CN110879041B - 一种直线双码道绝对式钢带尺及其读取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直线双码道绝对式钢带尺及其读取方法，本发明包括钢带尺、第一探测头组、第二探测头组、第三探测头组和第四探测头组，所述钢带尺由绝对码道和标识码道构成。所述检测方式为：第一探测头组和第二探测头组检测绝对码道分别获得第一绝对编码和第二绝对编码，第三探测头组和第四探测头组检测标识码道分别获得第一标识编码和第二标识编码，根据第一绝对编码是否为零，选择相应的绝对编码和标识编码，最后根据绝对编码映射表和标识编码映射表获得绝对距离值和标识距离值，由此可得绝对位置。本发明的钢带尺具有分辨率高、量程大、制作简单、成本低和能够实时检测绝对位置的优点。

Description

一种直线双码道绝对式钢带尺及其读取方法

技术领域

本发明涉及位置测量技术研究领域，特别涉及一种直线双码道绝对式钢带尺及其读取方法。

背景技术

目前，在位置测量领域广泛使用的是光栅尺测量技术。光栅尺是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺常用作直线位移或者角位移的检测。

光栅尺分为增量式光栅尺和绝对式光栅尺。

增量式光栅尺的工作原理是利用光源和光栅尺的相对移动来对光进行调制，通过接收调制后的光信号获得位移信息。增量式光栅尺的缺陷是：1、断电或重启系统后需要重新进行参考点回零；2、造成误差累计。为克服增量式光栅尺的缺陷，绝对式光栅尺被提出。

绝对式光栅尺分为单码道绝对式光栅尺和多码道绝对式光栅尺。

单码道绝对式光栅尺的工作原理是：1、根据所需要的量程和分辨率确定单个绝对编码的码长N，经过数学推导产生一系列符合要求的二进制码，并将二进制码顺序刻录到光栅尺。2、编码阅读器一次读取光栅尺上的一个绝对编码(即N个二进制码)，因为每个绝对编码均独一无二，所以可通过查表的方式获得对应的距离值。单码道绝对式光栅尺的缺陷是：1、在编码码长不变的情况下，若增加量程则分辨率降低；若提高分辨率则量程缩短。于是提出多码道绝对式光栅尺。

多码道绝对式光栅尺是对单码道绝对式光栅尺的改进，不同处在于：1、多码道绝对式光栅尺具有多条码道，其中一条码道为绝对码道，另外若干条码道构成格雷码(或其它编码)。2、编码阅读器分别读取绝对编码和格雷码，绝对编码可以确定粗略的绝对位置，而在短距离范围内通过格雷码实现更高的分辨率，以弥补绝对编码在增加量程后分辨率降低的缺陷。多码道绝对式光栅尺的缺陷是：1、多码道的光栅尺制作困难，2、成本高，3、光栅尺和编码阅读器的体积增大，这不利于在狭窄的井道中安装。为了克服上述缺陷，提出双码道绝对式光栅尺。

双码道绝对式光栅尺的结构是：仅有两条码道，一条为绝对码道，一条为增量码道。工作原理是：编码阅读器读取绝对码道同时扫瞄增量码道，分别得到绝对编码和高分辨率的增量值，绝对编码通过查表得到绝对距离值，再结合高分辨率的增量值，可推得高分辨率的绝对位置。双码道绝对式光栅尺的缺陷是：1、由于使用增量码道，所以也存在增量码道的缺陷，即当断电或重启系统后仅能获得绝对编码而无法获得增量值，导致位置数据不精确，必须运行一段距离后才能获取到增量值；2、为了确保高分辨率，增量码道的光栅十分密集，这不仅导致光栅尺制作困难也提高成本。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种直线双码道绝对式钢带尺及其读取方法。

本发明一种直线双码道绝对式钢带尺包括钢带尺、第一探测头组、第二探测头组、第三探测头组、第四探测头组；

所述的钢带尺沿尺长度方向平行开有两条码道，一条码道为绝对码道，另一条码道为标识码道，且两条码道间隔大于L/2；所述标识码道上设置有多个间隔距离为L、半径为R的圆形小孔,则L为R的偶数倍且取值范围为6R到32R；所述绝对码道上与标识码道圆形小孔对应的位置均为码位，随后将根据m序列伪随机码生成的二进制码，当二进制为1时开半径为(L-2R)/2的圆形大孔，若二进制为0则不开孔；

所述第一探测头组由N个探测头等间隔组成，间隔距离为L。所述第二探测头组同样由N个探测头等间隔组成，间隔距离为L。第一探测头组和第二探测头组等间隔交叉放置。所述第三探测头组由L/R个探测头等间隔组成，间隔距离为L+R，且使其最靠近钢带尺顶端的探测头与第一探测头组中的最靠近钢带尺顶端的探测头对齐，所述第四探测头组由L/R个探测头等间隔组成，间隔距离为L+R，且使其最靠近钢带尺顶端的探测头与第二探测头组中的最靠近钢带尺顶端的探测头对齐。

作为优选，m序列采用N级线性反馈移位寄存器产生最长周期为2^N-1的码序列，由此得到2^N-N个长度为N的二进制编码，即绝对编码；N的取值由所需测量的距离决定， N越大可测量距离越长，反之，越短。

作为优选，探测头分为发射管和接收管，其光斑半径为R，当接收管受到光照时，输出高电平，视为二进制1，当接收管未受到光照时，输出低电平，视为二进制0。

一种直线双码道绝对式钢带尺的读取方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤一：第一探测头组检测绝对码道，获得第一绝对编码；

步骤二：第二探测头组检测绝对码道，获得第二绝对编码；

步骤三：第三探测头组检测标识码道，获得第一标识编码；

步骤四：第四探测头组检测标识码道，获得第二标识编码；

步骤五：若第一绝对编码不为零，则根据绝对编码映射表和第一绝对编码获得绝对距离值；若第一绝对编码为零，则根据绝对编码映射表和第二绝对编码获得绝对距离值；

步骤六：若第一绝对编码不为零，则根据标识编码映射表和第一标识编码获得标识距离值；若第一绝对编码为零，则根据标识编码映射表和第二标识编码获得标识距离值；

步骤七：若第一绝对编码不为零，将绝对距离值和标识距离值求和，即得绝对位置；若第一绝对编码为零，将绝对距离值和标识距离值求和，再减L/2，即得绝对位置；

其中绝对编码映射表的获取方式为：

①、确定最靠近钢带尺顶端的圆形小孔的圆心位置，距离圆心位置L/2处且最靠近钢带尺顶端的位置作为绝对位置零点；

②、采用N级线性反馈移位寄存器顺序产生2^N-1个长度为N的二进制编码，取前2^N-N个作为绝对编码；

③、得到绝对编码映射表：

绝对编码	绝对距离值
		第一个绝对编码	0
第二个绝对编码	L
		第三个绝对编码	2*L
……	……
		第X个绝对编码	(X-1)*L
……	……

；

其中标识编码映射表的获取方式为：

①确定最靠近钢带尺顶端的圆形小孔的圆心位置，距离圆心位置L/2处且最靠近钢带尺顶端的位置作为绝对位置零点；

②将第三探测头组中的最靠近钢带尺顶端的探测头对准标识码道上的任意圆形小孔，确保光斑正好通过圆形小孔；向钢带尺任意一端移动L/2，以该位置作为标识距离0点；

③向钢带尺的底端移动2L/R次，每次移动距离为R/2，每次移动前顺序记录标识编码，得到2L/R个标识编码。

④得到标识编码映射表：

本发明的有益效果是，本发明采用标识码道及相应读取方式来实时获取高分辨率的标识距离值，且标识码道上的圆孔直径大、间隔远，所以易于制作，也降低成本，有效地消除了断电或重启系统后无法立即获得高分辨率增量值、高分辨率的增量码道制作困难以及成本高的缺陷。

附图说明

图1为检测流程图；

图2为4级线性反馈移位寄存器示意图；

图3为在R为1毫米，L为6毫米情况下的直线双码道绝对式钢带尺的结构示意图；

图中1.钢带尺，2.半径1毫米的圆形小孔，3.半径2毫米的圆形大孔，4.探测头的发射管，5.探测头的接收管，A1～A4为第一探测头组，B1～B4为第二探测头组， C1～C6为第三探测头组，D1～D6为第四探测头组，a为钢带尺绝对位置零点，b为探测头组检测到的绝对位置。

具体实施方式

下面结合具体实施例及说明书附图对本发明做进一步具体描述。

本实施例中取探测头光斑半径R为1毫米，取圆形小孔间距L为6毫米。

如图3所示，钢带尺1延尺方向并列有两条码道，一条码道为绝对码道，另一条码道为标识码道，两者的距离为6毫米。标识码道上设置有等间隔的、半径为1毫米的圆形小孔2，其间隔距离为6毫米。绝对码道上与标识码道圆形小孔对应的位置均为码位，随后根据m序列伪随机码生成的二进制码决定是否在相应码位上开半径为2毫米的圆形大孔3，若二进制为1则开孔，若二进制为0则不开孔。如图2所示，m序列采用4级线性反馈移位寄存器产生最长周期为15的码序列，由此得到12个长度为4的绝对编码。

如图3所示，第一探测头组由4个探测头等间隔组成，间隔距离为6毫米，且使探测头A1与任意一个圆形小孔对齐。第二探测头组同样由4个探测头等间隔组成，间隔距离为6毫米。第一探测头组和第二探测头组处于同一直线，且探测头交叉放置，使得该直线上的探测头均等间隔分布，间隔距离为3毫米。第三探测头组由6个探测头等间隔组成，间隔距离为7毫米，且使探测头C1与探测头A1对齐。第四探测头组由6个探测头等间隔组成，间隔距离为7毫米，且使探测头D1与探测头B1对齐。探测头分为发射管4和接收管5，其光斑半径为1毫米，当接收管受到光照时，输出高电平，视为二进制1，当接收管未受到光照时，输出低电平，视为二进制0。

如图2所示，采用4级线性反馈移位寄存器产生最长周期为15的码序列，由此得到12个长度为4的二进制编码，即绝对编码。寄存器初始状态D1D2D3D4为1001，得到码序列为100110101111000，由此得到12个绝对编码，绝对编码映射表为：

绝对编码	绝对距离值(单位：毫米)
		1001	0
0011	6
		0110	12
1101	18
		1010	24
0101	30
		1011	36
0111	42
		1111	48
1110	54
		1100	60
1000	66

标识编码映射表由如下方式获得：

1、将第三探测头组中的探测头C1对准标识码道上的任意圆形小孔，确保光斑正好通过圆形小孔。

2、向钢带尺任意一端(顶端或底端)移动3毫米。

3、向钢带尺的底端移动12次，每次移动距离为0.5毫米，每次移动前顺序记录标识编码，得到12个标识编码。

4、得到标识编码映射表：

将距离标识码道上最接近钢带尺顶端的圆形小孔圆心朝钢带尺顶端方向3毫米处的位置视为绝对位置零点，即a点处。将探测头A1的光斑中心的位置视为检测到的绝对位置，即b点处。

如图1所示，检测步骤如下(以图3为例进行说明)：

1、第一探测头组检测绝对码道，获得第一绝对编码1101；

2、第二探测头组检测绝对码道，获得第二绝对编码1101；

3、第三探测头组检测标识码道，获得第一标识编码111001；

4、第四探测头组检测标识码道，获得第二标识编码001111；

5、因为第一绝对编码不为0，根据绝对编码映射表和绝对编码1101，得到绝对距离值为18毫米；

6、因为第一绝对编码不为0，根据标识编码映射表和标识编码111001获得标识距离值为2毫米；

7、因为第一绝对编码不为0，将绝对距离值和标识距离值求和，即得绝对位置为20毫米。

Claims (4)

1.一种直线双码道绝对式钢带尺，其特征在于：包括钢带尺、第一探测头组、第二探测头组、第三探测头组、第四探测头组；

所述的钢带尺沿尺长度方向平行开有两条码道，一条码道为绝对码道，另一条码道为标识码道，且两条码道间隔大于L/2；所述标识码道上设置有多个间隔距离为L、半径为R的圆形小孔,则L为R的偶数倍且取值范围为6R到32R；所述绝对码道上与标识码道圆形小孔对应的位置均为码位，随后将根据m序列伪随机码生成的二进制码，当二进制为1时开半径为(L-2R)/2的圆形大孔，若二进制为0则不开孔；

所述第一探测头组由N个探测头等间隔组成，间隔距离为L；所述第二探测头组同样由N个探测头等间隔组成，间隔距离为L；第一探测头组和第二探测头组等间隔交叉放置；所述第三探测头组由L/R个探测头等间隔组成，间隔距离为L+R，且使其最靠近钢带尺顶端的探测头与第一探测头组中的最靠近钢带尺顶端的探测头对齐，所述第四探测头组由L/R个探测头等间隔组成，间隔距离为L+R，且使其最靠近钢带尺顶端的探测头与第二探测头组中的最靠近钢带尺顶端的探测头对齐。

2.根据权利要求1所述的一种直线双码道绝对式钢带尺，其特征在于：m序列采用N级线性反馈移位寄存器产生最长周期为2^N-1的码序列，由此得到2^N-N个长度为N的二进制编码，即绝对编码；N的取值由所需测量的距离决定，N越大可测量距离越长，反之，越短。

3.根据权利要求1所述的一种直线双码道绝对式钢带尺，其特征在于：探测头分为发射管和接收管，其光斑半径为R，当接收管受到光照时，输出高电平，视为二进制1，当接收管未受到光照时，输出低电平，视为二进制0。

4.根据权利要求1所述的一种直线双码道绝对式钢带尺的读取方法，其特征在于：该方法具体包括以下步骤：

步骤一：第一探测头组检测绝对码道，获得第一绝对编码；

步骤二：第二探测头组检测绝对码道，获得第二绝对编码；

步骤三：第三探测头组检测标识码道，获得第一标识编码；

步骤四：第四探测头组检测标识码道，获得第二标识编码；

步骤五：若第一绝对编码不为零，则根据绝对编码映射表和第一绝对编码获得绝对距离值；若第一绝对编码为零，则根据绝对编码映射表和第二绝对编码获得绝对距离值；

步骤六：若第一绝对编码不为零，则根据标识编码映射表和第一标识编码获得标识距离值；若第一绝对编码为零，则根据标识编码映射表和第二标识编码获得标识距离值；

步骤七：若第一绝对编码不为零，将绝对距离值和标识距离值求和，即得绝对位置；若第一绝对编码为零，将绝对距离值和标识距离值求和，再减L/2，即得绝对位置；

其中绝对编码映射表的获取方式为：

①、确定最靠近钢带尺顶端的圆形小孔的圆心位置，距离圆心位置L/2处且最靠近钢带尺顶端的位置作为绝对位置零点；

②、采用N级线性反馈移位寄存器顺序产生2^N-1个长度为N的二进制编码，取前2^N-N个作为绝对编码；

③、得到绝对编码映射表：

绝对编码 绝对距离值 第一个绝对编码 0 第二个绝对编码 L 第三个绝对编码 2*L …… …… 第X个绝对编码 (X-1)*L …… ……

；

其中标识编码映射表的获取方式为：

①确定最靠近钢带尺顶端的圆形小孔的圆心位置，距离圆心位置L/2处且最靠近钢带尺顶端的位置作为绝对位置零点；

②将第三探测头组中的最靠近钢带尺顶端的探测头对准标识码道上的任意圆形小孔，确保光斑正好通过圆形小孔；向钢带尺任意一端移动L/2，以该位置作为标识距离0点；

③向钢带尺的底端移动2L/R次，每次移动距离为R/2，每次移动前顺序记录标识编码，得到2L/R个标识编码；

④得到标识编码映射表：

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