一種高精度的測角裝置的製作方法

2023-10-27 04:24:22 2

本發明涉及精密測量技術領域，特別是一種高精度的測角裝置。

背景技術：

精密測量在航空、航天、艦船、數控設備中都有大量的應用，例如數控工具機主軸的角度值測量關係到工具機的精度。現在的測角裝置光柵碼盤是在碟片一周刻線，並對副光柵與主光柵在運動中形成的正弦波進行數字細分，目前最常用的20秒精度光柵碼盤，需要在一個圓周刻6480條線並經過20倍數字細分，若要提高解析度，需要極高的刻線數，其結構複雜、製造難度大、價格昂貴，德國海德漢公司的超高精度測角系統是在地下百米的超潔淨、超靜音、超微小振動環境下進行生產，要求極高。

技術實現要素：

本發明要解決的問題是，提供一種高精度的測角裝置，在簡單環境下以低成本生產國際領先水平的高精度角度測量裝置。

為了實現解決上述技術問題的目的，本發明採用了如下技術方案：

一種高精度的測角裝置，其特徵在於：包括安裝平臺、殼體、上蓋、出線孔、主控板、單片機、軸承、轉動軸、兩個雷射頭、電機、螺杆、光碼盤、測角軌、方向判斷軌、安裝平臺、電源線、數據線、底座；

所述殼體和上蓋組成一個密封的空間，以保證內部無塵環境；殼體外緣上設置有出線孔，內部電源線和數據線從出線孔引出；

所述電源線為測角裝置提供電源；

所述數據線一端連接主控板，另一端連接被測系統的轉動機構或者轉動測量機構，把測量結果輸出給被測系統的數據輸入結構；

殼體底部設置有中心孔一，主控板中心設置有孔二，光碼盤中心設置有孔三，上蓋中心設置有孔四；

所述安裝平臺設置在轉動軸中部，用於安裝光碼盤；

所述軸承的外環安裝在孔一內，轉動軸底端安裝在軸承的內環，主控板固定在殼體內，轉動軸穿過孔二、孔三，轉動軸上的安裝平臺位於主控板上面，光碼盤固定安裝在安裝平臺上，轉動軸上部穿過孔四，轉動軸伸出殼體上蓋的部分與被測系統相連接，使得當被測系統轉動時，轉動軸能夠隨之轉動並帶動光碼盤轉動；

所述光碼盤材質為DVD盤，光碼盤上設置有兩條同心圓形的光軌，分別是測角軌、方向判斷軌，兩條光軌的間距與兩個雷射頭的間距一致，分別正對兩個雷射頭；測角軌的編碼由「10」循環一周組成；方向判斷軌的編碼以「01001000100001」為特徵，即在「1」之間依次增加一個「0」，如此循環一周做為方向碼；

所述單片機、電機、雷射頭、電機、螺杆、底座、電源線、數據線設置在主控板上，螺杆一端與電機連接，底座與螺杆相連接，兩個雷射頭安裝在底座上；雷射頭用來發射雷射和接收光碼盤的測角軌和方向判斷軌的反射雷射；單片機用以處理雷射頭讀取和傳輸的數據、數據解算、與被測系統通訊，並根據數據控制電機的轉動。

更具體的，所述光碼盤材質為DVD盤，DVD盤的基質上塗有反射層和數據層，數據轉換成二進位後，經雷射在數據層上燒出小坑，有坑的地方會透出反射層，在讀取的時候，雷射被有坑的地方反射回來，就讀取為「0」，無坑的地方沒有反射，被讀取為「1」，例如，DVD的兩個數據位的間隔為0.4微米，每釐米可存在25000個數據位，如果一條圓周軌道上有360*60*60＝129600個數據位，那麼每個數據位的角度間隔即為1秒，把一片帶有這樣光軌的碼盤，用雷射照射的方式進行讀取，對角度的測量可以精確到1秒，並且隨著光軌直徑的增加，精度也會增加，光軌直徑為1.65釐米時精度為1秒，光軌直徑為8.25釐米時精度為0.2秒。光碼盤上設置有兩條同心圓形的光軌，分別是測角軌、方向判斷軌，兩條光軌的間距與兩個雷射頭的間距一致，分別正對兩個雷射頭；被測系統轉動時隨著轉動軸進行轉動，兩個雷射頭分別讀取兩條光軌上的數據；這樣，可以通過轉動軸的轉動角度，來計算和表達被測系統的角度和方向；

所述測角軌，是一條正圓形的、用來計數的光軌。DVD光碟由於是勻變速轉動，所以其計數方法是恆定角速度法，每個數據位轉過的時間是一樣的，可以按時間來計算轉過了多少個「0」或「1」，而測角系統的轉速是根據被測系統的轉速決定的，不可能勻速轉動，所以需要特殊的編碼來完成計數任務，其編碼由「10」循環一周組成，光碼盤轉動時，光頭每讀到一個「1」或一個「0」計數一次，若一直是「1」或「0」則說明沒有轉動；

所述方向判斷軌，是和測角軌同心的正圓形光軌，用來判斷光碼盤正轉或反轉。DVD光碟是一直保持一個方向轉動，所以不需要判斷方向，而測角系統的轉動方向會隨著被測系統的轉動方向隨時變化，所以要能隨時檢測光碼盤的轉動方向，方向判斷軌的編碼以「01001000100001」為特徵，即在「1」之間依次增加一個「0」，如此循環一周做為方向碼，忽略先讀到的0，從第一個讀到的1開始計數，每經過一個1多一個0和00001變成01時定義為增加，判斷為正轉，每經過一個1少一個0和01變成00001時定義為減少，判斷為反轉；由於方向判斷軌的編碼中含有連續多個「0」，須由測角軌12實時提供數據位的數量可知其轉過了多少數據位。由於測角軌在外圈，比方向判斷軌直徑略大，以0.2秒精度為例，測角軌周長約25.92CM，數據位有648000個，方向判斷軌周長約24.48CM，數據位有612000個，相差36000個，佔測角軌的1/18，那麼需要按「測角軌每過18減1」的方法為方向判斷軌提供數據位數量。方向判斷軌需要通過數個數據才能判斷出方向，但秒這個單位非常小，被測系統轉動的最小角度都遠大於1秒，現有最常用的測角系統精度值一般在10秒到20秒左右，所以前面幾秒的方向值並不重要，只要最終輸出正確的結果，例如「+3.6秒」即可滿足精度「0.2秒」的要求。

所述單片機，用來完成控制本專利測角系統的運行、數據解算、與被測系統通訊等任務，其中對雷射頭的控制，包含尋跡、變焦控制等，都和DVD中的單片機一樣，所不同的是對於讀取到的數據的解算方法，當讀到測角軌的數據時，以當前測角系統的精度來解算出角度值，以精度0.2秒的測角系統為例，每讀到一個「1」或一個「0」計數一次，並換算成0.2秒，當讀到方向判斷軌的數據時，實時解算成「+」「-」號並放在角度值前，例如：從方向判斷碼中讀到的數據為「10100」同時測角軌的數據為「10101」則換算成「+1」秒，從方向判斷碼中讀到的數據為「010001001」同時測角軌的數據為「010101010」則換算成「-1.8」秒，並通過數據線把這個值實時傳遞給被測系統。

更具體的，所述光碼盤和DVD媒體盤或者DVD數據盤不同的是光軌的設置，DVD媒體盤或者DVD數據盤上的光軌是一條連續螺旋形的，從外圈一圈圈向內收縮。

更具體的，所述的測角軌設置在光碼盤外圈。

進一步具體的，所述的被測系統是需要測量角度值的外部設備，如數控工具機、雷達、電梯、機器人等；

進一步具體的，所述的轉動軸與孔四接觸的部分塗有潤滑油，使轉動軸可自由轉動並起到密封作用。

進一步具體的，所述的光碼盤包括基質，基質設置塗有反射層和數據層；數據層的兩個數據位的間隔小於1微米；反射層位於數據層下方。

進一步具體的，所述的測角軌的編碼由「10」循環一周組成。這樣，在光碼盤轉動時，光頭每讀到一個1或0計數一次，若一直是1或0則說明沒有轉動。

被測系統接收測量結果的方法為：一般來說對角度控制要求比較低的裝置，採用開環控制，由電機的轉速來得到轉動的角度，但實際應用中，由於電機、機械的誤差，電機理論上應該轉了一周，但實際上到底轉了多少，其控制系統並不知道，這在要求比較高的裝置中是不被允許的，以電梯為例，假設電梯要從19樓下降到13樓，電機需要轉動的圈數是100.123周，由於誤差的存在，電機實際上轉動了102.001周，那麼電梯就會停在低於13樓的位置，人得從電梯中爬上來，所以需要測角系統來測量電機真實的轉動角度，並反饋給電機的控制系統，以使控制系統可以精確的控制電機的轉動角度，這就是閉環控制系統。

本專利的一種高精度的測角裝置，其工作過程為：

1、系統開機後，通過電源線給系統上電，測角裝置進行自檢，自檢通過後進入工作狀態；

2、當被測系統產生轉動時，轉動軸隨之轉動並帶動光碼盤轉動，兩個雷射頭同時讀取所對應光軌的數據，此數據輸入到單片機後換算成角度值和轉動方向，並經過數據線輸出到被測系統；

3、當被測系統在晃動的環境下運動產生徑向偏移時，單片機控制電機轉動，微調雷射頭的位置，使雷射頭分別對準測角軌、方向判斷軌；當產生軸向偏移時，雷射頭根據偏移大小調整焦距，使雷射頭能準確讀取準測角軌、方向判斷軌的數據；

根據測角軌和方向判斷軌的直徑差，計算測角軌和方向判斷軌的數據位差值以及該差值佔測角軌總數據位比例，計算測角軌和方向判斷軌的數據位調節係數；根據該調節係數計算測角軌的測得的實際偏差角度；

例如由於測角軌在外圈，比方向判斷軌直徑略大，以0.2秒精度為例，測角軌周長約25.92CM，數據位有648000個，方向判斷軌周長約24.48CM，數據位有612000個，相差36000個，佔測角軌的1/18，那麼需要按「測角軌數據每過18減1」的方法為方向判斷軌提供數據位數量。

4、重複步驟2、3直到被測系統停止工作。

通過採用上述技術方案，本發明具有以下的有益效果：結構簡單，成本低，測量精度高，使用範圍廣泛；尤其是巧妙地設計了測角軌和方向判斷軌，既可以精確測量角度和轉動方向，又可以使用簡單的方法提高解析度，可以在簡單環境下生產高精度測角裝置。

附圖說明

圖1為本專利的高精度的測角裝置外形圖。

圖2為本專利的高精度的測角裝置的內部結構圖。

圖3為本專利的高精度的測角裝置的分解結構圖。

圖4為本專利的高精度的測角裝置的光碼盤的光軌設置圖。

圖5為的一般的DVD媒體盤或者DVD數據盤光軌示意圖。

圖6為本專利的光碼盤的光軌示意圖。

圖中，1-殼體，2-上蓋，3-出線孔，4-主控板，5-單片機，6-軸承，7-轉動軸，8-雷射頭，9-電機，10-螺杆，11-光碼盤，12-測角軌，13-方向判斷軌，14-安裝平臺，15-孔一，16-孔二，17-孔三，18-孔四，19-電源線，20-數據線，21-底座，22-被測系統。

具體實施方式。

下面結合附圖對本發明進一步解釋說明。但本發明的保護範圍不限於具體的實施方式。

本發明的高精度的測角裝置，包括包括安裝平臺14、殼體1、上蓋2、出線孔3、主控板4、單片機5、軸承6、轉動軸7、兩個雷射頭8、電機9、螺杆10、光碼盤11、測角軌12、方向判斷軌13、安裝平臺14、電源線19、數據線20、底座21；

所述殼體1和上蓋2組成一個密封的空間，以保證內部無塵環境；殼體1外緣上設置有出線孔3，內部電源線19和數據線20從出線孔3引出；

所述電源線19為測角裝置提供電源；

所述數據線20一端連接主控板4，另一端連接被測系統22的轉動機構或者轉動測量機構，把測量結果輸出給被測系統22的數據輸入結構；

殼體1底部設置有中心孔一15，主控板4中心設置有孔二16，光碼盤11中心設置有孔三17，上蓋2中心設置有孔四18；

所述安裝平臺14設置在轉動軸7中部，用於安裝光碼盤11；

所述軸承6的外環安裝在孔一15內，轉動軸7底端安裝在軸承6的內環，主控板4固定在殼體1內，轉動軸7穿過孔二16、孔三17，轉動軸7上的安裝平臺14位於主控板4上面，光碼盤11固定安裝在安裝平臺14上，轉動軸7上部穿過孔四18，轉動軸7伸出殼體1上蓋2的部分與被測系統22相連接，使得當被測系統22轉動時，轉動軸7能夠隨之轉動並帶動光碼盤11轉動；

所述光碼盤11材質為DVD盤，光碼盤11上設置有兩條同心圓形的光軌，分別是測角軌12、方向判斷軌13，兩條光軌的間距與兩個雷射頭8的間距一致，分別正對兩個雷射頭8；測角軌12的編碼由「10」循環一周組成；方向判斷軌13的編碼以「01001000100001」為特徵，即在「1」之間依次增加一個「0」，如此循環一周做為方向碼；這樣，可以通過轉動軸7的轉動角度，來計算和表達被測系統22的角度和方向；

所述單片機5、電機9、雷射頭8、電機9、螺杆10、底座21、電源線19、數據線20設置在主控板4上，螺杆10一端與電機9連接，底座21與螺杆10相連接，兩個雷射頭8安裝在底座21上；雷射頭8用來發射雷射和接收光碼盤11的測角軌12和方向判斷軌13的反射雷射；單片機5用以處理雷射頭8讀取和傳輸的數據、數據解算、與被測系統22通訊，並根據數據控制電機9的轉動。

高精度的測角裝置的工作過程為：

1、系統開機後，通過電源線19給系統上電，測角裝置進行自檢，自檢通過後進入工作狀態；

2、當被測系統22產生轉動時，轉動軸7隨之轉動並帶動光碼盤11轉動，兩個雷射頭8同時讀取所對應光軌的數據，此數據輸入到單片機5後換算成角度值和轉動方向，並經過數據線20輸出到被測系統22；

3、當被測系統22在晃動的環境下運動產生徑向偏移時，單片機5控制電機9轉動，微調雷射頭8的位置，使雷射頭8分別對準測角軌12、方向判斷軌13；當產生軸向偏移時，雷射頭8根據偏移大小調整焦距，使雷射頭8能準確讀取準測角軌12、方向判斷軌13的數據；

根據測角軌12和方向判斷軌13的直徑差，計算測角軌12和方向判斷軌13的數據位差值以及該差值佔測角軌12總數據位比例，計算測角軌12和方向判斷軌13的數據位調節係數；根據該調節係數計算測角軌12的測得的實際偏差角度；

例如由於測角軌12在外圈，比方向判斷軌13直徑略大，以0.2秒精度為例，測角軌12周長約25.92CM，數據位有648000個，方向判斷軌13周長約24.48CM，數據位有612000個，相差36000個，佔測角軌12的1/18，那麼需要按「測角軌12數據每過18減1」的方法為方向判斷軌13提供數據位數量。

4、重複步驟2、3直到被測系統22停止工作。