一种判断光栅尺参考点绝对位置的装置及方法与流程

本发明涉及光栅尺领域，尤其涉及一种判断光栅尺参考点绝对位置的装置及方法。

背景技术：

光栅尺是精密测量、精密加工中的重要测量工具，光栅作为光栅尺的关键部件，在测量中起参考刻度的作用。其中透射式光栅一般用于莫尔条纹光栅尺，反射式光栅可用于干涉式光栅尺，干涉式光栅尺的光栅制作成本更低，且激光干涉法的测量精度高于莫尔条纹法，因此激光干涉法广泛应用于光栅尺。

干涉式光栅尺在工作光栅匀速移动时输出正弦电信号，通过信号处理可以获知光栅的增量位移，故称为增量式光栅尺；其需要配合一个或是一系列经过绝对位置标定的参考点，才能将增量位移与绝对位置结合起来，从而输出光栅的绝对位移；因此参考点的标定和检测精度直接决定了光栅尺的正确度，与增量光栅分辨力一同决定光栅尺的精度。参考点的绝对位置标定同样依赖于对参考点位置的检测；另一方面，在探测到参考点的同时，还需要读取标定给出的所测参考点的绝对位置信息。

现有的方案中，采用干涉式光栅尺对参考点的绝对位置进行判定时，需要移动光栅尺的距离较长，耗时较长，且判断需要借助光栅尺给出的位移量，对参考点的检测精度和光栅尺精度的要求很高，故容易受到误差的干扰。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提出一种判断光栅尺参考点绝对位置的装置及方法，简化了判断流程，缩短了判断所需时间和位移，从而避免了光栅尺增量位移误差和参考点检测误差的干扰，提高了参考点绝对位置判断的可靠性。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明公开了一种判断光栅尺参考点绝对位置的装置，包括光源、分束镜、参考点掩膜、参考点编码带、光电探测器和信号处理计算机，其中：

所述光源发出的光束入射到所述分束镜并经过所述分束镜反射后，穿过所述参考点掩膜的透光区域照射到所述参考点编码带后，被所述参考点编码带的反射区域反射后再穿过所述参考点掩膜的透光区域并透过所述分束镜照射到所述光电探测器上，所述光电探测器将采集到的信号发送给所述信号处理计算机；

所述参考点掩膜包括多个宽度相等的第一矩形块，多个所述第一矩形块沿其自身的宽度方向等间距排列；所述参考点编码带包括多组参考点组，每组所述参考点组包括两个参考点编码区，每个所述参考点编码区包括多个宽度相等的第二矩形块，多个所述第二矩形块沿其自身的宽度方向等间距排列，两个所述参考点编码区沿着所述第二矩形块的宽度方向间隔排列，多组所述参考点组沿着所述第二矩形块的宽度方向等间距排列，且所述第一矩形块和所述第二矩形块均能够吸收或反射光线。

优选地，所述光源采用激光二极管，所述光电探测器采用光电二极管。

优选地，所述分束镜为透射率为50％的半透半反射镜。

优选地，所述参考点掩膜与所述参考点编码带平行设置，二者之间的间距为1～2mm。

优选地，所述参考点掩膜和所述参考点编码区的编码方式相同。

优选地，所述第一矩形块和所述第二矩形块的宽度相等。

优选地，两个所述参考点编码区之间的间距小于相邻两组所述参考点组之间的间距。

优选地，两个所述参考点编码区之间的间距小于所述参考点编码区沿着所述第二矩形块宽度方向的总长度。

本发明还公开了一种采用上述装置来判断光栅尺参考点绝对位置的方法，包括以下步骤：

S1：对所述参考点编码带上的多组所述参考点组分别进行测量，其中第k组所述参考点组的绝对位置标记为Sk，并将各组所述参考点组的绝对位置存储在所述信号处理计算机中；

S2：建立第k组所述参考点组的两个所述参考点编码区之间的间距的表达式：dk＝D+nke，其中D为所述参考点编码区沿着所述第二矩形块宽度方向的总长度和两个所述参考点编码区之间的间距之和，n为每个所述参考点编码区包含的所述第二矩形块的数量，e为采用自相关法测得的两个所述参考点编码区之间的间距的最大检测误差，e<<L；

S3：通过将所述参考点编码带相对所述参考点掩膜匀速平移，所述光电探测器获得I-SR光电信号，对该I-SR光电信号进行自相关运算得到所述参考点组的自相关曲线，识别所述自相关曲线中的中央主峰两侧的副峰值点，计算两个副峰值点之间的间距，该间距的一半为dk；

S4：根据表达式dk＝D+nke及步骤S3计算得到的dk求得k值，取求得的k值的最近整数为k，再从所述信号处理计算机中调用第k组所述参考点组的绝对位置Sk。

优选地，步骤S1中采用激光干涉法对所述参考点编码上的多组所述参考点组分别进行测量。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的判断光栅尺参考点绝对位置的装置及方法将两个紧邻的参考点编码区作为一组参考点组，只需要探测一组参考点组，根据其产生的双脉冲光电信号，并使用自相关即可准确获知该参考点组中的两个参考点编码区之间的间距，并根据该间距能够推断出这组参考点组所处的绝对位置；通过该装置和方法简化了判断流程，缩短了判断所需时间和位移，从而避免了光栅尺增量位移误差和参考点检测误差的干扰，提高了参考点绝对位置判断的可靠性。

附图说明

图1是本发明优选实施例的判断光栅尺参考点绝对位置的装置的结构示意图；

图2是通过图1中的光电探测器采集到的光电信号；

图3是根据图2的光电信号进行自相关运算得到参考点组的自相关曲线。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明优选实施例的判断光栅尺参考点绝对位置的装置包括光源10、分束镜20、参考点掩膜30、参考点编码带40、光电探测器50和信号处理计算机60，其中光源10发出的光束入射到分束镜20并经过分束镜20反射后，穿过参考点掩膜30的透光区域照射到参考点编码带40后，被参考点编码带40的反射区域反射后再穿过参考点掩膜30的透光区域并透过分束镜20照射到光电探测器50上，光电探测器50将采集到的光电信号发送给信号处理计算机60。

参考点掩膜30包括多个宽度相等的第一矩形块，多个第一矩形块沿其自身的宽度方向等间距排列；参考点编码带40包括多组参考点组41，每组参考点组包括两个参考点编码区411，每个参考点编码区411包括多个宽度相等的第二矩形块，多个第二矩形块沿其自身的宽度方向等间距排列，两个参考点编码区411沿着第二矩形块的宽度方向间隔排列，多组参考点组41沿着第二矩形块的宽度方向等间距排列，且第一矩形块和第二矩形块均能够吸收或反射光线。

在一些实施例中，光源10采用激光二极管，光电探测器50采用光电二极管；分束镜20相对于光束呈45°进行安装，且该分束镜20为透射率为50％的半透半反射镜，能够获取最大光强，且此时分束镜20的各光学面的工作带宽能够涵盖光源10的光波波段。

参考点掩膜30和参考点编码区411的编码方式相同，第一矩形块和第二矩形块的宽度相等。参考点掩膜30与参考点编码带40平行设置，二者之间的间距为1～2mm，能够最大限度减小参考点编码区和参考点掩膜的狭缝衍射效应所带来的干扰。两个参考点编码区411之间的间距小于相邻两组参考点组41之间的间距；且两个参考点编码区411之间的间距小于参考点编码区411沿着第二矩形块宽度方向的总长度。在本实施例中，两个参考点编码区411之间的间距为参考点编码区411沿着第二矩形块宽度方向的总长度的1/3，例如在图1中考点编码区411沿着第二矩形块宽度方向的总长度为0.75D，而两个参考点编码区411之间的间距为0.25D，两者之和为D。

其中在该装置中，参考点编码带40能够沿着其长度方向作相对平移运动，当参考点编码带40相对参考点掩膜30匀速平移时，光电探测器50采集到的光电信号呈现出两个形态一致的、紧邻的、间距一定的脉冲信号，该脉冲尖端的间距即等于参考点组的两个参考点编码区之间的间距。

下列结合图1的装置来详细说明判断光栅尺参考点绝对位置的方法。

S1：对参考点编码带40上的多组参考点组41分别进行测量，其中第k组参考点组41的绝对位置标记为Sk，并将各组参考点组41的绝对位置存储在信号处理计算机60中；在本实施例中，采用激光干涉法对参考点编码40上的多组所述参考点组41分别进行测量；

S2：建立第k组参考点组41的两个参考点编码区411之间的间距的表达式：dk＝D+nke，其中D为参考点编码区41沿着第二矩形块宽度方向的总长度和两个参考点编码区41之间的间距之和，n为每个参考点编码区411包含的第二矩形块的数量，e为采用自相关法测得的两个参考点编码区411之间的间距的最大检测误差，e<<L；在本实施例中，每个参考点编码区包含的3个第二矩形块的数量，因此有dk＝D+3ke，也即k＝(dk-D)/3e；

S3：通过将参考点编码带40相对参考点掩膜30匀速平移，光电探测器50获得I-SR光电信号如图2所示，对该I-SR光电信号进行自相关运算得到参考点组41的自相关曲线如图3所示，识别自相关曲线中的中央主峰两侧的副峰值点，计算两个副峰值点之间的间距，该间距的一半为dk；

S4：根据表达式k＝(dk-D)/3e及步骤S3计算得到的dk求得k值，取k值的最近整数，再从信号处理计算机60中调用第k组参考点组41的绝对位置Sk。

通过该判断光栅尺参考点绝对位置的方法，能够快速、可靠地获知参考点编码区的绝对位置。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。