CN103759749B - 一种单码道绝对式位置编码器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单码道绝对式位置编码器，包括光栅尺、CCD光电探测器、照明光源以及光电信号处理模块，光栅尺为单码道绝对式光栅尺，光栅尺上设有编码刻轨，照明光源设有光栅尺的下方，光栅尺的上方自下至上依次是显微成像镜组、CCD光电探测器、照明光源、光电信号处理模块，基于CCD光电探测器读取单码道绝对式光栅尺上的绝对编码码值，通过编码‑解码算法计算其绝对位置信息，基于CCD光电探测器不同像素的信号输出实现输出绝对位置的细分。本发明采用的进制编码的可以用较短的码字表示更多的等级，根据多进制编码的特点，可以实现进制码的快速编码和高速解码，解决绝对式光栅长度测量受限的难题。

Description

一种单码道绝对式位置编码器

技术领域：

本发明涉及精密测量仪器领域，具体涉及一种单码道绝对式位置编码器。

背景技术：

光栅编码器广泛应用于数控机床、精密测量仪器、自动化设备等领域，其性能直接影响到机械加工、计量检测、定位控制的精度。

当前，用于精密位移测量的光栅编码器主要包括两种基本形式：增量式光栅编码器和绝对式光栅编码器。其测量基准为周期刻线的光栅尺，利用廉价的半导体激光器或LED作为光源，对环境要求低的同时降低了成本。

增量式光栅编码器系统原理是利用光源和光栅尺的相对移动来对光进行调制，通过接收调制后的光信号获得位移信息。市场上常用的增量式光栅编码器系统分为两类，一类是计量式光栅编码器，用于低线数的光栅尺（20um至大约40um的栅距），采用成像扫描原理；还有一类是衍射式光栅编码器，用于高线数的光栅尺（8um甚至更小栅距），采用干涉扫描原理。

如图1所示，计量式光栅编码器一般由光源1、聚光镜2、两个栅距相同或相近的标尺光栅3和指示光栅4及光电器件5组成。光栅基体是透明的，光源1产生的光束通过聚光镜2平行后，穿过标尺光栅3时，在其费涅尔焦面形成明/暗区，指示光栅4就在这个位置处。当两个光栅相对运动时，穿过两个光栅的光强得到调制形成莫尔条纹。光电器件5将这些光强变化转化成电信号。通常指示光栅位于标尺光栅的第一费涅尔焦面上，光栅间隙为t=d²/λ，d是光栅的栅距，λ为入射光波长。栅距越小，光栅间隙越小，公差就越严，同时衍射现象越明显，降低了系统的信噪比。而计量光栅编码器的分辨率与光栅尺的栅距成正比，栅距不能继续减小的情况下只有通过电路细分才能使系统达到更小的分辨率，这是计量式光栅编码器存在的主要问题。

图2所示为衍射式光栅编码器原理图，光源1（内置聚光镜的半导体激光器）发出平行光入射到高线数光栅2上，±1级衍射光分别由反射镜3和4反射到分光镜5，会聚于光电器件6上，当光栅移动时，两束光发生干涉，通过对干涉信号的处理得到光栅的位移信息。该种光栅编码器对光栅读数头和光栅之间的距离要求相对宽松，便于系统安装。但是由于要求±1级衍射光要重合，因此光路调节比较困难；同时不能完全保证消除±1级光路光程差，使得干涉对比度降低。

如今增量式光栅编码器技术进步很快，相关的专利和文章有很多，如佳能公司发表的美国专利，专利编号第4912320号/1990年,第5038032号/1991年,第5146085号/1992年;索尼公司的美国专利第4676645号/1987年,第6066817号/2000年,第6407815B2号/2002年;美国专利第3738753号，第5038032号/1991年,美国专利第5442172号/1995年;台湾专利第096048号,第099284号等，文章有纳米三坐标测量机测控系统关键技术研究（合肥工业大学,2010），Fabrication of active integrated optical micro-encoder（Micro ElectroMechanical Systems,MEMS'91,Proceedings.An Investigation of Micro Structures,Sensors,Actuators,Machines and Robots.IEEE.1991,pp233-238）,High-resolutionlaser linear encoder with numerical error compensation(Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers.1999,38(6):pp968-973)等。

上述的增量式光栅编码器可以实现高精度的位移测量，但是其存在的最大弊端为：如果在测量过程中，由于人为或其它不可抗拒因素导致断电等事故，重启系统后，需要重新进行参考点回零。对于工厂和车间来言，将大大影响测量和生产效率。

绝对式光栅编码器又称绝对式位置编码器是一种绝对码测量系统。显示器显示的数值与编码器的位置（即绝对坐标值）一一对应。也就是编码器的任何一个确定的位置，只能与一个固定的编码状态相对应，而不是累加脉冲的结果，因此通电即得到位置值并随时供后续信号处理电子电路读取。无需执行参考点回零操作。绝对位置信息来自光栅尺的绝对编码信息，它由一系列绝对码组成。

根据光栅尺的刻轨数，可以分为单码道、多码道以及混合码道三种类型。

图3为单码道绝对式位置编码器的光栅尺刻划方式，光栅尺上只有一条编码刻轨。CCD光电探测器仅采集这条编码刻轨上的编码信息，即编码器的绝对位置仅和这条编码刻轨上的编码信息相对应，光栅尺刻划简单。

多码道绝对式位置编码器被提出，编码器的绝对位置由多条编码刻轨上的编码信息共同决定，该种编码方式增加了编码数，也就提高了光栅尺的量程。例如图4所示为多码道绝对式位置编码器的光栅尺刻划方式。要保证多条编码刻轨之间条码对应，刻轨平行，因此光栅尺刻划起来比较复杂。

还有一种混合码道绝对式位置编码器。如图5所示为海德汉公司生产的一种混合码道绝对式位置编码器的光栅尺刻划方式。光栅尺由编码刻轨1和增量刻轨2组成。CCD光电探测器获得编码刻轨1上刻线的编码图像信息和经过增量刻轨2调制后的光信号，最后经过图像处理模块后获得光栅位移。单独的增量刻轨2信号用于细分处理后的得到的位置值，同时也能生成供选用的增量信号。确切的说，这种编码方式不是严格意义上的绝对式位置编码器，因为当出现断电情况时，增量刻轨2信号不能被获得，只能获得光栅尺粗测的位置。

绝对式位置编码器的关键技术是编码算法和解码算法。编码是指光栅尺上的刻线信息；解码是指对于通过CCD光电探测器获取刻线的图像信息得到光栅尺的绝对位置。编码和解码正确的前提是的某一特定代码对应光栅尺唯一的绝对位置。这也是其最大的优点，保证了停电或关机都不会造成测量值的废弃。影响绝对式位置编码器精度的因素主要是图像的离焦、栅线的拖影、图像变形、照明的稳定性等。国外有许多文献对绝对式位置编码器的测量原理进行了论述，但均未涉及编码原理。对于常用于绝对式角度编码器上的格雷码、伪随机序列、均布式等绝对位置编码难以满足位置编码器单码道无限长的要求，对于工厂车间所需要的大行程测量将很难实现。

发明内容：

为弥补已有技术的不足，本发明提供一种单码道绝对式位置编码器。

本发明采用的技术方案是：

一种单码道绝对式位置编码器，其特征在于：包括光栅尺、CCD光电探测器、照明光源以及光电信号处理模块，所述的光栅尺为单码道绝对式光栅尺，光栅尺上设有编码刻轨，照明光源设有光栅尺的下方，光栅尺的上方自下至上依次是显微成像镜组、CCD光电探测器、照明光源、光电信号处理模块，基于CCD光电探测器读取单码道绝对式光栅尺上的绝对编码码值，通过编码-解码算法计算其绝对位置信息，基于CCD光电探测器不同像素的信号输出实现输出绝对位置的细分。

所述的单码道绝对式位置编码器，其特征在于：所述的编码-解码算法采用单码道M进制编码-解码算法，包括以下内容：

设置一条玻璃尺作为基体，在其上蚀刻一系列宽度为d的条码形成光栅尺的编码刻轨，条码是采用一个黑和一个白组成，黑的为凹槽，白的为光栅尺基面，比值=黑/白，表示条码的标识；根据比值不同，可以设置M种不同条码a₁,a₂,a₃...a_M；连续的k个条码组合得到的代码为一个码区，k个条码排列方式决定码区的编号f；CCD光电探测器一次获取一个码区的代码信息，码区不同则代码不同即码区内条码的排列关系不同，保证了一个码区对应唯一的绝对位置。

所述的单码道绝对式位置编码器，其特征在于：所述的编码刻轨可达到最大有效码区数和代码数H为：

条码数N为：

光栅尺最大有效长度L为：

当编码刻轨要求达到最大有效码区数时，由于第n个码区代码的后k-1位条码和第n+1个码区代码的前k-1位条码重合，这就决定了当第一个码区代码确定后，余下码区代码也就唯一确定了，该过程可有计算机完成，同时可以通过改变M和k的值来改变光栅尺的最大有效行程。

所述的单码道绝对式位置编码器，其特征在于：所述的绝对位置的细分采用高精度信号输出细分算法，包括以下内容：

以成像镜头中心十字分划线为基准，对分划线所在条码成像图像宽度进行细分计算获得高精度细分结果。

所述的单码道绝对式位置编码器，其特征在于：所述的CCD光电探测器的读数结构为：计算机通过CCD光电探测器获取一个码区的代码信息，利用查表的方法得到码区的编号f；光栅尺的绝对位置等于CCD光电探测器获取码区编号决定的粗测值加上精测值即对十字分划线所在条码成像图像宽度的细分结果。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明采用的M进制编码的可以用较短的码字表示更多的等级，根据多进制编码的特点，可以实现M进制码的快速编码和高速解码，解决绝对式光栅长度测量受限的难题；其采用的高精度信号输出细分算法可以使得系统获得高精度细分结果。

附图说明

图1为典型计量式光栅编码器的系统设计图。

图2为衍射式光栅编码器系统原理图。

图3为单码道绝对式位置编码器光栅尺刻划方式。

图4为多码道绝对式位置编码器光栅尺刻划方式。

图5为海德汉公司生产的混合码道绝对式位置编码器光栅尺刻划方式。

图6为本发明的单码道绝对式位置编码器系统架构图。

图7为基于本发明的M进制编码算法的光栅尺的刻划方式简图。

图7A为图5的仰视图。

图7B为基于本发明的M进制编码算法中条码的表示方式。

图7C为基于本发明的M进制编码算法中码区的表示方法。

图8为基于本发明的M进制编码算法的读数原理图。

具体实施方式

本发明的单码道绝对式位置编码器的原理如图6所示，包含读数系统1和光栅尺2两部分。其中读数系统由照明光源4、显微成像镜组5、CCD光电探测器6和光电信号处理模块7组成；光栅尺2由按一定规律的栅装刻线组成，形成编码刻轨3。照明光源4发出的光束照射到光栅尺2上，CCD光电探测器6通过显微成像镜组5获得编码刻轨3上刻线的编码图像信息，最后经过光电信号处理模块7后获得光栅位移。光电信号处理模块7包含驱动模块—识别代码—位置解码算法。

基于本发明的M进制编码算法的编码方式和解码算法实施方式如下：

编码方式：

如图7所示在一条光栅尺2基体上蚀刻一系列等宽度的条码形成编码刻轨3。图7A表示图5的仰视图。如图7B所示，采用一个黑（凹槽）和一个白（栅尺基面）代表一个条码，比值=黑/白，表示条码的标识。根据比值不同，可以设置M种不同条码a₁,a₂,a₃...a_M。光栅尺的开始和结束用四个连续黑代表。每个码区由一个代码（k个条码）表示，k个条码（a₁,a₂,a₃...a_M）顺序排列得到的代码决定码区的编号f。如图7C标识了用5个条码组成的3个码区。CCD光电探测器6一次获取一个码区的代码信息，码区不同则代码不同即码区内条码的排列关系不同，保证了一个码区对应唯一的绝对位置。编码刻轨3可达到最大有效码区数和代码数H为：

条码数N为：

设这N个条码为x₁,x₂,x₃...x_N。

假设条码的宽度为d，光栅尺最大有效长度L为：

当编码刻轨3要求达到最大有效码区数时，由于第n个码区代码的后k-1位条码和第n+1个码区代码的前k-1位条码重合，这就决定了当第一个码区代码确定后，余下码区代码也就唯一确定了，如表1所示，该过程可有计算机完成。读数方式：

如图8所示，CCD光电探测器每次获取光栅尺2的图像信息范围为椭圆8，CCD光电探测器成像镜头中心有十字分划线9。十字分划线9所在的条码为光栅尺上的第i个条码即x_i。以十字分划线所在的条码为基准，获得目前所在的码区包含k个条码。

当k为奇数时，该码区的代码为：

当k为偶数时，该码区的代码为：

根据码区的代码对照表1得到码区的编号f，则可以获得光栅尺的粗测值T：

T=(f-1).k.d

设一个条码在CCD接收器上所占的像素个数为G，则物像比ε为：

ε=d/G

设十字分划线9所在的条码x_i的起始边界到十字分划线9之间的像素个数为g,则可以获得光栅尺的精测值t：

t=gε

通过对十字分划线9所在的条码x_i成像图像宽度进行细分计算，对于精测值t可以获得高精度细分结果。该系统最终测量的光栅尺的绝对位置为粗测值加上精测值为：

S=T+t=(f-1).k.d+gε=(f-1).k.d+d/G

表1二进制编码算法原理

Claims (2)

1.一种单码道绝对式位置编码器，其特征在于：包括光栅尺、CCD光电探测器、照明光源以及光电信号处理模块，所述的光栅尺为单码道绝对式光栅尺，光栅尺上设有编码刻轨，照明光源设置在光栅尺的下方，光栅尺的上方自下至上依次是显微成像镜组、CCD光电探测器、照明光源、光电信号处理模块，由CCD光电探测器读取单码道绝对式光栅尺上的绝对编码码值，通过编码-解码算法计算其绝对位置信息，基于CCD光电探测器不同像素的信号输出实现输出绝对位置的细分；

所述的编码-解码算法采用单码道M进制编码-解码算法，包括以下内容：设置一条玻璃尺作为基体，在其上蚀刻一系列宽度为d的条码形成光栅尺的编码刻轨，条码是采用一个黑和一个白组成，黑的为凹槽，白的为光栅尺基面，比值＝黑/白，表示条码的标识；根据比值不同，可以设置M种不同条码a1,a2,a3...aM；连续的k个条码组合得到的代码为一个码区，k个条码排列方式决定码区的编号f；CCD光电探测器一次获取一个码区的代码信息，码区不同则代码不同即码区内条码的排列关系不同，保证了一个码区对应唯一的绝对位置；

所述的绝对位置的细分采用高精度信号输出细分算法，包括以下内容：以成像镜头中心十字分划线为基准，对分划线所在条码成像图像宽度进行细分计算获得高精度细分结果；

所述的CCD光电探测器的读数结构为：计算机通过CCD光电探测器获取一个码区的代码信息，利用查表的方法得到码区的编号f；光栅尺的绝对位置等于CCD光电探测器获取码区编号决定的粗测值加上精测值即对十字分划线所在条码成像图像宽度的细分结果。

2.根据权利要求1所述的单码道绝对式位置编码器，其特征在于：所述的编码刻轨可达到最大有效码区数和代码数H为：

$H={\left(C_M^1\right)}^k,$

条码数N为：

$N=k.{\left(C_M^1\right)}^k,$

光栅尺最大有效长度L为：

$L=k.{\left(C_M^1\right)}^k.d,$

当编码刻轨要求达到最大有效码区数时，由于第n个码区代码的后k-1位条码和第n+1个码区代码的前k-1位条码重合，这就决定了当第一个码区代码确定后，余下码区代码也就唯一确定了，该过程可有计算机完成，同时可以通过改变M和k的值来改变光栅尺的最大有效行程。