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专利名称：一种绝对光栅尺测试平台及其测试方法
技术领域：
本发明是一种绝对光栅尺测试平台及其测试方法，属于绝对光栅尺测试平台及其测试方法的创新技术。
背景技术：
光栅尺的原理都是基于光栅尺干涉或衍射产生的莫尔条纹。英国物理学家L. Rayleigh在1874年首先提出这种图案的工程价值。光栅尺的测量原理可分为影像原理和干涉原理。基于影像原理的光栅尺，其栅距一般较大，为100 至20 ym，远大于光源光波波长。当两块光栅相对移动时产生低频拍现象形成莫尔条纹，这种光栅尺的分辨率在微米级和亚微米级。然无论是基于影像原理的光栅尺还是基于干涉原理的光栅尺，两者的设计思路都是基于4倍频鉴像技术。4倍频鉴像技术是1953年英国Ferranti公司提出的一个4相信号系统，可以在一个莫尔条纹周期实现4倍频细分，并能鉴别移动方向，它是光栅测量系统的基础，并一直广泛应用至今。4倍频技术这种设计方法发展至今，尽管已相当成熟了，但存在一些不足之处，比如原理比较繁杂，电路的设计比较复杂，要求也比较高。我国光栅数显技术的发展从上世纪80年代以数显技术改造传统的机床行业为起点，目前，安装于中高档数控机床全闭环用的绝对式光栅尺全部依赖进口，这已经成为制约我国高档数控机床发展的技术“瓶颈”之一。国内封闭式玻璃光栅尺的最大测量长度为3m,准确度有 ± 15 ii m、± 10 ii m、±5 ii m 和 ±3 ii m,分辨力有 5 ii m、I ii m 和 0.1 u m,速度为60m/min，主要应用于手动数显机床。要实现量程上百毫米、纳米级分辨率的位移测量，只有部分激光干涉类和光栅类位移测量仪器可以胜任。但激光干涉仪对环境条件的要求苛刻，致使应用受限。而光栅式测长仪器虽已有成型产品，但主要来自国外公司，这些产品不但价格不菲，部分高精度的产品对中国地区的销售存在着诸多限制。目前光栅尺技术开始偏向于向绝对式光栅方向发展，因为只有具备的绝对编码技术，安装有绝对式光栅尺的机床或生产线在重新开机后无需执行参考点回零操作，就立刻重新获得各个轴的当前绝对位置值以及刀具的空间指向，因此可以马上从中断处开始继续原来的加工程序，大大地提高数控机床的有效加工时间。同时，为了提高走刀速度、精度，应对高速加工的形变。必须采取闭环的机床光栅位移传感器(光栅尺)进行位置控制。采用全闭环的机床光栅尺的位置控制是精密加工平台的基础，全闭环系统可以提高机床精度和保持性，使得产业化得以实现。由于绝对位置光栅编码的复杂性、闭环控制算法的复杂性，使得全闭环的双编码条编码光栅尺未能在国内大规模发展。

发明内容
本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种高精度、高控制性、高可靠性的绝对光栅尺测试平台。本发明设计合理，方便实用。本发明的另一目的在于提供一种绝对光栅尺测试平台的测试方法。本发明为了解决增量光栅尺在工作时的不可靠性，提供一种双编码条加光学放大的编码方法，且通过合理可靠的图像分析，加以闭环控制，使得光栅尺移动性、可靠性、精确性大幅度提升。本发明的技术方案是本发明的绝对光栅尺测试平台，包括有用于采集光栅条纹的COMS传感器、光学聚焦镜、COMS目镜、平行光源、光栅尺支架、双光栅条光栅尺、光栅尺支架、移动平台、直线滑轨、直线推进装置、步进电机、基座，其中步进电机、直线推进装置、直线滑轨组成直线运动系统，COMS传感器、光学聚焦镜、COMS目镜、平行光源和双光栅条光栅尺组成图像处理的采样系统，用于采集光栅条纹的COMS传感器固定在COMS传感器支架的上端，平行光源固定在COMS传感器支架的下端,光学聚焦镜、COMS目镜组成光学放大系统，光学聚焦镜、COMS目镜置于能提供平行光的平行光源的上方，COMS传感器置于能采集到经光学聚焦镜、COMS目镜放大的图像信息的位置上，双光栅条光栅尺装设在光栅尺支架上，且双光栅条光栅尺置于光学聚焦镜与平行光源之间，COMS传感器支架装设在移动平台上，且移动平台置于滑轨上，滑轨及光栅尺支架装设在基座上，直线滑轨与直线推进装置的从动件连接，直线推进装置的主动件与步进电机的输出轴连接。上述双光栅条光栅尺上包含有两条编码条，包括增量编码条和绝对位置编码条；上述增量编码条为间距比绝对位置光栅条密度大的等间距等宽度光栅条。上述绝对位置编码条中包括提供第一位置定位的LI序列参考位置和提供第二位置定位的L2序列参考位置；上述LI序列参考位置和L2序列参考位置中，每个序列编码条包含起始识别码、绝对编码条有效编码和结束识别码。上述起始识别码是图像处理起始信号，结束识别码是结束编码识别，绝对编码条有效编码位于起始识别码与结束识别码之间，绝对编码条有效编码使用宽度编码，通过宽度不同来标记不同的位置。上述绝对位增量编码条，在经过光学聚焦镜、COMS目镜之前，将在平行光源的照射下，在光学聚焦镜的下端将形成暗纹条纹和明纹条纹，有效宽度均为Adl ;上述明纹条纹与结束识别码左侧对齐，暗纹条纹与结束识别码右侧对齐，对起始识别码无要求。
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本发明绝对光栅尺测试平台的测试方法，包括如下步骤
1)平行光源平行投射光通过双光栅条光栅尺时将产生平行主光轴的像，该像首先经过
光学聚焦镜在焦f点处形成聚光后重新发散，故经过焦点的像重新被COMS目镜放大，在平
行主光轴的第二平面形成放大的像，求得光学放大系统放大倍数为
权利要求
1.一种绝对光栅尺测试平台，其特征在于包括有用于采集光栅条纹的COMS传感器(1)、光学聚焦镜(2)、COMS目镜(3)、平行光源(4)、光栅尺支架(5)、双光栅条光栅尺(6)、光栅尺支架(7)、移动平台(8)、直线滑轨(9)、直线推进装置(10)、步进电机(13)、基座(14 )，其中步进电机(13 )、直线推进装置(10 )、直线滑轨(9 )组成直线运动系统，COMS传感器(I)、光学聚焦镜(2)、COMS目镜(3)、平行光源(4)和双光栅条光栅尺(6)组成图像处理的米样系统，用于米集光栅条纹的COMS传感器(I)固定在COMS传感器支架(5)的上端,平行光源(4)固定在COMS传感器支架(5)的下端,光学聚焦镜(2)、C0MS目镜(3)组成光学放大系统，光学聚焦镜(2)、COMS目镜(3)置于能提供平行光的平行光源(4)的上方，COMS传感器(I)置于能采集到经光学聚焦镜(2)、COMS目镜(3)放大的图像信息的位置上，双光栅条光栅尺(6 )装设在光栅尺支架(7 )上，且双光栅条光栅尺(6 )置于光学聚焦镜(2 )与平行光源(4)之间，COMS传感器支架(5)装设在移动平台(8)上，且移动平台(8)置于滑轨(9)上，滑轨(9)及光栅尺支架(7)装设在基座(14)上，直线滑轨(9)与直线推进装置(10)的从动件连接，直线推进装置(10)的主动件与步进电机(13)的输出轴连接。
2.根据权利要求1所述的绝对光栅尺测试平台，其特征在于上述直线滑轨(9)为螺旋传动装置，螺旋传动装置的螺杆与步进电机(13)的输出轴连接，螺旋传动装置的螺母与直线滑轨(9)连接。
3.根据权利要求1所述的绝对光栅尺测试平台，其特征在于上述螺旋传动装置的螺杆由轴承(11)支撑，且螺杆通过联轴器(12)与步进电机(13)的输出轴连接。
4.根据权利要求1至3任一项所述的绝对光栅尺测试平台，其特征在于上述双光栅条光栅尺(6)上包含有两条编码条，包括增量编码条(15)和绝对位置编码条(16);上述增量编码条(15)为间距比绝对位置光栅条(16)密度大的等间距等宽度光栅条。
5.根据权利要求4所述的绝对光栅尺测试平台，其特征在于上述绝对位置编码条(16)中包括提供第一位置定位的LI序列参考位置(17)和提供第二位置定位的L2序列参考位置(18);上述LI序列参考位置(17)和L2序列参考位置(18)中，每个序列编码条包含起始识别码(19)、绝对编码条有效编码(20)和结束识别码(21)。
6.根据权利要求5所述的绝对光栅尺测试平台，其特征在于上述起始识别码(19)是图像处理起始信号，结束识别码(21)是结束编码识别，绝对编码条有效编码(20)位于起始识别码(19)与结束识别码(21)之间，绝对编码条有效编码(20)使用宽度编码，通过宽度不同来标记不同的位置。
7.根据权利要求6所述的绝对光栅尺测试平台，其特征在于上述绝对位增量编码条(15)，在经过光学聚焦镜(2)、COMS目镜(3)之前，将在平行光源(4)照射下，在光学聚焦镜(2)下端将形成暗纹条纹(23)和明纹条纹(24)，有效宽度均为Adl;上述明纹条纹(24)与结束识别码(21)左侧对齐，暗纹条纹(23)与结束识别码(21)右侧对齐，对起始识别码(19)无要求。
8.—种绝对光栅尺测试平台的测试方法，其特征在于包括如下步骤 I)平行光源(4 )平行投射光通过双光栅条光栅尺(6 )时将产生平行主光轴的像，该像首先经过光学聚焦镜(2)在焦f点处形成聚光后重新发散，故经过焦点的像重新被COMS目镜(3)放大，在平行主光轴的第二平面形成放大的像，求得光学放大系统放大倍数为—N2 — f2σ= ............ ****** " - NI fl ’ 2)COMS传感器(I)采集到原始图像，并对还有大量噪声的原始图像使用高斯低通滤波柔滑，降噪； 3)图像降噪后，为了通过像素点个数来计算出光栅尺位置信息，经过拉普拉斯变化，得到图像边缘； 4)在排除噪声后还存在由光栅尺部分破损引起的错误，故进行图像纠错和识别，图像纠错和识别的方法如下 将采集的图像在光栅尺平行方向进行数据投影，取数据宽度最大的段，则是编码有效区，有效区以外不进入下级运算，有干扰将不影响系统工作； 再将数据在垂直光栅尺方向去投影，设置正向阀值T+，反向阀值T-，只有投影数据在T+以上的认为在光栅暗纹区，投影数据在T-以下才认为在光栅明纹区，则在T+T-之间检测为错误，系统将发出警告； 通过此纠错方式，实现对轻微损坏或者灰尘等干扰情况进行数据纠错，对于光栅尺过度损坏进行警告； 5)再经过直方谷门限图像二值化得到可识别的图像序列，最终识别出可视域内的位置信息； 6)COMS传感器(I)识别出LI序列参考位置(17)和L2序列参考位置(18)，由于该这些位置在整个光栅尺中具有唯一性，故识别到相邻编码条的编码后将知道所处位置的范围，不需从回零位置校准；计算LI序列参考位置(17)和L2序列参考位置(18)之间间隔为第一级的检测精度(22);求得第一级的检测精度AL:A L=L2-L1 7)由于明纹条纹(24)与结束识别码(21)左侧对齐，暗纹条纹(23)与结束识别码(21)右侧对齐，故识别出LI序列参考位置(17)后有多少个增量光栅条，将可以得到精度提升的位置编码；在相邻的LI序列参考位置(17)，L2序列参考位置(18)之间插入nl个明纹条纹(24)和nl个暗纹条纹(23)，则在LI序列参考位置(17)，L2序列参考位置之间有效可以分辨的线性长度为A dl ;求得A dl
9.根据权利要求8所述的绝对光栅尺测试平台的测试方法，其特征在于上述在相邻的LI序列参考位置(17)，L2序列参考位置(18)之间插入nl个暗纹条纹(23)和nl个明纹条纹(24)，则在LI序列参考位置(17)，L2序列参考位置(18)之间有效可以分辨的线性长度为
全文摘要
本发明是一种绝对光栅尺测试平台。包括用于采集光栅条纹的COMS传感器、光学聚焦镜、COMS目镜、平行光源、光栅尺支架、双光栅条光栅尺、光栅尺支架、移动平台、直线滑轨、直线推进装置、步进电机、基座，其中步进电机、直线推进装置、直线滑轨组成直线运动系统，COMS传感器、光学聚焦镜、COMS目镜、平行光源和双光栅条光栅尺组成图像处理的采样系统。本发明提高了编码测量的精度和可靠性，可以实现精确定位。本发明的绝对光栅尺测试平台高精度、高控制性、高可靠性。本发明的测试方法提供了一种双编码条加光学放大的编码方法，且通过合理可靠的图像分析，加以闭环控制，使得光栅尺移动性、可靠性、精确性大幅度提升。
文档编号G01D5/26GK103063239SQ20121058940
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者王晗, 陈新, 吴志雄, 陈新度, 杜雪, 王素娟, 刘强, 林旭昇, 增顶, 陈启森, 黄裕樑, 薛逸岚, 郭思远, 关日钊 申请人:广东工业大学