摘 "要：光柵編碼器作為精密測量和運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)鍵傳感元件，其測量精度直接決定了系統(tǒng)的整體精度水平。編碼器核心部件光柵碼盤的安裝精度是影響其精度的核心因素之一。針對傳統(tǒng)人工調(diào)整方法存在的不足，該文提出一種基于顯微視覺的碼盤偏心自動(dòng)調(diào)整方法。該方法通過高精度視覺系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集旋轉(zhuǎn)碼盤圖像，利用邊緣特征提取算法檢測碼盤基元輪廓，并建立多基圓參考點(diǎn)的最大偏心量計(jì)算模型?；谠撘曈X反饋，系統(tǒng)采用單自由度推桿機(jī)構(gòu)通過2次漸進(jìn)式補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)中心的精確校正。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法可實(shí)現(xiàn)±2 μm的調(diào)整精度，提高調(diào)整精度和效率，為編碼器智能制造提供可靠的技術(shù)解決方案。

關(guān)鍵詞：光柵編碼器；顯微視覺；偏心調(diào)整；圖像特征識(shí)別；邊緣特征提取算法

中圖分類號：TN762 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2025）10-0051-04

Abstract： As a key sensing component for precision measurement and motion control， the grating encoder's measurement accuracy directly determines the overall precision of the system. The installation accuracy of the grating code disc， the encoder's core component， is one of the critical factors affecting its performance. To address the limitations of traditional manual adjustment methods， this paper proposes an automatic eccentricity adjustment method for code discs based on microscopic vision. The method employs a high-precision vision system to capture real-time images of the rotating code disc， utilizes an edge feature extraction algorithm to detect the contours of the disc's primitive structures， and establishes a computational model for maximum eccentricity based on multiple reference points of base circles. Using this visual feedback， the system achieves precise correction of the rotational center through a single-degree-of-freedom push-rod mechanism with two-step progressive compensation. Experimental results demonstrate that the proposed method achieves an adjustment accuracy of ±2 μm， significantly improving both adjustment precision and efficiency， thereby providing a reliable technical solution for the intelligent manufacturing of encoders.

Keywords： grating encoder; microscopic vision; eccentricity adjustment; image feature recognition; edge feature extraction algorithm

光柵編碼器作為現(xiàn)代高精度測量與閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心元器件，其性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的測量精度和控制精度[1]。在數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、精密儀器制造等高端裝備領(lǐng)域，編碼器的位置反饋精度和旋轉(zhuǎn)角度測量精度尤為重要[2]。

光柵編碼器主要由光源、光柵碼盤、光電傳感器和信號處理電路組成。其核心部件光柵碼盤是在透明基板上刻有精密等距徑向刻線的光學(xué)元件。工作時(shí)，光柵碼盤通過轉(zhuǎn)軸與被測轉(zhuǎn)子同步轉(zhuǎn)動(dòng)，由于碼盤周向的柵格圖像不同，旋轉(zhuǎn)時(shí)透過固定光源產(chǎn)生不斷變化的光信號，光電傳感器將其轉(zhuǎn)換為電脈沖并計(jì)數(shù)，即可精確測量被測轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角[3]。在編碼器的生產(chǎn)裝配過程中，為了保證編碼器的測量精度，廠商要求碼盤的偏心調(diào)整進(jìn)度達(dá)到±2 μm，每臺(tái)的調(diào)整時(shí)間小于20 s。

當(dāng)前，國內(nèi)編碼器制造企業(yè)普遍采用人工方式進(jìn)行碼盤偏心校正：操作人員首先將碼盤裝配至轉(zhuǎn)軸，利用止推環(huán)限定軸向位移；隨后通過手動(dòng)旋轉(zhuǎn)碼盤，借助顯微鏡觀測特征圖像位置進(jìn)行微調(diào)。這種傳統(tǒng)方法調(diào)整效率低下，且校正精度高度依賴操作人員的經(jīng)驗(yàn)水平，難以滿足現(xiàn)代化高精度、高效率的生產(chǎn)需求[4]。隨著機(jī)器視覺技術(shù)的快速發(fā)展，智能化偏心校正方案展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。本研究提出了一種基于單目顯微視覺的編碼器光柵偏心調(diào)整技術(shù)，通過高精度圖像處理算法提取碼盤基元邊緣特征，建立基于多基圓位置點(diǎn)的偏心量計(jì)算模型，并提出基于12點(diǎn)采樣策略的二次微調(diào)機(jī)制。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，該方法顯著提高了偏心校正的精度和效率，為編碼器智能制造提供了可靠的技術(shù)解決方案。

1 "偏心調(diào)整任務(wù)及系統(tǒng)組成

1.1 "微調(diào)整任務(wù)

本文微調(diào)整技術(shù)針對碼盤、編碼器子裝配體（包括殼體、內(nèi)部軸承、轉(zhuǎn)軸）、止推環(huán)三者進(jìn)行，如圖1（a）、圖1（b）所示。微調(diào)整前需將碼盤安裝到編碼器轉(zhuǎn)軸并靠在轉(zhuǎn)軸臺(tái)肩上，然后壓上止推環(huán)限制其軸向位移。本文微調(diào)整的主要目標(biāo)：對初步安裝的碼盤進(jìn)行徑向位置調(diào)整，以碼盤上光柵圖像作為調(diào)整基準(zhǔn)， 使碼盤上光柵的幾何中心與光柵旋轉(zhuǎn)中心（光柵與轉(zhuǎn)軸同步旋轉(zhuǎn)）的相對位置偏差在±2 μm。最后采用點(diǎn)膠固定的方式使止推環(huán)、碼道和轉(zhuǎn)軸成為一個(gè)整體，如圖1（c）所示。

1.2 "微調(diào)整難點(diǎn)

精密對心調(diào)整的主要挑戰(zhàn)在于碼盤旋轉(zhuǎn)中心的動(dòng)態(tài)不確定性，主要由以下因素導(dǎo)致。

柔性傳動(dòng)引入的定位誤差：編碼器轉(zhuǎn)軸通過柔性聯(lián)軸器與電機(jī)連接，導(dǎo)致其旋轉(zhuǎn)中心無法嚴(yán)格固定，存在一定的浮動(dòng)。

裝夾誤差的影響：子裝配體通過外部夾爪固定在殼體上，但由于殼體加工誤差，每次夾緊時(shí)轉(zhuǎn)軸的實(shí)際位置都會(huì)發(fā)生微小偏移，從而改變其與光學(xué)系統(tǒng)的相對位姿。

由于這些誤差的存在，旋轉(zhuǎn)中心無法預(yù)先標(biāo)定，必須在每次裝夾后通過圖像分析重新計(jì)算光柵的旋轉(zhuǎn)中心，以確保對心精度。

2 "碼盤偏心調(diào)整策略

為了獲取碼盤旋轉(zhuǎn)中心的位置與實(shí)際位置的偏差，本研究提出如圖2所示的基于顯微視覺的碼盤偏心自動(dòng)調(diào)整策略。該方法采用500萬像素CCD相機(jī)配合6倍放大顯微鏡頭組成視覺系統(tǒng)，在0.9 mm×0.7 mm的有限視場范圍內(nèi)，控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)以30°間隔驅(qū)動(dòng)編碼器轉(zhuǎn)軸，采集12張覆蓋全周的碼盤局部圖像，經(jīng)圖像處理計(jì)算最大偏心位置。系統(tǒng)通過在碼盤左側(cè)設(shè)置的自動(dòng)進(jìn)給推桿，首先將最大偏心位置旋轉(zhuǎn)至推桿方向進(jìn)行首次調(diào)整；針對止推環(huán)摩擦力導(dǎo)致的微觀位移控制難題，進(jìn)一步實(shí)施二次圖像采集和偏心計(jì)算，通過補(bǔ)償調(diào)整實(shí)現(xiàn)精確校正。

3 "編碼器碼盤偏心計(jì)算算法

3.1 "碼盤特征圖像提取

光柵碼盤上碼道的條紋和基圓的邊緣都可以用來計(jì)算碼盤的偏心，碼盤特征在視場內(nèi)所占面積過大，給特征提取造成了困難，所以本文選取基圓特征計(jì)算偏心大小。由于主軸和鏡頭間的位置隨著零件的裝夾會(huì)發(fā)生變化，但是零件在裝夾后其距離鏡頭的距離是固定的，所以，本文用以旋轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)的極坐標(biāo)方程表示基圓中點(diǎn)距圖像左側(cè)距離，求解極坐標(biāo)方程便可得到偏心大小和角度位置。如圖3所示，光柵的基圓可以用以旋轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)的極坐標(biāo)方程表示，由于鏡頭距離旋轉(zhuǎn)中心的距離是固定的，使用基圓的半徑減去鏡頭距旋轉(zhuǎn)中心的距離即為基圓中點(diǎn)到圖像最右側(cè)的距離，所以可以用極坐標(biāo)方程來表示12張圖像中基圓中點(diǎn)到圖像最右側(cè)距離的變化。

圖3 "碼盤特征圖像

其中，對單張圖像的處理流程如圖4所示。

圖4 "單張圖像處理流程

步驟1：對采集到的圖像采用灰度投影法進(jìn)行分割，基于垂直投影法遍歷每列灰色點(diǎn)的數(shù)量，求解出右側(cè)邊緣所在位置[5]。

步驟2：對劃分出的邊緣進(jìn)行Canny邊緣檢測后提取邊緣點(diǎn)，提取到邊緣點(diǎn)后使用facet表面模型進(jìn)行亞像素邊緣計(jì)算，利用擬合的二元三次多項(xiàng)式，進(jìn)一步求取圖像的亞像素邊緣點(diǎn)和圖像在邊緣點(diǎn)處的梯度值[6]。

步驟3：由于視場較小，提取的邊緣點(diǎn)近似直線，因此，采用最小二乘法對提取到的邊緣點(diǎn)進(jìn)行直線擬合。使用最小二乘法處理邊緣點(diǎn)可以減小誤差的干擾，更好地表達(dá)出基圓邊緣的特征。

步驟4：將圖像的高度除二后帶入直線方程中得到線段中點(diǎn)的坐標(biāo)，計(jì)算直線中點(diǎn)到圖像最右側(cè)距離li（i=1～12）。

3.2 "偏心位置計(jì)算

采用極坐標(biāo)方程求取圓心的偏移位置，以主軸的旋轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)建立基圓的極坐標(biāo)方程[7]

，

式中：li為從12張圖像中提取到的直線中點(diǎn)到圖像右側(cè)的距離，θi為每張圖像采集圖像時(shí)主軸旋轉(zhuǎn)角度，a、b為碼盤圓心的中點(diǎn)的坐標(biāo)，ri為邊緣位置與主軸旋轉(zhuǎn)中心距離。

把采集到的圖像帶入圓的極坐標(biāo)方程中，可得ri與半徑r的平方的差為

，（2）

式中： " " " " " " " " " " " " " " 。

其中，12張圖像主軸旋轉(zhuǎn)中心距離的平方與半徑的平方差的平方和為

解方程組求得

求出A、B和C后可以求得a和b的值。

進(jìn)一步可以求出偏心距e，根據(jù)a、b的正負(fù)可以確定偏心角度θo。

4 算法精度實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證所提出的碼盤偏心調(diào)整策略的調(diào)整精度，本研究搭建了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對已完成碼盤安裝的編碼器子裝配體進(jìn)行偏心調(diào)整。具體地，在編碼器主軸旋轉(zhuǎn)過程中，每隔30° 采集一組圖像，共完成16組獨(dú)立測量，每組測量包含12張圖像。為避免系統(tǒng)誤差的累積影響，每組測量完成后，重新安裝碼盤，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獨(dú)立性和統(tǒng)計(jì)有效性。圖5為第一組調(diào)整后，采集的編碼器基圓圖像，可以看出在最大偏心位置推動(dòng)碼盤后，基圓向右移動(dòng)。16組實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1，將算法計(jì)算的偏心量結(jié)果與千分表測量值進(jìn)行對比，實(shí)驗(yàn)測得的最大絕對誤差為0.4 μm，多次測量誤差的均值為0.2 μm。誤差分析表明，該偏心測量算法具有較高的穩(wěn)定性和重復(fù)性，能夠滿足高精度編碼器裝配的測量需求。

5 結(jié)論

本研究針對光柵編碼器碼盤偏心調(diào)整的高精度、高效率需求，提出了一種基于單目顯微視覺的自動(dòng)化調(diào)整方案。結(jié)合亞像素邊緣特征提取檢測和多基圓特征擬合，建立基于極坐標(biāo)方程的碼盤偏心最大位置計(jì)算模型。通過12點(diǎn)采樣策略和二次微調(diào)機(jī)制，克服了止推環(huán)摩擦力的影響，顯著提升調(diào)整效率和準(zhǔn)確度。16組獨(dú)立實(shí)驗(yàn)表明，不受裝夾位置變化的影響，該算法測量誤差均值僅為0.2 μm，具備良好的重復(fù)性和適應(yīng)性。技術(shù)解決了傳統(tǒng)人工調(diào)整依賴經(jīng)驗(yàn)、一致性差的痛點(diǎn)，為編碼器智能制造提供了解決方案。

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