[发明专利]一种直线位移测量装置和方法

说明书

本发明属于光电位移精密测量技术领域，公开了一种可消除余弦误差的高精度直线位移测量装置，包括：读数头、标尺光栅、输出电缆。其中，读数头包含：横向传感器、纵向传感器、平行光源、处理电路；标尺光栅包括：横向码道、纵向识别标线。平行光源发出的光，照射到标尺光栅，将标尺光栅上的图案映射到读数头上的图像传感器上。横向传感器通过识别横向编码，得到横向的直线位移；纵向传感器通过识别纵向标线的位移变化量，得到纵向位移；处理电路，将横向位移和纵向位移合成，得到读数头移动的真实位移。通过采用二维位移量合成的方法，有效的消除由于测量轴和光栅轴不同轴而引起的余弦误差，实现高精度的直线位移测量。

技术领域

本发明属于光电位移精密测量技术领域，具体涉及一种可消除余弦误差的高精度直线位移测量装置和方法。

背景技术

数字化位移测量是集光机电于一体化的高精密测量技术，以其高精度、高分辨力、测量范围广、易于与数字化设备对接等优点已成为工业制造、航空航天、军事装备等领域的关键技术。随着生产制造业的日趋发展，对数字化位移测量技术提出了更高的要求，主要包括：高分辨能力、高测量精度。因此，研究高分辨力、高精度位移测量技术，是基础制造研究领域的热门，具有重要的研究价值。

随着长轴数控机床等新型工业设备的研制，传统增量式位移测量设备已无法满足制造设备的需求。由于绝对式直线位移测量具有开机直接获得位置信息的特点，在数控系统首次上电后无需“归零”操作就能立即进入工作状态或继续上次操作，极大的提高了设备的工作效率。

在直线位移测量时，当读数头的测量方向与直线光栅量程方向存在角度时，此时将存在余弦误差。如何有效消除余弦误差，提高直线位移测量的精度是亟待解决的问题。

发明内容

本发明为了改进现有技术的不足，通过二维位移量的合成，得到精确的直线位移测量。为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

一种直线位移测量装置，包括：滑动导轨、与所述滑动导轨可滑动连接的读数头和固定在滑动导轨上位于读数头测量区域之间标尺光栅；

滑动导轨与标尺光栅延伸方向平行且与标尺光栅的编码标线面垂直；

读数头通过识别标尺光栅上的编码标线获取横向位移量X以及纵向位移变化量ΔY；

根据横向位移量X以及纵向位移变化量ΔY计算得到消除余弦误差后的测量位移量D。

优选地，读数头包括：横向传感器、与横向传感器垂直的纵向传感器、处理电路、平行光源和支架；

平行光源通过支架与处理电路连接；

横向传感器和纵向传感器位于处理电路的下侧面，与平行光源形成对射关系；

处理电路用于接收横向传感器与纵向传感器的图像数据进行细分运算、译码运算以及测量位移量D的计算。

支架与滑动导轨可滑动连接。

优选地，标尺光栅上包含有N条横向编码标线和两条相互平行的纵向识别标线；

横向编码标线是一组同轴等间距，沿标尺光栅延伸方向竖直排列的矩形透光标线，用于实现对横向位移量X的测量；

纵向识别标线平行于标尺光栅延伸方向且垂直于横向编码标线，用于实现对纵向位移变化量ΔY的测量。

优选地，横向编码标线包括宽标线和窄标线；宽标线代表编码元“1”，窄标线代表编码元“0”，按照伪随机序列编码的排列组合，实现绝对式编码。

优选地，宽标线的宽度不大于L/N；窄标线的宽度不大于L/2N，L为标尺光栅的横向测量长度。

优选地，两个纵向识别标线的间隔中心与纵向传感器的中心重合，使其能够在纵向传感器上完整成像；两条纵向识别标线之间的间隔为M·L/N，M为不为零的整数。