[發(fā)明專利]一種絕對式光柵尺及位移測量方法

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• 申請日: 2017-11-28
• 公開（公告）號: CN107966106A
• 公開（公告）日: 2018-04-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 柴寧;王晗;陳新;陳新度;尹自強;劉強
• 申請（專利權(quán)）人: 廣東工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02;G01B11/00;G01D5/347
• 代理公司: 北京集佳知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11227
• 代理人: 羅滿

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種絕對式光柵尺及位移測量方法。

背景技術(shù)

隨著光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)測量技術(shù)也得到了快速的發(fā)展。由于絕對式光柵尺不需要尋找參考原點，在斷電后，任何重新給電時皆可對位置進行測量，無需進行歸零，絕對式光柵尺作為位置測量工具在機械加工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣，而絕對式光柵尺的性能直接影響機械加工質(zhì)量。

單軌道絕對式光柵尺，除了帶有絕對位置信息的絕對碼道外，還配置有用來產(chǎn)生細分位置信息的增量碼道。絕對碼道的分辨率相對增量碼道比較低，通常首次上電時通過讀取位置編碼來獲取絕對位置信息，隨后對增量碼道進行計數(shù)、細分來進行位置計算，絕對碼道可以間歇性的進行較檢。

絕對碼道的分辨率往往不高，為了提高絕對碼道的解碼精度，往往在絕對碼道和光電傳感器之間加光學(xué)放大系統(tǒng)，但是由于光柵尺的讀數(shù)頭體積有限，必須設(shè)計專用的光學(xué)放大系統(tǒng)，由于光學(xué)放大系統(tǒng)的開發(fā)成本高，周期長，并且光學(xué)成像容易受到振動的影響，造成解碼的錯誤。

現(xiàn)有技術(shù)的絕對式光柵尺，請參見圖1所示，可包括讀數(shù)系統(tǒng)1和光柵尺2。其中讀數(shù)系統(tǒng)1由照明光源4、顯微成像鏡組5、CCD光電探測器6和光電信號處理模塊7組成；光柵尺2由按一定規(guī)律的柵狀刻線組成，形成編碼刻軌3。照明光源4發(fā)出的光束照射到光柵尺2上，CCD光電探測器6通過顯微成像鏡組獲得編碼刻軌3上刻線的編碼圖像信息，最后經(jīng)過光電信號處理模塊7后獲得光柵位移。其光柵尺的絕對位置等于CCD光電探測器獲取碼區(qū)編號決定的粗測值加上精確值即對十字分劃線所在條碼成像寬度的細分結(jié)果。

上述絕對式光柵尺精確值的獲取原理基于顯微放大成像，通過顯微成像鏡組將絕對碼道條紋放大，從而使得采集絕對碼道最小刻線寬度碼元的光敏元個數(shù)增多。理論上通過物顯微放大成像實現(xiàn)絕對碼道最小刻線單位間距內(nèi)覆蓋光敏元數(shù)n，便可得到n倍的細分。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)射平行光束時，光束射入標準光柵，標準光柵濾光后的光束經(jīng)過物鏡放大后聚焦到對應(yīng)的光電探測器上，相當(dāng)于圖像傳感器對放大后的圖像進行拍照，經(jīng)過物鏡放大以后，原來的黑白條紋都被放大為原來的F倍，其中F為顯微鏡組的放大倍數(shù)參數(shù)。設(shè)光敏元的中心距為d，碼元條紋的寬度為W，這樣經(jīng)過放大后，能夠細分的倍數(shù)A為：

通過選用大倍率的顯微鏡組，理論上可以達到上千倍的細分。但是，單碼道絕對式位置光柵尺由于需要單獨設(shè)計選定細分倍數(shù)的顯微鏡組光學(xué)放大系統(tǒng)，光學(xué)鏡頭的研發(fā)成本很高，且設(shè)計的顯微鏡組的放大倍數(shù)固定的，不具有可調(diào)性，如果選用另外一種放大倍數(shù)，就要重新設(shè)計新的顯微鏡組；精確值測量的基準是鏡頭上面的十字刻線，使得鏡頭的設(shè)計加工復(fù)雜化；CCD光電探測器每次獲取光柵尺的圖像信息范圍為橢圓，其對應(yīng)的CCD為多線陣光電探測器或面陣圖像傳感器，采集的圖像信息過多，導(dǎo)致光柵尺高速運行時會產(chǎn)生大量的圖像信息，對后續(xù)處理的數(shù)據(jù)量和處理速度要求很高。另外，由于光柵尺的讀數(shù)頭體積有限，采用顯微鏡組成像的方法會增大讀數(shù)頭的體積。

鑒于此，如何解決絕對式光柵尺絕對碼道低分辨率和低可靠性問題，及基于顯微鏡組細分絕對碼道來提高其分辨率導(dǎo)致整個光學(xué)放大系統(tǒng)的設(shè)計復(fù)雜、開發(fā)難度大和開發(fā)成本高的問題，是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明實施例的目的是提供一種絕對式光柵尺及位移測量方法，簡化了絕對式光柵尺的結(jié)構(gòu)、降低了制作成本，提高了絕對式光柵尺的分辨率與可靠性。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實施例提供以下技術(shù)方案：

本發(fā)明實施例提供了一種絕對式光柵尺，包括：

光源模塊、光柵尺主體、光電探測器及絕對位置測量值計算模塊；

其中，所述光源模塊用于出射預(yù)設(shè)波長的平行光束至所述光柵尺主體；

所述光柵尺主體根據(jù)偽隨機碼原理設(shè)有絕對碼道，各絕對碼道表征絕對位置信息；

所述光電探測器用于采集所述光柵尺主體反射的的光信號，并將所述光信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號，以作為絕對碼道圖像信息，發(fā)送至所述圖像解碼模塊，所述絕對碼道圖像信息包括所述光電探測器起始端光敏元對應(yīng)的起始條紋和碼區(qū)信息；所述光電探測器與所述絕對碼道光柵圖像成預(yù)設(shè)夾角，所述預(yù)設(shè)夾角決定絕對式光柵尺絕對位置測量值的細分倍數(shù)；

所述絕對位置測量值計算模塊用于根據(jù)預(yù)存的絕對碼道解碼表對所述碼區(qū)信息進行解碼，以得到所述絕對式光柵尺的絕對位置粗測值；根據(jù)光敏元分布狀態(tài)及細分倍數(shù)計算所述絕對式光柵尺的絕對位置精測值；根據(jù)所述絕對位置粗測值和所述絕對位置精測值計算得到所述絕對式光柵尺的絕對位置測量值。

可選的，還包括：