CN108917609B - 一种单轨绝对光栅尺系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种单轨绝对光栅尺系统，通过在光栅尺上设置有等宽度等间距的长光栅条纹和短光栅条纹的绝对码道，长光栅条纹和短条纹按二进制伪随机序列编码分布，长光栅条纹和短光栅条纹含有绝对编码信息，每一个伪随机码都对应一个光栅尺的绝对位置值，通过光学放大系统对光栅尺进行K放大倍数放大，使得图像采集器采集到的图像具有一组完整的伪随机码条纹，由控制器对伪随机码条纹进行解码，即可得到该伪随机码对应的光栅尺的绝对位置值，解决了现有的光栅尺每次使用前都需要回零操作和不能在任何时刻检测出绝对位置值的技术问题。

Description

一种单轨绝对光栅尺系统
技术领域
本申请涉及测量仪器技术领域，尤其涉及一种单轨绝对光栅尺系统。
背景技术
光栅尺，也称为光栅尺位移传感器，是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺的出现来源于莫尔条纹原理，莫尔条纹是两条线或两个物体之间以恒定的角度和频率发生干涉的视觉结果。当人眼无法分辨这两条线或两个物体时，只能看到干涉的花纹，这种光学现象就是莫尔条纹。
光栅尺技术发展到现在，主要可以分为三种，增量式光栅尺、半绝对式光栅尺和绝对式光栅尺，光栅尺在数控机床制造行业得到广泛应用。
增量式光栅尺具有一个绝对位置标志，称为绝对零点。读数头经过绝对零点后，通过光栅形成的莫尔条纹，读数头上的光电传感器可得出相应的电信号，可计算出相对绝对零点的运动距离，以得出位置值。增量式光栅尺的定位方式较为简单和成熟，但增量式光栅尺每一次使用前都需要回到绝对零点，以确定绝对位置。
为改善增量式光栅尺的回零问题，半绝对光栅尺在增量式光栅尺基础上，加入里程碑式的绝对位置编码光栅。这种半绝对光栅尺是每间隔若干距离分布一段，读数头每次经过绝对光栅尺即可得出绝对位置，不需要每次测量前回零的步骤，但是，半绝对式光栅尺不能在任何时刻检测出绝对位置值。
发明内容
本申请实施例提供了一种单轨绝对光栅尺系统，解决了现有的光栅尺每次使用前都需要回零操作和不能在任何时刻检测出绝对位置值的技术问题。
有鉴于此，本申请提供了一种单轨绝对光栅尺系统，包括：光栅尺、光学放大系统、图像采集器和控制器；
所述光栅尺上设置有绝对码道，所述绝对码道上设置有等宽度等间距的长光栅条纹和短光栅条纹，所述长光栅条纹和所述短光栅条纹按二进制伪随机序列编码分布；
所述光学放大系统，用于对所述光栅尺进行K放大倍数放大，使得所述图像采集器采集到的图像具有一组完整的伪随机码条纹；
所述图像采集器与所述控制器通信连接；
所述控制器，用于获取所述图像采集器采集到的所述图像，对所述图像的光栅条纹进行伪随机序列的绝对编码信息进行解码，得到第一绝对位置值X。
优选地，所述一组完整的伪随机码条纹具体为：在所述图像中以所述图像的中心线以左的第N/2条光栅条纹为起始光栅条纹，至所述图像的中心线以右的第N/2条光栅条纹为终止光栅条纹，所组成的N条光栅条纹，其中，N为二进制伪随机码的阶数，当N为奇数时，N/2的值遵循去小数取整原则。
优选地，所述控制器还用于：
对所述图像进行像素细分，计算所述光栅条纹的增量误差Δd，对所述第一绝对位置值X和所述增量误差Δd求和，得到第二绝对位置值X'。
优选地，所述K放大倍数为：
Figure GDA0002550288300000021
其中，a为图像采集器的像素元之间的距离，m为图像采集器所具有的列像素数目，n为伪随机序列编码的阶数，L为每个光栅条纹的宽度。
优选地，所述第一绝对位置值X具体为：
X＝Z+2×C×L；
其中，Z为图像中光栅条纹的最左边界线的位置值，C为图像中光栅条纹最左边界线到中心线的长光栅条纹和短光栅条纹的总个数，L为长光栅条纹或短光栅条纹的宽度。
优选地，所述控制器还用于：识别所述图像的中心线，判断所述中心线是否落在暗条纹上。
优选地，若所述中心线落在暗条纹上，则所述第二绝对位置值为：
Figure GDA0002550288300000022
其中，Z为图像的最左光栅条纹的左边界线的位置值，C为图像中光栅条纹最左边界线到中心线的光栅条纹的总数，L为每个光栅条纹的宽度，
Figure GDA0002550288300000031
为图像的增量误差，a为图像采集器的像素元之间的距离，K为放大倍数，E为误差增量所占的像素个数。
优选地，若所述中心线中心线未落在暗条纹上，则所述第二绝对位置值为：
Figure GDA0002550288300000032
其中，Z为图像的最左光栅条纹的左边界线的位置值，C为图像中光栅条纹最左边界线到中心线的光栅条纹的总数，L为每个光栅条纹的宽度，
Figure GDA0002550288300000033
为图像的增量误差，a为所述图像采集器的像素元之间的距离，K为放大倍数，E为误差增量所占的像素个数。
优选地，所述图像的最左边界线的位置值为：以所述中心线为起点，往所述图像的左边第N/2条暗条纹的左边界对应的绝对位置值，其中，N为二进制伪随机码的阶数。
优选地，所述控制器还用于：
当所述光栅尺的移动速度超过预置速度值时，获取当前绝对位置值，计算所述光栅尺以超过所述预置速度值的移动速度移动的光栅条纹间隔增量，将所述当前绝对位置值与所述光栅条纹间隔增量之和作为第三绝对位置值
从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：
本申请提供了一种单轨绝对光栅尺系统，通过在光栅尺上设置有等宽度等间距的长光栅条纹和短光栅条纹的绝对码道，长光栅条纹和短条纹按二进制伪随机序列编码分布，长光栅条纹和短光栅条纹含有绝对编码信息，每一个伪随机码都对应一个光栅尺的绝对位置值，通过光学放大系统对光栅尺进行K放大倍数放大，使得图像采集器采集到的图像具有一组完整的伪随机码条纹，由控制器对伪随机码条纹进行解码，即可得到该伪随机码对应的光栅尺的绝对位置值；本申请提供的系统，不需要对光栅尺进行回零操作确定绝对位置，也不需要在短距离内寻找里程碑确定绝对零点，在任何时刻，只需要对图像采集器采集到的当前时刻的光栅条纹进行二进制伪随机码解码，即可得到光栅尺的当前绝对位置值，解决了现有的光栅尺每次使用前都需要回零操作和不能在任何时刻检测出绝对位置值的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本申请提供的一种单轨绝对光栅尺系统的结构示意图；
图2为本申请提供的一种单轨绝对光栅尺系统的光栅尺的局部光栅条纹示意图；
图3为本申请提供的一种单轨绝对光栅尺系统的光栅尺的中心线落在暗条纹内的一个解码示意图；
图4为本申请提供的一种单轨绝对光栅尺系统的光栅尺的中心线未落在暗条纹内的一个解码示意图；
图5为本申请提供的一种单轨绝对光栅尺系统的误差增量示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在缺少做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请设计了一种单轨绝对光栅尺系统，不需要对光栅尺进行回零操作确定绝对位置，也不需要在短距离内寻找里程碑确定绝对零点，在任何时刻，只需要对图像采集器采集到的当前时刻的光栅条纹进行二进制伪随机码解码，即可得到光栅尺的当前绝对位置值，解决了现有的光栅尺每次使用前都需要回零操作和不能在任何时刻检测出绝对位置值的技术问题。
为了便于理解，请参阅图1和图2，本申请提供的一种单轨绝对光栅尺系统一个实施例，包括：光栅尺1、光学放大系统2、图像采集器3和控制器4；
光栅尺1上设置有绝对码道，绝对码道上设置有等宽度等间距的长光栅条纹和短光栅条纹，长光栅条纹和短光栅条纹按二进制伪随机序列编码分布，长光栅条纹与短光栅条纹均为暗条纹；
光学放大系统2，用于对光栅尺1进行K放大倍数放大，使得图像采集器采集到的图像具有一组完整的伪随机码条纹；
图像采集器3与控制器4通信连接；
控制器4，用于获取图像采集器3采集到的所述图像，对图像的光栅条纹进行伪随机序列的绝对编码信息进行解码，得到第一绝对位置值X。
需要说明的是，光栅尺1上的编码光栅11示意图如图2所示，光栅尺1上的光栅条纹为明暗间隔的条纹，且暗条纹与明条纹宽度一致，暗条纹按长度尺寸可分为长光栅条纹和短光栅条纹，其中，暗光栅条纹包含了绝对编码信息，使用暗条纹中的长光栅条纹表示二进制“1”，短光栅条纹表示二进制“0”进行编码。每一个伪随机码都对应一个光栅尺1的绝对位置，由于伪随机码每移动一个二进制数，即改变其对应值，且全程的值都互不相同，光栅条纹上每一暗条纹都对应着一个绝对位置值。此处以暗条纹的左边界为位置值的对应基准点。通过光学放大系统2对光栅尺1进行K放大倍数放大，使得图像采集器3采集到的图像具有一组完成的伪随机码条纹，再通过控制器4对图像采集器3采集到的图像的暗条纹进行二进制伪随机码解码，可得到第一绝对位置值。
本申请提供的一种单轨绝对光栅尺系统，通过在光栅尺1上设置有等宽度等间距的长光栅条纹和短光栅条纹的绝对码道，长光栅条纹和短条纹按二进制伪随机序列编码分布，长光栅条纹和短光栅条纹含有绝对编码信息，每一个伪随机码都对应一个光栅尺的绝对位置值，通过光学放大系统2对光栅尺进行K放大倍数放大，使得图像采集器3采集到的图像具有一组完整的伪随机码条纹，由控制器4对伪随机码条纹进行解码，即可得到该伪随机码对应的光栅尺的绝对位置值；本申请提供的系统，不需要对光栅尺1进行回零操作确定绝对位置，也不需要在短距离内寻找里程碑确定绝对零点，在任何时刻，只需要对图像采集器3采集到的当前时刻的光栅条纹进行二进制伪随机码解码，即可得到光栅尺1的当前绝对位置值，解决了现有的光栅尺1每次使用前都需要回零操作和不能在任何时刻检测出绝对位置值的技术问题
为了便于理解，请参阅图1至图5，本申请提供的一种单轨绝对光栅尺系统的另一个实施例，在上一实施例的基础上，进一步地，一组完整的伪随机码条纹具体为：在图像中以图像的中心线以左的第N/2条光栅条纹为起始光栅条纹，至图像的中心线以右的第N/2条光栅条纹为终止光栅条纹，所组成的N条光栅条纹，其中，N为二进制伪随机码的阶数，当N为奇数时，N/2的值遵循去小数取整原则。
需要说明的是，本申请实施例中，选取一组完整伪随机码编码条纹的原则为：对于N阶伪随机码，如图3和图5所示，在图像中以中心线A为起点，往左数N/2根完整的暗条纹，若N为奇数则去小数取整。以左侧第N/2根条码为起始(包括该条码)，即图3的B处，往右数N根条码，即组成一组伪随机。为便于说明，以4阶伪随机码为例进行说明，如图3图像中选取的一组伪随机码21，通过暗条纹的长度，可判断出此组伪随机码为1001。
伪随机码的值在同一个周期内各不相同，其值对应着绝对位置，该绝对位置设定为最左条纹的左边界的绝对位置。利用其一一对应关系，可建立特定的伪随机值与绝对位置值的映射关系。在实际光栅尺1的绝对位置值解码的过程中，通过解伪随机码的值，再查找映射的绝对位置值，可确定相应的左边界绝对位置值。
进一步地，控制器4还用于对图像进行像素细分，计算光栅条纹的增量误差Δd，对第一绝对位置值X和增量误差Δd求和，得到第二绝对位置值X'。
需要说明的是，由于光栅尺1的光栅条纹是采用等距明暗条纹间隔刻画的，因此，如图3、图4和图5所示，小于光栅条纹宽度的增量误差Δd，可通过像素细分的方式计算出来，如图4中的B至A之间的像素值(8个像素点)即为增量误差Δd，对第一绝对位置值X和增量误差Δd求和，即可得到精度更高的第二绝对位置值X'。
目前的绝对式光栅尺编码方式较多集中在多码道光栅条纹编码，这种编码方式可纵向读取多码道信息，同时可以利用其中的增量码道进行细分，但是这种多码道的绝对式光栅尺光栅刻画难度较高，对多码道之间的位置配合要求极高，在实际应用中容易产生误差，从而影响光栅尺的测量准确率。而本申请实施例中，将光栅尺1的编码方式设置成单轨设置的绝对位置编码和增量编码结合的复合编码方式，能够避免多码道光栅条纹编码在实际应用中出现的相对位置配合误差，提高了光栅尺1的测量准确率。
进一步地，K放大倍数为：
Figure GDA0002550288300000071
其中，a为图像采集器的像素元之间的距离，m为图像采集器所具有的列像素数目，n为伪随机序列编码的阶数，L为每个光栅条纹的宽度。
需要说明的是，光学放大系统2对光栅条纹进行K倍放大，使图像采集器3采集到的图像总会具有一组完整的伪随机码条纹。为保证采集到的图像总是具有一组完整的伪随机码条纹，放大倍数K需要适当选择。用a表示图像采集器3的像素元之间的距离，用m表示图像采集器所具有的列像素数目，对于n阶伪随机码编码且条纹宽度L的系统，K放大倍数为：
Figure GDA0002550288300000072
进一步地，第一绝对位置值X具体为：
X＝Z+2×C×L；
其中，Z为图像中光栅条纹的最左边界线的位置值，C为图像中光栅条纹最左边界线到中心线的长光栅条纹和短光栅条纹的总个数，L为长光栅条纹或短光栅条纹的宽度。
需要说明的是，本申请实施例中，选择光栅尺1的绝对位置值的基准点为图像采集器3的阵列中心，如图3所示，中心线A的位置代表光栅尺1读数头的实际绝对位置值，即第一绝对位置值X。中心线A的第一绝对位置X值可表示为最左条纹左边界线B的位置值Z，与M根条纹占据的距离2C*L之和。
进一步地，控制器4还用于：识别图像的中心线，判断中心线是否落在暗条纹上。
需要说明的是，图像的中心线即为图像采集器3的阵列中心，中心线落在暗条纹上和落在明条纹上会使得绝对位置值的计算结果不同，因此，本申请实施例中的控制器，还需要判断中心线是否落在暗条纹上，根据判断结果进行相应的绝对位置值计算。
进一步地，若中心线落在暗条纹上，则第二绝对位置值为：
Figure GDA0002550288300000081
其中，Z为图像的最左光栅条纹的左边界线的位置值，C为图像中光栅条纹最左边界线到中心线的光栅条纹的总数，L为每个光栅条纹的宽度，
Figure GDA0002550288300000082
为图像的增量误差，a为图像采集器的像素元之间的距离，K为放大倍数，E为误差增量所占的像素个数。
需要说明的是，通过图像处理技术检测出中心线左侧的明暗条纹界线，并计算出Δd所占的像素个数E。光学放大系统2对条纹进行放大，则一个像素对应的实际距离变成了a/K。可通过像素个数E及实际距离a/K，计算出Δd的值。由于图像采集器3中的像素距离小于光栅尺栅线的宽度，因此可得到中心线更精确的位置值。
进一步地，若所述中心线未落在暗条纹上，则所述第二绝对位置值为：
Figure GDA0002550288300000083
其中，Z为图像的最左光栅条纹的左边界线的位置值，C为图像中光栅条纹最左边界线到中心线的光栅条纹的总数，L为每个光栅条纹的宽度，
Figure GDA0002550288300000084
为图像的增量误差，a为所述图像采集器的像素元之间的距离，K为放大倍数，E为误差增量所占的像素个数。
需要说明的是，若中心线A落在明条纹上，如图5和图4所示。Δd落在了中心线的右侧，更精确的实际位置值需要在X＝Z+2×C×L的基础上减去Δd。由于明暗条纹的宽度一致且间隔排列，则Δd的值也可以表示为条纹宽度L减去中心线到其左侧明暗界线距离ΔD，也就是L-ΔD。由上一种中心线落点情况的像素细分分析，可知此时ΔD的值也为
Figure GDA0002550288300000085
进一步地，图像的最左边界线的位置值为：以所述中心线为起点，往所述图像的左边第N/2条暗条纹的左边界对应的绝对位置值，其中，N为二进制伪随机码的阶数。
进一步地，控制器4，还用于当光栅尺1的移动速度超过预置速度值时，获取当前绝对位置值，计算光栅尺1以超过预置速度值的移动速度移动的光栅条纹间隔增量，将当前绝对位置值与光栅条纹间隔增量之和作为第三绝对位置值。
需要说明的是，目前的单轨道绝对式光栅尺可以解决多码道光栅尺的位置误差和测量准确率问题，但是目前的单轨道绝对光栅尺，每一个绝对位置都要进行一次解码，解码方法较为繁琐，解码处理时间较长，不利于高速测量。由于本申请实施例中的复合编码单轨光栅的条纹编码方式中，明暗条纹的宽度一致且间隔排列，在图像采集器3采集到图像之后的后续处理中，也可忽略条纹长度尺寸的不同，视作一种特殊的相对光栅编码。例如，当光栅尺尺身与读数头处于高速相对运动时，若此时绝对位置解码速度不足以迅速更新绝对位置值，可进入快速读码解码模式，对采集到的图像进行传统增量方式的解码，快速得出相对位置值，加上运动速度提高前的绝对位置值，可得到设计位置值，以适应光栅尺1的高速测量。本申请实施例中，只需要在第一个位置进行绝对解码，得到当前绝对位置值，第二、三、四及之后的位置都不解码，只需要进行增量信号的累加，即可得到相应位置的第三绝对位置值，解码简单快速，有利于利于高速测量。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括缺少清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种单轨绝对光栅尺系统，其特征在于，包括：光栅尺、光学放大系统、图像采集器和控制器；
所述光栅尺上设置有绝对码道，所述绝对码道上设置有等宽度等间距的长光栅条纹和短光栅条纹，所述长光栅条纹和所述短光栅条纹按二进制伪随机序列编码分布，所述长光栅条纹与所述短光栅条纹均为暗条纹；
所述光学放大系统，用于对所述光栅尺进行K放大倍数放大，使得所述图像采集器采集到的图像具有一组完整的伪随机码条纹；
所述图像采集器与所述控制器通信连接；
所述控制器，用于获取所述图像采集器采集到的所述图像，对所述图像的光栅条纹进行伪随机序列的绝对编码信息进行解码，得到第一绝对位置值X；
所述控制器还用于：
对所述图像进行像素细分，计算所述光栅条纹的增量误差Δd，对所述第一绝对位置值X和所述增量误差Δd求和，得到第二绝对位置值X'；
所述控制器还用于：识别所述图像的中心线，判断所述中心线是否落在暗条纹上。
2.根据权利要求1所述的单轨绝对光栅尺系统，其特征在于，所述一组完整的伪随机码条纹具体为：在所述图像中以所述图像的中心线以左的第N/2条光栅条纹为起始光栅条纹，至所述图像的中心线以右的第N/2条光栅条纹为终止光栅条纹，所组成的N条光栅条纹，其中，N为二进制伪随机码的阶数，当N为奇数时，N/2的值遵循去小数取整原则。
3.根据权利要求1-2任一项所述的单轨绝对光栅尺系统，其特征在于，所述K放大倍数为：
Figure FDA0002550288290000011
其中，a为图像采集器的像素元之间的距离，m为图像采集器所具有的列像素数目，n为伪随机序列编码的阶数，L为每个光栅条纹的宽度。
4.根据权利要求1所述的单轨绝对光栅尺系统，其特征在于，所述第一绝对位置值X具体为：
X＝Z+2×C×L；
其中，Z为图像中光栅条纹的最左边界线的位置值，C为图像中光栅条纹最左边界线到中心线的长光栅条纹和短光栅条纹的总个数，L为长光栅条纹或短光栅条纹的宽度。
5.根据权利要求1所述的单轨绝对光栅尺系统，其特征在于，若所述中心线落在暗条纹上，则所述第二绝对位置值为：
Figure FDA0002550288290000021
其中，Z为图像的最左光栅条纹的左边界线的位置值，C为图像中光栅条纹最左边界线到中心线的光栅条纹的总数，L为每个光栅条纹的宽度，
Figure FDA0002550288290000022
为图像的增量误差，a为图像采集器的像素元之间的距离，K为放大倍数，E为误差增量所占的像素个数。
6.根据权利要求1所述的单轨绝对光栅尺系统，其特征在于，若所述中心线未落在暗条纹上，则所述第二绝对位置值为：
Figure FDA0002550288290000023
其中，Z为图像的最左光栅条纹的左边界线的位置值，C为图像中光栅条纹最左边界线到中心线的光栅条纹的总数，L为每个光栅条纹的宽度，
Figure FDA0002550288290000024
为图像的增量误差，a为所述图像采集器的像素元之间的距离，K为放大倍数，E为误差增量所占的像素个数。
7.根据权利要求5或6所述的单轨绝对光栅尺系统，其特征在于，所述图像的最左边界线的位置值为：以所述中心线为起点，往所述图像的左边第N/2条暗条纹的左边界对应的绝对位置值，其中，N为二进制伪随机码的阶数。
8.根据权利要求1所述的单轨绝对光栅尺系统，其特征在于，所述控制器还用于：
当所述光栅尺的移动速度超过预置速度值时，获取当前绝对位置值，计算所述光栅尺以超过所述预置速度值的移动速度移动的光栅条纹间隔增量，将所述当前绝对位置值与所述光栅条纹间隔增量之和作为第三绝对位置值。
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