CN103983195A - 一种高精密光栅尺快速测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种高精密光栅尺快速测量装置及其测量方法。测量装置包括有CMOS/CCD传感器阵列、光学放大系统、平行光光源、带有绝对式编码和增量式编码的绝对式光栅尺、指示光栅尺、对射传感器、FPGA驱动单元、DSP数据处理单元、校正补偿单元。本发明双码道光栅尺的绝对编码通过光学放大系统放大并成像到CMOS/CCD传感器阵列上，在快门速度足够快的条件下，由FPGA驱动单元有序逐个驱动CMOS/CCD传感器阵列来快速采集并获得图像，通过图像中的绝对编码解码出一个绝对位置距离，并通过增量码来获得一个带误差的增量距离，最终，综合两个测量距离获得一个高精度的位置信息。本发明是利用振动补偿来获得清晰的图像，并通过图像和计数来实现高精度的位移测量。

Description

一种高精密光栅尺快速测量装置及其方法

技术领域

本发明是一种高精密光栅尺快速测量装置及其测量方法，是一种处理工作在快速状态下的高精度的光栅尺快速采集图像的快速测量装置及其测量方法，属于高精密光栅尺快速测量装置及其测量方法的创新技术。

背景技术

光栅位移测量技术一直是位移测量的研究热点，因其可全闭环控制，提高加工精度，成本低等优势成为现代机加工行业数控机床主要的线性反馈元件。针对光栅测量技术，传统技术是基于光栅干涉或衍射来产生莫尔条纹，通过4倍频的相位细分技术来形成相位差为90°的正弦波，并将其用于脉冲计算来获得位移量和运行方向。另外，也有采用微处理元件和CMOS/CCD传感器等图像采集元件来获得条纹计算位移，但存在单纯利用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、振动等因素的影响等缺点，最重要的一点是难以快速拍摄。

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

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种高精密光栅尺快速测量装置。本发明运用快速运行状态下的“加特林”式的图像快速获取方式，并通过检测振动影响情况来驱动运动补偿单元达到图像清晰采集的效果，从而实现准确的位移测量。

本发明的另一目的在于提供一种操作简单，测量精度高，方便实用的高精密光栅尺快速测量方法。

本发明的技术方案是：本发明的高精密光栅尺快速测量装置, 包括有用于采集绝对光栅条纹和增量条纹的CMOS/CCD传感器阵列、光学放大系统、平行光光源、用于测量位移的带有绝对式编码和增量式编码的绝对式光栅尺、指示光栅尺、对射传感器、FPGA驱动单元、DSP数据处理单元、校正补偿单元,其中光学放大系统置于绝对式光栅尺的双码道条纹的上方，平行光光源置于绝对式光栅尺的下方，指示光栅尺置于绝对式光栅尺的增量式编码的上方，对射传感器装设在指示光栅尺的上方，CMOS/CCD传感器阵列呈条带状安装在CMOS/CCD传感器固定板的底面，并置于光学放大系统的放大图像信息的位置上, 校正补偿单元固装在CMOS/CCD传感器固定板的顶面, FPGA驱动模块与CMOS/CCD传感器阵列连接，有序地逐个驱动CMOS/CCD传感器阵列来采集四路光形成四幅图像，校正补偿单元检测振动情况并产生反向补偿运动，绝对式光栅尺的绝对式编码通过光学放大系统放大并成像在CMOS/CCD传感器阵列上，利用对射传感器来采集绝对式光栅尺的增量式编码在指示光栅尺作用下产生的条纹计数，FPGA驱动模块与DSP数据处理单元连接。

本发明高精密光栅尺快速测量装置的测量方法，包括如下步骤：

1）当装置启动时，初始化各部件，清空增量码计数器值                                                ；

2）通过CMOS/CCD阵列获得测量装置的绝对式编码图像，通过图像条纹解码获得起始绝对位置并贮存；

3）在振动补偿机构和“加特林”机枪式快拍的作用下，定时获得绝对式编码的图像，如果图像没法解析准确的位置信息，利用之前贮存的绝对位置，结合增量码采集到的当前计数器值，来重新获得一个准确的绝对位置，并利用替代初始化位置值，即，如果能够通过图像解析到当前的位置信息，通过之前的初始化绝对位置和通过增量码采集到的当前计数器值来校验图像解码的当前绝对位置；如果成立，则，否则，，其中，为计数器每计到一个数时尺移动的距离，即增量条纹的间隙；

4）在上述步骤3）的位置信息筛选基础上，利用检测精度较低的增量编码条纹的条纹个数来获得带误差的位移值，由精度较高的绝对编码条纹来获得较精准的误差补偿值，最终，结合两个码道的编码信息来获得的准确位移值，从而获得精度较高的测量位移。

本发明包括有双码道的绝对式光栅尺、指示光栅尺、光学放大系统、平行光光源、用于采集图像的呈条带状分布的CMOS/CCD阵列单元、对射传感器、FPGA驱动单元、DSP处理单元、运动校正补偿单元的结构。本发明双码道的绝对光栅尺中的绝对编码通过光学放大系统放大并成像到CMOS/CCD传感器阵列上，在快门速度足够快的条件下，由FPGA驱动单元有序逐个驱动CMOS/CCD传感器阵列来快速采集并获得图像，通过图像中的绝对编码解码出一个绝对位置距离，并通过增量码获得一个带误差的增量距离，综合两个测量距离获得一个高精度的位置信息。本发明通过振动补偿来获得清晰的图像，并通过图像和计数来实现高精度的位移测量。另外，本发明的运动校正补偿单元采用包括有陀螺仪传感器及压电陶瓷片组的结构，利用陀螺仪传感器来获得机构工作在运行状态下的振动角度和加速度，并实时驱动压电陶瓷片组来产生反向补偿运动，使得CMOS/CCD阵列进入光学结构的有效景深范围内。本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的高精密光栅尺快速测量装置。本发明的测量方法操作简单，方便实用，测量精度高。

附图说明

图1为本发明的快速读码和防振装置的构件组图；

图2为本发明的校正补偿模块的等轴视图；

图3为本发明的校正补偿模块的等轴视图（去掉上面板）；

图4为本发明的校正补偿模块的前视图；

图5为本发明的校正补偿模块的左视图；

图6为本发明的读码和存储流程图。

具体实施方式

实施例：

本发明的结构示意图如图1所示，本发明的高精密光栅尺快速测量装置,包括有用于采集绝对光栅条纹和增量条纹的CMOS/CCD传感器阵列1、2、3、4、光学放大系统5、平行光光源6、用于测量位移的带有绝对式编码7和增量式编码8的绝对式光栅尺9、指示光栅尺10、对射传感器11、FPGA驱动单元12、DSP数据处理单元13、校正补偿单元14,其中光学放大系统5置于绝对式光栅尺9的双码道条纹的上方，平行光光源6置于绝对式光栅尺9的下方，指示光栅尺10置于绝对式光栅尺9的增量式编码8的上方，对射传感器11装设在指示光栅尺10的上方，CMOS/CCD传感器阵列1～4呈条带状安装在CMOS/CCD传感器固定板15的底面，并置于光学放大系统5的放大图像信息的位置上, 校正补偿单元16固装在CMOS/CCD传感器固定板15的顶面, FPGA驱动模块12与CMOS/CCD传感器阵列1～4连接，有序地逐个驱动CMOS/CCD传感器阵列1～4来采集四路光形成四幅图像，校正补偿单元16检测振动情况并产生反向补偿运动，绝对式光栅尺9的绝对式编码7通过光学放大系统5放大并成像在CMOS/CCD传感器阵列1～4上，利用对射传感器11来采集绝对式光栅尺9的增量式编码8在指示光栅尺10作用下产生的条纹计数，FPGA驱动模块12与DSP数据处理单元13连接。图像的获取和对比过程是通过FPGA驱动模块12有序地逐个驱动CMOS/CCD传感器阵列1～4来采集四路光形成四幅图像,并通过DSP数据处理单元13对采集到的四幅图像进行前期预处理和对比，从而获得四幅图像中比较清晰的编码图像，并利用编码图像来得到一个准确的位置信息并贮存。上述FPGA驱动模块12驱动上述呈条带状的CMOS/CCD传感器阵列采集图像，驱动的方式是有序逐个的驱动，实现“加特林”机枪式的快拍。

本实施例中，上述对射传感器11为红外光电对管或其他对射传感器。

本实施例中，上述校正补偿单元16包括有利用陀螺仪传感器17及压电陶瓷片组18～21，陀螺仪传感器17安装在CMOS/CCD传感器固定板15顶面的几何中心，压电陶瓷片组18～21呈对称布置于陀螺仪传感器17 的四周，位于补偿机构上面板27与CMOS/CCD传感器固定板15之间，校正补偿单元16利用陀螺仪传感器17来检测振动情况，实时检测运动过程中的CMOS/CCD传感器阵列1～4的振动扭动角、变化频率及机构加速度，通过压电陶瓷片组18～21来产生反向补偿运动，利用压电陶瓷片的性质，根据上述的扭动角，驱动压电陶瓷片产生相应的跳动运动来补偿机构的振动，使得在跳动过程中CMOS/CCD传感器阵列1～4进入有效的景深范围内来获得清晰的图像。

本实施例中，上述补偿机构上面板27及CMOS/CCD传感器固定板15对角线的的四个位置分别套装在四个导轨上，补偿机构上面板27及CMOS/CCD传感器固定板15能沿着四个导轨上下移动，另外，四个导轨上分别装设有弹簧23-26，通过弹簧23～26来限制移动范围和消振。

本实施例中，上述CMOS/CCD传感器阵列1～4呈对称布置于CMOS/CCD阵列固定板15 的下表面。

本实施例中，高精密光栅尺快速测量装置还设有机械减振单元22，机械减振单元22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22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22是整个检测系统的机械减振机构。

本实施例中，上述绝对式光栅尺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，每一个绝对码唯一标志光栅尺的一个绝对位置，绝对式光栅尺9的增量式编码8是明暗相间的“01”序列码，两种码的码宽相同，且上下绝对对齐。

本实施例中，上述CMOS/CCD传感器阵列1～4呈条带状分布，每个CMOS/CCD传感器阵列单元的中心到绝对式光栅尺9的绝对式编码7的正中间的高度一致，每个单元彼此绝对并排。

本实施例中，上述利用FPGA驱动模块来驱动上述呈条带状的CMOS/CCD传感器阵列采集图像，驱动的方式是有序逐个的驱动，实现“加特林”机枪式的快拍。

本发明高精密光栅尺快速测量装置的测量方法，包括如下步骤：

1）当装置启动时，初始化各部件，清空增量码计数器值；

2）通过CMOS/CCD阵列获得测量装置的绝对式编码图像，通过图像条纹解码获得起始绝对位置并贮存；

3）在振动补偿机构和“加特林”机枪式快拍的作用下，定时获得绝对式编码的图像，如果图像没法解析准确的位置信息，利用之前贮存的绝对位置，结合增量码采集到的当前计数器值，来重新获得一个准确的绝对位置，并利用替代初始化位置值，即，如果能够通过图像解析到当前的位置信息，通过之前的初始化绝对位置和通过增量码采集到的当前计数器值来校验图像解码的当前绝对位置；如果成立，则，否则，，其中，为计数器每计到一个数时尺移动的距离，即增量条纹的间隙；

4）在实现高精度的快速测量和减振的过程中，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，再利用检测到的振动频率和加速度来获得微振动，并通过校正补偿单元来补偿CMOS/CCD传感器单元采集图像时受振动的影响，使其进入有效的景深范围内，从而，利用宏微两个方向对振动对检测精度产生的影响进行检测及补偿。在位置编码读取方面，在运动过程中，在上述步骤3）的位置信息筛选基础上，利用检测精度较低的增量编码条纹的条纹个数来获得带误差的位移值，在定位处，由于速度降低，故采集到的绝对编码图像较清晰，由精度较高的绝对编码条纹来获得较精准的误差补偿值，最终，结合两个码道的编码信息来获得的准确位移值，从而获得精度较高的测量位移。

本发明结合增量码和绝对码来获得准确的位置信息，其中，通过红外光电对管/其他对射传感器来获取双码道的光栅尺的增量码和指示光栅形成的条纹的位置信息，利用CMOS/CCD阵列采集的绝对码图像来获得较准确的位置信息。本发明位置信息的贮存方式，当绝对码信息较为清晰时，利用增量码来获得一个校正位置信息，并将准确位置贮存，当绝对码图像无法正确识别时，通过增量码获得的位置信息结合模糊图像来补偿之前的准确位置信息。

本发明利用陀螺仪来获得运动过程的振动扭角和加速度，从而利用压电陶瓷片组来产生一个反向运动来补偿运动，使得CMOS/CCD传感器阵列进入景深范围内来获得清晰的图像。本发明图像必须具有一对完整的编码条纹。

考虑到CMOS/CCD阵列的成像原理，CMOS/CCD的光电二极管感应外界物体的光照强度需要时间，特别是获取工作在快速运行的状况下的物体的图像，容易照成图像的拖影和重影等问题。本发明在快门速度足够快的情况下，利用FPGA驱动模块来驱动上述呈条带状的CMOS/CCD阵列采集图像，驱动的方式是有序逐个驱动，如图4所示，实现“加特林”机枪式的快拍，使得每个CMOS有足够的反应时间。另外，配合上述的减振机构获得机构加速度来控制快门速度，加速度越快，快门的速度越快。

本发明包括有用于采集绝对光栅条纹和增量条纹的CMOS/CCD传感器阵列、光学放大系统、用于测量位移的带有绝对式编码和增量式编码的绝对式光栅尺、指示光栅尺、红外光电对管/其他对射传感器、FPGA驱动单元、DSP数据处理单元、校正补偿单元及机械减振单元组成光栅尺位移高精度测量系统。由FPGA驱动CMOS/CCD传感器阵列来实现“加特林”机枪式的图像快速采集，并通过根据传感器检测的振动情况来驱动振动补偿单元产生反向的形变，使得CMOS/CCD传感器阵列进入有效的景深范围，从而获得清晰的编码图像。

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，再利用传感器来获得微振动的矢量，并通过校正补偿单元来实时补偿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。

本发明根据宏微复合的思想，由光栅尺的绝对式编码来获得较准确的位置信息，并通过位置信息累积剔除的方式，结合增量式编码来获得一个带有误差的校正位置信息，当运行过程中位置的准确信息获得时重新累积位置信息。

Claims (10)

1.一种高精密光栅尺快速测量装置,其特征在于包括有用于采集绝对光栅条纹和增量条纹的CMOS/CCD传感器阵列（1-4）、光学放大系统（5）、平行光光源（6）、用于测量位移的带有绝对式编码（7）和增量式编码（8）的绝对式光栅尺（9）、指示光栅尺（10）、对射传感器（11）、FPGA驱动单元（12）、DSP数据处理单元（13）、校正补偿单元（14）,其中光学放大系统（5）置于绝对式光栅尺（9）的双码道条纹的上方，平行光光源（6）置于绝对式光栅尺（9）的下方，指示光栅尺（10）置于绝对式光栅尺（9）的增量式编码（8）的上方，对射传感器（11）装设在指示光栅尺（10）的上方，CMOS/CCD传感器阵列（1-4）呈条带状安装在CMOS/CCD传感器固定板（15）的底面，并置于光学放大系统(5)的放大图像信息的位置上, 校正补偿单元（16）固装在CMOS/CCD传感器固定板（15）的顶面, FPGA驱动模块（12）与CMOS/CCD传感器阵列（1-4）连接，有序地逐个驱动CMOS/CCD传感器阵列（1-4）来采集四路光形成四幅图像，校正补偿单元（16）检测振动情况并产生反向补偿运动，绝对式光栅尺（9）的绝对式编码（7）通过光学放大系统（5）放大并成像在CMOS/CCD传感器阵列（1-4）上，利用对射传感器（11）来采集绝对式光栅尺（9）的增量式编码（8）在指示光栅尺（10）作用下产生的条纹计数，FPGA驱动模块（12）与DSP数据处理单元（13）连接。

2.根据权利要求1所述的高精密光栅尺快速测量装置,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（22），机械减振单元（22）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。

3.根据权利要求1所述的高精密光栅尺快速测量和防振装置,其特征在于上述对射传感器（11）为红外光电对管。

4.根据权利要求1所述的高精密光栅尺快速测量和防振装置,其特征在于上述校正补偿单元（16）包括有利用陀螺仪传感器（17）及压电陶瓷片组（18-21），陀螺仪传感器（17）安装在CMOS/CCD传感器固定板（15）顶面的几何中心，压电陶瓷片组（18-21）呈对称布置于陀螺仪传感器（17） 的四周，位于补偿机构上面板（27）与CMOS/CCD传感器固定板（15）之间，补偿机构上面板（27）及CMOS/CCD传感器固定板（15）能上下移动。

5.根据权利要求1所述的高精密光栅尺快速测量和防振装置,其特征在于上述补偿机构上面板（27）及CMOS/CCD传感器固定板（15）对角线上的四个位置分别套装在四个导轨上，补偿机构上面板（27）及CMOS/CCD传感器固定板（15）能沿着四个导轨上下移动，四个导轨上装设有分别装设有用于限制移动范围和消振的弹簧（23-26）。

6.根据权利要求1所述的高精密光栅尺快速测量和防振装置,其特征在于上述CMOS/CCD传感器阵列（1-4）呈对称布置于CMOS/CCD阵列固定板(15) 的下表面。

7.根据权利要求1所述的高精密光栅尺快速测量和防振装置,其特征在于上述绝对式光栅尺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。

8.根据权利要求1至7任一项所述的高精密光栅尺快速测量和防振装置,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上的一个绝对位置，绝对式光栅尺（9）的增量式编码（8）是明暗相间的“01”序列码，两种码的码宽相同，且上下绝对对齐。

9.根据权利要求8所述的高精密光栅尺快速测量和防振装置,其特征在于上述CMOS/CCD传感器阵列（1-4）呈条带状分布，每个CMOS/CCD传感器阵列单元的中心到绝对式光栅尺（9）的绝对式编码（7）的正中间的高度一致，每个单元彼此绝对并排。

10.一种高精密光栅尺快速测量装置的测量方法，其特征在于包括如下步骤：

1）当装置启动时，初始化各部件，清空增量码计数器值；

2）通过CMOS/CCD阵列获得测量装置的绝对式编码图像，通过图像条纹解码获得起始绝对位置并贮存；

3）在振动补偿机构和“加特林”机枪式快拍的作用下，定时获得绝对式编码的图像，如果图像没法解析准确的位置信息，利用之前贮存的绝对位置，结合增量码采集到的当前计数器值，来重新获得一个准确的绝对位置，并利用替代初始化位置值，即，如果能够通过图像解析到当前的位置信息，通过之前的初始化绝对位置和通过增量码采集到的当前计数器值来校验图像解码的当前绝对位置；如果成立，则，否则，，其中，为计数器每计到一个数时尺移动的距离，即增量条纹的间隙；

4）在上述步骤3）的位置信息筛选基础上，利用检测精度较低的增量编码条纹的条纹个数来获得带误差的位移值，由精度较高的绝对编码条纹来获得较精准的误差补偿值，最终，结合两个码道的编码信息来获得的准确位移值，从而获得精度较高的测量位移。