本发明涉及编码器技术领域，具体涉及一种旋转光栅编码器测量装置及旋转位移测量方法。
背景技术：
旋转编码器从出现到现在一直是测量研究的热点。用于测量的旋转编码器一般分为增量式和绝对式，两种方式各有各的优缺点。两种方式如何有效的结合一直是编码器领域有关专家学者致力解决的问题。另外传统的旋转编码器测量系统通常采用机械细分来提高测量精度，但是机械细分在应用上有一定的局限性，因为这些方法普遍对成像光源等光学系统要求较高，制造工艺复杂，而且抗干扰能力较弱，不适合长期，连续，无间断的高精度测量。传统细分方法所采用的设备在操作上比较繁琐，结构也复杂。但是随着图像处理技术的发展，微处理器与cmos高速图像采集传感器等技术开始应用于旋转编码器的测量系统中来，因为其灵活性好，稳定性高和升级更新速度快，所以旋转编码器测量系统逐渐采用微处理器与cmos高速图像采集传感器等技术代替传统方法，进而提高测量精度。总的来说，编码器的高精度、高分辨率、小型化、智能化是光电编码器的发展趋势，也是目前光电编码器技术发展的热点。
技术实现要素：
本发明目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种旋转光栅编码器测量装置，通过宏微复合和内外圈码道的方式很大程度上减少了体积，又提高了精度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种旋转光栅编码器测量装置，包括由主轴驱动旋转的反射式光栅码盘和中央处理模块，反射式光栅码盘的内圈设有增量码道、外圈设有绝对码道；反射式光栅码盘内圈内设有内平行光束模块、内光学放大模块和内高速图像采集模块，所述内平行光束模块发出内平行光束照射在增量码道上，增量码道将内平行光束反射后经内光学放大模块到达内高速图像采集模块；反射式光栅码盘外设有外平行光束模块、外光学放大模块和外高速图像采集模块，所述外平行光束模块发出外平行光束后照射在绝对码道上，绝对码道将外平行光束反射后经外光学放大模块到达外高速图像采集模块；内高速图像采集模块和外高速图像采集模块均包括高速图像采集镜头，内高速图像采集模块和外高速图像采集模块将采集到的图像输送至中央处理模块；中央处理模块通过对含有绝对码道和增量码道的图像进行解码和运算后得到旋转位移。
由上可知，本发明装置工作原理为：所述内平行光束模块发出内平行光束照射在增量码道上，增量码道将内平行光束反射后经内光学放大模块到达内高速图像采集模块，所述外平行光束模块发出外平行光束后照射在绝对码道上，绝对码道将外平行光束反射后经外光学放大模块到达外高速图像采集模块；内高速图像采集模块和外高速图像采集模块将采集到的两幅图像传输给中央处理模块进行数据处理，对得到的绝对码道与零位码道之间的图像解码出一个旋转编码器的绝对位置，并对零位码道进行计数统计旋转圈数，对得到的增量码道图像进行处理解码得到一个细分的增量距离，通过处理换算将这两个距离相加最终得到一个高精度的旋转位移，再经过高速运算得出高精度的，实现高精密级的测量。本发明通过宏微复合和内外圈码道的方式实现高精密级的测量，结构简单很大程度上减少了编码器的轴向体积尺寸，很适合应用于高精密的旋转角度测量领域中。
作为本发明的一种改进，所述内平行光束模块包括内光源和内准直镜，所述外平行光束模块包括外光源和外准直镜。
作为本发明的一种改进，所述反射式光栅码盘的增量码道采用明暗条纹相间的编码方式，所述绝对码道采用二进制伪随机序列码的编码方式，而且绝对码道上设有一个固定零位码道。
进一步地，所述反射式光栅码盘最外圈半径m由二进制伪随机序列码的周期t和条码宽度x决定，具体为：m＝(t*x)/2π。
进一步地，所述中央处理模块为fpga。
本发明还提供一种旋转位移测量方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种利用上述旋转光栅编码器测量装置的旋转位移测量方法，包括以下步骤：
利用内平行光束照射在增量码道上，增量码道将内平行光束反射后经内光学放大模块到达内高速图像采集模块；
利用外平行光束后照射在绝对码道上，绝对码道将外平行光束反射后经外光学放大模块到达外高速图像采集模块；
将内高速图像采集模块和外高速图像采集模块将采集到的图像输送至中央处理模块；
利用中央处理模块通过对含有绝对码道和增量码道的图像进行解码和运算后得到旋转位移。
作为本发明的一种改进，所述步骤“中央处理模块通过对含有绝对码道和增量码道的图像进行解码和运算后得到旋转位移”的具体过程包括以下子步骤：
中央处理模块根据所获取的绝对码道图像得到离外高速图像采集模块的高速图像采集镜头中心最近的绝对条码n；
计算获得绝对条码n左端到绝对码道的固定零位码道点左端的距离a；
中央处理模块根据绝对码道的每个条码与增量码道的每个条码完全对齐的原则判断出此时与绝对条码n位置相对应的增量条码n1；
中央处理模块根据所获取的增量码道图像得到离内高速图像采集模块的高速图像采集镜头中心最近的的增量条码n2；
计算得到增量条码n1左端到内高速图像采集模块的高速图像采集镜头中心的距离b为：b＝(n+1)*x1，x1为增量码道的条码码宽；
计算得到为增量条码n2左端到内高速图像采集模块的高速图像采集镜头中心的距离c；
最后得到高精度的旋转位移值m为：m＝a+b+c。
作为本发明的一种改进，所述步骤“计算得到为增量条码n2左端到内高速图像采集模块的高速图像采集镜头中心的距离c；”具体过程包括以下子步骤：
通过图像处理技术，中央处理模块得到此时内高速图像采集模块的高速图像采集镜头中心位于列像素z位置，增量条码n2左端位于列像素的z1位置；
获得z位置与z1位置之间的列像素数量为u；
增量条码n2左端到内高速图像采集模块的高速图像采集镜头中心的距离：c＝u*(e/p)，其中e为内高速图像采集模块高速图像采集镜头的单元像素之间间隔，p为光学放大模块的放大倍数。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明通过宏微复合和内外圈码道的方式实现高精密级的测量，结构简单很大程度上减少了编码器的轴向体积尺寸，很适合应用于高精密的旋转角度测量领域中。
附图说明
图1为本发明旋转光栅编码器测量装置的示意图；
图2为本发明旋转光栅编码器测量装置绝对码道的示意图；
图3为本发明旋转光栅编码器测量装置增量码道的示意图；
图4(1)和4(2)为本发明中央处理模块解码的示意图；
图5为图4(1)的局部放大图；
图6为本发明高精密的旋转光栅编码器测量方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图对本发明的技术方案作进一步描述说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
请参考图1，一种旋转光栅编码器测量装置，包括由主轴7驱动旋转的反射式光栅码盘61和中央处理模块4，反射式光栅码盘61的内圈设有增量码道63、外圈设有绝对码道62，其中在本实施例中，所述中央处理模块4为fpga；
反射式光栅码盘61内圈内设有内平行光束模块、内光学放大模块32和内高速图像采集模块52，所述内平行光束模块发出内平行光束照射在增量码道63上，增量码道63将内平行光束反射后经内光学放大模块32到达内高速图像采集模块52；
反射式光栅码盘61外设有外平行光束模块、外光学放大模块31和外高速图像采集模块51，所述外平行光束模块发出外平行光束后照射在绝对码道62上，绝对码道62将外平行光束反射后经外光学放大模块31到达外高速图像采集模块51；其中内高速图像采集模块32和外高速图像采集模块31均包括coms高速图像采集镜头；
内高速图像采集模块32和外高速图像采集模块31将采集到的图像输送至中央处理模块4；中央处理模块4通过对含有绝对码道62和增量码道63的图像进行解码和运算后得到旋转位移。
由上可知，本发明装置工作原理为：所述内平行光束模块发出内平行光束照射在增量码道上，增量码道将内平行光束反射后经内光学放大模块到达内高速图像采集模块，所述外平行光束模块发出外平行光束后照射在绝对码道上，绝对码道将外平行光束反射后经外光学放大模块到达外高速图像采集模块；内高速图像采集模块和外高速图像采集模块将采集到的两幅图像传输给中央处理模块进行数据处理，对得到的绝对码道与零位码道之间的图像解码出一个旋转编码器的绝对位置，并对零位码道进行计数统计旋转圈数，对得到的增量码道图像进行处理解码得到一个细分的增量距离，通过处理换算将这两个距离相加最终得到一个高精度的旋转位移，再经过高速运算得出高精度的，实现高精密级的测量。本发明通过宏微复合和内外圈码道的方式实现高精密级的测量，结构简单很大程度上减少了编码器的轴向体积尺寸，很适合应用于高精密的旋转角度测量领域中。
光学放大模块的放大倍数可以按所要求的测量精度的来确定，尽量获得完整清晰的码组，特别是在对绝对码道图像中需要包含固定零位码道的图像，从而精确统计旋转圈数及得到绝对旋转位置。
在本实施例中，所述内平行光束模块包括内光源12和内准直镜22，所述外平行光束模块包括外光源11和外准直镜21。准直镜将光源发出光束转为平行光束后再照射在码道上。
在本实施例中，所述反射式光栅码盘61的增量码道63采用明暗条纹相间的编码方式；所述绝对码道62采用二进制伪随机序列码的编码方式，而且绝对码道上设有一个固定零位码道。
在本实施例中，所述反射式光栅码盘61最外圈半径m由二进制伪随机序列码的周期t和条码宽度x决定，具体为：m＝(t*x)/2π。
具体地，中央处理模块通过对含有绝对码道和增量码道的图像进行解码和运算的思路如下：
如图4(2)，外高速图像采集模块的coms高速图像采集镜头采集到经过外光学放大模块放大后的绝对码道的清晰图像后，中央处理模块根据所获取的图像判断离coms高速图像采集镜头a中心最近的绝对条码，比如图中所示为绝对条码n，由绝对条码n左端到固定零位码道点左端的距离标记为a；此时，内高速图像采集模块的的coms高速图像采集镜头也采集经过内光学放大模块放大后的增量码道的清晰图像后，中央处理模块根据绝对码道的每个条码与增量码道的每个条码完全对齐的原则判断出此时与绝对条码n位置相对应的增量条码，如图4(1)和(2)所示此时在coms高速图像采集镜头b内与绝对条码n位置相对应的增量条码是n1。同时，中央处理模块根据所获取的图像判断离coms高速图像采集镜头b中心最近的增量条码，比如图中n2，然后继续判断增量条码n1到增量条码n2之间的条码数记为n，则图4(1)中的增量条码n1左端与coms高速图像采集镜头b中心的距离b为：b＝(n+1)*x1，x1为增量码道的条码码宽。
接着引入一个精确误差补偿c，c为增量条码n2左端到coms高速图像采集镜头b中心的距离。如图5，通过图像处理技术，使中央处理模块判断出此时coms高速图像采集镜头b中心位于列像素z位置，增量条码n2左端位于列像素的z1位置，z位置与z1位置之间的列像素数量为u，根据前面coms高速图像采集镜头有关参数信息可以得到c的精确值为：c＝u*(e/p)，其中e为内高速图像采集模块的单元像素之间间隔，p为光学放大模块的放大倍数。
综上所述，最后得到了一个高精度的旋转位移值m为：
m＝a+b+c＝a+(n+1)*x1+u*(e/p)
同时,根据外高速图像采集模块的的coms高速图像采集镜头采集固定零位码道的图像，中央处理模块进行精确地计数，得出有效的旋转圈数n。
所以得到高精度的旋转角度α为：α＝360°*n+m/m，m为反射式光栅码盘最外圈半径。
请参考图6，一种利用上述旋转光栅编码器测量装置的旋转位移测量方法，包括以下步骤：
s1.利用内平行光束照射在增量码道上，增量码道将内平行光束反射后经内光学放大模块到达内高速图像采集模块；
s2.利用外平行光束后照射在绝对码道上，绝对码道将外平行光束反射后经外光学放大模块到达外高速图像采集模块；
s3.将内高速图像采集模块和外高速图像采集模块将采集到的图像输送至中央处理模块；
s4.利用中央处理模块通过对含有绝对码道和增量码道的图像进行解码和运算后得到旋转位移，
其具体过程包括以下子步骤为：
s41.中央处理模块根据所获取的绝对码道图像得到离外高速图像采集模块的高速图像采集镜头中心最近的绝对条码n；
s42.计算获得绝对条码n左端到绝对码道的固定零位码道点左端的距离a；
s43.中央处理模块根据绝对码道的每个条码与增量码道的每个条码完全对齐的原则判断出此时与绝对条码n位置相对应的增量条码n1；
s44.中央处理模块根据所获取的增量码道图像得到离内高速图像采集模块的高速图像采集镜头中心最近的的增量条码n2；
s45.计算得到增量条码n1左端到内高速图像采集模块的高速图像采集镜头中心的距离b为：b＝(n+1)*x1，x1为增量码道的条码码宽；
s46.计算得到为增量条码n2左端到内高速图像采集模块的高速图像采集镜头中心的距离c；
s47.最后得到高精度的旋转位移值m为：m＝a+b+c。
在本实施例中，所述步骤s46“计算得到为增量条码n2左端到内高速图像采集模块的高速图像采集镜头中心的距离c；”具体过程包括以下子步骤：
s461.通过图像处理技术，中央处理模块得到此时内高速图像采集模块的高速图像采集镜头中心位于列像素z位置，增量条码n2左端位于列像素的z1位置；
s462.获得z位置与z1位置之间的列像素数量为u；
s463.增量条码n2左端到内高速图像采集模块的高速图像采集镜头中心的距离：c＝u*(e/p)，其中e为内高速图像采集模块高速图像采集镜头的单元像素之间间隔，p为光学放大模块的放大倍数。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。