CN2132972Y

CN2132972Y - 微机细分和误差补偿式光栅数显仪

Info

Publication number: CN2132972Y
Application number: CN 92227755
Authority: CN
Inventors: 周千恂; 王炳源; 张季平
Original assignee: HANGZHOU INSTITUTE OF ELECTRONIC ENGINEERING
Current assignee: HANGZHOU INSTITUTE OF ELECTRONIC ENGINEERING
Priority date: 1992-07-12
Filing date: 1992-07-12
Publication date: 1993-05-12
Anticipated expiration: 2002-07-12

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，电路结构较简单，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

本实用新型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。

本实用新型的目的是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。

本实用新型的技术方案：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，它包括8031单片微型计算机4（以下简称微机），2732EPROM只读存储器5，74LS373地址锁存器25，74LS138地址译码器26，具有断电保护的6116读写存储器RAM23。控制软件存放在2732只读存储器5中，阿贝误差、累积误差等系统误差补偿参数存放在6116读写存储器23中。控制软件运行所需的读写存储单元（RAM）由8031单片微机4内部的RAM完成，各芯片选通的地址信号由微机4控制，地址译码器26提供。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，CD4053B模拟开关2，LM339比较器6，ADC0809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，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列CD4053B模拟开关2，信号16、20另一方面直接送CD4053B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ADC0809模数转换芯片3的模拟输入端IN₀口，信号19始终送模数转换芯片3的参考信号输入端V_REF（＋）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8031微机4的P₀口，进行数据处理。

八细分脉冲计数电路，包括八细分电路7a和方向辨别器7b组成的电路7，二个74LS193组成的可逆计数器8，74LS373数据锁存器30。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，由计数器8的Carry和borrow端输出一信号到8031单片微机4的T₀、T₁口，同时计数器8中寄存的数，通过数据锁存器30，由线15经线24接8031微机4的P₀口，完成快速计数。

数显及键盘控制电路，包括8279可编程键盘显示控制器9，74LS138扫描译码器27，7406数据驱动器28，4个75452组成的反向驱动器29，3×8键盘11，LED数字显示屏10。8279可编程键盘显示控制器9的内部显示寄存器A、B的输出端OUTB_0－3、OUTA_0－3通过7406驱动器后，送给LED数显屏10作为段控制信号，扫描线SL_0－2经译码器27后再接驱动器29，其输出信号一方面作LED数显屏10的位控制信号，另一方面又作3×8键盘11的行线，同时键盘11的列线送至可编程键盘显示控制器9的回复线RL_0－7，这样键盘11及显示屏10由控制器9管理，同时控制器9经线22通过线24接微机4的P₀口，由微机4管理。

下面对本实用新型作详细描述。

图1、光栅数显仪工作原理的电路结构图；

图2、微机控制、数显及键盘控制、W／8周期内细分电路图；

图3、八细分脉冲计数电路图；

图4、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、图3、图4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CD4053B模拟开关2的a_y、b_X和LM339比较器6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，比较器6的输出端接模拟开关2的控制端A、B、C，这样得到：

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ADC0809模数转换芯片3的模拟量输入端IN₀口，b接ADC0809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：

D_ata＝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，经微机4处理，转换成n等分的相应移量，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（如图1、图3所示）：

它包括由八细分电路7a和方向辨别器7b组成的电路7，二个74LS193构成的可逆计数器8，74LS373数据锁存器30。光栅测量头12测得的相位差为90°的正、余弦信号13为A、B，送入八细分电路7a，首先通过由LF353构成的反相器OA₁及四个比较器OA_2～5得到四路彼此相隔45°电角度的方波E、F、C、D，通过74LS04将这四路信号反相，得到 E、 F、 C、 D，再将这8路信号送单稳态触发器DW，得到8列彼此相隔45°的脉冲波，E′、F′、C′、D′、 E′、 F′、 C′、 D′，将这16个信号送入由与或门组成的反方向辨别器7b，通过下列逻辑组合：

P_P＝E′ C＋F′ D＋C′E＋D′F＋ E′C＋ F′D

＋ C′ E＋ D′ F

P_N＝E′C＋F′D＋C′ E＋D′ F＋ E′ C＋ F′ D

＋ C′E＋ D′F

得到二列具有方向性的脉冲波P_P、P_N。将这二列信号送入可逆计数器8后，可逆计数器8计数计满溢出或不够借位时，计数器8的Carry端或borrow端输出一脉冲信号送入8031单片微机4的T₀或T₁口，同时计数器8中寄存的数通过74LS373数据锁存器30由线15经线24送入P₀口，由微机4处理，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T₀（T₁），得到T₀（或T₁），计数器中余留的脉冲数设为T₂，微机在读取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（即反向移动时）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的存储器中，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。

本实用新型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。

本实用新型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，本实用新型的特征是：

a.微机控制电路，包括微机[4]，存放控制软件的只读存储器[5]，存放阿贝误差、累积误差的读写存储器[23]，地址锁存器[25]，地址译码器[26]，控制软件运行所需的读写存储单元由微机[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，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；

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]，由光栅测量头[12]测得的相位差为90°的正、余弦信号[13]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]，输出信号[17]到模拟开关[2]，另一方面直接送模拟开关[2]，输出信号[18]、[19]分别送入模数转换芯片[3]的IN_o口和V_REF(+)口，由线[21]、线[24]接微机[4]的P_o口，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]，扫描译码器[27]，数据驱动器[28]，反相驱动器[29]，键盘[11]，数字显示屏[10]。

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〕，数据锁存器〔30〕，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，一方面将计数器计满溢出或不够借位信号送微机〔4〕的中断输入口，另一方面将寄存的数据通过数据锁存器〔30〕，由线〔15〕通过线〔24〕输入微机〔4〕。