基于纵横转换放大细分的宏微复合光栅尺测量系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及光学长度测量领域，具体涉及基于纵横转换放大细分的宏微复合光栅尺测量系统，基于纵横转换放大细分的宏微复合光栅尺测量系统，包括光栅尺、可相对光栅尺相对移动的宏微读数系统和计数及图像处理模块，宏微读数系统正对栅纹基面且与光栅尺平行放置,还包括测量参考直线，测量参考直线与图像传感器获取的栅纹在计数及图像处理模块中叠加形成叠加图像，测量参考直线与栅纹形成一定夹角θ。本实用新型通过以上结构，可以兼容现有增量式、绝对式等类型的光栅尺，适用性强，利用高速低精度光栅尺进行宏尺度位移测量，同时利用高效的微尺度读数模块基于机械光学细分技术来获取可靠的高精度微尺度位移值，适合于大栅距尺寸的光栅尺，成本较低。
【专利说明】基于纵横转换放大细分的宏微复合光栅尺测量系统
[0001] 计数领域
[0002] 本实用新型涉及光学长度测量领域，具体涉及基于纵横转换放大细分的宏微复合 光栅尺测量系统。
[0003] 背景计数
[0004] 光栅尺是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置，是闭环位置控制系统中常用 的检测器件之一，尤其在精密加工制造领域。光栅尺测量的基本原理为：标尺与扫描掩模 之间的相对移动，在光源照射下形成莫尔条纹，莫尔条纹经过光电传感器转换为近似的正 余弦电信号，就是原始的光栅扫描信号。然后采用不同的电子细分法，得到不同测量步距 的计数脉冲信号，脉冲信号一般是两路正交的信号，这两路信号接入后续的可逆计数电 路，计数器的计数值再乘以测量步距则为光栅尺的位移测量值。
[0005] 为提高位移测量精度，通常需要增加光栅的刻线密度，这将增大信号采集数据量。 特别是在要求高速度高精密的场合，需要很高的信号采集频率，导致信号采集数据量很大。 这导致光栅尺的测量精度越高，其允许的测量速度上限越低，不能兼顾高速和高精度的测 量要求。
[0006] 目前市场上常见的光栅尺主要是采用"莫尔条纹"，配合电子细分等检测与数据处 理模块来获取位移值。现存通用的光栅尺测量系统主要存在以下问题：为仅提高位移测试 精度，往往需要采用更密集的栅格。而更密集的栅格导致单位位移数据采集的数据量加大， 从而增大数据采集过程中出现"丢步"现象，降低数据的可信度。特别是在高速运动状态下， "丢步"现象将更为明显。一味地采用更高采集速度的设备，将导致测量系统成本的显著提 商。
[0007] 专利CN200510010288. 1提出一种基于双光栅尺的高速高精度位移测量方法。其 核心思想为：通常的高速高精度定位系统在定位时刻的速度并不高，因此其采用两个不同 性能的光栅尺来完成位移测量：一个适于高速状态下、低分辨率测量的光栅尺粗光栅尺。一 个适于低速状态下、高分辨率测量的光栅尺精光栅尺）。在系统运动过程由高速转为低速的 时刻，把双光栅尺的计数脉冲作切换，计数值作合成以获得定位时刻高分辨率的位移测量 值。在其具体计数方案中，设定了切换速度阈值，在高速状态下由粗光栅尺进行位移及速度 检测。当速度低于设定阈值时，由精光栅尺检测运动位移。该专利实现了光栅尺高速高精 度的位移检测。其缺点在于：1其并未实现全过程的光栅尺高速高精度位移检测，其适用范 围有限；2其采用了两套光栅尺，成本较高。 实用新型内容
[0008] 本实用新型提出一种宏微复合光栅尺，兼顾位移测量的高速与高精度的要求，在 保证高测量速度的前提下，提高位移测量精度，成本低。
[0009] 为达此目的，本实用新型采用以下计数方案：
[0010] 基于纵横转换放大细分的宏微复合光栅尺测量系统，包括光栅尺、可相对所述光 栅尺相对移动的宏微读数系统和计数及图像处理模块。 toon] 所述宏微读数系统包含有宏尺度读数模块和微尺度读数模块，所述宏尺度读数模 块与微尺度读数模块位置相对固定，所述光栅尺表面设有由栅纹组成的栅纹带，所述宏微 读数系统正对所述栅纹基面且与所述光栅尺平行放置，所述宏微读数系统与所述光栅尺 保持一定距离；
[0012] 所述宏尺度读数模块和微尺度读数模块通过通信电缆与计数及图像处理模块连 接；所述微尺度读数模块包括有图像传感器和镜头，所述镜头置于所述图像传感器的正 面；
[0013] 还包括测量参考直线，所述测量参考直线为一条直线或者多条相互平行的直线 组，所述测量参考直线与所述图像传感器获取的所述栅纹在所述计数及图像处理模块中叠 加形成叠加图像，在所述叠加图像上，所述测量参考直线与所述栅纹形成一定夹角Θ。
[0014] 所述测量参考直线为设于所述镜头上的刻线。
[0015] 所述测量参考直线设于所述计数及图像处理模块。
[0016] 还包括朝向所述图像传感器作用范围的辅助光源，其固定于所述图像传感器；所 述光栅尺安装在固定机架上，所述宏微读数系统固定于运动部件；所述宏微读数系统与所 述光栅尺之间的距离为0. 5mm到1. 5mm。
[0017] 所述夹角Θ满足tan Θ = W/B的关系，其中W为所述光栅尺的栅距尺寸，B为所 述栅纹带的宽度尺寸。
[0018] 所述图像传感器为C⑶或CMOS摄像头。
[0019] 所述宏尺度读数模块为反射式结构的莫尔条纹技术测量原理的光栅尺读数头，或 为直接对所述栅纹进行扫描技术的光电传感元件。
[0020] 本实用新型通过以上结构，可以兼容现有增量式、绝对式等类型的光栅尺，适用性 强，利用高速低精度光栅尺进行宏尺度位移测量，同时利用高效的微尺度读数模块基于机 械光学细分计数来获取可靠的高精度微尺度位移值，适合于大栅距尺寸的光栅尺，成本较 低。特别地，本实用新型提出的测量系统也可以对多条栅纹进行图像处理来进一步均化栅 纹的制造误差，可以进一步提高位移测量精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1是本实用新型一种实例的结构示意图。
[0022] 图2是本实用新型一种实例的图像传感器获取的一条测量参考直线与栅纹的叠 加图像不意图。
[0023] 图3是本实用新型一种实例的获取的多条测量参考直线与栅纹的叠加图像示意 图。
[0024] 图4是本实用新型一种实例的镜头刻线与栅纹夹角示意图。
[0025] 图5是本实用新型一种实例的测量原理图
[0026] 其中：光栅尺1、栅纹101、宏微读数系统2、宏尺度读数模块201、图像传感器202、 镜头203、测量参考直线204a、交点204b、刻线205。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图并通过【具体实施方式】来进一步说明本实用新型的计数方案。
[0028] 如图1所示，基于纵横转换放大细分的宏微复合光栅尺测量系统，包括光栅尺1、 可相对所述光栅尺1相对移动的宏微读数系统2和计数及图像处理模块。
[0029] 如图1所示，所述宏微读数系统2包含有宏尺度读数模块201和微尺度读数模块， 所述宏尺度读数模块与微尺度读数模块位置相对固定，所述光栅尺1表面设有由栅纹101 组成的栅纹带，所述宏微读数系统2正对所述栅纹101基面且与所述光栅尺1平行放置， 所述宏微读数系统2与所述光栅尺1保持一定距离；
[0030] 所述宏尺度读数模块201和微尺度读数模块通过通信电缆与计数及图像处理模 块连接；如图1所示，所述微尺度读数模块包括有图像传感器202和镜头203,所述镜头203 置于所述图像传感器202的正面；
[0031] 如图2或图3所示，还包括测量参考直线204a，所述测量参考直线204a为一条直 线或者多条相互平行的直线组，所述测量参考直线204a与所述图像传感器202获取的所述 栅纹101在所述计数及图像处理模块中叠加形成叠加图像，在所述叠加图像上，所述测量 参考直线204a与所述栅纹101形成一定夹角Θ。
[0032] 如图2或图3所示，所述计数及图像处理模块对所述叠加图像进行识别，确定出 所述栅纹101和所述测量参考直线204a的中心线方程。所述栅纹101和所述测量参考直 线204a的中心线存在夹角Θ，确保所述中心线方程存在交点204b。当所述光栅尺1与所 述宏微读数系统2的位置发生相对位移时，所述交点204b的位置将沿着所述测量参考直线 204a的中心线发生相对移动。其移动距离的比例关系为
【权利要求】
1. 基于纵横转换放大细分的宏微复合光栅尺测量系统，包括光栅尺、可相对所述光栅 尺相对移动的宏微读数系统和计数及图像处理模块，其特征在于： 所述宏微读数系统包含有宏尺度读数模块和微尺度读数模块，所述宏尺度读数模块与 微尺度读数模块位置相对固定，所述光栅尺表面设有由栅纹组成的栅纹带，所述宏微读数 系统正对所述栅纹基面且与所述光栅尺平行放置，所述宏微读数系统与所述光栅尺保持 一定距离； 所述宏尺度读数模块和微尺度读数模块通过通信电缆与计数及图像处理模块连接；所 述微尺度读数模块包括有图像传感器和镜头，所述镜头置于所述图像传感器的正面； 还包括测量参考直线，所述测量参考直线为一条直线或者多条相互平行的直线组，所 述测量参考直线与所述图像传感器获取的所述栅纹在所述计数及图像处理模块中叠加形 成叠加图像，在所述叠加图像上，所述测量参考直线与所述栅纹形成一定夹角Θ。
2. 根据权利要求1所述的基于纵横转换放大细分的宏微复合光栅尺测量系统，其特征 在于：所述测量参考直线为设于所述镜头上的刻线。
3. 根据权利要求1所述的基于纵横转换放大细分的宏微复合光栅尺测量系统，其特征 在于：所述测量参考直线设于所述计数及图像处理模块。
4. 根据权利要求1所述的基于纵横转换放大细分的宏微复合光栅尺测量系统，其特征 在于：还包括朝向所述图像传感器作用范围的辅助光源，其固定于所述图像传感器。
5. 根据权利要求1所述的基于纵横转换放大细分的宏微复合光栅尺测量系统，其特征 在于：所述光栅尺安装在固定机架上，所述宏微读数系统固定于运动部件。
6. 根据权利要求1所述的基于纵横转换放大细分的宏微复合光栅尺测量系统，其特征 在于：所述宏微读数系统与所述光栅尺之间的距离为〇. 5mm到1. 5mm。
7. 根据权利要求1所述的基于纵横转换放大细分的宏微复合光栅尺测量系统，其特征 在于：所述夹角Θ满足tan0 =W/B的关系，其中W为所述光栅尺的栅距尺寸，B为所述栅 纹带的宽度尺寸。
8. 根据权利要求1所述的基于纵横转换放大细分的宏微复合光栅尺测量系统，其特征 在于：所述图像传感器为C⑶或CMOS摄像头。
9. 根据权利要求1所述的基于纵横转换放大细分的宏微复合光栅尺测量系统，其特征 在于：所述宏尺度读数模块为反射式结构的莫尔条纹技术测量原理的光栅尺读数头，或为 直接对所述栅纹进行扫描技术的光电传感元件。
【文档编号】G01B11/02GK203869666SQ201420306999
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月10日 优先权日:2014年6月10日
【发明者】杨志军, 白有盾, 陈新, 高健, 杨海东, 陈新度, 王梦 申请人:广东工业大学