CN105783715A - 一种绝对式光栅尺测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了本发明的一种绝对式光栅尺测量装置及测量方法，该测量装置包括光栅尺主体、光学放大系统、图像采集模块和信号处理模块，光栅尺主体上设有多个编码轨道，各编码轨道均包括多个均匀地呈周期排列的光栅条纹，且各编码轨道分别具有不同周期，光学放大系统用于收集经编码轨道反射或透射的光线并会聚入射到图像采集模块上，图像采集模块用于采集到达的光信号后获得当前测量位置的测量图像并发送到信号处理模块，信号处理模块用于对测量图像进行图像处理后解析获得多个编码轨道的测量值进而计算获得绝对式光栅尺的绝对位置测量值。本发明刻蚀难度低、降低了制造成本，而且测量准确度高，可广泛应用于光栅测量行业中。

Description

一种绝对式光栅尺测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及光栅尺测量领域，特别是涉及一种绝对式光栅尺测量装置及其测量方法。

背景技术

目前常用的光栅尺可以分为增量式光栅尺、半绝对式光栅尺以及绝对式光栅尺三种，在数控机床制造行业广泛应用。增量式光栅尺是最常用的高精密测量装置，它有一个绝对零点标志，其后标尺光栅等距分布，读数头相对标尺光栅运动，经过的栅格所形成的莫尔条纹会经过电信号处理，得到相对绝对零点的距离。这种测量模式简单易行，但在使用中，由于必须每次回到绝对零点附近重新定标，所以工作效率难以大幅提高。为适应数控机床升级的需要，半绝对式光栅尺逐渐得到普遍使用。半绝对式光栅是在增量光栅上设置绝对轨，在绝对轨上设计了用不同距离编码的一系列零位光栅，使用时通过探测相邻零位光栅的距离来确定绝对位置，大大减少了回零的时间，提高了工作效率，此外，这类光栅尺出现故障时还能即时向数控机床发出报警信号，以保证加工的安全性。近来，绝对光栅尺的出现引发了装备制造业革命性进步，相比半绝对式光栅尺，绝对编码光栅尺有更多优势，由于在任何点都有相应绝对唯一的码值，所以没有累计误差，具有测量精度高、抗干扰能力强、稳定性高等特点，并且还可以进行非线性修正。另外绝对编码范围大，所以可测量较大量程的线性位移。绝对光栅尺的结构相对简单，其关键点在于绝对编码的实现，及每一个绝对编码对应着光栅标尺上的一个绝对位置，将出发点到终止点的绝对位置相减就可以得到相对的移动距离，避免了累计误差，也消除了回读零点的工序。但是绝对式光栅尺的主要缺点是在高精度测量速度较慢，解码时错码率高，而且，现今的绝对式光栅尺编码码道上栅线要求间距很小，并且所需精度越高栅线间距就需要越小，制作成本大大提高，而且这种方式存在编码范围的限制，给测量范围的扩大带来限制，而且光栅码道微小的制作误差，将会使个别码道提前或延后，这会造成输出信号的误差。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种绝对式光栅尺测量装置，本发明的另一目的是提供及一种绝对式光栅尺测量装置的测量方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种绝对式光栅尺测量装置，包括光栅尺主体、光学放大系统、图像采集模块和信号处理模块，所述光栅尺主体上设有多个编码轨道，各所述编码轨道均包括多个均匀地呈周期排列的光栅条纹，且各编码轨道分别具有不同周期，所述光学放大系统用于收集经编码轨道反射或透射的光线并会聚入射到图像采集模块上，所述图像采集模块用于采集到达的光信号后获得当前测量位置的测量图像并发送到信号处理模块，所述信号处理模块用于对测量图像进行图像处理后解析获得多个编码轨道的测量值进而计算获得绝对式光栅尺的绝对位置测量值。

进一步，各所述编码轨道具有不同的测量精度，且相邻的编码轨道中，测量精度较高的编码轨道的周期长度等于测量精度较低的编码轨道的最小刻度。

进一步，所述编码轨道的数量共三个，分别为第一编码轨道、第二编码轨道和第三编码轨道，所述第一编码轨道包括多个均匀排列且与水平面呈45度角的光栅条纹，所述第二编码轨道和第三编码轨道均包括多个在水平方向上依次排列的长度相同且排列高度依次递增的光栅条纹，所述第二编码轨道的光栅条纹的长度与第一编码轨道的光栅条纹在水平方向的投影长度相同，所述第三编码轨道的光栅条纹的长度等于第二编码轨道的周期长度。

进一步，还包括第四编码轨道，所述第四编码轨道包括多个在水平方向上依次排列的长度相同且排列高度依次递增的光栅条纹，且所述第四编码轨道的光栅条纹的长度等于第三编码轨道的周期长度。

进一步，所述图像采集模块采用线阵CMOS传感器或线阵CCD传感器。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：

所述的一种绝对式光栅尺测量装置的测量方法，包括步骤：

S1、将光栅尺主体安装在待测物体上，并驱动待测物体进行移动；

S2、光学放大系统收集经编码轨道反射或透射的光线并会聚入射到图像采集模块上；

S3、图像采集模块采集到达的光信号后获得当前测量位置的测量图像并发送到信号处理模块；

S4、信号处理模块对测量图像进行图像处理后解析获得多个编码轨道的测量值进而计算获得绝对式光栅尺的绝对位置测量值。

进一步，所述步骤S4，具体包括：

S41、信号处理模块对测量图像进行预处理后，分割获得对应多个编码轨道的测量图像块；

S42、分别对多个测量图像块进行二值化处理后，获取每个测量图像块中采集到的编码点与对应的编码轨道的底部之间的距离；

S43、结合每个编码轨道的光栅条纹在水平方向的投影长度，计算获得绝对式光栅尺的绝对位置测量值。

进一步，所述步骤S43，其具体为：

结合每个编码轨道的光栅条纹在水平方向的投影长度，根据下式计算获得绝对式光栅尺的绝对位置测量值：

d=l₁×d₁+l₂×(d₂/△2)+…+l_n×(d_n/△n)

上式中，d表示绝对位置测量值，d₁表示第一编码轨道对应的测量图像块中的编码点与该编码轨道的底部之间的距离，d₂表示第二编码轨道对应的测量图像块中的编码点与该编码轨道的底部之间的距离，d_n表示第n个编码轨道对应的测量图像块中的编码点与该编码轨道的底部之间的距离，n为自然数，l₁、l₂和l_n分别表示第一编码轨道、第二编码轨道和第n个编码轨道的每个光栅条纹在水平方向上的投影长度，△2表示第二编码轨道的相邻两个光栅条纹之间的排列高度差，△n表示第n个编码轨道的相邻两个光栅条纹之间的排列高度差。

本发明的有益效果是：本发明的一种绝对式光栅尺测量装置，包括光栅尺主体、光学放大系统、图像采集模块和信号处理模块，光栅尺主体上设有多个编码轨道，各编码轨道均包括多个均匀地呈周期排列的光栅条纹，且各编码轨道分别具有不同周期，光学放大系统用于收集经编码轨道反射或透射的光线并会聚入射到图像采集模块上，图像采集模块用于采集到达的光信号后获得当前测量位置的测量图像并发送到信号处理模块，信号处理模块用于对测量图像进行图像处理后解析获得多个编码轨道的测量值进而计算获得绝对式光栅尺的绝对位置测量值。本测量装置对光栅条纹的刻画要求较低，降低了光栅刻蚀难度，降低了制作成本，能有效降低光栅出错率，降低了制造成本，而且测量准确度高。

本发明的另一有益效果是：本发明的一种绝对式光栅尺测量装置的测量方法，包括步骤：S1、将光栅尺主体安装在待测物体上，并驱动待测物体进行移动；S2、光学放大系统收集经编码轨道反射或透射的光线并会聚入射到图像采集模块上；S3、图像采集模块采集到达的光信号后获得当前测量位置的测量图像并发送到信号处理模块；S4、信号处理模块对测量图像进行图像处理后解析获得多个编码轨道的测量值进而计算获得绝对式光栅尺的绝对位置测量值。本测量方法操作简单，可以快速地获得测量结果，而且测量准确度高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的一种绝对式光栅尺测量装置的结构示意图；

图2是本发明的一种绝对式光栅尺测量装置的实施例一的光栅尺主体的结构示意图；

图3是本发明的一种绝对式光栅尺测量装置的实施例一中对第一编码轨道采集得到的测量图像；

图4是本发明的一种绝对式光栅尺测量装置的实施例一中对第二编码轨道采集得到的测量图像；

图5是本发明的一种绝对式光栅尺测量装置的实施例一中对第三编码轨道采集得到的测量图像。

具体实施方式

参照图1，本发明提供了一种绝对式光栅尺测量装置，包括光栅尺主体1、光学放大系统2、图像采集模块3和信号处理模块4，所述光栅尺主体1上设有多个编码轨道，各所述编码轨道均包括多个均匀地呈周期排列的光栅条纹，且各编码轨道分别具有不同周期，所述光学放大系统2用于收集经编码轨道反射或透射的光线并会聚入射到图像采集模块3上，所述图像采集模块3用于采集到达的光信号后获得当前测量位置的测量图像并发送到信号处理模块4，所述信号处理模块4用于对测量图像进行图像处理后解析获得多个编码轨道的测量值进而计算获得绝对式光栅尺的绝对位置测量值。

进一步作为优选的实施方式，各所述编码轨道具有不同的测量精度，且相邻的编码轨道中，测量精度较高的编码轨道的周期长度等于测量精度较低的编码轨道的最小刻度。

进一步作为优选的实施方式，所述编码轨道的数量共三个，分别为第一编码轨道、第二编码轨道和第三编码轨道，所述第一编码轨道包括多个均匀排列且与水平面呈45度角的光栅条纹，所述第二编码轨道和第三编码轨道均包括多个在水平方向上依次排列的长度相同且排列高度依次递增的光栅条纹，所述第二编码轨道的光栅条纹的长度与第一编码轨道的光栅条纹在水平方向的投影长度相同，所述第三编码轨道的光栅条纹的长度等于第二编码轨道的周期长度。

进一步作为优选的实施方式，还包括第四编码轨道，所述第四编码轨道包括多个在水平方向上依次排列的长度相同且排列高度依次递增的光栅条纹，且所述第四编码轨道的光栅条纹的长度等于第三编码轨道的周期长度。

进一步作为优选的实施方式，所述图像采集模块3采用线阵CMOS传感器或线阵CCD传感器。

本发明还提供了一种绝对式光栅尺测量装置的测量方法，包括步骤：

S1、将光栅尺主体1安装在待测物体上，并驱动待测物体进行移动；

S2、光学放大系统2收集经编码轨道反射或透射的光线并会聚入射到图像采集模块3上；

S3、图像采集模块3采集到达的光信号后获得当前测量位置的测量图像并发送到信号处理模块4；

S4、信号处理模块4对测量图像进行图像处理后解析获得多个编码轨道的测量值进而计算获得绝对式光栅尺的绝对位置测量值。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S4，具体包括：

S41、信号处理模块4对测量图像进行预处理后，分割获得对应多个编码轨道的测量图像块；

S42、分别对多个测量图像块进行二值化处理后，获取每个测量图像块中采集到的编码点与对应的编码轨道的底部之间的距离；

S43、结合每个编码轨道的光栅条纹在水平方向的投影长度，计算获得绝对式光栅尺的绝对位置测量值。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S43，其具体为：

结合每个编码轨道的光栅条纹在水平方向的投影长度，根据下式计算获得绝对式光栅尺的绝对位置测量值：

d=l₁×d₁+l₂×(d₂/△2)+…+l_n×(d_n/△n)

上式中，d表示绝对位置测量值，d₁表示第一编码轨道对应的测量图像块中的编码点与该编码轨道的底部之间的距离，d₂表示第二编码轨道对应的测量图像块中的编码点与该编码轨道的底部之间的距离，d_n表示第n个编码轨道对应的测量图像块中的编码点与该编码轨道的底部之间的距离，n为自然数，l₁、l₂和l_n分别表示第一编码轨道、第二编码轨道和第n个编码轨道的每个光栅条纹在水平方向上的投影长度，△2表示第二编码轨道的相邻两个光栅条纹之间的排列高度差，△n表示第n个编码轨道的相邻两个光栅条纹之间的排列高度差。

以下结合具体实施例对本发明做详细说明。

实施例一

参照图1，一种绝对式光栅尺测量装置，包括光栅尺主体1、光学放大系统2、图像采集模块3和信号处理模块4，光栅尺主体1上设有多个编码轨道，各编码轨道均包括多个均匀地呈周期排列的光栅条纹，且各编码轨道分别具有不同周期，光学放大系统2用于收集经编码轨道反射或透射的光线并会聚入射到图像采集模块3上，图像采集模块3用于采集到达的光信号后获得当前测量位置的测量图像并发送到信号处理模块4，信号处理模块4对测量图像进行图像处理后解析获得多个编码轨道的测量值进而计算获得绝对式光栅尺的绝对位置测量值。各编码轨道具有不同的测量精度，且相邻的编码轨道中，测量精度较高的编码轨道的周期长度等于测量精度较低的编码轨道的最小刻度。周期长度是指编码轨道在一个周期内的所有光栅条纹在水平方向的投影长度总和。

光栅尺主体1可以采用透射式光栅或反射式光栅，显然的，测量过程中，还需要采用平行光源照射到光栅尺主体1上。

本实施例中，编码轨道的数量共三个，如图2所示，分别为第一编码轨道11、第二编码轨道12和第三编码轨道13，第一编码轨道11包括多个均匀排列且与水平面呈45度角的光栅条纹，第二编码轨道12和第三编码轨道13均包括多个在水平方向上依次排列的长度相同且排列高度依次递增的光栅条纹，第二编码轨道12的光栅条纹的长度与第一编码轨道11的光栅条纹在水平方向的投影长度相同，第三编码轨道13的光栅条纹的长度等于第二编码轨道12的周期长度。

本实施例中，图像采集模块3采用线阵CMOS传感器或线阵CCD传感器，其线阵采集方向垂直于绝对式光栅尺的运动方向。图像采集模块3所拍摄到的线阵图像为一列垂直于绝对式光栅尺的相对运动方向的像素点。假设采用像素点距离为7微米、像素总数为2048的线阵CCD传感器为例，像素总数为2048，则每个编码轨道最多能分辨的像素数为2048/3，该数值即每个编码轨道最高能分辨的光栅条纹数量。假设光学放大系统2的放大倍数为70倍，则3个编码轨道的总的有效高度应该接近于线阵CCD传感器的感光长度的70分之一。需要注意的是，本发明中的高度是指图2中的竖直方向的度量，实际上，光栅尺主体1平放时，该方向也称为宽度方向。

本实施例中，每个编码轨道占用680个像素点的高度，线阵CCD传感器在每一个时刻所采集到的是一列像素点，包含了三个编码轨道，经光学放大之后，每个编码轨道占据了680个像素点。因此，线阵CCD传感器采集的一列像素点划分成三段，每一段像素段对应采集一个编码轨道的编码，每一段的开始是一个固定位置起始像素点，如图3、图4、图5所示，3个固定点依次用a1、a2、a3表示。图3、图4和图5分别是采集了第一编码轨道11、第二编码轨道12和第三编码轨道13的经过光学放大后的编码信息的图像。

本实施例中，光栅尺编码采用与线阵CCD传感器和光学放大系统相互适应的最小距离单位（7微米/70=0.1微米），3个码道的有效宽度均为68微米。第一编码轨道11为角度为45度的斜线，并且在整个码道编码长度内不断重复这种斜线，因此第一编码轨道11的光栅条纹在水平方向的投影长度也为68微米。在第一编码轨道11的第1条完整斜线（即光栅条纹）下对应的第二编码轨道12处的编码是一条与第二编码轨道12底部距离为d₂为0微米的呈横向直线形状的光栅条纹，在第一编码轨道11第2条完整斜线（即光栅条纹）下对应的第二编码轨道12处的编码是一条与第二编码轨道12底部距离为0.1微米的呈横向直线形状的光栅条纹。在第一编码轨道11的前680条斜线光栅条纹对应的第二编码轨道12的编码依据此规律类推。在前第二编码轨道12的前680段横向直线（即横向直线距离第二编码轨道12的底部从0至67.9微米）之后，在第二编码轨道12的下一段编码为一条与第二编码轨道12底部距离为d₂为0的横向直线，按此周期依次类推。在第二编码轨道12的第1个周期对应的第三编码轨道13处的编码是一条与第三编码轨道13底部距离d₃为0的横向直线，在第二编码轨道12的第2个周期对应的第三编码轨道13处的编码是一条与第三编码轨道13底部距离d₃为0.1微米的横向直线，依次类推，直到第三编码轨道13的680段横向直线编码结束，光栅尺主体1的编码也结束。在经过70倍光学放大之后，竖直方向上本来0.1微米的距离会变成7微米。而且，编码轨道的光栅条纹之间的最小距离是第一编码轨道11的斜线（即光栅条纹）之间的距离68/1.414微米，即48微米。因此，采用本发明后，光栅条纹之间的刻画间距较大，从而刻画难度大大降低，降低了制作成本，而且通过多个编码轨道实现多进制测量，可以提高测量的准确度，提高测量精度。

图3、图4、图5中每段的目标点到该段的起点a1、a2或a3的距离，都是在0到680个像素之间，三个编码轨道的目标点信息的排列组合所包含的绝对位置信息有个。若像素点之间的距离为0.1微米，则本实施例中光栅尺主体1的光栅条纹刻画配合光学放大系统2和图像采集模块3之后的编码总长度可达0.1×10⁶×680×10³米，即可达31.4米。

通过采集回来的距离d1、d2、d3的计算，可以得出具体的绝对位置测量值。其计算方法较为简单，有利于提高绝对位置测量值的处理速度。本实施例中绝对位置值d的数学计算公式为：

d=(d₁+d₂×680+d₃×680²)×10

式中d为绝对位置测量值，单位为，d₁、d₂、d₃分别是第一编码轨道11、第二编码轨道12、第三编码轨道13上采集到的编码点与各自码道底部的距离。

本实施例中，编码轨道的数量为3个，实际应用中，可以根据应用环境设置编码轨道的数量，以及编码轨道的光栅条纹之间的间距，特别是水平排列的光栅条纹在竖直方向上的距离。

实施例二

一种绝对式光栅尺测量装置的测量方法，包括步骤：

S1、将光栅尺主体1安装在待测物体上，并驱动待测物体进行移动；

S2、光学放大系统2收集经编码轨道反射或透射的光线并会聚入射到图像采集模块3上；

S3、图像采集模块3采集到达的光信号后获得当前测量位置的测量图像并发送到信号处理模块4；

S4、信号处理模块4对测量图像进行图像处理后解析获得多个编码轨道的测量值进而计算获得绝对式光栅尺的绝对位置测量值，具体包括步骤S41~S43：

S41、信号处理模块4对测量图像进行预处理后，分割获得对应多个编码轨道的测量图像块；预处理包括去噪、均衡化处理等步骤；

S42、分别对多个测量图像块进行二值化处理后，获取每个测量图像块中采集到的编码点与对应的编码轨道的底部之间的距离；

S43、结合每个编码轨道的光栅条纹在水平方向的投影长度，计算获得绝对式光栅尺的绝对位置测量值，步骤S43具体为：

结合每个编码轨道的光栅条纹在水平方向的投影长度，根据下式计算获得绝对式光栅尺的绝对位置测量值：

d=l₁×d₁+l₂×(d₂/△2)+…+l_n×(d_n/△n)

上式中，d表示绝对位置测量值，d₁表示第一编码轨道对应的测量图像块中的编码点与该编码轨道的底部之间的距离，d₂表示第二编码轨道对应的测量图像块中的编码点与该编码轨道的底部之间的距离，d_n表示第n个编码轨道对应的测量图像块中的编码点与该编码轨道的底部之间的距离，n为自然数，l₁、l₂和l_n分别表示第一编码轨道、第二编码轨道和第n个编码轨道的每个光栅条纹在水平方向上的投影长度，△2表示第二编码轨道的相邻两个光栅条纹之间的排列高度差，△n表示第n个编码轨道的相邻两个光栅条纹之间的排列高度差。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种绝对式光栅尺测量装置，其特征在于，包括光栅尺主体、光学放大系统、图像采集模块和信号处理模块，所述光栅尺主体上设有多个编码轨道，各所述编码轨道均包括多个均匀地呈周期排列的光栅条纹，且各编码轨道分别具有不同周期，所述光学放大系统用于收集经编码轨道反射或透射的光线并会聚入射到图像采集模块上，所述图像采集模块用于采集到达的光信号后获得当前测量位置的测量图像并发送到信号处理模块，所述信号处理模块用于对测量图像进行图像处理后解析获得多个编码轨道的测量值进而计算获得绝对式光栅尺的绝对位置测量值。

2.根据权利要求1所述的一种绝对式光栅尺测量装置，其特征在于，各所述编码轨道具有不同的测量精度，且相邻的编码轨道中，测量精度较高的编码轨道的周期长度等于测量精度较低的编码轨道的最小刻度。

3.根据权利要求1所述的一种绝对式光栅尺测量装置，其特征在于，所述编码轨道的数量共三个，分别为第一编码轨道、第二编码轨道和第三编码轨道，所述第一编码轨道包括多个均匀排列且与水平面呈45度角的光栅条纹，所述第二编码轨道和第三编码轨道均包括多个在水平方向上依次排列的长度相同且排列高度依次递增的光栅条纹，所述第二编码轨道的光栅条纹的长度与第一编码轨道的光栅条纹在水平方向的投影长度相同，所述第三编码轨道的光栅条纹的长度等于第二编码轨道的周期长度。

4.根据权利要求3所述的一种绝对式光栅尺测量装置，其特征在于，还包括第四编码轨道，所述第四编码轨道包括多个在水平方向上依次排列的长度相同且排列高度依次递增的光栅条纹，且所述第四编码轨道的光栅条纹的长度等于第三编码轨道的周期长度。

5.根据权利要求1所述的一种绝对式光栅尺测量装置，其特征在于，所述图像采集模块采用线阵CMOS传感器或线阵CCD传感器。

6.权利要求1所述的一种绝对式光栅尺测量装置的测量方法，其特征在于，包括步骤：

S1、将光栅尺主体安装在待测物体上，并驱动待测物体进行移动；

S2、光学放大系统收集经编码轨道反射或透射的光线并会聚入射到图像采集模块上；

S3、图像采集模块采集到达的光信号后获得当前测量位置的测量图像并发送到信号处理模块；

S4、信号处理模块对测量图像进行图像处理后解析获得多个编码轨道的测量值进而计算获得绝对式光栅尺的绝对位置测量值。

7.根据权利要求6所述的一种绝对式光栅尺测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤S4，具体包括：

S41、信号处理模块对测量图像进行预处理后，分割获得对应多个编码轨道的测量图像块；

S42、分别对多个测量图像块进行二值化处理后，获取每个测量图像块中采集到的编码点与对应的编码轨道的底部之间的距离；

S43、结合每个编码轨道的光栅条纹在水平方向的投影长度，计算获得绝对式光栅尺的绝对位置测量值。

8.根据权利要求7所述的一种绝对式光栅尺测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤S43，其具体为：

结合每个编码轨道的光栅条纹在水平方向的投影长度，根据下式计算获得绝对式光栅尺的绝对位置测量值：

d=l₁×d₁+l₂×(d₂/△2)+…+l_n×(d_n/△n)

上式中，d表示绝对位置测量值，d₁表示第一编码轨道对应的测量图像块中的编码点与该编码轨道的底部之间的距离，d₂表示第二编码轨道对应的测量图像块中的编码点与该编码轨道的底部之间的距离，d_n表示第n个编码轨道对应的测量图像块中的编码点与该编码轨道的底部之间的距离，n为自然数，l₁、l₂和l_n分别表示第一编码轨道、第二编码轨道和第n个编码轨道的每个光栅条纹在水平方向上的投影长度，△2表示第二编码轨道的相邻两个光栅条纹之间的排列高度差，△n表示第n个编码轨道的相邻两个光栅条纹之间的排列高度差。