CN107014421B - 基于双向黑白比的光电编码器码盘不均匀误差检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种基于双向黑白比的光电编码器码盘不均匀误差检测方法，该方法采用由工业数码相机、转动工作台等组成的检测系统。利用工业数码相机获得光电编码器码盘精码码道的局部图像，采用图像、数据处理获得码道各条刻线的双向黑白比，以双向黑白比计算各条刻线线宽的相对差，以线宽相对差的变化范围作为码盘不均匀误差。该方法消除了现有的基于电信号处理的码盘误差检测中检测系统的安装偏心、转轴转速变化、信号转换和延时等引入的误差，提高了码盘不均匀误差的检测精度。

Description

基于双向黑白比的光电编码器码盘不均匀误差检测方法

技术领域

本发明涉及图像处理、检测技术领域，具体的说涉及一种基于双向黑白比的光电编码器码盘不均匀误差检测方法。

背景技术

码盘是光电编码器的核心元件，在其上不同的码道上有环形黑白(或通、暗)刻线。光电编码器利用码盘的各码道上均匀分布的黑白刻线获得脉冲信号，因此刻线的均匀误差直接影响编码器的精度。码盘刻划均匀性检测是保证光电编码器质量的必要手段。码盘的不均匀误差是指码盘线宽的变化。黑白比是指码道刻线中的相邻黑白线宽之比。码盘刻划均匀性误差会表现为码道黑白线宽的变化，但不一定会反映为单方向上黑白比的变化。因此，提出用码道双向黑白比的变化来评价码盘的不均匀误差。

目前，针对编码器码道均匀性误差检测，均采用光电转化获得匀速转动编码器码道的电信号后，对电信号处理的方法，如描录法、分流法、光量法。描录法是读取光电信号后，通过记录仪，逐个将波形变化描录在记录仪上。这种方法工作量大，效率低。分流法是将光电信号的交直流分流分开，通过滤波器将大部分交流分流滤掉，而将直流变化部分记录在记录仪。对于高精度的光栅检测这种方法不能满足。光量法是将光通量转换为光电流，然后由电位差计或笔录仪划出曲线，但这种方法对信号的对比度要求较高。此外，还有比相法。即利用示波器观察编码器码道原始信号的波形，通过比较其相位的偏移量以判断缺陷大小及所在位置。然而使用该种方法并不能找出码道的所有缺陷，粗码码道缺陷比较容易发现，但精码码道的亮点或暗斑基本难以察觉。

上述基于电信号处理的方法，获得的信号中含有码盘在测量过程中的安装偏心、转轴转速变化、信号转换和延时等误差，码道不均匀误差检测的准确性差、精度低。

发明内容

本发明为解决现有技术中基于电信号处理方法对编码器码盘不均匀性误差检测中精度低的不足，提供了一种基于双向黑白比的光电编码器码盘不均匀误差检测的方法。

本发明的目的是这样实现的，一种基于双向黑白比的光电编码器码盘不均匀误差检测方法，该方法利用工业数码相机获得光电编码器码盘精码码道的局部图像，采用图像、数据处理获得码道各条刻线的双向黑白比，以双向黑白比计算各条刻线线宽的相对差，以线宽相对差的变化范围作为码盘不均匀误差，该方法的实现需要由工业数码相机、转动工作台、PC机组成的图像检测系统来完成，具体实现步骤如下：

步骤一、组建图像检测系统：该图像检测系统包括一个底座，一个设置在底座上的工作台，一个设置在底座上的立柱支架，一个设置在立柱支架上的工业数码相机，一个通过数据线与工业数码相机连接的PC机；

步骤二、图像采集：将被测光电编码器码盘置于检测系统的工作台，调节工业数码相机的光圈、焦距，使光电编码器码盘上精码码道的刻线在视场中清晰成像；调节工作台，使工业数码相机视场中的黑刻线(或白刻线)处于视场中心、刻线径向方向平行视场坐标系中的X轴，且白刻线(或黑刻线)数不少于两个，进行图像采集，获得一帧的图像数据，转动工作台，依次采集每条黑刻线(或白刻线)处于视场中心的图像，获得2n帧的图像数据(n为码盘的码数)。

步骤三、图像及数据处理：对每帧的刻线图像如下处理和计算：

1)、图像处理：每帧的刻线图像进行二值化、滤波、提取边缘处理，获得刻线的边缘像素，选择视场中心相邻的三条刻线，当图像中心为黑线时，三条刻线分别为第k个码的白线、黑线和第k+1个码的白线；当图像中心为白线时，三条刻线分别为第k-1个码的黑线和第k+1个码的白线和黑线；k＝1，2，…，n；提取三条刻线中居中的径向边缘点，最小二乘拟合得四条径向边缘的拟合直线L_i(i＝0～3)的方程：

y＝k_ix+b_i (1)

2)、计算双向黑白比：利用直线方程的参数k_i、b_i，取直线L_i(i＝1～2)对应的径向边缘的m个点(x_ij，y_ij)(j＝1～m)，计算每个点到其相邻直线L_i-1和L_i+1间的像素距离D_ij1和D_ij2：

当图像中心为黑线时，计算由L₁和L₂之间黑线的前、后向黑白比R_b1和R_b2：

当图像中心为黑线时，计算由L₁和L₂之间白线的前、后向黑白比R_w1和R_w2：

步骤四、计算刻线不均匀误差E：按步骤2处理步骤1获得的2n帧图像数据，得到被测码盘精码码道上所有码黑白线的双向黑白比R_bk,1和R_bk,2、R_wk,1和R_wk,2，分别求各条黑白线宽相对差Δb_k和Δw_k：

式中：R_k,1和R_k,2分别为第k个码的双向黑白比，R_k+1,1为第k+1个码的前向黑白比。当k＝n时，k+1取1。

求Δb_k和Δw_k合并集的最大值Δ_max和最小值Δ_min，二者之差即为刻线不均匀误差E＝Δ_max－Δ_min。

本发明的有益效果是：本发明所述的方法适用于对多种编码器的码盘均匀性误差检测，具有适应范围广，操作简单的特点；该方法消除了传统的基于电信号处理的码盘误差检测中检测系统中的安装偏心、转轴转速变化、信号转换和延时等引入的误差；以局部码道图像计算的相邻刻线黑白比求取码盘刻线不均匀误差，消除了本方法所用的检测系统的安装和成像误差。

附图说明

图1为本发明所述的光电编码器码盘均匀性误差检测系统结构图。

图2为本发明所述的检测方法的图像采集视场示意图。

图1中的附图标记：1-底座、2-工作台、3-码盘、4-立柱支架、5-工业数码相机、6-数据线、7-PC机。

具体实施方式

一种基于双向黑白比的光电编码器码盘不均匀误差检测方法，该方法采用如图1所示的图像检测系统，该图像检测系统包括一个底座1，一个设置在底座1上的工作台2，一个设置在底座1上的立柱支架4，一个设置在立柱支架4上的工业数码相机5，一个通过数据线6与工业数码相机5连接的PC机7；

所述立柱支架4上的横梁部分相对于竖梁部分可以自由上下滑动调节，以使得工业数码相机处在合适的位置。

基于图像处理的双向黑白比的光电编码器码盘不均匀误差检测方法进行检测时，将被测码盘3置于工作台2上，利用工业数码相机5获得光电编码器码盘精码码道的局部图像，在PC机7中用图像处理获得码道各条刻线的双向黑白比，以双向黑白比计算各条刻线线宽的相对差，以线宽相对差的变化范围作为码盘不均匀误差。具体实现步骤如下：

1、图像采集：将被测光电编码器码盘3置于检测系统的工作台2，调节工业数码相机5的光圈、焦距，使码盘上精码码道的刻线在视场中清晰成像；调节工作台2，使相机视场中的黑刻线处于视场中心、刻线径向方向平行视场坐标系中的X轴，且白刻线数不少于2，进行图像采集，获得一帧的图像数据。转动工作台，依次采集每条黑刻线处于视场中心的图像，获得n帧的图像数据(n为码盘的码数)。

2、图像及数据处理：对每帧的刻线图像如下处理和计算：

(1)图像处理：每帧的刻线图像进行二值化、滤波、提取边缘等处理，获得刻线的边缘像素，提取视场中心的三条刻线(分别为第k个码的白线、黑线和第k+1个码的白线，k＝1，2，…，n)的径向边缘点，最小二乘拟合得四条径向边缘的拟合直线L_i(i＝0～3，如图2所示)的方程：

y＝k_ix+b_i (1)

(2)计算双向黑白比：利用直线方程的参数k_i、b_i，取直线L_i(i＝1～2)对应的径向边缘的m个点(x_ij，y_ij)(j＝1～m)，计算每个点到其相邻直线L_i-1和L_i+1间的像素距离D_ij1和D_ij2：

计算由L₁和L₂之间黑线的前、后向黑白比R₁和R₂：

3、计算刻线不均匀误差E：按步骤2处理步骤1获得的n帧图像数据，得到被测码盘精码码道上所有码的双向黑白比R_k,1和R_k,2，分别求各条黑白线宽相对差Δb_k和Δw_k：

式中：Wb_k和Ww_k分别为第k个码的黑线和白线的线宽，Wb_k+1和Ww_k+1分别为第k+1个码的黑线和白线的线宽。R_k,1和R_k,2分别为第k个码的双向黑白比，R_k+1,1为第k+1个码的前向黑白比。当k＝n时，k+1取1。

求Δb_k和Δw_k合并集的最大值Δ_max和最小值Δ_min，二者只差即为刻线不均匀误差E＝Δ_max－Δ_min。

Claims (1)

1.一种基于双向黑白比的光电编码器码盘不均匀误差检测方法，其特征在于：该方法利用工业数码相机获得光电编码器码盘精码码道的局部图像，采用图像、数据处理获得码道各条刻线的双向黑白比，黑白比是指码道刻线中的相邻黑白线宽之比，以双向黑白比计算各条刻线线宽的相对差，以线宽相对差的变化范围作为码盘不均匀误差，具体实现步骤如下：

步骤一、组建图像检测系统：该图像检测系统包括一个底座(1)，一个设置在底座(1)上的工作台(2)，一个设置在底座(1)上的立柱支架(4)，一个设置在立柱支架(4)上的工业数码相机(5)，一个通过数据线(6)与工业数码相机(5)连接的PC机(7)；

步骤二、图像采集：将被测光电编码器码盘(3)置于检测系统的工作台(2)，调节工业数码相机(5)的光圈、焦距，使光电编码器码盘(3)上精码码道的刻线在视场中清晰成像；调节工作台(2)，使工业数码相机(5)视场中的黑刻线或白刻线处于视场中心、刻线径向方向平行视场坐标系中的X轴，且白刻线或黑刻线数不少于两个，进行图像采集，获得一帧的图像数据，转动工作台，依次采集每条黑刻线或白刻线处于视场中心的图像，获得2n帧的图像数据，n为码盘的码数；

步骤三、图像及数据处理：对每帧的刻线图像如下处理和计算：

1)、图像处理：每帧的刻线图像进行二值化、滤波、提取边缘处理，获得刻线的边缘像素，选择视场中心相邻的三条刻线，当图像中心为黑线时，三条刻线分别为第k个码的白线、黑线和第k+1个码的白线；当图像中心为白线时，三条刻线分别为第k-1个码的黑线和第k+1个码的白线和黑线；k＝1，2，…，n；提取三条刻线中居中的径向边缘点，最小二乘拟合得四条径向边缘的拟合直线L_i的方程，其中i＝0～3：

y＝k_ix+b_i (1)

2)、计算双向黑白比：利用直线方程的参数k_i、b_i，取直线L_i对应的径向边缘的m个点(x_ij，y_ij)，其中i＝1～2、j＝1～m，计算每个点到其相邻直线L_i-1和L_i+1间的像素距离D_ij1和D_ij2：

当图像中心为黑线时，计算由L₁和L₂之间黑线的前、后向黑白比R_b1和R_b2：

当图像中心为黑线时，计算由L₁和L₂之间白线的前、后向黑白比R_w1和R_w2：

步骤四、计算刻线不均匀误差E：按步骤2处理步骤1获得的2n帧图像数据，得到被测码盘精码码道上所有码黑白线的双向黑白比R_bk,1和R_bk,2、R_wk,1和R_wk,2，分别求各条黑白线宽相对差Δb_k和Δw_k：

式中：R_k,1和R_k,2分别为第k个码的双向黑白比，R_k+1,1为第k+1个码的前向黑白比；当k＝n时，k+1取1；

求Δb_k和Δw_k合并集的最大值Δ_max和最小值Δ_min，二者之差即为刻线不均匀误差E＝Δ_max－Δ_min。

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