CN104019834B - 单码道绝对位置的编码方法及读数测量系统 - Google Patents

Abstract

一种单码道绝对位置的编码方法及读数测量系统，该绝对位置编码方法的编码空间是编码条纹的频率空间，用条纹的空间分布频率记载编码信息。该编码方法能够大大削弱读数时对单个编码位信息完整性的依赖。本发明同时提供一种适配本编码方法的读数测量系统。该系统编码译码程序简单快速；局部可细分，微位移分辨率高；码道制造难度小，工序简单。

Description

单码道绝对位置的编码方法及读数测量系统

技术领域

本发明涉及一种可用于长度、角度精密测量仪器的编码方法，尤其是一种单码道绝对位置的编码方法及读数测量系统。

背景技术

现代的长度测量仪器比如光栅位移传感器、角度测量仪器比如光电轴角编码器，按其码道类型可以分为增量型和绝对型。

增量型的码道上具有等间距分布的条纹，通过对两个测量位置间的条纹计数，来获得测量值。绝对型的码道上是事先设计好的分布不具有周期性的不等间距条纹，通过一次读取多条并行码道的编码位或者一次读取单码道上的多个编码位获得绝对位置信息。

增量型编码的仪器具有编码简单、读数精度高的特点，最大缺点是每次启动后不能直接读数，实际使用时意外断电后的恢复工作能力较差。绝对型编码的仪器可以克服这种弊端，断电重启后可以直接获取当前位置继续工作，因而现代数控行业中，绝对型编码的测量仪器正得到越来越广泛的应用，是未来的发展趋势。

以光栅尺为例，绝对型光栅尺一般采用单码道伪随机码的二值化编码方式，即在一条码道上，以等宽度的亮暗条纹或有无条纹分别表示“1”、“0”对各个条纹位置进行编码，每次读取多个条纹位构成一个二进制数序列，每个位置对应的序列是唯一的，通过二进制数序列即可知道对应位置。对于n位序列，总编码长度可以达到2^n位，即每个码型都得到利用，具体参见美国专利No.5,117,105。这种编码方式的缺点在于码型多而复杂，码型识别困难易错，数据处理工作量大，硬件资源占用大。

其他的一些绝对型编码方式，多码道编码，如美国专利No.8,227,744，增加了整个测量系统的复杂度和制造成本；而单码道编码的编码位利用率以伪随机码式为最高，因而各种其他单码道编码方式总要付出浪费码型、损失编码长度的代价，如中国专利CN102095439。

以上所述的绝对式编码方法，其隐含原理是以编码位宽度为码道最小长度单元，利用条纹将二值化编码信息记录在这些等宽的编码位上，一个编码位记录一比特编码信息。这种一位一比特式编码的码道都存在一个致命的问题，即对单个编码位信息完整性的依赖太强，一个编码位上的信息丢失，比如条纹的物理损伤，将彻底影响邻域内的读出码型，导致误读或定位失败。

发明内容

本发明的目的是提供一种单码道绝对位置的编码方法及读数测量系统。该编码方法基于编码条纹的频率空间进行编码，能够大大削弱读数时对单个编码位信息完整性的依赖。该读数测量系统编码译码程序简单快速；局部可细分，微位移分辨率高；码道制造难度小，工序简单。

本发明的技术解决方案如下：

一种单码道绝对式编码方法，其特点在于该方法包括下列步骤：

①将码道划分成M个长度为L的编码分区，M为大于2的正整数，每个分区结尾处留有一个空白区，该空白区大于本分区条纹的周期，以作结束标示；

②每个分区从起始点开始设置条纹，第一分区条纹空间频率为f₁，其后分区条纹空间频率线性递增，分区的频率增量为Δf，第n分区条纹空间频率为：f_n＝f₁+(n-1)Δf，第一分区的条纹周期为第n分区条纹周期为： $d_n=\frac{1}{f_1+(n-1)\mathrm{\Δf}}.$

所述的码道为光栅尺的码道、二维绝对式光栅尺的码道或角度编码器的码道。

一种用于上述单码道绝对式编码方法的读数测量系统，包括CCD图像传感器和显微镜系统，所述的CCD图像传感器的输出端与计算机的输入端相连，其特点在于所述的CCD图像传感器通过显微镜系统对所述的码道的编码条纹进行测量时，通过显微镜系统的调节后应满足下列条件：设CCD图像传感器在沿码道方向上的像元数为N，视场对应空间长度w，应满足：采样频率f_s＝N/w>2f_n，频率分辨率f_div＝1/w<Δf，w＞L；

通过CCD图像传感器获取读数头当前位置的码道图像信号并输入计算机，计算机用图像处理方法提取出当前位置条纹的分区空间频率f_n，由n＝1+(f_n-f₁)/Δf得到分区序号，再结合条纹进行位置细分。

类似地，本编解码方法同样适用于角度编码器以及二维绝对式光栅尺。

本发明的技术效果如下：

本发明单码道绝对式编码方法，其编码空间是编码位的频率空间，即以编码条纹的空间分布频率来记载绝对位置编码信息，而单个编码位本身不携带编码信息。这种编码方法的编码信息体现在多个连续编码条纹的整体分布上，因此码道局部损伤和测量误差不会对读数结果造成大的影响，具有很强的容错性。

本发明同时提供的读数测量系统编码译码程序简单快速；局部可细分，微位移分辨率高；码道制造难度小，工序简单。

附图说明

图1是本发明的光栅尺测量装置读数系统示意图。

图2是采用本发明编码方式的光栅尺码道示意图。

图3是本发明的读数原理示意图。

图4是采用本发明编码方式的二维光栅尺码道示意图。

图5是采用本发明编码方式的角度编码器的码道示意图。

具体实施方式

下面具体说明本发明所述编码方法应用于光栅尺测量系统的一个实例，二维光栅尺测量装置、角度编码器与之同理。

参照图2，码道4的条纹3参数设置方法如下(各数值只是本实例参考值，可根据实际测量需求调整)：

将其码道划分成多个长度L均为500微米的编码分区。共设100编码分区。

每个分区从起始点开始设置条纹，条纹占空比以0.5为佳(示意图未严格画出)。

各分区条纹分布的空间频率满足：第一分区条纹空间频率为f₁＝2/11μm^-1，其后开始线性递增，分区频率增量Δf＝2/275μm^-1，第n分区条纹空间频率为f_n＝f₁+(n-1)Δf＝(48+2n)/275μm^-1。

相应地，第一分区条纹周期第n分区条纹周期为：

$d_n=\frac{1}{f_1+(n-1)\mathrm{\&Delta;f}}=\frac{275}{48+2n}\mathrm{\&mu;m}.$

每个分区结尾处留有至少大于一个本区条纹周期的空白区，以作结束标示，并指示下一分区开始。由此可计算出第n分区内的条纹数为(f_nL-1)的整数部分。

图1为光栅尺读数系统示意图。使用CCD图像传感器1通过显微镜系统2采集信息。设CCD在沿码道方向上的像元数为N，视场对应空间长度w，应满足：采样频率f_s＝N/w>2f_n，频率分辨率f_div＝1/w<Δf，w＞L。

图3中虚线框5示意CCD采集范围。

针对本例，所用CCD在沿码道4方向上应具有1024像素分辨率或者更多。使用显微镜系统调整图像采集范围，使CCD视场读取长度w等于1.1倍的分区长度，即w＝550微米。本例中读数系统频率分辨率为0.001818μm^-1。

读取图像信息后，为获取绝对位置信息的处理步骤如下：

①过图像中的条纹留白区识别出编码分区边界；

②取其中较长的分区，对沿码道方向上的条纹灰度图像信号进行滤波整形，通过快速傅里叶变换提取空间频率(范围在0.181818μm^-1～0.901818μm^-1)；

③到分区空间频率后，由n＝1+(f_n-f₁)/Δf得到分区序号；

④图像相关法计算得到当前位置信号相对图像中第m条纹零位信号的偏移量P(像素)，该零位信号是理论模拟值或者是预存的实测信号。则当前位置为：

$X=(n-1)\&times;500+\frac{m-1}{2/11+(n-1)\&times;2/275}+\frac{275}{512}\&times;P$ (单位为微米)。

⑤不同m条纹重复步骤④得到多次测量值，取平均值减少单次误差。

本发明所述的编码、测量方法同样适用于二维光栅尺测量装置以及角度编码器。

图4是采用本发明编码方式的二维光栅尺装置的码道示意图。其码道条纹3相当于两个正交的一维光栅尺码道条纹在另一维度上延伸交织而成。X、Y两个坐标方向上编码独立，解码读数过程独立。测量信号为二维图像，每个方向上读数步骤同一维光栅尺。

图5是采用本发明编码方式的角度编码器的码道示意图。其码道6相当于一维光栅尺码道从直线情形转换到圆周情形，以角度值取代长度值。测量读数方法同一维光栅尺，不同的是此时读数装置应使用沿圆弧分布的探测器。

本发明所述的单码道绝对式编码方式及其测量装置只使用单码道编码、编码译码简单快速，硬件资源占用少；受细节误差影响小，容错性强；微位移分辨率高，细分能力强；码道制造难度小，工序简单。

Claims (3)

1.一种单码道绝对式编码方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①将码道划分成M个长度为L的编码分区，M为大于2的正整数，每个分区结尾处留有一个空白区，该空白区的长度大于本分区条纹的周期长度，以作结束标示；

②每个分区从起始点开始设置条纹，第一分区条纹空间频率为f₁，其后分区条纹空间频率线性递增，分区的频率增量为Δf，第n分区条纹空间频率为：

f_n＝f₁+(n-1)Δf，第一分区的条纹周期为第n分区条纹周期为：

$d_n=\frac{1}{f_1+(n-1)\mathrm{\&Delta;}f}.$

2.根据权利要求1所述的单码道绝对式编码方法，其特征在于所述的码道为光栅尺的码道或角度编码器的码道。

3.一种用于权利要求1所述的单码道绝对式编码方法的读数测量系统，包括CCD图像传感器(1)和显微镜系统(2)，所述的CCD图像传感器(1)的输出端与计算机的输入端相连，其特征在于所述的CCD图像传感器(1)通过显微镜系统(2)对所述的码道的编码条纹进行测量时，通过显微镜系统(2)的调节后应满足下列条件：设CCD图像传感器(1)在沿码道方向上的像元数为N，视场对应空间长度w，应满足：采样频率f_s＝N/w＞2f_n，频率分辨率f_div＝1/w＜Δf，w＞L；

通过CCD图像传感器(1)获取读数头当前位置的码道图像信号并输入计算机，计算机用图像处理方法提取出当前位置条纹的分区空间频率f_n，由n＝1+(f_n-f₁)/Δf得到分区序号，再结合条纹进行位置细分。