专利名称：单码道绝对式线位移光栅尺虚拟增量式码道构造方法和解码方法
技术领域：
本发明属于光学计量领域，涉及一种单码道绝对式线位移光栅尺虚拟增量式码道构造方法和解码方法。
背景技术：
单码道绝对式线位移光栅尺是一种属于国际先进水平的光栅尺，用于高档精密机床。在国际上仅有德国、美国、日本等少数国家掌握该技术。由于技术保密原因，国内尚无同类产品，仍处于研发阶段。目前单码道绝对式线位移光栅尺的读数基于绝对码道的视频信号。这种方法存在两个基本问题:一是不能做细分处理，影响光栅尺的精度；二是抗干扰能力较差。换言之，光栅尺必须具有高质量的绝对式码道，否则容易产生读数错误。解决上述问题的基本方法是在绝对式线位移光栅尺上加刻一条物理增量式码道，使光栅尺成为双码道绝对式线位移光栅尺。但两条物理码道必须对准，这对加工工艺具有很高的要求，增加了光栅尺的制造成本。虚拟增量式码道技术为解决单码道绝对式线位移光栅尺读数问题提供了另一种途径。它与增加物理增量式码道技术的不同之处在于:它通过信号处理方法合成一条虚拟的增量式码道，用于代替物理增量式码道。目前尚无虚拟增量式码道技术的报道。
发明内容
针对上述绝对式线位移光栅尺的技术问题，本发明提出了一种单码道绝对式线位移光栅尺虚拟增量式码道构造方法和解码方法，通过信号处理方法合成一条虚拟的增量式码道，用于代替物理增量式码道，该方法大大降低了读数错误。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:一种单码道绝对式线位移光栅尺的虚拟增量式码道的构造方法，所述虚拟增量式码道为从绝对式码道接收到绝对位置信号后用该信号生成一串脉冲而组成的信号，所述一串脉冲中的每个脉冲是读数头经过一个栅距时所产生的，其宽度与光栅尺的一个栅距相对应；将线型CXD像素分为两大组，每个大组分为L个小组，每个小组的线视场为光栅尺的二分之一栅距，两个大组中的2L个小组交替设置；当读数头在绝对式码道上运行时，每经过一个栅距，所述像素小组中至少有两个小组各自经过光栅尺上的一条刻线从而产生一个脉冲，将这些脉冲取平均值后即得虚拟增量式码道的输出。作为本发明的优选实施例，当读数头移动时，每个小组的输出电平为Ink(t)，其中，n=l，2，k=l，2，...，L，当 Ink对应字符“O”时，输出低电平，当Ink对应刻线时，输出高电平，所述虚拟增量式码道输出的信号为:A(Z) = —X,.,:( ) —,0)，= ~Σλ.:(/: (Λ) -/()i
其中，J1(Z) M I2W相差半个栅距，分别为两个大组的输出，10为C⑶一个小组像素通过字符“O”时的输出电平，N为CCD视场内刻线的个数。一种单码道绝对式线位移光栅尺的虚拟增量式码道的解码方法，首先确定上电时读数头的起始位置，然后，检测虚拟增量式码道的极大值点和细分点，如果检测到的是极大值点，根据读数头右移或左移给前一个解码值加I或减1，作为新的解码值；如果检测到的是细分点，给当前解码值加或减细分值，作为新的解码值，最后输出解码值，其中所述细分点包括二分点和四分点，二分点指一个栅距的中点，四分点指一个栅距四等分的点，所述细分值指当前细分点和与其相邻的前一个虚拟增量式码道极大值点之间的距离。作为本发明的优选实施例，用虚拟增量式码道输出信号脉冲的极小值点检测二分
点，用T1 (/) - Un的过零点检测四分点，过零点指信号脉冲与横坐标相交的点。作为本发明的优选实施例，所述上电时读数头起始位置按照以下方法确定:(5.1)令读数头从当前位置开始向前或向后移动，检测信号Z1或/2的极大值点，如果检测到极大值点，则转入步骤(5.2)；(5.2)当读数头经过一个栅距时，对两端I11和输出电平做二值化处理，结果O或I作为读取的字符分别计入字符数组A和B ;(5.3)当数组A和B的长度与绝对编码的字符串码字长度相同时，读数头停止运动，对A和B进行绝对解码；(5.4)若A和B的绝对解码值相差给定长度，转到(5.5);否则转到(5.1)重复上述步骤，直至A和B的绝对解码值相差给定长度为止；(5.5)细分处理，将t=0到J1Ii J2的第一个极大值点的虚拟码道波形作细分处理，
由A或B得到的绝对解码值加或减细分值作为读数头起始位置值输出。与现有技术相比，本发明至少具有以下优点:本发明虚拟增量式码道是利用从单码道绝对式线位移光栅尺的绝对式码道上获取的信息，通过信号处理方法产生的一串脉冲组成的信号，每个脉冲是读数头经过一个栅距时所产生的，它的宽度与光栅尺的栅距对应，所以可实现细分处理，同时，本发明虚拟增量式码道是多个脉冲的平均，因而大大降低了由于个别刻线受到污染而产生的读数错误的概率。
图1是本发明线型CXD (或CMOS)像素分组与虚拟增量式码道构造示意图，其中，其中CXD中的小方格表示一组像素，光栅尺上的黑色长方形表示一条刻线。
具体实施例方式虚拟增量式码道是利用从单码道绝对式线位移光栅尺的绝对式码道上获取的信息，通过信号处理方法产生的一串脉冲组成的信号。它主要用于单码道绝对式线位移光栅尺的设计制造，用以代替物理增量式码道，实现单码道绝对式线位移光栅尺的细分处理，同时提供一种新的读数与解码方法，克服光栅尺读数容易出错的不足，提高了可靠性。目前，单码道绝对式线位移光栅尺的读数基于CXD (或CMOS)输出的视频信号，通过二值化处理获取绝对式编码。由于处理的信号是二值数字信号，因而无法细分。此外，视频信号易受噪声、光栅尺制造工艺的影响。对于精度达微米级的高精度线位移光栅尺来说，常常出现读数错误。而虚拟增量式码道是脉冲组成的信号(模拟或多比特量化的信号)，每个脉冲是读数头经过一个栅距时所产生的，它的宽度与光栅尺的栅距对应，所以可实现细分处理。而且每个脉冲是从绝对式码道检测到的多个脉冲的平均，理论上这种平均就是均值滤波，它使脉冲趋于期望的波形，可减小噪声以及个别刻线受污染的干扰。因此，相比CCD(或CMOS)输出的视频信号而言，基于虚拟增量式码道的读数方法具有更高的抗噪能力。目前，人们解决单码道绝对式线位移光栅尺细分问题的方法是在光栅尺上增加一条物理增量式码道。比较而言，使用虚拟增量式码道技术的绝对式线位移光栅尺只需要一条物理绝对式码道，取消了物理增量式码道，因而降低了光栅尺的生产成本。下面结合附图对本发明方法做进一步详细阐述:1、虚拟增量式码道构造方法将线型CXD (或CMOS)的像素分为两大组，每个组又分为L个小组，每小组的线视场(即可视范围)为一个栅距的1/2，如图1所示。假设每一小组像素在运动中输出电平为I^t)，n=l，2，k=l，2,...,1,并且当Ink对应字符‘0’时输出低电平I。；对应刻线，即经过字符‘I’时输出较高电平。再假定CXD视场内有N个字符‘I’。在绝对编码满足均匀性条件时，N>1，但在光栅尺的不同位置N可能不同。于是定义信号
权利要求
1.一种单码道绝对式线位移光栅尺虚拟增量式码道构造方法，其特征在于:所述虚拟增量式码道为从绝对式码道接收到绝对位置信号后用该信号生成一串脉冲而组成的信号，所述一串脉冲中的每个脉冲是读数头经过一个栅距时所产生的，其宽度与光栅尺的一个栅距相对应；将线型CCD像素分为两大组，每个大组分为L个小组，每个小组的线视场为光栅尺的二分之一栅距，两个大组中的2L个小组交替设置；当读数头在绝对式码道上运行时，每经过一个栅距，所述像素小组中至少有两个小组各自经过光栅尺上的一条刻线从而产生一个脉冲，将这些脉冲取平均值后即得虚拟增量式码道的输出。
2.如权利要求1所述的构造方法，其特征在于:当读数头移动时，每个小组的输出电平为Ink⑴，其中，n=l，2，k=l，2，...，L，当Inl^应字符“O”时，输出低电平，当Ink对应刻线时，输出高电平，所述虚拟增量式码道输出的信号为:
3.一种基于权利要求1所述的单码道绝对式线位移光栅尺虚拟增量式码道的解码方法，其特征在于，首先确定上电时读数头的起始位置，然后，检测虚拟增量式码道的极大值点和细分点，如果检测到的是极大值点，根据读数头右移或左移给前一个解码值加I或减1，作为新的解码值；如果检测到的是细分点，给当前解码值加或减细分值，作为新的解码值，最后输出解码值，其中所述细分点包括二分点和四分点，二分点指一个栅距的中点，四分点指一个栅距四等分的点，所述细分值指当前细分点和与其相邻的前一个虚拟增量式码道极大值点之间的距离。
4.如权利要求3所述的解码方法，其特征在于，用虚拟增量式码道输出信号脉冲的极小值点检测二分点，用/:(/) ⑴的过零点检测四分点，过零点指信号脉冲与横坐标相交的点。
5.如权利要求3所述的解码方法，其特征在于:上电时读数头起始位置按照以下方法确定: (5.1)令读数头从当前位置开始向前或向后移动，检测信号1；或/2的极大值点，如果检测到极大值点，则转入步骤(5.2)； (5.2)当读数头经过一个栅距时，对两端I11和1%输出电平做二值化处理，结果O或I作为读取的字符分别计入字符数组A和B ; (5.3)当数组A和B的长度与绝对编码的码字长度相同时，读数头停止运动，对A和B进行绝对解码； (5.4)若A和B的绝对解码值相差给定长度，转到(5.5);否则转到(5.1)重复上述步骤，直至A和B的绝对解码值相差给定长度为止； (5.5)细分处理，将t=0到的第一个极大值点的虚拟码道波形作细分处理，由A或B得到的绝对解码值加或减细分值作为读数头起始位置值输出。
全文摘要
一种单码道绝对式线位移光栅尺虚拟增量式码道构造方法和解码方法。所述虚拟增量式码道是利用从绝对式码道接收到的信号生成的一串脉冲组成的信号，所述一串脉冲中的每个脉冲是读数头经过一个栅距时所产生的，其宽度与光栅尺的栅距相对应。本发明基于虚拟增量式码道的解码方法大大降低了由于光栅尺刻线受污染而产生的读数错误的概率，并且可实现细分处理。
文档编号G01D5/347GK103148876SQ20131006135
公开日2013年6月12日 申请日期2013年2月27日 优先权日2013年2月27日
发明者刘峰, 彭济根, 刘红忠 申请人:西安交通大学