一種高精密光柵尺快速測(cè)量裝置及其方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種高精密光柵尺快速測(cè)量裝置及其測(cè)量方法。測(cè)量裝置包括有CMOS/CCD傳感器陣列、光學(xué)放大系統(tǒng)、平行光光源、帶有絕對(duì)式編碼和增量式編碼的絕對(duì)式光柵尺、指示光柵尺、對(duì)射傳感器、FPGA驅(qū)動(dòng)單元、DSP數(shù)據(jù)處理單元、校正補(bǔ)償單元。本發(fā)明雙碼道光柵尺的絕對(duì)編碼通過(guò)光學(xué)放大系統(tǒng)放大并成像到CMOS/CCD傳感器陣列上，在快門(mén)速度足夠快的條件下，由FPGA驅(qū)動(dòng)單元有序逐個(gè)驅(qū)動(dòng)CMOS/CCD傳感器陣列來(lái)快速采集并獲得圖像，通過(guò)圖像中的絕對(duì)編碼解碼出一個(gè)絕對(duì)位置距離，并通過(guò)增量碼來(lái)獲得一個(gè)帶誤差的增量距離，最終，綜合兩個(gè)測(cè)量距離獲得一個(gè)高精度的位置信息。本發(fā)明是利用振動(dòng)補(bǔ)償來(lái)獲得清晰的圖像，并通過(guò)圖像和計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度的位移測(cè)量。
【專利說(shuō)明】一種高精密光柵尺快速測(cè)量裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種高精密光柵尺快速測(cè)量裝置及其測(cè)量方法，是一種處理工作在快速狀態(tài)下的高精度的光柵尺快速采集圖像的快速測(cè)量裝置及其測(cè)量方法，屬于高精密光柵尺快速測(cè)量裝置及其測(cè)量方法的創(chuàng)新技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]光柵位移測(cè)量技術(shù)一直是位移測(cè)量的研究熱點(diǎn)，因其可全閉環(huán)控制，提高加工精度，成本低等優(yōu)勢(shì)成為現(xiàn)代機(jī)加工行業(yè)數(shù)控機(jī)床主要的線性反饋元件。針對(duì)光柵測(cè)量技術(shù)，傳統(tǒng)技術(shù)是基于光柵干涉或衍射來(lái)產(chǎn)生莫爾條紋，通過(guò)4倍頻的相位細(xì)分技術(shù)來(lái)形成相位差為90°的正弦波，并將其用于脈沖計(jì)算來(lái)獲得位移量和運(yùn)行方向。另外，也有采用微處理元件和CM0S/CCD傳感器等圖像采集元件來(lái)獲得條紋計(jì)算位移，但存在單純利用光柵玻璃來(lái)讀取位置信息，可靠性較低，精度較易受光柵尺直線度、剛度、溫度、振動(dòng)等因素的影響等缺點(diǎn)，最重要的一點(diǎn)是難以快速拍攝。
[0003]目前消減振動(dòng)對(duì)圖像的影響的技術(shù)主要是集中在相機(jī)的圖像處理領(lǐng)域，當(dāng)前主要兩種處理方式是電子圖像穩(wěn)定器和光學(xué)圖像穩(wěn)定器。其中，電子圖像穩(wěn)定器是基于軟件來(lái)處理的，存在容易造成圖像惡化、處理時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。而光學(xué)圖像穩(wěn)定器是通過(guò)安裝在鏡頭或器體上的傳感器來(lái)檢測(cè)其振動(dòng)或運(yùn)動(dòng)方向，不會(huì)造成圖像質(zhì)量惡化，但存在依賴硬件條件和成本聞等缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于考慮上述問(wèn)題而提供一種高精密光柵尺快速測(cè)量裝置。本發(fā)明運(yùn)用快速運(yùn)行狀態(tài)下的“加特林”式的圖像快速獲取方式，并通過(guò)檢測(cè)振動(dòng)影響情況來(lái)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償單元達(dá)到圖像清晰采集的效果，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的位移測(cè)量。
[0005]本發(fā)明的另一目的在于提供一種操作簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，方便實(shí)用的高精密光柵尺快速測(cè)量方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:本發(fā)明的高精密光柵尺快速測(cè)量裝置，包括有用于采集絕對(duì)光柵條紋和增量條紋的CM0S/CCD傳感器陣列、光學(xué)放大系統(tǒng)、平行光光源、用于測(cè)量位移的帶有絕對(duì)式編碼和增量式編碼的絕對(duì)式光柵尺、指示光柵尺、對(duì)射傳感器、FPGA驅(qū)動(dòng)單元、DSP數(shù)據(jù)處理單元、校正補(bǔ)償單元，其中光學(xué)放大系統(tǒng)置于絕對(duì)式光柵尺的雙碼道條紋的上方，平行光光源置于絕對(duì)式光柵尺的下方，指示光柵尺置于絕對(duì)式光柵尺的增量式編碼的上方，對(duì)射傳感器裝設(shè)在指示光柵尺的上方，CM0S/CCD傳感器陣列呈條帶狀安裝在CM0S/C⑶傳感器固定板的底面，并置于光學(xué)放大系統(tǒng)的放大圖像信息的位置上，校正補(bǔ)償單元固裝在CM0S/CCD傳感器固定板的頂面，F(xiàn)PGA驅(qū)動(dòng)模塊與CM0S/CCD傳感器陣列連接，有序地逐個(gè)驅(qū)動(dòng)CM0S/CCD傳感器陣列來(lái)采集四路光形成四幅圖像，校正補(bǔ)償單元檢測(cè)振動(dòng)情況并產(chǎn)生反向補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，絕對(duì)式光柵尺的絕對(duì)式編碼通過(guò)光學(xué)放大系統(tǒng)放大并成像在CM0S/CCD傳感器陣列上，利用對(duì)射傳感器來(lái)采集絕對(duì)式光柵尺的增量式編碼在指示光柵尺作用下產(chǎn)生的條紋計(jì)數(shù)，F(xiàn)PGA驅(qū)動(dòng)模塊與DSP數(shù)據(jù)處理單元連接。
[0007]本發(fā)明高精密光柵尺快速測(cè)量裝置的測(cè)量方法，包括如下步驟:
O當(dāng)裝置啟動(dòng)時(shí)，初始化各部件，清空增量碼計(jì)數(shù)器值肩;
2)通過(guò)CM0S/CCD陣列獲得測(cè)量裝置的絕對(duì)式編碼圖像，通過(guò)圖像條紋解碼獲得起始絕對(duì)位置&并貯存；
3)在振動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)和“加特林”機(jī)槍式快拍的作用下，定時(shí)獲得絕對(duì)式編碼的圖像，如果圖像沒(méi)法解析準(zhǔn)確的位置信息，利用之前貯存的絕對(duì)位置I1),結(jié)合增量碼采集到的
當(dāng)前計(jì)數(shù)器值,來(lái)重新獲得一個(gè)準(zhǔn)確的絕對(duì)位置It并利用?|替代初始化位置值10,即
V:/,’ 如果能夠通過(guò)圖像解析到當(dāng)前的位置信息，通過(guò)之前的初始化絕對(duì)位置!^和通過(guò)
增量碼采集到的當(dāng)前計(jì)數(shù) 器值來(lái)校驗(yàn)圖像解碼的當(dāng)前絕對(duì)位置如果
立，則4=4,否則，為I深x麗,其中，就為計(jì)數(shù)器每計(jì)到一個(gè)數(shù)時(shí)尺移動(dòng)的距離，
即增量條紋的間隙；
4)在上述步驟3)的位置信息篩選基礎(chǔ)上，利用檢測(cè)精度較低的增量編碼條紋的條紋個(gè)數(shù)來(lái)獲得帶誤差的位移值，由精度較高的絕對(duì)編碼條紋來(lái)獲得較精準(zhǔn)的誤差補(bǔ)償值，最終，結(jié)合兩個(gè)碼道的編碼信息來(lái)獲得的準(zhǔn)確位移值，從而獲得精度較高的測(cè)量位移。
[0008]本發(fā)明包括有雙碼道的絕對(duì)式光柵尺、指示光柵尺、光學(xué)放大系統(tǒng)、平行光光源、用于采集圖像的呈條帶狀分布的CM0S/CXD陣列單元、對(duì)射傳感器、FPGA驅(qū)動(dòng)單元、DSP處理單元、運(yùn)動(dòng)校正補(bǔ)償單元的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明雙碼道的絕對(duì)光柵尺中的絕對(duì)編碼通過(guò)光學(xué)放大系統(tǒng)放大并成像到CM0S/CCD傳感器陣列上，在快門(mén)速度足夠快的條件下，由FPGA驅(qū)動(dòng)單元有序逐個(gè)驅(qū)動(dòng)CM0S/C⑶傳感器陣列來(lái)快速采集并獲得圖像，通過(guò)圖像中的絕對(duì)編碼解碼出一個(gè)絕對(duì)位置距離，并通過(guò)增量碼獲得一個(gè)帶誤差的增量距離，綜合兩個(gè)測(cè)量距離獲得一個(gè)高精度的位置信息。本發(fā)明通過(guò)振動(dòng)補(bǔ)償來(lái)獲得清晰的圖像，并通過(guò)圖像和計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度的位移測(cè)量。另外，本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)校正補(bǔ)償單元采用包括有陀螺儀傳感器及壓電陶瓷片組的結(jié)構(gòu)，利用陀螺儀傳感器來(lái)獲得機(jī)構(gòu)工作在運(yùn)行狀態(tài)下的振動(dòng)角度和加速度，并實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷片組來(lái)產(chǎn)生反向補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，使得CM0S/CXD陣列進(jìn)入光學(xué)結(jié)構(gòu)的有效景深范圍內(nèi)。本發(fā)明是一種設(shè)計(jì)巧妙，性能優(yōu)良，方便實(shí)用的高精密光柵尺快速測(cè)量裝置。本發(fā)明的測(cè)量方法操作簡(jiǎn)單，方便實(shí)用，測(cè)量精度高。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1為本發(fā)明的快速讀碼和防振裝置的構(gòu)件組圖；
圖2為本發(fā)明的校正補(bǔ)償模塊的等軸視圖；
圖3為本發(fā)明的校正補(bǔ)償模塊的等軸視圖(去掉上面板)；
圖4為本發(fā)明的校正補(bǔ)償模塊的前視圖；
圖5為本發(fā)明的校正補(bǔ)償模塊的左視圖；
圖6為本發(fā)明的讀碼和存儲(chǔ)流程圖。
【具體實(shí)施方式】[0010]實(shí)施例:
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，本發(fā)明的高精密光柵尺快速測(cè)量裝置，包括有用于采集絕對(duì)光柵條紋和增量條紋的CM0S/CCD傳感器陣列1、2、3、4、光學(xué)放大系統(tǒng)5、平行光光源6、用于測(cè)量位移的帶有絕對(duì)式編碼7和增量式編碼8的絕對(duì)式光柵尺9、指示光柵尺10、對(duì)射傳感器11、FPGA驅(qū)動(dòng)單元12、DSP數(shù)據(jù)處理單元13、校正補(bǔ)償單元14，其中光學(xué)放大系統(tǒng)5置于絕對(duì)式光柵尺9的雙碼道條紋的上方，平行光光源6置于絕對(duì)式光柵尺9的下方，指示光柵尺10置于絕對(duì)式光柵尺9的增量式編碼8的上方，對(duì)射傳感器11裝設(shè)在指示光柵尺10的上方，CM0S/CXD傳感器陣列I?4呈條帶狀安裝在CM0S/CXD傳感器固定板15的底面，并置于光學(xué)放大系統(tǒng)5的放大圖像信息的位置上，校正補(bǔ)償單元16固裝在CMOS/CXD傳感器固定板15的頂面，F(xiàn)PGA驅(qū)動(dòng)模塊12與CM0S/C⑶傳感器陣列I?4連接，有序地逐個(gè)驅(qū)動(dòng)CM0S/C⑶傳感器陣列I?4來(lái)采集四路光形成四幅圖像，校正補(bǔ)償單元16檢測(cè)振動(dòng)情況并產(chǎn)生反向補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，絕對(duì)式光柵尺9的絕對(duì)式編碼7通過(guò)光學(xué)放大系統(tǒng)5放大并成像在CM0S/CCD傳感器陣列I?4上，利用對(duì)射傳感器11來(lái)采集絕對(duì)式光柵尺9的增量式編碼8在指示光柵尺10作用下產(chǎn)生的條紋計(jì)數(shù)，F(xiàn)PGA驅(qū)動(dòng)模塊12與DSP數(shù)據(jù)處理單元13連接。圖像的獲取和對(duì)比過(guò)程是通過(guò)FPGA驅(qū)動(dòng)模塊12有序地逐個(gè)驅(qū)動(dòng)CM0S/CXD傳感器陣列I?4來(lái)采集四路光形成四幅圖像，并通過(guò)DSP數(shù)據(jù)處理單元13對(duì)采集到的四幅圖像進(jìn)行前期預(yù)處理和對(duì)比，從而獲得四幅圖像中比較清晰的編碼圖像，并利用編碼圖像來(lái)得到一個(gè)準(zhǔn)確的位置信息并貯存。上述FPGA驅(qū)動(dòng)模塊12驅(qū)動(dòng)上述呈條帶狀的CMOS/CCD傳感器陣列采集圖像，驅(qū)動(dòng)的方式是有序逐個(gè)的驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)“加特林”機(jī)槍式的快拍。
[0011]本實(shí)施例中，上述對(duì)射傳感器11為紅外光電對(duì)管或其他對(duì)射傳感器。
[0012]本實(shí)施例中，上述校正補(bǔ)償單元16包括有利用陀螺儀傳感器17及壓電陶瓷片組18?21，陀螺儀傳感器17安裝在CM0S/CCD傳感器固定板15頂面的幾何中心，壓電陶瓷片組18?21呈對(duì)稱布置于陀螺儀傳感器17的四周，位于補(bǔ)償機(jī)構(gòu)上面板27與CM0S/CXD傳感器固定板15之間，校正補(bǔ)償單元16利用陀螺儀傳感器17來(lái)檢測(cè)振動(dòng)情況，實(shí)時(shí)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的CM0S/CCD傳感器陣列I?4的振動(dòng)扭動(dòng)角、變化頻率及機(jī)構(gòu)加速度，通過(guò)壓電陶瓷片組18?21來(lái)產(chǎn)生反向補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，利用壓電陶瓷片的性質(zhì)，根據(jù)上述的扭動(dòng)角，驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷片產(chǎn)生相應(yīng)的跳動(dòng)運(yùn)動(dòng)來(lái)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的振動(dòng)，使得在跳動(dòng)過(guò)程中CM0S/C⑶傳感器陣列I?4進(jìn)入有效的景深范圍內(nèi)來(lái)獲得清晰的圖像。
[0013]本實(shí)施例中，上述補(bǔ)償機(jī)構(gòu)上面板27及CM0S/C⑶傳感器固定板15對(duì)角線的的四個(gè)位置分別套裝在四個(gè)導(dǎo)軌上，補(bǔ)償機(jī)構(gòu)上面板27及CM0S/CCD傳感器固定板15能沿著四個(gè)導(dǎo)軌上下移動(dòng)，另外，四個(gè)導(dǎo)軌上分別裝設(shè)有彈簧23-26，通過(guò)彈簧23?26來(lái)限制移動(dòng)范圍和消振。
[0014]本實(shí)施例中，上述CM0S/CXD傳感器陣列I?4呈對(duì)稱布置于CM0S/CXD陣列固定板15的下表面。
[0015]本實(shí)施例中，高精密光柵尺快速測(cè)量裝置還設(shè)有機(jī)械減振單元22，機(jī)械減振單元22是安裝于高精密光柵尺快速測(cè)量裝置底面的柔性減振單元，包括有彈簧機(jī)構(gòu)及填充在彈簧機(jī)構(gòu)周圍的柔性材料。此外，上述的機(jī)械減振單元22也可以安裝于高精密光柵尺快速測(cè)量裝置的其他地方，或安裝于機(jī)床或者其他地方，即機(jī)械減振單元22是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的機(jī)械減振機(jī)構(gòu)。[0016]本實(shí)施例中，上述絕對(duì)式光柵尺的編碼方式是使用明條紋代表“1”，暗條紋代表“O”的明暗條紋進(jìn)行編碼。
[0017]本實(shí)施例中，上述絕對(duì)式光柵尺9的絕對(duì)式編碼7采用二進(jìn)制偽隨機(jī)序列碼，每一個(gè)絕對(duì)碼唯一標(biāo)志光柵尺的一個(gè)絕對(duì)位置，絕對(duì)式光柵尺9的增量式編碼8是明暗相間的“01”序列碼，兩種碼的碼寬相同，且上下絕對(duì)對(duì)齊。
[0018]本實(shí)施例中，上述CM0S/CXD傳感器陣列I~4呈條帶狀分布，每個(gè)CM0S/CXD傳感器陣列單元的中心到絕對(duì)式光柵尺9的絕對(duì)式編碼7的正中間的高度一致，每個(gè)單元彼此絕對(duì)并排。
[0019]本實(shí)施例中，上述利用FPGA驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)上述呈條帶狀的CM0S/CXD傳感器陣列采集圖像，驅(qū)動(dòng)的方式是有序逐個(gè)的驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)“加特林”機(jī)槍式的快拍。
[0020]本發(fā)明高精密光柵尺快速測(cè)量裝置的測(cè)量方法，包括如下步驟:
O當(dāng)裝置啟動(dòng)時(shí)，初始化各部件，清空增量碼計(jì)數(shù)器值漢；
2)通過(guò)CM0S/CCD陣列獲得測(cè)量裝置的絕對(duì)式編碼圖像，通過(guò)圖像條紋解碼獲得起始絕對(duì)位置^并貯存；
3)在振動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)和“加特林”機(jī)槍式快拍的作用下，定時(shí)獲得絕對(duì)式編碼的圖像，如果圖像沒(méi)法解析準(zhǔn)確的位置信息，利用之前貯存的絕對(duì)位置I11,結(jié)合增量碼采集到的
當(dāng)前計(jì)數(shù)器值I,來(lái)重新獲得 一個(gè)準(zhǔn)確的絕對(duì)位置I1,并利用I1替代初始化位置值10,即
Ie =I1,如果能夠通過(guò)圖像解析到當(dāng)前的位置信息,通過(guò)之前的初始化絕對(duì)位置10和通過(guò)
增量碼采集到的當(dāng)前計(jì)數(shù)器值I來(lái)校驗(yàn)圖像解碼的當(dāng)前絕對(duì)位置I1;如果 Ii1都A成
立，則=4,否則，4=4+髮x麗,其中，麗為計(jì)數(shù)器每計(jì)到一個(gè)數(shù)時(shí)尺移動(dòng)的距離，即增量條紋的間隙；
4)在實(shí)現(xiàn)高精度的快速測(cè)量和減振的過(guò)程中，本發(fā)明根據(jù)宏微復(fù)合的思想，在抵消振動(dòng)效果方面，以機(jī)械減振機(jī)構(gòu)來(lái)弱化機(jī)械安裝不當(dāng)導(dǎo)致的運(yùn)行過(guò)程機(jī)械振動(dòng)，再利用檢測(cè)到的振動(dòng)頻率和加速度來(lái)獲得微振動(dòng)，并通過(guò)校正補(bǔ)償單元來(lái)補(bǔ)償CM0S/CCD傳感器單元采集圖像時(shí)受振動(dòng)的影響，使其進(jìn)入有效的景深范圍內(nèi)，從而，利用宏微兩個(gè)方向?qū)φ駝?dòng)對(duì)檢測(cè)精度產(chǎn)生的影響進(jìn)行檢測(cè)及補(bǔ)償。在位置編碼讀取方面，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，在上述步驟3)的位置信息篩選基礎(chǔ)上，利用檢測(cè)精度較低的增量編碼條紋的條紋個(gè)數(shù)來(lái)獲得帶誤差的位移值，在定位處，由于速度降低，故采集到的絕對(duì)編碼圖像較清晰，由精度較高的絕對(duì)編碼條紋來(lái)獲得較精準(zhǔn)的誤差補(bǔ)償值，最終，結(jié)合兩個(gè)碼道的編碼信息來(lái)獲得的準(zhǔn)確位移值，從而獲得精度較高的測(cè)量位移。
[0021]本發(fā)明結(jié)合增量碼和絕對(duì)碼來(lái)獲得準(zhǔn)確的位置信息，其中，通過(guò)紅外光電對(duì)管/其他對(duì)射傳感器來(lái)獲取雙碼道的光柵尺的增量碼和指示光柵形成的條紋的位置信息，利用CM0S/CCD陣列采集的絕對(duì)碼圖像來(lái)獲得較準(zhǔn)確的位置信息。本發(fā)明位置信息的貯存方式，當(dāng)絕對(duì)碼信息較為清晰時(shí)，利用增量碼來(lái)獲得一個(gè)校正位置信息，并將準(zhǔn)確位置貯存，當(dāng)絕對(duì)碼圖像無(wú)法正確識(shí)別時(shí)，通過(guò)增量碼獲得的位置信息結(jié)合模糊圖像來(lái)補(bǔ)償之前的準(zhǔn)確位置信息。
[0022]本發(fā)明利用陀螺儀來(lái)獲得運(yùn)動(dòng)過(guò)程的振動(dòng)扭角和加速度，從而利用壓電陶瓷片組來(lái)產(chǎn)生一個(gè)反向運(yùn)動(dòng)來(lái)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，使得CMOS/C⑶傳感器陣列進(jìn)入景深范圍內(nèi)來(lái)獲得清晰的圖像。本發(fā)明圖像必須具有一對(duì)完整的編碼條紋。
[0023]考慮到CM0S/CXD陣列的成像原理，CM0S/CXD的光電二極管感應(yīng)外界物體的光照強(qiáng)度需要時(shí)間，特別是獲取工作在快速運(yùn)行的狀況下的物體的圖像，容易照成圖像的拖影和重影等問(wèn)題。本發(fā)明在快門(mén)速度足夠快的情況下，利用FPGA驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)驅(qū)動(dòng)上述呈條帶狀的CM0S/CCD陣列采集圖像，驅(qū)動(dòng)的方式是有序逐個(gè)驅(qū)動(dòng)，如圖4所示，實(shí)現(xiàn)“加特林”機(jī)槍式的快拍，使得每個(gè)CMOS有足夠的反應(yīng)時(shí)間。另外，配合上述的減振機(jī)構(gòu)獲得機(jī)構(gòu)加速度來(lái)控制快門(mén)速度，加速度越快，快門(mén)的速度越快。
[0024]本發(fā)明包括有用于采集絕對(duì)光柵條紋和增量條紋的CM0S/CCD傳感器陣列、光學(xué)放大系統(tǒng)、用于測(cè)量位移的帶有絕對(duì)式編碼和增量式編碼的絕對(duì)式光柵尺、指示光柵尺、紅外光電對(duì)管/其他對(duì)射傳感器、FPGA驅(qū)動(dòng)單元、DSP數(shù)據(jù)處理單元、校正補(bǔ)償單元及機(jī)械減振單元組成光柵尺位移高精度測(cè)量系統(tǒng)。由FPGA驅(qū)動(dòng)CM0S/CCD傳感器陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)“加特林”機(jī)槍式的圖像快速采集，并通過(guò)根據(jù)傳感器檢測(cè)的振動(dòng)情況來(lái)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)補(bǔ)償單元產(chǎn)生反向的形變，使得CM0S/CCD傳感器陣列進(jìn)入有效的景深范圍，從而獲得清晰的編碼圖像。
[0025]本發(fā)明利用宏微復(fù)合的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法，以機(jī)械減振機(jī)構(gòu)來(lái)弱化機(jī)械安裝不當(dāng)導(dǎo)致的運(yùn)行過(guò)程機(jī)械振動(dòng)，再利用傳感器來(lái)獲得微振動(dòng)的矢量，并通過(guò)校正補(bǔ)償單元來(lái)實(shí)時(shí)補(bǔ)償CM0S/CCD傳感器單元采集圖像時(shí)的振動(dòng)，從而從宏微兩個(gè)方向?qū)φ駝?dòng)產(chǎn)生的影響進(jìn)行校正和補(bǔ)償。
[0026]本發(fā)明根據(jù)宏微復(fù)合的思想，由光柵尺的絕對(duì)式編碼來(lái)獲得較準(zhǔn)確的位置信息，并通過(guò)位置信息累積剔除的方式，結(jié)合增量式編碼來(lái)獲得一個(gè)帶有誤差的校正位置信息，當(dāng)運(yùn)行過(guò)程中位置的準(zhǔn)確信息獲得時(shí)重新累積位置信息。
【權(quán)利要求】
1.一種高精密光柵尺快速測(cè)量裝置，其特征在于包括有用于采集絕對(duì)光柵條紋和增量條紋的CMOS/CCD傳感器陣列(1-4)、光學(xué)放大系統(tǒng)(5)、平行光光源(6)、用于測(cè)量位移的帶有絕對(duì)式編碼(7)和增量式編碼(8)的絕對(duì)式光柵尺(9)、指示光柵尺(10)、對(duì)射傳感器(11 )、FPGA驅(qū)動(dòng)單元(12),DSP數(shù)據(jù)處理單元(13)、校正補(bǔ)償單元(14)，其中光學(xué)放大系統(tǒng)(5 )置于絕對(duì)式光柵尺(9 )的雙碼道條紋的上方，平行光光源(6 )置于絕對(duì)式光柵尺(9 )的下方，指示光柵尺(10)置于絕對(duì)式光柵尺(9)的增量式編碼(8)的上方，對(duì)射傳感器(11)裝設(shè)在指示光柵尺(10)的上方，CMOS/CXD傳感器陣列(1-4)呈條帶狀安裝在CMOS/CXD傳感器固定板(15)的底面，并置于光學(xué)放大系統(tǒng)(5)的放大圖像信息的位置上，校正補(bǔ)償單元(16)固裝在CMOS/CXD傳感器固定板(15)的頂面，F(xiàn)PGA驅(qū)動(dòng)模塊(12)與CMOS/CXD傳感器陣列(1-4)連接，有序地逐個(gè)驅(qū)動(dòng)CMOS/C⑶傳感器陣列(1-4)來(lái)采集四路光形成四幅圖像，校正補(bǔ)償單元(16)檢測(cè)振動(dòng)情況并產(chǎn)生反向補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，絕對(duì)式光柵尺(9)的絕對(duì)式編碼(7)通過(guò)光學(xué)放大系統(tǒng)(5)放大并成像在CMOS/CXD傳感器陣列(1-4)上，利用對(duì)射傳感器(11)來(lái)采集絕對(duì)式光柵尺(9)的增量式編碼(8)在指示光柵尺(10)作用下產(chǎn)生的條紋計(jì)數(shù)，F(xiàn)PGA驅(qū)動(dòng)模塊(12)與DSP數(shù)據(jù)處理單元(13)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精密光柵尺快速測(cè)量裝置，其特征在于高精密光柵尺快速測(cè)量裝置還設(shè)有機(jī)械減振單元(22)，機(jī)械減振單元(22)是安裝于高精密光柵尺快速測(cè)量裝置底面的柔性減振單元，包括有彈簧機(jī)構(gòu)及填充在彈簧機(jī)構(gòu)周圍的柔性材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精密光柵尺快速測(cè)量和防振裝置，其特征在于上述對(duì)射傳感器(11)為紅外光電對(duì)管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精密光柵尺快速測(cè)量和防振裝置，其特征在于上述校正補(bǔ)償單元(16)包括有利用陀螺儀傳感器(17)及壓電陶瓷片組(18-21)，陀螺儀傳感器(17)安裝在CMOS/C⑶傳感器固定板(15)頂面的幾何中心，壓電陶瓷片組(18-21)呈對(duì)稱布置于陀螺儀傳感器(17)的四周，位于補(bǔ)償機(jī)構(gòu)上面板(27)與CMOS/C⑶傳感器固定板(15)之間，補(bǔ)償機(jī)構(gòu)上面板(27)及CMOS/C⑶傳感器固定板(15)能上下移動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精密光柵尺快速測(cè)量和防振裝置，其特征在于上述補(bǔ)償機(jī)構(gòu)上面板(27)及CMOS/C⑶傳感器固定板(15)對(duì)角線上的四個(gè)位置分別套裝在四個(gè)導(dǎo)軌上，補(bǔ)償機(jī)構(gòu)上面板(27)及CMOS/CCD傳感器固定板(15)能沿著四個(gè)導(dǎo)軌上下移動(dòng)，四個(gè)導(dǎo)軌上裝設(shè)有分別裝設(shè)有用于限制移動(dòng)范圍和消振的彈簧(23-26)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精密光柵尺快速測(cè)量和防振裝置，其特征在于上述CMOS/CXD傳感器陣列(1-4)呈對(duì)稱布置于CM0S/CXD陣列固定板(15)的下表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精密光柵尺快速測(cè)量和防振裝置，其特征在于上述絕對(duì)式光柵尺的編碼方式是使用明條紋代表“ I ”，暗條紋代表“O”的明暗條紋進(jìn)行編碼。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的高精密光柵尺快速測(cè)量和防振裝置，其特征在于上述絕對(duì)式光柵尺(9)的絕對(duì)式編碼(7)采用二進(jìn)制偽隨機(jī)序列碼，每一個(gè)絕對(duì)碼都唯一標(biāo)志光柵尺上的一個(gè)絕對(duì)位置，絕對(duì)式光柵尺(9)的增量式編碼(8)是明暗相間的“01”序列碼，兩種碼的碼寬相同，且上下絕對(duì)對(duì)齊。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高精密光柵尺快速測(cè)量和防振裝置，其特征在于上述CMOS/CCD傳感器陣列(1-4)呈條帶狀分布，每個(gè)CM0S/CCD傳感器陣列單元的中心到絕對(duì)式光柵尺(9)的絕對(duì)式編碼(7)的正中間的高度一致，每個(gè)單元彼此絕對(duì)并排。
10.一種高精密光柵尺快速測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于包括如下步驟:. 1)當(dāng)裝置啟動(dòng)時(shí)，初始化各部件，清空增量碼計(jì)數(shù)器值；. 2)通過(guò)CMOS/CCD陣列獲得測(cè)量裝置的絕對(duì)式編碼圖像，通過(guò)圖像條紋解碼獲得起始絕對(duì)位置并貯存；. 3)在振動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)和“加特林”機(jī)槍式快拍的作用下，定時(shí)獲得絕對(duì)式編碼的圖像，如果圖像沒(méi)法解析準(zhǔn)確的位置信息，利用之前貯存的絕對(duì)位置，結(jié)合增量碼采集到的當(dāng)前計(jì)數(shù)器值，來(lái)重新獲得一個(gè)準(zhǔn)確的絕對(duì)位置，并利用替代初始化位置值，即，如果能夠通過(guò)圖像解析到當(dāng)前的位置信息，通過(guò)之前的初始化絕對(duì)位置和通過(guò)增量碼采集到的當(dāng)前計(jì)數(shù)器值來(lái)校驗(yàn)圖像解碼的當(dāng)前絕對(duì)位置；如果成立，則，否則，，其中，為計(jì)數(shù)器每計(jì)到一個(gè)數(shù)時(shí)尺移動(dòng)的距離，即增量條紋的間隙；. 4)在上述步驟3)的位置信息篩選基礎(chǔ)上，利用檢測(cè)精度較低的增量編碼條紋的條紋個(gè)數(shù)來(lái)獲得帶誤差的位移值，由精度較高的絕對(duì)編碼條紋來(lái)獲得較精準(zhǔn)的誤差補(bǔ)償值，最終，結(jié)合兩個(gè)碼道的編碼信息來(lái)獲得的準(zhǔn)確位移值，從而獲得精度較高的測(cè)量位移。
【文檔編號(hào)】G01B11/02GK103983195SQ201410175405
【公開(kāi)日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月28日
【發(fā)明者】陳新度, 王志鋒, 陳新, 王晗, 吳志雄 申請(qǐng)人:廣東工業(yè)大學(xué)