CN102519503B - 一种光栅细分方法、装置和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光栅细分方法，包括：S1、一种光栅细分的方法，其特征在于，包括：S1.运用信号差分放大原理将光栅尺输入的四路相位信号整合成两路相位信号；S2.判断所述的两路相位是否相差呈形成标准圆的90度；S3.根据光仪器的精度，将所述的标准圆分成若干等份；S4.根据所述的等份确定采样数据对应于所述标准圆上的位置。本发明还公开了一种光栅细分方法装置和系统。实施本发明的光栅细分方法和装置大大改善了系统定位精度，使光栅在工业定位控制上面的定位精度更为准确、连续。

Description

一种光栅细分方法、装置和设备

技术领域

本发明涉及光栅应用领域，具体涉及一种光栅细分方法、装置和设备。

背景技术

目前，市面上用于精确定位控制的光栅细分，主要是由一个主副光栅及相关外围电路(光电耦合、及传动、波形处理元器件)组成，满足了市场一定的需求，其缺点定位误差比较大，不连续，且，光栅尺的输出信号中，有一类是：相位相差90°的4路正弦信号。4路正弦信号的产生，是存在缺点：每个信号的光强都只有一个条纹光强的四分之一。对于一些对定位要求苛刻的精密系统并不适用，甚至会造成系统其他副作用，给高精度定位系统带来很大的实现难度。

发明内容

为了解决以上的技术问题，本发明提供一种光栅细分方法、装置和设备。

本发明公开一种光栅细分方法，包括：

S1.运用信号差分放大原理将光栅尺输入的四路相位信号整合成两路相位信号；

S2.判断所述的两路相位是否相差呈形成标准圆的90度；若是，进入步骤S3，若否，进入步骤S21：调节光栅狭缝的宽度来改变波形的相位差，使其等于90度；

S3.根据光仪器的精度，将所述的标准圆分成若干等份；

S4.根据所述的等份确定采样数据对应于所述标准圆上的位置。

在本发明所述的光栅细分方法中，所述的等份为200份。

在本发明所述的光栅细分方法中，还包括步骤S5，光栅尺每行进一个栅距，判断是正行程还是反行程，

若正行程，进入步骤S51，行走的距离以200累加；若反行程，进入步骤S52，行走的距离以200累减。

本发明公开了一种光栅细分装置，用于实现上述的方法，包括：

相位信号整合单元：用于运用信号差分放大原理将光栅尺输入的四路相位信号整合成两路相位信号；

两路相位判断单元：与所述的相位信号整合单元相连，用于判断所述的两路相位是否相差呈形成标准圆的90度；

标准圆等分单元：与所述的两路相位判断单元相连，用于根据光仪器的精度，将所述的标准圆分成若干等份；

采样数据定位单元：与所述的标准圆等分单元相连，用于根据所述的等份确定采样数据对应于所述标准圆上的位置。

在本发明所述的光栅细分装置中，所述的两路相位判断单元还包括相位差调节子单元，用于调节光栅狭缝的宽度来改变波形的相位差，使其等于90度。

在本发明所述的光栅细分装置中，所述的光栅细分装置还包括光栅尺行走距离计算单元，与所述的采样数据定位单元相连，用于判断光栅尺行走的距离。

本发明公开了一种光栅细分设备，包括接收光栅信号的传感器、与所述的传感器相连的用于放大光栅信号的信号放大电路、与所述的信号放大电路相连的模/数转换电路、所述的模/数转换电路设置于控制器中，所述的控制器与人机交互单元相连，其特征在于，所述的控制器包括要上述的光栅细分装置。

在本发明所述的光栅细分装置中，所述的光栅细分设备还包括通信接口，通过RS232与控制中心相通信。

在本发明所述的光栅细分装置中，所述的人机交互单元包括键盘和显示器。

在本发明所述的光栅细分装置中，所述的光栅细分设备还包括与所述的控制器相连的步进电机，用于驱动光栅尺行走。

实施本发明的一种光栅细分方法、装置和设备，具有以下有益的技术效果：

1.光栅在高精度的定位连续性的到保障；

2.系统定位精度在波形处理算法上进行了优化设计，大大改善了系统定位精度，使光栅在工业定位控制上面的定位精度更为准确、连续。

附图说明

图1是本发明实施例一种光栅细分方法流程图；

图2为本发明实施例一种光栅细分装置构造方框图；

图3为本发明实施例一种光栅细分设备构造方框图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

光栅式指示表检定仪光栅细分的原理：在忽略高次谐波的情况下，光电元件输出的电压U和光栅位移x之间的关系为：

$u=U\sin \left(\frac{2\mathrm{\πx}}{d}\right)=U\sin \left(\frac{2\mathrm{\πv}}{d}t\right)=U\sin \mathrm{\ωt}=U\sin \mathrm{\θ}$

$\mathrm{\ω}=\frac{2\mathrm{\πv}}{d}$

其中v为光栅移动速度，d为栅距，U为电压幅值。

可见： $\mathrm{\θ}=\frac{2\mathrm{\π}}{d}x,$ $x=\frac{d}{2\mathrm{\π}}\mathrm{\θ}.$

对位相θ进行n细分，实质上是对测量值x进行n细分。

(特别是θ＝2π，时，即对一个莫尔条纹n细分)

实践中，如果是四相信号：为了消除莫尔条纹信号的直流分量和判向，需要四个相位差90°的谐波信号：sinθ；cosθ＝sin(θ+90°)；-sinθ＝sin(θ+180°)；-cosθ＝sin(θ+270°)。

请参阅图1，一种光栅细分方法，包括：

S1.运用信号差分放大原理将光栅尺输入的四路相位信号整合成两路相位信号；

我们运用信号差分放大原理将4路波形整合成为A、B两路。

V1＝Asin(2πx/d)

V2＝Asin(2πx/d+π/2)

V3＝Asin(2πx/d+π)

V4＝Asin(2πx/d+3π/2)

令VA＝V1-V3；VB＝V2-V4，则下式成立：

VA＝2Asin(2πx/d)

VB＝2Acos(2πx/d)

A、B两路相差90°相位的正弦波信号经过放大，再被AD623转化成数字信号，传递给处理芯片。

S2.判断所述的两路相位是否相差呈形成标准圆的90度，；若是，进入步骤S3，若否，进入步骤S21：调节光栅狭缝的宽度来改变波形的相位差，使其等于90度；

如果两路波形的相位差刚好是90°，振幅也相等，那就是一个以振幅A为半径的标准圆。将正弦看作X轴，余弦看作Y轴，一个周期中任意一点的坐标(X1，Y1)即为光栅尺20um(设定光栅尺周期为20um)中的一点位置，由两条曲线确定的，一个周期中的唯一一点。

由于两路波形在相位上面不是相差绝对的90°，存在一个偏差角度故两者叠加在一起不是一个标准的圆，我们可以通过调节狭缝的宽度来改变波形的相位差，通过调节小光栅的定位螺丝的位置，参照看波形软件，将波形相位差调成90°，使图形成为标准圆。

S3.根据光仪器的精度，将所述的标准圆分成若干等份；

若仪器的显示精度为0.1um，所以将一个周期20um分成200份，每一份即为0.1um。如果需要精度再高一点，我们可以将20um分成更多份，比如1000份，则最小分度为0.02um，这些可以根据要求来细分。

各个点已经确定，整个圆360°，将整个圆分成200份，那么对应的每个份就是1.8°，通过正余弦三角关系，可以将圆上面每个点划分到第几份。我们对应从第一象限的X轴开始设为0°脚，逆时针角度累加，一圈360°。

S4.根据所述的等份确定采样数据对应于所述标准圆上的位置。

比如有一点坐标为：(172，217)，我们定圆心的坐标为(125，125)

第一步：sinθ：172-125＝47；cosθ：217-125＝92；

第二步：θ＝arctan47/92＝27.09°

第三步：N＝27.09°/1.8°＝15.03，四舍五入即N＝15，即该点属于200份中的第15份，如果是数据的话则是1.5um。

步骤S5，光栅尺每行进一个栅距，判断是正行程还是反行程，

若正行程，进入步骤S51，行走的距离以200累加；若反行程，进入步骤S52，行走的距离以200累减。

中间区分到底是累加还是累减则涉及到软件的算法：

CPU是240us采样一次数据；我们将200个数据分成3份，每份平均为67，我们选定67和133这两个数为参考数据，如果要使光栅丢失数据，则要求200us内光栅移动超过13.3um，即光栅的平移速度大于6.65mm/s，手轮旋转一圈光栅平移0.5um，即要求手轮的旋转速度达到13.3r/s，光栅才会丢失数据，但是电机的速度以及我们人为的旋转速度都是达不到13.3r/s，故以这两个数据为界线不会出现丢数的现象。

具体计算累计的方法：前一次采样得到的数据对应的位置为N1(对应在一个周期200内属于第N1份)，当前次采集得到的数据为N0。首先确定两次采样间隔时间内，光栅数据不可能跳过一个周期133，则如果N1＞＝133并且N0＜＝67，则总行程累加；如果N0＞＝133并且N1＜＝67，则总行程累减。

理论上来说，CPU的采样速率是越快越好，实际上由于有主程序中的各个子程序的运行需要时间，并且中断程序运行也要时间，综合各个环节的时间，我们的中断时间间隔最多可以容出150us，考虑到系统的稳定性，我们应该适当的增加时间间隔。在软件上面优化了数据处理之后，大大的提高了时间上面的问题。综合考虑我们选择了200us间隔时间，并且这个时间足以采样处理各个数据。

按照正统的思想，如果给入一组数据(X1，Y1)，通过反正弦和反余弦函数arcsin和arccos求得角度θ，再经过一系列的加减乘除，求得其在周期中的位置，再判断是累加还是累减的问题，确定最后的数据，这样十分费时间，时间上超过比较长，容易丢数(按周期的倍数丢失)。

本发明中，不仅解决了时间上面的问题，并且优化了程序，所有的板子都通用一个程序，简单扼要。实现方法是：要求的是给出一个坐标，得到该点在周期上面是第几份，也就是对应在周期上面的数值，设计一个表格，将整个平面的数据全部纳入其中，

设定坐标轴是从0到255的一个正方形，由于参看电压是1.25V，经过AD转化成数字信号也就是中间值125，所以调节好的波形也是以(125，125)为圆心，半径为100的圆，即从25到225的一段数据。但是数据库表格横纵坐标是从2到253，总共252*252个数据，分4个二维数组表格，二维分别是正弦和余弦值，对应的数据为其在周期中的数据，此数组可用软件写好并生成。

现有技术中，由正余弦两路波形来确定某点在圆上面的角度问题：

①普通的处理方法——实时计算法：

圆上任意取一点(A，B)，圆心坐标为(A0，B0)，半径为R，求出其在极坐标中的角度θ：

$\left\{\begin{array}{c}x=r*\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\\ y=r*\sin \left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right.$

其中x＝A-A0；y＝B-B0；r＝R。通过上面两式可确定θ(0°＜θ≤360°)。

在本发明中，我们是采作定点查询法某点在圆上的角度问题：

a、将波形调好，将图形调为以(125，125)为圆心，半径是100的圆，此为我们要求的目标图形。

b、将正弦和余弦分别从2至253的数据中提取出来依次合成坐标系中的点集，再将各个点以(125，125)为中心，1.8°为一份，但是是依次排序，不是任意1.8°，根据普通的三角坐标求出角度，间接的转化成坐标系上的点对应的值，并且记录成数组的形式。

d、查询的时候直接先判断是第几行的数据，再找第几列，这样就直观、简便、快速。

综合两种处理方法，我们的数据产生同普通算法一样，均是由三角函数关系求得，再经过四舍五入转化成目标数据值，数据绝对准确。但我们处理数据的方法是定点查询的方式，在时间上远胜于现场计算，所以在时间上有很大的优势，可以充分的腾出时间给CPU做其他的事情。

请参阅图2、本发明公开了一种光栅细分装置1，用于实现上述的方法，包括：

相位信号整合单元10、两路相位判断单元20、标准圆等分单元30、采样数据定位单元40、光栅尺行走距离计算单元50。

相位信号整合单元10：用于运用信号差分放大原理将光栅尺输入的四路相位信号整合成两路相位信号；

两路相位判断单元20：与相位信号整合单元20相连，用于判断所述的两路相位是否相差呈形成标准圆的90度；两路相位判断单元20包括相位差调节子单元，用于调节光栅狭缝的宽度来改变波形的相位差，使其等于90度。

标准圆等分单元30：与两路相位判断单元20相连，用于根据光仪器的精度，将所述的标准圆分成若干等份；

采样数据定位单元40：与标准圆等分单元30相连，用于根据所述的等份确定采样数据对应于所述标准圆上的位置。

光栅尺行走距离计算单元50：与采样数据定位单元40相连，用于判断光栅尺行走的距离。

请参阅图3，一种光栅细分设备，包括接收光栅信号的传感器100、与传感器100相连的用于放大光栅信号的信号放大电路110、与信号放大电路110相连的模/数转换电路120、所述的模/数转换电路设置于控制器130中，所述的控制器与人机交互单元135相连，控制器130包括上述的光栅细分装置1。

进一步地，光栅细分设备还包括通信接口150，通过RS232与控制中心相通信。

人机交互单元135包括键盘和显示器。

光栅细分设备还包括与控制器130相连的步进电机155，用于驱动光栅尺行走。

接收电源时，进入初状态，系统进行初始化，传感器110将当前的光强值经放大电路110传回至控制器130中的中央处理单元CPU。步进电机155驱动主光栅进行移动，光强产生变化，根据相位差原理，副光栅4个相差90度的窗口产生的光强是两组正余弦波。两两相减后产生两组相位差为90度的正弦波。步进电机155行进一个主光栅栅距，CPU进行学习计算出波形幅值、中值及准确相位差。

之后，传感器110每传回一组光强，CPU都将结合波形进行计算，分析出当前光强所在波形的位置，细分精度在1/200以上。将分析计算出的定位位置送到人机交互单元135。

系统进行工作时与上位机使用通信接口150进行通讯，较佳地，本发明采用RS232，对于光栅数据采样，步进电机155控制可分别由通讯指令或者键盘进行控制。

实施本发明的一种光栅细分方法、装置和设备，具有以下有益的技术效果：

1.光栅在高精度的定位连续性的到保障；

2.系统定位精度在波形处理算法上进行了优化设计，大大改善了系统定位精度，使光栅在工业定位控制上面的定位精度更为准确、连续。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光栅细分的方法，其特征在于，包括：

S1.运用信号差分放大原理将光栅尺输入的四路相位信号整合成两路相位信号；两路相差90度相位的正弦波信号经过放大，再被AD623转化成数字信号，传递给处理芯片；

S2.判断所述的两路相位是否相差呈形成标准圆的90度；若是，进入步骤S3，若否，进入步骤S21：调节光栅狭缝的宽度来改变波形的相位差，使其等于90度；具体通过调节小光栅的定位螺丝的位置，参照波形软件，将波形相位差调成90度；

S3.根据光仪器的精度，将所述的标准圆分成若干等份；

S4.根据所述的等份确定采样数据对应于所述标准圆上的位置；所述的等份为200份；

还包括步骤S5，光栅尺每行进一个栅距，判断是正行程还是反行程，若正行程，进入步骤S51，行走的距离以200累加；若反行程，进入步骤S52，行走的距离以200累减；

CPU是240us采样一次数据；计算累计的方法：前一次采样得到的数据对应的位置为N1，当前次采集得到的数据为N0，首先确定两次采样间隔时间内，光栅数据不可能跳过一个周期133，则如果N1＞＝133并且N0＜＝67，则总行程累加；如果N0＞＝133并且N1＜＝67，则总行程累减。

2.一种光栅细分装置，用于实现权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：

相位信号整合单元：用于运用信号差分放大原理将光栅尺输入的四路相位信号整合成两路相位信号；两路相差90度相位的正弦波信号经过放大，再被AD623转化成数字信号，传递给处理芯片；

两路相位判断单元：与所述的相位信号整合单元相连，用于判断所述的两路相位是否相差呈形成标准圆的90度；具体通过调节小光栅的定位螺丝的位置，参照波形软件，将波形相位差调成90度；

标准圆等分单元：与所述的两路相位判断单元相连，用于根据光仪器的精度，将所述的标准圆分成若干等份；

采样数据定位单元：与所述的标准圆等分单元相连，用于根据所述的等份确定采样数据对应于所述标准圆上的位置；

所述的两路相位判断单元还包括相位差调节子单元，用于调节光栅狭缝的宽度来改变波形的相位差，使其等于90度；

所述的光栅细分装置还包括光栅尺行走距离计算单元，与所述的采样数据定位单元相连，用于判断光栅尺行走的距离；

CPU是240us采样一次数据；计算累计的方法：前一次采样得到的数据对应的位置为N1，当前次采集得到的数据为N0，首先确定两次采样间隔时间内，光栅数据不可能跳过一个周期133，则如果N1＞＝133并且N0＜＝67，则总行程累加；如果N0＞＝133并且N1＜＝67，则总行程累减。

3.一种光栅细分设备，包括接收光栅信号的传感器、与所述的传感器相连的用于放大光栅信号的信号放大电路、与所述的信号放大电路相连的模/数转换电路、所述的模/数转换电路设置于控制器中，所述的控制器与人机交互单元相连，其特征在于，所述的控制器包括权利要求2所述的光栅细分装置。

4.根据权利要求3所述的光栅细分设备，其特征在于，所述的光栅细分设备还包括通信接口，通过RS232与控制中心相通信。

5.根据权利要求3所述的光栅细分设备，其特征在于，所述的人机交互单元包括键盘和显示器。

6.根据权利要求3所述的光栅细分设备，其特征在于，所述的光栅细分设备还包括与所述的控制器相连的步进电机，用于驱动光栅尺行走。