專利名稱：位置測量編碼器以及操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種位置測量編碼器，特別涉及一種用于測量兩個(gè)物體之間的相對位置的裝置。本發(fā)明還涉及一種操作這種位置測量編碼器的方法。
背景技術(shù)：
位置編碼器是用于測量兩個(gè)物體的相對位置的裝置。通常，標(biāo)尺被附接至或形成在其中一個(gè)物體上，而標(biāo)尺讀取器被附接或形成在另一個(gè)物體上。所述標(biāo)尺可以具有規(guī)則間隔開的特征(尤其在增量標(biāo)尺的情況下)，所述特征限定測量長度，即及自由度，在所述自由度下標(biāo)尺促進(jìn)測量。二維位置編碼器也是已知的，其具有限定兩個(gè)通常正交的測量長度的記號。標(biāo)尺可以是線性標(biāo)尺，用于提供對兩個(gè)物體之間線性運(yùn)動的測量。替換地，標(biāo)尺可以是旋轉(zhuǎn)標(biāo)尺，用于提供對兩個(gè)物體之間的角度運(yùn)動的測量。在已知的光學(xué)實(shí)施例中，標(biāo)尺讀取器將光線投射到標(biāo)尺上，然后根據(jù)標(biāo)尺構(gòu)造反射或投射光線。被反射或投射的光線落在標(biāo)尺讀取器上，隨后，當(dāng)標(biāo)尺和標(biāo)尺讀取器沿著測量維度相對于彼此移動時(shí)，讀取器產(chǎn)生表示兩個(gè)物體相對位移的增量計(jì)數(shù)。特別地，正如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所理解的，作為標(biāo)尺周期的細(xì)分，標(biāo)尺讀取器產(chǎn)生相位讀數(shù)，其規(guī)定標(biāo)尺讀取器相對于標(biāo)尺的位置，該相位數(shù)據(jù)被連續(xù)地饋送到計(jì)數(shù)器中，所述計(jì)數(shù)器記錄相對位移。正如將理解的，對于不同的編碼器系統(tǒng)，所采取的標(biāo)尺周期可以改變，但是正如所理解的，通常它可以是毗鄰共同特征的中心之間的距離，所述共同特征被用來確定相位信息。例如，在增量系統(tǒng)中，它可以是反射型光學(xué)編碼器中的兩個(gè)反射線或兩個(gè)非反射線的中心點(diǎn)之間的距離?？梢詮臉?biāo)尺的任一端或者沿著標(biāo)尺的由記號確定的預(yù)定位置對計(jì)數(shù)提供參照，所述記號嵌在標(biāo)尺內(nèi)或者位于挨著標(biāo)尺的軌道上。絕對位置編碼器也是已知的，其使得不需要從預(yù)定位置計(jì)數(shù)就能確定讀取頭相對于標(biāo)尺的絕對位置。這種編碼器通常包括具有獨(dú)特位置數(shù)據(jù)的標(biāo)尺，所述位置數(shù)據(jù)沿著標(biāo)尺的測量長度形成在標(biāo)尺上。所述數(shù)據(jù)例如可以是偽隨機(jī)序列的形式或者離散代碼字。通過在標(biāo)尺讀取器穿過標(biāo)尺時(shí)讀取該數(shù)據(jù)，標(biāo)尺讀取器可以確定其絕對位置。通過拍攝并處理標(biāo)尺的離散快照，而不是連續(xù)測量和計(jì)算相位，可以讀取編碼器標(biāo)尺?？梢约皶r(shí)地立即在一次讀取時(shí)進(jìn)行快照，或者可以通過迅速連續(xù)地獲取較小讀數(shù)而積累快照。標(biāo)尺的快照讀取可以提供許多優(yōu)點(diǎn)。例如，標(biāo)尺讀取器相對于標(biāo)尺的的最大操作速度可以更大，因?yàn)樗粫贿B續(xù)相位測量和計(jì)數(shù)系統(tǒng)的內(nèi)在頻率界限所限制。而且，在光學(xué)系統(tǒng)拍攝快照時(shí)，光源只需打開一小段時(shí)間，從而允許相對于連續(xù)系統(tǒng)增加光強(qiáng)，而無需增加平均電力消耗或者限制光源的壽命。所述增大的光強(qiáng)意味著可以通過傳感器捕獲更多的光子，從而降低了系統(tǒng)的噪音基數(shù)，發(fā)出較少的位置噪音。捕獲和處理標(biāo)尺的快照讀數(shù)可以包括確定至少一個(gè)粗略位置。這可以是測量標(biāo)尺和讀取頭的相對位置，到達(dá)一個(gè)或多個(gè)標(biāo)尺周期的分辨率。也可以包括多個(gè)階段，例如包括確定精細(xì)位置。這可以是測量標(biāo)尺和讀取頭的相對位置，到達(dá)比粗略位置更精細(xì)的分辨率。例如，它可以是測量標(biāo)尺和讀取頭的相對位置，到達(dá)比一個(gè)標(biāo)尺周期更精細(xì)的分辨率。這可以借助例如相位提取而進(jìn)行。所述方法還可以包括測量標(biāo)尺周期，即，基本頻率，或者標(biāo)尺特征的標(biāo)尺周期。所有這些步驟均有失敗的可能，并且可能產(chǎn)生與實(shí)際位置顯著不同的位置。同樣，其它外界因素(諸如標(biāo)尺上的灰塵等)可能會不利地影響位置讀數(shù)。在典型的控制應(yīng)用中，其中使用標(biāo)尺讀取器來進(jìn)行位置反饋，可以以大約16千赫的速率需求位置數(shù)據(jù)。這等于每對小時(shí)大約1.4X109個(gè)讀數(shù)周期。在這種情形下，即使在非常低的誤差率下，也能看出發(fā)生不正確的讀數(shù)。對于機(jī)床控制器而言，如果從標(biāo)尺讀取器獲得單個(gè)不正確的讀數(shù)，通常采取諸如停機(jī)等預(yù)防。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種位置編碼器，其提供具有改善的可靠性的位置信息。特別地，本發(fā)明提供了一種操作編碼器裝置的方法，所述編碼器包括標(biāo)尺和用于讀取標(biāo)尺的讀取頭，所述標(biāo)尺具有限定位置信息的特征，所述方法包括從標(biāo)尺的至少一個(gè)以前讀數(shù)中計(jì)算外推位置信息。隨后使用所述外推位置信息。特別地，可以代替標(biāo)尺的實(shí)際讀數(shù)，或者除了標(biāo)尺的實(shí)際讀數(shù)之外還使用所述外推位置信息。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種操作編碼器裝置的方法，所述編碼器包括標(biāo)尺和用于讀取所述標(biāo)尺的讀取頭，所述標(biāo)尺具有限定位置信息的特征，所述方法以任何合適的順序包括從至少一個(gè)以前的標(biāo)尺讀數(shù)計(jì)算外推位置信息用于以后的使用。所述外推位置可以與由標(biāo)尺讀數(shù)計(jì)算的位置進(jìn)行比較以便確定它們之間的任何差異。隨后使用所述外推位置信息(例如通過需要位置信息的下游處理)，而不管是否有差異?？梢员３植町愑涗?。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，標(biāo)尺的任何偽讀數(shù)不會使編碼器裝置輸出不正確的位置信息。 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，相比標(biāo)尺的讀數(shù)，外推不太可能提供不正確的位置讀數(shù)，如果外推確實(shí)失敗，則外推位置通常僅僅緩慢地偏離正確位置。因此，在任何差異的情況下，假定外推位置信息是正確的，并且讀數(shù)是錯(cuò)誤的。然而，進(jìn)行差異的記錄，隨后使用該記錄，從而進(jìn)行對差異的合適的記錄和/或監(jiān)控。選擇地，讀取頭可以被構(gòu)造成通過獲得標(biāo)尺的離散快照而讀取標(biāo)尺。這可以例如代替連續(xù)地測量和計(jì)算相位。因此，可以通過讀取頭獲取標(biāo)尺的離散快照而獲得標(biāo)尺的讀數(shù)。所述快照可以及時(shí)地立刻獲得，或者通過迅速連續(xù)地對標(biāo)尺的連續(xù)部分獲得較小讀數(shù)而積累。標(biāo)尺的特征可以僅限定增量位置信息。在這種情況下，標(biāo)尺的特征可以包括多個(gè)規(guī)則間隔開的特征。選擇地，可以毗鄰增量特征系列或者嵌在增量特征系統(tǒng)中提供至少一個(gè)參考記號，用于限定至少一個(gè)參考位置。優(yōu)選地，標(biāo)尺特征限定一系列獨(dú)特的絕對位置。所述一系列獨(dú)特的絕對位置可以由多個(gè)軌道中的特征限定，例如多個(gè)毗鄰的軌道。選擇地，所述一系列獨(dú)特的絕對位置可以僅僅由包含在單個(gè)軌道中的特征限定。例如，所述絕對位置信息可以從沿著標(biāo)尺的測量長度獲取的特征組合確定?？梢杂梢韵绿卣鞔_定精細(xì)位置信息，所述特征包含在與限定獨(dú)特絕對位置系列的特征相同的軌道中。特別地，可以由限定獨(dú)特絕對位置系列的特征確定精細(xì)位置信息。因此，可以由共同的位置特征系列確定位置信息的粗略位置部分和精細(xì)位置部分。這種標(biāo)尺可以被當(dāng)做單軌道標(biāo)尺。選擇地，所述標(biāo)尺可以包括至少第一軌道和至少第二軌道，所述第一軌道具有限定獨(dú)特絕對位置系列的特征，所述第二軌道僅限定增量信息。在這種情況下，可以從至少一個(gè)第一軌道確定粗略位置部分，從至少一個(gè)第二軌道確定任何精細(xì)位置 fn息ο如上所解釋的，對于不同的系統(tǒng)，標(biāo)尺周期可以變化。然而，正如將要理解的，通常標(biāo)尺周期是用來確定精細(xì)(例如相位)位置信息的特征的中心之間的距離。由于特征的規(guī)則間距，可以如上所述通過確定毗鄰共同特征的中心之間的距離而在增量標(biāo)尺上確定所述標(biāo)尺周期。通常，通過確定兩個(gè)最近的共同特征的中心之間的間距(例如，在反射型光學(xué)編碼器裝置中，最接近的兩個(gè)反射型線條的中心之間的距離，或者最接近的兩個(gè)非反射型線條的中心之間的距離)而發(fā)現(xiàn)標(biāo)尺周期。對于絕對標(biāo)尺這是事實(shí)，特別對于以下絕對標(biāo)尺， 其中通過改變否則周期性的增量標(biāo)尺(例如以便遺漏某些特征)而嵌入絕對位置信息。所述方法可以進(jìn)一步包括監(jiān)控對于差異的記錄，所述差異表示外推位置計(jì)算的失誤。外推位置計(jì)算的失誤可以導(dǎo)致計(jì)算不正確的外推位置。這種監(jiān)控包括監(jiān)控差異的數(shù)目。 這種監(jiān)控可以包括監(jiān)控過度的差異。例如，過度差異可以包括過度數(shù)量的差異。例如，這可以包括監(jiān)控至少兩個(gè)差異，更優(yōu)選地至少三個(gè)差異，特別優(yōu)選地至少四個(gè)差異。過度差異可以包括在預(yù)定時(shí)間界限內(nèi)的多個(gè)差異。過度差異可以包括多個(gè)連續(xù)差異。選擇地，過度差異可以包括在預(yù)定距離上的多個(gè)差異。監(jiān)控對表示外推位置計(jì)算失誤的差異的記錄可以包括監(jiān)控差異的大小。這是有用的，因?yàn)橛糜谕馔剖д`的差異大小很可能不同于用于標(biāo)尺讀數(shù)失誤的差異大小。例如，如果由于過度加速度而外推有失誤，則位置差異將可能僅僅是少數(shù)標(biāo)尺周期。因此如果差異大小小于預(yù)定闕值，則可以確定外推失誤。該闕值可以是與許多標(biāo)尺周期相應(yīng)的值。該闕值可以是10個(gè)標(biāo)尺周期，更優(yōu)選地使5個(gè)標(biāo)尺周期，特別優(yōu)選地是僅僅1個(gè)標(biāo)尺周期。而且，如果由于過度加速度而外推失敗，則位置差異將很可能僅僅是少數(shù)標(biāo)尺周期，并且將很可能隨著每個(gè)隨后的標(biāo)尺讀數(shù)而穩(wěn)定地增加。因此，監(jiān)控對表示外推位置計(jì)算失敗的差異的記錄可以包括檢查差異大小是否對于多個(gè)標(biāo)尺讀數(shù)增加。標(biāo)尺讀數(shù)的失敗可能給出更大的差異，差異的大小取決于位置信息如何嵌在標(biāo)尺上(標(biāo)尺的“代碼方案”)。特別地，關(guān)于其中絕對位置信息以離散代碼字形式編碼的絕對編碼器，標(biāo)尺讀數(shù)的失敗可導(dǎo)致誤差，所述誤差具有多個(gè)代碼字尺寸。如果例如使用16位離散代碼字(每個(gè)標(biāo)尺周期一個(gè)位)，則讀取標(biāo)尺的任何誤差可能是16個(gè)標(biāo)尺周期的倍數(shù)。 因此，監(jiān)控對于表示外推位置計(jì)算失敗的差異的記錄可以包括檢查差異是否是與代碼字尺寸的倍數(shù)相等的多個(gè)標(biāo)尺周期。而且，代碼方案可以被設(shè)計(jì)成使得很可能有的標(biāo)尺讀數(shù)誤差將給出特定大小的誤差。例如，當(dāng)使用離散代碼字時(shí)，類似的代碼字可以在標(biāo)尺上放置得間隔較遠(yuǎn)，不相似的代碼字放置成彼此毗鄰。例如，類似的代碼字可以被放置成彼此間隔至少兩個(gè)完整的代碼字， 優(yōu)選間隔至少三個(gè)完整的代碼字，特別優(yōu)選間隔至少五個(gè)完整的代碼字。什么被認(rèn)為是“類似的代碼字”取決于代碼方案，尤其是所使用代碼字的長度。在特定例子中，類似的代碼字可以是以下代碼字，它們具有不超過三個(gè)彼此不同的位。因此，如果代碼字的三個(gè)位被不正確地讀取(例如由于在標(biāo)尺上存在灰塵)，則根據(jù)所述讀數(shù)的位置將不正確一段大的距離(例如，至少兩個(gè)或多個(gè)完整代碼字長度)。假設(shè)讀取頭與標(biāo)尺之間的相對加速度不超過預(yù)定最大相對加速度，則這種差異不可能是由于外推失敗，因此可以假設(shè)差異是由于讀取誤差。因此，在這種情況下，當(dāng)差異小于預(yù)定大小時(shí)可以再次確定外推位置計(jì)算的誤差。 在其它例子中，類似的代碼字可以是以下代碼字，其具有不超過兩個(gè)彼此不同的位，例如不超過1個(gè)彼此不同的位。從標(biāo)尺的至少一個(gè)之前讀數(shù)中計(jì)算外推位置信息可以包括從之前讀數(shù)計(jì)算當(dāng)前位置以及自從上次讀數(shù)的時(shí)間流逝。這可以涉及應(yīng)用關(guān)于標(biāo)尺和讀取頭相對速度的知識。 相對速度信息可以由外部裝置提供相對速度可以從至少兩個(gè)之前的讀數(shù)確定。所述至少一個(gè)之前的讀數(shù)可以是至少部分外推的讀數(shù)，或者是標(biāo)尺的讀數(shù)。比較可以包括將粗略外推位置與從標(biāo)尺讀取的粗略位置信息比較。特別地，比較可以包括將粗略絕對外推位置與從標(biāo)尺讀取的粗略位置信息比較。計(jì)算外推位置信息可以包括使用i)從至少一個(gè)之前確定的絕對位置外推粗略位置，以及ii)從標(biāo)尺的當(dāng)前讀數(shù)計(jì)算精細(xì)位置信息。正如將要理解的，精細(xì)位置信息將比粗略位置信息具有更精細(xì)程度的分辨率。特別地，計(jì)算外推位置信息可以包括使用i)從至少一個(gè)之前確定的絕對位置外推的絕對位置，以及ii)從標(biāo)尺當(dāng)前讀數(shù)計(jì)算的精細(xì)位置信肩、ο而且，這可以包括將外推位置(例如外推絕對位置)與精細(xì)位置信息組合起來。特別地，這可以包括將從至少一個(gè)之前確定的絕對位置外推的粗略位置(例如，粗略絕對位置)與從標(biāo)尺的當(dāng)前讀數(shù)或快照計(jì)算的精細(xì)位置信息組合起來。精細(xì)位置可以是相位讀數(shù)。正如以上所解釋的，相位讀數(shù)可以規(guī)定作為標(biāo)尺周期的細(xì)分讀取器相對于標(biāo)尺的位置。特別地，精細(xì)位置可以包括由讀取頭傳感器檢測的特征相對于傳感器上預(yù)定點(diǎn)的位置。這可以通過觀察由讀取頭傳感器輸出的信號與預(yù)定參考信號之間的相位偏移而確定。正如所理解的，不管標(biāo)尺是絕對標(biāo)尺(即，標(biāo)尺特征限定一系列獨(dú)特的絕對位置) 還是其上具有至少一個(gè)參考記號的增量標(biāo)尺，都可以計(jì)算粗略絕對位置。正如所理解的，通過具有至少一個(gè)參考記號的增量標(biāo)尺，可以通過計(jì)算與參考記號之間的距離而確定絕對位置。因此，使用i)從至少一個(gè)之前確定的絕對位置外推粗略絕對位置以及ii)從標(biāo)尺的當(dāng)前讀數(shù)計(jì)算的精細(xì)位置信息計(jì)算外推位置信息的步驟不僅僅限于絕對標(biāo)尺。所述方法可以進(jìn)一步包括在表示外推位置失敗的差異時(shí)執(zhí)行誤差程序。執(zhí)行誤差程序可以包括發(fā)出誤差信號。所述誤差程序可以包括重新設(shè)置用在計(jì)算外推位置信息中的變量。例如，它可以包括重新計(jì)算所述至少一個(gè)之前的讀數(shù)。它可以包括重新計(jì)算標(biāo)尺與讀取頭之間的相對速度。應(yīng)用i)從至少一個(gè)之前確定的絕對位置和ii)從標(biāo)尺的當(dāng)前快照計(jì)算的精細(xì)位置信息的步驟可以包括將粗略外推位置與從標(biāo)尺讀取的粗略位置信息進(jìn)行比較。因此，在以下實(shí)施例中，其中位置可以被分解成粗略位置部分(即，到標(biāo)尺特征的最接近完整周期的位置)和精細(xì)位置部分(即，具有比標(biāo)尺特征的周期更精細(xì)分辨率的位置部分)，所述方法可以包括只比較位置信息的粗略位置部分。使用外推位置可以包括將外推位置發(fā)送或提供給外部裝置。使用所述外推位置可以包括儲存外推位置以備后用。特別地，它可以被儲存以便用在隨后的外推計(jì)算中。所述外推位置可以被用于確定機(jī)床(諸如坐標(biāo)定位機(jī)器)的至少一部分的位置，而且可以被用于控制例如機(jī)床的實(shí)時(shí)控制。正如將理解的，不是需要將每個(gè)所計(jì)算的外推位置與標(biāo)尺的讀數(shù)比較。類似地，不是需要將標(biāo)尺的每個(gè)讀數(shù)與外推位置比較。然而，優(yōu)選地，以一定間隔，特別是以頻繁的間隔，將外推位置與實(shí)際位置讀數(shù)比較。正如將要理解的，這可以依賴于本發(fā)明所使用系統(tǒng)的特定需要而改變。所述間隔可以是規(guī)則的或不規(guī)則的?？梢詢H根據(jù)外部裝置的要求而發(fā)生比較，因此連續(xù)比較之間的間隔可以不受編碼器裝置的控制。優(yōu)選地，所述間隔是規(guī)則的。 優(yōu)選地，所述間隔由編碼器裝置(特別是由讀取頭)規(guī)定。優(yōu)選地，至少每隔一個(gè)外推位置就與從標(biāo)尺讀數(shù)計(jì)算的位置進(jìn)行比較。更優(yōu)選地，每個(gè)外推位置都與從標(biāo)尺讀數(shù)計(jì)算的位置進(jìn)行比較，以便確定它們之間的任何差異。然而，可以看出，本發(fā)明的方法可以用在以下實(shí)施例中，其中代替標(biāo)尺的實(shí)際讀數(shù)(例如，讀取頭或者其它處理讀取頭輸出以獲得位置信息的裝置提供外推位置信息)使用外推位置，并且將外推位置的至少一些(優(yōu)選頻率樣品)與標(biāo)尺的實(shí)際讀數(shù)進(jìn)行比較以便檢查隨著時(shí)間推移外推位置信息與實(shí)際相對位置不會偏離太多(例如，偏離預(yù)定闕值，該預(yù)定闕值例如是基于偏離大小或者基于偏離頻率)。 特別地，它可以用在以下實(shí)施例中，其中計(jì)算/使用外推位置序列，并且其中將外推位置的僅僅一些與由標(biāo)尺讀數(shù)計(jì)算的位置進(jìn)行比較。所述位置編碼器裝置可以是電磁或電感式位置編碼器裝置。所述位置編碼器裝置可以是電容式位置編碼器裝置。選擇地，所述位置編碼器裝置是光學(xué)位置編碼器裝置。在這種情況下，所述位置編碼器裝置可以是透射型的，其中讀取頭檢測從標(biāo)尺透射的光線。選擇地，所述位置編碼器裝置可以是反射型的，其中讀取頭檢測從標(biāo)尺反射的光線。所述讀取頭可以包括用于照射標(biāo)尺的光源。正如將要理解的，有許多合適的方式在標(biāo)尺上限定特征。例如，可以通過具有特定電磁輻射(EMR)性質(zhì)的記號來限定特征，例如特定光學(xué)性質(zhì)，例如通過標(biāo)尺的部分的特定光學(xué)透射率或反射率。因此，可以例如通過具有最小反射率或透射率值的標(biāo)尺的部分來限定特征。選擇地，特征可以例如由具有最大反射率或透射率值的標(biāo)尺的部分來限定。在磁性編碼器的情況下，特征可以由具有特定磁性質(zhì)的記號或例如通過存在或不存在鐵磁材料來限定。在電容性標(biāo)尺的情況下，特征可以由具有特定電容性質(zhì)的記號來限定。所述特征可以采取線條、點(diǎn)或其它構(gòu)造的的形式，它們可以由讀取頭讀取。用于一維標(biāo)尺的優(yōu)選構(gòu)造可以包括線條，其沿著與測量維度垂直的維度在整個(gè)軌道寬度上延伸。正如將要理解的，所述讀取頭將包括至少一個(gè)檢測器，用于感測位置特征系列。所述讀取頭可以包括至少一個(gè)EMR敏感型檢測器。所述至少一個(gè)EMR敏感型檢測器可以是光學(xué)EMR敏感型檢測器。正如將要理解的，這可以包括適于感測紅外線到紫外線范圍的電磁輻射(EMR)的檢測器。例如，所述檢測器可以是可視EMR敏感型檢測器。讀取頭可以包括多個(gè)檢測器元件。例如，讀取頭可以包括檢測器元件陣列。所述陣列可以是一維或二維的。讀取頭可以包括至少一個(gè)EMR源，用于照射標(biāo)尺。所述至少一個(gè)EMR源可以是光源。正如將理解的，這可以包括適于在紅外線到紫外線范圍內(nèi)發(fā)出電磁輻射(EMR)的源。例如，所述源可以是可視EMR源。例如，所述源可以是發(fā)光二極管(LED)。正如將理解的，本發(fā)明方法的至少一些步驟可以通過與讀取頭分離的例如處理裝置等裝置執(zhí)行。優(yōu)選地，所述讀取頭被構(gòu)造成從標(biāo)尺的至少一個(gè)之前讀數(shù)計(jì)算外推位置信息。優(yōu)選地，所述讀取頭還被構(gòu)造成將所述外推位置與從標(biāo)尺讀數(shù)計(jì)算的位置比較，以確定它們之間的差異。優(yōu)選地，所述讀取頭還被構(gòu)造成如果存在差異就使用外推位置。而且，優(yōu)選地，所述讀取頭被構(gòu)造成保持對任何差異的記錄。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種用于讀取標(biāo)尺的讀取頭，所述標(biāo)尺具有限定位置信息的特征，所讀取頭被構(gòu)造成執(zhí)行上述方法。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了一種編碼器裝置，其包括標(biāo)尺和用于讀取標(biāo)尺的讀取頭，所述標(biāo)尺具有限定位置信息的特征，所述裝置被構(gòu)造成從標(biāo)尺的至少一個(gè)之前讀數(shù)中計(jì)算外推位置信息以備后用；將外推位置與由標(biāo)尺讀數(shù)計(jì)算的位置進(jìn)行比較以便確定它們之間的差異；如果存在差異就使用外推位置；以及保持對任何差異的記錄。正如將理解的，所述裝置可以包括與讀取頭分離的處理器裝置。在這種情況下， 處理器裝置可以被構(gòu)造成執(zhí)行以下任何步驟從標(biāo)尺的至少一個(gè)之前讀數(shù)計(jì)算外推位置信息；將外推位置與由標(biāo)尺讀數(shù)計(jì)算的位置進(jìn)行比較以便確定它們之間的差異；如果存在差異就使用外推位置；以及保持對任何差異的記錄。優(yōu)選地，讀取頭被構(gòu)造成從標(biāo)尺的至少一個(gè)之前讀數(shù)計(jì)算外推位置信息。優(yōu)選地，它還被構(gòu)造成將外推位置與從標(biāo)尺的讀數(shù)計(jì)算的位置進(jìn)行比較以便確定它們之間的差異。優(yōu)選地，讀取頭還被構(gòu)造成如果存在差異就使用外推位置。而且，優(yōu)選地，讀取頭被構(gòu)造成保持對任何差異的記錄。


下面參照附圖并借助例子來描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的計(jì)量裝置的示意性透視圖；圖加是根據(jù)第一實(shí)施例的讀取頭的各種光學(xué)和電學(xué)部件的示意性方框圖；圖2b是根據(jù)第二實(shí)施例的讀取頭的各種光學(xué)和電學(xué)部件的示意性方框圖；圖3是圖1所示讀取頭的高水平操作的流程圖；圖4是顯示初始化位置和速度變量的方法的流程圖；圖5是流程圖，其顯示了確定標(biāo)尺的標(biāo)尺記號的基本周期的方法；圖6是流程圖，其顯示了確定讀取頭相對于標(biāo)尺的標(biāo)尺記號的相位偏離的方法；圖7是流程圖，其顯示了校正外推位置的方法；圖8是流程圖，其顯示了確定讀取頭相對于標(biāo)尺的粗略絕對位置的方法；圖9a和9b是圖表，其顯示了用于第一位置確定圖1所示標(biāo)尺的標(biāo)尺記號的基本周期；圖IOa和IOb是圖表，其顯示了用于第二位置確定圖1所示標(biāo)尺的標(biāo)尺記號的基本周期；圖Ila是圖1所示標(biāo)尺的示意性平面圖；圖lib示意性顯示了來自圖1和2所示讀取頭的傳感器的輸出；以及圖Ilc示意性顯示了從標(biāo)尺圖像獲取的代碼字。
具體實(shí)施例方式參照圖1。其顯示了包括讀取頭4、標(biāo)尺6和控制器7的編碼器裝置2。讀取頭4和標(biāo)尺6被分別安裝至第一和第二物體(未示出)，所述第一和第二物體可以相對于彼此移動。相對運(yùn)動的速度可以改變，但是在所述實(shí)施例中，讀取頭4和標(biāo)尺6具有已知最大相對加速度。在所述實(shí)施例中，標(biāo)尺6是線性標(biāo)尺。然而，將會理解，標(biāo)尺6可以是非線性標(biāo)尺， 諸如旋轉(zhuǎn)標(biāo)尺。而且，標(biāo)尺6使得僅僅沿單個(gè)維度進(jìn)行測量。然而，將要理解，不是必須是這種情況，例如標(biāo)尺可以允許沿兩個(gè)維度進(jìn)行測量。在所述實(shí)施例中，標(biāo)尺6是絕對標(biāo)尺并且包括一系列反射型線條8和非反射型線條10，它們布置成沿著標(biāo)尺長度編碼獨(dú)特的位置數(shù)據(jù)。正如將要理解的，所述數(shù)據(jù)可以是例如偽隨機(jī)序列或離散代碼字的形式。線條的寬度取決于所需位置分辨率并且通常在1微米至100微米的范圍中，更通常的在5微米至50微米的范圍中。在所述實(shí)施例中，線條的寬度是15微米量級。反射型線條8和非反射型線條10通常以預(yù)定周期以交替的方式布置。然而，從標(biāo)尺6中遺漏選擇的非反射型線條10以便編碼標(biāo)尺6中的絕對位置數(shù)據(jù)。例如，可以應(yīng)用非反射型線條的存在來表示“ 1”位，而用非反射型線條的缺失來表示“0”位。如圖加所示，讀取頭4包括發(fā)光二極管(LED) 12、光學(xué)元件18、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CM0Q圖像傳感器20和窗口 22。讀取頭還可以包括模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器以便將來自圖像傳感器的圖像數(shù)據(jù)數(shù)字化。選擇地，所述模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以在圖像傳感器或者CPU 中進(jìn)行。從LED12發(fā)射的光通過窗口 22并且落在標(biāo)尺6上。標(biāo)尺6將光線往回反射穿過窗口 22，又穿過透鏡18，進(jìn)而使用反射光在圖像傳感器20上成像標(biāo)尺。因此，所述圖像傳感器20檢測標(biāo)尺6的一部分的圖像。圖像傳感器20包括單排256個(gè)細(xì)長像素，其長度平行于標(biāo)尺上的反射型線條8及非反射型線條10的長度延伸。所示實(shí)施例是反射型的，但是將要理解，本發(fā)明可以用于透射型編碼器裝置(其中光線透射穿過標(biāo)尺，而不是從標(biāo)尺被反射)。讀取頭4還包括CPU24、電可擦可編程只讀存儲器(EEPROM)或者閃存形式的儲存裝置32以及接口 38。LED 12與CPUM相連，使得LED12可以根據(jù)CPU24的要求操作。圖像傳感器20與 CPUM相連，使得CPUM可以接收遇到圖像傳感器20的光強(qiáng)的圖像。該圖像傳感器20還與 CPU24直接相連，使得圖像傳感器20可以被操作以便根據(jù)CPUM的要求拍攝落在傳感器20 上的光強(qiáng)的快照。CPUM與存儲器32相連，使得它能夠儲存并獲取數(shù)據(jù)以便用于它的處理。 接口 38與CPUM相連，使得CPUM可以經(jīng)由線路40從外部裝置(諸如控制器7 (如圖7所示))接收命令以及將結(jié)果輸出至外部裝置。線路40還包括電源線，讀取頭4借助該電源線得到動力。圖2b所示的讀取頭與圖加所示的讀取頭大致相同，相同的部件共用相同的附圖標(biāo)記。然而，圖2b所示實(shí)施例的光學(xué)布置稍微不同。在該實(shí)施例中，讀取頭4包括校準(zhǔn)透鏡13、具有反射面17和光束分離面19的光束分離裝置15、以及成像透鏡21。所述校準(zhǔn)透鏡13將從LED12發(fā)出的光線校準(zhǔn)成光束23，然后光束23被分離裝置的反射面17朝著光束分離面19反射。光束分離面19經(jīng)由窗口 22朝著標(biāo)尺6反射光束23，然后朝著光束分離面 19通過窗口 22將光線反射回，所述光束分離面19允許被反射的光線直接穿過它。被反射的光線然后穿過成像透鏡21，成像透鏡21在CMOS圖像傳感器20上形成標(biāo)尺6的圖像。
參照圖IlaUlb和11c，它們分別顯示了 標(biāo)尺6的一部分的示意性示例圖，其顯示了將由讀取頭4的圖像傳感器20所看見的反射型線條8和非反射型線條10，它們具有基本周期，即標(biāo)尺周期“P”;成像所述部分的傳感器的輸出50 ；以及包含在被成像部分中的整個(gè)代碼字的二進(jìn)位值。如圖Ila所示，已經(jīng)省略非反射型線條10的其中一些以便限定編碼絕對位置數(shù)據(jù)的離散代碼字。例如，包含在虛線框11中的線條限定一個(gè)獨(dú)特的16位代碼字。通過存在非反射型線條10限定“1”位，通過不存在非反射型線條8限定0位。圖lib 顯示了在由圖像傳感器20獲得的圖像上的強(qiáng)度變化。CPUM可以分析所述輸出并且在期望看見反射型線條的點(diǎn)處施加強(qiáng)度闕值A(chǔ)t。CPUM解釋強(qiáng)度小于闕值A(chǔ)t的那些點(diǎn)為“1”并且解釋強(qiáng)度大于闕值A(chǔ)t的那些點(diǎn)為“0”。圖Ilc顯示了由CPUM提取的代碼字，CPU24將該算法應(yīng)用至圖lib所示的輸出。正如將理解的，除省略非反射型線條10之外或者代替省略非反射型線條10，省略反射型線條8，從而可以在標(biāo)尺6中編碼絕對位置數(shù)據(jù)。而且，絕對位置數(shù)據(jù)可以被嵌在標(biāo)尺6中，而不用添加或者移除反射型線條8或非反射型線條10。例如，線條的寬度、它們之間的距離或者它們的顏色可以改變以便在標(biāo)尺6中嵌入絕對位置數(shù)據(jù)。而且，代替沿著標(biāo)尺的測量長度設(shè)置特征的獨(dú)特組合來限定絕對位置這種標(biāo)尺，標(biāo)尺可以具有這樣的特征， 其沿著標(biāo)尺寬度提供特征的獨(dú)特組合來限定絕對位置。例如，標(biāo)尺可以包括多個(gè)“條形碼”， 所述條形碼的長度延伸穿過所述標(biāo)尺，例如大致垂直于標(biāo)尺的測量長度。選擇地，標(biāo)尺可以包括多個(gè)軌道，其中至少一個(gè)軌道，選擇地至少兩個(gè)或者可能的話所有這些軌道，可以包括多個(gè)規(guī)則間隔開的特征(即，所述軌道可以基本上包括具有不同基本頻率的增量標(biāo)尺特征)，其中軌道的標(biāo)尺周期彼此不同，使得在標(biāo)尺寬度上的特征組合在沿著標(biāo)尺測量長度的任何點(diǎn)處都是獨(dú)特的。正如將理解的，本發(fā)明還與增量標(biāo)尺一起使用。在這種情況下，如果需要的話，可以毗鄰增量標(biāo)尺軌道或者嵌在增量標(biāo)尺軌道中提供參考標(biāo)記。進(jìn)一步，標(biāo)尺可以包括絕對軌道和增量軌道，所述絕對軌道包括限定絕對位置信息的特征，所述增量軌道包括規(guī)則間隔開的特征。在這種情況下，可以從增量軌道確定相位信息，而不是從下面所述實(shí)施例中的絕對軌道確定?？梢允褂靡幌盗杏浱柦M沿著限定獨(dú)特的(即絕對的)位置信息的標(biāo)尺長度編碼一系列獨(dú)特的二進(jìn)制代碼字，同時(shí)仍然有充分的信息以便能夠從所述一系列記號提取相位信息以便確定精細(xì)位置信息(例如，具有比標(biāo)尺記號周期更精細(xì)分辨率的位置信息)。因此，在這種系統(tǒng)中，可以由粗略絕對位置(由從圖像提取的代碼字確定)以及精細(xì)位置(通過查找大致周期性記號的相位偏移而確定)組成位置信息。在國際專利申請?zhí)朜o. PCT/ GB2002/001629(公開號W02002/08422;3)中描述了這種所謂混合增量和絕對標(biāo)尺的進(jìn)一步細(xì)節(jié)，該專利的內(nèi)容通過參考的方式被結(jié)合在本申請說明書中。下面參照圖3描述裝置2的操作100的方法。所述方法開始于當(dāng)啟動讀取頭4時(shí)。 第一步驟102涉及確定讀取頭4和標(biāo)尺6的相對位置和速度?？傊@涉及以已知的時(shí)間差獲得標(biāo)尺的兩個(gè)讀數(shù)并且基于在所述時(shí)間差過程中行進(jìn)的距離計(jì)算速度。下面結(jié)合圖4 更詳細(xì)地描述步驟102的過程。通過讀取頭4獲得標(biāo)尺6的快照并記錄獲得快照的時(shí)間，在步驟202開始初始化讀取頭4和標(biāo)尺6的位置和速度。這通過CPUM將信號發(fā)送至LED12以便使得LED12臨時(shí)發(fā)射光而實(shí)施。CPUM還使得圖像傳感器20同時(shí)地感測并記錄落在傳感器上的光線圖案的強(qiáng)度。圖Ila示意性顯示了落在圖像傳感器20上的光線的示例圖案。在該實(shí)施例中，光線的圖案是標(biāo)尺6在LED12發(fā)射瞬間的圖像。正如所看見的，所述圖像包括多個(gè)深色線條10 和淺色線條8，它們對應(yīng)于標(biāo)尺上的非反射型線條10和反射型線條8。正如將理解的，由圖像傳感器20獲得的標(biāo)尺6的實(shí)際圖像將不可能像由圖Ila示意性顯示的圖像那樣強(qiáng)烈。圖像傳感器20的輸出是代表落在其上的圖像的信號。圖lib示意性顯示了由圖像傳感器20輸出的信號50的例子。在步驟203中，CPUM發(fā)現(xiàn)由圖像傳感器42輸出的信號50的基本周期，并因此發(fā)現(xiàn)所成像的標(biāo)尺記號的基本周期，下面參照圖5更詳細(xì)地描述所述方法。在步驟204中，確定標(biāo)尺記號與圖像傳感器20的中心線之間的相對相位偏移，下面參照圖6更詳細(xì)地解釋所述方法。總之，通過計(jì)算由圖像傳感器20所輸出的信號50所描述的波與參考正弦波52之間的相位而確定相對相位偏移，所述參考正弦波52具有與由圖像傳感器20所輸出的信號50所描述的波相同的基本周期(參考正弦波具有相對于圖像傳感器的預(yù)定位置，諸如點(diǎn)54，在該點(diǎn)正弦波52從負(fù)到正穿過零點(diǎn)，該點(diǎn)是相對于圖像傳感器20的輸出的中心)。正如下面更詳細(xì)解釋的，相位偏移的計(jì)算涉及將輸出信號50與參考余弦波(未顯示)以及正弦波52比較。一旦已經(jīng)確定相位偏移，則在步驟206確定讀取頭4與標(biāo)尺6的粗略絕對相對位置，下面參照圖8更詳細(xì)地描述該步驟的過程。然后，如下面將更詳細(xì)描述的，通過結(jié)合粗略絕對位置與計(jì)算的相位偏移，在步驟208確定讀取頭4與標(biāo)尺6之間的精細(xì)絕對相對位置。在步驟210，確定是否已經(jīng)獲得兩個(gè)連續(xù)的有效讀數(shù)。如果沒有，則重復(fù)步驟 202-208，直到已經(jīng)獲得兩個(gè)連續(xù)的有效讀數(shù)。通常的做法是在標(biāo)尺代碼中包括冗余信息以便促進(jìn)對圖像數(shù)據(jù)的誤差檢測與校正。確定讀數(shù)是否有效可以包括在解碼圖像中的標(biāo)尺代碼時(shí)測量誤差率(即，不得不進(jìn)行的誤差校正的量)。選擇地，確定讀數(shù)是否有效可以包括評估圖像強(qiáng)度或者圖像的基本周期的幅度(下面描述所述計(jì)算)。一旦已經(jīng)獲得兩個(gè)連續(xù)有效的讀數(shù)，則在步驟212基于兩個(gè)最近的連續(xù)有效讀數(shù)與在這兩個(gè)讀數(shù)之間所花費(fèi)的時(shí)間來計(jì)算速度。然后儲存所確定的速度與最近的位置讀數(shù)用于以后的參考，如下將更詳細(xì)描述的。下面參考圖5，通過將標(biāo)尺的圖像分成多個(gè)部分，在步驟302開始用于確定由圖像傳感器20所成像的標(biāo)尺的基本周期的過程300。為了輔助對該過程進(jìn)行解釋，參考圖9a， 該圖顯示了示例波142，波142表示由圖像傳感器20所檢測的圖像的強(qiáng)度。為清楚起見，圖像是標(biāo)尺的一部分，該部分具有交替的反射型線條和非反射型線條，沒有省略線條。而且， 事實(shí)上，裝置被構(gòu)造成使得它在每個(gè)段可能具有比所顯示的更多的線條以便降低灰塵對標(biāo)尺的影響和/或省略/添加線條以確定標(biāo)尺的基本周期。而且，波被顯示為模擬波，雖然在所描述的實(shí)施例中，波將由數(shù)字化取樣數(shù)據(jù)表示。表示圖像的波142已經(jīng)被分成6個(gè)相同尺寸的部分，在圖像傳感器20的中心線兩側(cè)各有3個(gè)(所述中心線平行于標(biāo)尺6上的反射型線條8和非反射型線條10的長度延伸)。在步驟304，確定波142的其中一個(gè)部分與參考波144的一個(gè)相應(yīng)部分之間的相位， 所述參考正弦波144具有預(yù)定的周期(并且具有相對于圖像傳感器的預(yù)定位置，使得它的正梯度的中點(diǎn)位于圖像傳感器的中心)。可以應(yīng)用圖6所示的過程400計(jì)算每個(gè)部分的相位。所述過程400涉及在步驟 402計(jì)算波142的其中一個(gè)部分與參考正弦波144的相應(yīng)部分的點(diǎn)乘積以獲得“虛擬”分量 (IM)。在步驟404，計(jì)算波142的相同部分與參考余弦波146的點(diǎn)乘積以便獲得“真實(shí)”分量(RE)。在步驟406，計(jì)算除以真實(shí)分量的虛擬分量的反正切以便獲得與角相位偏移成正比的值(Θ)。然后通過在步驟406中確定的值，在步驟408計(jì)算所述角相位偏移。對于波 142的每個(gè)部分重復(fù)該過程。從圖9a所示例子中可以看出，表示部分1的圖像的波142僅僅稍微與參考正弦波 144異相。表示圖像的波142與參考波144之間的相位對于每個(gè)部分逐漸增加，直到部分 6，在部分6中波142大約360度或者2 π弧度地與參考正弦波144異相。在步驟306中， 如圖9b所示，在圖表中繪出對于每個(gè)塊的相位偏移，并計(jì)算通過所有點(diǎn)的最佳擬合線的梯度。所述最佳擬合線的梯度與參考正弦波144的周期和表示圖像的波142之間的差成正比。 因此，在步驟308中，波142的基本周期以及因此標(biāo)尺記號的基本周期可以基于所述差異確定。正如將要理解的，當(dāng)波142的周期與參考正弦波144及參考余弦波146的周期相同時(shí)， 最佳擬合線條的梯度將是零。在以上結(jié)合圖9描述的例子中，拍攝快照，使得示例波142的第一部分與參考正弦波144僅僅稍微異相。因此，對于每個(gè)部分參考波與參考正弦波144之間的相位差逐漸增力口。然而，如圖IOa所示，可能在波143的第一部分與參考正弦波145很大程度地異相的位置拍攝標(biāo)尺的快照。因此，在有些點(diǎn)處，將可能在毗鄰部分之間有相位偏移的跳躍。在該例子中，相位偏移跳躍發(fā)生在第四和第五部分之間(從部分4中接近2π的相位偏移到部分 5中接近零的相位偏移)。在這個(gè)情況下，對于每個(gè)部分相位偏移值的最佳擬合線不會給出以下梯度，該梯度與參考正弦波145周期和表示圖像的波143之間的差成正比。因此，圖5 所示方法的步驟306包括移除毗鄰部分之間大于π的相位偏移跳躍。這通過向部分的計(jì)算相位偏移添加或者從中減去2 π的整數(shù)倍實(shí)現(xiàn)，從而總是給出小于π的毗鄰部分之間的相位改變，如圖IOb所示。一旦已經(jīng)移除了所述跳躍，則確定所述最佳擬合線并且用以上參照圖10所述相同的方式獲得所述基本周期。在步驟310中，選擇與在之前步驟308中確定的基本周期相對應(yīng)的查詢表。所選擇的查詢表包含代表正弦和余弦波的值，所述正弦和余弦波具有與所確定基本周期相同的周期，并且所述查詢表被用于測量相位偏移(即，步驟108和204)?？梢蕴崆爱a(chǎn)生所述查詢表，例如在啟動讀取頭時(shí)或者它們可以被預(yù)存儲在存儲器32中。圖6所示的用于發(fā)現(xiàn)相位偏移的過程400也被用在測量由圖像傳感器輸出的模擬信號50相對于圖像傳感器中心線的相位偏移中(即，圖5的步驟204)。然而，在這種情況下，對于由圖像傳感器輸出的整個(gè)數(shù)字化形式的模擬信號50，計(jì)算與具有在圖4的步驟203 所確定周期的參考正弦波52的點(diǎn)乘積(步驟402)及余弦波(未示出)的點(diǎn)乘積(步驟 404)。然后計(jì)算虛擬分量除以真實(shí)分量的反正切以便在步驟406獲得角相位偏移(Θ)，該角相位偏移然后被轉(zhuǎn)換成偏移距離，用于確定組合絕對位置(即，圖4的步驟208)。返回到圖3，在步驟104繼續(xù)過程100，此時(shí)獲得標(biāo)尺的進(jìn)一步快照，并且記錄拍攝的時(shí)間。可以在收到來自控制器7的位置要求時(shí)進(jìn)行步驟104。然而，如果在預(yù)定最大時(shí)間界限內(nèi)沒有收到來自控制器7的位置要求，則讀取頭4可以開始步驟104。這確保了規(guī)律地校正相對速度并且在控制器最終要求位置信息時(shí)確定精確的外推位置。在步驟106，確定被成像的標(biāo)尺記號的基本周期。這利用以上已經(jīng)參考圖5描述的過程300進(jìn)行。然后利用以上參考圖6所描述的過程400在步驟108測量所成像的標(biāo)尺記號的相位偏移。并且對于由圖像傳感器輸出的模擬信號50的整個(gè)數(shù)字化形式計(jì)算點(diǎn)乘積。在步驟110計(jì)算外推位置。由于之前的位置是確定的，所以這通過相對速度乘以逝去時(shí)間進(jìn)行。這給出了移動的距離，因?yàn)橹暗奈恢靡呀?jīng)被確定。將該距離加上之前的距離給出了外推位置。然而，該計(jì)算假定了所述速度保持恒定。任何加速度將導(dǎo)致外推位置的小的誤差。因此，在步驟112校正所述外推位置以便移除任何這種誤差(假設(shè)其幅度小于一個(gè)標(biāo)尺周期的一半)，下面結(jié)合圖7更詳細(xì)地描述該步驟的過程。誤差總是要小于標(biāo)尺周期的一半這一要求為讀取頭4相對于標(biāo)尺6的加速度設(shè)置了上限。對于具有30微米周期標(biāo)尺的典型系統(tǒng)，讀取頭每100微秒拍攝快照，則該上限為大約1500米/秒2(150g)，這比任何計(jì)量應(yīng)用所需的加速度要高很多。如果在步驟104中，響應(yīng)于控制器7的要求位置信息而要求快照，則在步驟114最終的外推位置被傳送至控制器7。在步驟116繼續(xù)所述方法，基于當(dāng)前最終外推位置、之前已知的位置以及拍攝快照的各自時(shí)間校正并計(jì)算當(dāng)前的速度，其中從上述快照計(jì)算那些位置。在步驟118，從在步驟104獲得的快照讀取實(shí)際粗略位置，下面結(jié)合圖8更詳細(xì)地解釋所述步驟的過程。在步驟120，將在步驟118中從快照讀取的粗略位置與在步驟114確定的最終外推位置的粗略部分比較。這初始地涉及從最終外推位置移除在步驟108測量的相位，以獲得最終外推位置的粗略部分。如果讀取粗略位置與外推位置的粗略部分不同，則已經(jīng)發(fā)生誤差一讀取位置和/或外推位置是不正確的。根據(jù)本發(fā)明操作的編碼器裝置假定外推粗略位置相比較讀取粗略位置不太可能是錯(cuò)誤的，因此不是立即發(fā)出警告或者采取校正措施，而是在步驟122中累加誤差計(jì)數(shù)器。在步驟1 中，只有在讀取粗略位置與外推粗略位置之間已經(jīng)有足夠數(shù)目的連續(xù)差異時(shí)(例如，當(dāng)誤差計(jì)數(shù)等于預(yù)定闕值水平時(shí))，根據(jù)本發(fā)明的編碼器裝置才采取措施。在這種情況下，在發(fā)生校正措施之前允許至少四個(gè)連續(xù)差異。在這種情況下，校正措施包括使所述過程返回至步驟102，在步驟102，重新初始化速度和位置。 當(dāng)然，也可采取其它措施，包括例如向控制器7發(fā)送誤差和/或警告信號，控制器然后響應(yīng)于該信號采取行動。例如控制器7可以響應(yīng)于接收這種誤差而停止讀取頭4或標(biāo)尺6位于其上的機(jī)器(或者停止機(jī)器的一部分)。如果讀數(shù)粗略位置和外推粗略位置是相同的，則在步驟IM將誤差計(jì)數(shù)設(shè)置為零。如上所述，可以使用其它方法來處理外推位置與實(shí)際讀數(shù)之間的差異。特別地，確定差異是否是由于外推位置或者標(biāo)尺讀數(shù)的誤差(因此例如是否發(fā)出表示誤差的信號和/ 或采取校正措施)可以基于差異的幅度。特別地，如上所述，根據(jù)所使用的代碼方案，可以假定小的差異是由于外推過程的失誤，而大的差異是由于標(biāo)尺讀數(shù)的失誤。現(xiàn)在參照圖7描述用于完成外推位置的過程500。所述方法開始于步驟502，此時(shí)從原始外推位置(在步驟110中確定)中移除相位信息。實(shí)際上，這可以通過將原始外推位置四舍五入至最接近的完整粗略絕對位置(即，到最接近的完整標(biāo)尺周期)而實(shí)現(xiàn)。在步驟504中，將在步驟108測量的相位偏移添加到四舍五入得到的外推位置，以獲得“新的外推位置”。由于對讀取頭4和標(biāo)尺6安裝在其上的部件的加速度的約束，所以已知新的外推位置必須在原始外推位置的1/2周期內(nèi)。因此在步驟506中，進(jìn)行檢查以便確定是否是這個(gè)情況。這涉及到從原始外推位置減去新的外推位置。如果它們之間的差異小于-1/2周期，則在步驟508中，從新的外推位置減去一個(gè)周期。如果它們之間的差異大于周期， 則在步驟510中，向新的外推位置添加一個(gè)周期。如果它們之間的差異在-1/2周期與1/2 周期之間，則不改變新的外推位置。最后，在步驟512中，將最終外推位置設(shè)置成改變的(或未改變的)外推位置?，F(xiàn)在將參照圖8描述用于讀取粗略絕對位置的過程600。所述過程開始于步驟 602，其中CPU24從標(biāo)尺的圖像(即，從圖像傳感器20輸出的信號50)讀取位流。在步驟 106和108中已經(jīng)確定了標(biāo)尺記號的基本周期以及相對于圖像傳感器20中心線的相位偏移。因此，CPU24 了解在信號50中的哪些點(diǎn)處幅度表示標(biāo)尺6上的反射型線條8或非反射型線條10。如圖Ila-Ilc所示，在那些點(diǎn)的每一個(gè)處，CPU24將信號50中的低幅度(例如， 位于闕值A(chǔ)t以下的幅度)解釋為“1”位，將高幅度(例如，位于闕值A(chǔ)t以上的幅度)解釋為“1”位。將標(biāo)尺6上的絕對數(shù)據(jù)的位組合成代碼字(例如代碼字11)。每個(gè)代碼字沿著標(biāo)尺6限定獨(dú)特的絕對位置。正如將要理解的，可以使用在每個(gè)代碼字開始處的起始符號，其用作標(biāo)記每個(gè)代碼字的開始。例如，在該實(shí)施例中，所述起始字可以包括位序列“1101”。如果使用起始符號，則起始符號的選擇被限制為所選擇的序列，因?yàn)槠鹗挤柋仨氃谌魏未a字中不出現(xiàn)，否則部分代碼字可能會被錯(cuò)誤識別為起始字符。而且，必須沒有代碼字以起始符號的開始終止，反之亦然，因?yàn)檫@可能導(dǎo)致代碼字的位置被錯(cuò)誤解釋少數(shù)的位。圖像傳感器窗口足夠?qū)捯员憧匆娭辽僖粋€(gè)完整的代碼字，而不管在拍攝快照時(shí)讀取頭4與標(biāo)尺6的相對位置。在步驟604中，定位起始符號，在步驟606中，讀取在起始符號之后的位。確定與代碼字相對應(yīng)的沿著標(biāo)尺的位置。這可以通過使用儲存在存儲器32中的查詢表進(jìn)行，所述查詢表被用來解碼所述代碼字。因此，在步驟608中，比較從圖像讀取的代碼字與儲存在查詢表中的代碼字。查詢表中的匹配位置給出了代碼字相對于標(biāo)尺數(shù)據(jù)的粗略絕對位置。然后通過從在步驟608中發(fā)現(xiàn)的代碼字的粗略位置中減去在步驟604中發(fā)現(xiàn)的起始符號相對于讀取頭的位置，計(jì)算讀取頭相對于標(biāo)尺數(shù)據(jù)的粗略絕對位置。當(dāng)然，可以應(yīng)用誤差檢測和校正技術(shù)，以便克服錯(cuò)誤位的存在，諸如在國際專利申請NO.PCT/GB2002/001629中公開的技術(shù)。而且，可以應(yīng)用其他技術(shù)來編碼并確定讀取頭4相對于標(biāo)尺6的粗略絕對位置。例如，標(biāo)尺6上的反射型線條8和非反射型線條10可以編碼偽隨機(jī)絕對代碼，其中預(yù)定數(shù)目位的每個(gè)組合唯一地確定讀取頭4與標(biāo)尺6之間的絕對相對位置。因此，描述了一種操作編碼器的方法，所述編碼器輸出位置信息，所述位置信息至少部分是外推的，但是所述編碼器進(jìn)行合適的檢查以便確保所述外推位置與從標(biāo)尺獲得的全部讀數(shù)是一致的。如果存在差異，則編碼器仍然輸出外推位置，但是將記錄所述差異。如果位置讀數(shù)是不正確的(如由于隨機(jī)噪音或例如頭穿過標(biāo)尺上的一個(gè)臟物所引起的)，那么在下一次檢查中，外推位置與測量位置將一致，并且編碼器將繼續(xù)正常地操作。如果另一方面位置讀數(shù)是正確的，并且外推位置是不正確的，則對于所有隨后的檢查，外推位置將繼續(xù)緩慢地偏離正確讀數(shù)。在少量檢查之后，讀取頭可以識別這個(gè)情形并且在輸出位置顯著誤差之前采取合適的措施。 所述方法利用標(biāo)尺的全部讀數(shù)檢查每個(gè)外推位置。然而，應(yīng)當(dāng)理解，不是必須是這種情況，例如，可能只檢查外推位置中的一些。例如，以頻繁的間隔進(jìn)行這種檢查，這可能是基于時(shí)間的或者例如基于所計(jì)算位置的數(shù)目(例如，至少每隔10個(gè)，至少每隔5個(gè)，或者至少每隔一個(gè)外推位置檢查)。而且，進(jìn)行這種檢查的規(guī)律性可以是自適應(yīng)的，并且可以由于各種原因而改變，諸如例如之前所確定差異的數(shù)目和/或程度。
權(quán)利要求
1.一種操作位置編碼器裝置的方法，所述編碼器裝置包括標(biāo)尺和用于讀取所述標(biāo)尺的讀取頭，所述標(biāo)尺具有限定位置信息的特征，所述方法以任何合適的順序包括以下步驟從所述標(biāo)尺的至少一個(gè)之前讀數(shù)計(jì)算外推位置信息；將外推位置與從標(biāo)尺讀數(shù)計(jì)算的位置進(jìn)行比較以便確定它們之間的任何差異；不管是否存在差異均使用所述外推位置信息；以及保持對任何差異的記錄。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，包括監(jiān)控對表示外推位置計(jì)算失誤的差異的記錄。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述監(jiān)控包括監(jiān)控所述差異的數(shù)目。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述監(jiān)控包括監(jiān)控所述差異的幅度。
5.如權(quán)利要求2至4中任何一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括在出現(xiàn)表示所述外推位置失誤的差異的情況下執(zhí)行誤差程序。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中執(zhí)行誤差程序包括發(fā)出誤差信號。
7.如前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中計(jì)算外推位置信息包括應(yīng)用i)從至少一個(gè)之前確定的絕對位置外推的粗略位置以及ii)從標(biāo)尺的當(dāng)前讀數(shù)計(jì)算的精細(xì)間距位直fe息。
8.如前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述比較包括將粗略外推位置與從標(biāo)尺讀取的粗略位置信息比較。
9.如前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述標(biāo)尺包括限定一系列獨(dú)特絕對位置的特征。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中從限定所述一系列獨(dú)特絕對位置的特征確定所述精細(xì)間距位置信息。
11.如前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，包括將所述外推位置發(fā)送至外部裝置。
12.如前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，包括存儲所述外推位置以便用在隨后的外推計(jì)算中。
13.如前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中將每個(gè)外推位置與從標(biāo)尺讀數(shù)計(jì)算的位置比較以便確定它們之間的任何差異。
14.一種用于讀取標(biāo)尺的讀取頭，所述標(biāo)尺具有限定位置信息的特征，所述讀取頭被構(gòu)造成執(zhí)行前面任何權(quán)利要求的方法。
15.一種位置編碼器裝置，包括標(biāo)尺和用于讀取所述標(biāo)尺的讀取頭，所述標(biāo)尺具有限定位置信息的特征，所述裝置被構(gòu)造成從標(biāo)尺的至少一個(gè)之前讀數(shù)計(jì)算外推位置信息；將外推位置與從標(biāo)尺讀數(shù)計(jì)算的位置進(jìn)行比較以便確定它們之間的任何差異；不管是否存在差異，應(yīng)用所述外推位置；以及保持對任何差異的記錄。
全文摘要
一種操作位置編碼器裝置的方法，所述編碼器裝置包括標(biāo)尺和用于讀取所述標(biāo)尺的讀取頭，所述標(biāo)尺具有限定位置信息的特征。所述方法包括從所述標(biāo)尺的至少一個(gè)之前讀數(shù)計(jì)算外推位置信息；將外推位置與從標(biāo)尺讀數(shù)計(jì)算的位置進(jìn)行比較以便確定它們之間的差異；不管是否存在差異均使用外推位置信息；以及保持對任何差異的記錄。
文檔編號G01D5/244GK102460077SQ201080024938
公開日2012年5月16日 申請日期2010年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月5日
發(fā)明者安德魯·保羅·格里布爾 申請人:瑞尼斯豪公司