CN104713479B

CN104713479B - 一种绝对式直线光栅尺及其编码方法

Info

Publication number: CN104713479B
Application number: CN201510105889.4A
Authority: CN
Inventors: 张传敏; 黄志良; 张松涛
Original assignee: ZHUHAI EASSON MEASUREMENT TECHNOLOGY Ltd; Zhuhai College of Jilin University
Current assignee: Zhuhai Easson Measurement Technology Ltd.; Zhuhai College of Jilin University
Priority date: 2015-03-11
Filing date: 2015-03-11
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2035-03-11
Also published as: CN104713479A

Abstract

本发明旨在提供一种制作方便、测量快速且测量精度高的直线光栅尺以及该光栅尺码道的编码方法。本发明通过一种编码方法，得到一串伪随机编码，可以把刻线按照伪随机编码标记在光栅尺的绝对码道上，产生一条连续的带编码信息的绝对式刻线；当每次开启或复位时，不需要移动就可以读取直线光栅尺的绝对位置信号信息；在工作状态下也能随时准确快速的读取当前的绝对位置信号信息。本发明可应用于测量领域。

Description

一种绝对式直线光栅尺及其编码方法

技术领域

本发明涉及一种测量装置，尤其涉及一种绝对式直线光栅尺及其编码方法。

背景技术

直线光栅尺是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。直线光栅尺经常应用于机床与现在加工中心以及测量仪器等方面。目前国内的直线光栅尺多数是增量式光栅，这种光栅尺的缺陷是每次开启或复位时都要找基准零位，即读数头要沿尺身来回运动，通常说的找尺中，浪费时间。另外当直线光栅尺快速运动或受到电磁干扰会出现失步丢数，影响精确度。

在很多情况下要知道读数头的绝对位置是非常必要的，可以快速的确定直线光栅尺的绝对位置，在使用时就会更加方便。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种制作方便、测量快速且测量精度高的直线光栅尺以及该光栅尺码道的编码方法。

本发明所述绝对式直线光栅尺所采用的技术方案是：本发明包括读数头装置和尺身，在所述读数头装置内设置有CPU,在所述尺身内设置有玻璃光栅，所述玻璃光栅上刻有绝对码道和增量码道，所述绝对码道是一条连续的非等间距排列的光栅刻线，这条光栅刻线是按照伪随机编码排列，增量码道是一条等间距排列周期性光栅刻线，所述读数头内设有光学扫描装置，当所述读数头装置沿尺身运动时，通过所述读数头装置内的所述光学扫描装置扫描所述玻璃光栅上的光栅刻线产生光电信号，该光电信号通过信号处理单元处理后，得到绝对式光栅尺的位置信息，确定直线光栅尺的绝对位置。

更进一步地，所述光学扫描装置为线阵CCD感应器和光电感应器组成的光学扫描装置，进行光电发射和接收。

本发明中，上述绝对式直线光栅尺上的码道编码方法所采用的技术方案是，该编码方法对玻璃光栅上的码道进行编码制作，该方法包括以下步骤：

（1）通过伪随机编码方法，得到三个伪随机序列m₁、m₂、m₃，每个伪随机序列采用周期循环的伪随机序列进行编码，分别选用10位、7位、3位序列伪随机码，周期分别是2¹⁰-1=1023、2⁷-1=127、2³-1=7,三个伪随机序列m₁、m₂、m₃的位元分别为1023个、127个、7个，三个伪随机序列分别为：

伪随机序列m₁：11111111110000000111000011 …… 11011100111000111000，

伪随机序列m₂：111111100001110111100101100 …… 00101000110111000，

伪随机序列m₃：1110010；

（2）由三个伪随机序列m₁、m₂、m₃按周期循环的排列得到相应的伪随机序列码m_a、m_b、m_c，其中，m₁共循环127×7次得到m_a，m_a伪随机序列码共有909447个位元；m₂共循环1023×7次得到m_b，m_b伪随机序列码共有909447个位元；m₃共循环1023×127次得到m_c，m_c伪随机序列码共有909447个位元；

（3）将伪随机序列码m_a、m_b、m_c进行复合得到复合代码序列W_n，其中n为1～909447的任意整数，每个复合代码W_n由三个位元组合而成，这三个位元分别从伪随机序列码m_a、m_b、m_c中按顺序抽取，复合代码序列W_n共有909447×3个位元，每个位元对应绝对码道上的一个条纹，其中位元值0代为代表暗条纹，位元值1代表明条纹；

（4）以十个复合代码为一个单位进行扫描并译码，每十个复合代码对应于伪随机序列m_a、m_b、m_c分别得到三个译码值，该三个译码值确定玻璃光栅上的一个绝对位置；

（5）对复合代码全部进行译码，每三个译码对应一个绝对位置，将整条光栅尺上的绝对位置刻线得到绝对码道，并将对应的数值制成数据表且存储到所述读数头装置内的CPU内；

（6）在玻璃光栅上的增量码道上均匀排列设置增量线纹，其中明线纹和暗线纹的宽度相等，每组复合代码W_n对应条纹的边沿和增量线纹的边沿对齐，每组复合代码的线纹宽度等于增量光栅线纹周期。

进一步地，在所述步骤（1）中，所述伪随机序列m₁、m₂、m₃通过以下步骤分别得到1023个位元、127个位元、7个位元：

（a）伪随机序列m₁：设定十个位元为一组，后一组位元中的第一位由前一组位元中的第十位加第七位生成，后一组位元中的第二至第十位由前一组位元中的第一至九位后移一位而得到，以此类推，得到1023个10位伪随机序列m₁；

（b）伪随机序列m₂：设定七个位元为一组，后一组位元中的第一位由前一组位元中的第七位加第四位生成，后一组位元中的第二至第七位由前一组位元中的第一至六位后移一位而得到，以此类推，得到127个7位伪随机序列m₂；

（c）伪随机序列m₃：设定三个位元为一组，后一组位元中的第一位由前一组位元中的第三位加第二位生成，后一组位元中的第二至第三位由前一组位元中的第一至六位后移一位而得到，以此类推，得到7个3位伪随机序列m₂；

其中，位元值1和位元值0的加法约定如下：1+1=0，0+0=0，1+0=1，0+1=1。

更进一步地，当光学扫描装置扫描三个或以上相互顺序的复合代码组，如果译码值和位元序列的关系不一致，所述CPU产生出错信号，并舍弃出错数据，继续扫描临近区域的多个复合代码组，直到多个复合代码组的译码值和位元序列关系一致，才读出正确的实时位置。

本发明的有益效果是：本发明通过伪随机编码方法，得到一串0、1代码位元组成的绝对编码序列，在这串编码序列中任意抽取10个复合代码，通过译码都具有唯一性，把这串0和1的绝对编码位元应用到直线光栅尺中绝对码道中，0代表不透光，1代表透光，每个复合代码的宽度等于增量线纹的周期，把具有这串位元组成的绝对编码序列转变成光栅刻线标记在光栅尺的绝对码道上，产生一条连续的带编码信息的绝对式编码刻线。当每次开启或复位时，读数头装置内的光电传感器可以扫描到绝对码道上的大于10个复合代码的长度的带编码信息的刻线，不需要移动就可以读取直线光栅尺的绝对位置信号信息；在工作状态下也能随时准确快速的读取当前的绝对位置信号信息。所以，本发明编码方法制作得到的光栅尺测量精度高且测量快速，该光栅尺的制作方法也简单方便，在完成编码后，即可进行刻线制作，成本低。

附图说明

图1是伪随机序列位元产生方法示意图；

图2是位元序列的译码值对应的绝对位置关系图；

图3是复合代码、绝对码道和增量码道的对应关系图；

图4是复合代码的对应关系图；

图5是绝对位置关系纠错示意图；

图6是扫描装置扫描绝对码道线纹示意图。

具体实施方式

在本实施例中，本发明所述光栅尺包括测量运动的读数头装置和固定的尺身装置。尺身内有玻璃光栅，玻璃光栅上刻有绝对码道和增量码道，绝对码道上是一条连续的非等间距排列的光栅刻线，这条光栅刻线是按照伪随机编码排列，增量码道上是一条等间距排列周期性光栅刻线。读数头内设有线阵CCD感应器和光电感应器等光学扫描装置，具有光电发射、接收等功能；当读数头装置沿尺身运动时，通过读数头装置内光学扫描装置扫描玻璃光栅上的光栅刻线产生光电信号。通过信号处理单元处理后，得到绝对式光栅尺的位置信息。可以确定直线光栅尺的绝对位置。

玻璃光栅上的绝对码道的刻线是通过伪随机编码的方法获得的。下面，以具体的实施例来对本发明作进一步的说明。

本发明通过伪随机编码的方法，得到3个三个伪随机序列m₁、m₂、m₃，每个伪随机序列采用周期循环的伪随机序列进行编码，选用10位、7位、3位序列伪随机码，周期分别是2¹⁰-1=1023、2⁷-1=127、2³-1=7,产生三个伪随机序列：

（1）伪随机序列m₁：11111111110000000111000011……11011100111000111000，设伪随机序列m₁中的位元为a（a₁、a₂、a₃……a₁₀₂₁、a₁₀₂₂、a₁₀₂₃)，共1023个位元：11111111110000000111000011…… 11011100111000111000。1023个位元的产生方法是通过第十位码加第七位的值生成第一位（其中1+1=0、0+0=0、1+0=1、0+1=1），其余位元后移一位得到第二组10位码，以此类推得到1023个10位伪随机序列m₁（见图1）。

（2）伪随机序列m₂：111111100001110111100101100……00101000110111000。设伪随机序列m₂中的位元为b（b₁、b₂、b₃……b₁₂₅、b₁₂₆、b₁₂₇),共127个位元：111111100001110111100101100……00101000110111000。127个位元的产生方法是通过第7位码加第4位的值生成第1位（其中1+1=0、0+0=0、1+0=1、0+1=1），其余位元后移1位得到第二组7位码，以此类推得到127个7位伪随机序列m₂（见图1）。

（3）伪随机序列m₃：1110010。设伪随机序列m₃中的位元为c(c₁、c₂、c₃、c₄、c₅、c₆、c₇），共7个位元1110010。7个位元的产生方法是通过第3位码加第2位的值生成第1位（其中1+1=0、0+0=0、1+0=1、0+1=1），其余后移1位得到第二组3位代码，以此类推得到7个3位伪随机序列m₃（见图1）。

由三个伪随机序列m₁、m₂、m₃按周期循环的排列得到相应的伪随机序列码m_a、m_b、m_c，其中M_a伪随机序列由伪随机序列m₁：11111111110000000111000011 ……11011100111000111000按周期循环的排列得到，共循环127×7次,伪随机序列m₁共有1023个位元，M_a伪随机序列共有1023×127×7=909447个位元；M_b伪随机序列由伪随机序列m₂111111100001110111100101100 …… 00101000110111000按周期循环的排列得到，共循环1023×7次,伪随机序列m₂共有127个位元，M_b伪随机序列共也有1023×127×7=909447个位元；M_c伪随机序列由伪随机序列m₃：1110010按周期循环的排列得到，共循环1023×127次,伪随机序列m₂共有7个位元，M_c伪随机序列共也有1023×127×7=909447个位元。

将伪随机序列码m_a、m_b、m_c进行复合得到复合代码序列W_n，其中n为1～909447的任意整数，W_n是一个复合代码，每个复合代码由3个位元组合在一起，这3个位元分别从M_a伪随机序列、M_b伪随机序列、M_c伪随机序列抽取。复合代码W_n由位元abc组成，W₁(a₁、b₁、c₁),W₂(a₂、b₂、c₂)，W₃(a₃、b₃、c₃)，……。W_n伪随机序列由W_1、W_2、W₃……W_909445、W_909446、W₉₀₉₄₄₇组成，W_n伪随机序列共有909447×3个位元，每个位元对应一个条纹（0代表暗条纹，1代表明条纹）。扫描W_1、W_2、W₃……W₁₀共10个复合代码，对复合代码进行以下如图2所示的解码，可以对应一个绝对位置。图2示出了上中下三排十进制数对应伪随机序列的译码值，例如：序列M_a的1111111111对应译码值为1023，序列M_b的1111111对应的译码值为127，序列M_c的111对应的译码值为7，即三个译码值1023、127和7对应位置为0；又如，序列M_a的1100000111（译码值775）、序列M_b的0001110（译码值112）、序列M_c的101（译码值6）对应位置为8；再如，序列M_a的0100111110对应译码值为318、序列M_b的0100100对应的译码值为36、序列M_c的101对应的译码值为5，即三个译码值318、36和5对应位置为26；……。每一个绝对位置都对应3个译码值。由于1023、127和7互质，可对应的绝对位置有1023×127×7=909447个。每3个译码值对应1个绝对位置，把整条光栅尺上的绝对位置对应的数值制成数据表，存储到读数头装置内的CPU内。采用3位伪随机码组合成复合代码，就是把3个伪随机序列组合成一个序列，每个复码由3个位元组成，分别从3个序列中各抽取一个位元，抽取10个伪随机复合代码，可以解码3个译码值，每3个译码值对应1个绝对位置，每位复合代码的边沿和增量线纹的边沿对齐，每组复合码的线纹宽度等于增量光栅线纹周期。

如图3所示，其中1是绝对码道，2是增量码道，3是线纹边沿。图3中1是绝对码道，每个线纹摆放一个W复合代码，W是一个复合代码。增量码道2上均匀排列增量线纹，明线纹和暗线纹的宽度相等。每个复合代码W对应一组增量线纹，复合代码W等于一个增量周期。每个复合代码W的线纹边沿和增量线纹的边沿对齐，每个复合代码W代表一个数值。

扫描10个复合代码W₁、W₂、W₃……W₁₀，对复合代码进行解码，按照解码方法，得到3个译码值，3个译码值对应1个绝对位置，从储存的数据里可以找到对应的绝对位置值。W_n伪随机序列由W_1、W_2、W₃……W_909445、W_909446、W₉₀₉₄₄₇组成，每个复合代码W_n都对应一个绝对位置。如图5所示有909447个绝对位置。

把3个伪随机序列组合成一个序列，每个复合代码由3个位元组成，分别从3个序列中各抽取一个位元，抽取10个复合代码，每个复合代码和一组增量线纹对齐，每组复合代码的线纹宽度等于增量光栅线纹周期。

当每次开启或复位时，读数头内的光电传感器可以扫描10个复合代码，不需要移动就可以读取直线光栅尺的绝对位置信号信息。在工作状态下也能随时准确快速的读取当前的绝对位置信号信息。

图6示出了扫描装置扫描绝对码道线纹的示意图。比如扫描第1组10个复合代码译码后对应的绝对位置是0，那么扫描第2组10个复合代码译码后对应的绝对位置应该是10，扫描第3组10个复合代码译码后对应的绝对位置应该是20，扫描第4组10个复合代码译码后对应的绝对位置应该是30，如果扫描过程中出现10个复合代码译码后对应的绝对位置关系不正确，将会报错后继续扫描下一组10个复合代码。直到10个复合代码译码后对应的绝对位置关系一致，才读出正确的实时位置。

如图5所示，因为光栅尺的线纹受到灰尘油渍等因素影响，导致扫描装置扫描线纹时出错，为了提高光栅尺的读数的可靠性，构成至少需要扫描3个以上完全不同的10个复合代码，通过查表的方法从储存的数据库里查到所对应的当前的绝对位置，把对应的实际距离和额定距离比对，采用识别正确的代码复合码作为当前的绝对位置，必须同时扫描多个代码复合码，通常采用相邻的多组10位复合代码所对应的位置比较，与译码后的绝对位置一致，确保测量的可靠性。

扫描装置扫描3个以上相互顺序的复合码组，如果译码值和位元序列的关系不一致，会产生出错信号，将舍弃出错数据，继续扫描临近区域的多个复合码组，直到多个复合码组的译码值和位元序列关系一致，才读出正确的实时位置。

本发明所述光栅尺在每次开启或复位时，不需要移动就可以读取直线光栅尺的绝对位置信号信息，从而大大的提高了机床的工作效率。在工作状态下，当快速运动或受到电磁干扰会出现失步、丢数时，这种绝对式直线光栅尺能随时准确快速的读取当前的绝对位置信号信息，达到校验和修正的效果，提高了精确度。

本发明可应用于测量领域。

Claims

1.一种绝对式直线光栅尺的编码方法，所述绝对式直线光栅尺包括读数头装置和尺身，在所述读数头装置内设置有CPU,在所述尺身内设置有玻璃光栅，所述玻璃光栅上刻有绝对码道和增量码道，所述绝对码道是一条连续的非等间距排列的光栅刻线，这条光栅刻线是按照伪随机编码排列，增量码道是一条等间距排列周期性光栅刻线，所述读数头内设有光学扫描装置，当所述读数头装置沿尺身运动时，通过所述读数头装置内的所述光学扫描装置扫描所述玻璃光栅上的光栅刻线产生光电信号，该光电信号通过信号处理单元处理后，得到绝对式光栅尺的位置信息，确定直线光栅尺的绝对位置；该编码方法对玻璃光栅上的码道进行编码制作，其特征在于，该方法包括以下步骤：

伪随机序列m₁：11111111110000000111000011 …… 11011100111000111000，

伪随机序列m₂：111111100001110111100101100 …… 00101000110111000，

伪随机序列m₃：1110010；

（3）将伪随机序列码m_a、m_b、m_c进行复合得到复合代码序列W_n，其中n为1～909447的任意整数，每个复合代码W_n由三个位元组合而成，这三个位元分别从伪随机序列码m_a、m_b、m_c中按顺序抽取，复合代码序列W_n共有909447×3个位元，每个位元对应绝对码道上的一个条纹，其中位元值0代表暗条纹，位元值1代表明条纹；

2.根据权利要求1所述的一种绝对式直线光栅尺的编码方法，其特征在于：所述光学扫描装置为线阵CCD感应器和光电感应器组成的光学扫描装置，进行光电发射和接收。

3.根据权利要求1所述的一种绝对式直线光栅尺的编码方法，其特征在于，在所述步骤（1）中，所述伪随机序列m₁、m₂、m₃通过以下步骤分别得到1023个位元、127个位元、7个位元：

4.根据权利要求1所述的一种绝对式直线光栅尺的编码方法，其特征在于：当光学扫描装置扫描三个或以上相互顺序的复合代码组，如果译码值和位元序列的关系不一致，所述CPU产生出错信号，并舍弃出错数据，继续扫描临近区域的多个复合代码组，直到多个复合代码组的译码值和位元序列关系一致，才读出正确的实时位置。