一种高精密光栅尺快速测量装置制造方法
【专利摘要】本实用新型是一种高精密光栅尺快速测量装置，包括有CMOS/CCD传感器阵列、光学放大系统、平行光光源、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。本实用新型双码道光栅尺的绝对编码通过光学放大系统放大并成像到CMOS/CCD传感器阵列上，在快门速度足够快的条件下，由FPGA驱动单元有序逐个驱动CMOS/CCD传感器阵列来快速采集并获得图像，通过图像中的绝对编码得出一个绝对位置距离，并通过增量码来获得一个带误差的增量距离，最终，综合两个测量距离获得一个高精度的位置信息。本实用新型设计合理，方便实用，操作简单，测量精度高。
【专利说明】一种高精密光栅尺快速测量装置
【技术领域】
[0001]本实用新型是一种高精密光栅尺快速测量装置，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，属于高精密光栅尺快速测量装置的创新技术。
【背景技术】
[0002]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CM0S/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。
[0003]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闻等缺点。
【发明内容】
[0004]本实用新型的目的在于考虑上述问题而提供一种实现准确的位移测量的高精密光栅尺快速测量装置。本实用新型设计合理，方便实用，操作简单，测量精度高。
[0005]本实用新型的技术方案是:本实用新型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CM0S/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，CM0S/CCD传感器阵列呈条带状安装在CM0S/C⑶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CM0S/CCD传感器固定板的顶面，FPGA驱动模块与CM0S/CCD传感器阵列连接及与DSP数据处理单元连接。
[0006]本实用新型包括有双码道的绝对式光栅尺、指示光栅尺、光学放大系统、平行光光源、用于采集图像的呈条带状分布的CM0S/CXD阵列单元、对射传感器、FPGA驱动单元、DSP处理单元、运动校正补偿单元的结构。本实用新型双码道的绝对光栅尺中的绝对编码通过光学放大系统放大并成像到CM0S/CCD传感器阵列上，在快门速度足够快的条件下，由FPGA驱动单元有序逐个驱动CM0S/C⑶传感器阵列来快速采集并获得图像，通过图像中的绝对编码得出一个绝对位置距离，并通过增量码获得一个带误差的增量距离，综合两个测量距离获得一个高精度的位置信息。另外，本实用新型的运动校正补偿单元采用包括有陀螺仪传感器及压电陶瓷片组的结构，利用陀螺仪传感器来获得机构工作在运行状态下的振动角度和加速度，并实时驱动压电陶瓷片组来产生反向补偿运动，使得CMOS/C⑶阵列进入光学结构的有效景深范围内。本实用新型是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的高精密光栅尺快速测量装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1为本实用新型的快速读码和防振装置的构件组图；
[0008]图2为本实用新型的校正补偿模块的等轴视图；
[0009]图3为本实用新型的校正补偿模块的等轴视图(去掉上面板)；
[0010]图4为本实用新型的校正补偿模块的前视图；
[0011]图5为本实用新型的校正补偿模块的左视图。
【具体实施方式】
[0012]实施例:
[0013]本实用新型的结构示意图如图1所示，本实用新型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CM0S/C⑶传感器阵列1、2、3、4、光学放大系统5、平行光光源6、用于测量位移的带有绝对式编码7和增量式编码8的绝对式光栅尺9、指示光栅尺10、对射传感器11、FPGA驱动单元12、DSP数据处理单元13、校正补偿单元14，其中光学放大系统5置于绝对式光栅尺9的双码道条纹的上方，平行光光源6置于绝对式光栅尺9的下方，指示光栅尺10置于绝对式光栅尺9的增量式编码8的上方，对射传感器11装设在指示光栅尺10的上方，CM0S/CXD传感器阵列I?4呈条带状安装在CM0S/CXD传感器固定板15的底面，并置于光学放大系统5的放大图像信息的位置上，校正补偿单元16固装在CM0S/CCD传感器固定板15的顶面，FPGA驱动模块12与CM0S/CCD传感器阵列I?4连接，有序地逐个驱动CM0S/C⑶传感器阵列I?4来采集四路光形成四幅图像，校正补偿单元16检测振动情况并产生反向补偿运动，绝对式光栅尺9的绝对式编码7通过光学放大系统5放大并成像在CM0S/CCD传感器阵列I?4上，利用对射传感器11来采集绝对式光栅尺9的增量式编码8在指示光栅尺10作用下产生的条纹计数，FPGA驱动模块12与DSP数据处理单元13连接。上述FPGA驱动模块12驱动上述呈条带状的CM0S/CXD传感器阵列采集图像，驱动的方式是有序逐个的驱动，实现“加特林”机枪式的快拍。
[0014]本实施例中，上述对射传感器11为红外光电对管或其他对射传感器。
[0015]本实施例中，上述校正补偿单元16包括有利用陀螺仪传感器17及压电陶瓷片组18?21，陀螺仪传感器17安装在CM0S/CCD传感器固定板15顶面的几何中心，压电陶瓷片组18?21呈对称布置于陀螺仪传感器17的四周，位于补偿机构上面板27与CM0S/CXD传感器固定板15之间，校正补偿单元16利用陀螺仪传感器17来检测振动情况，实时检测运动过程中的CM0S/CCD传感器阵列I?4的振动扭动角、变化频率及机构加速度，通过压电陶瓷片组18?21来产生反向补偿运动，利用压电陶瓷片的性质，根据上述的扭动角，驱动压电陶瓷片产生相应的跳动运动来补偿机构的振动，使得在跳动过程中CM0S/C⑶传感器阵列I?4进入有效的景深范围内来获得清晰的图像。
[0016]本实施例中，上述补偿机构上面板27及CM0S/CCD传感器固定板15对角线的的四个位置分别套装在四个导轨上，补偿机构上面板27及CM0S/CCD传感器固定板15能沿着四个导轨上下移动，另外，四个导轨上分别装设有弹簧23?26，通过弹簧23?26来限制移动范围和消振。
[0017]本实施例中，上述CM0S/CXD传感器阵列I?4呈对称布置于CM0S/CXD阵列固定板15的下表面。
[0018]本实施例中，高精密光栅尺快速测量装置还设有机械减振单元22，机械减振单元22是安装于高精密光栅尺快速测量装置底面的柔性减振单元，包括有弹簧机构及填充在弹簧机构周围的柔性材料。此外，上述的机械减振单元22也可以安装于高精密光栅尺快速测量装置的其他地方，或安装于机床或者其他地方，即机械减振单元22是整个检测系统的机械减振机构。
[0019]本实施例中，上述绝对式光栅尺的编码方式是使用明条纹代表“1”，暗条纹代表“O”的明暗条纹进行编码。
[0020]本实施例中，上述绝对式光栅尺9的绝对式编码7采用二进制伪随机序列码，每一个绝对码唯一标志光栅尺的一个绝对位置，绝对式光栅尺9的增量式编码8是明暗相间的“01”序列码，两种码的码宽相同，且上下绝对对齐。
[0021 ] 本实施例中，上述CM0S/CXD传感器阵列I?4呈条带状分布，每个CM0S/CXD传感器阵列单元的中心到绝对式光栅尺9的绝对式编码7的正中间的高度一致，每个单元彼此绝对并排。
[0022]本实施例中，上述利用FPGA驱动模块来驱动上述呈条带状的CM0S/CXD传感器阵列采集图像，驱动的方式是有序逐个的驱动，实现“加特林”机枪式的快拍。
[0023]本实用新型高精密光栅尺快速测量装置的测量方法是结合增量码和绝对码来获得准确的位置信息，其中，通过红外光电对管或其他对射传感器来获取双码道的光栅尺的增量码和指示光栅形成的条纹的位置信息，利用CM0S/CCD阵列采集的绝对码图像来获得较准确的位置信息。
【权利要求】
1.一种高精密光栅尺快速测量装置，其特征在于包括有用于采集绝对光栅条纹和增量条纹的CMOS/C⑶传感器阵列(I?4)、光学放大系统(5)、平行光光源(6)、用于测量位移的带有绝对式编码(7)和增量式编码(8)的绝对式光栅尺(9)、指示光栅尺(10)、对射传感器(11)、？?64驱动单元(12)、03?数据处理单元(13)、校正补偿单元(14)，其中光学放大系统(5 )置于绝对式光栅尺(9 )的双码道条纹的上方，平行光光源(6 )置于绝对式光栅尺(9 )的下方，指示光栅尺(10)置于绝对式光栅尺(9)的增量式编码(8)的上方，对射传感器(11)装设在指示光栅尺(10)的上方，CMOS/CXD传感器阵列(I?4)呈条带状安装在CMOS/CXD传感器固定板(15)的底面，并置于光学放大系统(5)的放大图像信息的位置上，校正补偿单元(16)固装在CMOS/CXD传感器固定板(15)的顶面，FPGA驱动模块(12)与CMOS/CXD传感器阵列(I?4)连接及与DSP数据处理单元(13)连接。
2.根据权利要求1所述的高精密光栅尺快速测量装置，其特征在于高精密光栅尺快速测量装置还设有机械减振单元(22)，机械减振单元(22)是安装于高精密光栅尺快速测量装置底面的柔性减振单元，包括有弹簧机构及填充在弹簧机构周围的柔性材料。
3.根据权利要求1所述的高精密光栅尺快速测量装置，其特征在于上述对射传感器(11)为红外光电对管。
4.根据权利要求1所述的高精密光栅尺快速测量装置，其特征在于上述校正补偿单元(16)包括有利用陀螺仪传感器(17)及压电陶瓷片组(18?21)，陀螺仪传感器(17)安装在CMOS/C⑶传感器固定板(15)顶面的几何中心，压电陶瓷片组(18?21)呈对称布置于陀螺仪传感器(17)的四周，位于补偿机构上面板(27)与CMOS/C⑶传感器固定板(15)之间，补偿机构上面板(27)及CMOS/C⑶传感器固定板(15)能上下移动。
5.根据权利要求1所述的高精密光栅尺快速测量装置，其特征在于上述补偿机构上面板(27 )及CMOS/CCD传感器固定板(15 )对角线上的四个位置分别套装在四个导轨上，补偿机构上面板(27)及CMOS/CCD传感器固定板(15)能沿着四个导轨上下移动，四个导轨上装设有分别装设有用于限制移动范围和消振的弹簧(23?26)。
6.根据权利要求1所述的高精密光栅尺快速测量装置，其特征在于上述CMOS/CCD传感器阵列(I?4)呈对称布置于CMOS/C⑶阵列固定板(15)的下表面。
7.根据权利要求1至6任一项所述的高精密光栅尺快速测量装置，其特征在于上述CMOS/CCD传感器阵列(I?4)呈条带状分布，每个CMOS/CCD传感器阵列单元的中心到绝对式光栅尺(9)的绝对式编码(7)的正中间的高度一致，每个单元彼此绝对并排。
【文档编号】G01B11/02GK203964869SQ201420212991
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年4月28日 优先权日:2014年4月28日
【发明者】陈新度, 王志锋, 陈新, 王晗, 吴志雄 申请人:广东工业大学