絕對式光柵尺及其測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了絕對式光柵尺及其測量方法，該絕對式光柵尺包括平行光源模塊、標(biāo)尺光柵、光電探測器和信號處理模塊，標(biāo)尺光柵上設(shè)有一基礎(chǔ)軌道以及多個編碼軌道，基礎(chǔ)軌道包括一個與測量方向呈傾斜狀態(tài)的光柵條紋，各編碼軌道均包括多個均勻地呈周期排列且與測量方向呈傾斜狀態(tài)的光柵條紋，且各編碼軌道分別具有不同周期，平行光源模塊發(fā)出的平行光束通過標(biāo)尺光柵后照射到光電探測器上，光電探測器用于采集到達的光信號并轉(zhuǎn)換為測量電信號后發(fā)送到信號處理模塊，信號處理模塊用于對測量電信號進行處理后解析獲得多個編碼軌道的測量值進而計算獲得絕對位置測量值。本發(fā)明刻蝕難度低、降低了制造成本，而且測量準(zhǔn)確度高，可廣泛應(yīng)用于光柵測量行業(yè)中。
【專利說明】
絕對式光柵尺及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及光柵尺測量領(lǐng)域，特別是涉及絕對式光柵尺及其測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前常用的光柵尺可以分為增量式光柵尺、半絕對式光柵尺以及絕對式光柵尺三 種，在數(shù)控機床制造行業(yè)廣泛應(yīng)用。增量式光柵尺是最常用的高精密測量裝置，它有一個絕 對零點標(biāo)志，其后標(biāo)尺光柵等距分布，讀數(shù)頭相對標(biāo)尺光柵運動，經(jīng)過的柵格所形成的莫爾 條紋會經(jīng)過電信號處理，得到相對絕對零點的距離。這種測量模式簡單易行，但在使用中， 由于必須每次回到絕對零點附近重新定標(biāo)，所以工作效率難以大幅提高。為適應(yīng)數(shù)控機床 升級的需要，半絕對式光柵尺逐漸得到普遍使用。半絕對式光柵是在增量光柵上設(shè)置絕對 軌，在絕對軌上設(shè)計了用不同距離編碼的一系列零位光柵，使用時通過探測相鄰零位光柵 的距離來確定絕對位置，大大減少了回零的時間，提高了工作效率，此外，這類光柵尺出現(xiàn) 故障時還能即時向數(shù)控機床發(fā)出報警信號，以保證加工的安全性。近來，絕對光柵尺的出現(xiàn) 引發(fā)了裝備制造業(yè)革命性進步，相比半絕對式光柵尺，絕對編碼光柵尺有更多優(yōu)勢，由于在 任何點都有相應(yīng)絕對唯一的碼值，所以沒有累計誤差，具有測量分辨率高、抗干擾能力強、 穩(wěn)定性高等特點，并且還可以進行非線性修正。另外絕對編碼范圍大，所以可測量較大量程 的線性位移。絕對光柵尺的結(jié)構(gòu)相對簡單，其關(guān)鍵點在于絕對編碼的實現(xiàn)，及每一個絕對編 碼對應(yīng)著光柵標(biāo)尺上的一個絕對位置，將出發(fā)點到終止點的絕對位置相減就可以得到相對 的移動距離，避免了累計誤差，也消除了回讀零點的工序。但是絕對式光柵尺的主要缺點是 在高精度測量速度較慢，解碼時錯碼率高，而且，現(xiàn)今的絕對式光柵尺編碼碼道上柵線要求 間距很小，并且所需精度越高柵線間距就需要越小，制作成本大大提高，而且這種方式存在 編碼范圍的限制，給測量范圍的擴大帶來限制，而且光柵碼道微小的制作誤差，將會使個別 碼道提前或延后，這會最終造成測量誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供絕對式光柵尺及其測量方法。
[0004] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0005] 絕對式光柵尺，包括平行光源模塊、標(biāo)尺光柵、光電探測器和信號處理模塊，所述 標(biāo)尺光柵上設(shè)有一基礎(chǔ)軌道以及多個編碼軌道，所述基礎(chǔ)軌道包括一個與測量方向呈傾斜 狀態(tài)的光柵條紋，各所述編碼軌道均包括多個均勻地呈周期排列且與測量方向呈傾斜狀態(tài) 的光柵條紋，且各編碼軌道分別具有不同周期，所述平行光源模塊發(fā)出的平行光束通過標(biāo) 尺光柵后照射到光電探測器上，所述光電探測器用于采集到達的光信號并轉(zhuǎn)換為測量電信 號后發(fā)送到信號處理模塊，所述信號處理模塊用于對測量電信號進行處理后解析獲得多個 編碼軌道的測量值進而計算獲得絕對位置測量值。
[0006] 進一步，所述基礎(chǔ)軌道和各編碼軌道的高度均相同，各所述軌道具有不同的測量 分辨率，且相鄰的軌道中，測量分辨率較高的軌道上的光柵條紋與測量方向的夾角的正切 值等于測量分辨率較低的軌道上的光柵條紋與測量方向的夾角的正切值的n倍，其中n表示 每個軌道所占的光電探測器的光敏元個數(shù)且n = h/d，h表示各軌道的高度，d表示相鄰光敏 元之間的中心距。
[0007] 進一步，所述編碼軌道的數(shù)量共兩個，分別為第一編碼軌道和第二編碼軌道，所述 第一編碼軌道包括多個均勻排列且與測量方向呈a角的光柵條紋，所述第二編碼軌道包括 多個均勻排列且與測量方向呈0角的光柵條紋，所述基礎(chǔ)軌道、第一編碼軌道和第二編碼軌 道的高度均為h，所述基礎(chǔ)軌道的光柵條紋與測量方向的夾角為Y，a、P和Y滿足以下關(guān)系：
[tan B = n Ian y
[0008] l ， (lana = n tan p - nr tany
[0009] 其中，n表示每個軌道所占的光電探測器的光敏元個數(shù)且n = h/d，d表示相鄰光敏 元之間的中心距。
[0010] 進一步，所述光電探測器采用線陣CMOS傳感器或線陣C⑶傳感器。
[0011] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的另一技術(shù)方案是：
[0012] 所述的絕對式光柵尺的測量方法，包括步驟：
[0013] S1、將標(biāo)尺光柵安裝在待須_體上，并驅(qū)動待須_體進行移動；
[0014] S2、平行光源發(fā)出的平行光束通過標(biāo)尺光柵后照射到光電探測器上；
[0015] S3、光電探測器采集到達的光信號并轉(zhuǎn)換為測量電信號后發(fā)送到信號處理模塊；
[0016] S4、信號處理模塊對測量電信號進行處理后解析獲得基礎(chǔ)軌道和多個編碼軌道的 測量值進而計算獲得絕對位置測量值。
[0017]進一步，所述步驟S4,具體包括：
[0018] S41、信號處理模塊對測量電信號進行預(yù)處理后，分割獲得與基礎(chǔ)軌道和各編碼軌 道對應(yīng)的多個測量圖像塊；
[0019] S42、分別對多個測量圖像塊進行邊緣檢測處理后，獲取每個測量圖像塊中采集到 的編碼點與對應(yīng)的編碼軌道的底部之間的距離；
[0020] S43、結(jié)合基礎(chǔ)軌道和每個編碼軌道的光柵條紋在水平方向的投影長度，計算獲得 絕對位置測量值。
[0021]進一步，所述步驟S43,其具體為：
[0022] 結(jié)合基礎(chǔ)軌道和每個編碼軌道的光柵條紋在水平方向的投影長度，根據(jù)下式計算 獲得絕對位置測量值：
[0023] d = d〇X (l〇/h)+diX (li/h)+d2X (l2/h)+."+dnX (ln/h)
[0024] 上式中，d表示絕對位置測量值，do表示基礎(chǔ)軌道對應(yīng)的測量圖像塊中的編碼點與 該編碼軌道的底部之間的距離，cU表示第一編碼軌道對應(yīng)的測量圖像塊中的編碼點與該編 碼軌道的底部之間的距離，d 2表示第二編碼軌道對應(yīng)的測量圖像塊中的編碼點與該編碼軌 道的底部之間的距離，dn表示第n編碼軌道對應(yīng)的測量圖像塊中的編碼點與該編碼軌道的 底部之間的距離，n為自然數(shù)，和l n分別表示基礎(chǔ)軌道、第一編碼軌道、第二編碼軌 道和第n編碼軌道的光柵條紋在水平方向上的投影長度，h表示每個軌道的高度且l n/h表示 對應(yīng)的碼道的光柵條紋與水平方向夾角的余切值。
[0025] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的絕對式光柵尺，包括平行光源模塊、標(biāo)尺光柵、光 電探測器和信號處理模塊，標(biāo)尺光柵上設(shè)有一基礎(chǔ)軌道以及多個編碼軌道，基礎(chǔ)軌道包括 一個與測量方向呈傾斜狀態(tài)的光柵條紋，各編碼軌道均包括多個均勻地呈周期排列且與測 量方向呈傾斜狀態(tài)的光柵條紋，且各編碼軌道分別具有不同周期，平行光源模塊發(fā)出的平 行光束通過標(biāo)尺光柵后照射到光電探測器上，光電探測器用于采集到達的光信號并轉(zhuǎn)換為 測量電信號后發(fā)送到信號處理模塊，信號處理模塊用于對測量電信號進行處理后解析獲得 多個編碼軌道的測量值進而計算獲得絕對位置測量值。本絕對式光柵尺對光柵條紋的刻畫 要求較低，降低了光柵刻蝕難度，降低了制作成本，能有效降低光柵出錯率，降低了制造成 本，而且測量準(zhǔn)確度高。
[0026]本發(fā)明的另一有益效果是:本發(fā)明的絕對式光柵尺的測量方法，包括步驟:S1、將 標(biāo)尺光柵安裝在待測物體上，并驅(qū)動待測物體進行移動;S2、平行光源發(fā)出的平行光束通過 標(biāo)尺光柵后照射到光電探測器上;S3、光電探測器采集到達的光信號并轉(zhuǎn)換為測量電信號 后發(fā)送到信號處理模塊；S4、信號處理模塊對測量電信號進行處理后解析獲得基礎(chǔ)軌道和 多個編碼軌道的測量值進而計算獲得絕對位置測量值。本測量方法操作簡單，可以快速地 獲得測量結(jié)果，而且測量準(zhǔn)確度高。
【附圖說明】
[0027]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0028] 圖1是本發(fā)明的絕對式光柵尺的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029] 圖2是本發(fā)明的絕對式光柵尺的實施例一的標(biāo)尺光柵的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0030]圖3是本發(fā)明的絕對式光柵尺的實施例一中對基礎(chǔ)軌道采集得到的測量圖像；
[0031] 圖4是本發(fā)明的絕對式光柵尺的實施例一中對第一編碼軌道采集得到的測量圖 像；
[0032] 圖5是本發(fā)明的絕對式光柵尺的實施例一中對第二編碼軌道采集得到的測量圖 像。
【具體實施方式】
[0033] 參照圖1和圖2,本發(fā)明提供了一種絕對式光柵尺，包括平行光源模塊1、標(biāo)尺光柵 2、光電探測器3和信號處理模塊4,所述標(biāo)尺光柵2上設(shè)有一基礎(chǔ)軌道10以及多個編碼軌道， 所述基礎(chǔ)軌道10包括一個與測量方向呈傾斜狀態(tài)的光柵條紋，各所述編碼軌道均包括多個 均勻地呈周期排列且與測量方向呈傾斜狀態(tài)的光柵條紋，且各編碼軌道分別具有不同周 期，所述平行光源模塊1發(fā)出的平行光束通過標(biāo)尺光柵2后照射到光電探測器3上，所述光電 探測器3用于采集到達的光信號并轉(zhuǎn)換為測量電信號后發(fā)送到信號處理模塊4,所述信號處 理模塊4用于對測量電信號進行處理后解析獲得多個編碼軌道的測量值進而計算獲得絕對 位置測量值。
[0034] 進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述基礎(chǔ)軌道10和各編碼軌道的高度均相同，各所 述軌道具有不同的測量分辨率，且相鄰的軌道中，測量分辨率較高的軌道上的光柵條紋與 測量方向的夾角的正切值等于測量分辨率較低的軌道上的光柵條紋與測量方向的夾角的 正切值的n倍，其中n表示每個軌道所占的光電探測器3的光敏元個數(shù)且n = h/d，h表示各軌 道的高度，d表示相鄰光敏元之間的中心距。
[0035] 進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述編碼軌道的數(shù)量共兩個，分別為第一編碼軌道 11和第二編碼軌道12,所述第一編碼軌道11包括多個均勻排列且與測量方向呈a角的光柵 條紋，所述第二編碼軌道12包括多個均勻排列且與測量方向呈0角的光柵條紋，所述基礎(chǔ)軌 道10、第一編碼軌道11和第二編碼軌道12的高度均為h，所述基礎(chǔ)軌道10的光柵條紋與測量 方向的夾角為y，a、P和y滿足以下關(guān)系： flan B =/?lany
[0036] ，
[tan a - n lan p - ir tan y
[0037] 其中，n表示每個軌道所占的光電探測器3的光敏元個數(shù)且n = h/d，d表示相鄰光敏 元之間的中心距。
[0038] 進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述光電探測器3采用線陣CMOS傳感器或線陣C⑶傳 感器。
[0039 ]本發(fā)明還提供了一種絕對式光柵尺的測量方法，包括步驟：
[0040] S1、將標(biāo)尺光柵2安裝在待測物體上，并驅(qū)動待測物體進行移動；
[0041] S2、平行光源發(fā)出的平行光束通過標(biāo)尺光柵2后照射到光電探測器3上；
[0042] S3、光電探測器3采集到達的光信號并轉(zhuǎn)換為測量電信號后發(fā)送到信號處理模塊 4；
[0043] S4、信號處理模塊4對測量電信號進行處理后解析獲得基礎(chǔ)軌道10和多個編碼軌 道的測量值進而計算獲得絕對位置測量值。
[0044]進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述步驟S4，具體包括：
[0045] S41、信號處理模塊4對測量電信號進行預(yù)處理后，分割獲得與基礎(chǔ)軌道10和各編 碼軌道對應(yīng)的多個測量圖像塊；
[0046] S42、分別對多個測量圖像塊進行邊緣檢測處理后，獲取每個測量圖像塊中采集到 的編碼點與對應(yīng)的編碼軌道的底部之間的距離；
[0047] S43、結(jié)合基礎(chǔ)軌道10和每個編碼軌道的光柵條紋在水平方向的投影長度，計算獲 得絕對位置測量值。
[0048]進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述步驟S43，其具體為：
[0049] 結(jié)合基礎(chǔ)軌道10和每個編碼軌道的光柵條紋在水平方向的投影長度，根據(jù)下式計 算獲得絕對位置測量值：
[0050] d = d〇X (l〇/h)+diX (li/h)+d2X (l2/h)+...+dnX (ln/h)
[0051] 上式中，d表示絕對位置測量值，do表示基礎(chǔ)軌道10對應(yīng)的測量圖像塊中的編碼點 與該編碼軌道的底部之間的距離，cU表示第一編碼軌道11對應(yīng)的測量圖像塊中的編碼點與 該編碼軌道的底部之間的距離，d 2表示第二編碼軌道12對應(yīng)的測量圖像塊中的編碼點與該 編碼軌道的底部之間的距離，dn表示第n編碼軌道對應(yīng)的測量圖像塊中的編碼點與該編碼 軌道的底部之間的距離，n為自然數(shù)，和l n分別表示基礎(chǔ)軌道10、第一編碼軌道11、 第二編碼軌道12和第n編碼軌道的光柵條紋在水平方向上的投影長度，h表示每個軌道的高 度且l n/h表示對應(yīng)的碼道的光柵條紋與水平方向夾角的余切值。
[0052]以下結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做詳細說明。
[0053]實施例一參照圖1和圖2, 一種絕對式光柵尺，包括平行光源模塊1、標(biāo)尺光柵2、光 電探測器3和信號處理模塊4,標(biāo)尺光柵2上設(shè)有一基礎(chǔ)軌道10以及多個編碼軌道，基礎(chǔ)軌道 10包括一個與測量方向呈傾斜狀態(tài)的光柵條紋，各編碼軌道均包括多個均勻地呈周期排列 且與測量方向呈傾斜狀態(tài)的光柵條紋，且各編碼軌道分別具有不同周期，平行光源模塊1發(fā) 出的平行光束通過標(biāo)尺光柵2后照射到光電探測器3上，光電探測器3用于采集到達的光信 號并轉(zhuǎn)換為測量電信號后發(fā)送到信號處理模塊4,信號處理模塊4用于對測量電信號進行處 理后解析獲得多個編碼軌道的測量值進而計算獲得絕對位置測量值。
[0054]基礎(chǔ)軌道10和各編碼軌道的高度均相同，各軌道具有不同的測量分辨率，且相鄰 的軌道中，測量分辨率較高的軌道上的光柵條紋與測量方向的夾角的正切值等于測量分辨 率較低的軌道上的光柵條紋與測量方向的夾角的正切值的n倍，其中n表示每個軌道所占的 光電探測器3的光敏元個數(shù)且n = h/d，h表示各軌道的高度，d表示相鄰光敏元之間的中心 距。
[0055]本實施例中，編碼軌道的數(shù)量共兩個，分別為第一編碼軌道11和第二編碼軌道12， 第一編碼軌道11包括多個均勻排列且與測量方向呈a角的光柵條紋，第二編碼軌道12包括 多個均勻排列且與測量方向呈0角的光柵條紋，基礎(chǔ)軌道10、第一編碼軌道11和第二編碼軌 道12的高度均為h，基礎(chǔ)軌道10的光柵條紋與測量方向的夾角為y，a、0和y滿足以下關(guān)系： ftan {3
[0056] ^ 2 | lan a = /? tan p = n tan y
[0057] 其中，n表示每個軌道所占的光電探測器3的光敏元個數(shù)且n = h/d，d表示相鄰光敏 元之間的中心距。
[0058]以此類推，當(dāng)編碼軌道的數(shù)量為三個或更多時，相鄰軌道的光柵條紋與測量方向 的夾角的正切值之間也是n倍關(guān)系，本發(fā)明不再一一列舉。
[0059] 本實施例中，光電探測器3采用線陣CMOS傳感器或線陣CCD傳感器。其線陣采集方 向垂直于絕對式光柵尺的運動方向。光電探測器3所拍攝到的線陣圖像為一列垂直于絕對 式光柵尺的相對運動方向的圖像。假設(shè)采用像素總數(shù)為2048的線陣CCD傳感器為例，像素總 數(shù)為2048,則基礎(chǔ)軌道和2個編碼軌道中每個軌道最多能分辨的像素數(shù)為2048/3。需要注意 的是，本發(fā)明中的高度是指圖2中的豎直方向的度量，實際上，標(biāo)尺光柵2平放時，該方向也 可稱為寬度方向。
[0060] 更詳細的，本實施例中，線陣CCD傳感器的像素中心距為14WI1，像素個數(shù)為2048,每 個軌道在線陣CCD傳感器上所占的像素為680個像素點。第一編碼軌道11為角度為a = 45度 的斜線，柵線寬度為10M1，并且在整個碼道編碼長度內(nèi)不斷重復(fù)這種斜線。第二編碼軌道12 為多個均勻排列且與測量方向呈角度0的光柵條紋，第二編碼軌道12的第一條完整斜線（即 光柵條紋)對應(yīng)第一編碼軌道11的n個周期內(nèi)的所有光柵條紋，同理第二編碼軌道12的第二 條完整斜線（即光柵條紋)對應(yīng)第一編碼軌道11的n個周期內(nèi)的所有光柵條紋，依據(jù)此規(guī)律 類推?；A(chǔ)軌道10只有一個光柵條紋，其傾斜角度為Y，該光柵條紋對應(yīng)第二編碼軌道12的 n個周期內(nèi)的所有光柵條紋。上述n為每個軌道在線陣CCD傳感器上所占的像素個數(shù)，其值為 680。因此，采用本發(fā)明后，第一編碼軌道11、第二編碼軌道12光柵條紋之間的刻畫間距較 大，從而刻畫難度大大降低，降低了制作成本，而且可以提高測量的準(zhǔn)確度，提高測量分辨 率。
[0061]圖3、圖4、圖5中每段的目標(biāo)點到該段的起點al、a2或a3的距離，都是在0到680個像 素之間，三個軌道的目標(biāo)點信息的排列組合所包含的絕對位置信息有6803個。通過采集回 來的距離dLdhcb的計算，可以得出具體的絕對位置測量值。其計算方法較為簡單，有利于 提高絕對位置測量值的處理速度。
[0062]當(dāng)線陣CCD傳感器采集的位置位于標(biāo)尺光柵2的最左端時，3條軌道的柵線分別在 線陣CCD傳感器的起點al、a2和a3處，即：即得到絕對式光柵尺的編碼零點對應(yīng)的編碼(cU， d2，d3)為(0，0，0)。當(dāng)光柵尺標(biāo)尺光柵移動時，線陣CCD采集三個碼道的光柵圖像，光柵圖像 傳遞到信號處理模塊經(jīng)過處理后得到山、(1 2和d3。
[0063]通過采集回來的距離dhdhcb的計算，可以得出具體的絕對位置值。其計算方法較 為簡單，有利于提高絕對位置值的處理速度。絕對位置值d的數(shù)學(xué)計算公式為：
[0064] d = d〇X (l〇/h)+diX (li/h)+d2X (b/h)
[0065]本發(fā)明中3條碼道中的最大絕對位置所對應(yīng)的絕對位置編碼為(680,680,680)?？?編碼周期為6803，編碼長度為（680 X 680 X 680) X lOwii即314.4m。
[0066] 實施例二，一種絕對式光柵尺的測量方法，包括步驟：
[0067] S1、將標(biāo)尺光柵2安裝在待測物體上，并驅(qū)動待測物體進行移動；
[0068] S2、平行光源發(fā)出的平行光束通過標(biāo)尺光柵2后照射到光電探測器3上；
[0069] S3、光電探測器3采集到達的光信號并轉(zhuǎn)換為測量電信號后發(fā)送到信號處理模塊 4；
[0070] S4、信號處理模塊4對測量電信號進行處理后解析獲得基礎(chǔ)軌道10和多個編碼軌 道的測量值進而計算獲得絕對位置測量值，具體包括步驟S41~S43:
[0071] S41、信號處理模塊4對測量電信號進行預(yù)處理后，分割獲得與基礎(chǔ)軌道10和各編 碼軌道對應(yīng)的多個測量圖像塊；
[0072] S42、分別對多個測量圖像塊進行邊緣檢測處理后，獲取每個測量圖像塊中采集到 的編碼點與對應(yīng)的編碼軌道的底部之間的距離；
[0073] S43、結(jié)合基礎(chǔ)軌道10和每個編碼軌道的光柵條紋在水平方向的投影長度，計算獲 得絕對位置測量值，步驟S43具體為：
[0074] 結(jié)合基礎(chǔ)軌道10和每個編碼軌道的光柵條紋在水平方向的投影長度，根據(jù)下式計 算獲得絕對位置測量值：
[0075] d = d〇X (l〇/h)+diX (h/h)+d2X (l2/h)+---+dnX (ln/h)
[0076] 上式中，d表示絕對位置測量值，do表示基礎(chǔ)軌道10對應(yīng)的測量圖像塊中的編碼點 與該編碼軌道的底部之間的距離，cU表示第一編碼軌道11對應(yīng)的測量圖像塊中的編碼點與 該編碼軌道的底部之間的距離，d 2表示第二編碼軌道12對應(yīng)的測量圖像塊中的編碼點與該 編碼軌道的底部之間的距離，dn表示第n編碼軌道對應(yīng)的測量圖像塊中的編碼點與該編碼 軌道的底部之間的距離，n為自然數(shù)，和l n分別表示基礎(chǔ)軌道10、第一編碼軌道11、 第二編碼軌道12和第n編碼軌道的光柵條紋在水平方向上的投影長度，h表示每個軌道的高 度且Wh表示對應(yīng)的碼道的光柵條紋與水平方向夾角的余切值，例如lo/h表示基礎(chǔ)碼道的 光柵條紋與水平方向夾角的余切值，l 2/h表示第二編碼軌道12的光柵條紋與水平方向夾角 的余切值。
[0077]以上是對本發(fā)明的較佳實施進行了具體說明，但本發(fā)明創(chuàng)造并不限于實施例，熟 悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可做出種種的等同變形或替換，這些 等同的變型或替換均包含在本申請權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 絕對式光柵尺，其特征在于，包括平行光源模塊、標(biāo)尺光柵、光電探測器和信號處理 模塊，所述標(biāo)尺光柵上設(shè)有一基礎(chǔ)軌道W及多個編碼軌道，所述基礎(chǔ)軌道包括一個與測量 方向呈傾斜狀態(tài)的光柵條紋，各所述編碼軌道均包括多個均勻地呈周期排列且與測量方向 呈傾斜狀態(tài)的光柵條紋，且各編碼軌道分別具有不同周期，所述平行光源模塊發(fā)出的平行 光束通過標(biāo)尺光柵后照射到光電探測器上，所述光電探測器用于采集到達的光信號并轉(zhuǎn)換 為測量電信號后發(fā)送到信號處理模塊，所述信號處理模塊用于對測量電信號進行處理后解 析獲得多個編碼軌道的測量值進而計算獲得絕對位置測量值。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕對式光柵尺，其特征在于，所述基礎(chǔ)軌道和各編碼軌道的高 度均相同，各所述軌道具有不同的測量分辨率，且相鄰的軌道中，測量分辨率較高的軌道上 的光柵條紋與測量方向的夾角的正切值等于測量分辨率較低的軌道上的光柵條紋與測量 方向的夾角的正切值的n倍，其中n表示每個軌道所占的光電探測器的光敏元個數(shù)且n = h/ d，h表示各軌道的高度，d表示相鄰光敏元之間的中屯、距。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕對式光柵尺，其特征在于，所述編碼軌道的數(shù)量共兩個，分 別為第一編碼軌道和第二編碼軌道，所述第一編碼軌道包括多個均勻排列且與測量方向呈 a角的光柵條紋，所述第二編碼軌道包括多個均勻排列且與測量方向呈0角的光柵條紋，所 述基礎(chǔ)軌道、第一編碼軌道和第二編碼軌道的高度均為h，所述基礎(chǔ)軌道的光柵條紋與測量 方向的夾角為丫，a、e和丫滿足W下關(guān)系：其中，n表示每個軌道所占的光電探測器的光敏元個數(shù)且n = h/d，d表示相鄰光敏元之 間的中屯、距。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕對式光柵尺，其特征在于，所述光電探測器采用線陣CMOS傳 感器或線陣CCD傳感器。5. 權(quán)利要求1所述的絕對式光柵尺的測量方法，其特征在于，包括步驟： 51、 將標(biāo)尺光柵安裝在待測物體上，并驅(qū)動待測物體進行移動； 52、 平行光源發(fā)出的平行光束通過標(biāo)尺光柵后照射到光電探測器上； 53、 光電探測器采集到達的光信號并轉(zhuǎn)換為測量電信號后發(fā)送到信號處理模塊； 54、 信號處理模塊對測量電信號進行處理后解析獲得基礎(chǔ)軌道和多個編碼軌道的測量 值進而計算獲得絕對位置測量值。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的絕對式光柵尺的測量方法，其特征在于，所述步驟S4，具體包 括： 541、 信號處理模塊對測量電信號進行預(yù)處理后，分割獲得與基礎(chǔ)軌道和各編碼軌道對 應(yīng)的多個測量圖像塊； 542、 分別對多個測量圖像塊進行邊緣檢測處理后，獲取每個測量圖像塊中采集到的編 碼點與對應(yīng)的編碼軌道的底部之間的距離； 543、 結(jié)合基礎(chǔ)軌道和每個編碼軌道的光柵條紋在水平方向的投影長度，計算獲得絕對 位置測量值。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的絕對式光柵尺的測量方法，其特征在于，所述步驟S43,其具體 為： 結(jié)合基礎(chǔ)軌道和每個編碼軌道的光柵條紋在水平方向的投影長度，根據(jù)下式計算獲得 絕對位置測量值： d = d〇X (l〇/h)+diX (h/h)+d2X (l2/h)+'.'+dnX (In/h) 上式中，d表示絕對位置測量值，do表示基礎(chǔ)軌道對應(yīng)的測量圖像塊中的編碼點與該編 碼軌道的底部之間的距離，山表示第一編碼軌道對應(yīng)的測量圖像塊中的編碼點與該編碼軌 道的底部之間的距離，Cb表示第二編碼軌道對應(yīng)的測量圖像塊中的編碼點與該編碼軌道的 底部之間的距離，dn表示第n編碼軌道對應(yīng)的測量圖像塊中的編碼點與該編碼軌道的底部 之間的距離，n為自然數(shù)，l〇、h、l2和In分別表示基礎(chǔ)軌道、第一編碼軌道、第二編碼軌道和 第n編碼軌道的光柵條紋在水平方向上的投影長度，h表示每個軌道的高度且InA表示對應(yīng) 的碼道的光柵條紋與水平方向夾角的余切值。
【文檔編號】G01D5/34GK105910631SQ201610213192
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月7日
【發(fā)明人】王晗, 柴寧, 陳新, 陳新度, 巫孟良, 廖劍祥, 黃明輝, 李彬, 韓錦, 張芳健
【申請人】廣東工業(yè)大學(xué)