[00037978]一种具有真实刻度的精密位移测量装置

　　项目简介

　　项目名称：一种具有真实刻度的新型精密位移测量装置

　　专利号：201120418204.9 专利查询：　　技术背景：

　　高端装备制造业被十二五计划列为重点发展的产业，高端装备制造业是工业转型的重要组成部分。高端装备制造也是一个国家工业的基础产业，是工业现代化的标志产业。

　　高端装备制造业的核心设备是精密机床，精密机床的核心部件是精密位移测量装置。目前机床使用的精密测量装置是光栅尺。由于光栅尺是增量编码方式，因此没有真实的标尺刻度。精密机床的每个行程都要“三步一回头”，为的是找回丢失的刻度，这是精密机床的硬伤，为此行业技术人员伤透了脑筋。直到今天精密机床还是带着满身的“创可贴”工作，这是现代工业的缺陷和遗憾。

　　80年代光栅数显表的出现使机床设备制造行业跨入了一个新的时代。但是，光栅测量装置由于采用增量编码方式进行编码，使得光栅数显尺没有真实的刻度，而且也没有真实的“零”参考点；光栅尺上的刻度是虚拟出来的，并且还要经常“回零”操作；增量编码对误差的累积效应也直接影响光栅测量的精度和可靠性；增量编码的抗干扰能力极差。为此，每个装有光栅尺的机床设备都要附加一套回零装置，为了防止干扰和停电还有有一套备用电源和一套抗干扰装置。这些装置会大幅提高设备的成本和复杂性，降低设备的可靠性。这些问题困扰了设备几十年。增量编码不能实现数据库管理，对物联网的应用也受到限制，这种现状妨碍了精密机床的进一步升级和行业的发展。这种状况在全世界都存在。

　　图像传感器在测量领域中的应用，使位移测量有了新的技术手段和方法。图像识别技术使测量尺可以得到真实的刻度，使真实刻度成为现实。

　　本装置是基于图像的测量和识别技术，利用图像传感器对位于主尺上的图形刻度进行识别，做出了具有真实刻度的精密位移测量装置。

　　本装置由于不存在增量编码，因此没有增量编码引出的一系列可靠性问题。真正的零点不必再进行回零操作，实时的刻度读取，适应数据库和物联网时代对机床设备的升级要求。其可靠性是光栅尺无法比拟的，是真正的电子尺。本装置的出现让精密机床的每个行程自由控制，“永不回头”。本装置使机床的整体性能得到跨越式提升，给机床设计和应用带来了一场革命。新型的机床的诞生将是工业发展的里程碑。

　　本装置属国际首创，是中国人自己的知识产权。本项目可以在全球范围形成一个新的经济增长点，给衰退中的世界经济带来一线曙光。对国家经济发展具有战略意义。本装置的出现让国人在这个领域走在了世界的前列，是一件让中国人值得骄傲的事。希望有共识的民族企业家和民族资本在这个领域有所建树，让中国的高端装备制造业在世界上处于领先的低位，提高国产设备在国际市场上的竞争力，让这一技术所带来的巨大的经济利益成为中国人改善生活的福祉。为中国富强、复兴做一份贡献。

　　市场前景：

　　精密机床设备制造行业由光栅尺一支独大的局面将成为过去，本装置的出现将彻底淘汰光栅尺，结束光栅尺在精密机床上存在的历史。2010年全世界的光栅尺的销售额是270亿美元，国内的销售额也有150亿人民币。本装置会逐渐淘汰光栅尺，未来的市场将属于新技术。本装置的市场价值不仅在新的精密机床上使用新的电子尺，还要改造升级20年来销售沉淀下来的总的机床规模。更新电子尺也只是设备升级的一部分，更重要的是由于具有真实刻度的电子尺的出现，使精密机床的控制系统的性能得到进一步的提升，如果在全世界范围内对现有机床实现技术改造升级，将使这一规模总产值超过万亿美金，本装置的使用将使全球的高端装备制造业迎来一个崭新的时代。

　　2012年5月

　　附件：背景资料

　　l光栅位移测量及光栅尺：光栅是指在玻璃上刻有栅形条纹，栅形条纹的间距相等且条纹的形状相同，是一根根直线在长度方向上的排列。通常光栅条纹的间距在10微米左右。通过莫尔条纹对光栅条纹进行放大，再由光电传感器接收每个莫尔条纹产生的波动信号，将波动信号输出。以上部分被称作光栅传感器。再通过对波动信号的采样细分累加计算，得到位置的改变量。在辅助回零装置的配合下，经过计算处理得到与人的习惯相吻合的刻度输出显示，这就是光栅尺。光栅尺上的刻度不是从光栅上读出来的，因为光栅的刻线是没有区别的，因此，光栅上的条纹不代表刻度。光栅信号只有加1和减1，没有数值。刻度所表示的数值是换算出来的，因此，光栅尺上的刻度是一个虚拟数值。目前，现有的测量尺，包括光栅、容栅、磁栅、球栅等全部以增量编码方式得到的测量尺都没有真实的刻度。

　　l绝对编码技术：绝对编码是在测量装置上做出与距离相对应的可以区别其他位置的图形。即编码图形直接做在测量装置上，在任意位置上只要读出编码数值就是其所在位置。这只是理论上的梦想，在本装置出现之前全世界还没有一个实用的方案。值得一提的是以上所提到的技术不论是绝对编码还是增量编码都是数字技术，数字技术的可靠性和精度是模拟技术做不到的。虽然电阻法测量可以表示真实的刻度，但是电阻测量是模拟技术。其误差和可靠性都不理想，不能用于精密测量。

　　l增量编码：增量编码就是对相同的信号进行累加。信号中只有0和1，没有数值，信息量极为有限。由于信号是01010101这样无限排列下去，看不出那个1代表什么位置。只有将出现的1加起来，进行加1或减1操作，才可以得到有意义的数值。这种用加1或减1，经过累计得到的数值编码就叫增量编码。增量编码需要对加减的方向进行识别，这个动作叫换向。由于信号长得模样都一样，识别前进还是后退有一定的难度。因此系统会存在换向误差。累计时间越久误差越大。

　　增量编码的结果是一个数值，包含其运行的历史过程，如果数据丢失，后面的数值都没有意义。因此对数据的保管也是一个头疼的问题。首先保管数据是靠硬件完成，存在数据传输的可靠性问题；硬件数据怕掉电，电源的波动都会造成测量故障；数据存放在电子器件中，电子器件最怕电磁干扰。因此，增量编码的测量尺需要一套可靠的不间断在线电源。造价也十分昂贵。电磁屏蔽结构和材料也给设备增加了不少的负担，即使这样还是存在着数据丢失的情况。解决数据误差、丢失和可靠性的唯一途径是重新回到零点，重新计数。设备运行了一段时间后就要回到零点，刷新清除数据。于是就有了设备的行程部分“三步一回头”的现象。

　　l回零操作：增量编码的信号都长得一样，什么位置是零点呢？一个测量尺要有刻度就要有“零点”，解决这个问题就需要一个零点识别装置，人为确定一个开始位置。这个装置就是回零装置，回零装置一般采用模拟的位置传感器，精度要求极高，一般也很昂贵。当测量尺移动到这个位置时，增量编码的数值就要清零，从新计数。增量编码累计的误差可以就此消除。

　　l机床设备的精度：机床设备的精度与测量装置的精度密不可分，通常测量装置的精度优于一个微米。由于增量编码不是在光栅尺内完成的，因此光栅尺的精度不能代表设备的精度，设备行程的测量精度也不能用光栅尺的精度表示。一台设备的精度需要考虑很多误差，机械误差是不可避免的，但机械误差是可知的，通过计算可以将机械误差的影响减少到可以容忍的程度。但是增量编码的累计误差往往是不可知的，所以现在设备的使用往往要小心谨慎。有经验的技术人员在加工工艺上尽量采用相对位移计算法操作设备，目的是回避绝对位移带来的累计误差数据。在加工中往往根本不考虑测量尺的刻度，因为虚拟刻度不可靠。这样一来，对设备的操作技能要求很高，限制了设备功能的发挥。

　　l数据库：一台设备要加工多种零件，如果批量生产，只要反复的操作就可以解决问题。但是现代工业变化很快，一台设备在一天里往往要加工多个不同的零件。如果一台设备有一个数据库，将所有加工过的数据都储存在里面，这些零件的加工如果事先有数据提供，在更换零件时，可以不用从新对刀。节省大量的时间，可以把零活看成是批量生产来对待。当然，在具有真实刻度的电子尺出现之前这不过是美好的梦想。因为，一个零件的加工数据是从一个被叫做“零”的参考点开始的，往往就是一个零件的图纸尺寸的起始点。图纸上的尺寸是不包含“回零”的操作动作的，设备的工艺动作和图纸尺寸是不一样的。这只是问题的一方面，更重要的是，现在的设备的零点只有一个，而且是硬件零点，其他任何位置设置的起点都不可重复。零件加工的零点和设备的零点是对不上的，因此，零件的数据就无法在数据库中储存。

　　本装置是一个具有真实刻度的电子尺，可以在任何位置设置零点，任何位置的零点都是可以随意重复的。而且零点的设置是通过软件随意设置，任何加工过的零件都可以随意的重复加工。就像拷贝和粘贴一样简单。这样的零件加工数据可靠真实，因此，可以放心的存放到数据库中，供下次使用，可以使用无数次。而且保存多久都不成问题。不仅如此，一台设备的数据可以被另一台设备复制。这样一来，一个零件可以在企业的数据库中永久保留。对军工和航天这样的可靠工程有实际的意义。

　　改革开放以来，我们国家引进了不少制造技术，在引进一个项目的时候，往往把零件的加工设备照原样买进，即使我们有更好的加工设备也不行，因为零件的加工工艺软件是在特定设备上编制的，其它设备不能通用，这是现在制造业的悲哀，本装置的出现将结束这段历史。

　　l物联网应用：物联网时代到来了，如果设备的每一个动作都被远程实时掌握。对规模生产，订单生产将是一件不可思议的美事。对跨国跨省的企业来说设备就像在身边一样。不仅节省人力，减少人为麻烦，而且，企业管理更加透明容易。生产进度的把握更加精准，设备的调配更加有序，设备的利用率更高，降低成本提高生产效率。目前这些也只是幻想。首先，物联网的应用基础，是网络数据库，网络数据库可以实现资源和信息的共享。由于现代设备加工零件时，工艺很难统一，不同的人采用不同的工艺流程，因此，零件的加工数据是不能共享的。另外，网络数据的传输需要准确的高精度的数据，现代设备回零前和回零后，数据是不一样的，因此极大的限制了物联网的应用。物联网在传输数据时也会受到干扰，现代设备不能提供数据的及时和准确的更新。本装置的出现可以实现数据的实时更新，本装置的数据刷新速度是每秒钟一万次，无论遇到何种情况，本装置反应的都是设备行程的精确位置。对物联网的应用没有任何限制。

　　l对光栅尺问题的梳理：不论是设备的制造者，还是设备的使用者。作为技术人员心里都会有些不踏实，这种情况来源于对设备的担心，表现在以下几个方面：

　　1.光栅尺如果遇上停电，即使是瞬间的失电，也会造成数据丢失。为了解决光栅尺怕掉电的问题，人为的给设备加装一套在线不间断电源。成了光栅尺离不开的配套装置。本发明不存在这个问题，因为测量数据可以实时产生，不存在数据丢失的问题。

　　2.光栅尺本身没有真实的刻度，在使用中会很不方便。为了使光栅尺看上去有刻度，方便人们的读尺习惯。在设备上需要加装一套回零装置，人为的设置一个硬件的零参考点，设备的调试和使用都离不开回零操作。这也成了光栅尺离不开的配套装置。值得一提的是，光栅尺的刻度是在回零装置的辅助下，虚拟出来的，不是真实的刻度。如果没有回零装置，光栅尺连虚拟刻度也没有。本发明是具有真实刻度的精密位移测量装置，不需要回零装置，设备的使用调试都十分方便可靠。

　　3.增量编码是光栅尺的核心技术，也是制约光栅尺使用的核心问题。增量编码的数据是在过去的数据上加减得到的，老数据必须保留。在保存数据的同时，数据中包含的误差也同样被保存起来，随着时间的推移，数据中误差会累计起来，造成数据的不可靠。如果不及时的回零重新计数，误差就会显现出来。光栅尺的刻度就会失真，刻度就失去了存在意义。本发明的刻度是真实存在的，不必担心会失去刻度。

　　4.换向误差增量编码的累计误差来源之一：对相同的信号判断向前还是向后是一件头疼的事。虽然已经在大多数情况下可以准确的判断运动的方向，但是依然存在判断死角。虽然几率很小，但是随着时间的推移，再小的误差累计下来就不小了。目前采取的措施是尽量避免换向操作，增加对刀的次数。本发明是真实刻度的实时读取，不用判断运行方向，没有方向判断的问题。机床操作得心应手。

　　5.电磁干扰是累计误差的来源之一：现代的精密机床显得很娇贵。不是因为机械零件的精密，而是电子装置的抗干扰能力差。光栅尺的工作原理是采用增量编码，数据不是实时采集的，是累计后实时计算的。累计的数据需要保存，是新数据的基础，是一个过程数据。过程数据如果长期暴露在电子器件中，自然，就容易受到电磁干扰。目前采取的措施是，在可能受到电磁干扰的地方增加电磁屏蔽。本发明的数据是在装置内实时采集的，不用存储，直接读取，错误数据不会被保留。本装置是一个数据源，输出的是数据流。因此本装置不怕电磁干扰或者说抗干扰的能力强。

　　6.光栅尺对机床的操作系统的要求很高，因为软件的漏洞，数据传输、存储、计算的差错都可能对增量编码的数据产生影响。使增量编码的数据的精度和可靠性受到破坏，影响设备的正常使用。目前采取的对策是不断的升级操作系统软件。本发明不存在增量编码数据，测量位置的数据在本装置内部产生，可以实时读取，不怕丢失和损坏，软件不会影响到数据的精度。

　　7.机床所用的电瓶都有一定的寿命，谁也不知道电瓶会在何时寿终正寝，如果赶上加工重要零件，事故是不可避免的，当设备有段时间闲置不用或者赶上一段时间停电，电瓶就会因为自放电而报废，设备也因此而瘫痪。这种情况影响了设备的可靠性，目前采用的对策是经常更换电瓶，并且选用最好的电瓶。本发明不需要备用电源，因此不怕停电。长期闲置也不受影响。

　　8.前面提到回零装置是一种高精度的模拟位置传感器，凡是模拟传感器都会产生温飘和时漂，随着时间的延续，传感器的材料都会老化，数值会随着变化，这就是时漂。随着温度的变化数值也会有变化，这就是温飘。有些设备到俄罗斯就出问题，在湿热的环境下，也不好使。就是因为光栅尺测量系统实际上不完全是数字系统，模拟传感器影响了整个设备的精度和可靠性。采用的对策是经常校对传感器，补偿误差。本发明不需要辅助回零，本发明完全由数字系统组成，精度和可靠性是模拟器件达不到的，其适用范围覆盖全世界。

　　9.光栅尺不是一个纯数字系统，不只是因为采用了模拟传感器做辅助，还在于光栅传感器本身的输出信号就是模拟信号。模拟正玄波在导线中传输，最容易出现信号的变形。光栅尺是一个包括光栅传感器的系统，光栅传感器的栅格间距通常在10微米左右，这个精度是不能满足测量要求的。在后面的电路中要对这个模拟信号进行采样、细分，得到更精细的位移数值。后面的采样和计算都是以模拟信号的波形为依据的，如果波形产生失真畸变，得到细分数值就不真实，存在误差。如果遇上雷电，火花放电，以及电磁波干扰，模拟信号的形状就很难保证不受干扰。任何一点点的畸变都会使后面的数据产生误差，这个误差会被存储积累，影响设备的可靠性。本发明不存在上述问题，因此会增加设备的精度和可靠性。

　　l结论：现代精密机床，不论有多高级，价格多昂贵，都要遵循光栅尺的运行模式。这种模式告诉人们，光栅尺是一系列附件组合的集合体。对设计者而言，为了减小光栅尺的误差，需要增加更多的附件。哪怕是改善了一点，设备的价值也会大幅提升。光栅尺模式是靠大量的修补来完善设备的功能。安装调试的复杂程度就不用说了。从设备使用者角度看，技术人员的经验是设备良好运行的关键。光栅尺模式的完美运行是靠技术人员的经验和智慧来实现的。机床的运行有两套坐标系统，一套是以测量尺的刻度为基础的绝对坐标系，另一套是以对刀为基准的相对坐标。光栅尺模式的实践基础是这两套坐标系都不可靠，要想发挥设备的性能就要不断的刷新这两个坐标系。而且尽量使用相对坐标系，从新对刀是保证设备性能的关键技术。因此会出现不同的人有不同的加工方案和工艺编程，经验多的人的方案总要可靠一些。这种靠经验维系的加工模式，很难适应工业发展的要求，也限制了机床的性能发挥。本发明使机床的两个坐标系都变得十分可靠，不论是设备的制造者还是设备的使用者都可以放心的随意发挥，甩掉所有的附件，放开手脚，让设备的功能展翅腾飞。新的运行模式就叫“真实刻度模式”吧。