[发明专利]一种高精密光栅尺快速测量装置及其方法

权利要求书

1.一种高精密光栅尺快速测量装置,其特征在于包括有用于采集绝对光栅条纹和增量条纹的CMOS/CCD传感器阵列（1-4）、光学放大系统（5）、平行光光源（6）、用于测量位移的带有绝对式编码（7）和增量式编码（8）的绝对式光栅尺（9）、指示光栅尺（10）、对射传感器（11）、FPGA驱动单元（12）、DSP数据处理单元（13）、校正补偿单元（14）,其中光学放大系统（5）置于绝对式光栅尺（9）的双码道条纹的上方，平行光光源（6）置于绝对式光栅尺（9）的下方，指示光栅尺（10）置于绝对式光栅尺（9）的增量式编码（8）的上方，对射传感器（11）装设在指示光栅尺（10）的上方，CMOS/CCD传感器阵列（1-4）呈条带状安装在CMOS/CCD传感器固定板（15）的底面，并置于光学放大系统(5)的放大图像信息的位置上, 校正补偿单元（16）固装在CMOS/CCD传感器固定板（15）的顶面, FPGA驱动模块（12）与CMOS/CCD传感器阵列（1-4）连接，有序地逐个驱动CMOS/CCD传感器阵列（1-4）来采集四路光形成四幅图像，校正补偿单元（16）检测振动情况并产生反向补偿运动，绝对式光栅尺（9）的绝对式编码（7）通过光学放大系统（5）放大并成像在CMOS/CCD传感器阵列（1-4）上，利用对射传感器（11）来采集绝对式光栅尺（9）的增量式编码（8）在指示光栅尺（10）作用下产生的条纹计数，FPGA驱动模块（12）与DSP数据处理单元（13）连接。

2.根据权利要求1所述的高精密光栅尺快速测量装置,其特征在于高精密光栅尺快速测量装置还设有机械减振单元（22），机械减振单元（22）是安装于高精密光栅尺快速测量装置底面的柔性减振单元，包括有弹簧机构及填充在弹簧机构周围的柔性材料。

3.根据权利要求1所述的高精密光栅尺快速测量和防振装置,其特征在于上述对射传感器（11）为红外光电对管。

4.根据权利要求1所述的高精密光栅尺快速测量和防振装置,其特征在于上述校正补偿单元（16）包括有利用陀螺仪传感器（17）及压电陶瓷片组（18-21），陀螺仪传感器（17）安装在CMOS/CCD传感器固定板（15）顶面的几何中心，压电陶瓷片组（18-21）呈对称布置于陀螺仪传感器（17） 的四周，位于补偿机构上面板（27）与CMOS/CCD传感器固定板（15）之间，补偿机构上面板（27）及CMOS/CCD传感器固定板（15）能上下移动。

5.根据权利要求1所述的高精密光栅尺快速测量和防振装置,其特征在于上述补偿机构上面板（27）及CMOS/CCD传感器固定板（15）对角线上的四个位置分别套装在四个导轨上，补偿机构上面板（27）及CMOS/CCD传感器固定板（15）能沿着四个导轨上下移动，四个导轨上装设有分别装设有用于限制移动范围和消振的弹簧（23-26）。

6.根据权利要求1所述的高精密光栅尺快速测量和防振装置,其特征在于上述CMOS/CCD传感器阵列（1-4）呈对称布置于CMOS/CCD阵列固定板(15) 的下表面。

7.根据权利要求1所述的高精密光栅尺快速测量和防振装置,其特征在于上述绝对式光栅尺的编码方式是使用明条纹代表“1”，暗条纹代表“0”的明暗条纹进行编码。

8.根据权利要求1至7任一项所述的高精密光栅尺快速测量和防振装置,其特征在于上述绝对式光栅尺（9）的绝对式编码（7）采用二进制伪随机序列码，每一个绝对码都唯一标志光栅尺上的一个绝对位置，绝对式光栅尺（9）的增量式编码（8）是明暗相间的“01”序列码，两种码的码宽相同，且上下绝对对齐。

9.根据权利要求8所述的高精密光栅尺快速测量和防振装置,其特征在于上述CMOS/CCD传感器阵列（1-4）呈条带状分布，每个CMOS/CCD传感器阵列单元的中心到绝对式光栅尺（9）的绝对式编码（7）的正中间的高度一致，每个单元彼此绝对并排。

10.一种高精密光栅尺快速测量装置的测量方法，其特征在于包括如下步骤：

1）当装置启动时，初始化各部件，清空增量码计数器值；

2）通过CMOS/CCD阵列获得测量装置的绝对式编码图像，通过图像条纹解码获得起始绝对位置并贮存；

3）在振动补偿机构和“加特林”机枪式快拍的作用下，定时获得绝对式编码的图像，如果图像没法解析准确的位置信息，利用之前贮存的绝对位置，结合增量码采集到的当前计数器值，来重新获得一个准确的绝对位置，并利用替代初始化位置值，即，如果能够通过图像解析到当前的位置信息，通过之前的初始化绝对位置和通过增量码采集到的当前计数器值来校验图像解码的当前绝对位置；如果成立，则，否则，，其中，为计数器每计到一个数时尺移动的距离，即增量条纹的间隙；

4）在上述步骤3）的位置信息筛选基础上，利用检测精度较低的增量编码条纹的条纹个数来获得带误差的位移值，由精度较高的绝对编码条纹来获得较精准的误差补偿值，最终，结合两个码道的编码信息来获得的准确位移值，从而获得精度较高的测量位移。