在出现卡尺现象时，能够及时的分开，以保护光栅尺1.7。
一种基于光栅尺及编码器的位置测量方法，具体步骤如下：
a.将数据采集装置1放置在数控装置3周围不影响其工作的合理位置处，将磁性连接装置2的其中一个连接模块与光栅尺读数头1.7.2连接，将磁性连接装置2的另一个连接模块与数控装置3的末端执行器连接，再将磁性连接装置2的两个连接模块的磁球2.3吸在一起，通过数据线将数据采集装置1与计算机终端4连接；
b.操控数控装置3运动到一个确定的位置，测得在数控装置3基坐标系XOY下该点的坐标值，并通过计算机终端4将此时的旋转编码器1.9和光栅尺1.7的数据设置为零，即把该点作为数据采集装置1确定的坐标系XjOjYj的原点Oj；
c.操控数控装置3运动到同一平面内的另一个确定的位置，再次测得在数控装置3基坐标系XOY下该位置的坐标值，同时通过数据采集装置1将该位置处的旋转编码器1.9和光栅尺1.7的数据发送到计算机终端4；
d.通过计算机终端4处理旋转编码器1.9和光栅尺1.7的数据可以得到相应的旋转角度∆θ和在该角度方向上移动的距离L1，即可以求出该位置在数据采集装置确定的坐标系XjOjYj下的坐标值；
e.通过步骤a-d可以得到两个固定点在数控装置3的基座标系XOY和数据采集装置1确定的坐标系XjOjYj下的坐标值，然后计算出数据采集装置1确定的坐标系XjOjYj与数控装置3基坐标系XOY之间的变换矩阵；
f.操纵数控装置3在上述平面内运动，通过数据采集装置1实时采集旋转编码器1.9和光栅尺1.7的数据，通过计算机终端4计算出数控装置3的末端执行器在数据采集装置1确定的坐标系XjOjYj下的坐标值；
g.利用步骤e得到的变换矩阵，通过计算机终端求得数控装置3的末端执行器在数控装置3基座标系XOY下的坐标值。
在实际测量时，按照步骤a-d得到相应的旋转角度∆θ和在该角度方向上移动的距离L1后，可以得第二个确定位置在数据采集装置1确定的坐标系XjOjYj下的横坐标值Xj1为：
（1）
再通过勾股定理计算得到对应点的纵坐标Yj1值，则此时数控装置3的末端执行器在数据采集装置1确定的坐标系XjOjYj下的坐标值已经求出，再通过步骤e得到的两坐标系之间的变换矩阵。
完成以上步骤后，再操纵数控装置3在同一平面内运动，计算机终端4实时根据数据采集装置1发送的数据计算出在数据采集装置1确定的坐标系XjOjYj下的数控装置3的末端执行器的坐标值，再由步骤e得到的变换矩阵便可以求出数控装置3的末端执行器在数控装置3基座标系XOY下的坐标值，即完成了对数控装置末端位置的实时测量。
对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于光栅尺及编码器的位置测量系统，是由数据采集装置、磁性连接装置、数控装置和计算机终端组成的，其特征在于，所述的磁性连接装置分为两个连接模块，分别与所述的数控装置的末端执行器和数据采集装置连接，所述的数据采集装置通过数据线与计算机终端连接。
2.如权利要求1所述的数据采集装置，其特征在于，所述的数据采集装置是由装置基座、编码器安装底座、旋转编码器、两个轴承、两个轴承支座、法兰联轴器、L型连接角铁、数据采集卡和光栅尺组成的，所述的编码器安装底座固定到所述的装置基座上，所述的旋转编码器与所述的编码器安装底座通过螺栓连接，所述的两个轴承支座固定到所述的编码器安装底座的侧面上，所述的轴承安装在所述的轴承支座上，使得所述的两个轴承支座与所述的旋转编码器的转轴同轴连接，所述的法兰联轴器与所述的L型连接角铁的一侧通过螺栓连接，所述的法兰联轴器和所述的L型连接角铁的定位中心孔与所述的旋转编码器的转轴同轴放置，且位于所述的两个轴承支座中间，所述的L型角铁的另一侧与所述的光栅尺主尺的一端连接，所述的旋转编码器和光栅尺读数头的数据线都连接到所述的数据采集卡上。
3.如权利要求1所述的磁性连接装置，其特征在于，所述的磁性连接装置由两个连接模块组成，每个连接模块是由连接装置固定座、球槽杆和磁球组成的，两个连接模块的连接装置固定座分别与所述的数控装置的末端执行器和数据采集装置的光栅尺读数头连接，所述的磁性连接装置的两个连接模块之间通过强力磁球连接，保证所述的数控装置的末端执行器和数据采集装置为点连接。
4.如权利要求3所述的磁性连接装置，其特征在于，所述的磁性连接装置的两个连接模块的磁球应具有适当大小的磁吸力，即确保所述的数控装置的末端执行器在正常运动时，处于可靠连接的状态，又要保证在出现卡尺现象时，能够及时的分开，以保护光栅尺。
5.一种基于光栅尺及编码器的位置测量方法，其特征在于，具体步骤如下：
a.将数据采集装置放置在数控装置周围不影响其工作的合理位置处，将磁性连接装置的其中一个连接模块与光栅尺读数头连接，将磁性连接装置的另一个连接模块与数控装置的末端执行器连接，再将磁性连接装置的两个连接模块的磁球吸在一起，通过数据线将数据采集装置与计算机终端连接；
b.操控数控装置运动到一个确定的位置，测得在数控装置基坐标系下该点的坐标值，并通过计算机终端将此时的旋转编码器和光栅尺的数据设置为零，即把该点作为数据采集装置确定的坐标系的原点；
c.操控数控装置运动到同一平面内的另一个确定的位置，再次测得在数控装置基坐标系下该位置的坐标值，同时通过数据采集装置将该位置处的旋转编码器和光栅尺的数据发送到计算机终端；
d.通过计算机终端处理旋转编码器和光栅尺的数据可以得到相应的旋转角度和在该角度方向上移动的距离，即可以求出该位置在数据采集装置确定的坐标系下的坐标值；
e.通过步骤a-d可以得到两个固定点在数控装置的基座标系和数据采集装置确定的坐标系下的坐标值，然后计算出数据采集装置确定的坐标系与数控装置基坐标系之间的变换矩阵；
f.操纵数控装置在上述平面内运动，通过数据采集装置实时采集旋转编码器和光栅尺的数据，通过计算机终端计算出末端执行器在数据采集装置确定的坐标系下的坐标值；
g.利用步骤e得到的变换矩阵，通过计算机终端求得末端执行器在数控装置基座标系下的坐标值。
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