一種高精密光柵尺快速測量裝置及其方法
【專利摘要】本發明是一種高精密光柵尺快速測量裝置及其測量方法。測量裝置包括有CMOS/CCD傳感器陣列、光學放大系統、平行光光源、帶有絕對式編碼和增量式編碼的絕對式光柵尺、指示光柵尺、對射傳感器、FPGA驅動單元、DSP數據處理單元、校正補償單元。本發明雙碼道光柵尺的絕對編碼通過光學放大系統放大并成像到CMOS/CCD傳感器陣列上，在快門速度足夠快的條件下，由FPGA驅動單元有序逐個驅動CMOS/CCD傳感器陣列來快速采集并獲得圖像，通過圖像中的絕對編碼解碼出一個絕對位置距離，并通過增量碼來獲得一個帶誤差的增量距離，最終，綜合兩個測量距離獲得一個高精度的位置信息。本發明是利用振動補償來獲得清晰的圖像，并通過圖像和計數來實現高精度的位移測量。
【專利說明】一種高精密光柵尺快速測量裝置及其方法
【技術領域】
[0001]本發明是一種高精密光柵尺快速測量裝置及其測量方法，是一種處理工作在快速狀態下的高精度的光柵尺快速采集圖像的快速測量裝置及其測量方法，屬于高精密光柵尺快速測量裝置及其測量方法的創新技術。
【背景技術】
[0002]光柵位移測量技術一直是位移測量的研究熱點，因其可全閉環控制，提高加工精度，成本低等優勢成為現代機加工行業數控機床主要的線性反饋元件。針對光柵測量技術，傳統技術是基于光柵干涉或衍射來產生莫爾條紋，通過4倍頻的相位細分技術來形成相位差為90°的正弦波，并將其用于脈沖計算來獲得位移量和運行方向。另外，也有采用微處理元件和CM0S/CCD傳感器等圖像采集元件來獲得條紋計算位移，但存在單純利用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、振動等因素的影響等缺點，最重要的一點是難以快速拍攝。
[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]本發明的目的在于考慮上述問題而提供一種高精密光柵尺快速測量裝置。本發明運用快速運行狀態下的“加特林”式的圖像快速獲取方式，并通過檢測振動影響情況來驅動運動補償單元達到圖像清晰采集的效果，從而實現準確的位移測量。
[0005]本發明的另一目的在于提供一種操作簡單，測量精度高，方便實用的高精密光柵尺快速測量方法。
[0006]本發明的技術方案是:本發明的高精密光柵尺快速測量裝置，包括有用于采集絕對光柵條紋和增量條紋的CM0S/CCD傳感器陣列、光學放大系統、平行光光源、用于測量位移的帶有絕對式編碼和增量式編碼的絕對式光柵尺、指示光柵尺、對射傳感器、FPGA驅動單元、DSP數據處理單元、校正補償單元，其中光學放大系統置于絕對式光柵尺的雙碼道條紋的上方，平行光光源置于絕對式光柵尺的下方，指示光柵尺置于絕對式光柵尺的增量式編碼的上方，對射傳感器裝設在指示光柵尺的上方，CM0S/CCD傳感器陣列呈條帶狀安裝在CM0S/C⑶傳感器固定板的底面，并置于光學放大系統的放大圖像信息的位置上，校正補償單元固裝在CM0S/CCD傳感器固定板的頂面，FPGA驅動模塊與CM0S/CCD傳感器陣列連接，有序地逐個驅動CM0S/CCD傳感器陣列來采集四路光形成四幅圖像，校正補償單元檢測振動情況并產生反向補償運動，絕對式光柵尺的絕對式編碼通過光學放大系統放大并成像在CM0S/CCD傳感器陣列上，利用對射傳感器來采集絕對式光柵尺的增量式編碼在指示光柵尺作用下產生的條紋計數，FPGA驅動模塊與DSP數據處理單元連接。
[0007]本發明高精密光柵尺快速測量裝置的測量方法，包括如下步驟:
O當裝置啟動時，初始化各部件，清空增量碼計數器值肩;
2)通過CM0S/CCD陣列獲得測量裝置的絕對式編碼圖像，通過圖像條紋解碼獲得起始絕對位置&并貯存；
3)在振動補償機構和“加特林”機槍式快拍的作用下，定時獲得絕對式編碼的圖像，如果圖像沒法解析準確的位置信息，利用之前貯存的絕對位置I1),結合增量碼采集到的
當前計數器值,來重新獲得一個準確的絕對位置It并利用?|替代初始化位置值10,即
V:/,’ 如果能夠通過圖像解析到當前的位置信息，通過之前的初始化絕對位置!^和通過
增量碼采集到的當前計數 器值來校驗圖像解碼的當前絕對位置如果
立，則4=4,否則，為I深x麗,其中，就為計數器每計到一個數時尺移動的距離，
即增量條紋的間隙；
4)在上述步驟3)的位置信息篩選基礎上，利用檢測精度較低的增量編碼條紋的條紋個數來獲得帶誤差的位移值，由精度較高的絕對編碼條紋來獲得較精準的誤差補償值，最終，結合兩個碼道的編碼信息來獲得的準確位移值，從而獲得精度較高的測量位移。
[0008]本發明包括有雙碼道的絕對式光柵尺、指示光柵尺、光學放大系統、平行光光源、用于采集圖像的呈條帶狀分布的CM0S/CXD陣列單元、對射傳感器、FPGA驅動單元、DSP處理單元、運動校正補償單元的結構。本發明雙碼道的絕對光柵尺中的絕對編碼通過光學放大系統放大并成像到CM0S/CCD傳感器陣列上，在快門速度足夠快的條件下，由FPGA驅動單元有序逐個驅動CM0S/C⑶傳感器陣列來快速采集并獲得圖像，通過圖像中的絕對編碼解碼出一個絕對位置距離，并通過增量碼獲得一個帶誤差的增量距離，綜合兩個測量距離獲得一個高精度的位置信息。本發明通過振動補償來獲得清晰的圖像，并通過圖像和計數來實現高精度的位移測量。另外，本發明的運動校正補償單元采用包括有陀螺儀傳感器及壓電陶瓷片組的結構，利用陀螺儀傳感器來獲得機構工作在運行狀態下的振動角度和加速度，并實時驅動壓電陶瓷片組來產生反向補償運動，使得CM0S/CXD陣列進入光學結構的有效景深范圍內。本發明是一種設計巧妙，性能優良，方便實用的高精密光柵尺快速測量裝置。本發明的測量方法操作簡單，方便實用，測量精度高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1為本發明的快速讀碼和防振裝置的構件組圖；
圖2為本發明的校正補償模塊的等軸視圖；
圖3為本發明的校正補償模塊的等軸視圖(去掉上面板)；
圖4為本發明的校正補償模塊的前視圖；
圖5為本發明的校正補償模塊的左視圖；
圖6為本發明的讀碼和存儲流程圖。
【具體實施方式】[0010]實施例:
本發明的結構示意圖如圖1所示，本發明的高精密光柵尺快速測量裝置，包括有用于采集絕對光柵條紋和增量條紋的CM0S/CCD傳感器陣列1、2、3、4、光學放大系統5、平行光光源6、用于測量位移的帶有絕對式編碼7和增量式編碼8的絕對式光柵尺9、指示光柵尺10、對射傳感器11、FPGA驅動單元12、DSP數據處理單元13、校正補償單元14，其中光學放大系統5置于絕對式光柵尺9的雙碼道條紋的上方，平行光光源6置于絕對式光柵尺9的下方，指示光柵尺10置于絕對式光柵尺9的增量式編碼8的上方，對射傳感器11裝設在指示光柵尺10的上方，CM0S/CXD傳感器陣列I?4呈條帶狀安裝在CM0S/CXD傳感器固定板15的底面，并置于光學放大系統5的放大圖像信息的位置上，校正補償單元16固裝在CMOS/CXD傳感器固定板15的頂面，FPGA驅動模塊12與CM0S/C⑶傳感器陣列I?4連接，有序地逐個驅動CM0S/C⑶傳感器陣列I?4來采集四路光形成四幅圖像，校正補償單元16檢測振動情況并產生反向補償運動，絕對式光柵尺9的絕對式編碼7通過光學放大系統5放大并成像在CM0S/CCD傳感器陣列I?4上，利用對射傳感器11來采集絕對式光柵尺9的增量式編碼8在指示光柵尺10作用下產生的條紋計數，FPGA驅動模塊12與DSP數據處理單元13連接。圖像的獲取和對比過程是通過FPGA驅動模塊12有序地逐個驅動CM0S/CXD傳感器陣列I?4來采集四路光形成四幅圖像，并通過DSP數據處理單元13對采集到的四幅圖像進行前期預處理和對比，從而獲得四幅圖像中比較清晰的編碼圖像，并利用編碼圖像來得到一個準確的位置信息并貯存。上述FPGA驅動模塊12驅動上述呈條帶狀的CMOS/CCD傳感器陣列采集圖像，驅動的方式是有序逐個的驅動，實現“加特林”機槍式的快拍。
[0011]本實施例中，上述對射傳感器11為紅外光電對管或其他對射傳感器。
[0012]本實施例中，上述校正補償單元16包括有利用陀螺儀傳感器17及壓電陶瓷片組18?21，陀螺儀傳感器17安裝在CM0S/CCD傳感器固定板15頂面的幾何中心，壓電陶瓷片組18?21呈對稱布置于陀螺儀傳感器17的四周，位于補償機構上面板27與CM0S/CXD傳感器固定板15之間，校正補償單元16利用陀螺儀傳感器17來檢測振動情況，實時檢測運動過程中的CM0S/CCD傳感器陣列I?4的振動扭動角、變化頻率及機構加速度，通過壓電陶瓷片組18?21來產生反向補償運動，利用壓電陶瓷片的性質，根據上述的扭動角，驅動壓電陶瓷片產生相應的跳動運動來補償機構的振動，使得在跳動過程中CM0S/C⑶傳感器陣列I?4進入有效的景深范圍內來獲得清晰的圖像。
[0013]本實施例中，上述補償機構上面板27及CM0S/C⑶傳感器固定板15對角線的的四個位置分別套裝在四個導軌上，補償機構上面板27及CM0S/CCD傳感器固定板15能沿著四個導軌上下移動，另外，四個導軌上分別裝設有彈簧23-26，通過彈簧23?26來限制移動范圍和消振。
[0014]本實施例中，上述CM0S/CXD傳感器陣列I?4呈對稱布置于CM0S/CXD陣列固定板15的下表面。
[0015]本實施例中，高精密光柵尺快速測量裝置還設有機械減振單元22，機械減振單元22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22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22是整個檢測系統的機械減振機構。[0016]本實施例中，上述絕對式光柵尺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。
[0017]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，每一個絕對碼唯一標志光柵尺的一個絕對位置，絕對式光柵尺9的增量式編碼8是明暗相間的“01”序列碼，兩種碼的碼寬相同，且上下絕對對齊。
[0018]本實施例中，上述CM0S/CXD傳感器陣列I~4呈條帶狀分布，每個CM0S/CXD傳感器陣列單元的中心到絕對式光柵尺9的絕對式編碼7的正中間的高度一致，每個單元彼此絕對并排。
[0019]本實施例中，上述利用FPGA驅動模塊來驅動上述呈條帶狀的CM0S/CXD傳感器陣列采集圖像，驅動的方式是有序逐個的驅動，實現“加特林”機槍式的快拍。
[0020]本發明高精密光柵尺快速測量裝置的測量方法，包括如下步驟:
O當裝置啟動時，初始化各部件，清空增量碼計數器值漢；
2)通過CM0S/CCD陣列獲得測量裝置的絕對式編碼圖像，通過圖像條紋解碼獲得起始絕對位置^并貯存；
3)在振動補償機構和“加特林”機槍式快拍的作用下，定時獲得絕對式編碼的圖像，如果圖像沒法解析準確的位置信息，利用之前貯存的絕對位置I11,結合增量碼采集到的
當前計數器值I,來重新獲得 一個準確的絕對位置I1,并利用I1替代初始化位置值10,即
Ie =I1,如果能夠通過圖像解析到當前的位置信息,通過之前的初始化絕對位置10和通過
增量碼采集到的當前計數器值I來校驗圖像解碼的當前絕對位置I1;如果 Ii1都A成
立，則=4,否則，4=4+髮x麗,其中，麗為計數器每計到一個數時尺移動的距離，即增量條紋的間隙；
4)在實現高精度的快速測量和減振的過程中，本發明根據宏微復合的思想，在抵消振動效果方面，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，再利用檢測到的振動頻率和加速度來獲得微振動，并通過校正補償單元來補償CM0S/CCD傳感器單元采集圖像時受振動的影響，使其進入有效的景深范圍內，從而，利用宏微兩個方向對振動對檢測精度產生的影響進行檢測及補償。在位置編碼讀取方面，在運動過程中，在上述步驟3)的位置信息篩選基礎上，利用檢測精度較低的增量編碼條紋的條紋個數來獲得帶誤差的位移值，在定位處，由于速度降低，故采集到的絕對編碼圖像較清晰，由精度較高的絕對編碼條紋來獲得較精準的誤差補償值，最終，結合兩個碼道的編碼信息來獲得的準確位移值，從而獲得精度較高的測量位移。
[0021]本發明結合增量碼和絕對碼來獲得準確的位置信息，其中，通過紅外光電對管/其他對射傳感器來獲取雙碼道的光柵尺的增量碼和指示光柵形成的條紋的位置信息，利用CM0S/CCD陣列采集的絕對碼圖像來獲得較準確的位置信息。本發明位置信息的貯存方式，當絕對碼信息較為清晰時，利用增量碼來獲得一個校正位置信息，并將準確位置貯存，當絕對碼圖像無法正確識別時，通過增量碼獲得的位置信息結合模糊圖像來補償之前的準確位置信息。
[0022]本發明利用陀螺儀來獲得運動過程的振動扭角和加速度，從而利用壓電陶瓷片組來產生一個反向運動來補償運動，使得CMOS/C⑶傳感器陣列進入景深范圍內來獲得清晰的圖像。本發明圖像必須具有一對完整的編碼條紋。
[0023]考慮到CM0S/CXD陣列的成像原理，CM0S/CXD的光電二極管感應外界物體的光照強度需要時間，特別是獲取工作在快速運行的狀況下的物體的圖像，容易照成圖像的拖影和重影等問題。本發明在快門速度足夠快的情況下，利用FPGA驅動模塊來驅動上述呈條帶狀的CM0S/CCD陣列采集圖像，驅動的方式是有序逐個驅動，如圖4所示，實現“加特林”機槍式的快拍，使得每個CMOS有足夠的反應時間。另外，配合上述的減振機構獲得機構加速度來控制快門速度，加速度越快，快門的速度越快。
[0024]本發明包括有用于采集絕對光柵條紋和增量條紋的CM0S/CCD傳感器陣列、光學放大系統、用于測量位移的帶有絕對式編碼和增量式編碼的絕對式光柵尺、指示光柵尺、紅外光電對管/其他對射傳感器、FPGA驅動單元、DSP數據處理單元、校正補償單元及機械減振單元組成光柵尺位移高精度測量系統。由FPGA驅動CM0S/CCD傳感器陣列來實現“加特林”機槍式的圖像快速采集，并通過根據傳感器檢測的振動情況來驅動振動補償單元產生反向的形變，使得CM0S/CCD傳感器陣列進入有效的景深范圍，從而獲得清晰的編碼圖像。
[0025]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，再利用傳感器來獲得微振動的矢量，并通過校正補償單元來實時補償CM0S/CCD傳感器單元采集圖像時的振動，從而從宏微兩個方向對振動產生的影響進行校正和補償。
[0026]本發明根據宏微復合的思想，由光柵尺的絕對式編碼來獲得較準確的位置信息，并通過位置信息累積剔除的方式，結合增量式編碼來獲得一個帶有誤差的校正位置信息，當運行過程中位置的準確信息獲得時重新累積位置信息。
【權利要求】
1.一種高精密光柵尺快速測量裝置，其特征在于包括有用于采集絕對光柵條紋和增量條紋的CMOS/CCD傳感器陣列(1-4)、光學放大系統(5)、平行光光源(6)、用于測量位移的帶有絕對式編碼(7)和增量式編碼(8)的絕對式光柵尺(9)、指示光柵尺(10)、對射傳感器(11 )、FPGA驅動單元(12),DSP數據處理單元(13)、校正補償單元(14)，其中光學放大系統(5 )置于絕對式光柵尺(9 )的雙碼道條紋的上方，平行光光源(6 )置于絕對式光柵尺(9 )的下方，指示光柵尺(10)置于絕對式光柵尺(9)的增量式編碼(8)的上方，對射傳感器(11)裝設在指示光柵尺(10)的上方，CMOS/CXD傳感器陣列(1-4)呈條帶狀安裝在CMOS/CXD傳感器固定板(15)的底面，并置于光學放大系統(5)的放大圖像信息的位置上，校正補償單元(16)固裝在CMOS/CXD傳感器固定板(15)的頂面，FPGA驅動模塊(12)與CMOS/CXD傳感器陣列(1-4)連接，有序地逐個驅動CMOS/C⑶傳感器陣列(1-4)來采集四路光形成四幅圖像，校正補償單元(16)檢測振動情況并產生反向補償運動，絕對式光柵尺(9)的絕對式編碼(7)通過光學放大系統(5)放大并成像在CMOS/CXD傳感器陣列(1-4)上，利用對射傳感器(11)來采集絕對式光柵尺(9)的增量式編碼(8)在指示光柵尺(10)作用下產生的條紋計數，FPGA驅動模塊(12)與DSP數據處理單元(13)連接。
2.根據權利要求1所述的高精密光柵尺快速測量裝置，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(22)，機械減振單元(22)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。
3.根據權利要求1所述的高精密光柵尺快速測量和防振裝置，其特征在于上述對射傳感器(11)為紅外光電對管。
4.根據權利要求1所述的高精密光柵尺快速測量和防振裝置，其特征在于上述校正補償單元(16)包括有利用陀螺儀傳感器(17)及壓電陶瓷片組(18-21)，陀螺儀傳感器(17)安裝在CMOS/C⑶傳感器固定板(15)頂面的幾何中心，壓電陶瓷片組(18-21)呈對稱布置于陀螺儀傳感器(17)的四周，位于補償機構上面板(27)與CMOS/C⑶傳感器固定板(15)之間，補償機構上面板(27)及CMOS/C⑶傳感器固定板(15)能上下移動。
5.根據權利要求1所述的高精密光柵尺快速測量和防振裝置，其特征在于上述補償機構上面板(27)及CMOS/C⑶傳感器固定板(15)對角線上的四個位置分別套裝在四個導軌上，補償機構上面板(27)及CMOS/CCD傳感器固定板(15)能沿著四個導軌上下移動，四個導軌上裝設有分別裝設有用于限制移動范圍和消振的彈簧(23-26)。
6.根據權利要求1所述的高精密光柵尺快速測量和防振裝置，其特征在于上述CMOS/CXD傳感器陣列(1-4)呈對稱布置于CM0S/CXD陣列固定板(15)的下表面。
7.根據權利要求1所述的高精密光柵尺快速測量和防振裝置，其特征在于上述絕對式光柵尺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。
8.根據權利要求1至7任一項所述的高精密光柵尺快速測量和防振裝置，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上的一個絕對位置，絕對式光柵尺(9)的增量式編碼(8)是明暗相間的“01”序列碼，兩種碼的碼寬相同，且上下絕對對齊。
9.根據權利要求8所述的高精密光柵尺快速測量和防振裝置，其特征在于上述CMOS/CCD傳感器陣列(1-4)呈條帶狀分布，每個CM0S/CCD傳感器陣列單元的中心到絕對式光柵尺(9)的絕對式編碼(7)的正中間的高度一致，每個單元彼此絕對并排。
10.一種高精密光柵尺快速測量裝置的測量方法，其特征在于包括如下步驟:. 1)當裝置啟動時，初始化各部件，清空增量碼計數器值；. 2)通過CMOS/CCD陣列獲得測量裝置的絕對式編碼圖像，通過圖像條紋解碼獲得起始絕對位置并貯存；. 3)在振動補償機構和“加特林”機槍式快拍的作用下，定時獲得絕對式編碼的圖像，如果圖像沒法解析準確的位置信息，利用之前貯存的絕對位置，結合增量碼采集到的當前計數器值，來重新獲得一個準確的絕對位置，并利用替代初始化位置值，即，如果能夠通過圖像解析到當前的位置信息，通過之前的初始化絕對位置和通過增量碼采集到的當前計數器值來校驗圖像解碼的當前絕對位置；如果成立，則，否則，，其中，為計數器每計到一個數時尺移動的距離，即增量條紋的間隙；. 4)在上述步驟3)的位置信息篩選基礎上，利用檢測精度較低的增量編碼條紋的條紋個數來獲得帶誤差的位移值，由精度較高的絕對編碼條紋來獲得較精準的誤差補償值，最終，結合兩個碼道的編碼信息來獲得的準確位移值，從而獲得精度較高的測量位移。
【文檔編號】G01B11/02GK103983195SQ201410175405
【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, 吳志雄 申請人:廣東工業大學