[发明专利]一种高精密光栅尺快速测量装置及其方法

说明书

技术领域

本发明是一种高精密光栅尺快速测量装置及其测量方法，是一种处理工作在快速状态下的高精度的光栅尺快速采集图像的快速测量装置及其测量方法，属于高精密光栅尺快速测量装置及其测量方法的创新技术。

背景技术

光栅位移测量技术一直是位移测量的研究热点，因其可全闭环控制，提高加工精度，成本低等优势成为现代机加工行业数控机床主要的线性反馈元件。针对光栅测量技术，传统技术是基于光栅干涉或衍射来产生莫尔条纹，通过4倍频的相位细分技术来形成相位差为90°的正弦波，并将其用于脉冲计算来获得位移量和运行方向。另外，也有采用微处理元件和CMOS/CCD传感器等图像采集元件来获得条纹计算位移，但存在单纯利用光栅玻璃来读取位置信息，可靠性较低，精度较易受光栅尺直线度、刚度、温度、振动等因素的影响等缺点，最重要的一点是难以快速拍摄。

目前消减振动对图像的影响的技术主要是集中在相机的图像处理领域，当前主要两种处理方式是电子图像稳定器和光学图像稳定器。其中，电子图像稳定器是基于软件来处理的，存在容易造成图像恶化、处理时间长等缺点。而光学图像稳定器是通过安装在镜头或器体上的传感器来检测其振动或运动方向，不会造成图像质量恶化，但存在依赖硬件条件和成本高等缺点。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种高精密光栅尺快速测量装置。本发明运用快速运行状态下的“加特林”式的图像快速获取方式，并通过检测振动影响情况来驱动运动补偿单元达到图像清晰采集的效果，从而实现准确的位移测量。

本发明的另一目的在于提供一种操作简单，测量精度高，方便实用的高精密光栅尺快速测量方法。

本发明的技术方案是：本发明的高精密光栅尺快速测量装置, 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、光学放大系统、平行光光源、用于测量位移的带有绝对式编码和增量式编码的绝对式光栅尺、指示光栅尺、对射传感器、FPGA驱动单元、DSP数据处理单元、校正补偿单元,其中光学放大系统置于绝对式光栅尺的双码道条纹的上方，平行光光源置于绝对式光栅尺的下方，指示光栅尺置于绝对式光栅尺的增量式编码的上方，对射传感器装设在指示光栅尺的上方，CMOS/CCD传感器阵列呈条带状安装在CMOS/CCD传感器固定板的底面，并置于光学放大系统的放大图像信息的位置上, 校正补偿单元固装在CMOS/CCD传感器固定板的顶面, FPGA驱动模块与CMOS/CCD传感器阵列连接，有序地逐个驱动CMOS/CCD传感器阵列来采集四路光形成四幅图像，校正补偿单元检测振动情况并产生反向补偿运动，绝对式光栅尺的绝对式编码通过光学放大系统放大并成像在CMOS/CCD传感器阵列上，利用对射传感器来采集绝对式光栅尺的增量式编码在指示光栅尺作用下产生的条纹计数，FPGA驱动模块与DSP数据处理单元连接。

本发明高精密光栅尺快速测量装置的测量方法，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。