不同結(jié)構(gòu)絕對光柵尺的誤碼機制研究

韋青海，陳 新，劉 強，王 晗，陳 彬，房飛宇

（1.廣東工業(yè)大學(xué) 機電學(xué)院 廣州510006；2.廣東省微納加工技術(shù)與裝備重點實驗室 廣州510006）

引言

光柵尺廣泛運用于精密儀器設(shè)備［1－2］，它的精度對全自動設(shè)備發(fā)揮著非常重要的作用［3－4］。就功能而言，光柵尺分為增量式和絕對式，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，絕對式光柵尺具有越來越大優(yōu)勢，因為絕對尺具有增量式光柵尺所沒有的優(yōu)點：上電后直接得到當(dāng)前位置信息，無需“歸零”操作，簡化了控制系統(tǒng)設(shè)計；絕對位置在讀數(shù)頭中完成，無需后續(xù)細(xì)分電路；采用雙向串行通信技術(shù)，通信可靠［5］。但是絕對尺昂貴的價格和粗大的結(jié)構(gòu)尺寸，還不能夠廣泛運用于自動化［6］。因此絕對光柵尺技術(shù)有待進一步研究。

基于增量光柵尺原理，傳統(tǒng)絕對式光柵尺原理一般采用多碼道技術(shù)，利用感光二極管接收絕對碼信息［7］。區(qū)別于傳統(tǒng)技術(shù)，目前已有相當(dāng)多的研究單位使用圖像識別傳感器的方法來獲取絕對位置［8］，而圖像識別技術(shù)使得單碼道技術(shù)得以實現(xiàn)，那么對圖像進行再細(xì)分時就不會對絕對位置造成干擾［9］。圖像識別絕對光柵尺經(jīng)常采用基于CCD像素數(shù)的變化來記錄絕對位置的變化［10］。本文使用FPGA驅(qū)動CMOS攝像頭采集絕對碼道的圖像信息，F(xiàn)PGA采集方法比傳統(tǒng)方法更具有穩(wěn)定性［11］。就絕對式光柵尺結(jié)構(gòu)而言，其分為開放式絕對式光柵尺和封閉式絕對光柵尺。兩者的工作原理相同，只是結(jié)構(gòu)有所不同，因此性能也有所差異。近來很多研究已經(jīng)把光柵尺本身誤差當(dāng)做測量誤差來源來研究［12］，盡管有很多相關(guān)單位都在研究絕對位置測量原理，但是很少深入研究絕對光柵尺的測量誤差及錯誤［13］。

本文以基于CMOS圖像識別的開放式和封閉式絕對光柵尺作為研究對象，通過大量對比實驗，并結(jié)合相應(yīng)理論，研究不同結(jié)構(gòu)性能對圖像識別絕對光柵尺造成的誤差和誤碼特點。

1 絕對光柵尺原理

早期光柵尺為增量式光柵尺，普遍采用摩爾條紋原理。隨著超精密工業(yè)發(fā)展以及測量技術(shù)要求越來高，絕對光柵尺能檢測絕對位置，開機無需復(fù)位找零，因此具有更大的實用優(yōu)勢。絕對式光柵尺利用編碼方法來識別絕對位置，傳統(tǒng)絕對式光柵尺一般基于摩爾條紋的多碼道技術(shù)，利用感光二極管采集編碼信息，最終輸出絕對位置。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，圖像拍攝技術(shù)、數(shù)據(jù)采集速度和數(shù)據(jù)處理速度得到很大提高，因此利用圖像識別傳感器的方法來獲取絕對位置是一種趨勢。

基于CMOS圖像識別絕對光柵尺的關(guān)鍵部件：刻有絕對碼的單碼道光柵面板、金相物鏡、CMOS攝像頭、驅(qū)動CMOS的FAGA模塊，進行數(shù)據(jù)處理的DSP模塊。其獲取絕對位置的方法與傳統(tǒng)的原理截然不同。金相物鏡將光柵面板上的絕對碼放大，F(xiàn)APGA驅(qū)動CMOS攝像頭直接拍攝放大后的絕對碼圖像，DSP模塊對FPGA采集到的圖像信息進行數(shù)據(jù)處理，并將絕對位置以數(shù)字信息顯示在顯示屏上。基于CMOS圖像識別絕對光柵尺原理系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 圖像識別絕對光柵尺原理系統(tǒng)流程圖Fig.1 Working flow chart of image identification absolute grating scale

區(qū)別于傳統(tǒng)式摩爾條原理光柵尺，基于CMOS圖像識別絕對光柵尺只有主光柵，無需指示光柵。使用一個金相物鏡直接將光柵面板上的絕對編碼放大，放大后的絕對碼圖像攝入CMOS攝像頭，為圖像采集系統(tǒng)提供位置信息。光學(xué)放大系統(tǒng)使用金相物鏡，具有放大后成像距離為無窮遠(yuǎn)的優(yōu)點，可在任意位置觀測到放大后的圖像，因此利于攝像頭抓獲放大后的成像，同時也提高其動態(tài)防抖性能。背光源為平行光，以降低光源造成光學(xué)干涉，提高成像質(zhì)量?；贑MOS圖像識別絕對光柵尺的光路系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 光路系統(tǒng)Fig.2 Light path system

FPGA模塊驅(qū)動CMOS攝像頭采集到瞬間位置碼段，并將此位置圖像信息傳遞給DSP模塊，DSP模塊根據(jù)事先編寫的相應(yīng)解碼程序解讀圖像信息進行快速數(shù)據(jù)處理，得出當(dāng)前的絕對位置信息，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息顯示到顯示器上。

2 誤碼分析

傳統(tǒng)絕對光柵尺通常采用格雷編碼方法，不同的碼道刻線組成代表著不同的二進制代碼，每一代碼對應(yīng)著獨一無二的絕對位置。本文采用單碼道技術(shù)，由偽隨機排列的“黑白”序列構(gòu)成絕對碼道，這種序列每連續(xù)n位代表一個絕對位置，相鄰的n位序列共享（n－1）位序列。

基于CMOS圖像識別絕對光柵尺的位置表達(dá)可用下式來描述：

式中：Mx是絕對位置值；Nx是里程碑絕對編碼值；K是光柵細(xì)分的增量值；B是相鄰光柵線之間的細(xì)分增量值；d、δ、σ是相應(yīng)值的權(quán)重參數(shù)，常數(shù)20為金相物鏡的放大倍率。絕對碼的編碼片段如圖3所示，不同的碼帶寬度對應(yīng)不同的二進制編碼，代表著不同的位置信息，采集系統(tǒng)采集到編碼圖片信息后，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，完成絕對位置的讀數(shù)。

圖3 絕對光柵編碼片段Fig.3 Code segment of absolute grating

工作環(huán)境中，存在振動現(xiàn)象，金相物鏡與光柵面板之間、CMOS攝像頭與金相物鏡之間的距離發(fā)生變化，金相物鏡的成像系統(tǒng)發(fā)生光學(xué)變化，以及運動時CMOS攝像頭拍照產(chǎn)生拖影，致使對絕對碼解碼困難甚至出錯，影響了解碼的速度以及準(zhǔn)確性。

1）金相物鏡與光柵面板之間的距離發(fā)生變化。金相物鏡浮動于光柵面板上，金相物鏡景深很小，約為L＝80μm，振動影響時，設(shè)金相物鏡的工作面與光柵面板間距離變化值為Δd，如果跳離景深范圍（Δd＞L），那么圖像將會很模糊甚至看不清，必然不能為DSP模塊提供準(zhǔn)確有用的相應(yīng)二進制圖片信息，如圖4所示。對應(yīng)于公式（1），得不到相應(yīng)的Nx值，而Nx是絕對位置Mx的主要值；同時，因為跳離景深范圍，所以拍攝的照片模糊甚至看不到，因此光柵線邊沿分界線模糊不清，也引起光柵線寬度、相鄰光柵線之間的寬度發(fā)生變化，不利于光柵細(xì)分增量值K、相鄰光柵線之間細(xì)分增值B的準(zhǔn)確獲取。絕對光柵尺與增量式光柵尺的工作原理存在一定差異，對增量式光柵尺而言，振動致使光柵計數(shù)錯亂，只會引起小范圍的誤差，其測量原理是累加計數(shù)，存在累計誤差；對絕對光柵尺而言，其測量原理不是累加計數(shù)，每一段代碼都有相應(yīng)的獨一無二的絕對位置，不存在累積誤差，如若發(fā)生錯誤解碼，就得不到相應(yīng)的絕對代碼值Nx，直接顯示錯位位置信息。

圖4 靜、動態(tài)碼道圖像比較Fig.4 Comparison of code segments between static and dynamic states

2）CMOS攝像頭與金相物鏡之間的距離在振動情況下會發(fā)生變化，同樣也會引起類似上述的后果，但其影響因子比較小。因為CMOS攝像頭與金相物鏡之間的連接為固定的剛性連接，受振動影響產(chǎn)生而產(chǎn)生的形變量很?。唤鹣辔镧R放大后所形成圖像的可視范圍為無窮遠(yuǎn)。

3）金相物鏡的光學(xué)成像系統(tǒng)發(fā)生變化。金相物鏡由復(fù)雜的光學(xué)鏡組組合而成，受振動影響時，導(dǎo)致圖像的畸形。圖像畸形，放大后圖像的光柵、相鄰光柵間隙的實際寬度必定差別于理論值，直接引起（1）式中K、B值變化。如果畸變程度嚴(yán)重，有可能會引起編碼的解碼出錯，那么（1）式中Nx值變化，此時的絕對位置值是錯誤的，是沒有意義的。

4）對CMOS攝像頭本身而言，由于拍攝幀頻限制，發(fā)生振動時，容易造成對圖像信息沒有完整抓獲。隨著使用時間的增長，CMOS發(fā)熱量增加，圖像的拍攝質(zhì)量也隨之下降，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致解碼出錯，而出現(xiàn)絕對位置報告出錯。

3 開放式與封閉式的比較分析

與傳統(tǒng)的光柵尺一樣，基于CMOS圖像識別的開放式與封閉式絕對光柵尺的工作原理完全相同，關(guān)鍵零部件都一樣。由于安裝環(huán)境的不同，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)有所相異。

對于開放式而言，安裝環(huán)境比較理想，污染源少，無需作防污染措施。開放式絕對光柵尺只有讀數(shù)頭以及光柵面板兩部分，并且兩者分別獨立安裝在機床的固定部分與運動部分，不存在任何連接。影響誤碼率的主要因素是機床導(dǎo)軌的性能，且振動是通過機床分別作用在讀數(shù)頭與尺身。

對于封閉式而言，安裝環(huán)境比較惡劣。為防止污染源對光柵污染和破壞，必須設(shè)計有封裝尺殼，如圖5所示。封閉式比開放式增加很多零部件，同時也增大了絕對光柵尺的誤碼率。金相物鏡和CMOS攝像頭是絕對光柵尺掃描頭的關(guān)鍵部件，類似傳統(tǒng)增量式光柵尺的指示光柵、光電二極管以及相關(guān)電路組成的掃描頭。封閉式絕對光柵尺的基本技術(shù)要求：保證金相物鏡工作面與光柵面板之間的距離，讀數(shù)頭依靠輔助滑軌安裝在絕對光柵尺尺殼上；金相物鏡固定在滑車上，借助滑輪緊貼在光柵面板上平行滑動，CMOS攝像頭安裝在金相物鏡的另一端，利用讀數(shù)頭－滑車連接板和滑車壓緊彈簧將滑車與讀數(shù)頭之間實現(xiàn)柔性連接，保證讀數(shù)頭緊貼在光柵面板上平行滑動，降低振動的影響。

圖5 封閉式絕對光柵尺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure of sealed absolute grating scale

4 實驗設(shè)計

根據(jù)上述分析，振動環(huán)境下，基于CMOS圖像識別絕對光柵尺的誤碼率更高。開放式絕對光柵尺與封閉式絕對光柵尺具有不同的結(jié)構(gòu)特點和性能。在相同環(huán)境下，以相同的驅(qū)動速度進行對比實驗?；贑MOS圖像識別絕對光柵尺完全依靠對圖像進行解碼得到絕對位置，因為拍攝速度及解碼速度的局限性，實驗以本絕對光柵樣尺的最高速度2mm／s進行。使用直線電機ArotechABL1500作為動力驅(qū)動源和參考對象，整個實驗在光學(xué)隔振平臺上進行，受外界影響很小。

ArotechABL1500使用氣浮導(dǎo)軌技術(shù)，屬于超精密儀器，具有高穩(wěn)定性和低振動特點，分辨：±12nm；精度：0.05μm；重復(fù)定位精度：0.02μm；直線度0.1μm。為確保其高精度，以免對實驗的造成干擾，使用激光干 RENISHAW XL-80對ArotechABL1500進行校核。主要是驗證直線電機的重復(fù)定位精度，ArotechABL1500的行程為100mm，驗證實驗每間隔2mm分別記錄激光干涉儀和ArotechABL1500的讀數(shù)，對比數(shù)據(jù)以驗證定位精度。驗證結(jié)果如圖6所示，由檢測結(jié)果顯示ArotechABL1500的定位精度在3μm以內(nèi)，因此，后面的開放式、封閉式絕對式光柵尺實驗直接以ArotechABL1500的讀數(shù)為基準(zhǔn)。

圖6 ArotechABL1500直線度和定位精度驗證校核Fig.6 Straightness and positional accuracy check of ArotechABL1500

開放式試驗。在光學(xué)隔振平臺上搭建基于CMOS圖像識別開放式絕對光柵尺實驗平臺，如圖7所示。光柵面板固定在ArotechABL1500滑動臺上，與其同步運動，作為光柵尺的可動部件；掃描部件（金相物鏡、光源、CMOS攝像頭）依靠3坐標(biāo)可調(diào)整的夾緊裝置固定在光學(xué)隔振平臺上，作為絕對光柵尺的固定部分；CMOS攝像頭的驅(qū)動模塊FPGA和數(shù)據(jù)處理模塊DSP封裝于同一封裝盒內(nèi)，用數(shù)據(jù)線將其與CMOS攝像頭連接好，置于光柵尺外部；用引線將顯示器與封裝盒之間連接好。

圖7 圖像識別開放式絕對光柵尺實驗Fig.7 Experiment of unsealed image identification absolute grating scale

封閉式實驗臺。在相同實驗環(huán)境下，在光學(xué)隔振臺上搭建基于CMOS圖像識別封閉式絕對光柵尺實驗平臺，如圖8所示。由于FPGA板和DSP板的尺寸比較大，因此封閉式絕對尺的零部件只包括光柵面板、金相物鏡、光源、CMOS攝像頭。金相物鏡安裝在滑車上，依靠滑輪和彈簧壓緊裝置保證期與光柵面板碼道間的工作距離，CMOS攝像頭安裝在金相物鏡的另一端，光源為背光源，因此該絕對尺為為透射式絕對光柵尺?；囃ㄟ^連接板和壓緊彈簧與讀數(shù)頭進行柔性連接，形成一個同步運動的整體。尺身安裝在光學(xué)隔振平臺上，作為絕對光柵尺的不動部分；讀數(shù)頭與Arotech－ABL1500的滑動臺固定連接，兩者同步運動。

圖8 圖像識別封閉式絕對光柵尺實驗Fig.8 Experiment of sealed image identification absolute grating

2個實驗在ArotechABL1500直線電機速度為2mm／s下進行，步進為2mm時記錄一次位置數(shù)據(jù)，最后根據(jù)基于CMOS圖像識別絕對光柵尺與ArotechABL1500直線電機的讀數(shù)，分析開放式與封閉式對基于CMOS圖像識別絕對光柵尺誤碼率的影響。

5 實驗結(jié)果與分析

上述的開放式絕對尺實驗與封閉式絕對尺實驗所使用的關(guān)鍵零部件皆相同，即光柵尺面板、金相物鏡、CMOS攝像頭、FPGA圖像采集板、DSP數(shù)據(jù)處理板都相同。測出的實驗數(shù)據(jù)如圖9所示。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可知，在沒有出現(xiàn)誤碼的情況下，開放式絕對光柵尺和封閉式絕對光柵尺的精度都能與ArotechABL1500的精度匹配，但是封閉式比開放式出現(xiàn)誤碼的概率更高。由上述的誤碼理論分析可知，因為封閉式絕對光柵尺的金相物鏡和CMOS攝像頭安裝在滑車上，所以滑車對封閉式絕對光柵尺性能產(chǎn)生很大的干擾影響。相對于開放式絕對光柵尺，封閉式絕對光柵尺的穩(wěn)定性不僅受直線電機導(dǎo)軌性能的影響，更多的是滑車裝置的影響。正如本實驗所使用的直線電機ArotechABL1500的穩(wěn)定很高，開放式絕對光柵尺的誤碼率就會很??；對于封閉式絕對尺，當(dāng)其工作時，金相物鏡和CMOS攝像頭依靠滑車在光柵面板上平行滑行。因此，光柵面板的平面度、粗糙度、滑車滑輪的勻稱度以及滑輪的穩(wěn)定性將決定COMS所能拍攝到圖像的準(zhǔn)確性。

圖9 實驗結(jié)果Fig.9 Experiment result

在允許的測量速度范圍內(nèi)，對應(yīng)于公式（1），絕對位置值主要取決于Nx，Nx是對圖像采集系統(tǒng)采集到的編碼信息而解出的位置信息。在某一瞬間，由于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，致使圖像采集系統(tǒng)所采集到的編碼信息不準(zhǔn)確。比如當(dāng)滑車晃動時，金相物鏡的工作面與光柵面板的距離發(fā)生變化，那么導(dǎo)致采集到的圖像會脫離預(yù)期值，因為距離的遠(yuǎn)近將會影響CMOS的可視范圍［10］，最終引起碼道信息錯誤而導(dǎo)致位置信息的錯誤，如圖4（b）所示，因為成像系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致圖像邊緣的變化而引起碼道信息的變化。這與增量式光柵尺產(chǎn)生的誤差有所不同：增量式光柵尺依據(jù)累加技術(shù)測量原理，會出現(xiàn)小范圍之內(nèi)誤差且存在累計誤差；而絕對光柵尺每段編碼信息對應(yīng)的是獨一無二的絕對位置信息，因此發(fā)生誤碼時，顯示的位置信息是完全錯誤的，與實際位置信息偏差非常大，這點在圖9所示的實驗數(shù)據(jù)是顯而易見的，但絕對光柵尺沒有累計誤差。對于公式（1）中的K、B值主要是細(xì)分技術(shù)計算值，因此兩者出現(xiàn)偏差時是造成絕對位置信息小范圍誤差，而不會造成誤碼。

6 結(jié)論

基于COMS圖像識別絕對光柵尺，開放式光柵尺與封閉式光柵尺的工作原理相同。封閉式光柵尺的結(jié)構(gòu)比開放式絕對光柵尺復(fù)雜，降低了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此封閉式絕對尺增加了自身的干擾。絕對光柵尺的每一位置對應(yīng)獨一無二的絕對編碼，一旦出現(xiàn)了誤碼，那么其所檢測到的位置是完全錯誤的。因此，封閉式絕對光柵尺的誤碼率更高，開放式絕對光柵尺的誤碼率為3%，封閉式絕對光柵尺的誤碼率高達(dá)8%。隨著高科技的發(fā)展，絕對光柵尺在精密領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，封閉式絕對光柵尺是市場的必須品。同時，隨著信息技術(shù)迅速發(fā)展，圖像誤別絕對光柵尺具有非常樂觀的發(fā)展前景。因此，對圖像誤別絕對光柵尺的研究具有一定的意義。

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