那啟躍，馮 波，王志興

(南京理工大學(xué) 理學(xué)院，南京 210094)

光學(xué)條碼位移傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

那啟躍，馮 波，王志興

(南京理工大學(xué) 理學(xué)院，南京 210094)

在分析了數(shù)控機(jī)床線位移反饋裝置的基礎(chǔ)上，提出了一種光學(xué)條碼位移傳感器。由于單軌絕對(duì)編碼技術(shù)的制約，光柵尺的編碼長度難以擴(kuò)展。為了實(shí)現(xiàn)大量程編碼，基于光學(xué)條碼定位技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)了一種新型的高精度大量程絕對(duì)條碼尺。介紹了多周期等間隔條碼的編碼方案和解碼方法，對(duì)條碼尺的量程擴(kuò)展進(jìn)行了可行性分析。利用專用嵌入式系統(tǒng)和相關(guān)器件實(shí)現(xiàn)了條碼位移傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并給出了實(shí)際測(cè)量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該傳感器系統(tǒng)的分辨率可以達(dá)到1μm,精度為±5μm，最大測(cè)量長度可達(dá)2m。

絕對(duì)光柵尺；條碼尺；絕對(duì)位移

0 引言

在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床自動(dòng)加工行業(yè)，通常使用電腦控制精密電移平臺(tái)進(jìn)行精確位移，其測(cè)量系統(tǒng)中直線位移傳感器是必不可少的部件。直線光柵尺作為數(shù)控機(jī)床中最具代表性的線位移反饋元件，根據(jù)功能可以分為增量式光柵尺和絕對(duì)式光柵尺。隨著對(duì)測(cè)量要求的提高，絕對(duì)式光柵尺正在逐步取代增量式光柵尺。相對(duì)于增量式光柵尺，絕對(duì)式光柵尺在機(jī)器設(shè)備通電的同時(shí)就可以直接得到當(dāng)前位置信息，不再需要開機(jī)后尋找參考零點(diǎn)這一“歸零”過程，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

絕對(duì)式光柵尺雖然能夠采集到絕對(duì)位置信息，但由于采用單軌道編碼技術(shù)，需要在1m范圍內(nèi)排列百萬個(gè)無重復(fù)位置編碼[1]，數(shù)據(jù)量龐大，需要專用的數(shù)字信號(hào)處理芯片來完成大量的圖像處理運(yùn)算，這就造成絕對(duì)尺的昂貴，不能夠廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制行業(yè)。目前，我國國內(nèi)部分研究所、高校以及企業(yè)開展了絕對(duì)式光柵尺的研發(fā)工作。其中中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所研制的絕對(duì)式光柵尺樣機(jī)性能最為優(yōu)越，測(cè)量精度±3μm,絕對(duì)定位誤差0.12μm。但由于單軌道編碼技術(shù)難以突破，光柵尺最大測(cè)量長度只能止步于1200mm[2]。

因此，本文基于光學(xué)條碼定位技術(shù)[3]設(shè)計(jì)了一種新型實(shí)用、成本低廉的大量程條碼尺，以期實(shí)現(xiàn)與光柵尺相結(jié)合共同對(duì)位置信息進(jìn)行精確測(cè)量。設(shè)計(jì)的傳感器系統(tǒng)使用條形碼對(duì)位置信息進(jìn)行有效標(biāo)定，采用圖像傳感器來獲取條碼所表示的絕對(duì)位置[4]，即通過CCD圖像傳感器記錄采集條碼圖像的像素灰度值的變化[5]。以條碼尺為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出了與之匹配的位移傳感器，該傳感器具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、制作成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。在一定情況下可以替代部分光柵尺，為實(shí)現(xiàn)高精度絕對(duì)位移測(cè)量光柵尺提供了有效途徑，為位移測(cè)量領(lǐng)域提供了一種新型位移傳感器。

1 條碼定位測(cè)量原理

1.1 光學(xué)三周期等間隔條碼編碼原理

條碼尺使用多周期等間隔條碼編碼[6]方案，條碼圖案如圖1所示，具體如下：

圖1 光學(xué)條碼示意圖

(1) 建立自定義正小數(shù)集合K=(k1,k2,k3,…ki,…kn),其中n為自然數(shù)，集合中的元素ki(ki-1

(2)以三周期組合碼為例，在集合K中選取三組子集,分別記作：

A=(A1,A2,A3,…Am1)，Ai∈K;
B=(B1,B2,B3,…Bm2)，Bi∈K;
C=(C1,C2,C3,…Cm3)，Ci∈K;

其中，A≠B≠C。

(3)依次從子集A,B,C中按各自的元素在m1,m2,m3中的排列順序分別選取一個(gè)碼元并相隔距離L(L>ki)排列,組成條碼的一個(gè)碼字，從而生成三周期等間距的條碼尺。按照這種組合方式，可以算出得到的最大互不相同的碼字個(gè)數(shù)為這三個(gè)子集元素個(gè)數(shù)的最小公倍數(shù)(即碼字的最大序號(hào)),而每個(gè)碼字表示著條碼尺的不同位置信息。

舉例說明：在設(shè)計(jì)中，取m1=4,m2=5,m3=7，則可以組成4×5×7=140個(gè)碼字。如表1所示，第一個(gè)碼字為(A1,B1,C1),第二個(gè)碼字為(A2,B2,C2),依次類推，第140個(gè)碼字為(A4,B5,C7)。每個(gè)碼字的寬度標(biāo)定為13.5mm(條碼碼元間距L設(shè)置為4.5mm，一個(gè)碼字由3個(gè)碼元組成)，此編碼方案組成的條碼尺總長度可達(dá)140×13.5mm=1890mm。

表1 周期組合碼排列示意圖

根據(jù)組合碼周期數(shù)(如三周期、四周期組合碼等)以及各子集碼元數(shù)(m1,m2,m3,…mn的值) 的選取，可以組合成不同長度的條碼尺，并且不會(huì)產(chǎn)生累積誤差[7]。依據(jù)本文編碼理論，對(duì)于n周期組合碼，碼元間隔為L，單個(gè)碼字長度為n×L,設(shè)各組子集碼元數(shù)分別為m1,m2,m3,…mn，則可以計(jì)算出條碼尺總長度為m1×m2×…×mn×n×L。

1.2 光學(xué)等間隔條碼解碼原理

條碼成像光路系統(tǒng)如圖2所示，目標(biāo)條碼成像在CCD(Charge-coupled Device,電荷耦合器件)中心位置附近，根據(jù)其成像條碼各碼元的寬度值確定其在各自集合(子集A,B,C)中的排列序號(hào)，利用“中國余數(shù)定理”[8]計(jì)算出目標(biāo)條碼的碼字序號(hào)，此碼字序號(hào)對(duì)應(yīng)的條碼尺位置為碼字序號(hào)與碼字寬度3L的乘積，作為測(cè)量初值d1；根據(jù)此碼字中第三個(gè)碼元在CCD上成像的像素位置進(jìn)行圖像處理，解算出CCD成像中心到該碼元的像元距離x,最終得到精確位置d=d1+βx，其中β=D/f為光學(xué)系統(tǒng)的放大倍數(shù)。以本文設(shè)計(jì)的三周期組合碼為例，若在CCD中心位置附近觀測(cè)到三條碼元A2、B3、C1，組成的碼字為(A2,B3,C1)，根據(jù)其碼元序號(hào)2、3、1，利用中國余數(shù)定理可求得組成的碼字的序號(hào)為78，則對(duì)應(yīng)的條碼尺位置應(yīng)為78×13.5mm=1053mm處。

圖2 光學(xué)系統(tǒng)示意圖

2 條碼位移傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 條碼位移傳感器測(cè)量原理

傳感器系統(tǒng)由條碼尺、光學(xué)系統(tǒng)、CCD圖像傳感器、嵌入式系統(tǒng)、電源模塊及通信接口組成，如圖3所示。條碼尺表面黑白相間的條碼圖像通過光學(xué)系統(tǒng)在線陣CCD上成像、視頻信號(hào)經(jīng)A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換器，將條碼數(shù)字圖像信號(hào)送至微處理器，對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行亞像素邊緣檢測(cè)處理[9]，經(jīng)解碼，計(jì)算出當(dāng)前的高精度絕對(duì)位置量，通過通信接口輸出或顯示。

圖3 位移傳感器系統(tǒng)框圖

2.2 電路系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

為滿足條碼定位系統(tǒng)主控單元高實(shí)時(shí)性、快速處理、低功耗的要求，本系統(tǒng)選用ARM嵌入式系統(tǒng)[10]的方案，其優(yōu)點(diǎn)是既能采集圖像信息，又能對(duì)圖像信息進(jìn)行識(shí)別，不需要增加負(fù)責(zé)圖像信息識(shí)別的芯片。同時(shí)，該方案還具有成本低、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

條碼定位系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的光學(xué)光路中增加了圖像傳感器，采用圖像采集與識(shí)別系統(tǒng)，對(duì)條碼尺進(jìn)行讀數(shù)并顯示，從而實(shí)現(xiàn)了光機(jī)電測(cè)量的一體化。在圖像采集與識(shí)別模塊中，主要應(yīng)用了LPC2136處理器和TCD1254GFG線陣CCD。

LPC2136處理器是一款高性能、低功耗的32位RISC(Reduced Instruction Set Computer,精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī))芯片，主要作用是為CCD提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)、完成A/D轉(zhuǎn)換和對(duì)采集的圖像信息進(jìn)行處理分析等。

CCD圖像傳感器TCD1254GFG[11]有效像元數(shù)為2500，像元尺寸為5.25μm×6.4μm,采用低暗電流、高靈敏度的PN結(jié)作為感光單元，自帶電子快門和采樣保持電路。其光譜響應(yīng)區(qū)間在400nm～1100nm，峰值波長為550nm，滿足可見光照明條件，尤其是對(duì)綠光最為敏感。

3 條碼位移傳感器檢驗(yàn)裝置

位移測(cè)量檢驗(yàn)裝置由條碼位移傳感器、條碼尺、雙頻激光干涉儀、導(dǎo)軌平臺(tái)組成。條碼尺固定不動(dòng)，傳感器和雙頻激光干涉儀動(dòng)鏡緊密相連并固定在導(dǎo)軌滑塊上，用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲桿作用滑塊沿導(dǎo)軌作直線移動(dòng)，如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置示意圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照?qǐng)D4所示的測(cè)量裝置，移動(dòng)滑塊使雙頻激光干涉儀標(biāo)準(zhǔn)位移量每次變化4.000mm，記錄條碼傳感器測(cè)量值。移動(dòng)20次，傳感器測(cè)試20組數(shù)據(jù)，總位移量為80.000mm。測(cè)量結(jié)果如表2所示，傳感器的分辨率為0.001mm,測(cè)量誤差不隨位移的增加而增大(或減小)，測(cè)量誤差如圖5所示，在測(cè)量范圍內(nèi)誤差在-0.003mm～0.006mm之間，條碼位移傳感器的精度可以標(biāo)注為±0.005mm。

5 基本應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，光學(xué)條碼定位位移傳感器的分辨率為1μm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本體現(xiàn)了編解碼算法的可行性和穩(wěn)定性,具有較高的數(shù)據(jù)處理精度；準(zhǔn)確度±5μm指標(biāo)基本體現(xiàn)了條碼尺制作工藝(高精度光繪機(jī)光繪)達(dá)到了較好的加工精度；總體測(cè)量精度達(dá)到了千分尺的測(cè)量精度。大量程(本設(shè)計(jì)條碼碼字周期為1890mm，可以采用多種方法進(jìn)行量程擴(kuò)展)、遠(yuǎn)距離(條碼尺和傳感器相隔的間距可以在0～100m范圍內(nèi)，用不同的成像鏡頭來選擇)測(cè)量是傳感器的兩大優(yōu)點(diǎn)。運(yùn)用條碼定位測(cè)量，使得位移測(cè)量方式更加靈活,具有廣闊的應(yīng)用前景。

表2 條碼位移傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)(單位：mm)

(1)電子水準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)，將條碼尺制成條碼標(biāo)尺，把傳感器安裝在水準(zhǔn)儀成像位置，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化水準(zhǔn)測(cè)量；

圖5 條碼位移傳感器測(cè)量誤差

(2)將卷尺、皮尺印刷成條碼尺，將傳感器安裝在尺子的結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)大量程數(shù)字化測(cè)量；

(3)替代光柵尺，實(shí)現(xiàn)大量程絕對(duì)位移測(cè)量，提高產(chǎn)品性能；

(4)實(shí)現(xiàn)高端光柵尺升級(jí)，充分利用各自的優(yōu)點(diǎn)，制作成高精度絕對(duì)位移光柵尺，目前是國家重點(diǎn)資助專項(xiàng)。

6 結(jié)論

在對(duì)條碼定位技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，提出了光學(xué)三周期等間隔條碼編解碼原理。通過位移測(cè)量檢測(cè)裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，條碼位移傳感器系統(tǒng)具有高精度、高分辨率的特點(diǎn)。該傳感器采用模塊化設(shè)計(jì)理念，各功能模塊分工合作，便于以后產(chǎn)品的更新與升級(jí)。條碼位移傳感器還具有體積小、重量輕、成本低、壽命長等工程特性，為工程應(yīng)用提供了可能。

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(編輯李秀敏)

TheDesignofOpticalBarCodeDisplacementSensorSystem

NA Qi-yue, FENG Bo, WANG Zhi-xing

(School of Science, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

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 encoding technology, it is difficult to extend the length of the encoder. In order to achieve a large range of coder, 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 1μm, and the accuracy is±5μm. The maximum measurement length of bar code is 2m.

absolute grating ruler; bar code; absolute displacement

TH165；TG506

：A

1001-2265(2017)09-0016-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.09.005

2016-10-28；

：2016-11-29

那啟躍(1992—)，男，江蘇徐州人，南京理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)楣怆姍z測(cè)與儀器儀表測(cè)量等研究，(E-mail)247557812@qq.com；通訊作者：馮波(1979—)，男，南京人，南京理工大學(xué)講師，研究方向?yàn)闇y(cè)試計(jì)量技術(shù)與儀器方面，(E-mail)anchoretf@njust.edu.cn。