专利名称：位置测量编码器以及操作方法
技术领域：
本发明涉及一种位置测量编码器，特别涉及一种用于测量两个物体之间的相对位置的装置。本发明还涉及一种操作这种位置测量编码器的方法。
背景技术：
位置编码器是用于测量两个物体的相对位置的装置。通常，标尺被附接至或形成在其中一个物体上，而标尺读取器被附接或形成在另一个物体上。所述标尺可以具有规则间隔开的特征(尤其在增量标尺的情况下)，所述特征限定测量长度，即及自由度，在所述自由度下标尺促进测量。二维位置编码器也是已知的，其具有限定两个通常正交的测量长度的记号。标尺可以是线性标尺，用于提供对两个物体之间线性运动的测量。替换地，标尺可以是旋转标尺，用于提供对两个物体之间的角度运动的测量。在已知的光学实施例中，标尺读取器将光线投射到标尺上，然后根据标尺构造反射或投射光线。被反射或投射的光线落在标尺读取器上，随后，当标尺和标尺读取器沿着测量维度相对于彼此移动时，读取器产生表示两个物体相对位移的增量计数。特别地，正如本领域普通技术人员所理解的，作为标尺周期的细分，标尺读取器产生相位读数，其规定标尺读取器相对于标尺的位置，该相位数据被连续地馈送到计数器中，所述计数器记录相对位移。正如将理解的，对于不同的编码器系统，所采取的标尺周期可以改变，但是正如所理解的，通常它可以是毗邻共同特征的中心之间的距离，所述共同特征被用来确定相位信息。例如，在增量系统中，它可以是反射型光学编码器中的两个反射线或两个非反射线的中心点之间的距离。可以从标尺的任一端或者沿着标尺的由记号确定的预定位置对计数提供参照，所述记号嵌在标尺内或者位于挨着标尺的轨道上。绝对位置编码器也是已知的，其使得不需要从预定位置计数就能确定读取头相对于标尺的绝对位置。这种编码器通常包括具有独特位置数据的标尺，所述位置数据沿着标尺的测量长度形成在标尺上。所述数据例如可以是伪随机序列的形式或者离散代码字。通过在标尺读取器穿过标尺时读取该数据，标尺读取器可以确定其绝对位置。通过拍摄并处理标尺的离散快照，而不是连续测量和计算相位，可以读取编码器标尺。可以及时地立即在一次读取时进行快照，或者可以通过迅速连续地获取较小读数而积累快照。标尺的快照读取可以提供许多优点。例如，标尺读取器相对于标尺的的最大操作速度可以更大，因为它不会被连续相位测量和计数系统的内在频率界限所限制。而且，在光学系统拍摄快照时，光源只需打开一小段时间，从而允许相对于连续系统增加光强，而无需增加平均电力消耗或者限制光源的寿命。所述增大的光强意味着可以通过传感器捕获更多的光子，从而降低了系统的噪音基数，发出较少的位置噪音。捕获和处理标尺的快照读数可以包括确定至少一个粗略位置。这可以是测量标尺和读取头的相对位置，到达一个或多个标尺周期的分辨率。也可以包括多个阶段，例如包括确定精细位置。这可以是测量标尺和读取头的相对位置，到达比粗略位置更精细的分辨率。例如，它可以是测量标尺和读取头的相对位置，到达比一个标尺周期更精细的分辨率。这可以借助例如相位提取而进行。所述方法还可以包括测量标尺周期，即，基本频率，或者标尺特征的标尺周期。所有这些步骤均有失败的可能，并且可能产生与实际位置显著不同的位置。同样，其它外界因素(诸如标尺上的灰尘等)可能会不利地影响位置读数。在典型的控制应用中，其中使用标尺读取器来进行位置反馈，可以以大约16千赫的速率需求位置数据。这等于每对小时大约1.4X109个读数周期。在这种情形下，即使在非常低的误差率下，也能看出发生不正确的读数。对于机床控制器而言，如果从标尺读取器获得单个不正确的读数，通常采取诸如停机等预防。

发明内容
本发明提供了一种位置编码器，其提供具有改善的可靠性的位置信息。特别地，本发明提供了一种操作编码器装置的方法，所述编码器包括标尺和用于读取标尺的读取头，所述标尺具有限定位置信息的特征，所述方法包括从标尺的至少一个以前读数中计算外推位置信息。随后使用所述外推位置信息。特别地，可以代替标尺的实际读数，或者除了标尺的实际读数之外还使用所述外推位置信息。根据本发明的第一方面，提供了一种操作编码器装置的方法，所述编码器包括标尺和用于读取所述标尺的读取头，所述标尺具有限定位置信息的特征，所述方法以任何合适的顺序包括从至少一个以前的标尺读数计算外推位置信息用于以后的使用。所述外推位置可以与由标尺读数计算的位置进行比较以便确定它们之间的任何差异。随后使用所述外推位置信息(例如通过需要位置信息的下游处理)，而不管是否有差异。可以保持差异记录。本发明的优点是，标尺的任何伪读数不会使编码器装置输出不正确的位置信息。 已经发现，相比标尺的读数，外推不太可能提供不正确的位置读数，如果外推确实失败，则外推位置通常仅仅缓慢地偏离正确位置。因此，在任何差异的情况下，假定外推位置信息是正确的，并且读数是错误的。然而，进行差异的记录，随后使用该记录，从而进行对差异的合适的记录和/或监控。选择地，读取头可以被构造成通过获得标尺的离散快照而读取标尺。这可以例如代替连续地测量和计算相位。因此，可以通过读取头获取标尺的离散快照而获得标尺的读数。所述快照可以及时地立刻获得，或者通过迅速连续地对标尺的连续部分获得较小读数而积累。标尺的特征可以仅限定增量位置信息。在这种情况下，标尺的特征可以包括多个规则间隔开的特征。选择地，可以毗邻增量特征系列或者嵌在增量特征系统中提供至少一个参考记号，用于限定至少一个参考位置。优选地，标尺特征限定一系列独特的绝对位置。所述一系列独特的绝对位置可以由多个轨道中的特征限定，例如多个毗邻的轨道。选择地，所述一系列独特的绝对位置可以仅仅由包含在单个轨道中的特征限定。例如，所述绝对位置信息可以从沿着标尺的测量长度获取的特征组合确定。可以由以下特征确定精细位置信息，所述特征包含在与限定独特绝对位置系列的特征相同的轨道中。特别地，可以由限定独特绝对位置系列的特征确定精细位置信息。因此，可以由共同的位置特征系列确定位置信息的粗略位置部分和精细位置部分。这种标尺可以被当做单轨道标尺。选择地，所述标尺可以包括至少第一轨道和至少第二轨道，所述第一轨道具有限定独特绝对位置系列的特征，所述第二轨道仅限定增量信息。在这种情况下，可以从至少一个第一轨道确定粗略位置部分，从至少一个第二轨道确定任何精细位置 fn息ο如上所解释的，对于不同的系统，标尺周期可以变化。然而，正如将要理解的，通常标尺周期是用来确定精细(例如相位)位置信息的特征的中心之间的距离。由于特征的规则间距，可以如上所述通过确定毗邻共同特征的中心之间的距离而在增量标尺上确定所述标尺周期。通常，通过确定两个最近的共同特征的中心之间的间距(例如，在反射型光学编码器装置中，最接近的两个反射型线条的中心之间的距离，或者最接近的两个非反射型线条的中心之间的距离)而发现标尺周期。对于绝对标尺这是事实，特别对于以下绝对标尺， 其中通过改变否则周期性的增量标尺(例如以便遗漏某些特征)而嵌入绝对位置信息。所述方法可以进一步包括监控对于差异的记录，所述差异表示外推位置计算的失误。外推位置计算的失误可以导致计算不正确的外推位置。这种监控包括监控差异的数目。 这种监控可以包括监控过度的差异。例如，过度差异可以包括过度数量的差异。例如，这可以包括监控至少两个差异，更优选地至少三个差异，特别优选地至少四个差异。过度差异可以包括在预定时间界限内的多个差异。过度差异可以包括多个连续差异。选择地，过度差异可以包括在预定距离上的多个差异。监控对表示外推位置计算失误的差异的记录可以包括监控差异的大小。这是有用的，因为用于外推失误的差异大小很可能不同于用于标尺读数失误的差异大小。例如，如果由于过度加速度而外推有失误，则位置差异将可能仅仅是少数标尺周期。因此如果差异大小小于预定阙值，则可以确定外推失误。该阙值可以是与许多标尺周期相应的值。该阙值可以是10个标尺周期，更优选地使5个标尺周期，特别优选地是仅仅1个标尺周期。而且，如果由于过度加速度而外推失败，则位置差异将很可能仅仅是少数标尺周期，并且将很可能随着每个随后的标尺读数而稳定地增加。因此，监控对表示外推位置计算失败的差异的记录可以包括检查差异大小是否对于多个标尺读数增加。标尺读数的失败可能给出更大的差异，差异的大小取决于位置信息如何嵌在标尺上(标尺的“代码方案”)。特别地，关于其中绝对位置信息以离散代码字形式编码的绝对编码器，标尺读数的失败可导致误差，所述误差具有多个代码字尺寸。如果例如使用16位离散代码字(每个标尺周期一个位)，则读取标尺的任何误差可能是16个标尺周期的倍数。 因此，监控对于表示外推位置计算失败的差异的记录可以包括检查差异是否是与代码字尺寸的倍数相等的多个标尺周期。而且，代码方案可以被设计成使得很可能有的标尺读数误差将给出特定大小的误差。例如，当使用离散代码字时，类似的代码字可以在标尺上放置得间隔较远，不相似的代码字放置成彼此毗邻。例如，类似的代码字可以被放置成彼此间隔至少两个完整的代码字， 优选间隔至少三个完整的代码字，特别优选间隔至少五个完整的代码字。什么被认为是“类似的代码字”取决于代码方案，尤其是所使用代码字的长度。在特定例子中，类似的代码字可以是以下代码字，它们具有不超过三个彼此不同的位。因此，如果代码字的三个位被不正确地读取(例如由于在标尺上存在灰尘)，则根据所述读数的位置将不正确一段大的距离(例如，至少两个或多个完整代码字长度)。假设读取头与标尺之间的相对加速度不超过预定最大相对加速度，则这种差异不可能是由于外推失败，因此可以假设差异是由于读取误差。因此，在这种情况下，当差异小于预定大小时可以再次确定外推位置计算的误差。 在其它例子中，类似的代码字可以是以下代码字，其具有不超过两个彼此不同的位，例如不超过1个彼此不同的位。从标尺的至少一个之前读数中计算外推位置信息可以包括从之前读数计算当前位置以及自从上次读数的时间流逝。这可以涉及应用关于标尺和读取头相对速度的知识。 相对速度信息可以由外部装置提供相对速度可以从至少两个之前的读数确定。所述至少一个之前的读数可以是至少部分外推的读数，或者是标尺的读数。比较可以包括将粗略外推位置与从标尺读取的粗略位置信息比较。特别地，比较可以包括将粗略绝对外推位置与从标尺读取的粗略位置信息比较。计算外推位置信息可以包括使用i)从至少一个之前确定的绝对位置外推粗略位置，以及ii)从标尺的当前读数计算精细位置信息。正如将要理解的，精细位置信息将比粗略位置信息具有更精细程度的分辨率。特别地，计算外推位置信息可以包括使用i)从至少一个之前确定的绝对位置外推的绝对位置，以及ii)从标尺当前读数计算的精细位置信肩、ο而且，这可以包括将外推位置(例如外推绝对位置)与精细位置信息组合起来。特别地，这可以包括将从至少一个之前确定的绝对位置外推的粗略位置(例如，粗略绝对位置)与从标尺的当前读数或快照计算的精细位置信息组合起来。精细位置可以是相位读数。正如以上所解释的，相位读数可以规定作为标尺周期的细分读取器相对于标尺的位置。特别地，精细位置可以包括由读取头传感器检测的特征相对于传感器上预定点的位置。这可以通过观察由读取头传感器输出的信号与预定参考信号之间的相位偏移而确定。正如所理解的，不管标尺是绝对标尺(即，标尺特征限定一系列独特的绝对位置) 还是其上具有至少一个参考记号的增量标尺，都可以计算粗略绝对位置。正如所理解的，通过具有至少一个参考记号的增量标尺，可以通过计算与参考记号之间的距离而确定绝对位置。因此，使用i)从至少一个之前确定的绝对位置外推粗略绝对位置以及ii)从标尺的当前读数计算的精细位置信息计算外推位置信息的步骤不仅仅限于绝对标尺。所述方法可以进一步包括在表示外推位置失败的差异时执行误差程序。执行误差程序可以包括发出误差信号。所述误差程序可以包括重新设置用在计算外推位置信息中的变量。例如，它可以包括重新计算所述至少一个之前的读数。它可以包括重新计算标尺与读取头之间的相对速度。应用i)从至少一个之前确定的绝对位置和ii)从标尺的当前快照计算的精细位置信息的步骤可以包括将粗略外推位置与从标尺读取的粗略位置信息进行比较。因此，在以下实施例中，其中位置可以被分解成粗略位置部分(即，到标尺特征的最接近完整周期的位置)和精细位置部分(即，具有比标尺特征的周期更精细分辨率的位置部分)，所述方法可以包括只比较位置信息的粗略位置部分。使用外推位置可以包括将外推位置发送或提供给外部装置。使用所述外推位置可以包括储存外推位置以备后用。特别地，它可以被储存以便用在随后的外推计算中。所述外推位置可以被用于确定机床(诸如坐标定位机器)的至少一部分的位置，而且可以被用于控制例如机床的实时控制。正如将理解的，不是需要将每个所计算的外推位置与标尺的读数比较。类似地，不是需要将标尺的每个读数与外推位置比较。然而，优选地，以一定间隔，特别是以频繁的间隔，将外推位置与实际位置读数比较。正如将要理解的，这可以依赖于本发明所使用系统的特定需要而改变。所述间隔可以是规则的或不规则的。可以仅根据外部装置的要求而发生比较，因此连续比较之间的间隔可以不受编码器装置的控制。优选地，所述间隔是规则的。 优选地，所述间隔由编码器装置(特别是由读取头)规定。优选地，至少每隔一个外推位置就与从标尺读数计算的位置进行比较。更优选地，每个外推位置都与从标尺读数计算的位置进行比较，以便确定它们之间的任何差异。然而，可以看出，本发明的方法可以用在以下实施例中，其中代替标尺的实际读数(例如，读取头或者其它处理读取头输出以获得位置信息的装置提供外推位置信息)使用外推位置，并且将外推位置的至少一些(优选频率样品)与标尺的实际读数进行比较以便检查随着时间推移外推位置信息与实际相对位置不会偏离太多(例如，偏离预定阙值，该预定阙值例如是基于偏离大小或者基于偏离频率)。 特别地，它可以用在以下实施例中，其中计算/使用外推位置序列，并且其中将外推位置的仅仅一些与由标尺读数计算的位置进行比较。所述位置编码器装置可以是电磁或电感式位置编码器装置。所述位置编码器装置可以是电容式位置编码器装置。选择地，所述位置编码器装置是光学位置编码器装置。在这种情况下，所述位置编码器装置可以是透射型的，其中读取头检测从标尺透射的光线。选择地，所述位置编码器装置可以是反射型的，其中读取头检测从标尺反射的光线。所述读取头可以包括用于照射标尺的光源。正如将要理解的，有许多合适的方式在标尺上限定特征。例如，可以通过具有特定电磁辐射(EMR)性质的记号来限定特征，例如特定光学性质，例如通过标尺的部分的特定光学透射率或反射率。因此，可以例如通过具有最小反射率或透射率值的标尺的部分来限定特征。选择地，特征可以例如由具有最大反射率或透射率值的标尺的部分来限定。在磁性编码器的情况下，特征可以由具有特定磁性质的记号或例如通过存在或不存在铁磁材料来限定。在电容性标尺的情况下，特征可以由具有特定电容性质的记号来限定。所述特征可以采取线条、点或其它构造的的形式，它们可以由读取头读取。用于一维标尺的优选构造可以包括线条，其沿着与测量维度垂直的维度在整个轨道宽度上延伸。正如将要理解的，所述读取头将包括至少一个检测器，用于感测位置特征系列。所述读取头可以包括至少一个EMR敏感型检测器。所述至少一个EMR敏感型检测器可以是光学EMR敏感型检测器。正如将要理解的，这可以包括适于感测红外线到紫外线范围的电磁辐射(EMR)的检测器。例如，所述检测器可以是可视EMR敏感型检测器。读取头可以包括多个检测器元件。例如，读取头可以包括检测器元件阵列。所述阵列可以是一维或二维的。读取头可以包括至少一个EMR源，用于照射标尺。所述至少一个EMR源可以是光源。正如将理解的，这可以包括适于在红外线到紫外线范围内发出电磁辐射(EMR)的源。例如，所述源可以是可视EMR源。例如，所述源可以是发光二极管(LED)。正如将理解的，本发明方法的至少一些步骤可以通过与读取头分离的例如处理装置等装置执行。优选地，所述读取头被构造成从标尺的至少一个之前读数计算外推位置信息。优选地，所述读取头还被构造成将所述外推位置与从标尺读数计算的位置比较，以确定它们之间的差异。优选地，所述读取头还被构造成如果存在差异就使用外推位置。而且，优选地，所述读取头被构造成保持对任何差异的记录。根据本发明的第二方面，提供了一种用于读取标尺的读取头，所述标尺具有限定位置信息的特征，所读取头被构造成执行上述方法。根据本发明的第三方面，提供了一种编码器装置，其包括标尺和用于读取标尺的读取头，所述标尺具有限定位置信息的特征，所述装置被构造成从标尺的至少一个之前读数中计算外推位置信息以备后用；将外推位置与由标尺读数计算的位置进行比较以便确定它们之间的差异；如果存在差异就使用外推位置；以及保持对任何差异的记录。正如将理解的，所述装置可以包括与读取头分离的处理器装置。在这种情况下， 处理器装置可以被构造成执行以下任何步骤从标尺的至少一个之前读数计算外推位置信息；将外推位置与由标尺读数计算的位置进行比较以便确定它们之间的差异；如果存在差异就使用外推位置；以及保持对任何差异的记录。优选地，读取头被构造成从标尺的至少一个之前读数计算外推位置信息。优选地，它还被构造成将外推位置与从标尺的读数计算的位置进行比较以便确定它们之间的差异。优选地，读取头还被构造成如果存在差异就使用外推位置。而且，优选地，读取头被构造成保持对任何差异的记录。


下面参照附图并借助例子来描述本发明的实施例，其中图1显示了根据本发明的计量装置的示意性透视图；图加是根据第一实施例的读取头的各种光学和电学部件的示意性方框图；图2b是根据第二实施例的读取头的各种光学和电学部件的示意性方框图；图3是图1所示读取头的高水平操作的流程图；图4是显示初始化位置和速度变量的方法的流程图；图5是流程图，其显示了确定标尺的标尺记号的基本周期的方法；图6是流程图，其显示了确定读取头相对于标尺的标尺记号的相位偏离的方法；图7是流程图，其显示了校正外推位置的方法；图8是流程图，其显示了确定读取头相对于标尺的粗略绝对位置的方法；图9a和9b是图表，其显示了用于第一位置确定图1所示标尺的标尺记号的基本周期；图IOa和IOb是图表，其显示了用于第二位置确定图1所示标尺的标尺记号的基本周期；图Ila是图1所示标尺的示意性平面图；图lib示意性显示了来自图1和2所示读取头的传感器的输出；以及图Ilc示意性显示了从标尺图像获取的代码字。
具体实施例方式参照图1。其显示了包括读取头4、标尺6和控制器7的编码器装置2。读取头4和标尺6被分别安装至第一和第二物体(未示出)，所述第一和第二物体可以相对于彼此移动。相对运动的速度可以改变，但是在所述实施例中，读取头4和标尺6具有已知最大相对加速度。在所述实施例中，标尺6是线性标尺。然而，将会理解，标尺6可以是非线性标尺， 诸如旋转标尺。而且，标尺6使得仅仅沿单个维度进行测量。然而，将要理解，不是必须是这种情况，例如标尺可以允许沿两个维度进行测量。在所述实施例中，标尺6是绝对标尺并且包括一系列反射型线条8和非反射型线条10，它们布置成沿着标尺长度编码独特的位置数据。正如将要理解的，所述数据可以是例如伪随机序列或离散代码字的形式。线条的宽度取决于所需位置分辨率并且通常在1微米至100微米的范围中，更通常的在5微米至50微米的范围中。在所述实施例中，线条的宽度是15微米量级。反射型线条8和非反射型线条10通常以预定周期以交替的方式布置。然而，从标尺6中遗漏选择的非反射型线条10以便编码标尺6中的绝对位置数据。例如，可以应用非反射型线条的存在来表示“ 1”位，而用非反射型线条的缺失来表示“0”位。如图加所示，读取头4包括发光二极管(LED) 12、光学元件18、互补金属氧化物半导体(CM0Q图像传感器20和窗口 22。读取头还可以包括模拟-数字转换器以便将来自图像传感器的图像数据数字化。选择地，所述模拟-数字转换器可以在图像传感器或者CPU 中进行。从LED12发射的光通过窗口 22并且落在标尺6上。标尺6将光线往回反射穿过窗口 22，又穿过透镜18，进而使用反射光在图像传感器20上成像标尺。因此，所述图像传感器20检测标尺6的一部分的图像。图像传感器20包括单排256个细长像素，其长度平行于标尺上的反射型线条8及非反射型线条10的长度延伸。所示实施例是反射型的，但是将要理解，本发明可以用于透射型编码器装置(其中光线透射穿过标尺，而不是从标尺被反射)。读取头4还包括CPU24、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)或者闪存形式的储存装置32以及接口 38。LED 12与CPUM相连，使得LED12可以根据CPU24的要求操作。图像传感器20与 CPUM相连，使得CPUM可以接收遇到图像传感器20的光强的图像。该图像传感器20还与 CPU24直接相连，使得图像传感器20可以被操作以便根据CPUM的要求拍摄落在传感器20 上的光强的快照。CPUM与存储器32相连，使得它能够储存并获取数据以便用于它的处理。 接口 38与CPUM相连，使得CPUM可以经由线路40从外部装置(诸如控制器7 (如图7所示))接收命令以及将结果输出至外部装置。线路40还包括电源线，读取头4借助该电源线得到动力。图2b所示的读取头与图加所示的读取头大致相同，相同的部件共用相同的附图标记。然而，图2b所示实施例的光学布置稍微不同。在该实施例中，读取头4包括校准透镜13、具有反射面17和光束分离面19的光束分离装置15、以及成像透镜21。所述校准透镜13将从LED12发出的光线校准成光束23，然后光束23被分离装置的反射面17朝着光束分离面19反射。光束分离面19经由窗口 22朝着标尺6反射光束23，然后朝着光束分离面 19通过窗口 22将光线反射回，所述光束分离面19允许被反射的光线直接穿过它。被反射的光线然后穿过成像透镜21，成像透镜21在CMOS图像传感器20上形成标尺6的图像。
参照图IlaUlb和11c，它们分别显示了 标尺6的一部分的示意性示例图，其显示了将由读取头4的图像传感器20所看见的反射型线条8和非反射型线条10，它们具有基本周期，即标尺周期“P”;成像所述部分的传感器的输出50 ；以及包含在被成像部分中的整个代码字的二进位值。如图Ila所示，已经省略非反射型线条10的其中一些以便限定编码绝对位置数据的离散代码字。例如，包含在虚线框11中的线条限定一个独特的16位代码字。通过存在非反射型线条10限定“1”位，通过不存在非反射型线条8限定0位。图lib 显示了在由图像传感器20获得的图像上的强度变化。CPUM可以分析所述输出并且在期望看见反射型线条的点处施加强度阙值At。CPUM解释强度小于阙值At的那些点为“1”并且解释强度大于阙值At的那些点为“0”。图Ilc显示了由CPUM提取的代码字，CPU24将该算法应用至图lib所示的输出。正如将理解的，除省略非反射型线条10之外或者代替省略非反射型线条10，省略反射型线条8，从而可以在标尺6中编码绝对位置数据。而且，绝对位置数据可以被嵌在标尺6中，而不用添加或者移除反射型线条8或非反射型线条10。例如，线条的宽度、它们之间的距离或者它们的颜色可以改变以便在标尺6中嵌入绝对位置数据。而且，代替沿着标尺的测量长度设置特征的独特组合来限定绝对位置这种标尺，标尺可以具有这样的特征， 其沿着标尺宽度提供特征的独特组合来限定绝对位置。例如，标尺可以包括多个“条形码”， 所述条形码的长度延伸穿过所述标尺，例如大致垂直于标尺的测量长度。选择地，标尺可以包括多个轨道，其中至少一个轨道，选择地至少两个或者可能的话所有这些轨道，可以包括多个规则间隔开的特征(即，所述轨道可以基本上包括具有不同基本频率的增量标尺特征)，其中轨道的标尺周期彼此不同，使得在标尺宽度上的特征组合在沿着标尺测量长度的任何点处都是独特的。正如将理解的，本发明还与增量标尺一起使用。在这种情况下，如果需要的话，可以毗邻增量标尺轨道或者嵌在增量标尺轨道中提供参考标记。进一步，标尺可以包括绝对轨道和增量轨道，所述绝对轨道包括限定绝对位置信息的特征，所述增量轨道包括规则间隔开的特征。在这种情况下，可以从增量轨道确定相位信息，而不是从下面所述实施例中的绝对轨道确定。可以使用一系列记号组沿着限定独特的(即绝对的)位置信息的标尺长度编码一系列独特的二进制代码字，同时仍然有充分的信息以便能够从所述一系列记号提取相位信息以便确定精细位置信息(例如，具有比标尺记号周期更精细分辨率的位置信息)。因此，在这种系统中，可以由粗略绝对位置(由从图像提取的代码字确定)以及精细位置(通过查找大致周期性记号的相位偏移而确定)组成位置信息。在国际专利申请号No. PCT/ GB2002/001629(公开号W02002/08422;3)中描述了这种所谓混合增量和绝对标尺的进一步细节，该专利的内容通过参考的方式被结合在本申请说明书中。下面参照图3描述装置2的操作100的方法。所述方法开始于当启动读取头4时。 第一步骤102涉及确定读取头4和标尺6的相对位置和速度。总之，这涉及以已知的时间差获得标尺的两个读数并且基于在所述时间差过程中行进的距离计算速度。下面结合图4 更详细地描述步骤102的过程。通过读取头4获得标尺6的快照并记录获得快照的时间，在步骤202开始初始化读取头4和标尺6的位置和速度。这通过CPUM将信号发送至LED12以便使得LED12临时发射光而实施。CPUM还使得图像传感器20同时地感测并记录落在传感器上的光线图案的强度。图Ila示意性显示了落在图像传感器20上的光线的示例图案。在该实施例中，光线的图案是标尺6在LED12发射瞬间的图像。正如所看见的，所述图像包括多个深色线条10 和浅色线条8，它们对应于标尺上的非反射型线条10和反射型线条8。正如将理解的，由图像传感器20获得的标尺6的实际图像将不可能像由图Ila示意性显示的图像那样强烈。图像传感器20的输出是代表落在其上的图像的信号。图lib示意性显示了由图像传感器20输出的信号50的例子。在步骤203中，CPUM发现由图像传感器42输出的信号50的基本周期，并因此发现所成像的标尺记号的基本周期，下面参照图5更详细地描述所述方法。在步骤204中，确定标尺记号与图像传感器20的中心线之间的相对相位偏移，下面参照图6更详细地解释所述方法。总之，通过计算由图像传感器20所输出的信号50所描述的波与参考正弦波52之间的相位而确定相对相位偏移，所述参考正弦波52具有与由图像传感器20所输出的信号50所描述的波相同的基本周期(参考正弦波具有相对于图像传感器的预定位置，诸如点54，在该点正弦波52从负到正穿过零点，该点是相对于图像传感器20的输出的中心)。正如下面更详细解释的，相位偏移的计算涉及将输出信号50与参考余弦波(未显示)以及正弦波52比较。一旦已经确定相位偏移，则在步骤206确定读取头4与标尺6的粗略绝对相对位置，下面参照图8更详细地描述该步骤的过程。然后，如下面将更详细描述的，通过结合粗略绝对位置与计算的相位偏移，在步骤208确定读取头4与标尺6之间的精细绝对相对位置。在步骤210，确定是否已经获得两个连续的有效读数。如果没有，则重复步骤 202-208，直到已经获得两个连续的有效读数。通常的做法是在标尺代码中包括冗余信息以便促进对图像数据的误差检测与校正。确定读数是否有效可以包括在解码图像中的标尺代码时测量误差率(即，不得不进行的误差校正的量)。选择地，确定读数是否有效可以包括评估图像强度或者图像的基本周期的幅度(下面描述所述计算)。一旦已经获得两个连续有效的读数，则在步骤212基于两个最近的连续有效读数与在这两个读数之间所花费的时间来计算速度。然后储存所确定的速度与最近的位置读数用于以后的参考，如下将更详细描述的。下面参考图5，通过将标尺的图像分成多个部分，在步骤302开始用于确定由图像传感器20所成像的标尺的基本周期的过程300。为了辅助对该过程进行解释，参考图9a， 该图显示了示例波142，波142表示由图像传感器20所检测的图像的强度。为清楚起见，图像是标尺的一部分，该部分具有交替的反射型线条和非反射型线条，没有省略线条。而且， 事实上，装置被构造成使得它在每个段可能具有比所显示的更多的线条以便降低灰尘对标尺的影响和/或省略/添加线条以确定标尺的基本周期。而且，波被显示为模拟波，虽然在所描述的实施例中，波将由数字化取样数据表示。表示图像的波142已经被分成6个相同尺寸的部分，在图像传感器20的中心线两侧各有3个(所述中心线平行于标尺6上的反射型线条8和非反射型线条10的长度延伸)。在步骤304，确定波142的其中一个部分与参考波144的一个相应部分之间的相位， 所述参考正弦波144具有预定的周期(并且具有相对于图像传感器的预定位置，使得它的正梯度的中点位于图像传感器的中心)。可以应用图6所示的过程400计算每个部分的相位。所述过程400涉及在步骤 402计算波142的其中一个部分与参考正弦波144的相应部分的点乘积以获得“虚拟”分量 (IM)。在步骤404，计算波142的相同部分与参考余弦波146的点乘积以便获得“真实”分量(RE)。在步骤406，计算除以真实分量的虚拟分量的反正切以便获得与角相位偏移成正比的值(Θ)。然后通过在步骤406中确定的值，在步骤408计算所述角相位偏移。对于波 142的每个部分重复该过程。从图9a所示例子中可以看出，表示部分1的图像的波142仅仅稍微与参考正弦波 144异相。表示图像的波142与参考波144之间的相位对于每个部分逐渐增加，直到部分 6，在部分6中波142大约360度或者2 π弧度地与参考正弦波144异相。在步骤306中， 如图9b所示，在图表中绘出对于每个块的相位偏移，并计算通过所有点的最佳拟合线的梯度。所述最佳拟合线的梯度与参考正弦波144的周期和表示图像的波142之间的差成正比。 因此，在步骤308中，波142的基本周期以及因此标尺记号的基本周期可以基于所述差异确定。正如将要理解的，当波142的周期与参考正弦波144及参考余弦波146的周期相同时， 最佳拟合线条的梯度将是零。在以上结合图9描述的例子中，拍摄快照，使得示例波142的第一部分与参考正弦波144仅仅稍微异相。因此，对于每个部分参考波与参考正弦波144之间的相位差逐渐增力口。然而，如图IOa所示，可能在波143的第一部分与参考正弦波145很大程度地异相的位置拍摄标尺的快照。因此，在有些点处，将可能在毗邻部分之间有相位偏移的跳跃。在该例子中，相位偏移跳跃发生在第四和第五部分之间(从部分4中接近2π的相位偏移到部分 5中接近零的相位偏移)。在这个情况下，对于每个部分相位偏移值的最佳拟合线不会给出以下梯度，该梯度与参考正弦波145周期和表示图像的波143之间的差成正比。因此，图5 所示方法的步骤306包括移除毗邻部分之间大于π的相位偏移跳跃。这通过向部分的计算相位偏移添加或者从中减去2 π的整数倍实现，从而总是给出小于π的毗邻部分之间的相位改变，如图IOb所示。一旦已经移除了所述跳跃，则确定所述最佳拟合线并且用以上参照图10所述相同的方式获得所述基本周期。在步骤310中，选择与在之前步骤308中确定的基本周期相对应的查询表。所选择的查询表包含代表正弦和余弦波的值，所述正弦和余弦波具有与所确定基本周期相同的周期，并且所述查询表被用于测量相位偏移(即，步骤108和204)。可以提前产生所述查询表，例如在启动读取头时或者它们可以被预存储在存储器32中。图6所示的用于发现相位偏移的过程400也被用在测量由图像传感器输出的模拟信号50相对于图像传感器中心线的相位偏移中(即，图5的步骤204)。然而，在这种情况下，对于由图像传感器输出的整个数字化形式的模拟信号50，计算与具有在图4的步骤203 所确定周期的参考正弦波52的点乘积(步骤402)及余弦波(未示出)的点乘积(步骤 404)。然后计算虚拟分量除以真实分量的反正切以便在步骤406获得角相位偏移(Θ)，该角相位偏移然后被转换成偏移距离，用于确定组合绝对位置(即，图4的步骤208)。返回到图3，在步骤104继续过程100，此时获得标尺的进一步快照，并且记录拍摄的时间。可以在收到来自控制器7的位置要求时进行步骤104。然而，如果在预定最大时间界限内没有收到来自控制器7的位置要求，则读取头4可以开始步骤104。这确保了规律地校正相对速度并且在控制器最终要求位置信息时确定精确的外推位置。在步骤106，确定被成像的标尺记号的基本周期。这利用以上已经参考图5描述的过程300进行。然后利用以上参考图6所描述的过程400在步骤108测量所成像的标尺记号的相位偏移。并且对于由图像传感器输出的模拟信号50的整个数字化形式计算点乘积。在步骤110计算外推位置。由于之前的位置是确定的，所以这通过相对速度乘以逝去时间进行。这给出了移动的距离，因为之前的位置已经被确定。将该距离加上之前的距离给出了外推位置。然而，该计算假定了所述速度保持恒定。任何加速度将导致外推位置的小的误差。因此，在步骤112校正所述外推位置以便移除任何这种误差(假设其幅度小于一个标尺周期的一半)，下面结合图7更详细地描述该步骤的过程。误差总是要小于标尺周期的一半这一要求为读取头4相对于标尺6的加速度设置了上限。对于具有30微米周期标尺的典型系统，读取头每100微秒拍摄快照，则该上限为大约1500米/秒2(150g)，这比任何计量应用所需的加速度要高很多。如果在步骤104中，响应于控制器7的要求位置信息而要求快照，则在步骤114最终的外推位置被传送至控制器7。在步骤116继续所述方法，基于当前最终外推位置、之前已知的位置以及拍摄快照的各自时间校正并计算当前的速度，其中从上述快照计算那些位置。在步骤118，从在步骤104获得的快照读取实际粗略位置，下面结合图8更详细地解释所述步骤的过程。在步骤120，将在步骤118中从快照读取的粗略位置与在步骤114确定的最终外推位置的粗略部分比较。这初始地涉及从最终外推位置移除在步骤108测量的相位，以获得最终外推位置的粗略部分。如果读取粗略位置与外推位置的粗略部分不同，则已经发生误差一读取位置和/或外推位置是不正确的。根据本发明操作的编码器装置假定外推粗略位置相比较读取粗略位置不太可能是错误的，因此不是立即发出警告或者采取校正措施，而是在步骤122中累加误差计数器。在步骤1 中，只有在读取粗略位置与外推粗略位置之间已经有足够数目的连续差异时(例如，当误差计数等于预定阙值水平时)，根据本发明的编码器装置才采取措施。在这种情况下，在发生校正措施之前允许至少四个连续差异。在这种情况下，校正措施包括使所述过程返回至步骤102，在步骤102，重新初始化速度和位置。 当然，也可采取其它措施，包括例如向控制器7发送误差和/或警告信号，控制器然后响应于该信号采取行动。例如控制器7可以响应于接收这种误差而停止读取头4或标尺6位于其上的机器(或者停止机器的一部分)。如果读数粗略位置和外推粗略位置是相同的，则在步骤IM将误差计数设置为零。如上所述，可以使用其它方法来处理外推位置与实际读数之间的差异。特别地，确定差异是否是由于外推位置或者标尺读数的误差(因此例如是否发出表示误差的信号和/ 或采取校正措施)可以基于差异的幅度。特别地，如上所述，根据所使用的代码方案，可以假定小的差异是由于外推过程的失误，而大的差异是由于标尺读数的失误。现在参照图7描述用于完成外推位置的过程500。所述方法开始于步骤502，此时从原始外推位置(在步骤110中确定)中移除相位信息。实际上，这可以通过将原始外推位置四舍五入至最接近的完整粗略绝对位置(即，到最接近的完整标尺周期)而实现。在步骤504中，将在步骤108测量的相位偏移添加到四舍五入得到的外推位置，以获得“新的外推位置”。由于对读取头4和标尺6安装在其上的部件的加速度的约束，所以已知新的外推位置必须在原始外推位置的1/2周期内。因此在步骤506中，进行检查以便确定是否是这个情况。这涉及到从原始外推位置减去新的外推位置。如果它们之间的差异小于-1/2周期，则在步骤508中，从新的外推位置减去一个周期。如果它们之间的差异大于周期， 则在步骤510中，向新的外推位置添加一个周期。如果它们之间的差异在-1/2周期与1/2 周期之间，则不改变新的外推位置。最后，在步骤512中，将最终外推位置设置成改变的(或未改变的)外推位置。现在将参照图8描述用于读取粗略绝对位置的过程600。所述过程开始于步骤 602，其中CPU24从标尺的图像(即，从图像传感器20输出的信号50)读取位流。在步骤 106和108中已经确定了标尺记号的基本周期以及相对于图像传感器20中心线的相位偏移。因此，CPU24 了解在信号50中的哪些点处幅度表示标尺6上的反射型线条8或非反射型线条10。如图Ila-Ilc所示，在那些点的每一个处，CPU24将信号50中的低幅度(例如， 位于阙值At以下的幅度)解释为“1”位，将高幅度(例如，位于阙值At以上的幅度)解释为“1”位。将标尺6上的绝对数据的位组合成代码字(例如代码字11)。每个代码字沿着标尺6限定独特的绝对位置。正如将要理解的，可以使用在每个代码字开始处的起始符号，其用作标记每个代码字的开始。例如，在该实施例中，所述起始字可以包括位序列“1101”。如果使用起始符号，则起始符号的选择被限制为所选择的序列，因为起始符号必须在任何代码字中不出现，否则部分代码字可能会被错误识别为起始字符。而且，必须没有代码字以起始符号的开始终止，反之亦然，因为这可能导致代码字的位置被错误解释少数的位。图像传感器窗口足够宽以便看见至少一个完整的代码字，而不管在拍摄快照时读取头4与标尺6的相对位置。在步骤604中，定位起始符号，在步骤606中，读取在起始符号之后的位。确定与代码字相对应的沿着标尺的位置。这可以通过使用储存在存储器32中的查询表进行，所述查询表被用来解码所述代码字。因此，在步骤608中，比较从图像读取的代码字与储存在查询表中的代码字。查询表中的匹配位置给出了代码字相对于标尺数据的粗略绝对位置。然后通过从在步骤608中发现的代码字的粗略位置中减去在步骤604中发现的起始符号相对于读取头的位置，计算读取头相对于标尺数据的粗略绝对位置。当然，可以应用误差检测和校正技术，以便克服错误位的存在，诸如在国际专利申请NO.PCT/GB2002/001629中公开的技术。而且，可以应用其他技术来编码并确定读取头4相对于标尺6的粗略绝对位置。例如，标尺6上的反射型线条8和非反射型线条10可以编码伪随机绝对代码，其中预定数目位的每个组合唯一地确定读取头4与标尺6之间的绝对相对位置。因此，描述了一种操作编码器的方法，所述编码器输出位置信息，所述位置信息至少部分是外推的，但是所述编码器进行合适的检查以便确保所述外推位置与从标尺获得的全部读数是一致的。如果存在差异，则编码器仍然输出外推位置，但是将记录所述差异。如果位置读数是不正确的(如由于随机噪音或例如头穿过标尺上的一个脏物所引起的)，那么在下一次检查中，外推位置与测量位置将一致，并且编码器将继续正常地操作。如果另一方面位置读数是正确的，并且外推位置是不正确的，则对于所有随后的检查，外推位置将继续缓慢地偏离正确读数。在少量检查之后，读取头可以识别这个情形并且在输出位置显著误差之前采取合适的措施。 所述方法利用标尺的全部读数检查每个外推位置。然而，应当理解，不是必须是这种情况，例如，可能只检查外推位置中的一些。例如，以频繁的间隔进行这种检查，这可能是基于时间的或者例如基于所计算位置的数目(例如，至少每隔10个，至少每隔5个，或者至少每隔一个外推位置检查)。而且，进行这种检查的规律性可以是自适应的，并且可以由于各种原因而改变，诸如例如之前所确定差异的数目和/或程度。
权利要求
1.一种操作位置编码器装置的方法，所述编码器装置包括标尺和用于读取所述标尺的读取头，所述标尺具有限定位置信息的特征，所述方法以任何合适的顺序包括以下步骤从所述标尺的至少一个之前读数计算外推位置信息；将外推位置与从标尺读数计算的位置进行比较以便确定它们之间的任何差异；不管是否存在差异均使用所述外推位置信息；以及保持对任何差异的记录。
2.如权利要求1所述的方法，包括监控对表示外推位置计算失误的差异的记录。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述监控包括监控所述差异的数目。
4.如权利要求2所述的方法，其中所述监控包括监控所述差异的幅度。
5.如权利要求2至4中任何一项所述的方法，进一步包括在出现表示所述外推位置失误的差异的情况下执行误差程序。
6.如权利要求5所述的方法，其中执行误差程序包括发出误差信号。
7.如前面任何一项权利要求所述的方法，其中计算外推位置信息包括应用i)从至少一个之前确定的绝对位置外推的粗略位置以及ii)从标尺的当前读数计算的精细间距位直fe息。
8.如前面任何一项权利要求所述的方法，其中所述比较包括将粗略外推位置与从标尺读取的粗略位置信息比较。
9.如前面任何一项权利要求所述的方法，其中所述标尺包括限定一系列独特绝对位置的特征。
10.如权利要求9所述的方法，其中从限定所述一系列独特绝对位置的特征确定所述精细间距位置信息。
11.如前面任何一项权利要求所述的方法，包括将所述外推位置发送至外部装置。
12.如前面任何一项权利要求所述的方法，包括存储所述外推位置以便用在随后的外推计算中。
13.如前面任何一项权利要求所述的方法，其中将每个外推位置与从标尺读数计算的位置比较以便确定它们之间的任何差异。
14.一种用于读取标尺的读取头，所述标尺具有限定位置信息的特征，所述读取头被构造成执行前面任何权利要求的方法。
15.一种位置编码器装置，包括标尺和用于读取所述标尺的读取头，所述标尺具有限定位置信息的特征，所述装置被构造成从标尺的至少一个之前读数计算外推位置信息；将外推位置与从标尺读数计算的位置进行比较以便确定它们之间的任何差异；不管是否存在差异，应用所述外推位置；以及保持对任何差异的记录。
全文摘要
一种操作位置编码器装置的方法，所述编码器装置包括标尺和用于读取所述标尺的读取头，所述标尺具有限定位置信息的特征。所述方法包括从所述标尺的至少一个之前读数计算外推位置信息；将外推位置与从标尺读数计算的位置进行比较以便确定它们之间的差异；不管是否存在差异均使用外推位置信息；以及保持对任何差异的记录。
文档编号G01D5/244GK102460077SQ201080024938
公开日2012年5月16日 申请日期2010年6月4日 优先权日2009年6月5日
发明者安德鲁·保罗·格里布尔 申请人:瑞尼斯豪公司