[發(fā)明專利]基于縱橫轉換放大細分的宏微復合光柵尺測量系統(tǒng)

有效

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• 申請日: 2014-06-10
• 公開（公告）號: CN103994723B
• 公開（公告）日: 2017-01-11
• 發(fā)明（設計）人: 楊志軍;白有盾;陳新;高健;楊海東;陳新度;王夢
• 申請（專利權）人: 廣東工業(yè)大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司11332
• 代理人: 孟金喆,鄧猛烈

計數(shù)領域

本發(fā)明涉及光學長度測量領域，具體涉及基于縱橫轉換放大細分的宏微復合光柵尺測量系統(tǒng)。

背景計數(shù)

光柵尺是利用光柵的光學原理工作的測量反饋裝置，是閉環(huán)位置控制系統(tǒng)中常用的檢測器件之一，尤其在精密加工制造領域。光柵尺測量的基本原理為:標尺與掃描掩模之間的相對移動,在光源照射下形成莫爾條紋,莫爾條紋經(jīng)過光電傳感器轉換為近似的正余弦電信號,就是原始的光柵掃描信號。然后采用不同的電子細分法,得到不同測量步距的計數(shù)脈沖信號,脈沖信號一般是兩路正交的信號,這兩路信號接入后續(xù)的可逆計數(shù)電路,計數(shù)器的計數(shù)值再乘以測量步距則為光柵尺的位移測量值。

為提高位移測量精度，通常需要增加光柵的刻線密度，這將增大信號采集數(shù)據(jù)量。特別是在要求高速度高精密的場合，需要很高的信號采集頻率，導致信號采集數(shù)據(jù)量很大。這導致光柵尺的測量精度越高，其允許的測量速度上限越低，不能兼顧高速和高精度的測量要求。

目前市場上常見的光柵尺主要是采用“莫爾條紋”，配合電子細分等檢測與數(shù)據(jù)處理模塊來獲取位移值。現(xiàn)存通用的光柵尺測量系統(tǒng)主要存在以下問題：為僅提高位移測試精度，往往需要采用更密集的柵格。而更密集的柵格導致單位位移數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)量加大，從而增大數(shù)據(jù)采集過程中出現(xiàn)“丟步”現(xiàn)象，降低數(shù)據(jù)的可信度。特別是在高速運動狀態(tài)下，“丟步”現(xiàn)象將更為明顯。一味地采用更高采集速度的設備，將導致測量系統(tǒng)成本的顯著提高。

專利CN200510010288.1提出一種基于雙光柵尺的高速高精度位移測量方法。其核心思想為：通常的高速高精度定位系統(tǒng)在定位時刻的速度并不高，因此其采用兩個不同性能的光柵尺來完成位移測量：一個適于高速狀態(tài)下、低分辨率測量的光柵尺粗光柵尺。一個適于低速狀態(tài)下、高分辨率測量的光柵尺精光柵尺)。在系統(tǒng)運動過程由高速轉為低速的時刻，把雙光柵尺的計數(shù)脈沖作切換，計數(shù)值作合成以獲得定位時刻高分辨率的位移測量值。在其具體計數(shù)方案中，設定了切換速度閾值，在高速狀態(tài)下由粗光柵尺進行位移及速度檢測。當速度低于設定閾值時，由精光柵尺檢測運動位移。該專利實現(xiàn)了光柵尺高速高精度的位移檢測。其缺點在于：1其并未實現(xiàn)全過程的光柵尺高速高精度位移檢測，其適用范圍有限；2其采用了兩套光柵尺，成本較高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種宏微復合光柵尺，兼顧位移測量的高速與高精度的要求，在保證高測量速度的前提下，提高位移測量精度，成本低。

為達此目的，本發(fā)明采用以下計數(shù)方案：

基于縱橫轉換放大細分的宏微復合光柵尺測量系統(tǒng)，包括光柵尺、可相對所述光柵尺相對移動的宏微讀數(shù)系統(tǒng)和計數(shù)及圖像處理模塊。

所述宏微讀數(shù)系統(tǒng)包含有宏尺度讀數(shù)模塊和微尺度讀數(shù)模塊，所述宏尺度讀數(shù)模塊與微尺度讀數(shù)模塊位置相對固定,所述光柵尺表面設有由柵紋組成的柵紋帶,所述宏微讀數(shù)系統(tǒng)正對所述柵紋基面且與所述光柵尺平行放置,所述宏微讀數(shù)系統(tǒng)與所述光柵尺保持一定距離；

所述宏尺度讀數(shù)模塊和微尺度讀數(shù)模塊通過通信電纜與計數(shù)及圖像處理模塊連接；所述微尺度讀數(shù)模塊包括有圖像傳感器和鏡頭，所述鏡頭置于所述圖像傳感器的正面；

還包括測量參考直線，所述測量參考直線為一條直線或者多條相互平行的直線組，所述測量參考直線與所述圖像傳感器獲取的所述柵紋在所述計數(shù)及圖像處理模塊中疊加形成疊加圖像，在所述疊加圖像上，所述測量參考直線與所述柵紋形成一定夾角θ。

所述測量參考直線為設于所述鏡頭上的刻線。

所述測量參考直線設于所述計數(shù)及圖像處理模塊，由所述計數(shù)及圖像處理模塊通過算法生成。

還包括朝向所述圖像傳感器作用范圍的輔助光源，其固定于所述圖像傳感器；所述光柵尺安裝在固定機架上，所述宏微讀數(shù)系統(tǒng)固定于運動部件；所述宏微讀數(shù)系統(tǒng)與所述光柵尺之間的距離為0.5mm到1.5mm。

所述夾角θ滿足tanθ＝W/B的關系，其中W為所述光柵尺的柵距尺寸，B為所述柵紋帶的寬度尺寸。

所述圖像傳感器為CCD或CMOS攝像頭。

所述宏尺度讀數(shù)模塊為反射式結構的莫爾條紋技術測量原理的光柵尺讀數(shù)頭，或為直接對所述柵紋進行掃描技術的光電傳感元件。

基于縱橫轉換放大細分的宏微復合光柵尺測量系統(tǒng)的測量方法：

所述宏尺度讀數(shù)模塊對相對運動過程中所經(jīng)過的所述柵紋進行計數(shù)，所述計數(shù)及圖像處理模塊將所述柵紋計數(shù)脈沖數(shù)與柵距相乘，得到所述固定機架與所述運動部件在一單位柵距精度級別的宏尺度相對位移值；