CN103056726B - 双读数头读取具有标识码道的绝对式光栅尺的读数方法 - Google Patents

Abstract

双读数头读取具有标识码道的绝对式光栅尺的读数方法，涉及光学长度测量领域，解决现有超长度光栅尺的测量问题，本发明方法将多根具有标识码道的绝对式钢带尺顺序固定在机床的定位面上，编码采用绝对码、增量码与标识码相结合的方式，采用读数体对多根钢带尺进行切换联合数，来解决超大长度的测量问题，大大降低绝对编码难度；降低钢带尺拼接过程的工艺难度；读数体进行读数可以消除安装过程误差对测量精度的影响，本发明所述的方法提高超大长度绝对式钢带光栅尺整尺的测量范围和精度。

Description

双读数头读取具有标识码道的绝对式光栅尺的读数方法

技术领域

本发明涉及光学长度测量领域，具体涉及一种超大长度双读数头具有标识码道的绝对式钢带光栅尺。

背景技术

绝对式钢带光栅尺的测量长度一般可以达到几十米。但是对于超大长度的尺寸，例如上百米、几百米，利用一般的单根绝对式钢带光栅尺是很难实现的，存在编码困难。采用多根绝对式钢带尺进行拼接的方式可以在一定程度上延长测量范围，但是现有的绝对码、增量码相结合的绝对编码方式也无法满足超大长度的测量需求。同时现有技术在现场进行拼接时对拼接工艺要求高；而且拼接过程中在每个接合处均产生误差，对于超大长度来说误差在长度方向上累积严重，对测量精度影响很大；一般的单读数头数据读取方式，读取的数据中包含累积误差。

发明内容

本发明提供一种双读数头读取具有标识码道的绝对式光栅尺的读数方法，采用绝对码、增量码、标识码相结合的三码道编码方式降低编码难度，解决超大长度的测量问题，大大降低拼接的工艺难度，消除安装过程误差对测量的影响，提高绝对式钢带光栅尺整尺的测量精度。

双读数头读取具有标识码道的绝对式光栅尺的读数方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、多根绝对式钢带光栅尺依次固定在机床的定位面上，相邻的绝对式钢带光栅尺间存在间距，读数体由第一读数头和第二读数头组成，读数体沿钢带光栅尺的测量方向左右移动；

步骤二、在每根钢带光栅尺的两端分别设定位置切换点，第一读数头的测量中心点为a，第二读数头的测量中心点为b，所述第一读数与第二读数头分别在两根相邻钢带光栅尺上的读数差作为切换值，所述切换值具体为：式中，W_m+1为第m+1根钢带光栅尺的标识编码数据，为第二读数头读取的第m+1根钢带光栅尺的绝对编码数据和增量编码数据；W_m为第m根钢带光栅尺的标识编码数据，为第一读数头读取的第m根钢带光栅尺的绝对编码数据和增量编码数据；

步骤三、每根钢带光栅尺上的绝对编码相同，标识码道判断读数体的位置，将读数体沿钢带光栅尺的测量方向由左向右测量，获得多根钢带光栅尺的绝对位置数据，具体测量过程为：

当e≤a<f时，0≤p≤m-1，其中Z₁₀＝X₀；式中，e和f分别为第m根钢带光栅尺两端的位置切换点，X₀为第一读数头与第二读数头在同一根钢带光栅尺上的绝对位置读数差；Z₁₀为读数体的特征值，p为正整数；Z_(p+1)p为第p根和第p+1根钢带光栅尺之间的切换值变量；当f≤a<g时，0≤p≤m， $Y=X_{m+1}^B+W_{m+1}+\underset{p=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}(X_0-Z_{(p+1)p})-X_0,$ 其中Z₁₀＝X₀；当g≤a<h时，0≤p≤m， $Y=X_{m+1}^A+W_{m+1}+\underset{p=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}(X_0-Z_{(p+1)p}),$ 其中Z₁₀＝X₀；为第一读数头读取的第m+1根钢带光栅尺的绝对编码数据和增量编码数据；所述Y为读数体输出的绝对位置数据变量。

本发明的工作原理：本发明所述的读数过程采用的编码方式为绝对码、增量码、标识码相结合的方式，绝对码道将不同宽度和不同间距的栅线以绝对位置数据用编码形式直接制作到光栅尺上用来确定光栅尺的绝对位置，用于拼接的每根钢带光栅尺上的绝对编码相同，编码难度大大降低；增量码道通过信号细分提供高分辨率的位置值，用来确定光栅的精度和分辨力；标识码道用来判断读数头位于哪一条钢带尺上，每一条钢带光栅尺都具有唯一的标识编码，标识编码被赋予唯一的数据值用于计算读数头的绝对位置。在读数头进行绝对位置数据读取时，读取的数据由两部分组成：一部分数据为绝对编码值和增量编码值，另一部分数据为标识编码值。由于每根钢带光栅尺上的绝对编码值均相同，在这种编码方式下每根钢带光栅尺上的绝对编码值不用来确定读数体在整个测量过程中所处的绝对位置，而是用来确定读数头在单根钢带尺上的绝对位置数据。结合在每根钢带光栅尺上设置唯一的标识编码值就可以确定读数体所在的具体的钢带光栅尺，进而确定读数体在整个测量过程中所处的绝对位置。测量时两个读数头同时读数，输出数据时根据情况选择；在采用绝对码、增量码、标识码相结合的编码方式下，读数体在测量过程中的绝对位置数据是由绝对码、标识码、增量码共同确定的。每根钢带光栅尺的长度较短且具有相同的绝对编码值，在其上进行绝对编码时不存在超大长度绝对编码的难度。每根钢带光栅尺上都被赋予唯一的标识编码值，如果有K根钢带尺用于拼接，那么只需要K个标识编码值，进行标识编码的难度非常低。采用这种编码方式可以在编码难度极低的条件下轻易的扩展其测量范围。

本发明的有益效果：本发明应用多根具有标识码的绝对式钢带尺拼接方式，采用双读数头进行数据采集，配合相应的数据处理算法，不仅显著提高了绝对式钢带光栅尺的测量范围，而且大大降低编码难度和钢带尺接长过程中的工艺难度，采用读数体进行读数可以将拼接过程中产生的误差消除。

附图说明

图1为本发明所述的双读数头读取具有标识码道的绝对式光栅尺的读数方法局部结构示意图；

图2为本发明所述的双读数头读取具有标识码道的绝对式光栅尺的读数方法中编码示意图；

图3为本发明所述的双读数头读取具有标识码道的绝对式光栅尺的读数方法中读数体由左向右工作过程示意图；

图4为本发明所述的双读数头读取具有标识码道的绝对式光栅尺的读数方法中读数体由右向左工作过程示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图4说明本实施方式，双读数头读取具有标识码道的绝对式光栅尺的读数方法，具体实现过程为：

一、由第一读数头A和第二读数头B刚性连接在一起组成读数体3，有多条三码道钢带光栅尺4顺序固定在机床1上相应的定位面2上，多条钢带光栅尺4互为延长线，相邻的钢带光栅尺4端头可以不紧密的靠近，甚至可以离开较大的距离。读数体3沿着钢带光栅尺4的测量方向移动。

二、第一读数头A的测量中心点为a，第二读数头B的测量中心点为b，两个测量中心的距离为ab；在k条钢带光栅尺4中，第m条钢带光栅尺4上选择两个切换点e和f，第m+1条钢带光栅尺4上选择两个切换点g和h。Z_(m+1)m为读数头A、B中心线均跨越相邻两尺的切换点时，两读数头A、B的读数差，称为切换值，其中，W_m+1为第m+1根钢带光栅尺4的标识编码数据，为读数头B读取的m+1根钢带光栅尺4的绝对编码和增量编码数据；W_m为第m根钢带光栅尺4的标识编码数据，为读数头A读取的m根钢带光栅尺4的绝对编码和增量编码数据。各相邻的钢带光栅尺4切换值Z_(m+1)m可以相同也可以不相同，其值可在首次工作时得到，并储存在读数体3内；所述切换值Z_(m+1)m的选取原则是当读数体3的两个读数头的测量中心点与其中一个切换点的位置相重合的时候，读数体3能完整的提取钢带光栅尺4的信号、完成该位置的绝对测量，同时还要满足两个测量中心点的距离大于两个读数头的读数差，即：ab>Z_(m+1)m。

三、所述读数体3在第m根钢带光栅尺4和第m+1根钢带光栅尺4上由左向右移动，共有k根钢带尺。其数据处理规则如下：

A、当第一读数头A上的a点，自与第m根钢带光栅尺4的e点重合的位置开始由左向右运动，直至到达f点之前，选取第一读数头A读取的数据，读数体3输出的数据Y的计算方式为：

$Y=X_m^A+W_m+\underset{p=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}(X_0-Z_{(p+1)p}),$ Z_(p+1)p为第p根和第p+1根钢带光栅尺4之间的切换值变量；其中e≤a<f，0≤p≤m-1，Z₁₀＝X₀；

B、当第一读数头A上的a点，到达f点，进行读数体3读数选取切换，选取第二读数头B读取的数据，读数体3继续向右移动，直至到达g点之前，选取第二读数头B读取的数据，读数体3输出的数据Y的计算方式为：

$Y=X_{m+1}^B+W_{m+1}+\underset{p=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}(X_0-Z_{(p+1)p})-X_0,$ 其中f≤a<g，0≤p≤m，Z₁₀＝X₀；

C、当第一读数头A上的a点到达g点，进行读数体3的读数头选取切换，选取第一读数头A读取的数据，读数体3继续向右移动，直到到达h点之前，选取第一读数头A读取的数据，读数体3输出的数据Y的计算方式为：

$Y=X_{m+1}^A+W_{m+1}+\underset{p=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}(X_0-Z_{(p+1)p}),$ 其中g≤a<h，0≤p≤m，Z₁₀＝X₀。

结合图2说明本实施方式，所述钢带光栅尺4的编码布局如图2所示，钢带光栅尺4的编码布局包括绝对码道、增量码道和标识码道。所述读数体3中的每一个读数头都可以独立完成对应钢带光栅尺4的绝对码道、增量码道和标识码道的图形处理，取得绝对码道信号和增量码道信号，实现每一条钢带光栅尺4各自长度上的绝对测量；取得标识码道信号，确定读数体所在的钢带光栅尺4的位置；读数体3处理三个码道读取的信号，即可得到读数体3输出的数据。

在同一条m钢带光栅尺4上两个读数头A和B的绝对位置读数差是一个确定数，这个确定数就是该读数体的一个特征值，该特征值将被存储在读数体3内。为第二读数头B读取的第m根钢带尺上的绝对码道和增量码道数值；

结合图4说明本实施方式，所述读数体3在第m根钢带光栅尺4和第m+1根钢带光栅尺4上由右向左移动，共有k根钢带尺；其数据处理规则如下：

a、当第一读数头A上的a点，自与h点重合的位置开始由右向左运动，直到到达g点之前，选取第一读数头A读取的数据，读数体3输出的数据Y的计算方式为：

$Y=X_{m+1}^A+W_{m+1}+\underset{p=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}(X_0-Z_{(p+1)p}),$ 其中g<a≤h，0≤p≤m，Z₁₀＝X₀；

b、当第一读数头A上的a点，到达g点，进行读数头读数选取切换，选取第二读数头B读取的数据，读数体3继续向左移动，直至到达f点之前，选取第二读数头B读取的数据，读数体3输出的数据Y的计算方式为：

$Y=X_{m+1}^B+W_{m+1}+\underset{p=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}(X_0-Z_{(p+1)p})-X_0,$ 其中f<a≤g，0≤p≤m，Z₁₀＝X₀；

c、当第一读数头A上的a点到达f点，进行读数头选取读数切换，选取第一读数头A读取的数据，读数体3继续向左移动，直至到达e点之前，选取第一读数头A读取的数据，读数体3输出的数据Y的计算方式为：

$Y=X_m^A+W_m+\underset{p=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}(X_0-Z_{(p+1)p}),$ 其中e<a≤f，0≤p≤m-1，Z₁₀＝X₀。

Claims (6)

1.双读数头读取具有标识码道的绝对式光栅尺的读数方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：

步骤一、多根绝对式钢带光栅尺(4)依次固定在机床(1)的定位面(2)上，相邻的绝对式钢带光栅尺间存在间距，读数体由第一读数头(A)和第二读数头(B)组成，读数体(3)沿钢带光栅尺(4)的测量方向左右移动；

步骤二、在每根钢带光栅尺(4)的两端分别设定位置切换点，第一读数头的测量中心点为a，第二读数头的测量中心点为b，所述第一读数与第二读数头分别在两根相邻钢带光栅尺(4)上的读数差作为切换值，所述切换值具体为：式中，W_m+1为第m+1根钢带光栅尺(4)的标识编码数据，为第二读数头(B)读取的第m+1根钢带光栅尺(4)的绝对编码数据和增量编码数据；W_m为第m根钢带光栅尺(4)的标识编码数据，为第一读数头(A)读取的第m根钢带光栅尺(4)的绝对编码数据和增量编码数据；

步骤三、每根钢带光栅尺(4)上的绝对编码相同，标识码道判断读数体的位置，将读数体沿钢带光栅尺(4)的测量方向由左向右测量，获得多根钢带光栅尺(4)的绝对位置数据，具体测量过程为：

当e≤a<f时，0≤p≤m-1，其中Z₁₀＝X₀；式中，e和f分别为第m根钢带光栅尺(4)两端的位置切换点，X₀为第一读数头(A)与第二读数头(B)在同一根钢带光栅尺(4)上的绝对位置读数差；Z₁₀为读数体(3)的特征值，p为正整数；Z_(p+1)p为第p根和第p+1根钢带光栅尺(4)之间的切换值变量；当f≤a<g时，0≤p≤m，其中Z₁₀＝X₀；当g≤a<h时，0≤p≤m， $Y=X_{m+1}^A+W_{m+1}+\underset{p=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}(X_0-Z_{(p+1)p}),$ 其中Z₁₀＝X₀；为第一读数头(A)读取的第m+1根钢带光栅尺(4)的绝对编码数据和增量编码数据；所述Y为读数体(3)输出的绝对位置数据变量。

2.根据权利要求1所述的双读数头读取具有标识码道的绝对式光栅尺的读数方法，其特征在于，将读数体(3)沿钢带光栅尺(4)的测量方向由右向左测量，获得多根钢带光栅尺(4)的绝对位置数据，具体测量过程为：

当g<a≤h时，0≤p≤m， $Y=X_{m+1}^A+W_{m+1}+\underset{p=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}(X_0-Z_{(p+1)p}),$ 其中Z₁₀＝X₀；

当f<a≤g时，0≤p≤m， $Y=X_{m+1}^B+W_{m+1}+\underset{p=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}(X_0-Z_{(p+1)p})-X_0,$ 其中Z₁₀＝X₀；

当e<a≤f时，0≤p≤m-1， $Y=X_m^A+W_m+\underset{p=0}{\overset{m-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}(X_0-Z_{(p+1)p}),$ 其中Z₁₀＝X₀。

3.根据权利要求1所述的双读数头读取具有标识码道的绝对式光栅尺的读数方法，其特征在于，所述读数体(3)的读数探测器的探测面与机床(1)的定位面(2)平行。

4.根据权利要求1所述的双读数头读取具有标识码道的绝对式光栅尺的读数方法，其特征在于，步骤一所述的第一读数头(A)和第二读数头(B)刚性连接。

5.根据权利要求1所述的双读数头读取具有标识码道的绝对式光栅尺的读数方法，其特征在于，每相邻的绝对式钢带光栅尺(4)在拼接安装的过程中，相邻的绝对式钢带光栅尺(4)的间距不要求严格一致。

6.根据权利要求1所述的双读数头读取具有标识码道的绝对式光栅尺的读数方法，其特征在于，每根钢带光栅尺(4)具有唯一的标识编码。