專利名稱：光學(xué)和容性結(jié)合的絕對位置測定儀和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測量儀器和測量方法。更具體地說，本發(fā)明涉及實際測定兩個構(gòu)件的相對位置，在很大的相對范圍內(nèi)能達(dá)到很高的分辨率的測量儀器和測量方法。
工業(yè)上用的測量儀器應(yīng)用各種各樣不同的方法來測定兩個物體彼此之間的相對位置。這類儀器在機(jī)床和機(jī)器人工業(yè)中用來測定兩個運(yùn)動部件的相對位置特別有用。例如，進(jìn)行精密機(jī)械加工時，迫切希望能精確知道切削刀具相對于車床床身的位置，或磨頭相對于工件的位置。目前可使用電子編碼系統(tǒng)和光學(xué)編碼系統(tǒng)與自動機(jī)床的電子控制系統(tǒng)接口。這樣，這類機(jī)床就可以在相對位置反饋的情況下對工件進(jìn)行預(yù)編程加工。與其只依賴于對切削刀頭在開環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行的預(yù)編程定位，倒不如使用這種方法，可以達(dá)到高得多的加工精度。在機(jī)器人工業(yè)中，顯然總希望工業(yè)機(jī)器人能知道其手臂或機(jī)械手等相對于其機(jī)身的相對位置。
在上述工業(yè)中，人們?nèi)找嬉笤跍y量和控制用的編碼器中進(jìn)行絕對測量。(絕對測量一詞是指基準(zhǔn)標(biāo)度在各可能有的測量坐標(biāo)中包含獨特的信息內(nèi)容，以下簡稱為ABS測量)。通常，解決這個問題的方法是采用具有若干與二進(jìn)制有關(guān)的徑跡的光學(xué)編碼器。例如，測量范圍為1米且分辨率為1微米時，這種絕對標(biāo)度需要大約17條編碼徑跡。(用二進(jìn)制確定度盤上大致的ABS位置是采用在20微米波長的情況下向下內(nèi)插到1微米加16個徑跡的最細(xì)徑跡)為精確檢測各徑跡內(nèi)的位置，該17個徑跡的檢測器每個需要4個光電管，這就是說17×4＝68個光電管連同其有關(guān)的電子電路。這些電子電路的相對靈敏度和直流偏置必須加以調(diào)整使它們在各通道內(nèi)統(tǒng)一。這種光學(xué)ABS系統(tǒng)在造價和可靠性方面是要花一定代價的。
還有一種能在較大的相對范圍內(nèi)測出ABS位置的容性位移傳感系統(tǒng)(專利申請4，879，508和4，878，013)。這種系統(tǒng)的檢測元件(在印刷電路讀頭上的一些容性電極)簡單，且為達(dá)到較高的內(nèi)插率無需任何嚴(yán)格的調(diào)節(jié)，而只要三個通道就能滿足較大的相對范圍。其局限性在于其在足夠小度盤結(jié)構(gòu)的波長下的工作的能力，且要達(dá)到1微米或以下的分辨率需要較高的內(nèi)插率。結(jié)構(gòu)波長小時要求控制好度盤與檢測器頭之間的間隙，這在度盤較長時是不實用且造價大的。
另一方面，單通道光學(xué)系統(tǒng)，其分辨率有可能通過在度盤結(jié)構(gòu)上利用較短的波長，并利用較高的內(nèi)插率而無須付出很高的代價就可以改善到幾分之一微米的程度。此外，還有若干可能途徑設(shè)計出在度盤與探頭之間的間隙較大的情況下能分辨出很細(xì)的刻度間距。帶以衍射為主的探頭的光學(xué)系統(tǒng)。
這種單通道光學(xué)系統(tǒng)能在波長在20微米數(shù)量級的度盤結(jié)構(gòu)情況下很好地工作。如果內(nèi)插系數(shù)為20，則分辨率為0.2微米。但問題在于，要測定大于20微米的位移時，這種系統(tǒng)須要有一個完全不出錯的計數(shù)器，否則測出的值會出現(xiàn)(N×20微米)的多值性。這種多值性會在該“完全不出錯的計數(shù)器”遭到任何破壞(例如電源故障或電氣干擾等引起的破壞)之后產(chǎn)生。
如果機(jī)床沒有編程得使其在電源出故障、電源處于過渡過程的峰值時等停車，則上述后果會給全自動化的機(jī)床帶來巨大損失。
專利權(quán)授予Zinn，Jr的美國專利4，218，615和專利權(quán)授予Mac Gove-rn的美國專利3，812，352中介紹了典型的光學(xué)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)依靠利用光柵等從普通光源所產(chǎn)生的點源。令這些點源從度盤部分的光學(xué)圖形上反射，或通過該光學(xué)圖形。度盤圖形本身可形成第二光柵，從而利用光源第一光柵所產(chǎn)生的點源形成周期性的圖形。用這種系統(tǒng)可得出非常高的分辨率。但如果電源中斷，或有關(guān)部分相對于各電子計數(shù)器移動得快，這些光學(xué)系統(tǒng)就不知道度盤部分和傳感部分的相對位移。
因此須要有一個更經(jīng)濟(jì)、更可靠、更小巧的絕對位置編碼系統(tǒng)，這種系統(tǒng)不僅分辨率高，而且不因依賴于對傳感器或變換器從度盤原點位移的階數(shù)進(jìn)行計數(shù)而受到限制。
因此，本發(fā)明的目的是在較大的范圍內(nèi)以很高的分辨率獲取兩個相對運(yùn)動的部分，例如一個度盤和一個傳感器或變換器的絕對位置數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的另一個目的是用這樣的一個系統(tǒng)來達(dá)到上述目的，該系統(tǒng)無論變換器或傳感器部分和度盤部分彼此相對運(yùn)動的速度有多快都能知道這些部分的相對位移。
本發(fā)明的另一個目的是用這樣的一個系統(tǒng)來達(dá)到上述兩個目的，該系統(tǒng)即使在系統(tǒng)電源中斷時也能測出變換器或傳感器部分相對于度盤部分的相對位置。
本發(fā)明是通過配備這樣一種絕付位置測定系統(tǒng)達(dá)到從下面的說明中可以了解到的上述目的和其它目的和優(yōu)點的，該系統(tǒng)應(yīng)用了可相對運(yùn)動的采用兩個結(jié)構(gòu)成單個圖形的有規(guī)則圖形的度盤部分和收發(fā)機(jī)部分。該兩個規(guī)則圖形個個與性質(zhì)不同的詢問信號相互作用，從而使系統(tǒng)具有高的分辨率。此外還配備了信號發(fā)生電路和信號接收電路，以產(chǎn)生和理解詢問信號，從而在預(yù)定的誤差范圍內(nèi)測出度盤部分和收發(fā)機(jī)部分的相對位置。
在本發(fā)明的一個最佳實施例中，我們將光學(xué)度盤與容性度盤結(jié)合起來，利用了光學(xué)度盤和容性度盤的度盤襯底上的同一部位。容性度盤為上述ABS型，有三個量程粗量程、中量程和細(xì)量程，度盤由三個區(qū)域組成，其上有一個電極圖形。這三個區(qū)域在容性系統(tǒng)中具有多重功能，但它們也供作光學(xué)編碼度盤的圖形使用。兩個詢問信號為光信號和電信號，前者照射到結(jié)合到度盤圖形的光學(xué)圖形上，后者則與收發(fā)機(jī)和度盤上彼此等間距配置的金屬條紋相互作用，以測定該兩部分的容性關(guān)系。這個容性數(shù)據(jù)表示部分與收發(fā)機(jī)部分達(dá)第一誤差范圍的絕對相對位置，光學(xué)系統(tǒng)則測定度盤部分與收發(fā)機(jī)部分達(dá)更小的第二誤差范圍的相對位置，由于容性誤差范圍是已知的，因而第二誤差范圍是單值的。
光學(xué)圖形與容性圖形以這樣的方式結(jié)合到度盤圖形中以致系統(tǒng)的光學(xué)和容性能必然同樣受到制造上的不規(guī)則性、度盤部分的有形變形和溫度變化的影響。此外，收發(fā)機(jī)部分上的光發(fā)射裝置和容性電子發(fā)射裝置在幾何條件方面能安排得使收發(fā)機(jī)部分的熱膨脹在測定度盤部分與收發(fā)機(jī)部分的相對位置時的影響減小到最小程度。
容性系統(tǒng)始終知道度盤與收發(fā)機(jī)在其誤差范圍內(nèi)的相對位置，這個誤差范圍應(yīng)小于±1/2光柵間距。這個信息可與光學(xué)位置信息結(jié)合起來，這樣，光學(xué)系統(tǒng)就無須知道其在一個光學(xué)周期以外的絕對位置。光學(xué)系統(tǒng)在這個信息方面依賴于容性系統(tǒng)。但光學(xué)系統(tǒng)確實始終知道其在容性系統(tǒng)誤差范圍內(nèi)的位置。為此，無論位移有多快，光學(xué)系統(tǒng)和容性系統(tǒng)兩者結(jié)合起來都能即刻測定度盤部分和收發(fā)機(jī)部分的相對位置，同時保持光學(xué)系統(tǒng)的高分辨能力。


圖1 是用本發(fā)明的粗、中、細(xì)和特細(xì)的測量方式得出的不同測量分辨率的示意圖。
圖2 是本發(fā)明的固定度盤和可移動的傳感器或收發(fā)機(jī)的結(jié)構(gòu)和相對位置示意圖。
圖3 是圖2中的圓圈部分3經(jīng)放大的示意圖。
圖4 是從移動的傳感器上的發(fā)射機(jī)電極傳送到度盤上的接收機(jī)電極的模擬電子波的示意圖，該電子波接著由度盤上的接收機(jī)電極至度盤上的發(fā)射電極的電接線進(jìn)行實質(zhì)上的壓縮再容性傳送到傳感器上的接收機(jī)電極，以確定表示相對位置的電子相移。
圖5 為傳感器或收發(fā)機(jī)的頂視圖。
圖6 是模擬電子波在傳感器度盤電極上產(chǎn)生的方式的示意圖。
圖7 是本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)放大的部件分解等角示意圖。
圖7A是本發(fā)明光檢測窗口的頂視圖。
圖8 的曲線示出了本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)所收到的光位置信號信息的曲線。
圖9 是放大和混合圖8所示的信號的放大系統(tǒng)電子原理圖。
圖10A示出了使度盤和傳感器或收發(fā)機(jī)產(chǎn)生相對運(yùn)動的支撐機(jī)構(gòu)的兩端和一側(cè)的正投影圖;圖10B是沿圖10A的線Ⅰ-Ⅰ的截面圖。
圖11是本發(fā)明整個系統(tǒng)的方框圖。
圖12是本發(fā)明的光學(xué)位置寄存器的方框圖。
圖13是光學(xué)位置寄存器的第一存儲器的電子原理圖。
圖14是本發(fā)明的微處理器所執(zhí)行的計算機(jī)程序的邏輯流程圖。
圖11的編號20示意出了根據(jù)本發(fā)明的原理繪制的光學(xué)和容性結(jié)合的絕對位置測定系統(tǒng)。從圖10A和B可以看得最清楚該系統(tǒng)采用了一個裝設(shè)在細(xì)長框架24的細(xì)長度盤22。框架24可以固定到象自動機(jī)床等的床身之類的物體上。框架24可滑動地支撐著一個小車26，使其相對于度盤22移動。小車的車輪28與框架24中的軌道30以及度盤的正表面32接合，從而使矩形收發(fā)機(jī)或傳感器34基本上平行于正表面32間隔一個小間隙配置，且與度盤的縱軸線成一直線?；?3將收發(fā)機(jī)連接到自動機(jī)床的移動點(例如磨頭，圖中未示出)上。收發(fā)機(jī)和度盤上個個都具有例如用光刻法之類淀積著的光學(xué)或容性圖形，這些圖形使圖11中的電氣系統(tǒng)(下面將更詳細(xì)地談到這個系統(tǒng))可以測定收發(fā)機(jī)相對于度盤在大約±1微米誤差范圍內(nèi)的相對位置。
要了解整個系統(tǒng)20，最好參看圖1，圖中示出了四種工作方式粗36、中38、細(xì)40和特細(xì)或光學(xué)44工作方式。這四種方式表示各系統(tǒng)的工作方式所應(yīng)用的相對空間波長。
特細(xì)的工作方式由圖11中總編號為46的本發(fā)明的光學(xué)子系統(tǒng)完成。該子系統(tǒng)能測定出度盤22和收發(fā)機(jī)34在40微米光波長內(nèi)達(dá)±微米誤差范圍內(nèi)的相對位置。但為在1664毫米全標(biāo)度范圍內(nèi)最終測定收發(fā)機(jī)與度盤的絕對相對位置，光學(xué)系統(tǒng)就要依賴于整個系統(tǒng)20在圖11中總編號為48的容性子系統(tǒng)。
圖中的各工作方式的空間波長比下一個更細(xì)的毗鄰工作方式大許多倍。因而特細(xì)或光學(xué)工作方式的波長為0.040毫米，精確度約為1微米，細(xì)工作方式的波長為1.040毫米，精確度約為±15微米，中工作方式的波長為41.6毫米，精確度約為±0.4毫米，粗工作方式的波長為1.664米，精確度為±15毫米。圖1中所示的工作方式36-44實際上并不是全打印在度盤22上，但表示電子處理系統(tǒng)(在圖11中的總編號為50)為確定收發(fā)機(jī)34相對于度盤22的相對位置而合成和利用的空間波長。
容性子系統(tǒng)48在其各較粗的分辨率組中就有四十個這種較高分辨率的波長組。因此，粗工作方式36包含四十個中工作方式或波長38，各個中工作方式則包含四十個細(xì)工作方式或波長40，各細(xì)工作方式包含二十六個特細(xì)工作方式或波長44。知道收發(fā)機(jī)34相對于度盤22在圖1所示的特細(xì)、細(xì)、中和粗工作方式或標(biāo)度內(nèi)的相對位置，就可以知道收發(fā)機(jī)34相對于度盤22達(dá)特細(xì)工作方式的分辨率范圍內(nèi)(即1微米)的絕對相對位置(即收發(fā)機(jī)相對于總度盤80的位置)。
參看圖2-6和11就可以理解圖11中的容性子系統(tǒng)48在度盤22與收發(fā)機(jī)24之間傳輸信號的方法。下面順次說明粗工作方式、中工作方式和細(xì)工作方式。容性子系統(tǒng)基本上與美國專利4，879，508和4，878，013中所述的系統(tǒng)類似，這里也將其包括進(jìn)去，以供參考。
從圖10A和B中可以看到，度盤22和收發(fā)機(jī)34基本上平行配置，從而使收發(fā)機(jī)連同小車26一起以線性的方式橫切度盤的正表面32移動，與度盤間隔一個很小的間隔。圖2和4示出了并排配置的度盤和收發(fā)機(jī)，在頂視圖中與它們的毗鄰面分開。沿收發(fā)機(jī)34的中心線縱向配備有多個如圖6所示以8個一組的電子方式激勵的收發(fā)機(jī)發(fā)射電極60。各收發(fā)射電極的寬度約為0.416毫米，中心間距(或發(fā)射機(jī)間距)為0.650毫米，從而在收發(fā)機(jī)各發(fā)射電極之間形成大約0.234毫米的間隙。
各電極由容性子系統(tǒng)48提供電壓幅值不同的電信號，從而在每組8個的發(fā)射電極兩端出現(xiàn)正弦波幅的詢問信號。該信號由圖11中的電子處理子系統(tǒng)50調(diào)制，以便在收發(fā)機(jī)34的整個長度方向上模擬電子波。
如下面即將進(jìn)一步談到的那樣，傳感器34上配備有由九組61(每組8個發(fā)射電極)組成的發(fā)射機(jī)組62，如圖5所示，這些組的其中兩組配置在光變換器64的兩端，其目的稍后即將說明。詢問信號以圖4和6中的詢問波66表示。電氣接線68在發(fā)射機(jī)組62的整個長度上重復(fù)正弦信號。
如圖3和4所示，度盤22的第一度盤接收電極(用實線表示)在度盤和收發(fā)機(jī)如圖10A和B所示的那樣彼此對準(zhǔn)配置時平行并毗鄰收發(fā)機(jī)的發(fā)射電極60配置。因而詢問波66容性耦合到度盤與收發(fā)機(jī)之間的間隙兩端，從而將類似模擬的電子波詢問信號66加到第一組度盤接收電極70上。
第一組度盤接收電極的組電極寬度約為0.340毫米，這組電極交替走線接到度盤的中側(cè)和粗側(cè)，使粗組電極的中心間距(或接收電極間距)正好為1.040毫米，從而在間隔的度盤接收電極組電極之間形成0.700毫米的間隙。
詢問波66由諸如蝕刻到度盤22的襯底上的金屬化線之類的電氣接線74以電的方式在橫切度盤22的縱向軸線的方向上傳送到下面的粗發(fā)射電極組12上。仔細(xì)觀察圖2的下部分就可以看到第一組度盤接收電極70只沿度盤的粗度盤中心線76直接在粗發(fā)射電極72上方排列一行。如果往該粗中心線的左側(cè)或右側(cè)看度盤，則當(dāng)我們進(jìn)一步偏離粗中心線時，粗發(fā)射電極看起來越來越(向粗中心線76)偏移。這是由于粗發(fā)射電極72的中心間距為1.037毫米，比粗度盤接收電極70的1.040毫米的間距稍微小一點所致。兩組電極只在度盤22在粗度盤中心線76處的中心排成一行。這可表示圖1中粗工作方式36的原點。度盤22的長度為1.664米，因而度盤22含有第一組那種類型的1600個度盤接收電極70。因而同一間距內(nèi)可以容納1.605個粗發(fā)射電極72。但在只有粗度盤中心線76處的度盤接收電極70直接在粗發(fā)射電極72上方排成直線的情況下是可以較小的1.037毫米中心間距在度盤上配置同數(shù)量的粗發(fā)射電極(1，600)的。結(jié)果，在度盤22的兩端80、82，出現(xiàn)在度盤端部接收電極70a、70b上的電信號在傳送到端部粗發(fā)射電極72a、72b上時接收最大的內(nèi)移。因此，顯然當(dāng)收發(fā)機(jī)34安置得使其集中到粗度盤中心線76正上方時，詢問波66受到的由電極接線引起的位移量最小，詢問波受到的由度盤兩端80、82處的度盤電極接線引起的位移量最大。
圖4中示出了電子波在度盤接收電極70與粗發(fā)射電極72之間位移的實例。雖然圖中是以夸大的形式畫出的，但度盤上得出的電子波的這種位移是與收發(fā)機(jī)34偏離粗度盤工作方式的零位76的程度有關(guān)的。從圖4可以看到，這個位移可以理解為偏移波84中出現(xiàn)的相對于詢問波66的空間相移。雖然收發(fā)機(jī)發(fā)射電極60所產(chǎn)生的詢問信號可能是隨時間而變化的波，但圖4的詢問波66和偏移波84卻以駐波的形式表示，這樣可以更一目了然地看出所得出的空間相移。于是可以看出，這由度盤電極配置方式所引起的空間相移為度盤和收發(fā)機(jī)的相對位置的唯一函數(shù)。
圖11中的容性子系統(tǒng)48只測定這個空間相移，這個相移表示收發(fā)機(jī)34偏離粗分度工作方式36的原點76(即中心)的偏移程度。這種方法之所以特別有利在于，它無須“計出”收發(fā)機(jī)因偏離粗工作方式的原點76而超越度盤接收電極70的電極數(shù)。值得推薦的電子裝置是61號參考文獻(xiàn)中所述的日本三豐公司制造的MN064型集成電路，這種電子裝置能快速地將此相移數(shù)轉(zhuǎn)換成位置測定值。因此，即使收發(fā)機(jī)迅速移動，或系統(tǒng)的電源例如因電源過渡峰值而中斷或損壞，容性子系統(tǒng)48也能測知度盤22與收發(fā)機(jī)34的相對位置，盡管精確度有限。
為確定上述空間相移，必須將出現(xiàn)在粗發(fā)射電極72的相移信號84與收發(fā)機(jī)34的發(fā)射電極60上產(chǎn)生的原來的詢問波66進(jìn)行比較。如圖2和4中所示的那樣，收發(fā)機(jī)配備有為小間隙92所隔開的粗接收機(jī)板90a、90b，該小間隙92確定了5.184毫米波長和移相信號84同樣的周期性結(jié)構(gòu)。粗接收機(jī)板將移相波84從粗發(fā)射極72容性耦合回收發(fā)機(jī)34，但由于它們的結(jié)構(gòu)呈周期性，它們也相對于詢問波66改變相移信號84的瞬時相移。由于粗接收機(jī)板及它們的空間濾波器隨收發(fā)機(jī)34上的發(fā)射電極精確運(yùn)動，因而發(fā)射電極60上產(chǎn)生的詢問波66的相對瞬時相移和出現(xiàn)在粗接收機(jī)板上的移相波84表示位移。應(yīng)該牢記的是，詢問波66和移相波84可能不是真正的正弦駐波，而僅僅表示在任何給定時刻出現(xiàn)在電極板上的各輸入相的電壓幅值。因此，如圖4所示，(表示出現(xiàn)在各毗鄰的粗發(fā)射電極72上的正和負(fù)電壓幅值的)移相波84在粗接收機(jī)板上發(fā)送正比于粗發(fā)射電極電壓與為各相應(yīng)粗接收機(jī)板所覆蓋的面積的乘積的電荷。粗接收機(jī)板上如圖4所示有移相波84(為清楚起見，在接線中以夸大了的相移示出)時，就有大量的正電荷加到上粗接收機(jī)板90a上。若收發(fā)機(jī)大致安置在度盤原點76的上方，則圖4中的移相波看起來應(yīng)該是向左偏移(它可能幾乎與波66成一直線)。這樣，來自粗發(fā)射電極72的相對正電壓有較小部分覆蓋到上粗接收機(jī)板90a上，而來自粗發(fā)射電極72的負(fù)電壓相位信號則有較大部分覆蓋到上粗接收機(jī)板90a上。結(jié)果，加到該接收機(jī)板上的面積加權(quán)相電壓相位和可能與加到圖4所示的該接收機(jī)板90a的面積加權(quán)相電壓的和不同。這個差別是移相波84與接收機(jī)板90a的相對位移的函數(shù)。相電壓的面積加權(quán)和等于板90a上的信號輸出與詢問信號之間的瞬時相移。這一點由容性處理系統(tǒng)61加以判斷并將其轉(zhuǎn)換成精確度達(dá)大約±15.6毫米或更好的位移值。
圖1的中工作方式38按完全相同的方式工作，只是收發(fā)機(jī)發(fā)射電極60(圖2)上的詢問波66(圖4)由圖4中用虛線表示的第二組度盤接收電極100接收。這第二組的各度盤接收電極的大小和間距與第一組度盤接收電極70的相同。從圖2中可以看到，第二組的這些接收電極僅僅是穿插在第一組的各電極之間，且由電接插件110電連接到多個中發(fā)射電極112上。各中轉(zhuǎn)移電極的寬度(0.890毫米)比粗轉(zhuǎn)移電極72的寬度(1.000毫米)稍微小一點，且以0.924毫米的中心間距間隔著。
若這些中轉(zhuǎn)移電極的中心直接處在第二組度盤接收電極100上方，則這些轉(zhuǎn)移電極中有45個可能會坐落到為40個第二組度盤接收電極所占據(jù)的空間中。但這些中轉(zhuǎn)移電極只有40個安置在此空間中，這組40個中轉(zhuǎn)電極的中心一個電極直接處在第二組度盤接收電極100的其中一個的上方。(見圖2中的中心線114)這組40個度盤接收電極100和中轉(zhuǎn)移電極112形成圖1所示的其中一個中度盤波長38。這樣，若收發(fā)機(jī)34在中轉(zhuǎn)移電極組的原點114(見圖1)上方排列，則詢問波66轉(zhuǎn)移到一組中轉(zhuǎn)移電極上時不產(chǎn)生位移。隨著收發(fā)機(jī)34從此零位的偏移，詢問波66與移相波84之間的位移變得更大。在中工作方式中，中接收機(jī)板116a和116b毗鄰收發(fā)機(jī)34上的發(fā)射電極60配置，只是它們配置在粗接收機(jī)板90a、90b的發(fā)射電極60對面。上下板之間的間隙118所形成的圖形的周期性與粗接收機(jī)板90中間隙92所形成的圖形的周期性略有不同。具體地說，粗接收機(jī)板的圖形由每5.184毫米重復(fù)一次的間隙92形成，而中接收機(jī)板的圖形由每4.622毫米重復(fù)一次的間隙118形成。這些圖形個個以收發(fā)機(jī)34的縱向中心線119為中心，如圖5所示。
移相波84從中轉(zhuǎn)移電極112容性耦合到收發(fā)機(jī)34的方式與移相波84從度盤34中的粗轉(zhuǎn)移電極72容性耦合的方式一樣。因此，接收機(jī)板116a上的信號與詢問信號之間的相位差是中轉(zhuǎn)移電極112上的移向波與接收機(jī)板116a的相對位移的函數(shù)。圖11的容性處理系統(tǒng)61將此相移轉(zhuǎn)換成精確度約±0.39毫米的位移值。
細(xì)工作方式40的工作基本上與粗工作方式36和中工作方式38不同。觀察圖2和3可知，第一組70與第二組100各毗鄰度盤接收電板之間的中心間距為0.520毫米，而收發(fā)機(jī)發(fā)射電極60的中心間距則約為0.650毫米。
如本申請人的美國專利4，878，013(這里將其包括進(jìn)去以供參考)中所公開的那樣，在發(fā)射電極60的布局方面，通過將各電極安排得在它們形成多個各有八個電極60且各個的組間距(即毗鄰組各起始電極之間邊至邊的距離)為度盤波長的倍數(shù)即T＝5.200毫米的電極組，可以使各發(fā)射電極的測定方向?qū)挾认鄬τ诙缺P波長增加。在各電極組內(nèi)，電極60安置和電連接得使其分別占據(jù)遍布大于一個度盤波長的距離的八個組位置，且這八個組位置個個對應(yīng)于不同的一組相對波長部分位置的相對位置，該組相對波長部分位置則是通過將一個電極組所跨越的跨距劃分成對應(yīng)于度盤波長的間隔，再將各間隔劃分成8個等分得出的。這樣做的好處是，各組電極遍布其整個測量方向?qū)挾龋瑥亩辽儆幸粋€電極60配置在該組的各間隔中。操作方式是細(xì)操作方式時，為達(dá)到所要求的電極配置方式，借助于MN064IC61中的各開關(guān)將圖6的1-2-3-4-5-6-7-8相序重新配置成相對波長部分位置的相位順序1-6-3-8-5-2-7-4。
按照本發(fā)明，八個信號發(fā)生器輸出信號按同樣的順序1-6-3-8-5-2-7-4連接到各電極組的電極60上。由于本發(fā)明采取發(fā)射電極的配置方式，因而各接收電極70和100從發(fā)射電極60接收隨發(fā)射機(jī)陣列的哪一部分配置在度盤接收電極對面而大不相同的信號。在細(xì)工作方式時，接收電極116a與116b連接在一起，而接收電極90a則與90b連接在一起。由于接收電極116或90確實分別通過轉(zhuǎn)移電極112或72檢測與各發(fā)射電極對置的接收電極所產(chǎn)生的所有信號的和(這取決于收發(fā)機(jī)34相對于度盤22的位置)，因而接收機(jī)90和116上得出的信號以1.040毫米的波長隨收發(fā)機(jī)34與度盤22的相對位置而變化。接收機(jī)90上的信號與接收機(jī)116上的信號不同相，相差520毫米因此，容性處理系統(tǒng)61能測出接收機(jī)90和116上的信號與基準(zhǔn)相位信號(此信號的相位以所傳輸?shù)南辔?8的一個特定相位為宜)之間的瞬時相位差，并將此相位測定結(jié)果轉(zhuǎn)換成精確度達(dá)大約±0.15毫米的位移值。容性處理系統(tǒng)之所以能在±15微米范圍內(nèi)進(jìn)行這種測定是因為各電極正確就位，且MN064集成電路61的內(nèi)部電子設(shè)備能相對于發(fā)射機(jī)基準(zhǔn)相位信號確定出現(xiàn)在接收機(jī)板90和116上信號的相移達(dá)非常高的精確度的緣故。
雖然容性處理系統(tǒng)61的精確度在理論上比上述諸系統(tǒng)的高，但當(dāng)電極70和100如圖3所示的那樣彼此的間距基本上比0.520毫米還小時，則從制造成本和其它實際的設(shè)計因素方面考慮是不太理想的。光學(xué)系統(tǒng)就沒有度盤元件間距窄的這些缺陷，這是因為光學(xué)圖形可以通過大間隙投影，且不依靠小間隙和“大”元件表面積來獲取強(qiáng)信號的緣故。
因此，本發(fā)明的絕對位置系統(tǒng)20配備有圖11中總編號為46的光學(xué)子系統(tǒng)。該光學(xué)子系統(tǒng)采用了結(jié)合到度盤22中的光學(xué)圖形，如圖3所示。圖3示出了圖2中經(jīng)放大的圓圈部位。
第一組70和第二組100的各度盤接收電極配備有九個象金屬之類的反光材料制成的光學(xué)條紋130。這些條紋可以借助于例如光刻法淀積到度盤上。此外，第一和第二組的度盤接收電極之間設(shè)有多個由四個光學(xué)條紋132組成的條紋組，形成連續(xù)的光柵。各條紋的寬度為0.020毫米，各條紋之間有0.020毫米的間隙。因此各條紋的中心間距為0.040毫米。上面說過，變換器34配備有一個與度盤22上的光學(xué)條紋130、132相交的光變換器64。光變換器64將光測定信號饋到光信號放大器系統(tǒng)140和光學(xué)處理系統(tǒng)142，以便與來自容性處理系統(tǒng)61的數(shù)據(jù)在“光學(xué)存儲寄存器”144中混合。下面更詳細(xì)地說明這些元件。
就目前所討論的問題來說，只要說明光學(xué)子系統(tǒng)46和光學(xué)存儲寄存器144能對變換器34在其從任意起始點，例如粗工作方式的原點76，行進(jìn)的過程中從其上經(jīng)過的光條紋進(jìn)行計數(shù)也就夠了。光學(xué)子系統(tǒng)46通過諸如普通正交信號內(nèi)插之類的方法可以(在任何兩毗鄰的光學(xué)條紋130之間)確定變換器處的位置，其誤差范圍達(dá)大約±1微米。為了避免光學(xué)存儲寄存器的計數(shù)在變換器34為使光學(xué)存儲器“跟得上”該計數(shù)而移動得過快而變得不正確，采用了(誤差在大約±15微米范圍內(nèi)的)容性絕對位置數(shù)據(jù)來更新光學(xué)存儲寄存器144中的容性位置數(shù)據(jù)，使其達(dá)容性子系統(tǒng)48的精確度范圍內(nèi)。這樣，在消除了光波長的雙值性的情況下，光學(xué)存儲寄存器的輸出端146(見圖11)上始終存在誤差范圍達(dá)±1微米的總絕對位置測定值。
表A概括了上面和附圖中所述的各距離和測定值。
表A波長/間距度盤F-細(xì)波長 1.040毫米M-中波長 F＊40＝41.600毫米C-粗波長 F＊1600＝1664.000毫米Tm-中轉(zhuǎn)移電極間距 F＊40/45＝M/45＝0.924毫米Tc-粗轉(zhuǎn)移電極間距 F＊1600/1605＝C/1605＝1.037毫米I-光條紋間距 0.040毫米Rs-度盤接收電極間距 F＊1/2＝.520毫米傳感器
T-發(fā)射機(jī)波長 F＊5＝5.200毫米Tp-發(fā)射電極間距 F＊5/8＝0.650毫米Mr-中接收電極波長 F＊40/45＝4.622毫米Cr-粗發(fā)射電極波長 F＊1600/321＝Tx1600/1605＝5.184毫米電極寬度度盤Wo-光條紋 0.020毫米Wr-接收電極(9個光條紋＝F/3) 0.340毫米Wm-轉(zhuǎn)移電極(中側(cè)) 0.890毫米Wc-轉(zhuǎn)移電極(粗側(cè)) 1.000毫米傳感器Wt-發(fā)射電極 F＊2/5＝0.416毫米長度發(fā)射機(jī)長度 T＊11＝Tp＊88＝57.200毫米接收電極長度(中側(cè)) M+Mr＝Mr＊10＝46.222毫米接收電極長度(粗側(cè)) Cr＊9＝46.647毫米從圖7中可以看得最清楚，光變換器64包括一個發(fā)光二極管(LED)150和四個光電晶體管152、153、154、155。適用的LED為日立公司出品，部件號為HE8807SG的發(fā)光二極管。適用的光電晶體管為Panas-onic PN168號部件。這些元件都可從市面上采購到。LED150通過源光柵156發(fā)射出基本上單色的光束。源光柵有15個光條紋158，各光條紋的寬度為60微米，各光條紋之間的透射間隙為20微米。因而不透明條紋的第一光柵156其中心間距為80微米。LED150的芯片(圖中未示出)安置在距源光柵4.447毫米的最佳間隙距離160處。
各接收機(jī)光柵158的占空因數(shù)與源光柵光條紋的周期性一樣，為50%，只是接收機(jī)各光柵中各圖形的側(cè)面中心位移光信號波長的四分之一(90度相移)，和二分之一(180度相移)，這下面即將說明，以便根據(jù)光電晶體管152至155處的度盤22的光條紋130、132給經(jīng)空間濾波的自己的圖象信號提供為各接收機(jī)光柵和光電晶體管而測定的特性光信號空間相移。
前面已經(jīng)說過，光條紋130、132的周期為40微米，源光柵和接收機(jī)光柵中的各光條紋158的周期為80微米。為獲取高對比度的自我圖象，選取了間隙距離162。自我圖象的光波長為80微米時，度盤的反射回接收機(jī)光柵上的自我圖象會被放大到正好度盤圖形尺寸的兩倍。因此反射圖象周期與接收機(jī)光柵中各條紋的間距相適應(yīng)。
光學(xué)位置測定法是這樣進(jìn)行的。舉例說，接收機(jī)光柵165可以(通過移運(yùn)收發(fā)機(jī)34)安置在度盤22的側(cè)面位置上，光條紋130“經(jīng)反射”的自我圖象即在度盤22中照射到接收機(jī)光柵165的不透明光條紋158上。在此相對位置下，相應(yīng)的光電晶體管152不會從度盤接收任何反射光。收發(fā)機(jī)34橫向偏離這個位置時，光條紋130的反射圖象就不再與接收機(jī)光柵165的不透明光條紋158對齊，且光電晶體管152接收某些反射光。當(dāng)條紋130的反射圖象完全處在不透明條紋158之間時，光電晶體管152收到最大信號。隨差收發(fā)機(jī)34偏離皮最大信號的位置，光電晶體管152所收到的信號就逐步減小到最小值。
圖8中示出了光電晶體管152呈正弦波形A的信號處理輸出曲線。應(yīng)該指出的是，在光電晶體管152所輸出的幅值為1.8處，有兩個位置值170、172與該幅值相關(guān)。為確定這兩個數(shù)據(jù)點哪一個是正確的位置，給接收機(jī)光柵168配備了一個在空間偏離接收機(jī)光柵相對于源光柵的中間位置一個整數(shù)加度盤圖象在檢測器平面的空間波長的1/4(即90度的光信號相移)的圖形。圖8中示出了通過接收機(jī)光柵168接收幅值信號的光電晶體管155的正弦波形B輸出曲線。研究數(shù)據(jù)點170、172處的波形我們可以看出，波形B上出現(xiàn)了光電晶體管155的輸出幅值的相應(yīng)單一值174、178。這樣，通過監(jiān)控光電晶體管152和155的輸出值就可以得出收發(fā)機(jī)34相對于度盤22的唯一位置。這是周知的“正交信號”檢測電路。
為使光信號放大器140的信號達(dá)最大值，并使各放大器中的一般工作方式誤差減少到最小程度，配備了接收機(jī)光柵166和167。這些接收機(jī)光柵的不透明光條紋的寬度和周期與接收機(jī)光柵165和168的光條紋的一樣。但接收機(jī)光柵165和168的光條紋的一樣。但接收機(jī)光柵166的光條紋的位置在空間上與與源光柵156中的光條紋位置不同相的光自我圖象信號相差180度。同樣，接收機(jī)光柵167中光條紋的位置在空間與與接收機(jī)光柵168中光條紋的位置不同相的光自我圖象信號相差180度。圖8中以非A和非B的正弦波形的形式示出了分別與接收機(jī)光柵166和167有關(guān)的光電晶體管153和154的輸出曲線。
考慮到LED150和光電晶體管153-155的實際加工和裝配尺寸以及現(xiàn)成的元件大小，接收機(jī)光柵偏離源光柵中心的標(biāo)稱橫向位移約為2.385毫米。這可看作接收機(jī)窗口“A”165的中心。
為產(chǎn)生正交信號A、B和它們的分量非A和非B，接收機(jī)光柵166至168的空間相移是通過使各相同的接收機(jī)圖形窗口的側(cè)面中心位置從所選定的接收機(jī)窗口165的位置位移光自我圖象波長的整數(shù)值(使它們從源光柵中心移到大致等于2.38毫米的標(biāo)稱橫向位置)，加上形成適當(dāng)正交信號的光自我圖象波長的另一適當(dāng)部分進(jìn)行的。
于是產(chǎn)生“B”信號的接收機(jī)光柵168因橫向位移而使其中心從接收機(jī)光柵165的中心橫向位移4.800毫米加20微米(光自我圖象波長的1/4)。光柵168產(chǎn)生圖8中與與A信號不同相的光自我圖象信號成90度的B信號。同樣，產(chǎn)生非A信號的接收機(jī)光柵166其不透明光條紋從接收機(jī)光柵165(A光柵)不透明光條紋的位置位移40微米(經(jīng)放大的自我圖象中條紋周期的1/2)。同樣，接收機(jī)光柵167的光條紋從接收機(jī)光柵168中光條紋的橫向位置位移40微米。這樣，接收機(jī)光柵167產(chǎn)生為光電晶體管154所接收的非B信號。
圖7A示出了光度變換器64的另一種實施例，其中各接收機(jī)光柵中心的確定與圖7所述的一樣。但各接收機(jī)光柵都有橫向?qū)挾葹?.6毫米、垂直高度為2.4毫米的窗口。源光柵156掩蔽在四個源窗口218至211中，各窗口和垂直尺寸為1.2毫米、水平尺寸為0.8毫米。這些源窗口的中心個個從原接收機(jī)光柵156的中心水平位移大約0.80毫米，垂直位移大約1.2毫米。這種配置方式旨在消除從LED150至各種接收機(jī)光柵的光路長度差別過大的光線，以增加在接收機(jī)光柵和電晶體管處的有用光信號。
如上所述和圖11中所示，光信號A、非A、B和非B是經(jīng)過圖11中的光信號放大器140調(diào)節(jié)過的。圖9示出了光信號放大器的電路。
如圖9中所示，來自光電晶體管152和153的信號(A，非A)饋入操作放大器178、180的倒相輸入端。然后這些經(jīng)放大的信號傳送到配置成差分放大器的操作放大器182上。這些操作放大器的不倒相輸入端個個以2.5伏為基準(zhǔn)電壓，從而使各光電晶體管基本上在線性區(qū)工作。
來自光電晶體管154、155的信號也由一對操作放大器183、184加以放大。這些經(jīng)放大的信號接收著饋入一個差分放大器185中，以提供與差分放大器182的輸出信號相差90度的輸出信號187。
輸出186、187是一些其幅值作為收發(fā)機(jī)34相對于度盤22的位置的正弦函數(shù)而變化的信號。
為獲取高分辨率數(shù)字位移和位置信號而對這些信號進(jìn)行的適當(dāng)測定和內(nèi)插是由光學(xué)處理系統(tǒng)142完成的。適用的光學(xué)處理系統(tǒng)為日本三豐公司制造的MN102型集成電路。
如圖11所示，光學(xué)處理系統(tǒng)142產(chǎn)生并行6位字210，其中最低有效位表示1微米的位移。容性處理系統(tǒng)61控制容性變換器，并通過指令和數(shù)據(jù)總線212給微處理器214提供位置信息，位置分辨率約為2微米。微處理器214產(chǎn)生16位絕對位置字，其中最低有效位表示40微米的增量。6位光學(xué)字和16位容性字一樣直接饋入光學(xué)存儲寄存器144中。微處理器214通過數(shù)據(jù)和指令信號總線216發(fā)送容性位置16位字，并指導(dǎo)光學(xué)存儲寄存器144的操作。
圖15示出了圖7中所示的光學(xué)系統(tǒng)的另一個實施例。在圖15中所示的傳輸式光學(xué)系統(tǒng)中，由LED150和準(zhǔn)直透鏡400發(fā)射并形成四個平行光束401-404。這些光束為度盤22上的各光柵所折射通過光柵130和132傳送的光束則由各光電晶體管165-168通過各接收光柵165-168加以檢測。本系統(tǒng)中沒有包括圖7中所示的源光柵156，但各接收機(jī)光柵165-168之間的相位關(guān)系仍然保持在圖7的說明中所述的同樣關(guān)系。在本光學(xué)系統(tǒng)中，光電晶體管165-168的輸出信號與圖7中所示的反射或光學(xué)系統(tǒng)的相同。此外，還可以通過裝設(shè)四個兼?zhèn)銵ED和準(zhǔn)備直透鏡功能的小LED元件來代替單個LED150和準(zhǔn)直透鏡400，以產(chǎn)生四個光束401-404。
如圖11中所示，且如上面所述的那樣，電子處理子系統(tǒng)將容性子系統(tǒng)48的粗36、中38和細(xì)40工作方式所產(chǎn)生的容性位置數(shù)據(jù)收入微處理器214中以便進(jìn)行處理。適用的微處理器為美國加利福尼亞微處理器。來自特細(xì)或光學(xué)工作方式44的位置數(shù)據(jù)經(jīng)學(xué)子系統(tǒng)46收集之后，直接接收入光學(xué)存儲寄存器144中。
光學(xué)存儲寄存器進(jìn)行的操作實際上是對收發(fā)機(jī)34在其從度盤原點位移所經(jīng)過的所有光條紋130、132進(jìn)行計數(shù)。應(yīng)該理解的是，度盤的“原點”是可以用數(shù)學(xué)的方法由微處理器將其從粗工作方式的零位76位移到度盤22的任一端的。光學(xué)位置數(shù)據(jù)只是相對于光學(xué)存儲寄存器144中總共24位數(shù)據(jù)字的六個最低有效位是可靠的。這六個最低有效位僅涉及毗鄰各光條紋130、132之間一個40微米間距內(nèi)的位置。下一個16個最高有效位表示來自粗、中和細(xì)工作方式的總位置數(shù)據(jù)，且可借助于微處理器214從容性子系統(tǒng)48在光學(xué)存儲寄存器144中不斷更新。
如圖12中所示，光學(xué)存儲寄存器144包括一系列將光學(xué)和容性數(shù)據(jù)組合成在光學(xué)存儲寄存器的輸出端146作為正交或串行輸出出現(xiàn)的24位絕對位置字。
圖12中示出了光學(xué)存儲寄存器144的詳細(xì)電路圖。光學(xué)處理系統(tǒng)142的光學(xué)6位輸出在圖12左側(cè)的線路210上作為6位數(shù)據(jù)字進(jìn)入光學(xué)存儲寄存器144中。從圖12可以看到，這個輸出是個編碼字，其中頭兩個最低有效位可任意選用，作為編碼字的一部分，或直接表示正交輸出，而以后的四個最高有效位是純粹的二進(jìn)制。這6位字傳送到普通的譯碼器240之后，由譯碼器240將該字變換成純的6位二進(jìn)制數(shù)。此經(jīng)譯碼的6位字在數(shù)字減法器244中與第一位移計數(shù)器246的輸出Q2加以比較。數(shù)字減法器244將原先存儲的6位光學(xué)位置值與從譯碼器240出來的現(xiàn)行值進(jìn)行比較。減法器244使第一計數(shù)器246遞增或遞減計數(shù)，直到存儲在計數(shù)器246中的光學(xué)位置等于目前所測定的光學(xué)位置為止。
第一位移計數(shù)器246還存儲下一個16個表示容性子系統(tǒng)48的容性位置的最高有效位，并使這個容性數(shù)據(jù)出現(xiàn)在輸出端Q1和線路248上。此容性數(shù)據(jù)加到出現(xiàn)在數(shù)字加法器253中的線路250上的校正因數(shù)。如下面即將更詳加說明的那樣，這個校正因數(shù)由微處理器214確定，同時通過線路254將經(jīng)校正的容性16位值加到第一位移計數(shù)器246上。加這個容性16位值是在借助于多路分離器256和同步單觸發(fā)電路258從微處理器發(fā)送指令時進(jìn)行的。因此，第一位移計數(shù)器246含有來自容性子系統(tǒng)48的絕對位置數(shù)據(jù)和來自光學(xué)子系統(tǒng)46光條紋內(nèi)的位置。這個位置數(shù)據(jù)不斷經(jīng)過更新，并使其出現(xiàn)圖12中計數(shù)器246右側(cè)線路260上的輸出端Q3上。
出現(xiàn)在線路250上的校正因數(shù)從微處理器214和多路分離器256通過一個由經(jīng)另一個串行輸入并行輸出的位移寄存器262傳遞，寄存器262則由一個通過另一個同步單觸發(fā)電路263的計算機(jī)信號啟動。概括起來說，第一位移計數(shù)器246保持來自光學(xué)系統(tǒng)通過微處理器214加到來自容性系統(tǒng)經(jīng)校正的絕對位置值(只有16個最高有效位)。下面更全面地說明第一位移計數(shù)器246的內(nèi)部操作。但在此討論中，只要記住一點就夠了，即在線路260上存在著24位絕對位置數(shù)，其中各單元表示1微米的位移。
然而，大多數(shù)機(jī)床和機(jī)器人系統(tǒng)并非必然構(gòu)制得使其能接收這種格式的絕對位置數(shù)據(jù)。相反，這類系統(tǒng)通常構(gòu)制得使其能以串行或正交的形式接收這種數(shù)據(jù)。正交數(shù)據(jù)輸出格式僅僅是通過兩個相差90度的串行信號對24位數(shù)進(jìn)行的串行遞減計數(shù)。為優(yōu)先讀出這種形式的位置數(shù)據(jù)，給光學(xué)存儲寄存器144配備了跟蹤第一位移計數(shù)器246的值的第二位移計器264。這種配置方式使我們可以讀出第二位移計數(shù)器在輸出端146上形成正交數(shù)據(jù)串，同時第一位移計數(shù)器246繼續(xù)存儲經(jīng)更新的位置信息。
上述結(jié)果是通過將第二移位計數(shù)器264在節(jié)點266和線路268上的輸出與第一位移計數(shù)器246來自數(shù)字減法器270的線路260的輸出Q3進(jìn)行比較得出的。數(shù)字減法器270使第二位移計數(shù)器264遞增或遞減計數(shù)，直到存儲在其中的數(shù)與存儲在第一位移計器246中的位置數(shù)匹配為止。這種跟蹤操作可以固定下來，而且(在接收線路272上的讀出指令時)可以讀出第二位移計數(shù)器的值。
讀出指令通過一個數(shù)字脈沖計量電路274，由該電路檢驗讀出指令是否確實為數(shù)字邏輯信號而不是線路的過渡過程等。讀出指令傳送到觸發(fā)器276的“置入”輸入端。于是觸發(fā)器改變其狀態(tài)，并在線路278上將邏輯信號發(fā)送到第二位移計數(shù)器中，由該計數(shù)器凍結(jié)計數(shù)啟動功能?！爱惢颉边壿嬰娐?80在節(jié)點266與第二移位計數(shù)器264中的兩個最低有效位相連接，同時第二移位計數(shù)器從其現(xiàn)行的位置數(shù)遞減計數(shù)至零。數(shù)字鎖存器282將“異或”邏輯電路280的輸出端和計數(shù)器264的第二最低有效位輸出端連接到輸出選通電路284上，下面將更全面地說明這個電路。
“異或”電路280史包括一個“異或”門，該“異或”門的兩個輸入端接第二移位計數(shù)器264的兩個最低有效位。該“異或”門的輸出即為正交輸出A。第二移位計數(shù)器的第二最低有效位也成為正交輸出B。計數(shù)器遞減計數(shù)時，正交輸出A與正交輸出B相差90度，如圖11中所示。第二移位計數(shù)器264一旦完全遞減計數(shù)到零時，微處理器214在直接連接到觸發(fā)器276的復(fù)位輸入端的線路286上發(fā)送恢復(fù)指令。這時觸發(fā)器改變其狀態(tài)，從而使第二移位計數(shù)器264“解凍”，使其可以往回計數(shù)，一直到現(xiàn)行存儲在第一位移計數(shù)器246中的位置數(shù)為止。在上述過程中，第一位移計數(shù)器一直在起作用，不斷地跟蹤變換器34的現(xiàn)行位置。
第二移位數(shù)器264存在第一移位計數(shù)器246不存在的特殊問題。前面已經(jīng)說過，頭六個最低有效位表示光學(xué)位置數(shù)據(jù)，二進(jìn)制位25表示第六個位(可以一直讀到40微米的光學(xué)度盤波長)。第二移位計數(shù)器和第一移位計數(shù)器一樣裝有一個24位寄存器。24位二進(jìn)制寄存器可存儲的最大數(shù)為224減1，等于十進(jìn)制數(shù)的16，777，215。各數(shù)字表示1微米，因而此數(shù)等于16.777米的位移量，這比容性系統(tǒng)1.66米的全標(biāo)度長度大得多。因此配備了一個比較器288，使第二移位計數(shù)器264的計數(shù)值不致超過(或低于)表示全標(biāo)度測定傳值的二進(jìn)制數(shù)。遇到這個全標(biāo)度測定值時，數(shù)字比較器在線路290上發(fā)送一個信號，從而在線路292上將下一個毗鄰數(shù)(即全標(biāo)度值減1，或0，這視乎變換器34向那一個方向移動而定)加到第二移位計數(shù)器264上。因此，數(shù)字比較器288履行“寄存器的約束功能”，以防止第二移位計數(shù)264計數(shù)過度。第一位移計數(shù)器246不存在這個問題，因為微處理器214始終在來自容性子系統(tǒng)48的線路250上加校正因數(shù)，而該容性子系統(tǒng)48由于具有確定絕對位置的本性，不能將相移轉(zhuǎn)化成大于全標(biāo)度測定值的數(shù)。
為計算出現(xiàn)在線路250上的校正因數(shù)，微處理器須知道第一移位計數(shù)器246中存儲的絕對位置數(shù)。由于第二移位計數(shù)器264中也有這個數(shù)，因而這個數(shù)據(jù)借助于24位并行通信線路294傳送到并行輸入串行輸出的移位寄存器296，并送入線路298上的多路分離器256中，于是微處理器將這個24位串行數(shù)據(jù)與微處理器已從容性處理系統(tǒng)61獲得的容性數(shù)據(jù)位置進(jìn)行比較。若這些數(shù)的差值大于預(yù)定的容許范圍，微處理器就取此差值，將其轉(zhuǎn)換成40微米增量的最近整數(shù)，并將其發(fā)送到數(shù)字加法器252，以便更新存儲在第一移位計數(shù)器246中的16個最高有效位。
從上述不難看出，第一位移計數(shù)器246裝有供表示光學(xué)數(shù)據(jù)的6個最低有效位用的分立計數(shù)器和供表示容性數(shù)據(jù)的16個最高有效位用的分立計數(shù)器。圖13示出了第一位移計數(shù)器246的內(nèi)部線路。
第一位移計數(shù)器246有一個6位計數(shù)器300通過減法器244接收來自譯碼器240的純二進(jìn)制光學(xué)數(shù)據(jù)。此計數(shù)器的二進(jìn)制輸出(還有輸出Q2，圖12)饋入數(shù)字比較器或譯碼器312中，當(dāng)該二進(jìn)制計數(shù)器達(dá)十進(jìn)制數(shù)40時，由譯碼器12將計數(shù)器300復(fù)位。復(fù)位信號在線路214上傳送。數(shù)字比較器或譯碼器312還在線路316上產(chǎn)生進(jìn)位饋入16位容性數(shù)據(jù)寄存器或計數(shù)器320的最低有效位318中。微處理器214經(jīng)總線216發(fā)送到光學(xué)存儲寄存器144的16位容性位置字假設(shè)該計數(shù)器中各單位數(shù)字等效值表示40微米。因此，在計數(shù)器320中，最低有效位表示40微米，下一個最高有效位表示80微米，第三個最高有效位表示160微米等等。該計數(shù)器的輸出作為圖12中的輸出Q1出現(xiàn)線路248上。正是這個16位數(shù)字?jǐn)?shù)由出現(xiàn)在來自微米處理器214的線路250上的校正因數(shù)所校正，然后反饋入容性數(shù)據(jù)寄存器320的負(fù)荷端322中。
存儲在6位計數(shù)器300中的6位字是真正的用二進(jìn)制表示的位置，其中最高有效位表示32微米。但如前面說過的那樣，16位容性數(shù)據(jù)是按這樣的假設(shè)而決定格式的，即各遞增位的加權(quán)值為40微米。因此為了以簡單的方式將這兩種數(shù)據(jù)組合起來，須要在數(shù)字乘法電路324中將16位容性值乘以40，使位置(以微米為單位)以一般的二進(jìn)制格式表示出來。從乘法器324出來的經(jīng)轉(zhuǎn)換的16位二進(jìn)制輸出與出現(xiàn)在310的6位二進(jìn)制輸出在數(shù)字加法電路326中加起來，在線路260上形成24位字，這在附圖中也以Q3表示。因此，輸出Q3是個24位二進(jìn)制字，其中最低有效位表示1微米，下一個最高有效位表示2微米，第三個最高有效位表示4微米，第四個最高有效位表示8微米等等。然后將此輸出抄入第二移位計數(shù)器264中。
電子處理子系統(tǒng)50也能輸出以串行的形式存儲在第二移位計數(shù)器264中的絕對位置數(shù)據(jù)。前面說過，這個數(shù)據(jù)借助于圖12中的線路294和移位寄存器296傳送到微處理器上。微處理器只將此數(shù)據(jù)直接輸出列串行數(shù)據(jù)線328上，通過輸出選通284傳送到輸出端329上。
微處理器214根據(jù)上述一般指令組控制容性數(shù)據(jù)流入光學(xué)存儲寄存器144的過程以及光學(xué)數(shù)據(jù)與容性數(shù)據(jù)相互作用的過程。但微處理器還履行圖14中邏輯流程圖所示的邏輯序列，該邏輯序列考慮了實際位移速率與容性處理系統(tǒng)61的響應(yīng)時間之間的關(guān)系，并確定在數(shù)據(jù)作為實際實時絕對位置提供給用戶之前是否存在于第二移位計數(shù)器264中。
在最佳實施例中，圖14流程圖中所述的程序基本上是不容許微處理器在變換器34仍在相對于度盤22過度移動時讀出實時絕對位置數(shù)據(jù)的。該程序核實存儲在移位計數(shù)器246、264中的位置數(shù)據(jù)確實經(jīng)過更新，且在容許讀出實時絕對數(shù)據(jù)之前是穩(wěn)定的。
要使程序投入運(yùn)行時，微處理器214要先從一個外部媒介，例如裝有本發(fā)明設(shè)施的自動機(jī)床，接收讀出絕對數(shù)據(jù)的請求340。然后微處理器在菱形決策框342核實是否已有錯誤標(biāo)記樹起。通常，系統(tǒng)是在錯誤標(biāo)記樹起之后開始的。
錯誤標(biāo)記樹起之后，微處理器就從第二移位計數(shù)器264獲得新的數(shù)據(jù)位置字，并將此值與原先存儲在微處理器存儲器中的位置進(jìn)行比較，如行動方框344中所述。若新位置與舊位置相等，則將第二移位計數(shù)器264中的位置數(shù)據(jù)與來自容性子系統(tǒng)61的容性位置數(shù)據(jù)相比較，如行動方框346中所述。若新位置與舊位置不等，則重復(fù)行動方框344，直到新位置與舊位置相等為止，如菱形決策框348中所示。
若第二移位計數(shù)器264中的位置數(shù)據(jù)在容性子系統(tǒng)大約±15微米的誤差范圍內(nèi)，則如行動方框350所述的那樣，清除錯誤標(biāo)記，然后如行動方框352所述的那樣，從第二光學(xué)存儲存器讀出數(shù)據(jù)。若第二位移計數(shù)器264中的位置數(shù)據(jù)不處在來自容性子系統(tǒng)61±15微米位置數(shù)據(jù)的范圍內(nèi)，微處理器就按菱形決策框354和行動方框356的要求計算校正因數(shù)，并將此校正因數(shù)加到圖13的容性數(shù)據(jù)寄存器320中。這時在行動方框358處樹起錯誤標(biāo)記，并重復(fù)上述過程，直到請除錯誤標(biāo)記為止，這時就可以讀出數(shù)據(jù)。
還可以設(shè)想本發(fā)明的其它實施例和變型方案。舉例說，可以用磁檢測系統(tǒng)代替光學(xué)子系統(tǒng)，其中用磁化條紋代替光條紋130、132。此外，還可以用測量局部磁場的相對運(yùn)動的電感結(jié)構(gòu)來代替收發(fā)機(jī)34和度盤32中使用的容性條紋。上面所示和說明的應(yīng)用實例僅僅是用以舉例說明這樣的一個最佳實施例，該實施例采用了用兩個同類型的兩個詢問信號以很高的分辨率測出絕對位置。作為另一個實例，如圖5所示，在光變換器64兩側(cè)設(shè)置了兩套發(fā)射機(jī)組62。這種配置方式的好處在于，它保持地各組從中心算起的間隔距離，且變換器64因周圍溫度變化而膨脹或收縮時相應(yīng)地相等。前面說過，容性子系統(tǒng)只測定發(fā)射波66與移位波84之間的相移。這樣，收發(fā)機(jī)對稱的結(jié)構(gòu)在幾何條件上補(bǔ)償了收發(fā)機(jī)34或度盤22的實際伸長或縮短。如果在收發(fā)機(jī)34中心處設(shè)一個發(fā)射機(jī)組62，同時在該收發(fā)機(jī)組兩端各設(shè)一個光變換器64，也可得出同樣的效果。此外，還有許多其它可供選擇的信號處理方案，可以最佳地利用兩個性質(zhì)完全不同的變換器子系統(tǒng)的相對速率、可靠性和精確性，供特征用途用。另外，雖然本發(fā)明是就其適用于線性標(biāo)度和線性測量裝置進(jìn)行說明，但熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員都不難理解，只要對度盤和檢測系統(tǒng)作一些小小的修改就可以采用曲線或環(huán)形標(biāo)度，因而本發(fā)明不難適應(yīng)各種各樣的角度測量和圓周測量等用途。
因此，本發(fā)明并不局限于上述公開的內(nèi)容，而是取決于以下權(quán)利要求書的范圍。
權(quán)利要求
1.一種絕對位置測定系統(tǒng)，其特征在于，它包括一個度盤部分，具有結(jié)合成單個綜合度盤圖形的第一和第二規(guī)則圖形，其中該第一和第二圖形由能與第一和第二性質(zhì)完全不同的詢問信號相互作用的材料制成；一個收發(fā)機(jī)部分，具有用以將第一和第二詢問信號傳送到度盤上的第一和第二發(fā)送裝置，還具有用以接收與度盤相互作用之后的詢問信號的第一和第二接收裝置；支撐裝置，用以活動地將度盤部分和收發(fā)機(jī)部分彼此支撐起來；信號發(fā)生裝置，與收發(fā)機(jī)部分相連接，用以產(chǎn)生第一和第二詢問信號；和信號處理裝置，用電子學(xué)的方法耦合到第一和第二接收裝置上，用以處理與度盤相互作用之后的詢問信號，從而確定度盤部分與收發(fā)機(jī)部分在預(yù)定誤差范圍內(nèi)的相對位置。
2.如權(quán)利要求1所述的絕對位置測定系統(tǒng)，其特征在于，信號發(fā)生裝置工作時以光束的形式產(chǎn)生第一詢問信號，且以周期性信號的形式產(chǎn)生第二詢問信號。
3.如權(quán)利要求2所述的絕對位置測定系統(tǒng)，其特征在于，所述綜合度盤圖形具有多個預(yù)定寬度等間距配置的平行金屬條紋組，各金屬條紋組內(nèi)具有多個等間距配置的平行光學(xué)條紋，其中在收發(fā)機(jī)部分上的第一發(fā)射裝置有一個與信號發(fā)生裝置配合協(xié)作的光源，供照射各條紋之用，且其中收發(fā)機(jī)上的第二發(fā)射裝置具有多個等間距配置的金屬條紋，供接收周期信號之用，等間距配置的金屬條紋配置得使其可與度盤圖形的金屬條紋組容性耦合，從而使制造上的不規(guī)則性、度盤部分的實際變形和溫度變化對系統(tǒng)的光學(xué)和容性性能具有同樣程度的影響。
4.如權(quán)利要求3所述的絕對位置測定系統(tǒng)，其特征在于，收發(fā)機(jī)部分上的第二發(fā)射裝置包括兩組等間距配置在光源兩側(cè)的金屬條紋，從而使光源和兩組等間距配置的金屬條紋基本上共線，因而使收發(fā)機(jī)部分的熱膨脹的影響對系統(tǒng)的光學(xué)性能和容性性能起同樣的影響。
5.如權(quán)利要求3所述的絕對位置測定系統(tǒng)，其特征在于，所述信號處理裝置有一個供存儲來自第一接收裝置的光學(xué)位置數(shù)據(jù)的光學(xué)標(biāo)度存儲裝置，一個供存儲來自第二接收裝置的容性位置數(shù)據(jù)的容性存儲裝置，和一個校正線路，用以在光學(xué)位置數(shù)據(jù)與容性位置數(shù)據(jù)不一致時更新光學(xué)存儲裝置中的光學(xué)位置數(shù)據(jù)，從而使經(jīng)更新后的光學(xué)位置數(shù)據(jù)基本上始終表示度盤部分與收發(fā)機(jī)部分的相對位置。
全文摘要
一種光學(xué)和容性結(jié)合的絕對位置編碼系統(tǒng)，采用了多個淀積到玻璃度盤基片上的金屬化條紋。度盤附近配置有一個可移動的收發(fā)機(jī)。收發(fā)機(jī)產(chǎn)生與度盤相互作用的詢問信號和光信號?？梢苿拥氖瞻l(fā)機(jī)還裝有接收機(jī)構(gòu)供接收與度盤相互作用之后的信號。配備有信號處理電子裝置，供比較所發(fā)射的詢問信號與所收到的信號從而確定度盤與收發(fā)機(jī)的相對位置。即使系統(tǒng)的電源中斷或度盤與收發(fā)機(jī)的相對運(yùn)動非常之快，系統(tǒng)也能測出度盤與收發(fā)機(jī)的相對位置。
文檔編號G01B11/00GK1067311SQ9210124
公開日1992年12月23日 申請日期1992年2月25日 優(yōu)先權(quán)日1991年2月26日
發(fā)明者N·I·安德莫, T·E·漢利, P·S·萊恩 申請人:株式會社三豐