一種絕對式光柵尺的防振讀碼裝置制造方法
【專利摘要】本發明是一種絕對式光柵尺的防振讀碼裝置。包括有用于采集絕對光柵條紋和校正增量條紋的CMOS/CCD傳感器陣列、帶微透鏡陣列的光學放大系統、用于輔助校正振動方向和測量的帶有絕對式編碼和校正增量條紋的絕對式光柵尺、FPGA驅動單元、DSP圖像處理單元、校正補償單元。本發明采用的絕對式光柵尺為并列布置的高精度絕對編碼和低精度的校正增量碼編碼的雙碼道光柵尺，由FPGA同時驅動CMOS/CCD傳感器陣列的四個單元來采集圖像，并有序地對比圖像中的校正增量碼來獲得有效的振動方向，并通過運動校正補償單元來補償運動，使得整體編碼圖像清晰，有效提高了正確讀碼率，實現了高精度測量。
【專利說明】一種絕對式光柵尺的防振讀碼裝置
【技術領域】
[0001]本發明是一種處理高精度光柵尺在振動影響下采集的圖像的絕對式光柵尺的防振讀碼裝置，屬于絕對式光柵尺的防振讀碼裝置的創新技術。
【背景技術】
[0002]在現代機加行業中，由于光柵尺能夠對系統實行全閉環控制，提高加工精度，光柵傳感器成為該領域的中檔數控車床主要線性反饋元件。但傳統的光柵尺單純依靠光柵玻璃來讀取位置信息，可靠性較低，精度較易受光柵尺直線度、剛度、溫度、振動等因素的影響，特別是振動因素對采集到編碼圖像的清晰與否有很大影響。
[0003]目前消減振動對圖像的影響的技術主要是集中在相機的圖像處理領域，當前主要兩種處理方式是電子圖像穩定器和光學圖像穩定器。其中，電子圖像穩定器是基于軟件來處理的，存在容易造成圖像惡化、處理時間長等缺點。而光學圖像穩定器是通過安裝在鏡頭或器體上的傳感器來檢測其振動或運動方向，不會造成圖像質量惡化，但存在依賴硬件條件和成本聞等缺點。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種絕對式光柵尺的防振讀碼裝置。本發明能檢測振動對光柵尺采集到圖像的影響效果，并有效補償C0MS/CCD傳感器陣列采集到圖像效果，達到圖像穩定采集，從而實現準確的位移測量。
[0005]本發明的技術方案是:本發明的絕對式光柵尺的防振讀碼裝置，包括有用于采集絕對光柵條紋和校正增量條紋的CM0S/CCD傳感器陣列、帶微透鏡陣列的光學放大系統、用于輔助校正振動方向和測量的帶有絕對式編碼和校正增量條紋的絕對式光柵尺、FPGA驅動單元、DSP圖像處理單元、校正補償單元，其中帶微透鏡陣列的光學放大系統置于絕對式光柵尺的上方，CM0S/CXD傳感器陣列呈2x2矩陣安裝在CM0S/CXD傳感器固定板上，并置于光學放大系統的放大圖像信息的位置上，而CM0S/CCD傳感器固定板通過球鉸鏈安裝到校正補償單元上，并以若干個壓電陶瓷片作為機構支撐點，絕對式光柵尺的絕對式編碼和校正增量條紋通過光學放大系統放大并成像在CM0S/CXD傳感器陣列上，FPGA驅動模塊與FPGA驅動單元及DSP圖像處理單元連接。
[0006]本發明由于采用包括有用于采集絕對光柵條紋和校正增量條紋的CM0S/CCD傳感器陣列、帶微透鏡陣列的光學放大系統、用于輔助校正振動方向和測量的帶有絕對式編碼和校正增量條紋的絕對式光柵尺、FPGA驅動單元、DSP圖像處理單元、校正補償單元的結構，由FPGA驅動CM0S/C⑶傳感器陣列來采集圖像，通過有序的圖像對比來獲得對應方向的振動矢量分量，并利用相應壓電陶瓷片通電變形的特性來產生相反的形變，補償振動影響，從而獲得清晰的編碼圖像。此外，本發明利用宏微復合的動態補償方法，以機械減振機構來弱化機械安裝不當導致的運行過程機械振動，再利用圖像對比來獲得微振動，并通過校正補償單元來補償CM0S/CCD傳感器陣列采集圖像時的振動影響，從而，以宏微兩個方向對振動產生的影響進行校正和補償。本發明根據宏微復合的思想，從較容易識別的校正增量碼入手，由位置校正條紋定位，區域校正特征點來獲得振動矢量，并據此補償校正振動運動來獲得整體較清晰的編碼圖像，最終，利用增量碼和絕對碼來獲得準確的位置信息。本發明是一種設計巧妙，測量精度高，方便實用的絕對式光柵尺的防振讀碼裝置。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]圖1為本發明的讀碼裝置的構件組圖；
圖2為本發明的校正補償模塊的立體圖；
圖3為本發明的校正補償模塊的主視圖；
圖4為本發明的絕對式光柵尺的絕對式編碼和校正條紋的示意圖；
圖5為本發明CM0S/CCD傳感器陣列單元所拍攝獲得的圖像的截取部分示意圖及截取部分圖像的識別簡化圖，其中圖5 Ca)為本發明CM0S/CCD傳感器陣列單元所拍攝獲得的圖像的截取部分示意圖，圖5 (b)為圖5 Ca)的識別簡化圖；
圖6為本發明同一次另一個CM0S/CCD傳感器陣列單元所拍攝獲得的圖像的截取部分示意圖及截取部分圖像的識別簡化圖，其中圖6 (a)為本發明同次另一個CMOS/CCD傳感器陣列單元所拍攝獲得的圖像的截取部分示意圖，圖6 (b)為圖6 Ca)的識別簡化圖；
圖7為本發明的功能組圖；
圖8為本發明的圖像對比流程圖；
圖9為本發明獲得振動矢量的流程圖。
【具體實施方式】
[0008]實施例:
本發明的一種光柵尺新的防振讀碼裝置，其構件組圖如圖1所示，包括有用于采集絕對光柵條紋和校正增量條紋的CM0S/CCD傳感器陣列I?4、帶微透鏡陣列5的光學放大系統6、用于輔助校正振動方向和測量的帶有絕對式編碼7和校正增量條紋8的絕對式光柵尺9、FPGA驅動單元10、DSP圖像處理單元11、校正補償單元12，其中帶微透鏡陣列5的光學放大系統6置于絕對式光柵尺9的上方，CM0S/CXD傳感器陣列I?4呈2x2矩陣安裝在CM0S/C⑶傳感器固定板14上，并置于光學放大系統6的放大圖像信息的位置上，而CMOS/CXD傳感器固定板14通過球鉸鏈15安裝到校正補償單元12上，并以4個壓電陶瓷片16?19作為機構支撐點，絕對式光柵尺9的絕對式編碼7和校正增量條紋8通過光學放大系統6放大并成像在CM0S/CXD傳感器陣列I?4上，FPGA驅動模塊10與FPGA驅動單元10及DSP圖像處理單元11連接。FPGA驅動模塊10同時驅動CM0S/CXD傳感器陣列1_4的四個單元采集在同樣的振動矢量影響下的四路光來形成四幅圖像，并通過DSP數據處理單元11對采集到的四幅圖像進行前期預處理和兩幅圖像之間有序對比，通過有序對比相應兩幅圖像的校正增量條紋來得到振動的兩個正交的振動分量，進而將振動分量傳給校正補償單元12，由其驅動機構來進行補償，并在補償完成時立刻驅動其中一個CM0S/CCD傳感器陣列對絕對式光柵尺進行采集并讀碼，從而獲得一個準確的位置信息并貯存。從而獲得整個采集系統受到的振動矢量。
[0009]本實施例中，上述絕對式光柵尺9的編碼方式是使用明條紋代表“ I ”，暗條紋代表“O”的明暗條紋進行編碼。
[0010]本實施例中，上述絕對式光柵尺9的絕對式編碼7采用二進制偽隨機序列碼，每一個絕對碼都唯一標志光柵尺的一個絕對位置。
[0011]本實施例中，上述絕對式光柵尺9的校正增量條紋8的編碼是明暗相間的“01”序列碼，并在固定N條條紋后會增長相應條紋的長度用于標識位置，另外，在上述的條紋的基礎上刻多了兩個平行的橫向條紋，其中，縱向條紋和橫向條紋互相垂直。
[0012]本實施例中，上述CM0S/CXD傳感器陣列I~4呈矩陣分布，每個CM0S/CXD傳感器陣列I~4到絕對式光柵尺9碼道上的高度一致，每個CM0S/CXD傳感器陣列I~4彼此并排。
[0013]本實施例中，上述帶微透鏡陣列5的光學放大系統6的微透鏡的布置方式按照CM0S/CXD傳感器陣列的布置方式，確保每個CM0S/CXD傳感器陣列I~4到透鏡對應的小透
鏡單元的焦距一致。
[0014]此外，本發明高精密光柵尺快速測量裝置還設有機械減振單元13，機械減振單元13是安裝于高精密光柵尺快速測量裝置底面的柔性減振單元，包括有彈簧機構及填充在彈簧機構周圍的柔性材料。此外，上述的機械減振單元13也可以安裝于高精密光柵尺快速測量裝置的其他地方，或安裝于機床或者其他地方，即機械減振單元13是整個檢測系統的機械減振機構。本發明的減振方式，基于宏微復合的思想，由校正增量條紋入手獲得振動矢量，進而補償并獲得清晰編碼圖像。利用有彈簧減振器或其他柔性減振物質組成的機械減振機構來弱化宏觀的振動，再由振動校正補償模塊抵消微觀振動影響。
[0015]本發明的絕對式光柵尺的防振測量裝置的測試功能如圖7所示，考慮到運動過程中振動對測量裝置的圖像質量最大的影響因素主要是圖像的錯切及上下的跳動，沿著圖2的CM0S/C⑶傳感器陣列的布置方向(2x2矩陣)建立坐標系，以橫向為X軸，縱向為Y軸，并將運動過程中受到的振動矢量沿X軸和Y軸分為兩個正交的振動矢量ft和#。考慮到振動矢量的兩個分矢量對四個CM0S/CCD傳感器陣列的影響不同，采用控制變量法，以圖8所示的方式來對比相應的圖像，剔除相同的影響因素對圖像的影響，獲得相應方向的振動矢量分量。
[0016]在快門足夠快的情況下，由FPGA同時驅動CM0S/CCD傳感器陣列的四個單元對圖像進行采集，并將采集到的圖像送入后臺DSP處理模塊進行圖像預處理和對比。
[0017]對采集到的四幅圖像選擇對應的兩幅圖像，按照如圖9所示的步驟，在相同的光學放大系數下，截取大小一定的窗口來獲得圖像區域，并確保每個單元獲得的圖像內容基本相同。選取邊緣的一組較清晰校正增量碼，由校正增量碼的定位條紋定位，如圖4所示，其中，圖4中的a為縱向定位條紋。針對采集到的編碼圖像，從截取到的校正增量碼中，選擇縱向定位條紋和橫向條紋的交點，即校正特征點，其中，圖5和6為同一次不同CM0S/CCD傳感器陣列單元所拍攝獲得的圖像的截取部分及截取部分圖像的識別簡化圖，以圖5為例，左圖(a)為截取的圖像，右圖(b)為截圖圖像的識別簡化圖，校正特征點為
【權利要求】
1.一種絕對式光柵尺的防振讀碼裝置，其特征在于包括有用于采集絕對光柵條紋和校正增量條紋的CMOS/CXD傳感器陣列(I?4)、帶微透鏡陣列(5)的光學放大系統(6)、用于輔助校正振動方向和測量的帶有絕對式編碼(7)和校正增量條紋(8)的絕對式光柵尺(9)、FPGA驅動單元(10)、DSP圖像處理單元(11)、校正補償單元(12)，其中帶微透鏡陣列(5)的光學放大系統(6)置于絕對式光柵尺(9)的上方，CMOS/CXD傳感器陣列(I?4)呈2x2矩陣安裝在CMOS/CCD傳感器固定板(14)上，并置于光學放大系統(6)的放大圖像信息的位置上，而CMOS/CXD傳感器固定板(14)通過球鉸鏈(15 )安裝到校正補償單元(12 )上，并以若干個壓電陶瓷片(16?19)作為機構支撐點，絕對式光柵尺(9)的絕對式編碼(7)和校正增量條紋(8)通過光學放大系統(6)放大并成像在CMOS/CXD傳感器陣列(I?4)上，FPGA驅動模塊(10)與FPGA驅動單元(10)及DSP圖像處理單元(11)連接。
2.根據權利要求1所述的絕對式光柵尺的防振讀碼裝置，其特征在于上述絕對式光柵尺(9)的編碼方式是使用明條紋代表“1”，暗條紋代表“O”的明暗條紋進行編碼。
3.根據權利要求1所述的絕對式光柵尺的防振讀碼裝置，其特征在于上述絕對式光柵尺(9)的絕對式編碼(7)采用二進制偽隨機序列碼，每一個絕對碼都唯一標志光柵尺的一個絕對位置。
4.根據權利要求1所述的絕對式光柵尺的防振讀碼裝置，其特征在于上述絕對式光柵尺(9)的校正增量條紋(8)的編碼是明暗相間的“01”序列碼，并在固定N條條紋后會增長相應條紋的長度用于標識位置，另外，在上述的條紋的基礎上刻多了兩個平行的橫向條紋，其中，縱向條紋和橫向條紋互相垂直。
5.根據權利要求1所述的絕對式光柵尺的防振讀碼裝置，其特征在于上述CMOS/CCD傳感器陣列(I?4)呈矩陣分布，每個CMOS/CCD傳感器陣列(I?4)到絕對式光柵尺(9)碼道上的高度一致，每個CMOS/CXD傳感器陣列(I?4)彼此并排。
6.根據權利要求1所述的絕對式光柵尺的防振讀碼裝置，其特征在于上述帶微透鏡陣列(5)的光學放大系統(6)的微透鏡的布置方式按照CMOS/CXD傳感器陣列的布置方式,確保每個CMOS/C⑶傳感器陣列(I?4)到透鏡對應的小透鏡單元的焦距一致。
7.根據權利要求1至6任一項所述的絕對式光柵尺的防振讀碼裝置，其特征在于高精密光柵尺快速測量裝置還設有機械減振單元(13)，機械減振單元(13)是安裝于高精密光柵尺快速測量裝置底面的柔性減振單元，包括有彈簧機構及填充在彈簧機構周圍的柔性材料。
【文檔編號】G01B11/02GK103983194SQ201410175403
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年4月28日 優先權日:2014年4月28日
【發明者】陳新度, 王志鋒, 陳新, 王晗 申請人:廣東工業大學