專利名稱：微機細(xì)分和誤差補償式光柵數(shù)顯儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及特定類型的計量設(shè)備，特別是一種采用微機細(xì)分和誤差補償?shù)墓鈻艛?shù)顯儀。
為了提高光柵測量裝置的測量精度，要求數(shù)顯儀具有高的分辨率和高的細(xì)分精度，具有強的補償誤差的功能。光柵信號電子細(xì)分法，常用的有直接細(xì)分法、電阻移相橋細(xì)分法、電平切割細(xì)分法及矢量運算細(xì)分法等。直接細(xì)分法細(xì)分?jǐn)?shù)為4～8細(xì)分，其余幾種方法細(xì)分?jǐn)?shù)一般不超過100細(xì)分。
我國北京量具刃具廠生產(chǎn)的CDY-1型傳動鏈測試儀，采用電平切割細(xì)分法，細(xì)分?jǐn)?shù)為80，細(xì)分精度高，但細(xì)分電路很復(fù)雜，它由三角波形成電路、參考電壓形成電路和電平切割電路等組成，使用了40多個運算放大器和大量精密電阻和門電路。
德國Leitz比長儀，采用電阻移相橋細(xì)分法，細(xì)分?jǐn)?shù)為50;德國OPTON公司GPGOS傳動比測量儀，采用電平切割細(xì)分法，細(xì)分?jǐn)?shù)為80;我國中科院北京自動化研究所生產(chǎn)的GS-9000數(shù)顯儀，細(xì)分?jǐn)?shù)為100。以上幾種方法雖可獲得較大的細(xì)分?jǐn)?shù)，但細(xì)分?jǐn)?shù)大時，電路結(jié)構(gòu)將顯得非常復(fù)雜，調(diào)整困難。同時國內(nèi)外數(shù)顯儀均無強的補償功能，特別是不能補償阿貝誤差。往往會造成光柵測量裝置本身雖具有高的測量精度，而在使用時受阿貝誤差影響，實際控制的被測工件的尺寸精度卻較低。
本發(fā)明的目的是它提供一種微機細(xì)分原理和誤差補償方法，使光柵數(shù)顯儀具有高分辨率、高細(xì)分精度和強的誤差補償能力，特別是能補償阿貝誤差，克服現(xiàn)有技術(shù)不足。
本發(fā)明的技術(shù)方案是它包括光柵測量頭、細(xì)分、控制電路。具體的說由以下幾個部份組成。
微機控制電路，包括微型計算機4(以下簡稱微機)，只讀存儲器5，控制軟件存放在只讀存儲器5中，軟件運行所需的讀寫存儲單元(RAM)由微機4內(nèi)部的RAM來完成，微機4通過只讀存儲器5中的管理軟件控制W/8周期內(nèi)細(xì)分電路(W-為光柵柵距)，八細(xì)分脈沖計數(shù)電路，數(shù)字顯示屏10，鍵盤11及進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
W/8周期內(nèi)細(xì)分電路，包括絕對值電路1，模擬開關(guān)2，比較器6，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(A/D)3。由光柵測量頭12測得的相位差為90°的正、余弦信號13經(jīng)前置處理后，送入絕對值電路1，得到兩路正、余弦的絕對值信號16、20，信號16、20一方面經(jīng)比較器6后，輸出信號17到模擬開關(guān)2，信號16、20另一方面直接送模擬開關(guān)2，使模擬開關(guān)2的輸出信號18始終為信號16、20中的小值，信號19始終為信號16、20中的大值，并將信號18送入模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片3的模擬輸入端口，信號20始終送模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片3的參考信號輸入端口，形成用一塊模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片3完成對正切或余切的采樣，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，由線21通過線24接微機4進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
數(shù)顯及鍵盤控制電路，包括可編程鍵盤顯示控制器9，與其連接的數(shù)顯屏10、鍵盤11，數(shù)顯屏10和鍵盤11均通過可編程鍵盤顯示控制器9管理，并通過控制器9由線22經(jīng)線24送給微機4處理，同時控制器9經(jīng)線24通過線22由微機4管理。
下面對本發(fā)明作詳細(xì)描述

圖1、光柵數(shù)顯儀工作原理的電路結(jié)構(gòu)圖;
圖2、細(xì)分原理圖。
(一)光柵數(shù)顯儀細(xì)分原理及計數(shù)原理(如圖1、圖2所示)
(1)W/8周期內(nèi)的細(xì)分原理光柵測量頭12中的光柵尺移動時，即輸送出兩路正、余弦信號，經(jīng)數(shù)顯儀中的前置處理后，得到兩路等幅、無直流電平的正交信號A、B，經(jīng)絕對值電路1后，轉(zhuǎn)變?yōu)椋麬｜、｜B｜信號，｜A｜信號接模擬開關(guān)2(如CD4053B)的ay、bx和比較器6(如LM339)的正極，｜B｜信號接模擬開關(guān)2的ax、by和比較器6的負(fù)極，得到a＝Min(｜A｜，｜B｜)＝Min(｜usinθ｜、｜ucosθ｜)b＝Max(｜A｜，｜B｜)＝Max(｜usinθ｜、｜ucosθ｜)u-常數(shù)模擬開關(guān)2使a接模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的模擬量輸入端IN口，b接模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片3的參考信號電壓輸入端VREF(+)口，這樣，對｜A｜、｜B｜信號采樣值為Data＝K· (a)/(b) ＝K｜tgθ｜ (或K｜ctgθ｜)式中K-常數(shù)θ-光柵柵距W對應(yīng)的電角度以上處理實質(zhì)上是對正切(或余切)函數(shù)在45°電角度范圍內(nèi)的采樣，亦即在W/8范圍內(nèi)的采樣，(此時柵距W已被八等分)。采樣得到的數(shù)字量，根據(jù)需要用Ktgθ(或Kctgθ)-θ列表法查找θ，經(jīng)微機4處理，轉(zhuǎn)換成n等分的相應(yīng)位移量，即在W/8周期內(nèi)的位移量t1(本儀器實施例采用n＝25等分)。由上可知，光柵柵距W被細(xì)分為8n＝8×25＝200等分。
(2)八細(xì)分脈沖計數(shù)電路原理它包括由八細(xì)分電路7a和方向辨別器7b組成的電路7，可逆計數(shù)器8。光柵測量頭12測得的相位差為90°的正、余弦信號13為A、B，分別送入八細(xì)分電路7a經(jīng)方向辨別器7b，輸出兩路具有方向性的脈沖信號14為PP、PN，到可逆計數(shù)器8后，可逆計數(shù)器8計數(shù)計滿溢出或不夠借位時，由線15送微機4的中斷輸入口，同時計數(shù)器8中寄存的數(shù)，也可通過線15由微機4讀出，完成快速計數(shù)。
計數(shù)電路原理是A、B信號經(jīng)八細(xì)分電路7a可得到在一個柵距內(nèi)的8個彼此相隔45°電角度的脈沖波，而后經(jīng)方向辨別器7a，獲得兩路正向和反向移動時的脈沖波PP和PN，分別送入可逆計數(shù)器8，計數(shù)器8容量為28＝256，當(dāng)輸入計數(shù)器的脈沖數(shù)超過計數(shù)器容量時，計數(shù)器進(jìn)位位Carry將溢出，輸出一個脈沖(或計數(shù)器不夠減時，借位位borrow將借位，輸出一個脈沖)，送入微機4的中斷輸入口，得到T0(或T1)，計數(shù)器中余留的脈沖數(shù)設(shè)為T2，微機在讀取T0、T1和T2時，可得到該位置的光柵位移“大數(shù)”值S1S1＝〔(T0-T1)×256+T2〕×W/8。
光柵尺的總位移量為SS＝s1+t1-t0＝〔(T0-T1)×256+T2〕×W/8+t1-t0式中T0-計數(shù)器進(jìn)位位(即正向移動時)的溢出脈沖數(shù);
T1-計數(shù)器借位位(即反射移動時)的溢出脈沖數(shù);
T2-計數(shù)器中余留的脈沖數(shù);
W-光柵柵距;
t1-W/8范圍內(nèi)的位移量(以W/200為單位);
t0-W/8范圍內(nèi)初始計數(shù)位置的位移量(以 (W)/200 為單位)。
(二)誤差補償原理微機4上接具有斷電保護(hù)的讀寫存儲器RAM23，阿貝誤差、累積誤差等系統(tǒng)誤差補償參數(shù)存儲在存儲器23中，具體補償參數(shù)可由鍵盤11通過微機4存入存儲器23中。
(1)累積誤差和周期誤差的補償利用雙頻激光干涉儀等高精度測量儀器測定“位置-誤差”關(guān)系，測量頭12輸出的絕對零位信號ABS，直接送微機4的中斷輸入口INTO，作為誤差補償時的原始絕對零點，“位置-累積誤差”存入微機4的存貯器中，周期誤差通過改變軟件來實現(xiàn)補償。經(jīng)實測，小周期誤差補償后約可使誤差降低40%左右。
(2)機床加工中阿貝誤差的補償光柵部件裝在機床上后，進(jìn)行“在機”實測，獲得“位置-阿貝誤差”補償參數(shù)，經(jīng)處理后存入微機。使用時，操作者只需置入測量光柵與加工部位的距離，則數(shù)顯儀能自動進(jìn)行運算，補償阿貝誤差。
“位置-阿貝誤差”補償參數(shù)的測定，可采用兩條光柵尺，一條作為測量件，另一條作為“模擬工件”，兩者讀數(shù)，經(jīng)計算即可得到。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比其優(yōu)點是(1)采用W/8周期細(xì)分及八細(xì)分脈沖計數(shù)電路原理，細(xì)分?jǐn)?shù)可達(dá)200或者更大，而且細(xì)精度高;
(2)具有快速計數(shù)電路，最高測量速度可達(dá)15米/分;
(3)具有強的誤差補償功能，除能補償光柵傳感器的誤差外，還能補償機床加工工件時，由于不符合阿貝測量原則而產(chǎn)生的誤差，即能準(zhǔn)確顯示出工件實際加工孔距尺寸;
(4)電路結(jié)構(gòu)較簡單，造價較低。
本發(fā)明可用于位移量的精密測量和機床加工時，檢測、控制位移精度。
權(quán)利要求
1.一種微機細(xì)分和誤差補償式光柵數(shù)顯儀，它包括光柵測量頭、細(xì)分、控制電路，本發(fā)明的特征是a.微機控制電路，包括微型計算機[4]、存放控制軟件的只讀存儲器[5]，微型計算機[4]通過只讀存儲器[5]中的軟件控制1/8周期內(nèi)細(xì)分電路、數(shù)字顯示屏[10]、鍵盤[11]及進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；b.W/8周期內(nèi)細(xì)分電路，包括絕對值電路[1]、模擬開關(guān)[2]，比較器[6]，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片[3]，光柵測量頭[12]測得的相位差為90°的正、余弦信號[13]經(jīng)前置處理后，送入絕對值電路[1]，得到兩路正、余弦的絕對值信號[16]、[20]，信號[16]、[20]一方面經(jīng)比較器[6]后，輸出信號[17]到模擬開關(guān)[2]、信號[16]、[20]另一方面直接送模擬開關(guān)[2]，模擬開關(guān)[2]的輸出信號[18]、[19]分別送入模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片[3]，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，由線[21]通過線[24]接微型計算機[4]，并由微型計算機[4]進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；c.數(shù)顯及鍵盤控制電路，包括可編程鍵盤顯示控制器[9]，與其連接的數(shù)顯屏[10]、鍵盤[11]。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光柵數(shù)顯儀，其特征是有八細(xì)分脈沖計數(shù)電路，包括由八細(xì)分電路〔7a〕和方向辨別器〔7b〕組成的電路〔7〕，可逆計數(shù)器〔8〕，光柵測量頭〔12〕測得的相位差為90°的正、余弦信號〔13〕為A、B分別送入八細(xì)分電路〔7a〕經(jīng)方向辨別器〔7b〕，輸出兩路具有方向性的八細(xì)分脈沖信號〔14〕為PP、PN到可逆計數(shù)器〔8〕后，由線〔15〕通過線〔24〕輸入微型計算機〔4〕。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光柵數(shù)顯儀，其特征是微型計算機〔4〕上接具有斷電保護(hù)的讀寫存儲器〔23〕。
全文摘要
一種微機細(xì)分和誤差補償式光柵數(shù)顯儀，由光柵測量頭、微機控制電路、W/8周期內(nèi)細(xì)分電路、八細(xì)分脈沖計數(shù)電路、數(shù)顯及鍵盤控制電路和具有斷電保護(hù)的讀寫存儲器等組成。利用微機細(xì)分原理和誤差補償方法，使光柵數(shù)顯儀具有高分辨率、高細(xì)分精度和強的誤差補償能力，不但能補償累積誤差，還能補償阿貝誤差并具有快速計數(shù)電路，最高測量速度可達(dá)15米/分，電路結(jié)構(gòu)簡單，造價較低。可用于位移量的精密測量和機床加工時，檢測、控制位移精度。
文檔編號G01B11/02GK1064933SQ9210179
公開日1992年9月30日 申請日期1992年3月12日 優(yōu)先權(quán)日1992年3月12日
發(fā)明者周千怐, 王炳源, 張季平 申請人:杭州電子工業(yè)學(xué)院