CN103411635A - 一种绝对光栅尺编码宏微复合采集方法 - Google Patents

一种绝对光栅尺编码宏微复合采集方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种绝对光栅尺编码宏微复合采集方法。所述绝对光栅尺为布置有并列排列的低精度编码码道及高精度编码码道的双码道光栅尺，其特征在于绝对光栅尺上装设有cmos传感器，cmos传感器包括有多行扫描方式、斜扫描读出方式、抛物线扫描读出方式，多行扫描方式扫描一行编码道，斜扫描读出方式及抛物线扫描读出方式扫描另一行编码道,多行扫描方式、斜扫描读出方式、抛物线扫描读出方式三种扫描宏微复合对编码进行采集。本发明实现绝对光栅尺读数头进行宏微复合读数，同时降低每帧图像采集时间而实现高帧频图像采集，本发明是一种能增强绝对式光栅尺的抗污染能力与提高解码的可靠性与正确率的绝对光栅尺编码宏微复合采集方法。

Description

一种绝对光栅尺编码宏微复合采集方法
技术领域
本发明是一种绝对光栅尺编码宏微复合采集方法，属于绝对光栅尺编码宏微复合采集方法的创新技术。 
背景技术  
利用光栅来进行位移测量要追朔到上个世纪50年代，在相当长时问里，仅仅被天文学家和物理学家作为衍射元件应用于光谱分析和光波波长的测定，最开始是基于双光栅的莫尔条纹(Moire fringes)技术，其栅距在20um左右，精度一般为几个微米，但是随着制造技术的进步。现在的光栅栅距可以达到O.8um，分辨力达到lnm。在生产、制造业的发展中扮演了重要角色。纳米级的光栅测量是采用衍射光栅，光栅栅距是lum或0.8um，栅线的宽度与光的波长很接近，则产生衍射和干涉现象能形成莫尔条纹，其测量的原理称干涉原理。干涉型光栅尺由德国Heidenhain公司在1987年率先推出，采用闪耀光栅或黑白实现纳米级的测量，并允许较宽松的安装，干涉式光栅尺得到较快的发展。由于其高分辨力，且比较不受外界环境影响之优越性能，越来越多的研究采用光栅干涉技术来开发测量仪器，而针对不同的环境需要也有不同的结构设计。
目前国内外常用的光栅尺主要有增量式光栅尺、半绝对式光栅尺与绝对光栅尺。 
标尺光栅和指示光栅之间的相对移动，在光源照射下形成莫尔条纹，莫尔条纹经过光电传感器转换为近似的正余弦电信号，就是原始的光栅扫描信号。然后采用不同的电子细分法，得到不同测量步距的计数脉冲信号，脉冲信号一般是是两路正交的信号，这两路信号接入后续的计数电路，计数器的计数值再乘以测量步距则为光栅尺的位移测量值。这种测量方法简单易行，但是在数控机床使用中，要每次每次回到绝对零点附近重新定位，所以机床的工作效率难以大幅提高。 
绝对式光栅尺的优点是开电后直接得到当前位置信息，无需“归零”操作，简化控制系统设计；绝对位置计算在读数头中完成，无需后续细分电路；采用双向串行通信技术，通信可靠。因此，绝对式光栅尺在数控行业得到越来越广泛的应用。但主要缺点是在高精度测量时，测量速度较慢，解码时错码率高，抗污染能力较弱。 
发明内容
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种实现绝对光栅尺读数头进行宏微复合读数，同时降低每帧图像采集时间而实现高帧频图像采集，也能增强绝对式光栅尺的抗污染能力与提高解码的可靠性与正确率的绝对光栅尺编码宏微复合采集方法。 
本发明的技术方案是：本发明的绝对光栅尺编码宏微复合采集方法,所述绝对光栅尺为布置有并列排列的低精度编码码道及高精度编码码道的双码道光栅尺，绝对光栅尺上装设有cmos传感器，cmos传感器包括有多行扫描方式、斜扫描读出方式、抛物线扫描读出方式，多行扫描方式扫描一行编码道，斜扫描读出方式及抛物线扫描读出方式扫描另一行编码道, 多行扫描方式、斜扫描读出方式、抛物线扫描读出方式三种扫描宏微复合对编码进行采集。 
上述多行扫描方式用于扫描低精度编码码道，斜扫描读出方式及抛物线扫描读出方式用于高精度编码码道扫描。 
上述多行扫描方式扫描低精度编码码道为高速扫描，斜扫描读出方式及抛物线扫描读出方式扫描高精度编码码道为低速扫描。 
上述斜扫描读出方式及抛物线扫描读出方式低速扫描高精度编码码道时，多行扫描方式同时高速扫描低精度编码码道。 
上述cmos传感器的扫描电路的脉冲是在XY地址方式下，选择排列在摄影面的像素为目的，在这种方式下利用变化扫描电路的脉冲时序方式使cmos图像传感器能高自由度的跳跃存取，实现cmos图像传感器每帧逐行扫描多行，或斜线扫描一行，或抛物线扫描一次。 
上述cmos传感器的多行扫描方式通过XY地址方式在cmos像素阵列上多行扫描区域的每个像素单元施加一个脉冲。 
上述cmos传感器的斜扫描读出方式通过XY地址方式在cmos像素阵列面上的任意斜线上的每个像素单元施加一个脉冲。 
上述cmos传感器的抛物线扫描读出方式同样是通过XY地址方式在cmos像素阵列面上的任意抛物线上每个像素单元施加一个脉冲。 
本发明的cmos图像传感器包括有多行扫描方式、斜扫描读出方式、抛物线扫描读出方式，cmos传感器分别对绝对光栅尺上低精度码道与高精度码道进行宏微复合扫描的冗余方法可以实现绝对光栅尺读数头进行宏微复合读数，同时降低每帧图像采集时间而实现高帧频图像采集，也能增强绝对式光栅尺的抗污染能力与提高解码的可靠性与正确率。本发明还为了提高绝对光栅尺的测量速度，并且通过对光栅尺编码的粗读与精读融合提高其测量分辨率。本发明与现有技术相比，具有以下优点： 
1)  本发明利用每帧进行多行扫描，斜线扫描，抛物线扫描一次的冗余技术，避免了cmos传感器整个阵列面的逐行扫描与隔行的扫描的方式，如此所以提高了cmos图像传感器的数据读出速率，从而大大提升绝对光栅尺读数头的采样速度。
2)  本发明利用宏微复合冗余思想，利用低分辨力的脉冲信号位移检测时，读数头可作高速运动，大大提高机床的进给速度，提高了工业生产效率。 
3)  本发明利用一个cmos传感器可以对双码道的绝对光栅尺进行读数，避免了双cmos对双编码码道读数，节约了生产成本。 
4)  本发明加入了斜扫描与抛物线扫描的冗余技术，提高了绝对式光栅尺的抗污染能力。 
本发明设计巧妙、性能优良、实用性强、非常适合于绝对光栅尺编码图像的高帧频采集，高速的数据处理。 
本发明是一种方便实用的绝对光栅尺编码宏微复合采集方法。 
附图说明
图1为本发明coms传感器对双轨绝对编码采集示意图。 
图2为本发明cmos传感器阵列面扫描方式的示意图。 
  
具体实施方式
本发明的绝对光栅尺编码宏微复合采集方法,所述绝对光栅尺为布置有并列排列的低精度编码码道（1）及高精度编码码道2的双码道光栅尺，其中绝对光栅尺上装设有cmos传感器6，cmos传感器6包括有多行扫描方式、斜扫描读出方式、抛物线扫描读出方式，多行扫描方式扫描一行编码道，斜扫描读出方式及抛物线扫描读出方式扫描另一行编码道, 多行扫描方式、斜扫描读出方式、抛物线扫描读出方式三种扫描宏微复合对编码进行采集。 
上述多行扫描方式用于扫描低精度编码码道1，斜线扫描区域5及抛物线上扫描区域4用于高精度编码码道2扫描。 
上述多行扫描方式扫描低精度编码码道1为高速扫描，斜扫描读出方式及抛物线扫描读出方式扫描高精度编码码道2为低速扫描。 
上述斜扫描读出方式及抛物线扫描读出方式低速扫描高精度编码码道2时，多行扫描方式同时高速扫描低精度编码码道1，其所得的数据可以为高精度编码解码时提供参考值从而提高解码率。 
上述cmos传感器6的扫描电路的脉冲是在XY地址方式下，选择排列在摄影面的像素为目的，在这种方式下利用变化扫描电路的脉冲时序方式使cmos图像传感器能高自由度的跳跃存取，实现cmos图像传感器每帧逐行扫描多行，或斜线扫描一行，或抛物线扫描一次。 
上述cmos传感器6的多行扫描方式通过XY地址方式在cmos像素阵列上多行扫描区域的每个像素单元施加一个脉冲。上述cmos传感器6的斜扫描读出方式通过XY地址方式在cmos像素阵列面上的任意斜线上的每个像素单元施加一个脉冲。上述cmos传感器6的抛物线扫描读出方式同样是通过XY地址方式在cmos像素阵列面上的任意抛物线上每个像素单元施加一个脉冲。图2所示为绝对光栅尺在cmos传感器6的多行扫描方式、斜扫描读出方式、抛物线扫描读出方式三种方式在cmos传感器6的阵列面上显示的多行扫描区域3、抛物线扫描区域4、斜线扫描区域5, 图2中黑点为工作的像素单元。 
上述斜扫描读出方式及抛物线扫描读出方式提高光栅尺的抗污染能力。 
上述cmos图像传感器扫描的冗余思想关键在于实现cmos像素阵列面上每个像素单元自由存取，在一个像素期间的前半段输出复位电平，后半段输出信号电平，必须在摄影区域内上施一个脉冲使该像素单元工作。这一动作实际上是使用XY地址晶体管，行选择线上的脉冲Xn和列读出线Yi共同作用下实现。如此所得的复位电平与信号电平，在电流模式下，选择性的进入转换电路转换为电压输出。利用XY地址自由选址方式首先。可以通过FPGA给前几行每个像素行选择线上的N个脉冲（其中N等于cmos阵列面像素单元的列数），与其每个像素所在列的列读出线的理论乘积共同作用下实现前几行的像素扫描读出。 
上述斜扫描读出方式通过XY地址方式在cmos像素阵列面的只对斜线上对应的每个像素单元施加一个读出脉冲，同样抛物线扫描读出方式通过XY地址方式在cmos像素阵列面上的任意抛物线上对应的每个像素单元施加一个读出脉冲。这里除了上述cmos阵列面上的前几行，斜线，抛物线上对应的每个像素的XY地址晶体管工作，其他都不工作。这样就实现如图2这样几种扫描方式的冗余。 
行扫描只扫描低精度的编码，斜线与抛物线扫描主要扫描高精度的编码。首先读数头以加速度a加速到高速vmax（vmax为保证当前测量精度所允许的最大速度）后匀速运动当cmos传感器快接近测量端点时，以加速度a’减速到测量端点停止，减速期间当cmos传感器减速到vmax’（ vmax’为cmos传感器高精度编码采集时允许的最大速度）时这阶段多行扫描区域采集的低精度编码数据有效，同时斜线与抛物线扫描区域采集到的高精度编码数据开始有效（“有效”指能保证当前的测量精度），此时低精度编码数据为高精度编码解码的参考值，从而提高正确解码率。 

Claims (8)

1.一种绝对光栅尺编码宏微复合采集方法，所述绝对光栅尺为布置有并列排列的低精度编码码道（1）及高精度编码码道（2）的双码道光栅尺，其特征在于绝对光栅尺上装设有cmos传感器（6），cmos传感器（6）包括有多行扫描方式、斜扫描读出方式、抛物线扫描读出方式，多行扫描方式扫描一行编码道，斜扫描读出方式及抛物线扫描读出方式扫描另一行编码道, 多行扫描方式、斜扫描读出方式、抛物线扫描读出方式三种扫描宏微复合对编码进行采集。
2.根据权利要求1所述的绝对光栅尺编码宏微复合采集方法，其特征在于上述多行扫描方式用于扫描低精度编码码道（1），斜扫描读出方式及抛物线扫描读出方式用于高精度编码码道（2）扫描。
3.根据权利要求1所述的绝对光栅尺编码宏微复合采集方法，其特征在于上述多行扫描方式扫描低精度编码码道（1）为高速扫描，斜扫描读出方式及抛物线扫描读出方式扫描高精度编码码道（2）为低速扫描。
4.根据权利要求1所述的绝对光栅尺编码宏微复合采集方法，其特征在于上述斜扫描读出方式及抛物线扫描读出方式低速扫描高精度编码码道（2）时，多行扫描方式同时高速扫描低精度编码码道（1）。
5.根据权利要求1所述的绝对光栅尺编码宏微复合采集方法，其特征在于上述cmos传感器（6）的扫描电路的脉冲是在XY地址方式下，选择排列在摄影面的像素为目的，在这种方式下利用变化扫描电路的脉冲时序方式使cmos图像传感器能高自由度的跳跃存取，实现cmos图像传感器每帧逐行扫描多行，或斜线扫描一行，或抛物线扫描一次。
6.根据权利要求1所述的绝对光栅尺编码宏微复合采集方法，其特征在于上述cmos传感器（6）的多行扫描方式通过XY地址方式在cmos像素阵列上多行扫描区域的每个像素单元施加一个脉冲。
7.根据权利要求1所述的绝对光栅尺编码宏微复合采集方法，其特征在于上述cmos传感器（6）的斜扫描读出方式通过XY地址方式在cmos像素阵列面上的任意斜线上的每个像素单元施加一个脉冲。
8.根据权利要求1所述的绝对光栅尺编码宏微复合采集方法，其特征在于上述cmos传感器（6）的抛物线扫描读出方式同样是通过XY地址方式在cmos像素阵列面上的任意抛物线上每个像素单元施加一个脉冲。
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