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专利名称：微机细分和误差补偿式光栅数显仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及特定类型的计量设备，特别是一种采用微机细分和误差补偿的光栅数显仪。
为了提高光栅测量装置的测量精度，要求数显仪具有高的分辨率和高的细分精度，具有强的补偿误差的功能。光栅信号电子细分法，常用的有直接细分法、电阻移相桥细分法、电平切割细分法及矢量运算细分法等。直接细分法细分数为4～8细分，其余几种方法细分数一般不超过100细分。
我国北京量具刃具厂生产的CDY-1型传动链测试仪，采用电平切割细分法，细分数为80，细分精度高，但细分电路很复杂，它由三角波形成电路、参考电压形成电路和电平切割电路等组成，使用了40多个运算放大器和大量精密电阻和门电路。
德国Leitz比长仪，采用电阻移相桥细分法，细分数为50;德国OPTON公司GPGOS传动比测量仪，采用电平切割细分法，细分数为80;我国中科院北京自动化研究所生产的GS-9000数显仪，细分数为100。以上几种方法虽可获得较大的细分数，但细分数大时，电路结构将显得非常复杂，调整困难。同时国内外数显仪均无强的补偿功能，特别是不能补偿阿贝误差。往往会造成光栅测量装置本身虽具有高的测量精度，而在使用时受阿贝误差影响，实际控制的被测工件的尺寸精度却较低。
本发明的目的是它提供一种微机细分原理和误差补偿方法，使光栅数显仪具有高分辨率、高细分精度和强的误差补偿能力，特别是能补偿阿贝误差，克服现有技术不足。
本发明的技术方案是它包括光栅测量头、细分、控制电路。具体的说由以下几个部份组成。
微机控制电路，包括微型计算机4(以下简称微机)，只读存储器5，控制软件存放在只读存储器5中，软件运行所需的读写存储单元(RAM)由微机4内部的RAM来完成，微机4通过只读存储器5中的管理软件控制W/8周期内细分电路(W-为光栅栅距)，八细分脉冲计数电路，数字显示屏10，键盘11及进行数据处理。
W/8周期内细分电路，包括绝对值电路1，模拟开关2，比较器6，模数转换芯片(A/D)3。由光栅测量头12测得的相位差为90°的正、余弦信号13经前置处理后，送入绝对值电路1，得到两路正、余弦的绝对值信号16、20，信号16、20一方面经比较器6后，输出信号17到模拟开关2，信号16、20另一方面直接送模拟开关2，使模拟开关2的输出信号18始终为信号16、20中的小值，信号19始终为信号16、20中的大值，并将信号18送入模数转换芯片3的模拟输入端口，信号20始终送模数转换芯片3的参考信号输入端口，形成用一块模数转换芯片3完成对正切或余切的采样，并转换成数字量，由线21通过线24接微机4进行数据处理。
数显及键盘控制电路，包括可编程键盘显示控制器9，与其连接的数显屏10、键盘11，数显屏10和键盘11均通过可编程键盘显示控制器9管理，并通过控制器9由线22经线24送给微机4处理，同时控制器9经线24通过线22由微机4管理。
下面对本发明作详细描述

图1、光栅数显仪工作原理的电路结构图;
图2、细分原理图。
(一)光栅数显仪细分原理及计数原理(如图1、图2所示)
(1)W/8周期内的细分原理光栅测量头12中的光栅尺移动时，即输送出两路正、余弦信号，经数显仪中的前置处理后，得到两路等幅、无直流电平的正交信号A、B，经绝对值电路1后，转变为｜A｜、｜B｜信号，｜A｜信号接模拟开关2(如CD4053B)的ay、bx和比较器6(如LM339)的正极，｜B｜信号接模拟开关2的ax、by和比较器6的负极，得到a＝Min(｜A｜，｜B｜)＝Min(｜usinθ｜、｜ucosθ｜)b＝Max(｜A｜，｜B｜)＝Max(｜usinθ｜、｜ucosθ｜)u-常数模拟开关2使a接模数转换芯片的模拟量输入端IN口，b接模数转换芯片3的参考信号电压输入端VREF(+)口，这样，对｜A｜、｜B｜信号采样值为Data＝K· (a)/(b) ＝K｜tgθ｜ (或K｜ctgθ｜)式中K-常数θ-光栅栅距W对应的电角度以上处理实质上是对正切(或余切)函数在45°电角度范围内的采样，亦即在W/8范围内的采样，(此时栅距W已被八等分)。采样得到的数字量，根据需要用Ktgθ(或Kctgθ)-θ列表法查找θ，经微机4处理，转换成n等分的相应位移量，即在W/8周期内的位移量t1(本仪器实施例采用n＝25等分)。由上可知，光栅栅距W被细分为8n＝8×25＝200等分。
(2)八细分脉冲计数电路原理它包括由八细分电路7a和方向辨别器7b组成的电路7，可逆计数器8。光栅测量头12测得的相位差为90°的正、余弦信号13为A、B，分别送入八细分电路7a经方向辨别器7b，输出两路具有方向性的脉冲信号14为PP、PN，到可逆计数器8后，可逆计数器8计数计满溢出或不够借位时，由线15送微机4的中断输入口，同时计数器8中寄存的数，也可通过线15由微机4读出，完成快速计数。
计数电路原理是A、B信号经八细分电路7a可得到在一个栅距内的8个彼此相隔45°电角度的脉冲波，而后经方向辨别器7a，获得两路正向和反向移动时的脉冲波PP和PN，分别送入可逆计数器8，计数器8容量为28＝256，当输入计数器的脉冲数超过计数器容量时，计数器进位位Carry将溢出，输出一个脉冲(或计数器不够减时，借位位borrow将借位，输出一个脉冲)，送入微机4的中断输入口，得到T0(或T1)，计数器中余留的脉冲数设为T2，微机在读取T0、T1和T2时，可得到该位置的光栅位移“大数”值S1S1＝〔(T0-T1)×256+T2〕×W/8。
光栅尺的总位移量为SS＝s1+t1-t0＝〔(T0-T1)×256+T2〕×W/8+t1-t0式中T0-计数器进位位(即正向移动时)的溢出脉冲数;
T1-计数器借位位(即反射移动时)的溢出脉冲数;
T2-计数器中余留的脉冲数;
W-光栅栅距;
t1-W/8范围内的位移量(以W/200为单位);
t0-W/8范围内初始计数位置的位移量(以 (W)/200 为单位)。
(二)误差补偿原理微机4上接具有断电保护的读写存储器RAM23，阿贝误差、累积误差等系统误差补偿参数存储在存储器23中，具体补偿参数可由键盘11通过微机4存入存储器23中。
(1)累积误差和周期误差的补偿利用双频激光干涉仪等高精度测量仪器测定“位置-误差”关系，测量头12输出的绝对零位信号ABS，直接送微机4的中断输入口INTO，作为误差补偿时的原始绝对零点，“位置-累积误差”存入微机4的存贮器中，周期误差通过改变软件来实现补偿。经实测，小周期误差补偿后约可使误差降低40%左右。
(2)机床加工中阿贝误差的补偿光栅部件装在机床上后，进行“在机”实测，获得“位置-阿贝误差”补偿参数，经处理后存入微机。使用时，操作者只需置入测量光栅与加工部位的距离，则数显仪能自动进行运算，补偿阿贝误差。
“位置-阿贝误差”补偿参数的测定，可采用两条光栅尺，一条作为测量件，另一条作为“模拟工件”，两者读数，经计算即可得到。
本发明与现有技术相比其优点是(1)采用W/8周期细分及八细分脉冲计数电路原理，细分数可达200或者更大，而且细精度高;
(2)具有快速计数电路，最高测量速度可达15米/分;
(3)具有强的误差补偿功能，除能补偿光栅传感器的误差外，还能补偿机床加工工件时，由于不符合阿贝测量原则而产生的误差，即能准确显示出工件实际加工孔距尺寸;
(4)电路结构较简单，造价较低。
本发明可用于位移量的精密测量和机床加工时，检测、控制位移精度。
权利要求
1.一种微机细分和误差补偿式光栅数显仪，它包括光栅测量头、细分、控制电路，本发明的特征是a.微机控制电路，包括微型计算机[4]、存放控制软件的只读存储器[5]，微型计算机[4]通过只读存储器[5]中的软件控制1/8周期内细分电路、数字显示屏[10]、键盘[11]及进行数据处理；b.W/8周期内细分电路，包括绝对值电路[1]、模拟开关[2]，比较器[6]，模数转换芯片[3]，光栅测量头[12]测得的相位差为90°的正、余弦信号[13]经前置处理后，送入绝对值电路[1]，得到两路正、余弦的绝对值信号[16]、[20]，信号[16]、[20]一方面经比较器[6]后，输出信号[17]到模拟开关[2]、信号[16]、[20]另一方面直接送模拟开关[2]，模拟开关[2]的输出信号[18]、[19]分别送入模数转换芯片[3]，转换成数字量，由线[21]通过线[24]接微型计算机[4]，并由微型计算机[4]进行数据处理；c.数显及键盘控制电路，包括可编程键盘显示控制器[9]，与其连接的数显屏[10]、键盘[11]。
2.根据权利要求1所述的光栅数显仪，其特征是有八细分脉冲计数电路，包括由八细分电路〔7a〕和方向辨别器〔7b〕组成的电路〔7〕，可逆计数器〔8〕，光栅测量头〔12〕测得的相位差为90°的正、余弦信号〔13〕为A、B分别送入八细分电路〔7a〕经方向辨别器〔7b〕，输出两路具有方向性的八细分脉冲信号〔14〕为PP、PN到可逆计数器〔8〕后，由线〔15〕通过线〔24〕输入微型计算机〔4〕。
3.根据权利要求1或2所述的光栅数显仪，其特征是微型计算机〔4〕上接具有断电保护的读写存储器〔23〕。
全文摘要
一种微机细分和误差补偿式光栅数显仪，由光栅测量头、微机控制电路、W/8周期内细分电路、八细分脉冲计数电路、数显及键盘控制电路和具有断电保护的读写存储器等组成。利用微机细分原理和误差补偿方法，使光栅数显仪具有高分辨率、高细分精度和强的误差补偿能力，不但能补偿累积误差，还能补偿阿贝误差并具有快速计数电路，最高测量速度可达15米/分，电路结构简单，造价较低。可用于位移量的精密测量和机床加工时，检测、控制位移精度。
文档编号G01B11/02GK1064933SQ9210179
公开日1992年9月30日 申请日期1992年3月12日 优先权日1992年3月12日
发明者周千怐, 王炳源, 张季平 申请人:杭州电子工业学院