CN107702738B - 转角识别仪、转角误差标定系统及方法 - Google Patents

转角识别仪、转角误差标定系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于转角误差标定的转角识别仪、转角误差标定系统及方法。本发明提供的转角识别仪，包括：光源、光学成像镜头、图像探测器、传输线和计算电路，所述光源与所述光学成像镜头相连接，光学成像镜头与所述图像探测器相连接，所述传输线用于连接所述图像探测器与所述计算电路，所述计算电路包括：编码识别模块、角度细分模块、被标定角度输入模块和误差比较模块。本发明提供的用于转角误差标定的高精度、高分辨力转角识别仪与标定刻盘配合，能够轻易的实现较高分辨力和精度的误差标定，并且具有标定过程简单便捷等优点。

Description

转角识别仪、转角误差标定系统及方法
技术领域
本发明涉及光电位移精密测量技术领域，尤其涉及一种用于转角误差标定的高精度、高分辨力转角识别仪、转角误差标定系统及方法。
背景技术
角位移测量设备(如光电编码器)以其高精度、高分辨力，测量范围广，易于维护，使用可靠等优点，被广泛应用于光电经纬仪，雷达，航空航天，机器人，数控机床，指挥仪和高精度闭环调速系统等诸多领域。
在生产研制高精度、高分辨力角位移测量设备时，需要对其误差精度进行标定。传统误差标定装置分为两种，一种是采用高精度角度基准，通过比较法实现对被标定设备的误差标定；另一种是采用多面棱体配合平行光管实现对转角误差的标定。根据研究可知，采用高精度角度基准比较法进行误差标定时，角度基准的分辨力和精度需要大于被标定设备3倍以上，因此角度基准比较法大多适用于对中低精度的角位移测量设备的误差标定。在对高精度角位移测量设备进行误差标定时，大多采用多面棱体标定法。但是，受多面棱体标定原理所限，该方法只能实现与多面棱体面数相同数量位置点的误差标定，不能实现更多转角位置的误差标定。
CN106482669A公开了一种采用双线阵图像探测器的角位移测量系统，该角位移测量系统主要包括主轴、光源、双光学透镜、光栅码盘、双线阵图像探测器、数据采集电路、译码及角度细分电路，工作时主轴带动光栅码盘转动，光源发出平行光源透过光栅码盘通过光学透镜映射到线阵图像探测器成像，数据采集电路采集其中一个线阵图像探测器数据并送入译码及细分电路进行处理得到初始角度数据，采集放置在码盘对径位置的另一个线阵图像探测器数据实现对初始角度数据的误差补偿计算，并输出所测量角度信息。CN106482669A公开的为角位移测量系统，其使用的光栅码盘上的刻线等不能实现更多转角位置的误差标定。其为对光栅码盘的图案进行角度细分。
CN106989763A公开了一种图像式光电编码器的绝对式光栅码盘，包括圆形底盘、粗码识别码道和精码识别码道，精码识别码道为位于圆形底盘的最外圈的圆形码道；粗码识别码道为位于圆形码盘的次外圈的、存在零位的圆周二进制码道；对于n位绝对式光栅码盘，粗码识别码道包括n个同一圆心不同半径的、宽度相等的圆周形码道和2n个识别位置，识别位置呈二进制格式变化；相邻两个圆周形码道的径向间距为预设值；精码识别码道包括2n条处于同一圆心同一半径位置的、沿径向刻划的、均匀分布的、不刻划零位的精码识别刻线。其无法实现更多转角位置的误差标定。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是为了解决现有的误差标定设备实现高精度误差标定时，不能实现高分辨力误差标定，而提供了一种用于转角误差标定的高精度、高分辨力转角识别仪。
第一方面，本发明提供了一种用于转角误差标定的转角识别仪，所述转角识别仪包括：光源、光学成像镜头、图像探测器、传输线和计算电路，所述光源与所述光学成像镜头相连接，所述光学成像镜头与所述图像探测器相连接，所述传输线用于连接所述图像探测器与所述计算电路，所述计算电路包括：编码识别模块、角度细分模块、被标定角度输入模块和误差比较模块。光源与镜头挨着，发光—反射—接收—成像。进一步优选地，光学成像镜头安装在图像探测器的前端，图像经过光学镜头的汇聚，映射到图像探测器上，实现成像。
在一些实施例中，所述图像探测器采集到的图像信息中包含：编码刻线图案、基准刻线图案。
在一些实施例中，所述编码识别模块用于识别出角度粗码信息，所述角度细分模块用于计算出角度细分信息，所述角度粗码信息和所述角度细分信息共同组成基准角度信息并送入所述误差比较模块；所述误差比较模块用于将来自所述被标定角度输入模块的角度值和基准角度值做差，实现误差标定。
第二方面，本发明还提供了一种转角误差标定系统，包括：标定刻盘、托盘及本发明所提供的转角识别仪；所述标定盘设置在所述托盘上；且所述标定刻盘通过联轴节与被标定设备同轴连接；所述转角识别仪与所述标定刻盘设置在同一水平线上，并对准标定刻盘的侧面，实现对所述标定刻盘上编码刻线的识别及角位移细分。工作时，所述光学成像镜头将用于角度识别的图像映射到所述图像探测器中；所述图像探测器将采集到的图像信息通过所属传输线传送到所述计算电路中；所述计算电路根据图像信息实现编码识别、角度细分、误差标定的计算。
第三方面，本发明还提供了一种转角误差标定方法，使用本发明所提供的转角识别仪进行识别标定，包括步骤：
光学成像镜头将用于角度识别的图像信息映射到图像探测器中；
图像探测器采集所述图像信息并通过输出线将所述图像信息传送到计算电路中，所述图像信息包括编码刻线图案和基准刻线图案；
编码识别模块根据编码刻线图案进行识别得角度粗码信息，角度细分模块根据基准刻线图案进行计算角度细分信息，所述角度粗码信息和所述角度细分信息共同组成角度基准角度信息并送入误差比较模块；
被标定角度输入模块接收被标定设备的角度信息；
在误差比较模块中比较基准角度信息和被标定设备的角度信息，实现误差标定。
在一些实施例中，所述编码识别模块根据编码刻线图案进行识别得角度粗码信息包括：编码识别模块根据编码刻线图案的明暗变化判断编码信息，所述编码识别模块判断预设图像区域内的像素灰度值，若灰度值大于预设值则判断为“1”，若灰度值小于预设值则判断为“0”，然后，所述编码识别模块将所述编码信息进行译码，得角度粗码信息的粗码值Xn。所述编码信息为编码刻线读出的编码信息值，是预设的，编码信息经过译码变为粗码信息。
在一些实施例中，所述编码信息为：N为二进制码值，N≥8。
在一些实施例中，所述角度细分模块根据基准刻线图案进行计算的角度细分信息包括：将基准刻线图案的中心线的两侧的两条基准刻线的中点分别记为Y1和Y2；设基准刻线图案中线的位置为Y0，则当前角度细分值为
Figure BDA0001422473210000041
式中，N为圆周内基准刻线的个数，360°/2N表示相邻的两条基准刻线之间角度值，Xm为角度细分值。基准刻线图案中线的位置Y0是预设的一个点位置，以此位置为基准点，进行细分计算。例如：图像一行共有1024个像素，可以设中心线位置在512点像素的位置。
在一些实施例中，基准刻线图案的中心点Y采用以下方法取得：将设图像探测器像素点位置值从左至右依次按照从小到大顺序排列，设某一条基准刻线的宽度为k，则该基准刻线的中点计算方法为
Figure BDA0001422473210000042
式中，Pi为第i个像素点的像素值，Gi为第i个像素点的位置值，k为窗口大小，n为自然数，Y为基准刻线的质心。
在一些实施例中，基准刻线图案的中心点采用最小二乘法二次曲线拟合求得。
在一些实施例中，角度信息粗码值为Xn，所述角度细分值为Xm，那么基准角度信息为:X＝2mXn+Xm,式中m表示角度细分值所实现的细分倍数。
本发明的技术方案与现有技术相比，有益效果在于：本发明提供了一种用于转角误差标定的高精度、高分辨力转角识别仪。该转角识别仪与标定刻盘配合，能够轻易的实现较高分辨力和精度的误差标定，并且具有标定过程简单便捷等优点。
附图说明
图1为根据本发明一个实施例的转角识别仪的原理图；
图2为根据本发明一个实施例的转角误差标定系统的结构示意图；
图3为根据本发明一个实施例的转角识别仪中的计算电路原理图；
图4为根据本发明一个实施例的编码刻线图案原理图；
图5为根据本发明的一个实施例的角度细分原理图。
附图标记：100、转角误差标定系统，1、标定刻盘，2、托盘，3、联轴节，4、转角识别仪，45、光源，41、光学成像镜头，42、图像探测器，43、传输线，44、计算电路，441、编码标识模块，442、角度细分模块，443、被标定角度输入模块，444、误差比较模块，5、被标定设备。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
如图1所示为根据本发明一个实施例的转角识别仪的原理图，本发明公开了一种用于转角误差标定的高精度、高分辨力转角识别仪的原理图，包括：光源45、光学成像镜头41、图像探测器42、传输线43、计算电路44。所述光源45与所述光学成像镜头41相连接，所述光学成像镜头41与所述图像探测器42相连接；所述传输线43负责连接所述图像探测器42与所述计算电路44。工作时，所述光学成像镜头41将用于角度识别的图像映射到所述图像探测器中42；所述图像探测器42将采集到的图像信息通过所属传输线43传送到所述计算电路44中；所述计算电路44根据图像信息实现编码识别、角度细分、误差标定的计算。
在具体的实施例中，所述图像探测器42采集到的图像信息中包含：编码刻线图案、基准刻线图案。
在具体的实施例中，所述编码识别模块用于识别出角度粗码信息，所述角度细分模块用于计算出角度细分信息，所述角度粗码信息和所述角度细分信息共同组成基准角度信息并送入所述误差比较模块；所述误差比较模块用于将来自所述被标定角度输入模块的角度值和基准角度值做差，实现误差标定。
现有技术CN106482669A公开的是一种角位移测量系统，本发明公开的是一种对角位移测量设备进行误差标定的方法及装置。CN106482669A中使用的光栅码盘上的刻线与本发明完全不同；角度细分电路中所使用的计算方法是对光栅码盘的图案进行角度细分的，而本发明是对所述刻盘的柱面图像进行识别，利用算法实现转角误差标定的。对光栅码盘图像的识别计算和对柱面图像的识别计算为截然不同的。
如图3所示为根据本发明一个实施例的转角识别仪中的计算电路原理图。编码识别模块441、角度细分模块442、被标定角度输入模块443、误差比较模块444。所述编码识别模块441识别出角度粗码信息，角度细分模块442计算出角度细分信息；角度粗码信息和角度细分信息共同组成基准角度信息并送入所述误差比较模块；所述误差比较模块444将来自所述被标定角度输入模块443的角度值和基准角度值做差，实现误差标定。
本发明还提供了一种转角误差标定系统100，如图2所示为根据本发明一个实施例的转角误差标定系统的结构示意图。一种转角误差标定系统100，包括：标定刻盘1、托盘2、联轴节3、本发明的转角识别仪4、被标定设备5。工作时，所述标定刻盘1放置在所述托盘2上，并通过所述联轴节3与所述被标定设备5同轴连接；所述转角识别仪4与所述标定刻盘1放置在同一水平线上，并对准标定刻盘的侧面，实现对所述标定刻盘1上编码刻线的识别及角位移细分，进而得到高分辨力、高精度基准角度值；通过比较基准角度值与被标定设备的转角差值，即可实现误差标定。
在具体的实施例中，所述标定刻盘1包括：盘体，所述盘体为圆柱体，所述圆柱体的整个侧面为反光面；编码刻线组，所述编码刻线组为若干圈刻划在反光面上的编码刻线，所述编码刻线为二进制编码；和基准刻线组，所述基准刻线组为若干条刻划在反光面上的等间距、等宽的基准刻线；所述基准线组的基准刻线之间相互平行，且所述基准线平行于所述圆柱体的高，所述基准刻线均垂直并位于所述编码刻线的上方，所述编码刻线组的编码刻线均为圆周分布二进制编码。
本发明还提供了一种转角误差标定方法，其通过使用本发明所提供的转角识别仪进行识别标定，包括步骤：
光学成像镜头将用于角度识别的图像信息映射到图像探测器中；
图像探测器采集所述图像信息并通过输出线将所述图像信息传送到计算电路中，所述图像信息包括编码刻线图案和基准刻线图案；
编码识别模块根据编码刻线图案进行识别得角度粗码信息，角度细分模块根据基准刻线图案进行计算的角度细分信息，所述角度粗码信息和所述角度细分信息共同组成角度基准角度信息并送入误差比较模块；
被标定角度输入模块接收被标定设备的角度信息；
在误差比较模块中比较基准角度信息和被标定设备的角度信息，实现误差标定。
在具体的实施例中，所述编码识别模块441实现编码识别的方法为：所述编码模识别块441将根据所述编码刻线图案的明暗变化规律判断编码信息。所述编码识别模块441判断预设图像区域内的像素灰度值，若灰度值大于预设值则判断为“1”，若小于预设值则判断为“0”。然后，所述编码识别模块441将编码信息进行译码，得到角度信息的粗码值Xn。
图4所示为根据本发明的一个所述编码刻线图案原理图，在具体实施例中，所述编码刻线具有N圈编码刻线，由上至下依次为第一圈编码刻线、第二圈编码刻线、……、第N圈编码刻线，N为自然数。第一圈编码刻线在圆周方向上包含20条刻线，第二圈编码刻线132在圆周方向上包含21条刻线，第三圈编码刻线在圆周方向上包含22条刻线，…依次类推，第N圈编码刻线在圆周方向上包含2N-1条刻线，每一圈的刻线之间均等间距分布。
在一些实施例中，所述编码刻线组将所述刻盘的反光面分为2N个编码区域，每个编码区域内的编码刻线唯一。这里的“唯一”指的是一个确定值，可以为预设值。
在具体的实施例中，所述编码信息为：N为二进制码值，N≥8。
如图5所示为根据本发明的一个实施例的角度细分原理图，在具体的实施例中，所述角度细分模块442实现角度细分的方法为：所述角度细分模块442根据图像中的基准刻线图案进行计算。首先，所述角度细分模块442将计算基准刻线图案中心线两侧的两条基准刻线的质心，两个质心分别记为Y1和Y2；然后，预设所采集的基准刻线图案的中心线的位置为Y0，那么当前角度细分值为
Figure BDA0001422473210000081
式中，N为圆周内基准刻线的个数，360°/2N表示相邻的两条基准刻线之间角度值。设m为角度细分所实现的倍数，将360°/2N量化为2m，那么计算角度细分的方法可以表示为：
Figure BDA0001422473210000082
基准刻线图案的中心点的计算一种方法为：采用质心算法计算其质心。设图像探测器像素点位置值从左至右依次按照从小到大顺序排列，设某一条基准刻线的宽度为k，那么该基准刻线的中心点计算方法为；
Figure BDA0001422473210000083
式中，Pi为第i个像素点的像素值，Gi为第i个像素点的位置值，k为窗口大小。
基准刻线图案的中心点也可以采用最小二乘法二次曲线拟合求得。
所述基准角度信息获得的方法为：所述角度信息粗码值与所述角度细分值相结合。所述角度信息粗码值为Xn，所述角度细分值为Xm，那么基准角度信息为:X＝2m·Xn+Xm,式中m表示角度细分值所实现的细分倍数。
在具体的实施例中，进一步优选地，所述标定刻盘包括：盘体，所述盘体为圆柱体，所述圆柱体的整个侧面为反光面；编码刻线组，所述编码刻线组为若干圈刻划在反光面上的编码刻线，所述编码刻线为二进制编码；基准刻线组，所述基准刻线组为若干条刻划在反光面上的基准刻线，所述基准刻线的宽度相等，两相邻基准刻线之间的间距Δ相等；所述基准线组的基准刻线之间相互平行，且所述基准线平行于所述圆柱体的高，所述基准刻线均垂直并位于所述编码刻线的上方，所述编码刻线组的编码刻线均为圆周分布二进制编码。
本发明提供的用于转角误差标定的高精度、高分辨力转角识别仪与标定刻盘配合，能够轻易的实现较高分辨力和精度的误差标定，并且具有标定过程简单便捷等优点。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种用于转角误差标定的转角识别仪，其特征在于，所述转角识别仪包括：光源、光学成像镜头、图像探测器、传输线和计算电路，所述光源与所述光学成像镜头相连接，所述光学成像镜头与所述图像探测器相连接，所述传输线用于连接所述图像探测器与所述计算电路，所述计算电路包括：编码识别模块、角度细分模块、被标定角度输入模块和误差比较模块；
所述转角识别仪与被标定设备之上的标定刻盘处于同一水平面上，通过识别所述标定刻盘中编码刻线图案的明暗变化规律判断编码信息；
具体地，编码识别模块判断预设图像区域内的像素灰度值，若灰度值大于预设值则判断为“1”；若小于预设值则判断为“0”，所述“1”和“0”即为编码信息，将编码信息进行译码，得到角度信息的粗码值Xn；
所述角度细分模块用于计算出角度细分信息，所述粗码值和所述角度细分信息共同组成基准角度信息并送入所述误差比较模块；
所述误差比较模块用于将来自所述被标定角度输入模块的角度值和基准角度信息做差，实现误差标定。
2.一种转角误差标定方法，其特征在于，应用于转角误差标定系统，该系统包括：标定刻盘、托盘及如权利要求1所述的转角识别仪；所述标定刻盘设置在所述托盘上；且所述标定刻盘通过联轴节与被标定设备同轴连接；所述转角识别仪与所述标定刻盘设置在同一水平线上，并对准标定刻盘的侧面，实现对所述标定刻盘上编码刻线的识别及角位移细分；
所述标定刻盘中编码刻线由上至下依次为第一圈编码刻线、第二圈编码刻线、第三圈编码刻线、……、第N圈编码刻线，N为自然数；
所述第一圈编码刻线在圆周方向上包含20条刻线，所述第二圈编码刻线在圆周方向上包含21条刻线，所述第三圈编码刻线在圆周方向上包含22条刻线，…，所述第N圈编码刻线在圆周方向上包含2N-1条刻线，每一圈的刻线之间均等间距分布；包括步骤：
光学成像镜头将用于角度识别的图像信息映射到图像探测器中；
图像探测器采集所述图像信息并通过输出线将所述图像信息传送到计算电路中，所述图像信息包括编码刻线图案和基准刻线图案；
编码识别模块根据编码刻线图案进行识别得角度粗码信息，角度细分模块根据基准刻线图案进行计算的角度细分信息，所述角度粗码信息和所述角度细分信息共同组成基准角度信息并送入误差比较模块；
被标定角度输入模块接收被标定设备的角度信息；
在误差比较模块中比较基准角度信息和被标定设备的角度信息，实现误差标定；
所述编码识别模块根据编码刻线图案进行识别得角度粗码信息包括：编码识别模块根据编码刻线图案的明暗变化判断编码信息，所述编码识别模块判断预设图像区域内的像素灰度值，若灰度值≥预设值则判断为“1”，若灰度值＜预设值则判断为“0”，然后，所述编码识别模块将编码刻线图案上预设的编码信息进行译码，得角度粗码信息的粗码值Xn；
所述角度细分模块根据基准刻线图案进行计算角度细分信息包括：将基准刻线图案的中心线的两侧的两条基准刻线图案的质心分别记为Y1和Y2；预设所采集图像的中心线位置为Y0，则当前角度细分信息对应的角度细分值为
Figure FDA0002640314650000021
式中，N为圆周内基准刻线的个数，360°/2N表示相邻的两条基准刻线之间角度值，Xm为角度细分值。
3.根据权利要求2所述的转角误差标定方法，其特征在于，所述编码信息为：N为二进制码值，N≥8。
4.根据权利要求2所述的转角误差标定方法，其特征在于，所述基准刻线图案的质心采用以下方法取得：将图像探测器像素点位置值从左至右依次按照从小到大顺序排列，设某一条基准刻线的宽度为k，则该基准刻线图案的质心Y计算方法为
Figure FDA0002640314650000031
式中，Pi为第i个像素点的像素值，Gi为第i个像素点的位置值，k为窗口大小，n为自然数，Y为基准刻线图案的质心。
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