CN110440688B - 一种绝对式光栅尺参考位置测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绝对式光栅尺参考位置测量方法，包括：在测量光栅中设置增量码道、零位编码，并在读数头中设置参考位置测量单元、增量位移测量单元；对所述零位编码进行距离编码设计，根据相邻零位编码之间的距离对照编码距离可以得到所述零位编码的绝对位置信息；利用所述参考位置测量单元检测零位脉冲信号；利用所述增量位移测量单元检测增量位移信号；所述参考位置测量单元包括第一分光棱镜、第二分光棱镜、掩膜板和第一探测器，所述第二分光棱镜设置于所述第一分光棱镜与所述掩膜板之间以减小零位脉冲信号衍射效应。本发明还公开了一种绝对式光栅尺参考位置测量系统。本发明可提升绝对光栅尺测量精度，使绝对式光栅尺测量精度达到其分辨力数量级，以适用于精密加工和检测领域精密测量环节。

Description

一种绝对式光栅尺参考位置测量方法及系统

技术领域

本发明涉及光学测量领域，尤其是一种绝对式光栅尺参考位置测量方法及系统。

背景技术

光栅尺是一种线性位移解码器，在微纳米测量领域占有及其重要的位置，在精密数控机床，工业机器人，3D打印和坐标测量机等精密测量和定位领域广泛应用。光栅尺按照编码器类型又可以分为增量式光栅尺和绝对式光栅尺，增量式光栅尺通常具有亚微米级别的测量精度和分辨力，增量式光栅尺在停电开机时必须进行回零方可进行位移的测量，绝对式光栅尺在开机时便可获得读数头的绝对位置信息，无需回零操作，但是绝对光栅尺的测量精度通常比分辨力低1-2个数量级，这是由于绝对光栅尺参考位置判读精度决定的。针对以上问题，本发明旨在提供一种绝对式光栅尺参考位置判读方法，提升绝对光栅尺测量精度，使绝对式光栅尺测量精度达到其分辨力数量级。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的是提供一种绝对式光栅尺参考位置测量方法。

本发明所采用的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种绝对式光栅尺参考位置测量方法，包括：

在测量光栅中设置增量码道、零位编码，并在读数头中设置参考位置测量单元、增量位移测量单元；

对所述零位编码进行距离编码设计，根据相邻零位编码之间的距离对照编码距离可以得到所述零位编码的绝对位置信息；

利用所述参考位置测量单元检测零位脉冲信号；

利用所述增量位移测量单元检测增量位移信号；

所述参考位置测量单元包括第一分光棱镜、第二分光棱镜、掩膜板和第一探测器，所述第二分光棱镜设置于所述第一分光棱镜与所述掩膜板之间以减小零位脉冲信号衍射效应。

进一步地，读数头与所述测量光栅发生相对位移时，利用所述增量位移测量单元、所述参考位置测量单元分别对所述增量信号和所述零位脉冲信号进行同步采集。

进一步地，截取所述零位脉冲信号最低点附近的信号进行拟合，取所述拟合信号最低点作为零位脉冲尖端点。

进一步地，根据所述零位脉冲信号确定的相邻零位脉冲尖端点，得到所述参考码道零位参考点的绝对位置信息，并以所述脉冲尖端点为中心在对应的增量信号中利用标记相位点寻找绝对位置点，根据所述绝对位置信息和所述绝对位置点计算出所述的读数头当前的绝对位置。

进一步地，所述的绝对位置点确定方式为：在测量过程中，将所述相邻零位脉冲尖端点间的增量信号的位移对照所述零位编码的编码距离将所述的绝对位置点初步确定在增量信号半个周期以内；然后在所述脉冲尖端点为中心的半个增量信号周期内，通过增量相位寻找所述增量信号周期内标记相位点。

为此，本发明的第二个目的是提供一种绝对式光栅尺参考位置判读系统。

第二方面，本发明提供一种绝对式光栅尺参考位置判读系统，其包括：测量光栅和读数头部件，所述读数头部件包括增量位移测量单元和参考位置测量单元；

参考位置测量单元包括第一分光棱镜、第二分光棱镜、掩膜板和第一探测器；

所述测量光栅上分布有增量码道、零位编码；

所述掩模板上设有参考编码，其中参考编码与零位编码相对应；

所述第二分光棱镜设置于所述第一分光棱镜与所述掩膜板之间，所述第一探测器用于接收所述第二分光棱镜所反射的光束。

进一步地，所述增量位移测量单元包括第三分光棱镜、第一反射镜、第二反射镜、参考光栅、第二探测器、第三探测器。

进一步地，所述测量光栅的增量码道的光栅栅线等间距分布，所述的测量光栅和所述参考光栅的衍射光干涉信号为周期正弦信号。

进一步地，所述零位编码经过距离编码设计，根据相邻零位编码之间的距离对照编码距离可以得到所述零位编码的绝对位置信息。

本发明的有益效果是：

本发明通过采用减小零位脉冲信号的衍射距离光程，减弱衍射效应对零位脉冲信号造成的能量散射，使所检测零位脉冲信号的信号能量更加集中，并采用新的判别方式以提升绝对光栅尺测量精度，使绝对式光栅尺测量精度达到其分辨力数量级。

附图说明

图1是本发明第一实施例的一维绝对式光栅尺测距方法原理图；

图2A是本发明第二实施例的增量位移信号示意图；

图2B是本发明第二实施例的零位脉冲信号示意图；

图3是本发明第三实施例的光栅尺测距系统示意图；

图4是本发明第四实施例的信号拟合示意图；

图5是本发明第五实施例的零位编码绝对位置信息获取示意图；

图6是本发明第六实施例的相位标记点的获取示意图。

附图元件符号说明

名称	符号	名称	符号
				光源	1	参考光栅	2
增量位移测量单元	10	参考位置测量单元	20
				测量光栅	3	增量码道	31
零位编码	32	掩模板	4
				第一分光棱镜	51	第二分光棱镜	52
第三分光棱镜	53	第一探测器	61
				第二探测器	62	第三探测器	63
第一反射镜	71	第二反射镜	72
				读数头	8	导轨	9
滑块	91

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1，图1为一维绝对式光栅尺测距方法原理图。本发明实施例提供一种绝对式光栅参考位置测量系统，其包括测量光栅3和读数头部件，所述读数头部件包括增量位移测量单元10和参考位置测量单元20，其中，参考位置测量单元20包括第一分光棱镜51、第二分光棱镜52、掩膜板4和第一探测器61，所述测量光栅3上分布有若干个增量码道31、零位编码32。增量位移测量单元10包括第三分光棱镜53、第一反射镜71、第二反射镜72、参考光栅2、第二探测器62、第三探测器63。掩模板4上设有参考编码，其中参考编码与零位编码32相对应。

光源1所产生激光经第一分光棱镜51分为第一光束及第二光束，第一光束射向掩膜板，用于参考位置的判读；第二光束射向增量位移测量单元10，用于增量位移的测量。

如图1所示，第一光束穿过掩膜板4，并在投射至测量光栅3表面的零位编码后发生零级衍射光并反射至第一探测器61。第一光束在反射至第一探测器61过程中经过三次光学调制，第一次光学调制为第一光束穿过掩膜板4时，掩膜板4上的参考编码对第一光束进行了光学调制；第二次光学调制为第一光束投射至测量光栅3表面，测量光栅3的表面的零位编码32对第一次光束进行光学调制；第三次光学调制为第一光束经过测量光栅3的表面的零位编码进行第二次光学调制后发生反射，沿着原光路返回并穿过掩膜板4，再次被掩膜板4上的参考编码进行光学调制。当第一光束进过三次光学调制后，在第二分光棱镜52表面发生反射并被第一探测器所接收。

如图1所示，在测量光栅3上设置有增量码道31和若干零位编码32，其中在增量码道31上设有光栅周期为1um的等间距光栅线纹，光栅类型为反射式全息衍射光栅。零位编码32按照距离编码的设计方式分布在增量码道31上，此距离编码使得相邻两个零位编码32间的距离为唯一确定的值，在测量光栅3上，一共设置有4个零位编码，其相邻两个零位编码32之间的距离分别为：d1、d2和d3。由于每两个参考编码32之间的距离都是唯一确定的，每当读数头经过相邻的两个零位编码32时，便可以得到另一个零位编码32的绝对位置信息。

上述距离编码相邻零位编码32的距离进行编码，任意两个相邻零位编码32的距离的均为唯一确定值，通过相邻两个零位编码32距离可确定零位编码32的绝对位置信息。

当掩膜板4参考编码与测量光栅3上的零位编码完全对齐时，第一探测器61所接收到的光强最小，当掩膜板4上参考编码与测量光栅3上的零位编码错开一位时，光强变大形成一个零位脉冲信号，零位脉冲信号如图2B所示。零位脉冲信号的单次误差极限不超过半个周期增量信号即0.5μm。其中零位脉冲信号是衍射信号，掩膜板4上设有位置编码32，位置编码32具体为具有分布规律的狭缝。零位脉冲信号穿过掩膜板4的位置编码32会发生衍射，使零位脉冲信号能量散射并产生衍射噪音。通过设置第二分光棱镜52，可减小零位脉冲信号的光程，减弱衍射效应对零位脉冲信号造成的能量散射，使所检测零位脉冲信号的信号能量更加集中。

第二光束射向增量位移测量单元10，第二光束经过第三分光棱镜53后将分为第三光束、第四光束。第三光束射向参考光栅2，第四光束射向测量光栅3，其中参考光栅2的±级衍射光会与测量光栅3的±级衍射光形成干涉条纹。当读数头沿主测量光栅3的长度方向发生位移时，由于多普勒效应，干涉条纹会发生明暗变化，每当读数头移动一个光栅周期时，干涉条纹便会发生一次明暗变化。增量位移测量单元10中设有第二探测器62和第二探测器63，用于感应干涉条纹的光强变化，通过计数干涉条纹的明暗周期变化个数可以解算出读数头移动的增量位移，增量位移信号如图2A所示。

请参阅图3，图3是本发明第三实施例的光栅尺测距系统示意图。图3为光栅尺测距系统示意图。如图3所示，光栅尺测距系统由读数头8和测量光栅3构成，其中测量光栅3安装在导轨9的滑块91上，用于产生相对位移，读数头8为固定部件，其中包含图1中所描述的增量位移测量单元10和参考位置测量单元20。在光栅尺安装后要进行标定，标定过程为让光栅尺重复满量程测量若干次，记录每个零位信号每个脉冲尖端点处增量信号的相位，多次重复测量，在每个测量光栅3参考码道的零位编码处得到一个数据样本，其分布范围为半个增量信号周期，取其算数平均值作为每个测量光栅参考码道的零位编码在增量信号的相位标记点，每个零位编码都有一个相位标记点。此过程确定了零位编码的在增量信号中相位标记点。

请一并参阅图4，图4是本发明第四实施例的信号拟合示意图。如图4所示，当读数头8经过一个测量光栅3的零位编码时，需要首先确定零位信号脉冲尖端点用于零位编码绝对位置信息的获取。零位脉冲尖端点确定过程为：截取零位脉冲信号最低点为中心的一段信号进行多项式拟合，找出拟合信号的最低点为零位信号脉冲尖端点。

请一并参阅图5，图5是本发明第五实施例的零位编码绝对位置信息获取示意图。如图5所示，假设读数头初始位置在O点，当读数头3沿着测量光栅3平行方向移动，经过其相邻两个零位编码R1和零位编码R2时，可以计算出读数头总的增量位移为S3。当每到达一个参考位置时，均会产生一个对应的零位脉冲信号，根据两个零位脉冲信号确定出两个脉冲尖端点，根据这两个相邻的参考脉冲尖端点可以计算出此零位编码之间的距离S12＝S2-S1。由于测量光栅上的零位编码32是经过距离编码设计的，因此通过计算出的距离是是S12便可以确定零位编码R1和零位编码R2所处的绝对位置信息P_Ⅰ和P_Ⅱ，即零位编码R1和零位编码R2所处的绝对位置数值的大小。

根据零位编码R1和零位编码R2所处的绝对位置数值的大小可以得到在测量光栅3安装时标定的零位编码R1和零位编码R2的相位标定点信息，当得到相位标定点信息后，根据零位脉冲信号脉冲尖端寻找标记的所对应的零位编码在增量信号中相位标记点作为获得绝对位置的参考基准。

请参阅图6，如图6所示，利用零位脉冲信号尖端点寻找零位编码在增量信号中的相位标记点，由于增量信号和零位信号同步采用，在零位脉冲信号尖端点处为中心的半个周期内利用光栅安装时标定的零位编码相位寻找相位标记点，该标定的相位标记点为绝对位置的参考基准。进过此过程光栅尺的绝对定位精度提升至增量信号分辨力数量级，即增量信号的细分程度。

最后根据P_Ⅱ+S3-S2计算得到当前读数头的绝对位置，其中S2为由上述零位标记点为基准得到的。

请一并参阅图1、图3，本发明实施还提供一种绝对式光栅尺参考位置测量方法：在测量光栅3中设置增量码道31、零位编码32，并在读数头中设置参考位置测量单元20、增量位移测量单元10；

对所述零位编码32进行距离编码设计，根据相邻零位编码32之间的距离对照编码距离可以得到所述零位编码32的绝对位置信息；

利用所述参考位置测量单元20检测零位脉冲信号；

利用所述增量位移测量单元10检测增量位移信号；

所述参考位置测量单元20包括第一分光棱镜51、第二分光棱镜52、掩膜板4和第一探测器61，将所述第二分光棱镜52设置于所述第一分光棱镜51与所述掩膜板4之间以减小零位脉冲信号衍射效应。其中将第一分光棱镜51设置于光源1的出射路径上，以形成第一光束及第二光束，使第一光束在穿过第二分光棱镜52后投射至掩膜板4，第一光束在穿过掩膜板4后在投射至测量光栅3表面的零位编码32并发生反射。使所述第一光束在发生反射后将再次投射至掩膜板4并在第一分光棱镜51上发生反射以被第一探测器61接收。

增量位移测量单元20包括第三分光棱镜53、第一反射镜71、第二反射镜72、参考光栅2、第二探测器62、第三探测器63。将第三分光棱镜53设置于第二光束的光学路径上，以使第二光束在穿过第三分光棱镜53后形成第三光束及第四光束。第三光束投射至第二反射镜72表面发生反射后投射至参考光栅2表面，并再次发生反射且沿着原光路返回，以形成参考光栅2的衍射光；第四光束投射至第一反射镜71表面发生反射后投射至测量光栅3表面，并再次发生反射且沿着原光路返回，以形成测量光栅3的衍射光。上述两束衍射光将在进行第三分光棱镜53后形成干涉光，在干涉光的光学路径上设置第二探测器62、第三探测器63以接收干涉光，并检测干涉光的干涉信号。

测量光栅3的增量码道31的光栅栅线等间距分布，测量光栅3和参考光栅2的衍射光干涉信号为周期正弦信号，可用于解算测量光栅任意两点之间读数头位移大小。

零位编码32经过距离编码设计，根据相邻零位编码32之间的距离对照编码距离可以得到零位编码32的绝对位置信息。如图1所示，相邻两个零位编码32之间的距离分别为：d1、d2和d3，由于每两个参考编码32之间的距离都是唯一确定的，每当读数头8经过相邻的两个零位编码32时，便可以得到另一个零位编码32的绝对位置信息。

读数头8每经过一个测量光栅3的零位编码32形成一个零位脉冲信号。零位脉冲尖端点为零位脉冲信号中截取最低点附近的一段信号进行拟合，取得的拟合信号的最低点。在重复测量过程中，零位脉冲尖端点单次波动极限不超过增量信号的半个周期，即所零位脉冲信号中截取最低点附近范围为以零位脉冲信号中截取最低点为中心，以增量信号的半个周期为取值范围半径对零位脉冲信号进行截取。

当读数头8与测量光栅3发生位移，读数头8对增量信号和零位脉冲信号进行同步采集，读数头8经过相邻两个测量光栅3的零位编码32后，可根据对应的零位脉冲信号确定相邻零位脉冲尖端点。通过相邻零位脉冲尖端点所对应的增量信号可计算出相邻零位脉冲尖端点之间的距离，并对照零位编码32之间的编码距离，得到零位编码32的绝对位置信息P_n、P_n-1，并以零位脉冲尖端点为中心在对应的增量信号中的相位点进行标记以寻找绝对位置点。根据绝对位置信息和绝对位置点计算出读数头当前的绝对位置。

零位编码32的绝对位置信息为产生零位脉冲对应零位编码处的绝对位置，绝对位置点由增量信号和零位脉冲信号协作确定。

绝对位置点是计算读数头8的参考基准，绝对位置点分两步确定：首先根据相邻零位脉冲尖端点对应的增量信号的位移量与零位编码32距离编码表进行对照，以将绝对位置点初步确定在增量信号的半个周期以内；然后以脉冲尖端点为中心并在半个增量信号周期内，通过增量信号的相位寻找增量信号周期内标记相位点，相位标记点的绝对位置的数量。

增量信号标记点是测量光栅3安装好后，让读数头8经过整个测量光栅3，记录每个零位信号每个脉冲尖端点处增量信号的相位，多次重复测量，在每个测量光栅3的零位编码32处得到一个数据样本，其分布范围为半个增量信号周期，取其算数平均值作为每个测量光栅的零位编码32在增量信号的相位标记点，每个零位编码32都有一个相位标记点。

通过增量信号的相位寻找增量信号周期内标记相位点只需要寻找增量信号周期内与相位标记点相差最小的采样点作为中计算读数头当前绝地位置参考基准。

通过采用减小零位脉冲信号的衍射距离光程，减弱衍射效应对零位脉冲信号造成的能量散射，使所检测零位脉冲信号的信号能量更加集中，并采用新的判别方式以提升绝对光栅尺测量精度，使绝对式光栅尺测量精度达到其分辨力数量级。本发明实施例可用于精密加工和检测领域的精密测量环节。

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所述实施例，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，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.一种绝对式光栅尺参考位置测量方法，其特征在于，包括：

在测量光栅中设置增量码道、零位编码，并在读数头中设置参考位置测量单元、增量位移测量单元；

对所述零位编码进行距离编码设计，根据相邻零位编码之间的距离得到所述零位编码的绝对位置信息；

利用所述参考位置测量单元检测零位脉冲信号；

利用所述增量位移测量单元检测增量位移信号；

所述参考位置测量单元包括第一分光棱镜、第二分光棱镜、掩膜板和第一探测器，将所述第二分光棱镜设置于所述第一分光棱镜与所述掩膜板之间；

其中，当读数头与所述测量光栅发生相对位移时，利用所述增量位移测量单元、所述参考位置测量单元分别对所述增量位移信号和所述零位脉冲信号进行同步采集；

截取所述零位脉冲信号最低点附近的信号进行拟合，取所述拟合信号最低点作为零位脉冲尖端点；

使所述读数头经过整个测量光栅，记录每个零位脉冲信号的每个脉冲尖端点处对应的增量信号的相位，多次重复测量，在所述测量光栅参考码道的每个零位编码处得到一个数据样本，其分布范围为半个增量信号周期，取其算数平均值作为所述每个零位编码在所述测量光栅中的增量码道的相位标记点，每个零位编码都有一个相位标记点；

根据所述零位脉冲信号确定的相邻零位脉冲尖端点，得到所述零位编码的零位参考点的绝对位置信息，并以所述脉冲尖端点为中心在对应的增量信号中利用标记相位点寻找绝对位置点，根据所述绝对位置信息和所述绝对位置点计算出所述的读数头当前的绝对位置。

2.根据权利要求1所述的绝对式光栅尺参考位置测量方法，其特征在于，所述的绝对位置点确定方式为：将所述相邻零位脉冲尖端点间的增量信号的位移对照所述零位编码的编码距离将所述的绝对位置点初步确定在增量信号半个周期以内；然后在所述脉冲尖端点为中心的半个增量信号周期内，通过增量相位寻找所述增量信号周期内标记相位点。

3.一种绝对式光栅尺参考位置测量系统，其特征在于，其包括：测量光栅和读数头部件，所述读数头部件包括增量位移测量单元和参考位置测量单元；

参考位置测量单元包括第一分光棱镜、第二分光棱镜、掩膜板和第一探测器；

所述测量光栅上分布有增量码道、零位编码；

所述掩膜板上设有参考编码，其中参考编码与零位编码相对应；

所述第二分光棱镜设置于所述第一分光棱镜与所述掩膜板之间，所述第一探测器用于接收所述第二分光棱镜所反射的光束；

其中，当读数头与所述测量光栅发生相对位移时，利用所述增量位移测量单元、所述参考位置测量单元分别对增量位移信号和零位脉冲信号进行同步采集；

截取所述零位脉冲信号最低点附近的信号进行拟合，取所述拟合信号最低点作为零位脉冲尖端点；

使所述读数头经过整个测量光栅，记录每个零位脉冲信号的每个脉冲尖端点处对应的增量信号的相位，多次重复测量，在所述测量光栅参考码道的每个零位编码处得到一个数据样本，其分布范围为半个增量信号周期，取其算数平均值作为所述每个零位编码在所述测量光栅中的增量码道的相位标记点，每个零位编码都有一个相位标记点；

其中，对所述零位编码进行距离编码设计，根据相邻零位编码之间的距离得到所述零位编码的绝对位置信息；

利用所述参考位置测量单元检测零位脉冲信号；

利用所述增量位移测量单元检测增量位移信号；

根据所述零位脉冲信号确定的相邻零位脉冲尖端点，得到所述零位编码的零位参考点的绝对位置信息，并以所述脉冲尖端点为中心在对应的增量信号中利用标记相位点寻找绝对位置点，根据所述绝对位置信息和所述绝对位置点计算出所述的读数头当前的绝对位置。

4.根据权利要求3所述的绝对式光栅尺参考位置测量系统，其特征在于，所述增量位移测量单元包括第三分光棱镜、第一反射镜、第二反射镜、参考光栅、第二探测器、第三探测器。

5.根据权利要求4所述的绝对式光栅尺参考位置测量系统，其特征在于，所述测量光栅的增量码道的光栅栅线等间距分布，所述的测量光栅和所述参考光栅的衍射光干涉信号为周期正弦信号。

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