第9期 2017年9月
组合机床与自动化加工技术
Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique
文章编号：10012265(2017)09001603
D0I:10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.09.005
光学条码位移传感器系统的设计
那启跃，冯波，王志兴
（南京理工大学理学院，南京210094）
No.9 Sep.2017
摘要：在分析了数控机床线位移反馈装置的基础上，提出了一种光学条码位移传感器。由于单轨绝对编码技术的制约，光栅尺的编码长度难以扩展。为了实现大量程编码，基于光学条码定位技术的研究，设计了一种新型的高精度大量程绝对条码尺。介绍了多周期等间隔条码的编码方案和解码方法，对条码尺的量程扩展进行了可行性分析。利用专用嵌入式系统和相关器件实现了条码位移传感器系统的设计，并给出了实际测量结果。实验数据表明，该传感器系统的分辨率可以达到1um，精度为±5μm，最大测量长度可达2m。
关键词：绝对光栅尺；条码尺：绝对位移
中图分类号：TH165；TG506
文献标识码：A
The Design of Optical Bar Code Displacement Sensor System
NA Qi-yue, FENG Bo, WANG Zhi-xing
(School of Science, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)
Abstract : Based on the analysis of the linear displacement feedback device of the numerical control machine tool, an optical bar code displacement sensor was proposed. Due to the restriction of single absolute enco-ding technology, it is difficult to extend the length of the encoder. In order to achieve a large range of co der, a new type of high-precision and large-range absolute bar code was designed based on the research of optical bar code positioning technology. In this paper, the coding scheme and decoding calculation method of multi period and equal interval bar codes are introduced, the scale expansion of bar code is carried out. The design of the sensor measurement system is realized by using the special embedded microcontroller and related devices.Though experiment, the actual measurement results are given.Experimental data show that the resolution of the displacement sensor system is lμm, and the accuracy is ±5μm.The maximum meas-urement length of bar code is 2m.
Key words: absolute grating ruler; bar code; absolute displacement
0引言
在现代数控机床自动加工行业，通常使用电脑控制精密电移平台进行精确位移，其测量系统中直线位移传感器是必不可少的部件。直线光栅尺作为数控机床中最具代表性的线位移反馈元件，根据功能可以分为增量式光栅尺和绝对式光栅尺。随着对测量要求的提高，绝对式光栅尺正在逐步取代增量式光栅尺。相对于增量式光栅尺，绝对式光栅尺在机器设备通电的同时就可以直接得到当前位置信息，不再需要开机后寻找参考零点这一“归零"过程，简化了控制系统的设计。
绝对式光栅尺虽然能够采集到绝对位置信息，但由于采用单轨道编码技术，需要在1m范围内排列百万个无重复位置编码"，数据量庞大，需要专用的数字
信号处理芯片来完成大量的图像处理运算，这就造成绝对尺的昂贵，不能够广泛应用于自动化控制行业。目前，我国国内部分研究所、高校以及企业开展了绝对式光栅尺的研发工作。其中中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制的绝对式光栅尺样机性能最为优越，测量精度±3um，绝对定位误差0.12um。但由于单轨道编码技术难以突破，光栅尺最大测量长度只能止步于1200mm[2]。
因此，本文基于光学条码定位技术3设计了一种
新型实用、成本低廉的大量程条码尺，以期实现与光极尺相结合共同对位置信息进行精确测量。设计的传感器系统使用条形码对位置信息进行有效标定，采用图像传感器来获取条码所表示的绝对位置[4]，即通过 CCD图像传感器记录采集条码图像的像素灰度值的变化3。以条码尺为基础，设计出了与之匹配的位移
收稿日期：2016-10-28；修回日期：2016-11-29
作者简介：那启跃(1992—），男，江苏徐州人，南京理工大学硕土研究生，研究方向为光电检测与仪器仪表测量等研究，（E-mail)247557812@q9 万方数唐作者；冯波（1979—)，男，南京人，南京理工大学讲师，研究方向为测试计量技术与仪器方面，（E-mail）amchare@just.eln.