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不同結(jié)構(gòu)絕對(duì)光柵尺的誤碼機(jī)制研究

2015-06-01 03:38:16韋青海房飛宇
應(yīng)用光學(xué) 2015年1期
關(guān)鍵詞:光柵尺物鏡封閉式

韋青海,陳 新,劉 強(qiáng),王 晗,陳 彬,房飛宇

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院 廣州510006;2.廣東省微納加工技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州510006)

引言

光柵尺廣泛運(yùn)用于精密儀器設(shè)備[1-2],它的精度對(duì)全自動(dòng)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(duì)式,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,絕對(duì)式光柵尺具有越來越大優(yōu)勢(shì),因?yàn)榻^對(duì)尺具有增量式光柵尺所沒有的優(yōu)點(diǎn):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(jì);絕對(duì)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(duì)尺昂貴的價(jià)格和粗大的結(jié)構(gòu)尺寸,還不能夠廣泛運(yùn)用于自動(dòng)化[6]。因此絕對(duì)光柵尺技術(shù)有待進(jìn)一步研究。

基于增量光柵尺原理,傳統(tǒng)絕對(duì)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(duì)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(shí)別傳感器的方法來獲取絕對(duì)位置[8],而圖像識(shí)別技術(shù)使得單碼道技術(shù)得以實(shí)現(xiàn),那么對(duì)圖像進(jìn)行再細(xì)分時(shí)就不會(huì)對(duì)絕對(duì)位置造成干擾[9]。圖像識(shí)別絕對(duì)光柵尺經(jīng)常采用基于CCD像素?cái)?shù)的變化來記錄絕對(duì)位置的變化[10]。本文使用FPGA驅(qū)動(dòng)CMOS攝像頭采集絕對(duì)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(duì)式光柵尺結(jié)構(gòu)而言,其分為開放式絕對(duì)式光柵尺和封閉式絕對(duì)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(cè)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(duì)位置測(cè)量原理,但是很少深入研究絕對(duì)光柵尺的測(cè)量誤差及錯(cuò)誤[13]。

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

1 絕對(duì)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(cè)量技術(shù)要求越來高,絕對(duì)光柵尺能檢測(cè)絕對(duì)位置,開機(jī)無需復(fù)位找零,因此具有更大的實(shí)用優(yōu)勢(shì)。絕對(duì)式光柵尺利用編碼方法來識(shí)別絕對(duì)位置,傳統(tǒng)絕對(duì)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(duì)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(shí)別傳感器的方法來獲取絕對(duì)位置是一種趨勢(shì)。

基于CMOS圖像識(shí)別絕對(duì)光柵尺的關(guān)鍵部件:刻有絕對(duì)碼的單碼道光柵面板、金相物鏡、CMOS攝像頭、驅(qū)動(dòng)CMOS的FAGA模塊,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的DSP模塊。其獲取絕對(duì)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(duì)碼放大,F(xiàn)APGA驅(qū)動(dòng)CMOS攝像頭直接拍攝放大后的絕對(duì)碼圖像,DSP模塊對(duì)FPGA采集到的圖像信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,并將絕對(duì)位置以數(shù)字信息顯示在顯示屏上?;贑MOS圖像識(shí)別絕對(duì)光柵尺原理系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 圖像識(shí)別絕對(duì)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(shí)別絕對(duì)光柵尺只有主光柵,無需指示光柵。使用一個(gè)金相物鏡直接將光柵面板上的絕對(duì)編碼放大,放大后的絕對(duì)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(diǎn),可在任意位置觀測(cè)到放大后的圖像,因此利于攝像頭抓獲放大后的成像,同時(shí)也提高其動(dòng)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(shí)別絕對(duì)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(dòng)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(jìn)行快速數(shù)據(jù)處理,得出當(dāng)前的絕對(duì)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(duì)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(jìn)制代碼,每一代碼對(duì)應(yīng)著獨(dú)一無二的絕對(duì)位置。本文采用單碼道技術(shù),由偽隨機(jī)排列的“黑白”序列構(gòu)成絕對(duì)碼道,這種序列每連續(xù)n位代表一個(gè)絕對(duì)位置,相鄰的n位序列共享(n-1)位序列。

基于CMOS圖像識(shí)別絕對(duì)光柵尺的位置表達(dá)可用下式來描述:

式中:Mx是絕對(duì)位置值;Nx是里程碑絕對(duì)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(duì)碼的編碼片段如圖3所示,不同的碼帶寬度對(duì)應(yīng)不同的二進(jìn)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(duì)位置的讀數(shù)。

圖3 絕對(duì)光柵編碼片段Fig.3 Code segment of absolute grating

工作環(huán)境中,存在振動(dòng)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(yùn)動(dòng)時(shí)CMOS攝像頭拍照產(chǎn)生拖影,致使對(duì)絕對(duì)碼解碼困難甚至出錯(cuò),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(dòng)于光柵面板上,金相物鏡景深很小,約為L=80μm,振動(dòng)影響時(shí),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(huì)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(jìn)制圖片信息,如圖4所示。對(duì)應(yīng)于公式(1),得不到相應(yīng)的Nx值,而Nx是絕對(duì)位置Mx的主要值;同時(shí),因?yàn)樘x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(duì)光柵尺與增量式光柵尺的工作原理存在一定差異,對(duì)增量式光柵尺而言,振動(dòng)致使光柵計(jì)數(shù)錯(cuò)亂,只會(huì)引起小范圍的誤差,其測(cè)量原理是累加計(jì)數(shù),存在累計(jì)誤差;對(duì)絕對(duì)光柵尺而言,其測(cè)量原理不是累加計(jì)數(shù),每一段代碼都有相應(yīng)的獨(dú)一無二的絕對(duì)位置,不存在累積誤差,如若發(fā)生錯(cuò)誤解碼,就得不到相應(yīng)的絕對(duì)代碼值Nx,直接顯示錯(cuò)位位置信息。

圖4 靜、動(dòng)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(dòng)情況下會(huì)發(fā)生變化,同樣也會(huì)引起類似上述的后果,但其影響因子比較小。因?yàn)镃MOS攝像頭與金相物鏡之間的連接為固定的剛性連接,受振動(dòng)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(dòng)影響時(shí),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(shí)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(huì)引起編碼的解碼出錯(cuò),那么(1)式中Nx值變化,此時(shí)的絕對(duì)位置值是錯(cuò)誤的,是沒有意義的。

4)對(duì)CMOS攝像頭本身而言,由于拍攝幀頻限制,發(fā)生振動(dòng)時(shí),容易造成對(duì)圖像信息沒有完整抓獲。隨著使用時(shí)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(shí)可能導(dǎo)致解碼出錯(cuò),而出現(xiàn)絕對(duì)位置報(bào)告出錯(cuò)。

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(shí)別的開放式與封閉式絕對(duì)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(duì)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(duì)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(dú)立安裝在機(jī)床的固定部分與運(yùn)動(dòng)部分,不存在任何連接。影響誤碼率的主要因素是機(jī)床導(dǎo)軌的性能,且振動(dòng)是通過機(jī)床分別作用在讀數(shù)頭與尺身。

對(duì)于封閉式而言,安裝環(huán)境比較惡劣。為防止污染源對(duì)光柵污染和破壞,必須設(shè)計(jì)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(shí)也增大了絕對(duì)光柵尺的誤碼率。金相物鏡和CMOS攝像頭是絕對(duì)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(duì)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(duì)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(dòng),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(shí)現(xiàn)柔性連接,保證讀數(shù)頭緊貼在光柵面板上平行滑動(dòng),降低振動(dòng)的影響。

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

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析,振動(dòng)環(huán)境下,基于CMOS圖像識(shí)別絕對(duì)光柵尺的誤碼率更高。開放式絕對(duì)光柵尺與封閉式絕對(duì)光柵尺具有不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能。在相同環(huán)境下,以相同的驅(qū)動(dòng)速度進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)?;贑MOS圖像識(shí)別絕對(duì)光柵尺完全依靠對(duì)圖像進(jìn)行解碼得到絕對(duì)位置,因?yàn)榕臄z速度及解碼速度的局限性,實(shí)驗(yàn)以本絕對(duì)光柵樣尺的最高速度2mm/s進(jìn)行。使用直線電機(jī)ArotechABL1500作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)源和參考對(duì)象,整個(gè)實(shí)驗(yàn)在光學(xué)隔振平臺(tái)上進(jìn)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(dòng)特點(diǎn),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(duì)實(shí)驗(yàn)的造成干擾,使用激光干 RENISHAW XL-80對(duì)ArotechABL1500進(jìn)行校核。主要是驗(yàn)證直線電機(jī)的重復(fù)定位精度,ArotechABL1500的行程為100mm,驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)每間隔2mm分別記錄激光干涉儀和ArotechABL1500的讀數(shù),對(duì)比數(shù)據(jù)以驗(yàn)證定位精度。驗(yàn)證結(jié)果如圖6所示,由檢測(cè)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(duì)式光柵尺實(shí)驗(yàn)直接以ArotechABL1500的讀數(shù)為基準(zhǔn)。

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

開放式試驗(yàn)。在光學(xué)隔振平臺(tái)上搭建基于CMOS圖像識(shí)別開放式絕對(duì)光柵尺實(shí)驗(yàn)平臺(tái),如圖7所示。光柵面板固定在ArotechABL1500滑動(dòng)臺(tái)上,與其同步運(yùn)動(dòng),作為光柵尺的可動(dòng)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(tái)上,作為絕對(duì)光柵尺的固定部分;CMOS攝像頭的驅(qū)動(dòng)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(shí)別開放式絕對(duì)光柵尺實(shí)驗(yàn)Fig.7 Experiment of unsealed image identification absolute grating scale

封閉式實(shí)驗(yàn)臺(tái)。在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下,在光學(xué)隔振臺(tái)上搭建基于CMOS圖像識(shí)別封閉式絕對(duì)光柵尺實(shí)驗(yàn)平臺(tái),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(duì)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(duì)尺為為透射式絕對(duì)光柵尺?;囃ㄟ^連接板和壓緊彈簧與讀數(shù)頭進(jìn)行柔性連接,形成一個(gè)同步運(yùn)動(dòng)的整體。尺身安裝在光學(xué)隔振平臺(tái)上,作為絕對(duì)光柵尺的不動(dòng)部分;讀數(shù)頭與Arotech-ABL1500的滑動(dòng)臺(tái)固定連接,兩者同步運(yùn)動(dòng)。

圖8 圖像識(shí)別封閉式絕對(duì)光柵尺實(shí)驗(yàn)Fig.8 Experiment of sealed image identification absolute grating

2個(gè)實(shí)驗(yàn)在ArotechABL1500直線電機(jī)速度為2mm/s下進(jìn)行,步進(jìn)為2mm時(shí)記錄一次位置數(shù)據(jù),最后根據(jù)基于CMOS圖像識(shí)別絕對(duì)光柵尺與ArotechABL1500直線電機(jī)的讀數(shù),分析開放式與封閉式對(duì)基于CMOS圖像識(shí)別絕對(duì)光柵尺誤碼率的影響。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

上述的開放式絕對(duì)尺實(shí)驗(yàn)與封閉式絕對(duì)尺實(shí)驗(yàn)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(cè)出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖9所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,在沒有出現(xiàn)誤碼的情況下,開放式絕對(duì)光柵尺和封閉式絕對(duì)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?yàn)榉忾]式絕對(duì)光柵尺的金相物鏡和CMOS攝像頭安裝在滑車上,所以滑車對(duì)封閉式絕對(duì)光柵尺性能產(chǎn)生很大的干擾影響。相對(duì)于開放式絕對(duì)光柵尺,封閉式絕對(duì)光柵尺的穩(wěn)定性不僅受直線電機(jī)導(dǎo)軌性能的影響,更多的是滑車裝置的影響。正如本實(shí)驗(yàn)所使用的直線電機(jī)ArotechABL1500的穩(wěn)定很高,開放式絕對(duì)光柵尺的誤碼率就會(huì)很??;對(duì)于封閉式絕對(duì)尺,當(dāng)其工作時(shí),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(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Experiment result

在允許的測(cè)量速度范圍內(nèi),對(duì)應(yīng)于公式(1),絕對(duì)位置值主要取決于Nx,Nx是對(duì)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(dòng)時(shí),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(huì)脫離預(yù)期值,因?yàn)榫嚯x的遠(yuǎn)近將會(huì)影響CMOS的可視范圍[10],最終引起碼道信息錯(cuò)誤而導(dǎo)致位置信息的錯(cuò)誤,如圖4(b)所示,因?yàn)槌上裣到y(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(cè)量原理,會(huì)出現(xiàn)小范圍之內(nèi)誤差且存在累計(jì)誤差;而絕對(duì)光柵尺每段編碼信息對(duì)應(yīng)的是獨(dú)一無二的絕對(duì)位置信息,因此發(fā)生誤碼時(shí),顯示的位置信息是完全錯(cuò)誤的,與實(shí)際位置信息偏差非常大,這點(diǎn)在圖9所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是顯而易見的,但絕對(duì)光柵尺沒有累計(jì)誤差。對(duì)于公式(1)中的K、B值主要是細(xì)分技術(shù)計(jì)算值,因此兩者出現(xiàn)偏差時(shí)是造成絕對(duì)位置信息小范圍誤差,而不會(huì)造成誤碼。

6 結(jié)論

基于COMS圖像識(shí)別絕對(duì)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(duì)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(duì)尺增加了自身的干擾。絕對(duì)光柵尺的每一位置對(duì)應(yīng)獨(dú)一無二的絕對(duì)編碼,一旦出現(xiàn)了誤碼,那么其所檢測(cè)到的位置是完全錯(cuò)誤的。因此,封閉式絕對(duì)光柵尺的誤碼率更高,開放式絕對(duì)光柵尺的誤碼率為3%,封閉式絕對(duì)光柵尺的誤碼率高達(dá)8%。隨著高科技的發(fā)展,絕對(duì)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(duì)光柵尺是市場(chǎng)的必須品。同時(shí),隨著信息技術(shù)迅速發(fā)展,圖像誤別絕對(duì)光柵尺具有非常樂觀的發(fā)展前景。因此,對(duì)圖像誤別絕對(duì)光柵尺的研究具有一定的意義。

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