[00037978]一種具有真實刻度的精密位移測量裝置

　　項目簡介

　　項目名稱：一種具有真實刻度的新型精密位移測量裝置

　　專利號：201120418204.9 專利查詢：　　技術背景：

　　高端裝備制造業被十二五計劃列為重點發展的產業，高端裝備制造業是工業轉型的重要組成部分。高端裝備制造也是一個國家工業的基礎產業，是工業現代化的標志產業。

　　高端裝備制造業的核心設備是精密機床，精密機床的核心部件是精密位移測量裝置。目前機床使用的精密測量裝置是光柵尺。由于光柵尺是增量編碼方式，因此沒有真實的標尺刻度。精密機床的每個行程都要“三步一回頭”，為的是找回丟失的刻度，這是精密機床的硬傷，為此行業技術人員傷透了腦筋。直到今天精密機床還是帶著滿身的“創可貼”工作，這是現代工業的缺陷和遺憾。

　　80年代光柵數顯表的出現使機床設備制造行業跨入了一個新的時代。但是，光柵測量裝置由于采用增量編碼方式進行編碼，使得光柵數顯尺沒有真實的刻度，而且也沒有真實的“零”參考點；光柵尺上的刻度是虛擬出來的，并且還要經?！盎亓恪辈僮?；增量編碼對誤差的累積效應也直接影響光柵測量的精度和可靠性；增量編碼的抗干擾能力極差。為此，每個裝有光柵尺的機床設備都要附加一套回零裝置，為了防止干擾和停電還有有一套備用電源和一套抗干擾裝置。這些裝置會大幅提高設備的成本和復雜性，降低設備的可靠性。這些問題困擾了設備幾十年。增量編碼不能實現數據庫管理，對物聯網的應用也受到限制，這種現狀妨礙了精密機床的進一步升級和行業的發展。這種狀況在全世界都存在。

　　圖像傳感器在測量領域中的應用，使位移測量有了新的技術手段和方法。圖像識別技術使測量尺可以得到真實的刻度，使真實刻度成為現實。

　　本裝置是基于圖像的測量和識別技術，利用圖像傳感器對位于主尺上的圖形刻度進行識別，做出了具有真實刻度的精密位移測量裝置。

　　本裝置由于不存在增量編碼，因此沒有增量編碼引出的一系列可靠性問題。真正的零點不必再進行回零操作，實時的刻度讀取，適應數據庫和物聯網時代對機床設備的升級要求。其可靠性是光柵尺無法比擬的，是真正的電子尺。本裝置的出現讓精密機床的每個行程自由控制，“永不回頭”。本裝置使機床的整體性能得到跨越式提升，給機床設計和應用帶來了一場革命。新型的機床的誕生將是工業發展的里程碑。

　　本裝置屬國際首創，是中國人自己的知識產權。本項目可以在全球范圍形成一個新的經濟增長點，給衰退中的世界經濟帶來一線曙光。對國家經濟發展具有戰略意義。本裝置的出現讓國人在這個領域走在了世界的前列，是一件讓中國人值得驕傲的事。希望有共識的民族企業家和民族資本在這個領域有所建樹，讓中國的高端裝備制造業在世界上處于領先的低位，提高國產設備在國際市場上的競爭力，讓這一技術所帶來的巨大的經濟利益成為中國人改善生活的福祉。為中國富強、復興做一份貢獻。

　　市場前景：

　　精密機床設備制造行業由光柵尺一支獨大的局面將成為過去，本裝置的出現將徹底淘汰光柵尺，結束光柵尺在精密機床上存在的歷史。2010年全世界的光柵尺的銷售額是270億美元，國內的銷售額也有150億人民幣。本裝置會逐漸淘汰光柵尺，未來的市場將屬于新技術。本裝置的市場價值不僅在新的精密機床上使用新的電子尺，還要改造升級20年來銷售沉淀下來的總的機床規模。更新電子尺也只是設備升級的一部分，更重要的是由于具有真實刻度的電子尺的出現，使精密機床的控制系統的性能得到進一步的提升，如果在全世界范圍內對現有機床實現技術改造升級，將使這一規模總產值超過萬億美金，本裝置的使用將使全球的高端裝備制造業迎來一個嶄新的時代。

　　2012年5月

　　附件：背景資料

　　l光柵位移測量及光柵尺：光柵是指在玻璃上刻有柵形條紋，柵形條紋的間距相等且條紋的形狀相同，是一根根直線在長度方向上的排列。通常光柵條紋的間距在10微米左右。通過莫爾條紋對光柵條紋進行放大，再由光電傳感器接收每個莫爾條紋產生的波動信號，將波動信號輸出。以上部分被稱作光柵傳感器。再通過對波動信號的采樣細分累加計算，得到位置的改變量。在輔助回零裝置的配合下，經過計算處理得到與人的習慣相吻合的刻度輸出顯示，這就是光柵尺。光柵尺上的刻度不是從光柵上讀出來的，因為光柵的刻線是沒有區別的，因此，光柵上的條紋不代表刻度。光柵信號只有加1和減1，沒有數值?？潭人硎镜臄抵凳菗Q算出來的，因此，光柵尺上的刻度是一個虛擬數值。目前，現有的測量尺，包括光柵、容柵、磁柵、球柵等全部以增量編碼方式得到的測量尺都沒有真實的刻度。

　　l絕對編碼技術：絕對編碼是在測量裝置上做出與距離相對應的可以區別其他位置的圖形。即編碼圖形直接做在測量裝置上，在任意位置上只要讀出編碼數值就是其所在位置。這只是理論上的夢想，在本裝置出現之前全世界還沒有一個實用的方案。值得一提的是以上所提到的技術不論是絕對編碼還是增量編碼都是數字技術，數字技術的可靠性和精度是模擬技術做不到的。雖然電阻法測量可以表示真實的刻度，但是電阻測量是模擬技術。其誤差和可靠性都不理想，不能用于精密測量。

　　l增量編碼：增量編碼就是對相同的信號進行累加。信號中只有0和1，沒有數值，信息量極為有限。由于信號是01010101這樣無限排列下去，看不出那個1代表什么位置。只有將出現的1加起來，進行加1或減1操作，才可以得到有意義的數值。這種用加1或減1，經過累計得到的數值編碼就叫增量編碼。增量編碼需要對加減的方向進行識別，這個動作叫換向。由于信號長得模樣都一樣，識別前進還是后退有一定的難度。因此系統會存在換向誤差。累計時間越久誤差越大。

　　增量編碼的結果是一個數值，包含其運行的歷史過程，如果數據丟失，后面的數值都沒有意義。因此對數據的保管也是一個頭疼的問題。首先保管數據是靠硬件完成，存在數據傳輸的可靠性問題；硬件數據怕掉電，電源的波動都會造成測量故障；數據存放在電子器件中，電子器件最怕電磁干擾。因此，增量編碼的測量尺需要一套可靠的不間斷在線電源。造價也十分昂貴。電磁屏蔽結構和材料也給設備增加了不少的負擔，即使這樣還是存在著數據丟失的情況。解決數據誤差、丟失和可靠性的唯一途徑是重新回到零點，重新計數。設備運行了一段時間后就要回到零點，刷新清除數據。于是就有了設備的行程部分“三步一回頭”的現象。

　　l回零操作：增量編碼的信號都長得一樣，什么位置是零點呢？一個測量尺要有刻度就要有“零點”，解決這個問題就需要一個零點識別裝置，人為確定一個開始位置。這個裝置就是回零裝置，回零裝置一般采用模擬的位置傳感器，精度要求極高，一般也很昂貴。當測量尺移動到這個位置時，增量編碼的數值就要清零，從新計數。增量編碼累計的誤差可以就此消除。

　　l機床設備的精度：機床設備的精度與測量裝置的精度密不可分，通常測量裝置的精度優于一個微米。由于增量編碼不是在光柵尺內完成的，因此光柵尺的精度不能代表設備的精度，設備行程的測量精度也不能用光柵尺的精度表示。一臺設備的精度需要考慮很多誤差，機械誤差是不可避免的，但機械誤差是可知的，通過計算可以將機械誤差的影響減少到可以容忍的程度。但是增量編碼的累計誤差往往是不可知的，所以現在設備的使用往往要小心謹慎。有經驗的技術人員在加工工藝上盡量采用相對位移計算法操作設備，目的是回避絕對位移帶來的累計誤差數據。在加工中往往根本不考慮測量尺的刻度，因為虛擬刻度不可靠。這樣一來，對設備的操作技能要求很高，限制了設備功能的發揮。

　　l數據庫：一臺設備要加工多種零件，如果批量生產，只要反復的操作就可以解決問題。但是現代工業變化很快，一臺設備在一天里往往要加工多個不同的零件。如果一臺設備有一個數據庫，將所有加工過的數據都儲存在里面，這些零件的加工如果事先有數據提供，在更換零件時，可以不用從新對刀。節省大量的時間，可以把零活看成是批量生產來對待。當然，在具有真實刻度的電子尺出現之前這不過是美好的夢想。因為，一個零件的加工數據是從一個被叫做“零”的參考點開始的，往往就是一個零件的圖紙尺寸的起始點。圖紙上的尺寸是不包含“回零”的操作動作的，設備的工藝動作和圖紙尺寸是不一樣的。這只是問題的一方面，更重要的是，現在的設備的零點只有一個，而且是硬件零點，其他任何位置設置的起點都不可重復。零件加工的零點和設備的零點是對不上的，因此，零件的數據就無法在數據庫中儲存。

　　本裝置是一個具有真實刻度的電子尺，可以在任何位置設置零點，任何位置的零點都是可以隨意重復的。而且零點的設置是通過軟件隨意設置，任何加工過的零件都可以隨意的重復加工。就像拷貝和粘貼一樣簡單。這樣的零件加工數據可靠真實，因此，可以放心的存放到數據庫中，供下次使用，可以使用無數次。而且保存多久都不成問題。不僅如此，一臺設備的數據可以被另一臺設備復制。這樣一來，一個零件可以在企業的數據庫中永久保留。對軍工和航天這樣的可靠工程有實際的意義。

　　改革開放以來，我們國家引進了不少制造技術，在引進一個項目的時候，往往把零件的加工設備照原樣買進，即使我們有更好的加工設備也不行，因為零件的加工工藝軟件是在特定設備上編制的，其它設備不能通用，這是現在制造業的悲哀，本裝置的出現將結束這段歷史。

　　l物聯網應用：物聯網時代到來了，如果設備的每一個動作都被遠程實時掌握。對規模生產，訂單生產將是一件不可思議的美事。對跨國跨省的企業來說設備就像在身邊一樣。不僅節省人力，減少人為麻煩，而且，企業管理更加透明容易。生產進度的把握更加精準，設備的調配更加有序，設備的利用率更高，降低成本提高生產效率。目前這些也只是幻想。首先，物聯網的應用基礎，是網絡數據庫，網絡數據庫可以實現資源和信息的共享。由于現代設備加工零件時，工藝很難統一，不同的人采用不同的工藝流程，因此，零件的加工數據是不能共享的。另外，網絡數據的傳輸需要準確的高精度的數據，現代設備回零前和回零后，數據是不一樣的，因此極大的限制了物聯網的應用。物聯網在傳輸數據時也會受到干擾，現代設備不能提供數據的及時和準確的更新。本裝置的出現可以實現數據的實時更新，本裝置的數據刷新速度是每秒鐘一萬次，無論遇到何種情況，本裝置反應的都是設備行程的精確位置。對物聯網的應用沒有任何限制。

　　l對光柵尺問題的梳理：不論是設備的制造者，還是設備的使用者。作為技術人員心里都會有些不踏實，這種情況來源于對設備的擔心，表現在以下幾個方面：

　　1.光柵尺如果遇上停電，即使是瞬間的失電，也會造成數據丟失。為了解決光柵尺怕掉電的問題，人為的給設備加裝一套在線不間斷電源。成了光柵尺離不開的配套裝置。本發明不存在這個問題，因為測量數據可以實時產生，不存在數據丟失的問題。

　　2.光柵尺本身沒有真實的刻度，在使用中會很不方便。為了使光柵尺看上去有刻度，方便人們的讀尺習慣。在設備上需要加裝一套回零裝置，人為的設置一個硬件的零參考點，設備的調試和使用都離不開回零操作。這也成了光柵尺離不開的配套裝置。值得一提的是，光柵尺的刻度是在回零裝置的輔助下，虛擬出來的，不是真實的刻度。如果沒有回零裝置，光柵尺連虛擬刻度也沒有。本發明是具有真實刻度的精密位移測量裝置，不需要回零裝置，設備的使用調試都十分方便可靠。

　　3.增量編碼是光柵尺的核心技術，也是制約光柵尺使用的核心問題。增量編碼的數據是在過去的數據上加減得到的，老數據必須保留。在保存數據的同時，數據中包含的誤差也同樣被保存起來，隨著時間的推移，數據中誤差會累計起來，造成數據的不可靠。如果不及時的回零重新計數，誤差就會顯現出來。光柵尺的刻度就會失真，刻度就失去了存在意義。本發明的刻度是真實存在的，不必擔心會失去刻度。

　　4.換向誤差增量編碼的累計誤差來源之一：對相同的信號判斷向前還是向后是一件頭疼的事。雖然已經在大多數情況下可以準確的判斷運動的方向，但是依然存在判斷死角。雖然幾率很小，但是隨著時間的推移，再小的誤差累計下來就不小了。目前采取的措施是盡量避免換向操作，增加對刀的次數。本發明是真實刻度的實時讀取，不用判斷運行方向，沒有方向判斷的問題。機床操作得心應手。

　　5.電磁干擾是累計誤差的來源之一：現代的精密機床顯得很嬌貴。不是因為機械零件的精密，而是電子裝置的抗干擾能力差。光柵尺的工作原理是采用增量編碼，數據不是實時采集的，是累計后實時計算的。累計的數據需要保存，是新數據的基礎，是一個過程數據。過程數據如果長期暴露在電子器件中，自然，就容易受到電磁干擾。目前采取的措施是，在可能受到電磁干擾的地方增加電磁屏蔽。本發明的數據是在裝置內實時采集的，不用存儲，直接讀取，錯誤數據不會被保留。本裝置是一個數據源，輸出的是數據流。因此本裝置不怕電磁干擾或者說抗干擾的能力強。

　　6.光柵尺對機床的操作系統的要求很高，因為軟件的漏洞，數據傳輸、存儲、計算的差錯都可能對增量編碼的數據產生影響。使增量編碼的數據的精度和可靠性受到破壞，影響設備的正常使用。目前采取的對策是不斷的升級操作系統軟件。本發明不存在增量編碼數據，測量位置的數據在本裝置內部產生，可以實時讀取，不怕丟失和損壞，軟件不會影響到數據的精度。

　　7.機床所用的電瓶都有一定的壽命，誰也不知道電瓶會在何時壽終正寢，如果趕上加工重要零件，事故是不可避免的，當設備有段時間閑置不用或者趕上一段時間停電，電瓶就會因為自放電而報廢，設備也因此而癱瘓。這種情況影響了設備的可靠性，目前采用的對策是經常更換電瓶，并且選用最好的電瓶。本發明不需要備用電源，因此不怕停電。長期閑置也不受影響。

　　8.前面提到回零裝置是一種高精度的模擬位置傳感器，凡是模擬傳感器都會產生溫飄和時漂，隨著時間的延續，傳感器的材料都會老化，數值會隨著變化，這就是時漂。隨著溫度的變化數值也會有變化，這就是溫飄。有些設備到俄羅斯就出問題，在濕熱的環境下，也不好使。就是因為光柵尺測量系統實際上不完全是數字系統，模擬傳感器影響了整個設備的精度和可靠性。采用的對策是經常校對傳感器，補償誤差。本發明不需要輔助回零，本發明完全由數字系統組成，精度和可靠性是模擬器件達不到的，其適用范圍覆蓋全世界。

　　9.光柵尺不是一個純數字系統，不只是因為采用了模擬傳感器做輔助，還在于光柵傳感器本身的輸出信號就是模擬信號。模擬正玄波在導線中傳輸，最容易出現信號的變形。光柵尺是一個包括光柵傳感器的系統，光柵傳感器的柵格間距通常在10微米左右，這個精度是不能滿足測量要求的。在后面的電路中要對這個模擬信號進行采樣、細分，得到更精細的位移數值。后面的采樣和計算都是以模擬信號的波形為依據的，如果波形產生失真畸變，得到細分數值就不真實，存在誤差。如果遇上雷電，火花放電，以及電磁波干擾，模擬信號的形狀就很難保證不受干擾。任何一點點的畸變都會使后面的數據產生誤差，這個誤差會被存儲積累，影響設備的可靠性。本發明不存在上述問題，因此會增加設備的精度和可靠性。

　　l結論：現代精密機床，不論有多高級，價格多昂貴，都要遵循光柵尺的運行模式。這種模式告訴人們，光柵尺是一系列附件組合的集合體。對設計者而言，為了減小光柵尺的誤差，需要增加更多的附件。哪怕是改善了一點，設備的價值也會大幅提升。光柵尺模式是靠大量的修補來完善設備的功能。安裝調試的復雜程度就不用說了。從設備使用者角度看，技術人員的經驗是設備良好運行的關鍵。光柵尺模式的完美運行是靠技術人員的經驗和智慧來實現的。機床的運行有兩套坐標系統，一套是以測量尺的刻度為基礎的絕對坐標系，另一套是以對刀為基準的相對坐標。光柵尺模式的實踐基礎是這兩套坐標系都不可靠，要想發揮設備的性能就要不斷的刷新這兩個坐標系。而且盡量使用相對坐標系，從新對刀是保證設備性能的關鍵技術。因此會出現不同的人有不同的加工方案和工藝編程，經驗多的人的方案總要可靠一些。這種靠經驗維系的加工模式，很難適應工業發展的要求，也限制了機床的性能發揮。本發明使機床的兩個坐標系都變得十分可靠，不論是設備的制造者還是設備的使用者都可以放心的隨意發揮，甩掉所有的附件，放開手腳，讓設備的功能展翅騰飛。新的運行模式就叫“真實刻度模式”吧。