基于纵横转换放大细分的宏微复合光栅尺测量系统

摘要

本发明涉及光学长度测量领域，具体涉及基于纵横转换放大细分的宏微复合光栅尺测量系统，基于纵横转换放大细分的宏微复合光栅尺测量系统，包括光栅尺、可相对光栅尺相对移动的宏微读数系统和计数及图像处理模块，宏微读数系统正对栅纹基面且与光栅尺平行放置,还包括测量参考直线，测量参考直线与图像传感器获取的栅纹在计数及图像处理模块中叠加形成叠加图像，测量参考直线与栅纹形成一定夹角θ。本发明通过以上结构，可以兼容现有增量式、绝对式等类型的光栅尺，适用性强，利用高速低精度光栅尺进行宏尺度位移测量，同时利用高效的微尺度读数模块基于机械光学细分技术来获取可靠的高精度微尺度位移值，适合于大栅距尺寸的光栅尺，成本较低。

说明书

计数领域

本发明涉及光学长度测量领域，具体涉及基于纵横转换放大细分的宏微复 合光栅尺测量系统。

背景计数

光栅尺是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置，是闭环位置控制系统 中常用的检测器件之一，尤其在精密加工制造领域。光栅尺测量的基本原理为: 标尺与扫描掩模之间的相对移动,在光源照射下形成莫尔条纹,莫尔条纹经过光 电传感器转换为近似的正余弦电信号,就是原始的光栅扫描信号。然后采用不同 的电子细分法,得到不同测量步距的计数脉冲信号,脉冲信号一般是两路正交的 信号,这两路信号接入后续的可逆计数电路,计数器的计数值再乘以测量步距则 为光栅尺的位移测量值。

为提高位移测量精度，通常需要增加光栅的刻线密度，这将增大信号采集 数据量。特别是在要求高速度高精密的场合，需要很高的信号采集频率，导致 信号采集数据量很大。这导致光栅尺的测量精度越高，其允许的测量速度上限 越低，不能兼顾高速和高精度的测量要求。

目前市场上常见的光栅尺主要是采用“莫尔条纹”，配合电子细分等检测 与数据处理模块来获取位移值。现存通用的光栅尺测量系统主要存在以下问 题：为仅提高位移测试精度，往往需要采用更密集的栅格。而更密集的栅格导 致单位位移数据采集的数据量加大，从而增大数据采集过程中出现“丢步”现 象，降低数据的可信度。特别是在高速运动状态下，“丢步”现象将更为明 显。一味地采用更高采集速度的设备，将导致测量系统成本的显著提高。

专利CN200510010288.1提出一种基于双光栅尺的高速高精度位移测量方 法。其核心思想为：通常的高速高精度定位系统在定位时刻的速度并不高，因 此其采用两个不同性能的光栅尺来完成位移测量：一个适于高速状态下、低分 辨率测量的光栅尺粗光栅尺。一个适于低速状态下、高分辨率测量的光栅尺精 光栅尺)。在系统运动过程由高速转为低速的时刻，把双光栅尺的计数脉冲作 切换，计数值作合成以获得定位时刻高分辨率的位移测量值。在其具体计数方 案中，设定了切换速度阈值，在高速状态下由粗光栅尺进行位移及速度检测。 当速度低于设定阈值时，由精光栅尺检测运动位移。该专利实现了光栅尺高速 高精度的位移检测。其缺点在于：1其并未实现全过程的光栅尺高速高精度位 移检测，其适用范围有限；2其采用了两套光栅尺，成本较高。

发明内容

本发明提出一种宏微复合光栅尺，兼顾位移测量的高速与高精度的要求， 在保证高测量速度的前提下，提高位移测量精度，成本低。

为达此目的，本发明采用以下计数方案：

基于纵横转换放大细分的宏微复合光栅尺测量系统，包括光栅尺、可相对 所述光栅尺相对移动的宏微读数系统和计数及图像处理模块。

所述宏微读数系统包含有宏尺度读数模块和微尺度读数模块，所述宏尺度 读数模块与微尺度读数模块位置相对固定,所述光栅尺表面设有由栅纹组成的 栅纹带,所述宏微读数系统正对所述栅纹基面且与所述光栅尺平行放置,所述宏 微读数系统与所述光栅尺保持一定距离；

所述宏尺度读数模块和微尺度读数模块通过通信电缆与计数及图像处理模 块连接；所述微尺度读数模块包括有图像传感器和镜头，所述镜头置于所述图 像传感器的正面；

还包括测量参考直线，所述测量参考直线为一条直线或者多条相互平行的 直线组，所述测量参考直线与所述图像传感器获取的所述栅纹在所述计数及图 像处理模块中叠加形成叠加图像，在所述叠加图像上，所述测量参考直线与所 述栅纹形成一定夹角θ。

所述测量参考直线为设于所述镜头上的刻线。

所述测量参考直线设于所述计数及图像处理模块，由所述计数及图像处理 模块通过算法生成。

还包括朝向所述图像传感器作用范围的辅助光源，其固定于所述图像传感 器；所述光栅尺安装在固定机架上，所述宏微读数系统固定于运动部件；所述 宏微读数系统与所述光栅尺之间的距离为0.5mm到1.5mm。

所述夹角θ满足tanθ＝W/B的关系，其中W为所述光栅尺的栅距尺寸，B为 所述栅纹带的宽度尺寸。

所述图像传感器为CCD或CMOS摄像头。

所述宏尺度读数模块为反射式结构的莫尔条纹技术测量原理的光栅尺读数 头，或为直接对所述栅纹进行扫描技术的光电传感元件。

基于纵横转换放大细分的宏微复合光栅尺测量系统的测量方法：

所述宏尺度读数模块对相对运动过程中所经过的所述栅纹进行计数，所述 计数及图像处理模块将所述栅纹计数脉冲数与栅距相乘，得到所述固定机架与 所述运动部件在一单位栅距精度级别的宏尺度相对位移值；

所述计数及图像处理模块对所述叠加图像进行图像处理，在所述叠加图形 中所述测量参考直线与所述栅纹叠加形成交点，利用测量所述交点在所述测量 参考直线上的移动距离L0，通过比例关系，所述计数及图像处理模块 得到所述固定机架与所述运动部件在一单位栅距尺寸范围内的微尺度相对位移 值s；

将所述宏尺度相对位移值与所述微尺度相对位移值相加得到所述固定机架 与所述运动部件最终的相对位移量值。

优选的，当所述测量参考直线为多条时，分别针对每条所述测量参考直线 测量并计算得出多个微尺度相对位移值，将其平均值作为最终的微尺度相对位 移值。

优选的，所述计数及图像处理模块检测以及处理的所述图像处理区域的范 围，限制在以所述测量参考直线为中心线的细长条状区域。

本发明通过以上结构，可以兼容现有增量式、绝对式等类型的光栅尺，适 用性强，利用高速低精度光栅尺进行宏尺度位移测量，同时利用高效的微尺度 读数模块基于机械光学细分计数来获取可靠的高精度微尺度位移值，适合于大 栅距尺寸的光栅尺，成本较低。特别地，本发明提出的测量系统也可以对多条 栅纹进行图像处理来进一步均化栅纹的制造误差，可以进一步提高位移测量精 度。

附图说明

图1是本发明一种实例的结构示意图。

图2是本发明一种实例的图像传感器获取的一条测量参考直线与栅纹的叠 加图像示意图。

图3是本发明一种实例的获取的多条测量参考直线与栅纹的叠加图像示意 图。

图4是本发明一种实例的镜头刻线与栅纹夹角示意图。

图5是本发明一种实例的测量原理图

其中：光栅尺1、栅纹101、宏微读数系统2、宏尺度读数模块201、图像 传感器202、镜头203、测量参考直线204a、交点204b、刻线205。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的计数方案。

如图1所示，基于纵横转换放大细分的宏微复合光栅尺测量系统，包括光 栅尺1、可相对所述光栅尺1相对移动的宏微读数系统2和计数及图像处理模块。

如图1所示，所述宏微读数系统2包含有宏尺度读数模块201和微尺度读 数模块，所述宏尺度读数模块与微尺度读数模块位置相对固定,所述光栅尺1表 面设有由栅纹101组成的栅纹带,所述宏微读数系统2正对所述栅纹101基面且 与所述光栅尺1平行放置,所述宏微读数系统2与所述光栅尺1保持一定距离；

所述宏尺度读数模块201和微尺度读数模块通过通信电缆与计数及图像处 理模块连接；如图1所示，所述微尺度读数模块包括有图像传感器202和镜头 203，所述镜头203置于所述图像传感器202的正面；

如图2或图3所示，还包括测量参考直线204a，所述测量参考直线204a为 一条直线或者多条相互平行的直线组，所述测量参考直线204a与所述图像传感 器202获取的所述栅纹101在所述计数及图像处理模块中叠加形成叠加图像， 在所述叠加图像上，所述测量参考直线204a与所述栅纹101形成一定夹角θ。

如图2或图3所示，所述计数及图像处理模块对所述叠加图像进行识别， 确定出所述栅纹101和所述测量参考直线204a的中心线方程。所述栅纹101和 所述测量参考直线204a的中心线存在夹角θ，确保所述中心线方程存在交点 204b。当所述光栅尺1与所述宏微读数系统2的位置发生相对位移时，所述交 点204b的位置将沿着所述测量参考直线204a的中心线发生相对移动。其移动 距离的比例关系为，其中Δs为所述光栅尺1与宏微读数系统2之间的相 对位移量，Δl为在所述计数及图像处理模块获取的所述测量参考直线204a与栅 纹101的叠加图像上，所述交点204b的位置将沿着所述测量参考直线204a的 中心线的相对移动量。

所述计数及图像处理模块内包含的测量参考直线204a通过以下方式获取： A.物理方法：如图4所示，所述镜头203上设有细长的一条刻线205或多条平 行刻线205构成的刻线组，所述刻线205或刻线组直线方向与所述栅纹101方 向成一定夹角θ，所述计数及图像处理模块内含的测量参考直线204a的图像为 所述图像传感器202获取的镜头203的刻线205图像；B.软件方法：所述计数 及图像处理模块对所述图像传感器202获取的栅纹101的图像进行图像处理， 所述计数及图像处理模块内置有直线生成算法，生成与栅纹101长度方向成夹 角θ的直线或平行直线组，所述计数及图像处理模块内含的测量参考直线204a 的图像为所述内置算法生成的直线或直线组图像。

还包括朝向所述图像传感器202作用范围的辅助光源，其固定于所述图像 传感器202，可随所述图像传感器202同步运动，所述辅助光源的照射范围集中 在所述图像传感器202的图像处理区域，为所述图像传感器202提供照明光， 便于所述图像传感器202获取高质量的图像。

所述光栅尺1安装在固定机架上，所述宏微读数系统2固定于运动部件。

所述宏微读数系统2与所述光栅尺1之间的距离为0.5mm到1.5mm。

所述夹角θ满足tanθ＝W/B的关系，其中W为所述光栅尺1的栅距尺寸，B 为所述栅纹带的宽度尺寸，通过此比例关系，可以提高所述光栅尺1一单位栅 距内的尺寸测量精度。

所述图像传感器202为CCD或CMOS摄像头。

所述宏尺度读数模块201为反射式结构的莫尔条纹技术测量原理的光栅尺 读数头，或为直接对所述栅纹101进行扫描技术的光电传感元件。

基于纵横转换放大细分的宏微复合光栅尺测量系统的测量方法：

A、所述宏尺度读数模块201利用“莫尔条纹”原理或光感元件对相对运动 过程中所经过的栅格条纹101进行计数，所述计数及图像处理模块将栅纹101 计数脉冲数与栅距相乘来得到一单位栅距精度级别的宏尺度位移值；

B、所述微尺度读数模块内的图像传感器202获取所述栅纹101图像，并与 计数及图像处理模块内的测量参考直线204a的图像叠加。计数及图像处理模块 对叠加图像进行图像处理，获取的所述栅纹101图像中栅纹的基准中心直线方 程1与所述测量参考直直线的基准中心直线方程2。计数及图像处理模块计算所 述基准中心直线方程1与基准中心直线方程2的交点204b的坐标。选取一初始 交点P0，如图5所示，当所述宏微读数系统2与所述光栅尺1发生相对位移时， 所述基准中心直线方程1与基准中心直线方程2的交点204b在所述基准中心直 线方程2上发生移动，设移动后交点为P1。计数及图像处理模块计算P0与P1 点之间的移动距离，设移动距离为L0。通过比例关系，计数及图像处 理模块得到宏微读数系统2与所述光栅尺1在一单位栅距尺寸范围内的微尺度 相对位移量s。所述位移量s为一单位栅距尺寸范围内的高精度微尺度位移值。 当基准中心直线方程1与基准中心直线方程2形成交点组时，计数及图像处理 模块获取到多组微尺度相对位移测量值，所述计数及图像处理模块取测量平均 值作为最终的微尺度位移值。所述微尺度读数模块对光栅尺1单个栅距量程内 的位移进行循环测量，不对多倍栅格尺寸的位移值进行累加测量；

C、计数及图像处理模块将宏微读数系统2与光栅尺1之间的相对位移量分 开为整数倍栅距尺寸的宏尺度位移量和小于一单位栅距尺寸内的微尺度位移量 分别测量。其中，整数倍数栅距尺寸的宏尺度位移量由整数栅纹计数脉冲数与 栅距相乘得到，小于一单位栅距尺寸内的微尺度位移量由所述图像分析方法获 取。通过上述两种读数模块获取的位移值进行宏微复合，本发明提出的宏微复 合双读数头光栅尺系统可以高速获取高精度的位移值。

优选的，所述计数及图像处理模块检测以及处理的所述图像处理区域的范 围，限制在以所述测量参考直线204a为中心线的细长条状区域。

所述计数及图像处理模块的图像处理速度与需处理图像包含的像素点数量 成反比关系，所述图像处理区域的范围越小图像处理速度就越大，此技术方案 可以大幅度提高图像处理速度。

本发明通过以上结构，可以兼容现有增量式、绝对式等类型的光栅尺，适 用性强，利用高速低精度光栅尺进行宏尺度位移测量，同时利用高效的微尺度 读数模块基于机械光学细分计数来获取可靠的高精度微尺度位移值，适合于大 栅距尺寸的光栅尺，成本较低。特别地，本发明提出的测量系统也可以对多条 栅纹进行图像处理来进一步均化栅纹的制造误差，可以进一步提高位移测量精 度。

以上结合具体实施例描述了本发明的计数原理。这些描述只是为了解释本 发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的 解释，本领域的计数人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具 体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。