一种立体光栅测角传感器装置技术领域
本发明涉及一种立体光栅测角传感器装置，广泛应用于机械制造、测试计量和精
密仪器等领域，其突破了测角传感器尺寸和精度难以调和的制约，抑制轴系误差，推动了机
械传感器与测试仪器领域的技术革新。
背景技术
测角传感器是机械制造、测试计量和精密仪器等领域的关键功能部件，在工业和
国民经济建设中具有广泛应用，如各类转台、数控机床、机器人、精密测角仪等。
长期以来，测角传感器的精度和尺寸存在难以调和的矛盾，角度精度越高，则传感
器尺寸越大，反之亦然。对于设备和仪器而言，尺寸和重量的增大将对使用带来诸多限制。
例如，旋转设备体积重量的增加将对功耗、可靠性、便携性、成本等产生很大影响，从而对产
品的性能和质量带来不利的影响。在现有研究中，通常采用多头读数布局从硬件方面抑制
角度测量误差，这是一种有效的方法，通常读数头数量越多，传感器的测量精度越高。但实
施过程中，由于在主光栅周围布置的读数头数量受到主光栅直径和读数头尺寸的限制，无
法实现更高精度测量的读数头布局方式。即便采用非对称布局方式，其对误差的抑制效果
也受到相邻两个读数头之间最小间距量的限制，同样受限于主光栅和读数头尺寸。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种立体光栅测角传感器装置，
实现了灵活布置读数头，消除高阶次误差，全面抑制轴系误差，突破测角传感器尺寸和精度
难以调和的制约。
本发明的设计思想是，由上端面光栅、侧面光栅和下端面光栅组成，并且可以任意
组合，侧面光栅可由一个或多个构成；端面刻线与侧面刻线和多个侧面刻线都可采用对齐
刻划或非对齐刻划方式；同一端面或侧面的刻线疏密程度可不同；读数头布局可选用均匀
分布或分散式分布的形式，且可根据轴系误差，确定端面和侧面光栅的个数与读数头布局；
端面和侧面光栅分布的读数头间的距离可根据使用要求任意调节。
本发明技术解决方案为：一种立体光栅测角传感器装置，包括端面光栅和侧面光
栅，端面光栅包括上端面光栅和下端面光栅，并且端面光栅和侧面光栅能够根据实际需求
任意组合，从而构成立体光栅测角传感器；所述端面和侧面光栅均有读数头，所述侧面光栅
由一个或多个构成。
所述端面光栅、侧面光栅任意组合的形式为：由多个端面光栅和多个侧面光栅组
成，或由一个端面光栅和多个侧面光栅组成，或由多个端面光栅和一个侧面光栅组成，或由
一个端面光栅和一个侧面光栅组成。
所述端面光栅与侧面光栅有刻线，刻线疏密程度能够根据实际需要进行设计。
所述端面光栅由多个组光栅组成时，这些光栅的刻线可错位分布，也可对齐分布。
所述侧面光栅由多个光栅组成时，这些光栅的刻线可错位分布，也可对齐分布。
所述端面光栅、侧面光栅任意组合时，最外边端面光栅的刻线与侧面光栅的刻线
位置，可一一对应分布，也可错位分布。
所述端面和侧面光栅的读数头可采用均匀分布或分散式分布的布局方式。
增加端面光栅的读数头个数能够提高测量精度，但读数头的个数又受到读数头间
最小间距量的限制，采用端面和侧面布置读数头的方式，读数头的个数与读数头间最小间
距两者可不受这一制约，即端面读数头和侧面读数头间无最小间距量限制，可进一步提高
测量精度。
通过增大端面光栅的读数头的读数权重来抑制径向跳动；通过增大侧面光栅的读
数头的读数权重来抑制轴向跳动。
所述端面和侧面光栅的读数头间的距离能够根据使用要求任意调节。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提出一种新型端面、侧面和底面光栅可自由组合的立体光栅，具有刻线
错位和刻线疏密相间形式的新型立体光栅，可实现灵活布置读数头，不受读数头最小间距
量的限制，突破了测角传感器尺寸和精度难以调和的制约，且立体光栅可全面抑制轴系的
径向和轴向误差，达到了小型化、高精度的目的，解决了测角传感器的精度和尺寸难以调和
的矛盾。
(2)本发明提出的立体光栅盘刻线样式，立体光栅布局形式，减小的传感器体积。
(3)本发明的新型传感器的结构形式，可抑制轴系径向误差和轴向误差，解决了轴
系误差难以消除的难题，从而提高测角精度。
(4)本发明灵活布置读数头，消除高阶次误差，使立体光栅传感器实现小型化高精
度。
附图说明
图1立体光栅测角传感器装置结构图；
图2立体光栅组合图，其中左上图为采用两个端面和两个侧面光栅构成的立体光
栅；右上图为采用一个端面光栅和两个侧面光栅构成的立体光栅；左下图为采用两个端面
光栅和一个侧面光栅构成的立体光栅；右下图为采用一个端面光栅和一个侧面光栅构成的
立体光栅；
图3端面光栅刻线图；其中左图为端面光栅刻线非对齐图，右图为端面光栅刻线对
齐图；
图4侧面光栅刻线图；其中左图为侧面光栅刻线非对齐图，右图为侧面光栅刻线对
齐图；
图5端面光栅与侧面光栅刻线图；其中左图为端面光栅与侧面光栅刻线对齐图，右
图为端面光栅与侧面光栅刻线非对齐图；
图6侧面光栅读数头位置图；其中左图为侧面光栅均匀分布图，右图为侧面光栅非
均匀分布图；
图7端面光栅读数头位置图；其中左图为端侧面光栅均匀分布图，右图为端面光栅
非均匀分布图；
图8侧面光栅轴系抑制示意图；
图9端面光栅轴系抑制示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种立体光栅测角传感器装置，包含：上端面光栅01、上端面读
数头02、侧面光栅03、侧面读数头04、下端面光栅及读数头05。上端面光栅01对应的读数头
02位于上端面光栅上部，用于记录端面光栅转过的刻线数，侧面读数头04位于侧面光栅03
的侧面，用于读取侧面光栅转过的刻线数。下端面光栅及读数头位于立体光栅的下部。
如图2所示，上端面光栅、侧面光栅和下端面光栅可根据实际需求任意组合构成立
体光栅。可由多个端面光栅和多个侧面光栅组成，如图2中左上图，端面光栅06、端面光栅
07、侧面光栅08及侧面光栅09，或由一个端面光栅和多个侧面光栅组成，如图2中右上图，端
面光栅10、侧面光栅11及侧面光栅12，或由多个端面光栅和一个侧面光栅组成，如图2中左
下图，端面光栅13、端面光栅14及侧面光栅15，或由一个端面光栅和一个侧面光栅组成，如
图2中右下图，端面光栅16及侧面光栅17。下端面光栅同上端面光栅一样，可与侧面光栅自
由组合构成立体光栅测角传感器。
端面光栅与侧面光栅的刻线疏密程度可根据实际需要进行设计。端面光栅由多个
光栅组成时，多个端面光栅的刻线可错位分布，也可对齐分布如图3所示，左图为端面光栅
刻线非对齐图，端面光栅1的刻线18，端面光栅2的刻线19，这两组刻线不是对齐的；右图为
端面光栅刻线对齐图，端面光栅1的刻线20，端面光栅2的刻线21，这两组刻线对齐。
侧面光栅由多个光栅组成时，多个侧面光栅的刻线可错位分布，也可对齐分布如
图4所示，左图为侧面光栅刻线非对齐图，侧面光栅1的刻线22，侧面光栅2的刻线23，这两组
刻线不是对齐的；右图为侧面光栅刻线对齐图，侧面光栅1的刻线24，侧面光栅2的刻线25，
这两组刻线是对齐的。最外边端面光栅的刻线与侧面光栅的刻线位置如图5所示，可一一对
应分布，也可错位分布，左图为端面光栅与侧面光栅刻线对齐图，端面光栅的刻线26，侧面
光栅的刻线27，这两组刻线是对齐的；右图为端面光栅与侧面光栅刻线非对齐图，端面光栅
的刻线28，侧面光栅的刻线29，这两组刻线不是对齐的。
端面和侧面光栅的读数头可采用均匀分布或分散式分布的布局方式，侧面光栅读
数头布局如图6所示，其中左图为侧面光栅均匀分布图，30、31、32、33为侧面光栅读数头，这
些读数头均匀分布于侧面光栅34的周围；右图为侧面光栅非均匀分布图，35、36、37、38、39、
40为侧面光栅读数头，这些读数头非均匀分布于侧面光栅41的周围。为端面光栅读数头的
布局方式如图7所示，其中左图为端面光栅均匀分布图，42、43、44、45为端面光栅读数头，这
些读数头均匀分布于端面光栅46的上面或下面；右图为端面光栅非均匀分布图，47、48、49、
50、51、52为端面光栅读数头，这些读数头非均匀分布于端面光栅53的上面或下面。
增加端面光栅读数头的个数可提高测量精度，但读数头的个数又受到读数头间最
小间距量的限制，采用端面和侧面布置读数头的方式，其两者可不受这一制约。即端面读数
头和侧面读数头间无最小间距量限制，可进一步提高测量精度。
立体光栅由于端面和侧面都可布置读数头，可抑制轴系误差。当轴系转动时，会引
入轴系径向和轴向误差，如图8所示，轴系54径向跳动时会影响侧面光栅56与侧面读数头55
之间的距离，如图中δ所示，可以通过增大立体光栅中的端面读数头的读数权重来抑制径向
跳动。同理，如图9所示，轴系57轴向跳动时会影响端面光栅59与端面读数头58之间的距离，
如图中δ所示，图中60为侧面光栅读数头，可以通过增大立体光栅中的侧面读数头的读数权
重来抑制轴向跳动。这样，根据立体光栅传感器在运动过程中轴系误差的影响，通过控制端
面光栅和侧面光栅测量值的权重，从而实现对轴系误差的有效抑制。
根据精度和尺寸的需求，基于充分利用空间的原则，确定读数头个数、布局方式及
端面光栅和侧面光栅的形式。立体光栅测角传感器工作时，端面光栅和侧面光栅分别采集
各自测得的数据，由于轴系的跳动主要包括轴系的径向跳动和轴系的轴向跳动，由图8图9
可知，轴向的径向跳动对侧面光栅的读数影响较大，可通过增大端面光栅的读数在立体光
栅读数值中的权重，来抑制径向跳动对立体光栅的影响，轴系的轴向跳动对端面光栅的读
数影响较大，可通过增大侧面光栅的读数在立体光栅读数值中的权重，来抑制轴向跳动对
立体光栅的影响，所以，立体光栅测角传感器装置在测角的过程中，根据轴系对立体光栅的
影响，设置端面光栅和侧面光栅读数的权重，实现对轴系误差的实时抑制。通过数据融合算
法，对端面光栅、侧面光栅各自测得的数据进行融合处理，得到最终的测量值。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本
发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修
改，均应涵盖在本发明的范围之内。