專利名稱：一種單軌絕對(duì)光柵尺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是ー種單軌絕對(duì)光柵尺，屬于絕對(duì)光柵尺的改造技木。
背景技術(shù)：
計(jì)量光柵技術(shù)的基礎(chǔ)是莫爾條紋，1874年由英國(guó)物理學(xué)家L. Rayleigh首先提出這種圖案的工程價(jià)值，直到20世紀(jì)50年代人們才開始利用光柵的莫爾條紋進(jìn)行精密測(cè)量。1950年德國(guó)Heidenhain首創(chuàng)DIADUR復(fù)制エ藝，也就是在玻璃基板上蒸發(fā)鍍鉻的光刻復(fù)制エ藝，這才能制造高精度、價(jià)廉的光柵刻度尺，光柵計(jì)量?jī)x器才能為用戶所接受，進(jìn)入商品市場(chǎng)。1953年英國(guó)Ferranti公司提出了ー個(gè)4相信號(hào)系統(tǒng)，可以在ー個(gè)莫爾條紋周期實(shí)現(xiàn)4倍頻細(xì)分，并能鑒別移動(dòng)方向，這就是4倍頻鑒相技木，是光柵測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)，并一直廣泛應(yīng)用至今[I]?！0003]目前常用的光柵尺可以分為増量式光柵尺、半絕對(duì)式光柵尺以及絕對(duì)式光柵尺，數(shù)控機(jī)床制造行業(yè)使用較多。増量式光柵尺是最常用的高精密測(cè)量裝置，它有ー個(gè)絕對(duì)零點(diǎn)標(biāo)志，其后標(biāo)尺光柵等距分布，讀數(shù)頭相對(duì)標(biāo)尺光柵運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過的柵格所形成的莫爾條紋會(huì)經(jīng)過電信號(hào)處理，得到相對(duì)絕對(duì)零點(diǎn)的距離。這種測(cè)量模式簡(jiǎn)單易行，但在使用中，由于必須每次回到絕對(duì)零點(diǎn)附近重新定標(biāo)，所以工作效率難以大幅提高[2]。為適應(yīng)數(shù)控機(jī)床升級(jí)的需要，半絕對(duì)式光柵尺逐漸得到普遍使用。半絕對(duì)式光柵是在增量光柵上設(shè)置絕對(duì)軌，在絕對(duì)軌上設(shè)計(jì)了用不同距離編碼的一系列零位光柵，使用時(shí)通過探測(cè)相鄰零位光柵的距離來確定絕對(duì)位置，大大減少了回零的時(shí)間，提高了工作效率，此外，這類光柵尺出現(xiàn)故障時(shí)還能即時(shí)向數(shù)控機(jī)床發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以保證加工的安全性。近來，絕對(duì)光柵尺的出現(xiàn)引發(fā)了裝備制造業(yè)革命性進(jìn)步，相比半絕對(duì)式光柵尺，絕對(duì)編碼光柵尺有更多優(yōu)勢(shì)，由于在任何點(diǎn)都有相應(yīng)絕對(duì)唯一的碼值，所以沒有累計(jì)誤差，具有測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，并且還可以進(jìn)行非線性修正。另外絕對(duì)編碼范圍大，所以可測(cè)量較大量程的線性位移[3]。絕對(duì)光柵尺的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，其關(guān)鍵點(diǎn)在于絕對(duì)編碼的實(shí)現(xiàn)，及每ー個(gè)絕對(duì)編碼對(duì)應(yīng)著光柵標(biāo)尺上的一個(gè)絕對(duì)位置，將出發(fā)點(diǎn)到終止點(diǎn)的絕對(duì)位置相減就可以得到相対的移動(dòng)距離，避免了累計(jì)誤差，也消除了回讀零點(diǎn)的エ序。目前，出現(xiàn)了ー些種絕對(duì)編碼方法，較多集中在多軌光柵條紋編碼領(lǐng)域，這種編碼的優(yōu)點(diǎn)在于直讀縱列ニ進(jìn)制編碼，方便光電元件讀取數(shù)據(jù)，同時(shí)可以提高細(xì)分的精度[4]，但缺點(diǎn)主要是提高了對(duì)光柵標(biāo)尺的刻畫難度，編碼范圍有限，難以擴(kuò)大測(cè)量范圍。單軌絕對(duì)編碼技術(shù)解決了這ー難題。單軌絕對(duì)編碼技術(shù)代表了國(guó)際上光柵測(cè)量的發(fā)展方向，它符合了快速測(cè)量和小型化這兩種趨勢(shì)。但是，由于目前單軌絕對(duì)編碼相對(duì)復(fù)雜，解碼方法繁瑣，錯(cuò)碼率高，仍然沒有大量普及。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于考慮上述問題而提供一種避免了多軌光柵制造的低成品率，同時(shí)降低了制造成本，提高了圖像信息采集的速度，提高編碼的測(cè)量精度的單軌絕對(duì)光柵尺。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)合理，方便實(shí)用。本實(shí)用新型能可靠編碼、方便解碼及快速給出結(jié)果。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是本實(shí)用新型的單軌絕對(duì)光柵尺，包括有光源、反射鏡、里程碑標(biāo)志位、增量標(biāo)尺柵線、玻璃基板、上側(cè)CMOS傳感器、下側(cè)CMOS傳感器、移動(dòng)光闌、光電接收器、指示光柵，其中光源與反射鏡組 合構(gòu)成照明光路，提供平行光，玻璃基板上刻畫有等寬、等距的增量標(biāo)尺柵線，玻璃基板在增量標(biāo)尺柵線的下方刻畫有平行等距的里程碑標(biāo)志位，移動(dòng)光闌的左上方開口，該開口內(nèi)嵌指示光柵，移動(dòng)光闌的右邊上下對(duì)稱開口，該對(duì)稱開口分別嵌入用于采集圖像信息的上側(cè)CMOS傳感器和下側(cè)CMOS傳感器，且指示光柵緊貼玻璃基板安裝，上側(cè)CMOS傳感器的安裝位置對(duì)準(zhǔn)增量標(biāo)尺柵線，下側(cè)CMOS傳感器的安裝位置對(duì)準(zhǔn)里程碑標(biāo)志位，光源、移動(dòng)光闌以及光電接收器相對(duì)位置固定裝設(shè)在動(dòng)尺上，動(dòng)尺相對(duì)玻璃基板能前后移動(dòng)，光源、移動(dòng)光闌以及光電接收器能同時(shí)平行運(yùn)動(dòng)，增量標(biāo)尺柵線和指示光柵的光線形成莫爾條紋投射在光電接收器。上述光源是藍(lán)光光源。上述里程碑標(biāo)志位所在行由若干等間距的柵線組成，其下從零點(diǎn)位置起，每隔一定距離設(shè)置一個(gè)絕對(duì)位置標(biāo)記就是里程碑標(biāo)志位，里程碑標(biāo)志位分為用于標(biāo)志里程碑的出現(xiàn)與結(jié)束的里程碑編碼邊界標(biāo)志柵線，用于進(jìn)行編碼，擴(kuò)大其位數(shù)，即能擴(kuò)大編碼的范圍的里程碑條紋組內(nèi)有效編碼位；用于確定是否刻畫柵線的具體位置的有效編碼柵線位，刻畫柵線處表示為0，不刻畫柵線而留白，此處表示為1，相鄰里程碑標(biāo)志位的間距為d。上述里程碑標(biāo)志位由14條等寬度柵線位組成，其呈現(xiàn)二進(jìn)制編碼，14條柵線能組成從0-16383范圍的數(shù)字。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)I)本實(shí)用新型通過單軌光柵進(jìn)行絕對(duì)編碼，避免了多軌光柵制造的低成品率，同時(shí)降低了制造成本。2)本實(shí)用新型利用了 CMOS傳感技術(shù)，提高了圖像信息采集的速度，借助半導(dǎo)體器件的加工精度，間接提高編碼的測(cè)量精度。3)本實(shí)用新型引入了顯微放大技術(shù)，將最后一對(duì)柵線間余量進(jìn)行放大，利用像元插入模式，進(jìn)一步提高位置編碼的精度。4)本實(shí)用新型降低了傳統(tǒng)增量式編碼在測(cè)量中的重要性，但保留其部分功能，為誤碼糾錯(cuò)提供了參考，從而提高了絕對(duì)光柵尺編碼、解碼的可靠性，同時(shí)為絕對(duì)光柵尺失效時(shí)，做為備份測(cè)量工具，在故障狀態(tài)下保證光柵尺一定的測(cè)量功能。本實(shí)用新型是一種設(shè)計(jì)巧妙，性能優(yōu)良，方便實(shí)用的單軌絕對(duì)光柵尺。

圖I為本實(shí)用新型的單軌絕對(duì)光柵尺的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2本實(shí)用新型的絕對(duì)光柵尺光柵尺柵線構(gòu)成示意圖。圖3本實(shí)用新型的絕對(duì)光柵尺標(biāo)尺光柵柵線間細(xì)分測(cè)量示意圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例本實(shí)用新型單軌絕對(duì)光柵尺的結(jié)構(gòu)示意圖的結(jié)構(gòu)示意圖如圖I所示，在圖I中，光源I、反射鏡2組合構(gòu)成照明光路，可以提供一定光強(qiáng)的平行光，本實(shí)施例中，光源I是藍(lán)光光源，是一種特種光源。平行光的光線投射到里程碑標(biāo)志位3和增量標(biāo)尺柵線4時(shí)，柵線的投影會(huì)被上側(cè)CMOS傳感器6和下側(cè)CMOS傳感器7分別掃描接收，兩個(gè)CMOS傳感器鑲嵌在移動(dòng)光闌8上,光源I、反射鏡2、移動(dòng)光闌8、光電接收器9相對(duì)位置固定組成動(dòng)尺測(cè)量系統(tǒng)，都平行于玻璃基板移動(dòng)，外部和測(cè)量端機(jī)構(gòu)連接，移動(dòng)光闌8上嵌入一指示光柵10，光線通過標(biāo)尺柵線4和指示光柵10后產(chǎn)生的莫爾條紋被光電接收器9接收，形成模擬增量信號(hào)。圖I中，下側(cè)CMOS傳感器7可以直接采集里程碑標(biāo)志位3圖像的編碼信息，其編碼數(shù)值為Nx，為第一絕對(duì)位置編碼段，即里程碑標(biāo)志位(3)對(duì)應(yīng)的絕對(duì)位置為M' x = NxXd 而上側(cè)CMOS傳感器6可以直接采集增量標(biāo)尺柵線圖像，但要依靠以下技術(shù)進(jìn)行編碼。增量柵線圖像編碼技術(shù)如下如圖2中，當(dāng)里程碑標(biāo)志位3條紋組的標(biāo)志柵線完全出現(xiàn)在下側(cè)CMOS監(jiān)視陣列時(shí),對(duì)應(yīng)的增量標(biāo)尺柵線條紋,也瞬時(shí)出現(xiàn)在上側(cè)CMOS傳感陣列上，這一條紋將被圖像電子系統(tǒng)鎖定，超過里程碑標(biāo)志位3條紋組的柵線條紋將以圖像的形式加以保存和編碼。從圖像中，可以迅速分辨出暗線的數(shù)量為K，設(shè)標(biāo)尺柵線間距為δ，那么超過絕對(duì)位置標(biāo)志位的精確增量距離L則可以通過對(duì)增量柵線圖中的柵線數(shù)量K得到，如下L = KXS此為第二編碼段，和第一編碼段結(jié)合，將進(jìn)一步提高動(dòng)尺測(cè)端的位置測(cè)量的精確度。里程碑標(biāo)志位3分為幾個(gè)部分，即里程碑編碼邊界標(biāo)志柵線12、里程碑條紋組內(nèi)有效編碼位11、有效編碼柵線位13，相鄰里程碑標(biāo)志位3的間距為d，邊界便于掃描定位，有效編碼柵線位13可以刻畫柵線，表示為0，也可以留白表示為1，相鄰里程碑標(biāo)志位3的間距為d確定了編碼定位的粗略步長(zhǎng)。如圖3，指示光闌遮光區(qū)域19左側(cè)端線處于標(biāo)尺光柵兩相鄰柵線之間，余量位移不足一個(gè)柵線間距時(shí)，設(shè)此標(biāo)尺柵線間測(cè)量余量16為1L，這段位移的測(cè)量精度將直接影響到全局的測(cè)量精度以及絕對(duì)編碼的客觀性。在此充分利用到CMOS發(fā)展的新技術(shù)，由于左右CMOS像元間距18的CMOS像元14出現(xiàn)，CMOS像元尺寸17也越來越小，細(xì)分技術(shù)進(jìn)一步升級(jí)。利用投射顯微放大技術(shù)，可以將最后一個(gè)標(biāo)尺柵線間間距15平均放大10倍，假定這段距離內(nèi)將平均分布100個(gè)像素單元，將兩柵線間距離等分成100份，即測(cè)量精度可以達(dá)到0. I。，動(dòng)尺測(cè)端在像素間的行進(jìn)距離還可以通過電子細(xì)分為128份，使得分辨率可以達(dá)到
^以內(nèi)。這部分的編碼即第三段絕對(duì)編碼，這段編碼可以分為兩個(gè)部分，即標(biāo)尺柵線間
測(cè)量余量I插入整數(shù)個(gè)像元的數(shù)值編碼為B，為第一部分編碼；CM0S像元間測(cè)量余量(20)的行進(jìn)顯微細(xì)分值編碼C，這樣則可以將編碼擴(kuò)大到分辨率級(jí)別，如下所示，標(biāo)尺柵線間測(cè)
量余量4可以通過以下公式表達(dá)
B X ex CIL· =-+-X σ
10 1280[0033]最終的絕對(duì)位置編碼由三部分組成里程碑絕對(duì)參考點(diǎn)標(biāo)志位編碼、相對(duì)位置編碼、細(xì)分位置編碼，由于細(xì)分位置編碼中C部分僅為分辨率級(jí)別，所以只保存B部分。經(jīng)三段編碼、解碼，就可以得到絕對(duì)位置
權(quán)利要求1.一種單軌絕對(duì)光柵尺，其特征在于包括有光源(I)、反射鏡(2)、里程碑標(biāo)志位(3)、增量標(biāo)尺柵線(4)、玻璃基板(5)、上側(cè)CMOS傳感器(6)、下側(cè)CMOS傳感器(7)、移動(dòng)光闌(8)、光電接收器(9)、指示光柵(10)，其中光源(I)與反射鏡(2)組合構(gòu)成照明光路，提供一定光強(qiáng)的平行光，玻璃基板(5)上刻畫有等寬、等距的增量標(biāo)尺柵線(4)，玻璃基板(5)在增量標(biāo)尺柵線(4)的下方刻畫有平行等距的里程碑標(biāo)志位(3)，移動(dòng)光闌(8)的左上方開口，該開口內(nèi)嵌指示光柵(10)，移動(dòng)光闌(8)的右邊上下對(duì)稱開口，該對(duì)稱開口分別嵌入用于采集圖像信息的上側(cè)CMOS傳感器(6)和下側(cè)CMOS傳感器(7)，且指示光柵(10)緊貼玻璃基板(5 )安裝，上側(cè)CMOS傳感器(6 )的安裝位置對(duì)準(zhǔn)增量標(biāo)尺柵線(4)，下側(cè)CMOS傳感器(7 )的安裝位置對(duì)準(zhǔn)里程碑標(biāo)志位(3)，光源(I)、移動(dòng)光闌(8)以及光電接收器(9)相對(duì)位置固定裝設(shè)在動(dòng)尺(21)上，動(dòng)尺(21)相對(duì)玻璃基板(5)能前后移動(dòng)，光源(I)、移動(dòng)光闌(8)以及光電接收器(9)能同時(shí)平行運(yùn)動(dòng)，增量標(biāo)尺柵線(4)和指示光柵(10)的光線形成莫爾條紋投射在光電接收器(9 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單軌絕對(duì)光柵尺，其特征在于上述光源(I)是藍(lán)光光源。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單軌絕對(duì)光柵尺，其特征在于上述里程碑標(biāo)志位(3)所在行由若干等間距的柵線組成，其下從零點(diǎn)位置起，每隔一定距離設(shè)置一個(gè)絕對(duì)位置標(biāo)記就是里程碑標(biāo)志位(3)，里程碑標(biāo)志位(3)分為用于標(biāo)志里程碑的出現(xiàn)與結(jié)束的里程碑編碼邊界標(biāo)志柵線(12)，用于進(jìn)行編碼，擴(kuò)大其位數(shù)，即能擴(kuò)大編碼的范圍的里程碑條紋組內(nèi)有效編碼位(11);用于確定是否刻畫柵線的具體位置的有效編碼柵線位(13)，刻畫柵線處表示為0，不刻畫柵線而留白，此處表示為1，相鄰里程碑標(biāo)志位(3)的間距為d。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單軌絕對(duì)光柵尺，其特征在于上述里程碑標(biāo)志位(3)由14條等寬度柵線位組成，其呈現(xiàn)二進(jìn)制編碼，14條柵線能組成從0-16383范圍的數(shù)字。
專利摘要本實(shí)用新型是一種單軌絕對(duì)光柵尺。包括光源、反射鏡、增量標(biāo)尺柵線、玻璃基板、移動(dòng)光闌、光電接收器、指示光柵，其中光源與反射鏡組合為照明光路，玻璃基板上刻畫有等寬等距的增量標(biāo)尺柵線，玻璃基板在增量標(biāo)尺柵線下方刻畫有平行等距的里程碑標(biāo)志位，移動(dòng)光闌的左上方開口內(nèi)嵌指示光柵，移動(dòng)光闌的右邊的上下對(duì)稱開口分別嵌入上側(cè)CMOS傳感器和下側(cè)CMOS傳感器，指示光柵緊貼玻璃基板安裝，上側(cè)CMOS傳感器的安裝位置對(duì)準(zhǔn)增量標(biāo)尺柵線，下側(cè)CMOS傳感器的安裝位置對(duì)準(zhǔn)里程碑標(biāo)志位，增量標(biāo)尺柵線和指示光柵的光線形成莫爾條紋投射在光電接收器。本實(shí)用新型提高了圖像信息采集的速度，提高編碼的測(cè)量精度，能可靠編碼、方便解碼及快速給出結(jié)果。
文檔編號(hào)G01D5/347GK202562500SQ20122023878
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月24日
發(fā)明者陳新, 王晗, 陳新度, 劉強(qiáng), 李克天, 馬平, 李鍛能, 陳學(xué)松 申請(qǐng)人:廣東工業(yè)大學(xué)