CN103983194A - 一种绝对式光栅尺的防振读码装置 - Google Patents
一种绝对式光栅尺的防振读码装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明是一种绝对式光栅尺的防振读码装置。包括有用于采集绝对光栅条纹和校正增量条纹的CMOS/CCD传感器阵列、带微透镜阵列的光学放大系统、用于辅助校正振动方向和测量的带有绝对式编码和校正增量条纹的绝对式光栅尺、FPGA驱动单元、DSP图像处理单元、校正补偿单元。本发明采用的绝对式光栅尺为并列布置的高精度绝对编码和低精度的校正增量码编码的双码道光栅尺，由FPGA同时驱动CMOS/CCD传感器阵列的四个单元来采集图像，并有序地对比图像中的校正增量码来获得有效的振动方向，并通过运动校正补偿单元来补偿运动，使得整体编码图像清晰，有效提高了正确读码率，实现了高精度测量。
Description
技术领域
本发明是一种处理高精度光栅尺在振动影响下采集的图像的绝对式光栅尺的防振读码装置，属于绝对式光栅尺的防振读码装置的创新技术。
背景技术
在现代机加行业中，由于光栅尺能够对系统实行全闭环控制，提高加工精度，光栅传感器成为该领域的中档数控车床主要线性反馈元件。但传统的光栅尺单纯依靠光栅玻璃来读取位置信息，可靠性较低，精度较易受光栅尺直线度、刚度、温度、振动等因素的影响，特别是振动因素对采集到编码图像的清晰与否有很大影响。
目前消减振动对图像的影响的技术主要是集中在相机的图像处理领域，当前主要两种处理方式是电子图像稳定器和光学图像稳定器。其中，电子图像稳定器是基于软件来处理的，存在容易造成图像恶化、处理时间长等缺点。而光学图像稳定器是通过安装在镜头或器体上的传感器来检测其振动或运动方向，不会造成图像质量恶化，但存在依赖硬件条件和成本高等缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种绝对式光栅尺的防振读码装置。本发明能检测振动对光栅尺采集到图像的影响效果，并有效补偿COMS/CCD传感器阵列采集到图像效果，达到图像稳定采集，从而实现准确的位移测量。
本发明的技术方案是：本发明的绝对式光栅尺的防振读码装置，包括有用于采集绝对光栅条纹和校正增量条纹的CMOS/CCD传感器阵列、带微透镜阵列的光学放大系统、用于辅助校正振动方向和测量的带有绝对式编码和校正增量条纹的绝对式光栅尺、FPGA驱动单元、DSP图像处理单元、校正补偿单元，其中带微透镜阵列的光学放大系统置于绝对式光栅尺的上方，CMOS/CCD传感器阵列呈2x2矩阵安装在CMOS/CCD传感器固定板上，并置于光学放大系统的放大图像信息的位置上,而CMOS/CCD传感器固定板通过球铰链安装到校正补偿单元上，并以若干个压电陶瓷片作为机构支撑点，绝对式光栅尺的绝对式编码和校正增量条纹通过光学放大系统放大并成像在CMOS/CCD传感器阵列上，FPGA驱动模块与FPGA驱动单元及DSP图像处理单元连接。
本发明由于采用包括有用于采集绝对光栅条纹和校正增量条纹的CMOS/CCD传感器阵列、带微透镜阵列的光学放大系统、用于辅助校正振动方向和测量的带有绝对式编码和校正增量条纹的绝对式光栅尺、FPGA驱动单元、DSP图像处理单元、校正补偿单元的结构，由FPGA驱动CMOS/CCD传感器阵列来采集图像，通过有序的图像对比来获得对应方向的振动矢量分量，并利用相应压电陶瓷片通电变形的特性来产生相反的形变，补偿振动影响，从而获得清晰的编码图像。此外，本发明利用宏微复合的动态补偿方法，以机械减振机构来弱化机械安装不当导致的运行过程机械振动，再利用图像对比来获得微振动，并通过校正补偿单元来补偿CMOS/CCD传感器阵列采集图像时的振动影响，从而,以宏微两个方向对振动产生的影响进行校正和补偿。本发明根据宏微复合的思想，从较容易识别的校正增量码入手，由位置校正条纹定位，区域校正特征点来获得振动矢量，并据此补偿校正振动运动来获得整体较清晰的编码图像，最终，利用增量码和绝对码来获得准确的位置信息。本发明是一种设计巧妙，测量精度高，方便实用的绝对式光栅尺的防振读码装置。
附图说明
图1为本发明的读码装置的构件组图；
图2为本发明的校正补偿模块的立体图；
图3为本发明的校正补偿模块的主视图；
图4为本发明的绝对式光栅尺的绝对式编码和校正条纹的示意图；
图5为本发明CMOS/CCD传感器阵列单元所拍摄获得的图像的截取部分示意图及截取部分图像的识别简化图，其中图5（a)为本发明CMOS/CCD传感器阵列单元所拍摄获得的图像的截取部分示意图，图5（b)为图5（a)的识别简化图；
图6为本发明同一次另一个CMOS/CCD传感器阵列单元所拍摄获得的图像的截取部分示意图及截取部分图像的识别简化图，其中图6（a)为本发明同次另一个CMOS/CCD传感器阵列单元所拍摄获得的图像的截取部分示意图，图6（b)为图6（a)的识别简化图；
图7为本发明的功能组图；
图8为本发明的图像对比流程图；
图9为本发明获得振动矢量的流程图。
具体实施方式
实施例：
本发明的一种光栅尺新的防振读码装置，其构件组图如图1所示，包括有用于采集绝对光栅条纹和校正增量条纹的CMOS/CCD传感器阵列1～4、带微透镜阵列5的光学放大系统6、用于辅助校正振动方向和测量的带有绝对式编码7和校正增量条纹8的绝对式光栅尺9、FPGA驱动单元10、DSP图像处理单元11、校正补偿单元12，其中带微透镜阵列5的光学放大系统6置于绝对式光栅尺9的上方，CMOS/CCD传感器阵列1～4呈2x2矩阵安装在CMOS/CCD传感器固定板14上，并置于光学放大系统6的放大图像信息的位置上,而CMOS/CCD传感器固定板14通过球铰链15安装到校正补偿单元12上，并以4个压电陶瓷片16～19作为机构支撑点，绝对式光栅尺9的绝对式编码7和校正增量条纹8通过光学放大系统6放大并成像在CMOS/CCD传感器阵列1～4上，FPGA驱动模块10与FPGA驱动单元10及DSP图像处理单元11连接。FPGA驱动模块10同时驱动CMOS/CCD传感器阵列1-4的四个单元采集在同样的振动矢量影响下的四路光来形成四幅图像,并通过DSP数据处理单元11对采集到的四幅图像进行前期预处理和两幅图像之间有序对比，通过有序对比相应两幅图像的校正增量条纹来得到振动的两个正交的振动分量，进而将振动分量传给校正补偿单元12，由其驱动机构来进行补偿，并在补偿完成时立刻驱动其中一个CMOS/CCD传感器阵列对绝对式光栅尺进行采集并读码，从而获得一个准确的位置信息并贮存。从而获得整个采集系统受到的振动矢量。
本实施例中，上述绝对式光栅尺9的编码方式是使用明条纹代表“1”，暗条纹代表“0”的明暗条纹进行编码。
本实施例中，上述绝对式光栅尺9的绝对式编码7采用二进制伪随机序列码，每一个绝对码都唯一标志光栅尺的一个绝对位置。
本实施例中，上述绝对式光栅尺9的校正增量条纹8的编码是明暗相间的“01”序列码，并在固定N条条纹后会增长相应条纹的长度用于标识位置，另外，在上述的条纹的基础上刻多了两个平行的横向条纹，其中，纵向条纹和横向条纹互相垂直。
本实施例中，上述CMOS/CCD传感器阵列1～4呈矩阵分布，每个CMOS/CCD传感器阵列1～4到绝对式光栅尺9码道上的高度一致，每个CMOS/CCD传感器阵列1～4彼此并排。
本实施例中，上述带微透镜阵列5的光学放大系统6的微透镜的布置方式按照CMOS/CCD传感器阵列的布置方式，确保每个CMOS/CCD传感器阵列1～4到透镜对应的小透镜单元的焦距一致。
此外，本发明高精密光栅尺快速测量装置还设有机械减振单元13，机械减振单元13是安装于高精密光栅尺快速测量装置底面的柔性减振单元，包括有弹簧机构及填充在弹簧机构周围的柔性材料。此外，上述的机械减振单元13也可以安装于高精密光栅尺快速测量装置的其他地方，或安装于机床或者其他地方，即机械减振单元13是整个检测系统的机械减振机构。本发明的减振方式，基于宏微复合的思想，由校正增量条纹入手获得振动矢量，进而补偿并获得清晰编码图像。利用有弹簧减振器或其他柔性减振物质组成的机械减振机构来弱化宏观的振动，再由振动校正补偿模块抵消微观振动影响。
本发明的绝对式光栅尺的防振测量装置的测试功能如图7所示，考虑到运动过程中振动对测量装置的图像质量最大的影响因素主要是图像的错切及上下的跳动，沿着图2的CMOS/CCD传感器阵列的布置方向（2x2矩阵）建立坐标系，以横向为X轴,纵向为Y轴,并将运动过程中受到的振动矢量沿X轴和Y轴分为两个正交的振动矢量 和。考虑到振动矢量的两个分矢量对四个CMOS/CCD传感器阵列的影响不同，采用控制变量法，以图8所示的方式来对比相应的图像，剔除相同的影响因素对图像的影响，获得相应方向的振动矢量分量。
在快门足够快的情况下，由FPGA同时驱动CMOS/CCD传感器阵列的四个单元对图像进行采集，并将采集到的图像送入后台DSP处理模块进行图像预处理和对比。
对采集到的四幅图像选择对应的两幅图像，按照如图9所示的步骤，在相同的光学放大系数下，截取大小一定的窗口来获得图像区域，并确保每个单元获得的图像内容基本相同。选取边缘的一组较清晰校正增量码，由校正增量码的定位条纹定位，如图4所示，其中，图4中的a为纵向定位条纹。针对采集到的编码图像，从截取到的校正增量码中，选择纵向定位条纹和横向条纹的交点，即校正特征点，其中，图5和6为同一次不同CMOS/CCD传感器阵列单元所拍摄获得的图像的截取部分及截取部分图像的识别简化图，以图5为例，左图（a）为截取的图像，右图（b）为截图图像的识别简化图，校正特征点为。
如果对应的图像模糊，通过多次取样的方式获取线条的交点，从而得到对应的校正特征点。
其中，每个校正特征点的像素坐标为、、、、、、、，按照图9流程图，根据比较与、与的长度，由错切的性质，确认图像的错切的大概方向，例如，如果和长度相同，选取特征点和来计算错切角度,且为错切变换矩阵。
其中，和分别为横向和纵向的错切参数。
即根据图像可以求出，。
同样道理，在对比图像1和图像3时可以得出另外一个错切方向对应的和，即错切变换矩阵。
接着，通过如图2和3的校正补偿单元来产生两个反方向的补偿变换矩阵来对振动进行抵消补偿。其中，校正补偿单元由若干压电陶瓷片，CMOS/CCD传感器阵列，固定外壳部分等部分组成，其中，CMOS/CCD传感器阵列采集模块通过球铰链接到校正补偿单元的保护壳上，在CMOS/CCD传感器阵列采集模块的上下表面分别对称布置压电陶瓷片，并置于保护壳内，以压电陶瓷片作为校正部分的支撑点，如图2所示。根据上述产生的两个方向的振动矢量分量，通过分别给上下表面的压电陶瓷片通电，使其产生形变，并在球铰的限制作用下产生两个反方向的运动来补偿振动产生的影响。
最后，实时补偿校正振动产生的影响，驱动CMOS/CCD传感器阵列采集图像获得清晰的绝对编码，从而实现高精度的位置测量。
本发明的振动校正补偿模块，有序对比两个图像得出对应方向的振动矢量分量，并综合两个振动分量矢量驱动对应的压电陶瓷片产生一定的形变，在球铰的作用下，得到对应的补偿运动。
本发明的减振方式，基于宏微复合的思想，利用有弹簧减振器/柔性减振物质组成的机械减振机构来弱化宏观的振动，再由振动校正补偿模块抵消微观振动影响。
此外，本发明的减振方式，基于宏微复合的思想，由校正增量条纹入手获得振动矢量，进而补偿并获得清晰编码图像。
本发明对比的编码图像必须具有相同的位置的一对完整的校正增量条纹，即一个定位条纹和增量条纹。
在实现高精度的位置测量的过程中，本发明根据宏微复合的思想，在抵消振动效果方面，以机械减振机构来弱化机械安装不当导致的运行过程机械振动，再利用图像对比来获得微振动并通过校正补偿单元来补偿CMOS/CCD传感器单元采集图像时的振动，从而从宏微两个方向对振动产生的影响进行校正和补偿。在图像获取振动矢量方面，从较容易识别的增量码入手，由位置校正条纹定位，区域校正特征点来获得振动矢量，并据此补偿校正振动运动来获得整体较清晰的编码图像，从而利用增量码和绝对码来获得准确的位置信息。最后，在编码读取方面，利用运动过程中由精度较低的增量编码条纹来获得带误差的位移值，在定位处由精度较高的绝对编码条纹获得较精准的误差补偿值，最终，结合两个码道获得的位移值从而获得精度较高的测量位移。
Claims (7)
1.一种绝对式光栅尺的防振读码装置，其特征在于包括有用于采集绝对光栅条纹和校正增量条纹的CMOS/CCD传感器阵列（1～4）、带微透镜阵列（5）的光学放大系统（6）、用于辅助校正振动方向和测量的带有绝对式编码（7）和校正增量条纹（8）的绝对式光栅尺（9）、FPGA驱动单元（10）、DSP图像处理单元（11）、校正补偿单元（12），其中带微透镜阵列（5）的光学放大系统（6）置于绝对式光栅尺（9）的上方，CMOS/CCD传感器阵列（1～4）呈2x2矩阵安装在CMOS/CCD传感器固定板（14）上，并置于光学放大系统(6)的放大图像信息的位置上,而CMOS/CCD传感器固定板（14）通过球铰链（15）安装到校正补偿单元（12）上，并以若干个压电陶瓷片（16～19）作为机构支撑点，绝对式光栅尺（9）的绝对式编码（7）和校正增量条纹（8）通过光学放大系统（6）放大并成像在CMOS/CCD传感器阵列（1～4）上，FPGA驱动模块（10）与FPGA驱动单元（10）及DSP图像处理单元（11）连接。
2.根据权利要求1所述的绝对式光栅尺的防振读码装置，其特征在于上述绝对式光栅尺（9）的编码方式是使用明条纹代表“1”，暗条纹代表“0”的明暗条纹进行编码。
3.根据权利要求1所述的绝对式光栅尺的防振读码装置，其特征在于上述绝对式光栅尺（9）的绝对式编码（7）采用二进制伪随机序列码，每一个绝对码都唯一标志光栅尺的一个绝对位置。
4.根据权利要求1所述的绝对式光栅尺的防振读码装置，其特征在于上述绝对式光栅尺（9）的校正增量条纹（8）的编码是明暗相间的“01”序列码，并在固定N条条纹后会增长相应条纹的长度用于标识位置，另外，在上述的条纹的基础上刻多了两个平行的横向条纹，其中，纵向条纹和横向条纹互相垂直。
5.根据权利要求1所述的绝对式光栅尺的防振读码装置，其特征在于上述CMOS/CCD传感器阵列（1～4）呈矩阵分布，每个CMOS/CCD传感器阵列（1～4）到绝对式光栅尺（9）码道上的高度一致，每个CMOS/CCD传感器阵列（1～4）彼此并排。
6.根据权利要求1所述的绝对式光栅尺的防振读码装置，其特征在于上述带微透镜阵列（5）的光学放大系统（6）的微透镜的布置方式按照CMOS/CCD传感器阵列的布置方式，确保每个CMOS/CCD传感器阵列（1～4）到透镜对应的小透镜单元的焦距一致。
7.根据权利要求1至6任一项所述的绝对式光栅尺的防振读码装置,其特征在于高精密光栅尺快速测量装置还设有机械减振单元（13），机械减振单元（13）是安装于高精密光栅尺快速测量装置底面的柔性减振单元，包括有弹簧机构及填充在弹簧机构周围的柔性材料。
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