一種密封式超長標尺光柵傳感器的製作方法
2023-05-10 12:10:11
專利名稱：一種密封式超長標尺光柵傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種傳感器，尤其是涉及一種密封式超長鋼帶光柵傳感器。
背景技術：
光柵傳感器是一種由光、機、電一體化形式組成的傳感器，它與數字顯示儀，或與計算機，或與數字控制單元一起均可以組成系統用於長度量、線位移的測量或控制，尤其適用於大型和超大型的工具機、機械、電子、航天、航空、交通等領域的先進位造裝備和先進的長度計量、檢測裝備，以及用於傳統落後的製造、檢測裝備的技術改造升級之中，它作為整機加工測量用的基準器和在數控伺服系統中為電機提供位置檢測、速度、電子換向的反饋信號，用其實現裝備的數字顯示與數字控制，保證裝備的加工、定位、檢測的精度，提高整機的可靠性、工作效率，智能化等性能。
目前，國內生產的用於長度量、線位移測量或控制用的密封式光柵傳感器中的測量基準元件，採用的均是透射式玻璃光柵尺，而密封式鋼帶光柵傳感器產品，在國內是一項空白；在國外只有德國、西班牙、義大利三個國家能夠生產。但是，目前國外生產的密封式鋼帶光柵尺(國內稱之為密封式鋼帶光柵傳感器)普遍存在以下缺點1、鋼帶標尺光柵(也稱之為光柵尺)與指示光柵(也稱之為付光柵)二者之間的工作間隙很小，其帶來的問題是A、傳感器在使用中容易將兩光柵的刻線劃傷，而不能正常工作，縮短傳感器的使用壽命；B、傳感器在使用中，有諸多因素均可造成兩光柵之間的工作間隙量產生微弱的變化，此時都會引起傳感器中的光電信號發生較大的變化，輕者使傳感器的測量精度降低，重者不能正常工作喪失可靠性；C、難於使用高密度刻線數的高檔光柵，如1000對線/毫米，或更高密度的光柵。D要求與兩光柵相關聯的零部件的加工、組裝，必須有較高的精度，因而增高了產品的製造成本。
2、當光柵尺的尺殼長度需要相互對接，製造成超大量程的傳感器時，其各尺殼端面之間的相互對接的接縫，從外觀看呈「1」字形，如圖1所示，此種從外觀看呈「1」字形接縫的缺點是當光柵讀數頭(也稱之為光柵掃瞄器)中的水平導向軸承，通過該接縫處，如果其接縫不十分嚴密，軸承易產生跳動，引起傳感器的測量誤差，乃至不能正常工作，影響到傳感器的可靠性，欲克服此缺點就必須提高相關零部件的加工、組裝精度或增多附加零部件的數量，因而便加大了傳感器的製造難度和成本。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種壽命長、光電信號穩定、製造難度小、成本低密封式超長鋼帶光柵傳感器。
為解決上述技術問題，本發明採用下述技術方案它是由尺殼組件、光柵讀數頭構件組、光柵光學系統、電路系統四個部分組成；其特徵在於所述光柵光學系統是由光源、透鏡組、半反半透鏡、指示光柵、標尺光柵、光電接收器組成；所述光源的發光靶面位置被設置在透鏡組的後焦點上；所述透鏡組將光源發出的細光束擴束成寬光束並變成為平行光，照射在半反半透鏡上；所述半反半透鏡將來自光源、透鏡組方向的光線的1/2反射到指示光柵和標尺光柵上，並將來自標尺光柵方向的光線的1/2或全部透射到光電接收器上。
為更好解決上述問題，所述光源是半導體雷射器；所述透鏡組是單個球面透鏡、兩片球面透鏡、兩片以上球面透鏡或是一個非球面透鏡；所述光電接收器是光電三極體、二極體或光電池；所述標尺光柵是鋼帶光柵尺或玻璃光柵尺。
為更好解決上述問題，所述尺殼組件是由兩個端頭、尺殼、橫梁、四條密封膠條、兩個固定塊、兩支壓簧、兩個動塊、兩個調整螺杆、兩個拉緊塊組成；所述兩個端頭通過螺釘與尺殼剛性連接，為了外接氣源，以及防止塵埃、油汙進入尺殼內部，所述端頭上帶有進、出氣孔；所述四條密封膠條分上、下二層穿入尺殼的密封槽內，所述密封膠條的兩端使用粘膠固定；所述尺殼之間接縫的橫縫中心通過豎銷來固定，在與豎銷相垂直的方向又採用了橫銷來固定，還採用橫梁和豎銷牽固地將兩條尺殼剛性地連接在一起；所述兩個固定塊裝在尺殼底部，通過橫銷剛性的連接在一起；所述兩條壓簧的一端裝在固定塊的導向杆內，另一端裝在兩個動塊的導向杆內，所述動塊的一端帶有螺孔，螺孔分別與兩支調整螺杆連接，所述調整螺杆的另一端擰入兩個拉緊塊的螺孔內，拉緊塊通過螺釘剛性地固定在尺殼上，所述螺釘還起到固定反射式鋼帶光柵尺的作用，所述反射式鋼帶光柵尺43的鬆緊選擇通過調整螺杆來實現。
為更好解決上述問題，當尺殼之間需要連接延長製成超大量程傳感器時，各尺殼的端面相互對接的各接縫處的側面外觀呈「」形或呈「」形狀。
為更好解決上述問題，所述光柵讀數頭構件組是由金屬軟管、固定頭、電路盒、蓋板、雙向彈簧、鋼球、鏡筒、壓圈、鏡架、指示光柵架、兩個水平導向軸承、三個垂直導向軸承組成；所述電路盒的一端擰有固定頭，所述固定頭通過螺紋固定金屬軟管；所述電路盒的蓋板通過螺釘固定在電路盒上並起密封作用；所述電路盒內的螺釘將電器板固定在電路盒的內部，所述電路盒的底部通過螺釘固定有一條雙向彈簧，所述雙向彈簧的另一端焊有一個鋼球，所述鋼球是起連接作用，以滿足傳感器在安裝、使用中的需要；所述鋼球壓在指示光柵架的球槽之內，當電路盒移動時就帶動指示光柵架同步移動；所述雙向彈簧的作用是向指示光柵架提供水平和垂直方向的兩個壓緊力；所述指示光柵架上裝有鏡筒，二者之間的固定通過緊配合完成；所述鏡筒內裝有半導體雷射器，二者之間通過螺紋連接，所述鏡筒內還裝有透鏡組，通過壓圈來固定；所述指示光柵架上還裝有鏡架，二者之間通過螺紋來固定，所述鏡架內裝有半反半透鏡，所述半反半透鏡是通過粘膠粘接在鏡架內部；所述鏡架通過螺釘固定電器板；所述指示光柵通過粘膠粘接在指示光柵架的底部上，所述指示光柵架上還裝有三個垂直導向軸承和兩個水平導向軸承，所述三個垂直導向軸承和兩個水平導向軸承之間通過螺釘固定；所述兩個水平導向軸承在尺殼內壁平面上的運動軌跡必須從各尺殼之間的橫向接縫處通過，且接縫的寬度小於水平導向軸承的寬度。
為更好解決上述問題，所述電路系統由電器板、電器板、輸出信號線組成；該電路系統將光學測量的信息轉換成電的測量信息，經處理後，以電信號的形式輸出。
參見圖1、圖4所示，目前的一種密封式鋼帶光柵尺(或稱之為光學尺)，其光柵光學系統是由發光二極體51；指示光柵52；反射式鋼帶光柵尺53；光電接收器54組成，該系統的主要缺點是無光學準直鏡；光源有一定的發散角(即非平等光照明)；光源的強度較弱，原始光電信號的幅值小；為了使系統能夠正常的工作，它就必須縮小兩光柵之間的間隙量(t)，間隙量(t)的確定依據光柵理論中的費涅爾公式(參見哈爾濱工業大學張善鍾等編著《計量光柵技術》中P145，公式4-13)t＝nd2/λ..............................(1)，式中，n＝0，1，2......整數；d光柵柵距(光柵亮線與暗線寬度之和等於柵距)；
λ入射光波長；t費涅爾焦面離標尺光柵的距離(即兩光柵刻線面之間的距離)；本領域的普通技術人員都知道光柵光學系統中當採用非平行光照明時，是不能夠完全採用(1)式費涅爾公式確定間隙量的，一般均採用小間隙的經驗公式t＝1/8d2/λ..............................(2)光柵柵距以常用的d＝0.02mm，發光二極體的波長取常用的λ＝0.00088mm，將上述的d、λ值代入(2)式，t＝1/8d2/λ＝0.057mm，也就是說現有的密封式鋼帶光柵尺中，兩光柵之間的工作間隙量最大也超不過0.057mm。
參見圖5所示，目前另一種密封式鋼帶光柵尺中的光柵光學系統，該光學系統用於高密度光柵中，其原理為幹涉掃描，光柵工作採用第1費涅爾焦面，即(1)式t＝nd2/λ中的n＝1。
該光柵光學系統的主要缺點(A)光源採用的是發光二極體61，這是一種光柵光學系統中普遍採用的傳統式光源，其最大的缺點是發光強度較弱，導致原始光電信號的幅值較小，不利於拉大光柵的工作間隙量；(B)發光二極體放於光學系統的主光軸上，使得光電接收器62隻能放於照明視場較邊緣的位置上，本領域的普通技術人員都知道光強在照明視場中的分布依據(cosγ)4的規律衰減，可見其光電接收器所安放的位置並不是較理想的位置。從上述二缺點來看，該系統的光柵工作間隙也不會大。
參見圖2或圖3所示，本發明較現有的鋼帶光柵尺而言，光源發光強度高、單色性好，方向性好，組合而成的光學系統具有很強的消除高次諧波的能力，且光電接收器放於照明視場中心位置，該系統可以將光柵工作間隙拉大，還特別適於高密度、高精度光柵尺的應用；為了便於比較，仍以光柵柵距d＝0.02mm為例，將已知參數t＝nd2/λ，式中d＝0.02mm，n＝5(本系統採用第五費涅爾焦面)，λ＝0.00065mm代入費涅爾公式(1)t≈3.0mm，本發明的光柵光學系統經實際使用證明當光柵工作間隙量採用t＝2.5mm時，傳感器可以正常工作；本發明專利的光柵工作間隙量是目前光柵工作間隙量的5～50倍。
本發明具有如下優點1、標尺光柵與指示光柵之間的工作間隙量大，比目前國外現有的密封式鋼帶光柵尺的光柵工作間隙量增加5～50倍，從而提高了傳感器的使用壽命和可靠性；特別對採用反射式高密度光柵尺或透射式高密度光柵尺的高檔密封式傳感器的製造，大幅度地降低了其難度和成本。
2、當光柵尺的尺殼長度需要相互對接，被製造成超大量程的傳感器時，只要接縫的寬度小於導向軸承的寬度，就仍然會正常工作，大幅度地降低了其各尺殼端面之間的相互對接的難度，既簡便、可靠、經濟，又不降低傳感器的測量精度。
圖1是目前鋼帶光柵傳感器的尺殼相互對接製成超大量程的傳感器時其各尺殼端面之間的相互對接關係示意圖；圖2是本發明鋼帶光柵傳感器採用的一種光柵光學系統的示意圖；圖3是本發明鋼帶光柵傳感器採用的另一種光柵光學系統的示意圖；圖4是目前鋼帶光柵傳感器採用的一種光柵光學系統的示意圖；圖5是目前鋼帶光柵傳感器採用的另一種光柵光學系統的示意圖；圖6是本發明鋼帶光柵傳感器的尺殼相互對接製成超大量程的傳感器時其各尺殼端面之間的相互對接關係示意圖；圖7是本發明鋼帶光柵傳感器的電路工作原理方框圖；圖8是本發明鋼帶光柵傳感器的結構示意圖；圖9是沿圖8的A-A面的剖視圖。
具體實施例方式
參見圖9、圖2、圖3所示，本發明是由尺殼組件、光柵讀數頭構件組、光柵光學系統、電路系統四個部分組成；所述光柵光學系統是由半導體雷射器42、透鏡組40、半反半透鏡38，指示光柵39、反射式鋼帶光柵尺43、光電接收器12、組成；所述半導體雷射器42作為光源，其發光靶面位置被設置在透鏡組40的後焦點上；所述透鏡組40將雷射發出的細光束擴束成寬光束並變成為平行光，照射在半反半透鏡38上；所述透鏡組40可以被設計成單個球面透鏡，或兩片球面透鏡，或兩片以上球面透鏡，也可以是一個非球面透鏡；所述半反半透鏡38將來自半導體雷射器42、透鏡組40方向的光線的1/2反射到指示光柵39和反射式鋼帶光柵尺43上，並將來自反射式鋼帶光柵尺43方向的光線的1/2或全部透射到光電接收器12上。
參見附圖8、圖9、圖6所示，所述尺殼組件是由兩個端頭45、尺殼2、尺殼33、橫梁35、四條密封膠條25、兩個固定塊16、兩支壓簧17、兩個動塊18、兩個調整螺杆19、兩個拉緊塊20組成；所述兩個端頭45通過八個螺釘44分別與尺殼2和尺殼33剛性連接；為了外接氣源，以及防止塵埃、油汙進入尺殼內部，所述端頭45上帶有進、出氣孔；所述四條密封膠條25分上、下二層穿入尺殼2、尺殼33的密封槽內，所述密封膠條25的兩端使用膠固定；所述尺殼2與尺殼33尺殼的接縫的橫縫中心採用了兩支豎銷14來固定，在與豎銷14相垂直的方向又採用了四條橫銷26、31來固定，還採用橫梁35和兩條豎銷15牽固地將兩條尺殼剛性地連接在一起；所述兩個固定塊16裝在尺殼底部，通過兩條橫銷34剛性的連接在一起；所述兩條壓簧17的一端裝在固定塊16的導向杆內，另一端裝在兩個動塊18的導向杆內，所述動塊18的一端帶有螺孔，螺孔分別與兩支調整螺杆19連接，所述調整螺杆19的另一端擰入兩個拉緊塊20的螺孔內，拉緊塊20通過四個螺釘29被剛性地固定在尺殼上，所述四個螺釘29還起到固定反射式鋼帶光柵尺43的作用。所述反射式鋼帶光柵尺43的鬆緊選擇通過調整螺杆來實現。
參見圖6所示，當尺殼之間需要連接延長製成超大量程傳感器時，各尺殼的端面相互對接的各接縫處的側面外觀呈「」形或呈「」形狀。
參見附圖8、圖9所示，所述光柵讀數頭構件組是由金屬軟管4、固定頭5、電路盒6、蓋板22、雙向彈簧8、鋼球9、鏡筒41、壓圈10、鏡架37、指示光柵架1、兩個水平導向軸承28、三個垂直導向軸承30組成；所述電路盒6的一端擰有固定頭5，所述固定頭5通過螺紋固定金屬軟管4；所述電路盒6的蓋板22通過四個螺釘21固定在電路盒6上並起密封作用；所述電路盒6內的四個螺釘24將電器板23固定在電路盒6的內部，所述電路盒的底部通過螺釘7固定有一條雙向彈簧8，所述雙向彈簧8的另一端焊有一個鋼球9，所述鋼球9是起連接作用，以滿足傳感器在安裝、使用中的需要；所述鋼球9壓在指示光柵架1的球槽之內，當電路盒6移動時就帶動指示光柵架1同步移動；所述雙向彈簧8的作用是向指示光柵架1提供水平和垂直方向的兩個壓緊力；所述指示光柵架1上裝有鏡筒41，二者之間的固定通過緊配合完成；所述鏡筒41內裝有半導體雷射器42，二者之間通過螺紋連接，所述鏡筒41內還裝有透鏡組40，通過壓圈10來固定；所述指示光柵架1上還裝有鏡架37，二者之間通過螺紋36來固定，所述鏡架37內裝有半反半透鏡38，所述半反半透鏡38是通過粘膠粘接在鏡架37內部；所述鏡架37通過四個螺釘11固定電器板13；所述指示光柵39通過粘膠粘接在指示光柵架1的底部上，所述指示光柵架1上還裝有三個垂直導向軸承30和兩個水平導向軸承28，所述三個垂直導向軸承30和兩個水平導向軸承28之間通過三個螺釘32和兩個螺釘27固定，所述兩個水平導向軸承28在尺殼內壁平面上的運動軌跡必須從各尺殼之間的橫向接縫處通過，且接縫的寬度小於水平導向軸承28的寬度。
參見圖7、圖8、圖9所示，所述電路系統由電器板13、電器板23、輸出信號線03組成；該電路系統將光學測量的信息轉換成電的測量信息，經處理後，以電信號的形式輸出；電路系統的具體步驟如下(1)光電轉換光柵光學系統最終由光電接收器產生四路正弦電信號和一路尖脈衝信號(其中四路電信號相位互差90°，另一路為零位信號)；(2)信號差分放大主要是將0°與180°信號差接合消放大和將90°與270°信號差接合成放大，如此處理的目的是消除直流電平飄移；(3)整形電路是將經差分放大的2路正弦信號整形為相位相差90°的兩路方波信號(A、B)；(4)長線驅動目的是使輸出的信號能夠抗幹擾，尤其是當輸出線的長度大於10M以上時，更為必要。本傳感器最終輸出的信號主要有兩種形式，其一輸出A、B、Z，(Z為鐘形零位信號)三路信號；其二差動輸出AA′、BB′、ZZ′、六路信號，輸出三路信號進入；(5)信號接收處理指的主要是與外接的光柵數顯表或帶有電子卡的計算機相連成為光柵數字顯示系統或由計算機顯示控制系統，輸出六路信號主要是與外接控制單元相連，成為光柵數控系統。
權利要求
1.一種密封式超長鋼帶光柵傳感器，它是由尺殼組件、光柵讀數頭構件組、光柵光學系統、電路系統四個部分組成；其特徵在於所述光柵光學系統是由光源、透鏡組、半反半透鏡、指示光柵、標尺光柵、光電接收器組成；所述光源的發光靶面位置被設置在透鏡組的後焦點上；所述透鏡組將光源發出的細光束擴束成寬光束並變成為平行光，照射在半反半透鏡上；所述半反半透鏡將來自光源、透鏡組方向的光線的1/2反射到指示光柵和標尺光柵上，並將來自標尺光柵方向的光線的1/2或全部透射到光電接收器上。
2.根據權利要求1所述的一種密封式超長鋼帶光柵傳感器，其特徵在於所述光源是半導體雷射器；所述透鏡組是單個球面透鏡、兩片球面透鏡、兩片以上球面透鏡或是一個非球面透鏡；所述光電接收器是光電三極體、二極體或光電池；所述標尺光柵是鋼帶光柵尺或玻璃光柵尺。
3.根據權利要求1或2所述的一種密封式超長鋼帶光柵傳感器，其特徵在於所述尺殼組件是由兩個端頭、尺殼、橫梁、四條密封膠條、兩個固定塊、兩支壓簧、兩個動塊、兩個調整螺杆、兩個拉緊塊組成；所述兩個端頭通過螺釘與尺殼剛性連接；為了外接氣源，以及防止塵埃、油汙進入尺殼內部，所述端頭上帶有進、出氣孔；所述四條密封膠條分上、下二層穿入尺殼的密封槽內，所述密封膠條的兩端使用粘膠固定；所述尺殼之間接縫的橫縫中心通過豎銷來固定，在與豎銷相垂直的方向又採用了橫銷來固定，還採用橫梁和豎銷牽固地將兩條尺殼剛性地連接在一起；所述兩個固定塊裝在尺殼底部，通過橫銷剛性的連接在一起；所述兩條壓簧的一端裝在固定塊的導向杆內，另一端裝在兩個動塊的導向杆內；所述動塊的一端帶有螺孔，螺孔分別與兩支調整螺杆連接；所述調整螺杆的另一端擰入兩個拉緊塊的螺孔內，拉緊塊通過螺釘剛性地固定在尺殼上。
4.根據權利要求3所述的一種密封式超長鋼帶光柵傳感器，其特徵在於當尺殼之間需要連接延長製成超大量程傳感器時，各尺殼的端面相互對接的各接縫處的側面外觀呈「」形或呈「」形狀。
5.根據權利要求1所述的一種密封式超長鋼帶光柵傳感器，其特徵在於所述光柵讀數頭構件組是由金屬軟管、固定頭、電路盒、蓋板、雙向彈簧、鋼球、鏡筒、壓圈、鏡架、指示光柵架、兩個水平導向軸承、三個垂直導向軸承組成；所述電路盒的一端擰有固定頭，所述固定頭通過螺紋固定金屬軟管；所述電路盒的蓋板通過螺釘固定在電路盒上並起密封作用；所述電路盒內的螺釘將電器板固定在電路盒的內部，所述電路盒的底部通過螺釘固定有一條雙向彈簧，所述雙向彈簧的另一端焊有一個鋼球；所述鋼球壓在指示光柵架的球槽之內，當電路盒移動時就帶動指示光柵架同步移動；所述指示光柵架上裝有鏡筒，指示光柵架與鏡筒通過緊配合固定；所述鏡筒內裝有光源，鏡筒和光源通過螺紋連接；所述鏡筒內還裝有透鏡組，通過壓圈來固定；所述指示光柵架上還裝有鏡架，指示光柵架與鏡架通過螺紋來固定；所述鏡架內裝有半反半透鏡，所述半反半透鏡是通過粘膠粘接在鏡架內部；所述鏡架通過螺釘固定電器板；所述指示光柵通過粘膠粘接在指示光柵架的底部上；所述指示光柵架上還裝有三個垂直導向軸承和兩個水平導向軸承，所述三個垂直導向軸承和兩個水平導向軸承之間通過螺釘固定；所述兩個水平導向軸承在尺殼內壁平面上的運動軌跡必須從各尺殼之間的橫向接縫處通過，且接縫的寬度小於水平導向軸承的寬度。
6.根據權利要求1所述的一種密封式超長鋼帶光柵傳感器，其特徵在於所述電路系統由電器板、電器板、輸出信號線組成；該電路系統將光學測量的信息轉換成電的測量信息，經處理後，以電信號的形式輸出。
全文摘要
一種密封式超長鋼帶光柵傳感器，它是由尺殼組件、光柵讀數頭構件組、光柵光學系統、電路系統四個部分組成；其特徵在於所述光柵光學系統是由光源、透鏡組、半反半透鏡、指示光柵、標尺光柵、光電接收器組成；所述光源的發光靶面位置被設置在透鏡組的後焦點上；所述透鏡組將光源發出的細光束擴束成寬光束並變成為平行光，照射在半反半透鏡上；所述半反半透鏡將來自光源、透鏡組方向的光線的1/2反射到指示光柵和標尺光柵上，並將來自標尺光柵方向的光線的1/2或全部透射到光電接收器上；本發明具有壽命長、光電信號穩定、製造難度小、成本低等優點。
文檔編號G01D5/26GK101046397SQ20061006584
公開日2007年10月3日 申請日期2006年3月27日 優先權日2006年3月27日
發明者許興智, 雷孔成, 張一鋼, 史淑華, 劉麗 申請人:廊坊開發區萊格光電儀器有限公司