一種精密軸系圓光柵光學分度系統的製作方法
2023-05-01 18:19:11 1
專利名稱：一種精密軸系圓光柵光學分度系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及ー種光學分度系統，特別是ー種精密軸系圓光柵光學分度系統。
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背景技術：
對現有的光學分度系統介紹如下。當エ件繞自身軸線迴轉一定角度，完成等分或不等分的圓周分度吋，需要光學分度裝置完成。現有的光學分度系統通常由光學分度頭實現。光學分度頭是利用一個度盤和一套對度盤上的刻線進行瞄準測微的光學放大裝置來分度定位的，是ー種對裝夾在其主軸上的エ件進行角度分度或進行角度檢驗的精密光學計量儀器，主軸上裝有精密的玻璃或金屬刻度盤作為角度基準元件進行圓周分度和測量，通過顯微光路系統、投影光路系統和數 顯光路系統等光學或光電系統對分度頭旋轉角度進行光學角度細分分度，再由目鏡、光屏或數顯放大裝置讀出角度微數值。依靠傳動系統的大傳動比帶動主軸轉動，使光學分度頭的讀數最小值很小。傳動系統不可避免具有空程誤差，為消除或減小空程誤差，需要合理的消間隙機構。目前國內已研製出數字顯示的度盤式光學分度頭，可作為高精度零件的圓周角度測量工具，或者和精密工具機配合作為精密加工的分度裝置，採用度盤刻線和光電接收，主要適用於精密加工和角度計量，配合適當裝置還能進行多種動態測量。綜上所述，光學分度頭能夠一定程度上提供光學分度功能，精度分析和實際應用表明其可以滿足精度需要，但是光學分度頭需要複雜的光路系統，龐大的傳動系統以降低傳動比，因而其整體尺寸較大，傳動系統的空程誤差難於消除，精度裝調麻煩，對工作環境要求較高，且成本較高。
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發明內容
本發明提供ー種精密軸系圓光柵光學分度系統，以精密軸系組合圓光柵的結構形式實現傳統的光學分度頭的功能，圓光柵的莫爾條紋信號接近正弦，適合於電路處理，測量角度位移的莫爾條紋可用光電轉換以數字形式顯示並進行計算處理，精密軸系由電動機驅動，整個系統實現了自動分度和程序控制。—種精密軸系圓光柵光學分度系統，包括驅動電機、聯軸節、圓光柵機構、鎖緊機構、精密軸系、箱體、光電傳感器座、氣浮軸、微調機構、平板。本發明是由以下技術方案來實現①精密軸系圓光柵光學分度系統中的精密軸系的精度直接影響該系統的光學分度精度，精密軸系包括主軸和軸承。主軸是支承圓光柵並與之一起迴轉的核心構件，主軸與主軸座材料的線膨脹係數相差很小，因此軸向間隙變化的影響可忽略不計。精密軸系的主軸主要承受徑向力和少量的軸向力，選用單列向心推力球軸承，該軸承除能負擔徑向載荷外，還能承受相當大的軸向載荷，由於其只能受ー個方向的軸向力，所以在設計時將其面對面成對使用並放置在主軸的前後兩端。為增加軸的剛度和減小軸工作時的晃動，在軸長度確定的情況下，儘量增大軸承的跨度並使主軸前部的懸伸端儘可能短。軸承由一對向心推力軸承及向心球軸承組成。一對向心推力軸承置於軸的前端，推力軸承防止主軸的軸向竄動以避免引起圓光柵光閘條紋間距的變化，以免影響圓光柵輸出信號，向心球軸承置於軸的後端並處於遊移狀態，以補償由於溫度的變化而導致的軸長度的伸縮。軸承採用半運動學式結構，半運動式軸承屬於低速精密滑動軸承，在相同參數條件下比標準式軸承容易得到更高的置中精度，它的特點如下用小面積或線接觸代替點接觸的結構 ，該結構適用於小負荷，相對運動速度低，工作精度要求高的結構中，軸承套固定不動，軸旋轉、軸套的錐形表面和主軸的外圓之間有ー圈錐面滾珠，錐面滾珠支承既具有支承重量的作用，又具有自動定心的作用；由於採用精密鋼珠支承，支承點是滾動摩擦，因此，轉動時摩擦カ矩小，啟動靈活，磨損小，壽命長，同時對溫度不敏感，低溫時不致發生卡死現象。②精密軸系圓光柵光學分度系統中的圓光柵機構是整個系統中最重要的元件，起著對精密軸系的迴轉運動進行數字計量的作用，是精密的角度編碼器，圓光柵依靠精密軸系保證其高精度地工作。圓光柵機構為非接觸式光學結構系統，具有零摩擦和零機械磨損，零機械磁滯、零反向間隙的特點。它由圓光柵、紅外發光二極體、相位光柵及讀數頭等元件組成，其核心元件是光柵和讀數頭。圓光柵為環狀不鏽鋼結構，不鏽鋼內圈為錐面，不鏽鋼外圈上直接刻線，20 μ m柵距，角解析度可達O. Ol弧秒，錐面安裝易於集成，減少安裝誤差，大內徑、小截面的鋼圈設計使其結構緊湊，低質量、低慣性。讀數頭進行光學分度角度讀出，內置光源LED，安裝時可進行位置調整。③驅動電機帶動精密軸系轉動並由鎖緊機構定位，聯軸節聯接驅動電機與精密軸系的主軸，微調機構調節氣浮軸的迴轉軸與光電傳感器光軸重合以實現零位對中，整個系統封閉在箱體中並固定在平板上。本發明的目的是以精密軸系圓光柵分度系統取代傳統的光學分度頭對角度進行精密分度，系統減去了影響分度精度的傳動機構，以圓光柵的非接觸式光學結構而非傳統的機械微動裝置及光學放大系統實現了精密軸系的微小角度的分度計量。有益效果本發明所述為ー種精密軸系圓光柵光學分度系統，可起到迴轉角度的精密光學分度作用，並用於對光電傳感器進行小角度切線運動及精度測試與標定。該系統能夠克服以往光學分度系統的不足，結構緊湊，調節方便靈活，易實現自動分度和程序控制，對工作環境要求較低，且成本較低。
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圖I為精密軸系圓光柵分度系統外型2為基於本發明的圓光柵機構讀數原理示意圖I-驅動電機2-聯軸節3-圓光柵機構4-鎖緊機構5-精密軸系6_箱體7_光電傳感器座8-氣浮軸9-微調機構10-平板
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具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進ー步描述如圖I所示，驅動電機I通過聯軸節2驅動精密軸系5迴轉運動，圓光柵機構3對精密軸系5的迴轉角度進行光學讀出，鎖緊機構4的功能是防止圓光柵機構3中讀數頭位置的走動，光電傳感器座7與精密軸系5連接成一體，當精密軸系5小角度旋轉時，光電傳感器座7隨之轉動，安裝在光電傳感器座7上待標定的光電傳感器做精確的小角度切線運動，精密軸系5的迴轉實現待標定的光電傳感器與高速旋轉的轉子間的微小角度偏移，以模擬相對於水平面的表觀運動角度，圓光柵機構3實現對微小角度的精密分度測量，氣浮軸8支撐高速旋轉的轉子，微調機構9的功能是微調氣浮軸8的迴轉軸線使其與光電傳感器光軸對中，使待標定的光電傳感器與高速旋轉的轉子間實現初始零位對準，箱體6對整個系統起保護作用並使其整體安裝在平板10上。圖2顯示 在圓光柵對徑位置採用雙讀數頭進行雙向光學讀數，補償兩個中心不同心所造成的讀數誤差，以消除主軸迴轉中心與圓光柵幾何中心之間的徑向跳動，提高主軸迴轉角度讀出精度，從而提高整個精密軸系的分度精度。
權利要求
1.ー種精密軸系圓光柵光學分度系統，其特徵在於精密軸系支撐圓光柵機構及光電傳感器，驅動電機帶動精密軸系轉動並由鎖緊機構定位，微調機構調節氣浮軸承的迴轉軸與光電傳感器光軸重合，聯軸節聯接驅動電機與精密軸系的主軸，系統的各組成部分都緊湊地布置在一個整體式的箱體內，與箱體連接成一體後固定在平板上。
2.如權利要求I所述的ー種精密軸系圓光柵光學分度系統，其特徵在於精密軸系包括主軸和軸承，主軸支承圓光柵並與之一起迴轉，軸承由ー對向心推力軸承及向心球軸承組成，向心推力軸承置於軸的前端，向心球軸承置於軸的後端並處於遊移狀態，以補償由於溫度的變化而導致的軸長度的伸縮。
3.如權利要求2所述的ー種精密軸系圓光柵光學分度系統，其特徵在於精密軸系轉動時，向心推力軸承防止主軸的軸向竄動，以避免軸向位移引起的圓光柵光閘條紋間距的變化。
4.如權利要求3所述的ー種精密軸系圓光柵光學分度系統，其特徵在於為使精密軸系主軸具有精確迴轉定位功能，設計了一個鎖緊機構。
5.如權利要求I所述的ー種精密軸系圓光柵光學分度系統，其特徵在於圓光柵機構包括圓光柵及讀數頭，圓光柵為環狀不鏽鋼結構，不鏽鋼內圈為錐面，不鏽鋼外圈上直接刻線，20 μ m柵距，角解析度可達O. 01弧秒，大內徑、小截面的鋼圈設計使其結構緊湊，低質量、低慣性，錐面安裝易於集成並可減少安裝誤差，可調式讀數頭與圓光柵間的徑向距離為O.8±0. 1mm，讀數頭進行光柵讀數，內置光源LED。
6.如權利要求5所述的ー種精密軸系圓光柵光學分度系統,其特徵在於圓光柵機構為非接觸式光學結構系統，起著對精密軸系的迴轉運動進行數字計量的作用，具有零摩擦和零機械磨損、零機械磁滯、零反向間隙的特點，小的慣性力矩可以用最小的扭矩和最快的速度定位待測量的角度。
7.如權利要求6所述的ー種精密軸系圓光柵光學分度系統,其特徵在於為了便於觀察莫爾條紋，圓光柵安置在主軸的端部，置於向心球軸承外。
8.如權利要求7所述的ー種精密軸系圓光柵光學分度系統，其特徵在於為減小主軸扭轉剛度及晃動帶來的誤差，設計時使圓光柵儘量靠近工作件，即靠近光電傳感器。
9.如權利要求I所述的ー種精密軸系圓光柵光學分度系統，其特徵在於精密軸系主軸的迴轉由驅動電機三個環路組成的閉環跟蹤系統控制，這三個環路分別為位置環、速度環和電流環，位置環採用數字控制方式，電流環和速度環採用模擬控制方式。
10.如權利要求9所述的ー種精密軸系圓光柵光學分度方法,其特徵在於驅動電機不經過減速系統直接驅動主軸的微小角度轉動，處於堵轉或低速狀態下輸出大轉矩，具有響應速度快、定位精度高、轉矩、轉速波動小、能在很低轉速下穩定運行、機械特性和調節特性線性度好。
全文摘要
本發明是一種精密軸系圓光柵光學分度系統，以精密迴轉軸組合圓光柵的結構形式取代傳統的光學分度頭，以圓光柵的非接觸式光學系統而非傳統的機械微動裝置實現精密軸系迴轉的微小角度分度計量，不需要影響分度精度的傳動機構以及進行光學角度細分放大的光路系統。圓光柵的莫爾條紋信號接近正弦，適合於電路處理，測量角度位移的莫爾條紋可用光電轉換以數字形式顯示並進行計算處理，精密軸系由電動機驅動，整個系統實現了自動分度和程序控制。該系統可起到精密軸系主軸迴轉角度的精密光學分度作用，並用於對光電傳感器進行小角度切線運動及精度測試與標定。克服了以往光學分度系統的不足，結構緊湊，調節方便靈活，對工作環境要求較低，且成本較低。
文檔編號B23Q16/12GK102658502SQ20121016145
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月23日 優先權日2012年5月23日
發明者惠梅, 鄧年茂 申請人:北京理工大學