專利名稱：一種具有真實刻度的精密位移測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種機械位移與機械長度物理量的精密測量方法和裝置，屬于機械設(shè)備制造中的精密測量領(lǐng)域。特別是涉及一種刻度直接讀取的方法，用于替代光柵、磁柵等以柵格為特征的位移測量裝置。
背景技術(shù)：
目前，以柵格為特征的位移測量裝置被廣泛應(yīng)用在機械設(shè)備上，其特點是測量精度高，測量距離長，特別是其在主尺上采用直接讀取數(shù)字信號的方式進行測量比其他采用模擬信號方式進行測量的裝置表現(xiàn)出更高的可靠性。具有代表性的裝置如光柵、磁柵等。這類裝置在機械結(jié)構(gòu)上采用柵格作為測量技術(shù)手段和方法。其特征是柵距相等和柵形的一致。因此，在其后的信號處理上，必然導(dǎo)致將位移測量的距離數(shù)據(jù)化分為兩個距離數(shù)據(jù)段分別處理一段是采用增量編碼的方法對柵格的數(shù)目進行累計，用于對整數(shù)倍于柵距的那部分距離進行計算；另一段是對不足一個柵距的那部分距離進一步的細分確定精確的位置。然后將兩段數(shù)據(jù)相加，得到完整的測量結(jié)果。就增量編碼而言，其特征是在累計的歷史數(shù)值上進行加1或減1操作。這就使得歷史數(shù)據(jù)上不僅有真實數(shù)據(jù)的累計結(jié)果，也存在著各種誤差的累計。累計誤差主要來源于換向誤差，微震動產(chǎn)生的抖動誤差，和產(chǎn)品的傳動機構(gòu)產(chǎn)生的回差。另外，如何能夠保證歷史數(shù)據(jù)無損的保存也是一個頭疼的問題。歷史數(shù)據(jù)的無限累計，最怕受到干擾。通常，數(shù)據(jù)是采用電子器件存放，不論是硬件方式還是軟件方式，都怕電磁干擾。所謂智能化的位移裝置都帶有微處理器，通過適當?shù)能浖O(shè)計，可以使程序流程的不確定性不至于影響程序的正確運行。但是程序流程的不確定性對存儲器中的數(shù)據(jù)的影響概率是存在的。上述問題在機械設(shè)備的使用中的主要表現(xiàn)是1、怕失電為了保證數(shù)據(jù)的存在，電子器件上不能斷電。斷電不僅會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失，更主要的是斷電時的位移數(shù)據(jù)無法累計，使之前的累計結(jié)果喪失了存在的意義。電源電壓的不穩(wěn)定和附加在電源上的干擾也會導(dǎo)致累計結(jié)果誤差。備用電池的壽命也制約了設(shè)備的可靠性。2、怕電磁干擾，怕機械振動；在機加工現(xiàn)場，電磁干擾和振動是很大的。解決這些問題迫使測量裝置電子和機械部分都變得很復(fù)雜，復(fù)雜性必然會犧牲可靠性。3、回零操作以柵格為特征的位移測量裝置沒有固定的原點即零點。需要用一些手段在特定的位置產(chǎn)生一個零信號，制造出一個虛擬的零點?；亓悴僮魇窃跀?shù)據(jù)不能確定的時候，將工作給進行程回到零點的位置，用以清除舊的累計數(shù)據(jù)，從新開始計數(shù)。每次當設(shè)備啟動時，都會將設(shè)備的進給行程移動到零點的位置校對零值，進行一次回零操作。在設(shè)備的使用中，通常要求盡量采用相對位移測量，相對位移測量就是在行程中臨時的將累計數(shù)據(jù)清零，設(shè)置一個臨時的起點，從這個起點開始測量計算相對位移。這樣做的目的是避開原點，減少累計帶來的誤差?；亓悴僮饕泊嬖诨亓阏`差?；亓悴僮魇乖O(shè)備表現(xiàn)不夠完美，限制了設(shè)備的使用條件。[0009]4、在設(shè)備的終端顯示結(jié)果中常會出現(xiàn)距離的刻度值，像一把尺子，有起始零點也有從零點開始的距離刻度。不過，這個尺子上的刻度不是從真實的位置讀出來的，而是從零點開始累計換算出來的。也就是說這個尺子是虛擬出來的，它的刻度和真實的位置存在不確定的誤差。5、像光柵，磁柵這樣的裝置判讀柵格時，讀出部分需要和主尺保持盡量小的微距離，克服摩擦問題是免不了的。6、由于上述原因的存在，使機械設(shè)備的自動化和網(wǎng)絡(luò)化受到了限制。首先，如果使用數(shù)據(jù)庫對加工的過程進行備份，就不能使用相對位移測量數(shù)據(jù)，必須有真實刻度值支持。 因此現(xiàn)有設(shè)備很難建立一個大的數(shù)據(jù)庫，用于存儲各個不同零件的加工數(shù)據(jù)。因為在現(xiàn)有條件下，這樣的數(shù)據(jù)庫是不確定、不可靠的。再有，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，需要對多處的設(shè)備進行實時的監(jiān)控，要知道設(shè)備進給行程的運行位置，現(xiàn)有設(shè)備是做不到的。一方面，相對測量的數(shù)據(jù)沒有刻度值。另一方面，各種因素造成的累積誤差不能夠得到實時的修正。這些問題限制了現(xiàn)有設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。此外，數(shù)據(jù)庫的建立也是機械設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型提供一種直接采集數(shù)字信號的裝置。該裝置不采用柵格設(shè)計，因此沒有增量編碼，進而不存在增量累計的問題。該裝置采用真實刻度直接讀取的方法獲得刻度值和刻度位置信號，因此，不存在虛擬刻度帶來的一系列問題。本實用新型要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題是在主尺上設(shè)置刻度并能夠識別和讀取，還要對刻度之間部分進行刻度細分。一種具有真實刻度的精密位移測量裝置，包括主尺(101)、副尺(201)、光源 (301)，還包括光路(401)、信號處理電路(203)，其特征是在主尺的正面有用于刻度識別的圖形(102)，圖形間的距離確定，每個圖形只能確定一個刻度值和刻度位置，主尺的正面對著副尺，在副尺上裝有圖像傳感器(202)，圖像傳感器的受光面朝向主尺的正面，信號處理的電路也裝在副尺上，在光源(301)中包括調(diào)光模塊，在位于副尺的圖像傳感器前面的光路(401)中采用硬件自動調(diào)節(jié)模塊調(diào)整放大倍數(shù)。主尺的材料可以是透明的也可以是不透明的。圖像傳感器可以是線陣也可以是面陣圖像傳感器，可以是黑白圖像傳感器也可以是彩色圖像傳感器；既可以是CXD圖像傳感器也可以是CMOS圖像傳感器。本裝置可以是一個主尺與一個副尺組合，也可以是一個主尺和復(fù)數(shù)個副尺組合。本實用新型在技術(shù)方案中提出一種真實刻度的精密位移測量裝置，包括主尺、副尺、光源，還包括光路、信號處理電路。其中主尺也叫定尺，副尺叫動尺。在主尺上有用于刻度識別的圖形，每個圖形表示一個刻度的兩個基本要素，即刻度的值和刻度的位置。其特征是圖形間的距離確定，圖形具有可識別性和唯一性?？勺R別性是指圖形在光源的照射下，可以被位于副尺上的圖像傳感器接收并可以用軟件或硬件確認刻度值和刻度位置。唯一性是指主尺上沒有兩個圖形的特征是完全一樣的，每個圖形只能確定一個刻度值和刻度位置。圖形的特征包括形狀、大小、排列位置、明暗、間距、色彩等， 圖形的特征是刻度編碼的依據(jù)。主尺材料可以是透明的，用于光源從主尺的背面(無圖形一側(cè))透過主尺，將圖形投影到副尺的圖形傳感器上(圖1)。主尺材料也可以是不透明的，用于光源照在主尺的正面(有圖形一側(cè)，對著副尺)將主尺上的圖形反射到副尺的圖像傳感器上。(圖2)當光線從主尺的背面透過主尺時，光源的光路采用遠光源設(shè)計。當光線從主尺的正面反射到副尺時，成像系統(tǒng)光路則采用遠心光路。不論采用哪種方案其目的都是使成像受主、副尺間的距離變化影響最小化。在副尺上裝有圖像傳感器，用于采集主尺上的圖形數(shù)據(jù)。用于信號處理的電路也裝在副尺上。圖像傳感器的受光面朝向主尺的正面。圖像傳感器可以是線陣也可以是面陣圖像傳感器，可以是黑白圖像傳感器也可以是彩色圖像傳感器。既可以是CCD圖像傳感器也可以是CMOS圖像傳感器。圖像傳感器采用的是工業(yè)測量專用器件。光源的作用是保證主尺上的圖形影像信號在圖像傳感器的有效接收信號范圍內(nèi)。 且要求光源穩(wěn)定，采用恒壓或恒流源供電。主尺的刻度識讀和刻度細分采用如下方法表達通過對主尺圖形的識別，得到主尺刻度的圖形特征信息。圖形特征信息(包括形狀、大小、排列位置、明暗、間距、色彩的不同)確定刻度的唯一標識。依據(jù)圖形的特征信息進行刻度編碼，比如用條碼編碼、莫爾斯編碼等都可以找到刻度所在位置的刻度值?？潭鹊奈恢檬且粋€點，在主尺上，圖形的任意特定點都可以作為刻度的真實定位標識，一般采用起點、終點或圖形的中點?？潭燃毞质峭ㄟ^圖像傳感器采集到的兩個圖形間距中的像素個數(shù)統(tǒng)計得到的，因為圖像傳感器的像素間距是已知的。另外，對不足一個像素間距的距離做進一步細分可以得到更精確的位置。本實用新型的有益效果是用具有真實刻度的精密位移測量裝置，取代傳統(tǒng)位移裝置，可以使機械設(shè)備最大限度的發(fā)揮作用，使機械設(shè)備表現(xiàn)完美?？梢杂行У奶岣咦詣踊瘷C械設(shè)備的可靠性，放寬設(shè)備的使用條件，擴大設(shè)備的使用范圍。不論是機械設(shè)備的制造者還是使用者，都獲得了更大的自由發(fā)揮和想象的空間。用具有真實刻度的精密位移測量裝置制作的電子尺具有真實的刻度，名副其實，可以完全取代傳統(tǒng)電子尺。

圖1為光源從主尺的背面透過主尺方案。圖2為光源從主尺的正面照射主尺方案。圖3為本實例的刻度圖形方案。圖中標識101為主尺；102為主尺上的刻度圖形；201為副尺；202為圖像傳感器； 203為信號處理電路；301為光源和亮度調(diào)整模塊；302為熒光管；401為遠心光路和放大倍數(shù)調(diào)整模塊。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖提供一個本實用新型的具體實施例本方案采用不透明的反光設(shè)計。如圖2，主尺的正面采用照相制版工藝制作出如圖 3所示的圖形。其特征是在黑色的襯底上做出刻度圖形，且圖形是由4條相同寬度并與主尺長度方向垂直的帶狀圖案組成，帶邊之間的邊距是帶寬的兩倍。每條帶的寬度為7個像素， 帶的邊距是14個像素，兩條帶的中心距是21個像素。4條帶狀圖案的形狀相同，通過位置順序決定了各自的不同定義，又通過灰度的變化，在圖像傳感器上反應(yīng)出各自亮度的大小。[0031]刻度圖形之間的中心距離是10毫米，也就是刻度的間距是10毫米。刻度圖形中的4條帶狀圖案的定義如下從左到右第一條的灰度是50%，是灰度值的參考基準，用于對光源進行校準和誤差修正。其后面的3條用于編碼。編碼采用位置加灰度的編碼方案，按從左到右位置順序分別為百位、十位、個位。每條帶狀圖案有10種灰度選擇，灰度變化從黑到白分為10級，這樣一來可以產(chǎn)生1000個刻度值編碼，可以滿足10 米以內(nèi)主尺長度的刻度編碼要求。舉例說明測得百位的灰度是30%，十位上的灰度是50%，個位上的灰度是80%。 這個刻度的值就是358乘以10毫米等于3580毫米。副尺上的圖像傳感器采用單色線陣工業(yè)測量器件。像素的大小為7乘7微米，信號處理電路采用8位AD轉(zhuǎn)換，每個像素從最暗到最亮的信號采樣范圍是0到255，可以產(chǎn)生256種明暗數(shù)據(jù)，也就是說可以測得256級灰度信號。這樣精度的信號可以滿足兩方面的需要，一方面滿足10級灰度編碼的要求，另一方面滿足對不足一個像素的距離進行精確的細分的要求。位于副尺上的圖像傳感器的像素排列方向的中心線對準主尺刻度排列方向的中心線。且像素的排列順序和主尺的刻度排列順序一致，即接收一幀信號的像素順序和主尺的刻度順序一致。取圖像傳感器的中心點附近的一個像素的中點為副尺的零點，本實例取第2000 個像素的中點為副尺的零點。關(guān)于刻度所在的位置，本實例取刻度圖形的第一條帶狀圖案的中點為刻度值的位置。也就是說如果主尺的某一個刻度圖形的第一條帶狀圖案的中點剛好和副尺上的圖像傳感器的第2000個像素的中點對齊，那就說明副尺剛好對準了刻度值整數(shù)的位置。得到的是以10毫米為刻度單位的整數(shù)值。副尺的零點到前一個主尺刻度的位置的距離細分是通過這一距離內(nèi)的像素個數(shù)統(tǒng)計得到的。本方案的照明光源采用熒光燈管，用以保證光線的均勻，因為圖像傳感器的受光范圍是沿像素排列的一條細長光帶。另外還配有調(diào)光模塊，不論是采取什么樣的光源，光的照射強度都有一個壽命曲線。光的照度會隨著使用時間產(chǎn)生變化，這個變化都會在圖像傳感器上得到反映，會影響到圖像傳感器接收的信號數(shù)值。本方案的刻度圖形中50%灰度的那條參考基準帶就是為了解決這個問題設(shè)置的。影響亮度的因素還有主副尺之間的距離變化，本方案采用調(diào)光法。具體的方法是檢測50 %灰度參考基準的亮度信號值，理論上是255乘以50 %，本方案取127。如果大于這個數(shù)就利用調(diào)光模塊降低光源的亮度，如果小于這個值就增加光源的亮度。利用調(diào)光模塊建立光源的負反饋系統(tǒng)，自動的調(diào)節(jié)光源強度，使參考值始終保持127這個值。如果調(diào)節(jié)不過來，說明出現(xiàn)了光源故障，系統(tǒng)發(fā)出故障報警。對于不足一個像素的距離，本方案采用比值法細分。取樣部位選擇50%灰度參考基準帶的前沿。理論上講，如果這個前沿剛好和像素的前沿吻合。這個像素的值應(yīng)該是127， 如果這個前沿與像素的前沿距離是像素寬度的一半，那么只有50%的光照被采集到，因此像素的值是127乘以50%。以此類推就得到了不足一個像素的距離的細分值。理論上可以得到一個像素寬度7微米的1 / 127距離。本方案取像素寬度的1 / 20，得到0.35微米的測量精度。雖然遠心光路可以滿足圖像的清晰度要求，但是由于副尺在移動的過程中和主尺
6的距離會有變化，加上鏡片的放大倍數(shù)存在固有差異，這些因素會導(dǎo)致放大倍數(shù)的不準確。 解決這個問題有兩種手段，一種是采用硬件自動調(diào)節(jié)模塊調(diào)整放大倍數(shù)，另一種是將放大倍數(shù)誤差通過程序計算抵消掉。由于圖像傳感器本身就是長度測量裝置，可以對其像素測量范圍內(nèi)的目標進行精確測量。因此，可以對主尺的刻度間距進行精確測量。本方案采用的放大倍數(shù)為1:1的光路設(shè)計，如果測量結(jié)果不等于10毫米就是出現(xiàn)了放大倍數(shù)誤差。在本例子中，采用自動調(diào)節(jié)模塊對放大倍數(shù)進行粗調(diào)，再經(jīng)過軟件計算抵消微小的誤差，使放大倍數(shù)不受環(huán)境影響。本例中采用的調(diào)光法和調(diào)放大倍數(shù)法都是動態(tài)自適應(yīng)系統(tǒng)，是保證系統(tǒng)精度的關(guān)鍵。本方案的軟件處理安排如下1、首先啟動動態(tài)自適應(yīng)系統(tǒng)的調(diào)光流程，在幀數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的存儲寄存器中，根據(jù)刻度圖形的特征，找到50%灰度參考帶的數(shù)據(jù)。與127比較，然后調(diào)整一次光源亮度。再重新掃描下一幀的影像數(shù)據(jù)，直到灰度參考值等于127為止。退出調(diào)光流程。2、進入放大倍數(shù)自適應(yīng)調(diào)整流程，檢測圖像傳感器參考零點之前最近的刻度值和刻度位置。然后再檢測像傳感器參考零點之后的最近的刻度值和位置，精確到0. 35微米。 接下來，計算兩個刻度之間的距離是否等于10毫米，如果不等輸出調(diào)整信號。重新掃描下一幀影像數(shù)據(jù)，直到調(diào)整到最小誤差為止。保留不足一個像素的距離細分結(jié)果。將剩下的放大倍數(shù)微小誤差換算成放大倍數(shù)調(diào)整比例，作為對刻度細分后，對結(jié)果進行放大倍數(shù)調(diào)整的調(diào)整系數(shù)。退出放大倍數(shù)調(diào)整流程。3、對副尺圖像傳感器的參考零點到其之前最近的刻度位置之間不足10毫米的距離進行細分，統(tǒng)計它們之間的像素數(shù)量，實際上，用零點所在的寄存器地址編號減去在它前面且離它最近的刻度位置所在的寄存器地址編號即可。再加上不足一個像素的距離細分值，最后還要乘上放大倍數(shù)調(diào)整系數(shù)，得到最后的刻度結(jié)果，輸出數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求1.一種具有真實刻度的精密位移測量裝置，包括主尺(101)、副尺(201)、光源(301)， 還包括光路(401)、信號處理電路(203)，其特征是在主尺的正面有用于刻度識別的圖形 (102)，圖形間的距離確定，每個圖形只能確定一個刻度值和刻度位置，主尺的正面對著副尺，在副尺上裝有圖像傳感器(202)，圖像傳感器的受光面朝向主尺的正面，信號處理的電路也裝在副尺上，在光源(301)中包括調(diào)光模塊，在位于副尺的圖像傳感器前面的光路 (401)中采用硬件自動調(diào)節(jié)模塊調(diào)整放大倍數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有真實刻度的精密位移測量裝置，其特征是主尺的材料可以是透明的也可以是不透明的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有真實刻度的精密位移測量裝置，其特征是圖像傳感器可以是線陣也可以是面陣圖像傳感器，可以是黑白圖像傳感器也可以是彩色圖像傳感器；既可以是CXD圖像傳感器也可以是CMOS圖像傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有真實刻度的精密位移測量裝置，其特征是本裝置可以是一個主尺與一個副尺組合，也可以是一個主尺和復(fù)數(shù)個副尺組合。
專利摘要一種具有真實刻度的精密位移測量裝置，包括主尺(101)、副尺(201)、光源(301)，還包括光路(401)、信號處理電路(203)。由于刻度編碼采用圖形特征編碼，不存在增量編碼，因此不會產(chǎn)生由增量編碼帶來的一系列問題。本裝置特別是涉及一種刻度直接讀取的方法，用于替代光柵、磁柵等以柵格為特征的位移測量裝置。用本裝置制作的電子尺具有真實的刻度，名副其實，可以完全取代傳統(tǒng)電子尺。
文檔編號G01B11/02GK202329553SQ20112041820
公開日2012年7月11日 申請日期2011年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月28日
發(fā)明者黃繼祥 申請人:黃繼祥