張雪鵬，吳宏圣

（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033）

光柵副間隙動(dòng)態(tài)測(cè)量設(shè)備的設(shè)計(jì)

張雪鵬，吳宏圣

（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033）

基于光學(xué)測(cè)量和圖像處理，設(shè)計(jì)了一種用于測(cè)量光柵尺讀數(shù)頭裝配過程中指示光柵裝配時(shí)光柵副間隙的設(shè)備。試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明，設(shè)備測(cè)量結(jié)果可靠，全區(qū)間測(cè)量誤差＜5%，使用區(qū)間測(cè)量誤差＜3%。為光柵副裝配中間隙測(cè)量提供了可靠的測(cè)量方法和設(shè)備。

光柵尺；光柵副；間隙測(cè)量

0 引言

在涉及精密測(cè)量的機(jī)構(gòu)中，光柵尺是一種最常用的位移傳感器，特別是在位移臺(tái)和機(jī)床領(lǐng)域中，更是廣泛應(yīng)用［1，2］。光柵尺是利用莫爾條紋原理工作的測(cè)量反饋裝置［3，4］。其結(jié)構(gòu)中的一組光柵副包括標(biāo)尺光柵和指示光柵，是光柵尺核心工作部件，在運(yùn)行時(shí)二者需要保持特定的位置關(guān)系，指示光柵沿著標(biāo)尺光柵長(zhǎng)度方向上運(yùn)動(dòng)從而完成位置信息的測(cè)量。

標(biāo)尺光柵和指示光柵組成的光柵副中，需要二者保持一個(gè)合適的間隙值，也就是以標(biāo)尺光柵為基準(zhǔn)，指示光柵要處于能夠使莫爾條紋清晰成像的一個(gè)小區(qū)間內(nèi)，即菲涅爾焦面附近的位置。同時(shí)，考慮到光柵副工作時(shí)可能有灰塵或者金屬碎屑等污染物進(jìn)入，光柵副間隙既要兼顧莫爾條紋成像清晰，又要使得間隙值盡可能的大。光柵副間隙值經(jīng)過理論計(jì)算和試驗(yàn)確定后，必須嚴(yán)格控制。因此，在光柵尺讀數(shù)頭裝配過程中，對(duì)指示光柵的裝配需要更加嚴(yán)格的工藝，指示光柵在裝配后必須通過特定的設(shè)備檢測(cè)裝配后的間隙值是否在理論的范圍內(nèi)。

本文旨在設(shè)計(jì)一種檢測(cè)光柵副間隙的設(shè)備，通過光學(xué)測(cè)量和圖像處理的方法實(shí)現(xiàn)光柵副間隙的動(dòng)態(tài)非接觸測(cè)量。

1 系統(tǒng)原理

1.1光學(xué)系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)由模擬的標(biāo)尺光柵、指示光柵、光源、準(zhǔn)直透鏡、物鏡和CCD相機(jī)構(gòu)成。

用來測(cè)量光柵副間隙的模擬標(biāo)尺光柵不是光柵尺中的標(biāo)尺光柵，而是帶有特定圖案的模擬標(biāo)尺光柵，如圖1所示，圖案中鍍鉻區(qū)與透明區(qū)域相間排列。

測(cè)量原理如圖2所示，從光源發(fā)出的光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡，傾斜45°入射到模擬標(biāo)尺光柵和指示光柵，其光線的一部分被玻璃的鍍膜區(qū)反射，一部分被指示光柵的鍍膜區(qū)反射，其反射光再經(jīng)過物鏡，將模擬標(biāo)尺光柵上的特征點(diǎn)和指示光柵上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)通過物鏡成像在CCD相機(jī)上。平行光被模擬標(biāo)尺光柵鍍鉻層反射，其中鉻層邊緣a處反射光和臨界光線在b點(diǎn)反射光通過物鏡成像到CCD相面上時(shí)，a、b兩點(diǎn)之間相對(duì)臨界區(qū)域就形成了一條暗條紋，指示光柵沿著模擬標(biāo)尺光柵長(zhǎng)度方向上運(yùn)動(dòng)，便得到了一系列明暗相間的條紋，如圖3所示，其中暗條紋的寬度與光柵副的間隙h成正比。

圖1　模擬的標(biāo)尺光柵Fig.1 Simulated metrological grating

圖2　光學(xué)測(cè)量原理Fig.2 Optical measuring principle

圖3　明暗相間的條紋Fig.3 Light and dark stripes

1.2圖像處理

在得到了一組明暗相間的條紋之后，首先要對(duì)這組圖像進(jìn)行梯度計(jì)算。梯度▽f（x，y）可定義為矢量：

式中：Ix是x方向的單位向量；Iy是y方向的單位向量。梯度的幅值：

用絕對(duì)值來近似梯度幅值|▽f（x，y）|=|▽fx|+|▽fy|［5］。對(duì)圖像梯度自動(dòng)閥值分割，采用Sobel算子濾波后的梯度看作一幅圖像，然后使用自動(dòng)全局閾值分割的方法來判斷圖像的邊緣。

對(duì)圖像進(jìn)行最小值濾波降低梯度二值圖像噪聲，經(jīng)過閾值分割的梯度二值圖像會(huì)存在一些奇異點(diǎn)噪聲，最小值濾波是基于排序統(tǒng)計(jì)理論的一種能有效抑制噪聲的非線性信號(hào)處理技術(shù)。采用最小值濾波把數(shù)字圖像中一點(diǎn)的值用該點(diǎn)的一個(gè)鄰域中各點(diǎn)值的最小值值代替，從而消除少量的噪聲點(diǎn)。

最后通過圖像處理算法得到的二值化圖像，計(jì)算暗條紋寬度，采用標(biāo)準(zhǔn)化墊片對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。

2 試驗(yàn)測(cè)量

2.1設(shè)備結(jié)構(gòu)和測(cè)量方法

經(jīng)過裝調(diào)、標(biāo)定后的設(shè)備如圖4所示，該設(shè)備有兩路相同的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，兩系統(tǒng)光軸在高度方向上有一定的距離，從光源發(fā)出的光，通過棱鏡分光，分別進(jìn)入到左右兩路光學(xué)系統(tǒng)中，測(cè)量?jī)蓚€(gè)點(diǎn)。指示光柵沿著模擬標(biāo)尺光柵滑動(dòng)，從標(biāo)尺光柵一側(cè)沿著標(biāo)尺光柵滑動(dòng)到另一側(cè)，如圖5所示，即可測(cè)量指示光柵面上上下兩條平行直線與模擬標(biāo)尺光柵面的距離，測(cè)量軟件界面如圖6所示，界面上方左右兩個(gè)窗口顯示的為上述的間隙條紋，其中暗條紋寬度與光柵副的間隙成比例。界面下方左右兩個(gè)數(shù)值區(qū)，可以實(shí)時(shí)地繪制出滑架從模擬標(biāo)尺光柵一側(cè)運(yùn)動(dòng)到另一側(cè)的間隙曲線。

圖4　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 System structure

圖5　測(cè)量中Fig.5 Measuring

圖6　軟件界面Fig.6 Software interface

測(cè)量樣品為已經(jīng)裝配合格的標(biāo)定過的指示光柵20支，如圖7所示，圖中黑色帶軸承的為滑架體，滑架體上的玻璃即為指示光柵，標(biāo)定的光柵副間隙值如表1所示。

圖7　滑架體和指示光柵Fig.7 Sliding shelf and indicative grating

在該設(shè)備上進(jìn)行測(cè)試，要求指示光柵所固定的滑架上面的軸承與模擬主光柵接觸良好，指示光柵和滑架從模擬主光柵一側(cè)緩慢運(yùn)動(dòng)到另一側(cè)，完成測(cè)量。

2.2測(cè)量結(jié)果分析

對(duì)20個(gè)標(biāo)定后的不同間隙值的裝配合格的指示光柵進(jìn)行了測(cè)量，繪制出測(cè)量值與標(biāo)定值曲線，如圖8所示，從圖中可以看出，兩條曲線的走勢(shì)完全相同。

測(cè)量值相對(duì)標(biāo)定值的誤差曲線如圖9所示，誤差隨著間隙值的增大而接近線性增大，到序號(hào)20，即間隙值達(dá)到200μm時(shí)，最大差值仍未超過5μm。

測(cè)量值與標(biāo)定值的誤差百分比如圖10所示，從圖中可以看出，除了10μm、20μm這樣間隙很小時(shí)，誤差百分比達(dá)到5%外，其它情況，誤差百分比都穩(wěn)定在3%以內(nèi)。而本設(shè)備常用的測(cè)量范圍50～150μm，完全達(dá)到使用要求。

表1　標(biāo)定過的指示光柵間隙值Tab.1 Calibrated value of gap of indicative grating

圖8　測(cè)量值與標(biāo)定值曲線Fig.8 The curves of the measured values with the calibrated values

圖9　誤差曲線Fig.9 Error curve

圖10　誤差百分比Fig.10 Error percentage

3 結(jié)論

本文基于光學(xué)測(cè)量和圖像處理的方法設(shè)計(jì)出一種光柵副動(dòng)態(tài)測(cè)量設(shè)備，用于檢測(cè)光柵尺讀數(shù)頭裝配中指示光柵裝配合格定的檢測(cè)工具。通過對(duì)標(biāo)定的裝配合格的指示光柵進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，在10μm～200μm范圍內(nèi)，設(shè)備測(cè)量誤差在5%以內(nèi)，在經(jīng)常使用的測(cè)量區(qū)間50μm～150μm范圍內(nèi)，誤差＜3%，完全達(dá)到使用要求。

［1］張雪鵬，藺春波，吳宏圣.基于JC09光柵尺位移傳感器的光柵副間隙分析［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2014，7.

［2］孫強(qiáng).高精度絕對(duì)式光柵尺研究進(jìn)展及技術(shù)難點(diǎn)［J］.世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng)，2012，5.

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［4］Wang X，Dong X，Guo J，et al.Two-dimensional displacement sensing using a cross diffraction grating scheme［J］.Journal of Optics APure And Applied Optics.2004，6.

［5］李龍林.莫爾條紋特性檢測(cè)及其圖像處理［D］.重慶：重慶大學(xué)，2009.

圖13　回路優(yōu)化前試驗(yàn)結(jié)果

圖14　回路優(yōu)化后試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本文針對(duì)高速列車信號(hào)輸出回路失效進(jìn)行了詳細(xì)分析，重點(diǎn)對(duì)故障的輸出三極管進(jìn)行了切片和De-CAP分析得出了內(nèi)部的故障點(diǎn)；通過故障模擬及對(duì)比分析，掌握了三極管故障的起因。

針對(duì)故障起因，提出了信號(hào)輸出回路的優(yōu)化方案，并對(duì)優(yōu)化前后的回路進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了優(yōu)化方案的有效性。從而提高了信號(hào)輸出回路的可靠性，提升了列車的可用性及運(yùn)營(yíng)的安全性。

參考文獻(xiàn)：

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Design an Equipment to Dynamically Measure the Gap between Pair Gratings

ZHANG Xue-Peng，WU Hong-Sheng
（Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun Jilin 130033，China）

Based on optical measurement and image processing，design an equipment to measure gap of pair grating in the process of assembling grating ruler reading head.Test result shows that，measurement results of the equipment are reliable，measurement error between the range＜5%，measurement error between frequently used range＜3%.Provide reliable measuring method and equipment for measure the gap of pair gratings in the process of assembling pair gratings.

linear grating ruler；pair grating；measure gap

TH71

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.010

1002-6673（2015）02-026-03

2014-10-08

項(xiàng)目來源：國(guó)家重大科技專項(xiàng)（2013ZX04007-021）；長(zhǎng)春市科技計(jì)劃項(xiàng)目（高集成化單碼道絕對(duì)式光柵尺研發(fā)-2013254）

張雪鵬（1986-），男，黑龍江人，碩士，助理研究員。研究方向：光學(xué)精密機(jī)械、已發(fā)表論文六篇，其中被EI收錄四篇；吳宏圣（1974-），男，吉林人，碩士，研究員。研究方向：自動(dòng)化。已發(fā)表論文四十多篇。