專利名稱：單碼道絕對式線位移光柵尺虛擬增量式碼道構造方法和解碼方法
技術領域：
本發明屬于光學計量領域，涉及一種單碼道絕對式線位移光柵尺虛擬增量式碼道構造方法和解碼方法。
背景技術：
單碼道絕對式線位移光柵尺是一種屬于國際先進水平的光柵尺，用于高檔精密機床。在國際上僅有德國、美國、日本等少數國家掌握該技術。由于技術保密原因，國內尚無同類產品，仍處于研發階段。目前單碼道絕對式線位移光柵尺的讀數基于絕對碼道的視頻信號。這種方法存在兩個基本問題:一是不能做細分處理，影響光柵尺的精度；二是抗干擾能力較差。換言之，光柵尺必須具有高質量的絕對式碼道，否則容易產生讀數錯誤。解決上述問題的基本方法是在絕對式線位移光柵尺上加刻一條物理增量式碼道，使光柵尺成為雙碼道絕對式線位移光柵尺。但兩條物理碼道必須對準，這對加工工藝具有很高的要求，增加了光柵尺的制造成本。虛擬增量式碼道技術為解決單碼道絕對式線位移光柵尺讀數問題提供了另一種途徑。它與增加物理增量式碼道技術的不同之處在于:它通過信號處理方法合成一條虛擬的增量式碼道，用于代替物理增量式碼道。目前尚無虛擬增量式碼道技術的報道。
發明內容
針對上述絕對式線位移光柵尺的技術問題，本發明提出了一種單碼道絕對式線位移光柵尺虛擬增量式碼道構造方法和解碼方法，通過信號處理方法合成一條虛擬的增量式碼道，用于代替物理增量式碼道，該方法大大降低了讀數錯誤。為實現上述目的，本發明采用如下技術方案:一種單碼道絕對式線位移光柵尺的虛擬增量式碼道的構造方法，所述虛擬增量式碼道為從絕對式碼道接收到絕對位置信號后用該信號生成一串脈沖而組成的信號，所述一串脈沖中的每個脈沖是讀數頭經過一個柵距時所產生的，其寬度與光柵尺的一個柵距相對應；將線型CXD像素分為兩大組，每個大組分為L個小組，每個小組的線視場為光柵尺的二分之一柵距，兩個大組中的2L個小組交替設置；當讀數頭在絕對式碼道上運行時，每經過一個柵距，所述像素小組中至少有兩個小組各自經過光柵尺上的一條刻線從而產生一個脈沖，將這些脈沖取平均值后即得虛擬增量式碼道的輸出。作為本發明的優選實施例，當讀數頭移動時，每個小組的輸出電平為Ink(t)，其中，n=l，2，k=l，2，...，L，當 Ink對應字符“O”時，輸出低電平，當Ink對應刻線時，輸出高電平，所述虛擬增量式碼道輸出的信號為:A(Z) = —X,.,:( ) —,0)，= ~Σλ.:(/: (Λ) -/()i
其中，J1(Z) M I2W相差半個柵距，分別為兩個大組的輸出，10為C⑶一個小組像素通過字符“O”時的輸出電平，N為CCD視場內刻線的個數。一種單碼道絕對式線位移光柵尺的虛擬增量式碼道的解碼方法，首先確定上電時讀數頭的起始位置，然后，檢測虛擬增量式碼道的極大值點和細分點，如果檢測到的是極大值點，根據讀數頭右移或左移給前一個解碼值加I或減1，作為新的解碼值；如果檢測到的是細分點，給當前解碼值加或減細分值，作為新的解碼值，最后輸出解碼值，其中所述細分點包括二分點和四分點，二分點指一個柵距的中點，四分點指一個柵距四等分的點，所述細分值指當前細分點和與其相鄰的前一個虛擬增量式碼道極大值點之間的距離。作為本發明的優選實施例，用虛擬增量式碼道輸出信號脈沖的極小值點檢測二分
點，用T1 (/) - Un的過零點檢測四分點，過零點指信號脈沖與橫坐標相交的點。作為本發明的優選實施例，所述上電時讀數頭起始位置按照以下方法確定:(5.1)令讀數頭從當前位置開始向前或向后移動，檢測信號Z1或/2的極大值點，如果檢測到極大值點，則轉入步驟(5.2)；(5.2)當讀數頭經過一個柵距時，對兩端I11和輸出電平做二值化處理，結果O或I作為讀取的字符分別計入字符數組A和B ;(5.3)當數組A和B的長度與絕對編碼的字符串碼字長度相同時，讀數頭停止運動，對A和B進行絕對解碼；(5.4)若A和B的絕對解碼值相差給定長度，轉到(5.5);否則轉到(5.1)重復上述步驟，直至A和B的絕對解碼值相差給定長度為止；(5.5)細分處理，將t=0到J1Ii J2的第一個極大值點的虛擬碼道波形作細分處理，
由A或B得到的絕對解碼值加或減細分值作為讀數頭起始位置值輸出。與現有技術相比，本發明至少具有以下優點:本發明虛擬增量式碼道是利用從單碼道絕對式線位移光柵尺的絕對式碼道上獲取的信息，通過信號處理方法產生的一串脈沖組成的信號，每個脈沖是讀數頭經過一個柵距時所產生的，它的寬度與光柵尺的柵距對應，所以可實現細分處理，同時，本發明虛擬增量式碼道是多個脈沖的平均，因而大大降低了由于個別刻線受到污染而產生的讀數錯誤的概率。
圖1是本發明線型CXD (或CMOS)像素分組與虛擬增量式碼道構造示意圖，其中，其中CXD中的小方格表示一組像素，光柵尺上的黑色長方形表示一條刻線。
具體實施例方式虛擬增量式碼道是利用從單碼道絕對式線位移光柵尺的絕對式碼道上獲取的信息，通過信號處理方法產生的一串脈沖組成的信號。它主要用于單碼道絕對式線位移光柵尺的設計制造，用以代替物理增量式碼道，實現單碼道絕對式線位移光柵尺的細分處理，同時提供一種新的讀數與解碼方法，克服光柵尺讀數容易出錯的不足，提高了可靠性。目前，單碼道絕對式線位移光柵尺的讀數基于CXD (或CMOS)輸出的視頻信號，通過二值化處理獲取絕對式編碼。由于處理的信號是二值數字信號，因而無法細分。此外，視頻信號易受噪聲、光柵尺制造工藝的影響。對于精度達微米級的高精度線位移光柵尺來說，常常出現讀數錯誤。而虛擬增量式碼道是脈沖組成的信號(模擬或多比特量化的信號)，每個脈沖是讀數頭經過一個柵距時所產生的，它的寬度與光柵尺的柵距對應，所以可實現細分處理。而且每個脈沖是從絕對式碼道檢測到的多個脈沖的平均，理論上這種平均就是均值濾波，它使脈沖趨于期望的波形，可減小噪聲以及個別刻線受污染的干擾。因此，相比CCD(或CMOS)輸出的視頻信號而言，基于虛擬增量式碼道的讀數方法具有更高的抗噪能力。目前，人們解決單碼道絕對式線位移光柵尺細分問題的方法是在光柵尺上增加一條物理增量式碼道。比較而言，使用虛擬增量式碼道技術的絕對式線位移光柵尺只需要一條物理絕對式碼道，取消了物理增量式碼道，因而降低了光柵尺的生產成本。下面結合附圖對本發明方法做進一步詳細闡述:1、虛擬增量式碼道構造方法將線型CXD (或CMOS)的像素分為兩大組，每個組又分為L個小組，每小組的線視場(即可視范圍)為一個柵距的1/2，如圖1所示。假設每一小組像素在運動中輸出電平為I^t)，n=l，2，k=l，2,...,1,并且當Ink對應字符‘0’時輸出低電平I。；對應刻線，即經過字符‘I’時輸出較高電平。再假定CXD視場內有N個字符‘I’。在絕對編碼滿足均勻性條件時，N>1，但在光柵尺的不同位置N可能不同。于是定義信號
權利要求
1.一種單碼道絕對式線位移光柵尺虛擬增量式碼道構造方法，其特征在于:所述虛擬增量式碼道為從絕對式碼道接收到絕對位置信號后用該信號生成一串脈沖而組成的信號，所述一串脈沖中的每個脈沖是讀數頭經過一個柵距時所產生的，其寬度與光柵尺的一個柵距相對應；將線型CCD像素分為兩大組，每個大組分為L個小組，每個小組的線視場為光柵尺的二分之一柵距，兩個大組中的2L個小組交替設置；當讀數頭在絕對式碼道上運行時，每經過一個柵距，所述像素小組中至少有兩個小組各自經過光柵尺上的一條刻線從而產生一個脈沖，將這些脈沖取平均值后即得虛擬增量式碼道的輸出。
2.如權利要求1所述的構造方法，其特征在于:當讀數頭移動時，每個小組的輸出電平為Ink⑴，其中，n=l，2，k=l，2，...，L，當Inl^應字符“O”時，輸出低電平，當Ink對應刻線時，輸出高電平，所述虛擬增量式碼道輸出的信號為:
3.一種基于權利要求1所述的單碼道絕對式線位移光柵尺虛擬增量式碼道的解碼方法，其特征在于，首先確定上電時讀數頭的起始位置，然后，檢測虛擬增量式碼道的極大值點和細分點，如果檢測到的是極大值點，根據讀數頭右移或左移給前一個解碼值加I或減1，作為新的解碼值；如果檢測到的是細分點，給當前解碼值加或減細分值，作為新的解碼值，最后輸出解碼值，其中所述細分點包括二分點和四分點，二分點指一個柵距的中點，四分點指一個柵距四等分的點，所述細分值指當前細分點和與其相鄰的前一個虛擬增量式碼道極大值點之間的距離。
4.如權利要求3所述的解碼方法，其特征在于，用虛擬增量式碼道輸出信號脈沖的極小值點檢測二分點，用/:(/) ⑴的過零點檢測四分點，過零點指信號脈沖與橫坐標相交的點。
5.如權利要求3所述的解碼方法，其特征在于:上電時讀數頭起始位置按照以下方法確定: (5.1)令讀數頭從當前位置開始向前或向后移動，檢測信號1；或/2的極大值點，如果檢測到極大值點，則轉入步驟(5.2)； (5.2)當讀數頭經過一個柵距時，對兩端I11和1%輸出電平做二值化處理，結果O或I作為讀取的字符分別計入字符數組A和B ; (5.3)當數組A和B的長度與絕對編碼的碼字長度相同時，讀數頭停止運動，對A和B進行絕對解碼； (5.4)若A和B的絕對解碼值相差給定長度，轉到(5.5);否則轉到(5.1)重復上述步驟，直至A和B的絕對解碼值相差給定長度為止； (5.5)細分處理，將t=0到的第一個極大值點的虛擬碼道波形作細分處理，由A或B得到的絕對解碼值加或減細分值作為讀數頭起始位置值輸出。
全文摘要
一種單碼道絕對式線位移光柵尺虛擬增量式碼道構造方法和解碼方法。所述虛擬增量式碼道是利用從絕對式碼道接收到的信號生成的一串脈沖組成的信號，所述一串脈沖中的每個脈沖是讀數頭經過一個柵距時所產生的，其寬度與光柵尺的柵距相對應。本發明基于虛擬增量式碼道的解碼方法大大降低了由于光柵尺刻線受污染而產生的讀數錯誤的概率，并且可實現細分處理。
文檔編號G01D5/347GK103148876SQ20131006135
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月27日 優先權日2013年2月27日
發明者劉峰, 彭濟根, 劉紅忠 申請人:西安交通大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
