CN114608633B - 一种单码道绝对式位移测量编码码盘和系统 - Google Patents

一种单码道绝对式位移测量编码码盘和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单码道绝对式位移测量编码码盘和系统，该码盘包括标线组合和码盘基底；标线组合以圆环形式设置于码盘基底上，依圆环分布方向设置有多个编码区间；每一编码区间设置有第一编码标线、第二编码标线和第三编码标线，三种编码标线分别具有不同宽度的透光区域；第一编码标线设置于相邻的两个编码区间之间，第二编码标线、第三编码标线依预定编码规则排列于各个编码区间内；码盘基底包括码盘盘面，码盘盘面在标线组合位置透光，在除标线组合外的其他位置不透光。当光线照射于标线组合位置时，通过采集透过标线组合的光信号进行译码细分等运算就可以实现位移测量，能够实现绝对式位移测量，并具有较高可靠性。

Description

一种单码道绝对式位移测量编码码盘和系统
技术领域
本发明涉及光电位移精密测量领域，尤其涉及一种单码道绝对式位移测量编码码盘和系统。
背景技术
数字化位移测量是集光机电于一体化的高精密测量技术，以其高精度、高分辨力、测量范围广、易于与数字化设备对接等优点已成为工业制造、航空航天、军事装备等领域的关键技术。随着生产制造业的发展，对数字化位移测量技术提出了更高的要求，主要包：高分辨能力和高测量精度的要求。因此，研究高分辨力、高精度位移测量技术，是基础制造研究领域的热门，具有重要的研究价值。
随着数字化位移测量技术的研究开展，基于图像识别的位移测量已经成为一种新兴的高性能位移测量技术。图像式位移测量技术由于采用数字图像处理方法，因而具有较高的鲁棒性和容错性。与传统莫尔条纹位移测量技术相比，图像式位移测量技术能够更轻易的实现高分辨力和高精度位移测量。
在图像式位移测量技术中，单码道绝对式编码码盘是提高位移测量鲁棒性和容错性的关键器件。由于单码道编码码盘仅仅采用单一码道进行位移测量，因此免去了多码道测量过程中的“对周期”、“错相位”等调试步骤。
因此，提供一种能够实现单码道绝对式位移测量的编码码盘，对于提升位移测量的可靠性将大有裨益。
发明内容
本发明为了克服上述现有技术中的缺陷，提出了一种单码道绝对式位移测量编码码盘和系统，用以解决实现绝对式位移测量，并且具有较高的可靠性。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
在第一方面，本发明提供了一种单码道绝对式位移测量编码码盘，包括标线组合和码盘基底；
标线组合以圆环形式设置于码盘基底上，依圆环分布方向设置有多个编码区间；每一编码区间设置有第一编码标线、第二编码标线和第三编码标线，第一编码标线、第二编码标线和第三编码标线分别具有不同宽度的透光区域；第一编码标线设置于相邻的两个编码区间之间，第二编码标线、第三编码标线依预定编码规则排列于各个编码区间内；
码盘基底包括码盘盘面，码盘盘面在标线组合位置透光，在除标线组合外的其他位置不透光。
作为一种可选的实施例，码盘码盘在除标线组合外的其他位置镀有不透光膜。
作为一种可选的实施例，码盘基底在沿厚度方向上还设置有贯穿码盘基底的定位孔。
作为一种可选的实施例，第一编码标线、第二编码标线和第三编码标线均为矩形透光区域；各个矩形透光区域的长度相同，长度方向指向圆环对应的圆心位置，宽度方向垂直于圆环的内径或外径方向。
作为一种可选的实施例，第一编码标线的宽度大于第二编码标线的宽度，第二编码标线的宽度大于第三编码标线的宽度。
作为一种可选的实施例，第一编码标线的宽度为L，第二编码标线的宽度为L/2，第三编码标线的宽度为L/4。
作为一种可选的实施例，第一编码标线、第二编码标线和第三编码标线间距设置；
相邻的第一编码标线的间距相同；
在各个编码区间内，所述第二编码标线与其相邻的第三编码标线的间距相同。
作为一种可选的实施例，每一第二编码标线表示编码元1，每一第三编码标线表示编码元0；
第二编码标线和第三编码标线在各个编码区间内按照二进制规则进行编码，同一编码区间内的第二编码标线与第三编码标线依排列关系组成一编码数值；相邻的编码区间对应的编码数值逐次递增或逐次递减。
在第二方面，本发明还提供了一种码道绝对式位移测量编码系统，包括编码码盘、平行光源、旋转机构和线阵图像传感器；
编码码盘为如本发明第一方面的单码道绝对式位移测量编码码盘；
平行光源发出照射于标线组合位置的平行光；
旋转机构与编码码盘传动连接，用于驱动编码码盘的盘面旋转；
线阵图像传感器与平行光源分别设置于码盘盘面的上下两侧，用于采集码盘盘面旋转过程中平行光透过标线组合位置后的光信号。
作为一种可选的实施例，还包括处理器，处理器与线阵图像传感器电连接，用于对光信号进行译码，并根据译码信号对旋转的角位移进行测量。
本发明能够取得以下技术效果：
本发明提出了一种单码道绝对式位移测量编码码盘和系统，该码盘包括标线组合和码盘基底；标线组合以圆环形式设置于码盘基底上，依圆环分布方向设置有多个编码区间；每一编码区间设置有第一编码标线、第二编码标线和第三编码标线，第一编码标线、第二编码标线和第三编码标线分别具有不同宽度的透光区域；第一编码标线设置于相邻的两个编码区间之间，第二编码标线、第三编码标线依预定编码规则排列于各个编码区间内；码盘基底包括码盘盘面，码盘盘面在标线组合位置透光，在除标线组合外的其他位置不透光。当光线照射于标线组合位置时，通过采集透过标线组合的光信号进行译码细分等运算就可以实现位移测量，能够实现绝对式位移测量，并且具有较高的可靠性。
附图说明
图1是本发明第一种实施例涉及的单码道绝对式位移测量编码码盘的结构示意图；
图2是本发明第二种实施例涉及的单码道绝对式位移测量编码码盘的结构示意图；
图3是本发明第三种实施例涉及的单码道绝对式位移测量编码码盘的结构示意图；
图4是本发明第三种实施例涉及的单码道绝对式位移测量编码系统的结构示意图；
图5是本发明一种实施例涉及的基于线阵图像传感器采集的信号测量位移的原理图。
附图标记：
1、码盘基底；
2、标线组合；21、第一编码标线；22、第二编码标线；23、第三编码标线；
3、定位孔；
101、线阵图像传感器；102、编码码盘102；103、平行光源；104、旋转机构；105、线阵图像。
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。
请参阅图1-图3，为本发明第一种实施例涉及的单码道绝对式位移测量编码码盘的结构示意图。该编码码盘包括标线组合2和码盘基底1；
标线组合2以圆环形式设置于码盘基底1上，依圆环分布方向设置有多个编码区间11；每一编码区间11设置有第一编码标线21、第二编码标线22和第三编码标线23，第一编码标线21、第二编码标线22和第三编码标线23分别具有不同宽度的透光区域；第一编码标线21设置于相邻的两个编码区间11之间，第二编码标线22、第三编码标线23依预定编码规则排列于各个编码区间11内；码盘基底1包括码盘盘面，码盘盘面在标线组合位置透光，在除标线组合外的其他位置不透光。
码盘码盘1在除标线组合外的其他位置镀有不透光膜，这样可以有效排除采集信号时外部光线(非设定的光源发出的光线)对于测量结果的干扰。优选的，码盘基底1为具有一定厚度的不透光的圆盘，一般采用镀有不透光膜的玻璃材质或金属材质，不透光膜覆盖的区域为除标线组合的透光区域以外的其他位置。
第二编码标线和第三编码标线用来表示绝对位置的编码，第一编码标线用来提供位移细分运算的区间标识。标线组合2中所有的编码区间11都位于同一直径的圆形轨道内，构成单码道编码。第一编码标线21、第一编码标线22和第二编码标线23之间互不干涉，互不叠加。
请参阅图3，编码码盘包括码盘基底1和标线组合，标线组合包括第一编码标线21，第二编码标线和第三编码标线在图3中未示出，所有的第一编码标线21以圆环的形态分布于编码码盘的圆周位置，相邻的第一编码标线21之间构成一个编码区间11。例如图3中的所有第一编码标线21将码盘基底1的圆周分为2N份(N为预设值，例如图3中N＝6，N表示一个编码区间内所包含的第二编码标线和第三编码标线的总数量)。2N条第一编码标线21均匀的分布在圆周内，并且所有的第一编码标线21都位于同一半径上(即位于同一同心圆的圆周上)。2N条第一编码标线21将码盘盘面分成了2N个编码区间11。
由于编码码盘上设置了能够透光的标线组合，而标线组合又包括三种宽度不同的编码标线，当光线透过三种宽度不同的编码标线时就可以基于捕捉到的光信号进行采集，而后对于采集的光信号进行译码、位移细分等运算就可以实现对位移的测量，能够实现绝对式位移测量，并且具有较高的可靠性。
如图1所示，码盘基底1在沿厚度方向上还设置有贯穿码盘基底的定位孔3，定位孔3用于实现编码码盘的安装定位。优选的，定位孔3的数量为多个，可以设置于标线组合所在的位置内侧，形状可以选用圆形、方形等。例如定位孔可以为螺丝定位孔3，螺丝定位孔3是一些镂空的圆形孔，在圆形孔的内侧壁设置有螺纹，便于安装定位。
在某些实施例中，如图2所示，第一编码标线21、第二编码标线22和第三编码标线23均为矩形透光区域；各个矩形透光区域的长度相同，长度方向指向圆环对应的圆心位置，宽度方向垂直于圆环的内径或外径方向。第一编码标线21的宽度大于第二编码标线22的宽度，第二编码标线22的宽度大于第三编码标线23的宽度。优选的，第一编码标线21的宽度为L，第二编码标线22的宽度为L/2，第三编码标线23的宽度为L/4。通过将三种不同类型的编码标线宽度设置为不同，由于整个编码码盘只在这三种编码标线处透光，当光线经过这三种类型的编码标线时就会形成宽度不同的条纹图像，通过对图像中不同宽度的条纹进行识别就可以完成译码，进而进行位移的计算。
进一步的，第一编码标线21、第二编码标线22和第三编码标线23间距设置；相邻的第一编码标线21的间距相同；在各个编码区间内，第二编码标线22与其相邻的第三编码标线23的间距相同。通过将不同编码区间内第二编码标线22与第三编码标线23的间距设置为相同，便于光信号的后续译码计算。
在另一些实施例中，在同一编码区间内，第二编码标线22与该编码区间对应的第一编码标线21之间的间距(或第三编码标线23与该编码区间对应的第一编码标线21之间的间距)可以与该编码区间内的相邻的第二编码标线22之间的间距、该编码区间内的相邻的第三编码标线22之间的间距、或该编码区间内的相邻的第二编码标线22与第三编码标线23的间距设置为相同或不同。
如图2所示，每一第二编码标线表示编码元1，每一第三编码标线表示编码元0；第二编码标线和第三编码标线在各个编码区间内按照二进制规则进行编码，同一编码区间内的第二编码标线与第三编码标线依排列关系组成一编码数值；相邻的编码区间对应的编码数值逐次递增或逐次递减。例如图2中显示有3个编码区间，每个编码区间中第二编码标线与第三编码标线的总数量为6个，从左至右的编码区间分别表示000000、000001、000010，随着编码区间内的第二编码标线与第三编码标线排列关系的不同，就可以模拟出从000000至111111共计256个数值。
如图4所示，在第二方面，本发明还提供了一种码道绝对式位移测量编码系统，包括编码码盘102、平行光源103、旋转机构104和线阵图像传感器101。
编码码盘102为如本发明第一方面的单码道绝对式位移测量编码码盘；
平行光源103发出照射于标线组合位置的平行光；
旋转机构104与编码码盘传动连接，用于驱动编码码盘的盘面旋转；旋转机构包括旋转主轴和驱动机构，编码码盘102可以安装于旋转主轴上，驱动机构驱动旋转主轴转动进而带动编码码盘转动。驱动机构可以选用电机。
线阵图像传感器101与平行光源103分别设置于码盘盘面的上下两侧，用于采集码盘盘面旋转过程中平行光透过标线组合位置后的光信号。
优选的，线阵图像传感器101能够采集信号的区域范围大于单个编码区间的11的范围，这样可以有效防止采集失误。通过线阵图像传感器就可以精准地判断出光线在预设时间段内从某一编码区间到另一编码区间的跨度，而后对于跨度进行位移映射计算，就可以旋转的角位移。
作为一种可选的实施例，系统还包括处理器，处理器与线阵图像传感器电连接，用于对光信号进行译码，并根据译码信号对旋转的角位移进行测量。处理器可以包括微处理器、协处理器、专用集成电路(ASIC)，控制器、可编程逻辑设备、芯片组、现场可编程门阵列(FPGA)或一些可以解释和/或执行指令和/或数据的其他组件。
请参照图5，为本发明实施例公开的位移细分原理图，用于基于第一编码标线21计算位移。在细分时，为了简化计划，将忽略用于编码的第二编码标线和第三编码标线。
线阵图像传感器所采集到的线阵图像105中包含有若干条编码区间11，每一编码区间11内包括若干第二编码标线22和第三编码标线23。以图像中心点为原点，建立x-o-y坐标系。其中，像素灰度值为y轴，像素位置为x轴。采用质心算法分别计算y轴两侧的两条第一编码标线21的质心，得到质心a和b，然后，通过下方公式(1)计算得到细分数值：
Figure BDA0003558170390000081
在公式(1)中，η是细分映射值。优选的η＝2M时，就实现了2M倍的细分。结合编码码盘上的2N条编码区间，共可以实现360°/(2N+M)的测量分辨力。细分映射值是把相邻的第一编码标线21之间的间距映射到数值上即将间距量化。例如某两条相邻的第一编码标线的间距是1.4mm，可以将它映射量化为2^9＝512的数值，用于归一化角位移细分的运算。
假设，通过对编码区间11的识别，得到的译码值为A。那么最终得到的角位移测量数值D可以计算如下方公式(2)所示：
D＝A·η+B(2)
其中，数值D就是采用本发明实施例所公开的编码码盘进行角位移测量得到的测量数值。
本发明提出了一种单码道绝对式位移测量编码码盘和系统，该码盘包括标线组合和码盘基底；标线组合以圆环形式设置于码盘基底上，依圆环分布方向设置有多个编码区间；每一编码区间设置有第一编码标线、第二编码标线和第三编码标线，第一编码标线、第二编码标线和第三编码标线分别具有不同宽度的透光区域；第一编码标线设置于相邻的两个编码区间之间，第二编码标线、第三编码标线依预定编码规则排列于各个编码区间内；码盘基底包括码盘盘面，码盘盘面在标线组合位置透光，在除标线组合外的其他位置不透光。当光线照射于标线组合位置时，通过采集透过标线组合的光信号进行译码细分等运算就可以实现位移测量，能够实现绝对式位移测量，并且具有较高的可靠性。
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 (6)

1.一种单码道绝对式位移测量编码码盘，其特征在于，包括：
标线组合，以圆环形式设置于码盘基底上，依所述圆环分布方向设置有多个编码区间；每一编码区间设置有第一编码标线、第二编码标线和第三编码标线，所述第一编码标线、第二编码标线和第三编码标线分别具有不同宽度的透光区域；所述第一编码标线设置于相邻的两个编码区间之间，所述第二编码标线、第三编码标线依预定编码规则排列于各个编码区间内，第一编码标线将码盘基底的圆周分为2N份，N为预设值，N表示一个编码区间内所包含的第二编码标线和第三编码标线的总数量；2N条第一编码标线均匀的分布在码盘基底的圆周内；
所述第一编码标线的宽度为L，所述第二编码标线的宽度为L/2，所述第三编码标线的宽度为L/4；
相邻的第一编码标线的间距相同；在各个编码区间内，所述第二编码标线与其相邻的第三编码标线的间距相同；
码盘基底，包括码盘盘面，所述码盘盘面在所述标线组合位置透光，在除所述标线组合外的其他位置不透光；
利用单码道绝对式位移测量编码码盘测量角位移数值包括以下步骤：
以采集到的光信号图像的中心点为原点，建立x-o-y坐标系，像素灰度值为y轴，像素位置为x轴；
采用质心算法分别计算y轴两侧的两条第一编码标线的质心位置坐标，记为a和b；
计算光信号图像的细分数值如下：
Figure QLYQS_1
；
其中，η为细分映射值，B为细分数值；
通过对编码区间的识别确定出原始位置的译码值为A，则最终角位移测量数值D的计算式如下：
Figure QLYQS_2
。
2.如权利要求1所述的单码道绝对式位移测量编码码盘，其特征在于，所述码盘码盘在除所述标线组合外的其他位置镀有不透光膜。
3.如权利要求1所述的单码道绝对式位移测量编码码盘，其特征在于，所述码盘基底在沿厚度方向上还设置有贯穿所述码盘基底的定位孔。
4.如权利要求1所述的单码道绝对式位移测量编码码盘，其特征在于，所述第一编码标线、第二编码标线和第三编码标线均为矩形透光区域；各个矩形透光区域的长度相同，长度方向指向所述圆环对应的圆心位置，宽度方向垂直于所述圆环的内径或外径方向。
5.如权利要求1所述的单码道绝对式位移测量编码码盘，其特征在于，每一所述第二编码标线表示编码元1，每一所述第三编码标线表示编码元0；
所述第二编码标线和所述第三编码标线在各个编码区间内按照二进制规则进行编码，同一编码区间内的所述第二编码标线与所述第三编码标线依排列关系组成一编码数值；相邻的编码区间对应的编码数值逐次递增或逐次递减。
6.一种码道绝对式位移测量编码系统，其特征在于，包括：
编码码盘，为如权利要求1至5任一项所述的单码道绝对式位移测量编码码盘；
平行光源，发出照射于所述标线组合位置的平行光；
旋转机构，与所述编码码盘传动连接，用于驱动所述编码码盘的盘面旋转；
线阵图像传感器，与所述平行光源分别设置于所述码盘盘面的上下两侧，用于采集码盘盘面旋转过程中平行光透过所述标线组合位置后的光信号；
处理器，与所述线阵图像传感器电连接，用于对所述光信号进行译码，并根据译码信号对旋转的角位移进行测量；
码道绝对式位移测量编码系统测量角位移数值包括以下步骤：
以所述线阵图像传感器采集到的光信号图像的中心点为原点，建立x-o-y坐标系，像素灰度值为y轴，像素位置为x轴；
采用质心算法分别计算y轴两侧的两条第一编码标线的质心位置坐标，记为a和b；
计算光信号图像的细分数值如下：
Figure QLYQS_3
；
其中，η为细分映射值，B为细分数值；
通过对编码区间的识别确定出原始位置的译码值为A，则最终角位移测量数值D的计算式如下：
Figure QLYQS_4
。
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