旋转光栅编码器采集测量装置的制作方法

本发明实施例涉及角度位置测量技术领域，特别是涉及一种旋转光栅编码器采集测量装置。

背景技术：

随着国内外工业自动化技术的迅猛发展，旋转设备的角度位置测量在整个工控领域中非常重要，编码器作为伺服驱动系统位置测量传感器的性能要求也越来越高。

绝对式光电轴角编码器由于具有固定零点，抗干扰能力强，掉电后无须重新标定，无累积误差等优点，在旋转角度测量领域中得到了广泛应用。

相关技术一般采用环状的结构形式来开发新型的绝对式光电轴角编码器，例如旋转光栅编码器，以应用在工控领域对旋转机械角度的测量。但是，旋转光栅编码器在随着被测机械在高速转动过程中，旋转光栅编码器安装在主轴上会存在径向与轴向的不稳定，造成测量误差，导致测量得到被测机械的转动角度精度较低。另外，传统环状绝对式光电轴角编码器要实现小型化就必须以牺牲精度为代价。

技术实现要素：

本公开实施例提供了一种旋转光栅编码器采集测量装置，提高了旋转光栅编码器在高速工作环境中角度测量的精度，在保证旋转光栅编码器测量精度的同时可实现小型化。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：

本发明实施例提供了一种旋转光栅编码器采集测量装置，包括光源模块、图像采集模块、信号处理模块及旋转光栅编码器；

所述光源模块用于出射光线至所述旋转光栅编码器；所述旋转光栅编码器设置在被测机械转轴上，且与所述被测机械同步转动；包括设置在外圆周的主复合码道和码盘的副复合码道，所述主复合码道和所述副复合码道均包括绝对码道和增量码道；

所述图像采集模块与对应的主复合码道和/或副复合码道位于同一平行平面；用于采集所述主复合码道和所述副复合码道反射的光线，并生成主绝对码道图像、主增量码道图像、副绝对码道图像及副增量码道图像；

所述信号处理模块用于根据所述主绝对码道图像及所述主增量码道图像计算主旋转角度值；根据所述副绝对码道图像及所述副增量码道图像计算副旋转角度值；根据主轴窜动情况从所述主旋转角度值和所述副旋转角度值中确定所述被测机械的转动角度值。

可选的，所述光源模块包括一个光源，还包括光线分束模块；

所述光线分束模块用于将所述光源出射的光线均分为四束子光束后，分别投射至所述旋转光栅编码器的主复合码道的绝对码道和增量码道，及副复合码道的绝对码道和增量码道。

可选的，所述光源模块包括第一光源、第二光源、第三光源及第四光源；

所述第一光源出射光线投射至所述旋转光栅编码器的主复合码道的绝对码道；

所述第二光源出射光线投射至所述旋转光栅编码器的主复合码道的增量码道；

所述第三光源出射光线投射至所述旋转光栅编码器的副复合码道的绝对码道；

所述第四光源出射光线投射至所述旋转光栅编码器的副复合码道的增量码道。

可选的，所述图像采集模块包括第一图像采集模块、第二图像采集模块、第三图像采集模块及第四图像采集模块；

所述第一图像采集模块用于采集所述主复合码道的绝对码道反射的光线；

所述第二图像采集模块用于采集所述主复合码道的增量码道反射的光线；

所述第三图像采集模块用于采集所述副复合码道的绝对码道反射的光线；

所述第四图像采集模块用于采集所述副复合码道的增量码道反射的光线。

可选的，还包括光线准直模块；

所述光线准直模块用于将所述光源模块出射的光线准直为平行光束后投射至所述旋转光栅编码器的主复合码道和副复合码道。

可选的，还包括光学放大模块；所述光学放大模块与对应的所述主复合码道、所述副复合码道及所述图像采集模块位于同一平行平面；

所述光学放大模块用于将所述旋转光栅编码器的主复合码道和副复合码道反射的光线进行光学放大后，投射至所述图像采集模块。

可选的，所述信号处理模块根据下述公式计算所述主旋转角度值α主：

α主＝360°*n+m；

m＝a+b+c＝a+(n+1)*x1+u*(e/p)；b＝(n+1)*x1；

式中，x1为所述增量码道的条码码宽，a为目标绝对条码的左端与固定零位码道左端之间的距离，e为所述图像采集模块的单元像素间隔值，p为所述光学放大模块对增量码道图像的放大倍数；n为所述目标绝对条码对应的第一增量条码和第二增量条码之间的条纹总数；所述目标绝对条码为所述绝对码道上与所述图像采集模块的第一镜头中心最近的绝对条码；所述第二增量编码为所述增量码道上与所述图像采集模块的第二镜头中心最近的增量条码；u为所述第二镜头中心所在列像素与所述第二增量编码所在列像素之间包含的列像素数量值。

可选的，所述信号处理模块根据主轴窜动情况从所述主旋转角度值和所述副旋转角度值中确定所述被测机械的转动角度值包括：

获取所述被测机械在t时刻的主旋转角度值α主和副旋转角度值α副；

获取所述被测机械在t-1时刻的主旋转角度值α主'和副旋转角度值α副'；

计算i＝|α主-α主'|-|α副-α副'|；

若i≤0，则输出所述被测机械在t时刻的旋转角度值为α主；

若i＞0，则输出所述被测机械在t时刻的旋转角度值为α副。

可选的，所述信号处理模块为fpga板卡。

可选的，所述图像采集模块为coms图像采集镜头。

本申请提供的技术方案的优点在于，通过不同状态下主副宏微复合码道交替读数的方式克服了相关技术中高速状态下旋转光栅编码器存在径向与轴向的不稳定特性，提高了旋转编码器的抗干扰性能，实现了旋转光栅编码器在高速工作环境中的高精度角度测量；此外，光源模块、图像采集模块及信号处理模块的小尺寸制作工艺难度较小，可实现在保证旋转光栅编码器测量精度的同时减少体积，有利于旋转光栅编码器朝着小型化发展。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或相关技术的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的旋转光栅编码器采集测量装置的一种实施方式下的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的旋转光栅编码器的主复合码道的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的旋转光栅编码器的副复合码道的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的旋转光栅编码器采集测量装置的一种实施方式下的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的图像采集模块采集经放大后图像的示意图；

图6为本发明实施例提供的图5中b镜头的局部放大示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做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。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。

在介绍了本发明实施例的技术方案后，下面详细的说明本申请的各种非限制性实施方式。

首先参见图1，图1为本发明实施例提供的旋转光栅编码器采集测量装置在一种具体实施方式下的结构示意图，本发明实施例可包括以下内容：

旋转光栅编码器采集测量装置可包括光源模块1、图像采集模块2、信号处理模块3及旋转光栅编码器4。

可以理解的是，旋转光栅编码器4为设置在被测机械转轴上，且其与被测机械同步转动。旋转光栅编码器4可为反射式旋转光栅编码器，反射式旋转光栅编码器外圆周码道上分别由增量码道和绝对码道(含零位固定码道)构成，设为主复合码道(如图2所示)，而码盘上的码道也分别由增量码道和绝对码道(含零位固定码道)构成，设为副复合码道(如图3所示)。也就是说，旋转光栅编码器4可包括设置在外圆周的主复合码道和码盘的副复合码道，主复合码道和副复合码道均包括绝对码道和增量码道。

其中，旋转光栅编码器4的编码方式中可采用明暗条纹的进行编码，其中，明条纹所具体对应的是“1”，暗条纹所具体对应的是“0”。旋转光栅编码器4的主副复合码道(主复合码道和副复合码道)的增量码道可使用的是明暗条纹相间的编码方式。绝对码道可使用二进制的伪随机序列码，绝对码道上方还有一个固定零位码道，该固定零位码道用于统计旋转圈数及得到绝对旋转位置。旋转光栅编码器4的主副复合码道的绝对码道的每个条码码宽x与增量码道的条码码宽x1的左端完全对齐。

在本实施例中，光源模块1可用于出射光线至旋转光栅编码器4的主复合码道和副复合码道上，光源模块1可为任何一种出射任何一种波长光线的发光源，本领域技术人员可根据实际需求进行选取。光源模块1中可包含一个发光光源，也可包括多个发光光源。

在一种实施方式中，光源模块1包含一个发光光源，光源模块1中还可包括光线分束模块，光源模块1的发光光源出射的光线经光线分束模块被分为四束子光束，各子光束被分别投射至旋转光栅编码器的主复合码道的绝对码道、主复合码道的增量码道、副复合码道的绝对码道和副复合码道的增量码道上。光线分束模块可为任何一种可实现将一束光线分为多束子光线的光学装置，例如分束镜、分光棱镜等，本申请对此不做任何限定。

在一种实施方式中，光源模块1包含四个发光光源，例如第一光源、第二光源、第三光源及第四光源。第一光源出射光线投射至旋转光栅编码器的主复合码道的绝对码道；第二光源出射光线投射至旋转光栅编码器的主复合码道的增量码道；第三光源出射光线投射至旋转光栅编码器的副复合码道的绝对码道；第四光源出射光线投射至旋转光栅编码器的副复合码道的增量码道。

需要说明的是，光源模块1中的发光光源不足4个时，均需要设置光线分束模块，将光源模块1中的发光源出射的光线经分束后最终以四束光线投射至旋转光栅编码器4上。光线分束模块中包含的分束器件个数可根据光源模块1中包含发光光源个数和分束器件类型确定。

在本实施例中，图像采集模块2可用于采集主复合码道和副复合码道反射的光线，并生成主绝对码道图像、主增量码道图像、副绝对码道图像及副增量码道图像。

为了准确采集反射光线，图像采集模块2与对应的主复合码道和/或副复合码道位于同一平行平面。图像采集模块2可包含一个图像采集镜头，也可包含多个图像采集镜头。当图像采集模块2可包含一个图像采集镜头，该图像采集镜头与主复合码道和副复合码道位于同一平行平面。当图像采集模块2包含多个图像采集镜头，每个图像采集模块与其对应的主复合码道或副复合码道处于同一个平行平面。例如图像采集模块2可包括第一图像采集模块、第二图像采集模块、第三图像采集模块及第四图像采集模块；第一图像采集模块用于采集主复合码道的绝对码道反射的光线，并与主复合码道的绝对码道处于同一个平行平面上；第二图像采集模块用于采集主复合码道的增量码道反射的光线，并与主复合码道的增量码道处于同一个平行平面上；第三图像采集模块用于采集副复合码道的绝对码道反射的光线，并与副复合码道的绝对码道处于同一个平行平面上；第四图像采集模块用于采集副复合码道的增量码道反射的光线，并与副复合码道的增量码道处于同一个平行平面上。

可选的，图像采集模块2可为高精度的coms图像采集镜头，当然，也可为其他类型的图像采集镜头，这均不影响本申请的实现。

在本实施例中，信号处理模块3用于根据主绝对码道图像及主增量码道图像计算主旋转角度值；根据副绝对码道图像及副增量码道图像计算副旋转角度值；根据主轴窜动情况从主旋转角度值α主和副旋转角度值α副中确定被测机械的转动角度值。

在一种实施方式中，绝对码道图像为主绝对码道图像或副绝对码道图像，增量码道图像为主增量码道图像或副增量码道图像。信号处理模块3可对得到的绝对码道图像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，并对统计零位码道旋转的圈数；然后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旋转角度。

当主轴的径向窜动较大时，选用α主为实际精确角度输出；当主轴的轴向窜动较大时，选用α副为实际精确角度输出。当主轴无明显径向或者轴向窜动时，以α主为实际精确角度输出。

可选的，图像采集模块2分别采集到的四幅图像，四幅图像传输给同一个信号处理模块4进行数据处理，为了提高数据处理运算速度，信号处理模块4可采用支持并行计算的fpga板卡。

在本发明实施例提供的技术方案中，通过不同状态下主副宏微复合码道交替读数的方式克服了相关技术中高速状态下旋转光栅编码器存在径向与轴向的不稳定特性，提高了旋转编码器的抗干扰性能，实现了旋转光栅编码器在高速工作环境中的高精度角度测量；此外，光源模块、图像采集模块及信号处理模块的小尺寸制作工艺难度较小，可实现在保证旋转光栅编码器测量精度的同时减少体积，有利于旋转光栅编码器朝着小型化发展。

在一种具体的实施方式中，在光线入射旋转光栅编码器之前，还可对光线进行准直，提高光学成像质量，便可后续图像处理。也就是说，在光源模块1后可设置光线准直模块，该光线准直模块可将光源模块1出射的光线准直为平行光束后投射至旋转光栅编码器的主复合码道和副复合码道。光线准直模块可为任何一种可将光线准直为平行光束的光学器件，例如准直透镜，本申请对此不做任何限定。当光源模块1包括多个发光光源时，在每个发光光源后可均设置一个准直透镜，每个准直透镜可对相应入射的光线进行准直处理。

可选的，为了便于信号处理模块3准确读取主副复合码道上的信息，可在图像采集之前，进行图像放大处理。也就是说，旋转光栅编码器采集测量装置还可包括光学放大模块。光学放大模块用于将旋转光栅编码器的主复合码道和副复合码道反射的光线进行光学放大后，投射至图像采集模块2中。光学放大模块可为任何一种可将光线进行放大处理的光学器件，本申请对此不做任何限定。当光源模块1包括多个发光光源时，在每个发光光源后可均设置一个光学放大模块，每个光学放大模块可对相应出射的光线经旋转光栅编码器4反射光线进行放大处理。

可以理解的是，光学放大模块的放大倍数可根据实际应用场景和用户精度需求进行确定，当包含多个光学放大模块时，各光学放大模块的放大倍数可相同，也可不相同，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。为了准确对反射光线进行放大并采集全部信息，光学放大模块与对应的主复合码道、副复合码道及图像采集模块需位于同一平行平面上。

为了便于本申请技术人员根据清楚明白本申请的技术方案，本申请还提供了一个示意性例子进行说明，请参阅图4所示，本发明实施例可包括：

旋转光栅编码器采集测量装置可包括光源模块1、图像采集模块2、fpga板卡3、反射式旋转光栅编码器4、光线准直模块及光学放大模块。

其中，光源模块1包括第一光源11、第二光源12、第三光源13及第四光源14；图像采集模块2包括第一cmos高速图像采集镜头21、第二cmos高速图像采集镜头22、第三cmos高速图像采集镜头23、第四cmos高速图像采集镜头24；光线准直模块包括第一准直镜51、第二准直镜52、第三准直镜53、第四准直镜54；光学放大模块包括第一光学放大模块61、第二光学放大模块62、第三光学放大模块63、第四光学放大模块64。

上述旋转光栅编码器采集测量装置的工作原理可如下所述：

反射式旋转光栅编码器4在主轴的带动下进行高速转动，在主复合码道上，第一光源11和第二光源12分别发出光束，经过第一准直镜51和第二准直镜52准直成平行光束1和平行光束2。平行光束1和平行光束2分别照射到反射式旋转光栅编码器4主复合码道上的绝对码道(含零位固定码道)和增量码道后，经过反射到达光学放大处理模块，既分别到达第一光学放大模块61和第二光学放大模块62。第一cmos高速图像采集镜头21和第二cmos高速图像采集镜头22分别采集经过光学放大处理模块的两路光的信息，从而形成两幅图像。两幅图像传输给fpga板卡3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角度值α主。同理，在副复合码道上，第三光源13和第四光源14分别发出光束，经过第三准直镜53和第四准直镜54准直成平行光束3和平行光束4。平行光束3和平行光束4分别照射到反射式旋转光栅编码器4副复合码道上的绝对码道(含零位固定码道)和增量码道后，经过反射到达光学放大处理模块，既分别到达第三光学放大模块63和第四光学放大模块64。第三cmos高速图像采集镜头23和第四cmos高速图像采集镜头24分别采集经过光学放大处理模块的两路光的信息，从而形成另外两幅图像。两幅图像传输给fpga板卡3进行数据处理，再经过高速运算得出高精度的角度值α副。

在一种实施方式中，信号处理模块3可根据下述公式计算主旋转角度值α主：

α主＝360°*n+m；

m＝a+b+c＝a+(n+1)*x1+u*(e/p)；b＝(n+1)*x1；

式中，x1为增量码道的条码码宽，a为目标绝对条码的左端与固定零位码道左端之间的距离，e为图像采集模块的单元像素间隔值，p为光学放大模块对增量码道图像的放大倍数；n为目标绝对条码对应的第一增量条码和第二增量条码之间的条纹总数；目标绝对条码为绝对码道上与图像采集模块的第一镜头中心最近的绝对条码；第二增量编码为增量码道上与图像采集模块的第二镜头中心最近的增量条码；u为第二镜头中心所在列像素与第二增量编码所在列像素之间包含的列像素数量值。

举例来说，以主复合码道为例进行交接，第一光源11和第二光源12分别发出光束，经过第一准直镜51和第二准直镜52准直成平行光束1和平行光束2。平行光束1和平行光束2分别照射到反射式旋转光栅编码器4的绝对码道(含零位固定码道)和增量码道后，经过反射到达第一光学放大模块61和第二光学放大模块62。其中，第一光学放大模块61为了得到高清晰度的绝对码道图像，图像中需要有一个完整的绝对码。第二光学放大模块62对增量码道进行放大，这里的放大倍数用p表示，则放大倍数为p＝(e*f)/x1。

其中，x1表示增量码道条码码宽，e表示第二cmos高速图像采集镜头22的单元像素间隔，f表示第一cmos高速图像采集镜头21的列像素数量。

第一cmos高速图像采集镜头21和第二cmos高速图像采集镜头22分别采集经过光学放大处理模块的两路光的信息，从而形成两幅图像。两幅图像传输给fpga板卡3进行数据处理，计算过程可如下：

如图5和图6，第二cmos高速图像采集镜头22采集到经过第二光学放大模块61放大了的绝对码道的清晰图像后，fpga板卡3根据所获取的图像判断离整个coms圆形捕获镜头a中心最近的绝对条码，如图中所示绝对条码n，由其左端到固定零位码道点左端的距离标记为a。此时，第一cmos高速图像采集镜头21也采集经过第一光学放大模块61放大了的增量码道的清晰图像后，fpga板卡3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绝对条码对应增量条码的位置，如图5所示此时在cmos圆形捕获镜头b内绝对条码n对应的增量条码是n1。同时，fpga板卡3根据所获取的图像判断离整个coms圆形捕获镜头b中心最近的绝对条码，如图中n2，然后继续判断增量条码n1到增量条码n2之间有多少明暗条纹记为n，则图5中的b为b＝(n+1)*x1。

可引入一个精确误差补偿c计算n2左端到cmos圆形捕获镜头b中心的距离。

如图6，通过图像处理技术，使fpga板卡3判断出此时cmos圆形捕获镜头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，之间的列像素数量为u，根据前面第一cmos高速图像采集镜头21有关参数信息可以得到c的精确值为u*(e/p)。最后得到了一个高精度的旋转位移值m：

m＝a+b+c＝a+(n+1)*x1+u*(e/p)；

同时，第二cmos高速图像采集镜头22采集固定零位码道的图像，fpga板卡3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α主，α主＝360°*n+m。

对副复合码道，也通过上述测量方法得出高精度的α副′。

在主轴转动时，每一刻fpga板卡3都可以获得两个角度值α主及α副。α主及α副分别与前一时刻的α主′、α副′做差并取绝对值，即|α主-α主′|及|α副-α副′|，当两者相等时，以α主为实际精确角度输出；当前者大时，选用α副为实际精确角度输出。但后者大时，选用α主为实际精确角度输出，也就是说，fpga板卡3在计算得到被测机械在t时刻的主旋转角度值α主和副旋转角度值α副后，在决定被测机械最终输出旋转角度值时，可首先获取被测机械在t-1时刻的主旋转角度值α主′和副旋转角度值α副′；然后计算i＝|α主-α主′|-|α副-α副′|，并判断i值的正负；

若i≤0，则输出被测机械在t时刻的旋转角度值为α主；

若i＞0，则输出被测机械在t时刻的旋转角度值为α副。

由上可知，本发明实施例提高了旋转光栅编码器在高速工作环境中角度测量的精度，在保证旋转光栅编码器测量精度的同时可实现小型化。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本发明所提供的一种旋转编码器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。