CN111811548A - 一种反射式图像光电编码器光源调整装置 - Google Patents

一种反射式图像光电编码器光源调整装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种反射式图像光电编码器光源调整装置，包括：快速反射镜，用于将光源发出的平行光束反射至反射式码盘的表面；安装在快速反射镜背面的一对伺服电机，用于调整快速反射镜的倾斜角度；处理电路模块，用于将探测器采集的反射式码盘不同位置下的图像实时上传至上位机，以及接收上位机发送的调整命令，并根据调整命令控制任意一个或者两个伺服电机运动；上位机，用于判断探测器采集的图像是否满足解码图像要求，若否，则计算电机运动参数，并根据生成调整命令发送至处理电路模块。本发明是一种自适应的光源装调装置，其无需人工手动调节光源入射到反射式码盘上的光束，提高了装调效率，节省装调时所需的人力物力，放宽了对使用环境的要求。

Description

一种反射式图像光电编码器光源调整装置
技术领域
本发明涉及光电编码器技术领域，特别是涉及一种反射式图像光电编码器光源调整装置。
背景技术
光电编码器是一种集光、机、电于一体的数字测角装置，具有高精度、高分辨率和高可靠性等优点。其中，以海德汉的光电编码器最为典型，代表发展的最前沿，该公司研制的光电编码器分辨率可达32位，但因其基于莫尔条纹技术，所以实现高分辨率光电编码器，要求码盘尺寸和编码器的体积较大，同时莫尔条纹的调制复杂。图像式光电编码器利用数字图像处理技术，不需要调制莫尔条纹，同时可实现单圈绝对式编码，并在小面积码盘上实现高分辨率。西安光机所的胡晓东等人提出一种通过透光区在CCD像元数的多少确定明暗条纹的编码方式，研制成功单圈12位粗码的绝对式编码器，精度可达2"；长春光机所于海、万秋华等人提出一种图像式编码器的细分算法实现4096细分，码盘尺寸仅为38mm，厚度为75mm，但目前透射式图像编码器的厚度大，体积因而增大。因而，人们提出了反射式图像光电编码器，即光源和探测器位于码盘的同一侧，这样有效地减小了体积。反射式图像光电编码器功能的实现需采集码盘码道的图案，因此，入射光源是否能对准码盘码道图案关乎后续图像处理、识别译码等是否正确。目前，光源装调方法主要是通过人工手动装调实现的，人工调整光源入射到码盘码道上的光束，不仅需要技术人员在设计装调方面有较为丰富的技术和经验，而且人工手动装调的效率低；同时由于机械加工等的原因，同一款编码器的机械尺寸会存在差异，需要配合每个编码器的实际尺寸进行加工装调光源，导致对使用环境的要求较高。
发明内容
基于此，有必要针对目前反射式图像光电编码器光源系统的装调主要是通过人工手动装调实现的，对技术人员和使用环境的要求较高，且装调效率低的问题，提出一种反射式图像光电编码器光源调整装置。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种反射式图像光电编码器光源调整装置，包括：
快速反射镜，用于将光源发出的平行光束反射至反射式码盘的表面；
安装在所述快速反射镜背面的一对伺服电机，用于调整所述快速反射镜的倾斜角度；
处理电路模块，用于将探测器采集的所述反射式码盘不同位置下的图像实时上传至上位机，以及接收上位机发送的调整命令，并根据调整命令控制任意一个或者两个所述伺服电机运动；
上位机，用于判断所述探测器采集的图像是否满足解码图像要求，若否，则根据所述探测器采集的图像和标准码盘图像计算电机运动参数，并根据所述电机运动参数生成调整命令发送至所述处理电路模块。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明利用一对伺服电机调整快速反射镜的倾斜角度，从而调整光源入射到反射式码盘码道上的光束的角度，通过探测器接收经过反射式码盘反射出来的光，探测器将码盘码道的图案成像并通过处理电路模块将采集的反射式码盘不同位置下的图像实时上传至上位机，上位机根据探测器采集的图像分析光源的入射角是否合适，即判断探测器6采集的图像是否满足解码图像要求，若不满足，则上位机反馈调整命令给处理电模块路，处理电路模块根据调整命令控制任意一个伺服电机运动或者控制两个伺服电机同时运动，实现光束的调整，直至探测器采集的图像满足反射式图像编码器的解码图像要求为止。本发明是一种自适应的光源装调装置，其无需人工手动调节光源入射到反射式码盘上的光束，取代了人工装调光源的方法，提高了装调效率，节省了装调时所需的人力物力，同时放宽了对使用环境的要求。
附图说明
图1为一个实施例中本发明一种反射式图像光电编码器光源调整装置的结构示意图；
图2为本发明一种反射式图像光电编码器光源调整装置的电路硬件架构示意图；
图3为图2所示反射式图像光电编码器光源调整装置的控制过程框图；
图4为图2所示反射式图像光电编码器光源调整装置的控制流程图；
图中：1、快速反射镜；2、光源；3、反射式码盘；4、伺服电机；5、处理电路模块；5-1、主控制器；5-2、通信电路；5-3、电机驱动电路；6、探测器；7、上位机；8、探测器驱动电路；9、光学透镜；10、电源模块。
具体实施方式
下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
在其中一个实施例中，如图1所示，本发明提供一种反射式图像光电编码器光源调整装置，该光源调整装置包括快速反射镜1、一对(两个)伺服电机4、处理电路模块5和上位机7。
具体地，快速反射镜1用于将光源2发出的平行光束反射至反射式码盘3的表面。
在反射式图像光电编码器中，由光源2发出的光经过光学透镜9获得平行光束，平行光束以一定的角度入射到快速反射镜1的表面，快速反射镜1将平行光束反射到反射式码盘3的表面，由于反射式码盘3的表面镀有增反膜的部分反射率大，所以将大部分光的能量反射出去，透射的少，在探测器6(可以采用CCD探测器或者CMOS探测器)上成亮条纹；反射式码盘3的表面镀有增透膜的部分，由于反射率小，则透射的多，反射的少，在探测器6上成暗条纹。如此，探测器6将反射式码盘3表面的代表角度的明暗条纹图案成像，通过对该明暗条纹成像的分析就可得到此处码盘上图案的角度。当反射式码盘3相对测量探头即探测器6产生角位移时，探测器6中码盘上的明暗条纹的图像就会有变化，而这种变化就是反射式码盘3转动角度的变化。以上就是反射式图像光电编码器的测量原理，由此原理可知：探测器6中呈现的码盘的图案是后续解码的关键和基础，因此，调整入射光获得完整的码盘图案至关重要。光源2经快速反射镜1反射到反射式码盘3表面的光束，在码盘的上的位置会随着光束在快速反射镜1处反射角的变化而变化。当此光束刚好照射到反射式码盘3码道上时，在探测器6表面会呈现出码盘码道的图案；当光束偏离码道时，在探测器6上呈现的图像就是不完整甚至不是码盘码道的图案，此时调整快速反射镜1，使光源入射角变化，光线的反射角随之改变，入射到反射式码盘3表面的光束的位置在探测器6上呈现的图像因此得到调整，直至码盘码道图像在探测器6上完整呈现出来，满足解码要求。
一对伺服电机4安装在快速反射镜1的背面，例如一对伺服电机4关于快速反射镜1的中心对称安装在快速反射镜1的背面，一对伺服电机4用于调整快速反射镜1的倾斜角度。
可选地，伺服电机4与快速反射镜1的背面可拆卸连接，当完成光源调整后，可将快速反射镜1位置固定，将伺服电机4拆卸下来，这样能够有效的减小后续编码器的体积。
可选地，本实施例中的伺服电机4可以采用音圈电机、微型电机或者微型马达中的任意一种。
进一步地，本实施例的反射式图像光电编码器光源调整装置还包括反射镜固定组件，反射镜固定组件用于在完成光源调整后对快速反射镜1进行固定，从而可以将伺服电机4拆除，进一步减小编码器的体积。反射镜固定组件可以采用现有的镜片固定组件实现，快速反射镜1通过反射镜固定组件固定在编码器的壳体上。
处理电路模块5用于将探测器6采集的反射式码盘不同位置下的图像实时上传至上位机7，以及接收上位机7发送的调整命令，并根据调整命令控制任意一个或者两个伺服电机4运动。
上位机7用于判断探测器6采集的图像是否满足解码图像要求，若否，则根据探测器6采集的图像和标准码盘图像计算电机运动参数，电机运动参数包括伺服电机4的速度参数和位置参数，并根据电机运动参数生成调整命令发送至处理电路模块5，以使得处理电路模块5根据调整命令控制伺服电机4运动。在本实施例中，解码图像要求为探测器6采集的图像包括反射式码盘3的完整码道图像，当探测器6采集的图像包括反射式码盘3的完整码道图像时，表明光源2已经对准反射式码盘3的码道，此时探测器6采集的图像可以用于后续的图像处理以及识别译码等。
优选地，上位机7根据探测器6采集的图像和标准码盘图像计算电机运动参数的过程包括以下步骤：
上位机7首先将探测器6采集的图像与标准码盘图像进行对比识别，其中标准码盘图像为上位机7预先存储的图像；然后，上位机7根据对比识别的识别结果计算快速反射镜1的倾斜角度；最后，上位机7根据快速反射镜1的倾斜角度计算伺服电机4的电机运动参数，其中电机运动参数包括伺服电机4的速度参数和位置参数。
本实施例所提出的反射式图像光电编码器光源调整装置利用一对伺服电机调整快速反射镜的倾斜角度，从而调整光源入射到反射式码盘码道上的光束的角度，通过探测器接收经过反射式码盘反射出来的光，探测器将码盘码道的图案成像并通过处理电路模块将采集的反射式码盘不同位置下的图像实时上传至上位机，上位机根据探测器采集的图像分析光源的入射角是否合适，即判断探测器6采集的图像是否满足解码图像要求，若不满足，则上位机反馈调整命令给处理电模块路，处理电路模块根据调整命令控制任意一个伺服电机运动或者控制两个伺服电机同时运动，实现光束的调整，直至探测器采集的图像满足反射式图像编码器的解码图像要求为止。本实施例提供了一种自适应的光源装调装置，其无需人工手动调节光源入射到反射式码盘上的光束，取代了人工装调光源的方法，提高了装调效率，节省了装调时所需的人力物力，同时放宽了对使用环境的要求。仿真表明本发明所提出的反射式图像光电编码器光源调整装置实用有效。
图2为反射式图像光电编码器光源调整装置的电路硬件架构示意图。如图2所示，处理电路模块5包括主控制器5-1、通信电路5-2和电机驱动电路5-3，其中主控制器5-1分别与探测器6、探测器驱动电路8、通信电路5-2以及电机驱动电路5-3连接，电机驱动电路5-3与一对伺服电机4连接，通信电路5-2与上位机7连接，驱动电路8用于在主控制器5-1的控制下驱动探测器6采集反射式码盘3不同位置下的图像，电源模块10用于为光源2、处理电路模块5、探测器6以及驱动电路8供电。本发明的反射式图像光电编码器光源调整装置是一种伺服视觉系统，上位机7为输入，主要为系统提供伺服电机的运动参数，如：速度参数和位置参数等。主控制器5-1可以采用内嵌ARM内核的FPGA或者集成硬核DSP的FPGA，利用内嵌ARM内核的FPGA实现对伺服电机4的控制，这种控制方法将算法在ARM内核中实现，外部利用FPGA去做时序和接口，能够有效的减小体积，提高处理速度。主控制器5-1主要完成接收上位机7的命令，并控制两个伺服电机4的运动，同时还要完成系统的通信工作，如将探测器6采集的图像传送给上位机7。电机驱动电路5-3(驱动器)包括DA电路和功率驱动模块等，用于将主控制器5-1发送的数字PWM波信号转换成伺服电机4驱动所需的信号，使其按照命令完成动作。反射式图像光电编码器的探测器6在光源调整阶段的作用是观测器，起到反馈的作用，一旦探测器6所采集的图像全部满足解码图像要求，光源调整即结束，探测器6将恢复其在反射式图像光电编码器中的功能。
图3为图2所示反射式图像光电编码器光源调整装置的控制过程框图。如图3所示，为了实现对光源光束的控制，探测器6对反射式码盘3的不同位置成像，并将采集的图像经过主控制器5-1和通信电路5-2传送给上位机7，上位机7将此图像与标准码盘图像进行对比识别，判断探测器6采集的图像是否满足解码图像要求，如果不满足解码图像要求，上位机7计算出快速反射镜1的倾斜角度，进而计算出两个伺服电机4的运动参数，将运动参数反馈给主控制器5-1，主控制器5-1控制伺服电机运动，使快速反射镜1的倾斜角发生变化，入射到反射式码盘3表面的光束和探测器6采集的图像随之改变，实现光源光束调整的目的。
图4为图2所示反射式图像光电编码器光源调整装置的控制流程图。如图4所示，反射式图像光电编码器光源调整装置的控制流程包括以下步骤：
步骤S1：开始后，探测器6采集图像；
步骤S2：判断探测器6采集图像是否完成，若是，则进入步骤S3；若否，则探测器6继续采集图像；
步骤S3：探测器6将采集的图像上传至上位机7，上位机7判断此图像是否满足解码图像要求，若是，则结束；若否，则进入步骤S4；
步骤S4：上位机7根据探测器6采集的图像和标准码盘图像计算电机运动参数；
步骤S5：根据电机运动参数生成调整命令，并将调整命令发送至主控制器5-1；
步骤S6：主控制器5-1根据调整命令控制伺服电机4运动，探测器6重新采集图像，直至探测器6采集的反射式码盘3的所有位置的图像满足解码图像要求后结束。主控制器5-1根据调整命令控制伺服电机4运动时，此步的控制算法可根据控制系统的性能要求选择现有技术中的控制算法，例如PID算法等。
本发明采用伺服电机驱动快速反射镜调整入射到反射式码盘表面的光源光束，节省了装调时间，提高了装调的效率，当测量环境改变时，无需重新调整机械结构，无需专业人员操作，降低了开发成本。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种反射式图像光电编码器光源调整装置，其特征在于，包括：
快速反射镜(1)，用于将光源(2)发出的平行光束反射至反射式码盘(3)的表面；
安装在所述快速反射镜(1)背面的一对伺服电机(4)，用于调整所述快速反射镜(1)的倾斜角度；
处理电路模块(5)，用于将探测器(6)采集的所述反射式码盘不同位置下的图像实时上传至上位机(7)，以及接收上位机(7)发送的调整命令，并根据调整命令控制任意一个或者两个所述伺服电机(4)运动；
上位机(7)，用于判断所述探测器(6)采集的图像是否满足解码图像要求，若否，则根据所述探测器(6)采集的图像和标准码盘图像计算电机运动参数，并根据所述电机运动参数生成调整命令发送至所述处理电路模块(5)。
2.根据权利要求1所述的反射式图像光电编码器光源调整装置，其特征在于，所述处理电路模块(5)包括主控制器(5-1)、通信电路(5-2)和电机驱动电路(5-3)；
所述主控制器(5-1)分别与所述探测器(6)、探测器驱动电路(8)、通信电路(5-2)以及所述电机驱动电路(5-3)连接，所述电机驱动电路(5-3)与一对所述伺服电机(4)连接，所述通信电路(5-2)与所述上位机(7)连接。
3.根据权利要求1或2所述的反射式图像光电编码器光源调整装置，其特征在于，所述解码图像要求为：
所述探测器(6)采集的图像包括反射式码盘(3)的完整码道图像。
4.根据权利要求1或2所述的反射式图像光电编码器光源调整装置，其特征在于，上位机(7)根据所述探测器(6)采集的图像和标准码盘图像计算电机运动参数的过程包括以下步骤：
将所述探测器(6)采集的图像与标准码盘图像进行对比识别；
根据识别结果计算所述快速反射镜(1)的倾斜角度；
根据所述倾斜角度计算所述伺服电机(4)的电机运动参数，所述电机运动参数包括速度参数和位置参数。
5.根据权利要求1或2所述的反射式图像光电编码器光源调整装置，其特征在于，
所述伺服电机(4)与所述快速反射镜(1)的背面可拆卸连接。
6.根据权利要求1或2所述的反射式图像光电编码器光源调整装置，其特征在于，还包括反射镜固定组件；
所述反射镜固定组件用于在完成光源调整后对所述快速反射镜(1)进行固定。
7.根据权利要求1或2所述的反射式图像光电编码器光源调整装置，其特征在于，
所述伺服电机(4)采用音圈电机、微型电机或者微型马达中的任意一种。
8.根据权利要求1或2所述的反射式图像光电编码器光源调整装置，其特征在于，
所述探测器(6)采用CCD探测器或者CMOS探测器。
9.根据权利要求2所述的反射式图像光电编码器光源调整装置，其特征在于，
所述主控制器(5-1)采用内嵌ARM内核的FPGA或者集成硬核DSP的FPGA。
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