一种气驱动微型光栅尺

技术领域

本发明涉及测量领域，特别涉及一种气驱动微型光栅尺。

背景技术

光栅尺位移传感器简称光栅尺，是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅测量位移的实质是以光栅栅距为一把标准尺子对位称量进行测量。目前，光栅尺位移传感器系统多采用电子细分方法，当指示光栅与标尺光栅这两块光栅以微小倾角重叠时，在与指示光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹，随着标尺光栅的移动，莫尔条纹也随之上下移动，这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量。

传统的光栅尺中，标尺光栅是和探头相连接的，探头是用来抵在被测工件上的，探头在伸出过程中会带动标尺光栅，使得标尺光栅相对于固定在光栅尺中的指示光栅发生位移变化，并且，探头还和设置在光栅尺中的弹簧相连接的，弹簧的目的是为了确保探头以及标尺光栅的复位，而探头的运动则依靠外接气源提供的气压力来实现，在气压的作用下，探头获得一伸出力，探头克服弹簧的拉力，从光栅尺中伸出。

然而，这种光栅尺往往存在着以下问题：

1：光栅尺对不同工件检测时，探头的伸出长度需求以及弹簧的拉伸长度需求均不同，而现有技术中，探头的伸出力除取决于气压大小外，还取决于弹簧，伸出力在弹簧拉长过程中存在衰减现象，衰减现象会导致探头达不到实际检测时探头的伸出长度需求，所以，现有技术中的光栅尺，探头的最大伸出量有限，检测能力有限，被测工件的适用范围有限；

2：弹簧为易损坏件，光栅尺的使用寿命因弹簧易疲劳的缘故而容易变短。

因此，需要一种适用检测对象更宽泛、使用寿命更好的光栅尺。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种气驱动微型光栅尺，探头在整个运动过程中，探头的伸出力完全取决气压力大小，而且伸出力全程大小一样，不会衰减，探头最大伸出量可以更大，使得光栅尺的适用检测对象更为宽泛，寿命更好。

一种气驱动微型光栅尺，包括外壳，设置在所述外壳中的安装框架、探头组件、用于控制探头组件伸出与缩回的控制结构、光栅组件；

安装框架，固定设置在所述外壳中，其内部配置有可沿外壳轴向方向滑动的滑块；

探头组件，和安装框架以及外壳共同形成气体腔室一；探头组件包括探头、和所述探头相连接的滑动光轴，所述滑动光轴之面向所述滑块的端面为气压受力端，所述滑动光轴通过一穿入到所述安装框架中的连杆与所述滑块相连接；

光栅组件，包括相对应设置的指示光栅与标尺光栅，其中，标尺光栅固定安装在所述滑块上，指示光栅固定设置在安装框架上；

控制结构，包括设置在所述安装框架上的和所述气体腔室一相连通的通气管、设置在所述气体腔室一中的用于和所述滑动光轴相吸的永磁体、线圈，所述线圈在通电状态下产生能够与永磁体磁场相中和的磁场。

本发明，通气管用于连接到外接气源上，外接气源具有可供气的正压供气端以及可抽气的负压供气端，初始状态下，线圈处于断电状态，当光栅尺需要进行检测工作时，线圈通电，通电产生的磁场能够与永磁体磁场相中和，然后，正压供气端打开，通过通气管向气体腔室一中通入高压气体，高压气体作用到滑动光轴的气压受力端，滑动光轴在高压气体的作用下向外伸出并使得探头顶紧在被测工件上，滑动光轴在伸出过程中，通过连杆带动滑块上的标尺光栅使得标尺光栅相对于指示光栅运动，该光栅尺，最终状态下，气体腔室一与外接气源的气压保持一致；当检测完成后，线圈断电，断开正压供气端的连接并切换连接到负压供气端，在负压供气端的作用下，气体腔室一中的气体被排出，使得气体腔室一形成内外气压差，且外部气压大于内部气压，外部气压大于内部气压使得滑动光轴收缩回去，探头以及标尺光栅随之复位，滑动光轴在缩回后，在永磁体的吸附作用下保持不动，防止自重或外力作用下意外伸出损坏探头。该光栅尺，取消了弹簧设置，探头在伸出运动过程中，探头的伸出力完全取决气压力大小，而且伸出力全程大小一样，不会衰减，探头最大伸出量可以更大，使得光栅尺的适用检测对象更为宽泛，并且，正是因为取消了弹簧，不存在弹簧疲劳问题，因此，相对于现有技术而言，寿命更好。

优选的，所述永磁体嵌在所述线圈中，所述线圈通过厚度垫块连接在所述安装框架的端部，所述线圈、厚度垫块呈轴向分布。

优选的，所述永磁体、厚度垫块均为轴向中空结构并形成轴向通道，所述厚度垫块外壁设置有和轴向通道相通的侧通道，所述连杆穿过所述轴向通道。

优选的，所述外壳之远离探头组件的一端为封闭端，所述封闭端、外壳以及安装框架之靠近探头组件的端部形成气体腔室二，所述安装框架之靠近探头组件的端部设置有连通所述气体腔室二与所述气体腔室一的泄压孔。

优选的，所述安装框架为内外相通结构。

优选的，所述探头组件还包括设置在所述外壳中的和所述滑动光轴配合的并具有轴向导向槽的外衬套、设置在所述滑动光轴上的和所述轴向导向槽配合的导向杆。

优选的，所述外壳中还配套设置有探头保护轴套。

众所周知，光栅尺作为一种高精度的测量元件，其中，指示光栅与标尺光栅的配合间隙是影响位置测量读值的稳定性与精确性的重要因素，一般而言，配合间隙必须稳定在2~5um以内，这也是造成光栅尺厂商的产品比国外同类产品稳定性差的原因，故，优选的，所述滑块为UPE滑块，UPE为超高份子量聚乙烯，此材料具备超耐磨与自润滑特性，在轻强度滑动摩擦状态下具备更长久的机械滑动性能及保持机械接触间隙长久不变以确保滑动结构滑动动作稳定性，由此可见，采用UPE材质的滑块，其滑动稳定性好，指示光栅与标尺光栅的配合间隙稳定性好，进而保障了光栅尺测量读值的稳定性与精确性，而且，在滑块滑动稳定好，指示光栅与标尺光栅的配合间隙稳定这种前提下，连杆可以制作地更细且满足不变形要求，连杆更细的情况下，采用更加微型的外壳也能实现布置安装框架、永磁体、线圈等零部件，相对于市面上大体积、大重量的光栅尺更加具有市场竞争力。

优选的，所述安装框架内设置有和所述滑块配合的滑槽。

优选的，所述滑槽，在安装框架内一体成型。安装框架的结构强度稳定性得以提升，抗振性能也好，使得滑块的滑动稳定性进一步提升，进一步保障了光栅尺测量读值的稳定性与精确性。

优选的，所述滑块包括主体部、设置在所述主体部两侧的导向部；所述导向部包括上圆弧接触部、下圆弧接触部、连接所述上圆弧接触部以及下圆弧接触部的连接圆弧部，这种导向部，与滑槽的接触面积大，滑块滑动稳定好，指示光栅与标尺光栅的配合间隙稳定，在此前提下，连杆可以制作地更细且满足不变形要求，连杆更细的情况下，采用更加微型的外壳也能实现布置安装框架、永磁体、线圈等零部件，相对于市面上大体积、大重量的光栅尺更加具有市场竞争力。

优选的，还包括设置在所述安装框架上的且位于所述光栅组件两侧的发光元件与光电元件，以及信号处理主控芯片。这些元件是具有各自单独功能的元件，是分立式元件，元件布置空间尺寸可以再度压缩便于小型集成设计。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1：探头在整个运动过程中，探头的伸出力完全取决气压力大小，而且伸出力全程大小一样，不会衰减，探头最大伸出量可以更大，使得光栅尺的适用检测对象更为宽泛，寿命更好；

2：滑动光轴的起始运动速度不会很大，冲击性小，光栅尺寿命好；

3：在外壳中设置和滑动光轴配合的外衬套，在外衬套上设置轴向导向槽，滑动光轴上设置和所述轴向导向槽配合的导向杆，一方面，外衬套增加了滑动光轴外侧的径向厚度，提升了径向结构强度，另一方面，导向杆与轴向导向槽之间的配合，进一步提升了滑动光轴的防偏转能力，进一步过滤掉连杆的偏转与振动现象，使得标尺光栅相对于指示光栅的相对位移更加精准，进而提升整个光栅尺的检测精度；

4：光栅尺可以更加微型化，提高市场竞争力。

附图说明

图1为光栅尺的结构示意简图；

图2为光栅尺的爆炸示意图一；

图3为光栅尺的爆炸示意图二；

图4为图3中A处放大图；

图5为图3中B处放大图；

图6为滑块的结构示意简图。

具体实施方式

下面将结合附图，通过具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例：如图1-6所示，一种气驱动微型光栅尺， 包括外壳1，设置在所述外壳1中的安装框架2、探头组件3、控制结构4以及光栅组件5；其中，安装框架2，固定设置于外壳1中，可利用安装框架2外壁与外壳1内壁之间的过盈配合实现固定，当然也可以利用其他的固定方式例如铆接等，安装框架2的内部配置有可沿外壳1轴向方向滑动的滑块21，所述安装框架2设置有和所述滑块21配合的滑槽；

探头组件3，和安装框架2以及外壳1形成气体腔室一，该探头组件3包括探头31、和所述探头31相连接的滑动光轴32，所述滑动光轴32之面向所述滑块21的端面为气压受力端，滑动光轴32在气压受力端受到气体压迫的情况下能够滑动，所述滑动光轴32通过一穿入到所述安装框架2中的连杆6与所述滑块21相连接；

光栅组件5，包括相对应设置的指示光栅51与标尺光栅52，其中，标尺光栅52固定安装在所述滑块21上，指示光栅51固定设置在安装框架2上，随着标尺光栅52的移动，莫尔条纹数也发生变化；

控制结构4，用于控制探头组件3伸出与缩回，包括设置在所述安装框架2上的和所述气体腔室一相连通的通气管41、设置在所述气体腔室一中的用于和所述滑动光轴32相吸的永磁体42、线圈43，通气管41用于连接到外接气源上，外接气源具有可供气的正压供气端以及可抽气的负压供气端，永磁体42、线圈43静态设置在气体腔室一中，为此，永磁体42可以通过连接脚卡紧在外壳1的内壁上，线圈43绕设在永磁体42上，本实施例，所述永磁体42嵌在线圈43中，线圈43通过厚度垫块44连接在安装框架2的端部；当线圈43处于断电时，滑动光轴32受永磁体42的吸附作用保持不动状态，当线圈43通电时，线圈43产生能够与永磁体42磁场相中和的磁场。

初始状态下，线圈43处于断电状态，当光栅尺需要进行检测工作时，线圈43通电，通电产生的磁场能够与永磁体42磁场相中和，然后，正压供气端打开，通过通气管41向气体腔室一中通入高压气体，高压气体作用到滑动光轴32的气压受力端，滑动光轴32在高压气体的作用下向外伸出并使得探头31顶紧在被测工件上，滑动光轴32在伸出过程中，通过连杆6带动滑块21上的标尺光栅52使得标尺光栅52相对于指示光栅51运动，该光栅尺，最终状态下，气体腔室一与外接气源的气压保持一致；当检测完成后，线圈43断电，断开正压供气端的连接并切换连接到负压供气端，在负压供气端的作用下，气体腔室一中的气体被排出，使得气体腔室一形成内外气压差，且外部气压大于内部气压，外部气压大于内部气压使得滑动光轴32收缩回去，探头31以及标尺光栅52随之复位，滑动光轴32在缩回后，在永磁体42的吸附作用下保持不动，防止自重或外力作用下意外伸出损坏探头31。该光栅尺，取消了弹簧设置，探头31在伸出运动过程中，探头的伸出力完全取决气压力大小，而且伸出力全程大小一样，不会衰减，探头最大伸出量可以更大，使得光栅尺的适用检测对象更为宽泛，并且，正是因为取消了弹簧，不存在弹簧疲劳问题，因此，相对于现有技术而言，寿命更好。

本实施例，更进一步地，所述线圈43、厚度垫块44呈轴向分布，轴向布置方式，使得气体腔室一的空间更大，充入的高压气体在气体腔室一中得到一定程度的稀释，降低滑动光轴32的起始运动速度，降低对整个光栅尺的冲击，有利于光栅尺的寿命。

本实施例，所述永磁体42、厚度垫块44均为轴向中空结构并形成轴向通道45，所述厚度垫块44外壁设置有和轴向通道45相通的侧通道46，所述连杆6穿过所述轴向通道45。当高压气体在通入到气体腔室一中时，气体经侧通道46、轴向通道45面对面地作用到滑动光轴32的气压受力端。

本实施例，更进一步地，所述外壳1之远离探头组件3的一端为封闭端，所述封闭端、外壳1以及安装框架2之靠近探头组件3的端部形成气体腔室二，所述安装框架2之靠近探头组件3的端部设置有连通所述气体腔室二与所述气体腔室一的泄压孔22，当高压气体通入到气体腔室一中时，一部分气体经泄压孔22进入到气体腔室二中，使得充入的高压气体在气体腔室一中得到较大程度的稀释，防止气体腔室一中的瞬时气压过大而导致滑动光轴32的起始运动速度过大，进一步降低对整个光栅尺的冲击，有利于光栅尺的寿命，该光栅尺，在最终状态下，气体腔室一、气体腔室二以及外接气源的压力保持一致，更进一步的，所述安装框架2为内外相通结构， 进入到气体腔室二的气体可以流动到安装框架2的内部，使得安装框架2内外之间的气压一致，防止安装框架2内外之间的气压不一致而导致指示光栅51变形甚至损坏。

由于探头31是以一定的压力作用在被测工件上，当被测工件的反作用力为非轴向时，探头31、滑动光轴32、连杆6均存在偏离轴向方向的变形隐患，一旦出现变形，会导致滑块21以及标尺光栅52的轴向移动距离出现微小偏差，使得标尺光栅52相对于指示光栅51的相对位移出现偏差，进而严重影响到整个光栅尺的检测精度。故，所述探头组件3还包括设置在所述外壳1中的和所述滑动光轴32配合的并具有轴向导向槽331的外衬套33、设置在所述滑动光轴32上的和所述轴向导向槽331配合的导向杆34，一方面，外衬套33增加了滑动光轴32外侧的径向厚度，提升了径向结构强度，另一方面，导向杆34与轴向导向槽331之间的配合，进一步提升了滑动光轴32的防偏转能力，进一步过滤掉连杆6的偏转与振动现象，使得标尺光栅52相对于指示光栅51的相对位移更加精准，进而提升整个光栅尺的检测精度。

本实施例，较佳的，所述外壳1中还配套设置有探头保护轴套35，探头保护轴套35和所述外壳1之间为过盈配合，探头31设置在所述探头保护轴套35中并可沿着探头保护轴套35轴向方向运动，在光栅尺未进行检测工作时，探头31位于所述探头保护轴套35中，当光栅尺进行检测工作时，探头31伸出于所述探头保护轴套35。

对于滑块21，本实施还进行进一步设计，所述滑块为UPE滑块，UPE为超高份子量聚乙烯，此材料具备超耐磨与自润滑特性，在轻强度滑动摩擦状态下具备更长久的机械滑动性能及保持机械接触间隙长久不变以确保滑动结构滑动动作稳定性，由此可见，采用UPE材质的滑块21，其滑动稳定性好，指示光栅51与标尺光栅52的配合间隙稳定性好，进而保障了光栅尺测量读值的稳定性与精确性，而且，在滑块32滑动稳定好，指示光栅51与标尺光栅52的配合间隙稳定这种前提下，连杆6可以制作地更细且满足不变形要求，连杆6更细的情况下，采用更加微型的外壳1也能实现布置安装框架2、永磁体42、线圈43等零部件，相对于市面上大体积、大重量的光栅尺更加具有市场竞争力；所述滑块21包括主体部211、设置在所述主体部211两侧的导向部212；所述导向部212包括上圆弧接触部2121、下圆弧接触部2122、连接所述上圆弧接触部2121以及下圆弧接触部2122的连接圆弧部2123，这种导向部212，与滑槽的接触面积大，滑块21滑动稳定好，指示光栅51与标尺光栅52的配合间隙稳定，在此前提下，连杆6可以制作地更细且满足不变形要求，连杆6更细的情况下，采用更加微型的外壳1也能实现布置安装框2架、永磁体42、线圈43等零部件，相对于市面上大体积、大重量的光栅尺更加具有市场竞争力。对于滑槽，本实施例，所述滑槽，在安装框架2内一体成型，使得安装框架2的结构强度稳定性得以提升，抗振性能也好，使得滑块21的滑动稳定性进一步提升，进一步保障了光栅尺测量读值的稳定性与精确性。

本实施例，光栅尺还包括设置在所述安装框架2上的发光元件91与光电元件92以及信号处理主控芯片93，其中，发光元件91与光电元件92位于所述光栅组件5两侧，发光元件91通过安装板一93安装到安装框架2上，光电元件92通过安装板二94安装到安装框架2上，发光元件91作为光源使用，光源发出的光线，通过光栅组件5后，形成为正弦波形式的光波，这种光波经光电元件92处理后转换成电流正弦波信号，信号处理主控芯片93根据这些电流正弦波信号计算出被测工件的位移，发光元件91、光电元件92以及信号处理主控芯片93作为光栅尺的必要组成元件，采用一般市面上的元器件即可，例如发光元件91采用发光二极管，光电元件92采用光电二极管，信号处理主控芯片93采用 STM32F205RET6 LQFP-6432MHz 512KB 微控制器单片机。

所述外壳1为圆管结构。采用圆管结构，且安装框架2、探头组件3、控制结构4、光栅组件5等组件安装在圆管中，使得整个光栅尺的尺寸更小，具有更好的市场竞争能力。

上面所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。