随着发达国家技术的封锁和打压,我国加快了在高速高精密先进制造装备领域实现国产化的步伐,高速下的高精度定位测量方法和算法上的突破,不仅引导未来精密设备的研发和生产,而且对我国走向自主研发道路具有深远意义。与激光干涉仪、编码盘等昂贵的精密测距仪器相比,光栅尺测量传感器在保证较高精度的同时具备了分辨率高、结构紧凑、维护简易和价格低等优势,在各个领域都具有广泛的应用前景。增量式光栅测距系统是对基于物理刻线的莫尔条纹进行计数,通过解码计数值进而获取位移值的一种精密测量仪器。为了提高光栅测距仪的测量精度,可对莫尔条纹进行不同方式的细分处理,或者在加工制造过程中减小栅纹的宽度,但是随着莫尔条纹细分的复杂化,测量过程中就极易受到信号噪声的干扰从而降低精度,而减小栅纹宽度就会使制造工艺和制造环境要求变的极其复杂和严格,难以达到产品高速测量的使用要求,因此,本文针对增量式光栅测距系统中测量精度与运动速度相互制约,相互冲突的问题,开发了基于FPGA的光栅实时高精度位移测量系统,研究内容如下:首先,利用FPGA的并行处理优势,提出通过FPGA解析光栅位移图像信息输出位移值的理念,设计一套基于FPGA的光栅实时高精度位移测量系统,以代替传统的光栅测距方式。其中,本文采用高频、高分辨率的线阵相机采集运动光栅图像,利用线阵相机高行频特性,最大化保留高速运动状态下光栅的图像质量和位移信息;同时为了提高系统测量精度,本文通过设计旋转结构,将线阵相机感光像元和光栅尺栅纹形成一个最优夹角方式提升图像采集分辨率,进而获取更加细分的光栅图像。其次,在实验平台部件选择方案上,采用高频线阵相机、转接件、物镜、线阵光源、光源控制器等硬件组成光学图像采集控制平台,采用matrox图像采集卡和FPGA数据加速板卡来对图像数据进行高速采集和处理,为了减小运动平台高速运动过程中的机械振动对后续系统测量精确度带来的误差,根据运动平台的结构和尺寸,设计相机三维调节支架。然后,在软件算法处理方案上,通过verilog HDL硬件编程语言完成位移算法加速器的设计,算法加速器主要包括光栅图像的采集、图像预处理、运动方向识别算法、自动阈值算法以及宏微复合位移算法等代码的编写,并针对图像数据量巨大存储问题提出了跨BANK的方式进行存储处理;通过C#编程语言完成人机交互界面的开发,便于实时观察和调试实验过程中系统输出的实时位移值和运动方向。最后,设置各硬件参数并搭建实验平台,在相同实验条件下使用激光干涉仪和本系统进行位移测量对比实验,通过对系统处理时间的延迟误差以及位移测量值的误差进行分析归纳。实验结果表明,系统测量的最高运动速度为0.8m/s,最高分辨率0.06μm,系统处理时间最低为148ms,位移精度为±2.5μm。本文在图像处理层面上设计的基于FPGA光栅实时高精度位移测量方法,为光栅测量系统框架设计提供了新的思路和方向。