CN1260551C - 用于绝对位置测量的标尺和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种绝对位置测量标尺(18)，包括增量式标尺(10)，所述增量式标尺具有一系列相互交替排列的光反射线(12)和非光反射线(14)，绝对数据以离散代码形式通过移动光反射线(22)嵌入增量式标尺内。代码的设置使得标尺成回文和循环状。采用查询表，通过比较从标尺中提取的绝对位置数据和查询表中的绝对代码，来确定大致的绝对位置。通过将大致的绝对位置和提取的初识代码起始位置相结合，从而确定绝对位置。通过将绝对位置与增量位置结合，可以在一个标尺间距内确定绝对位置。

Description

用于绝对位置测量的标尺和系统
技术领域
本发明涉及测量物体的绝对位置，具体的说，涉及一种用于绝对位置测量的标尺和系统。
背景技术
增量式位置编码器是测量两个物体之间的相对位置的装置。通常，在其中一个被测物体上附有一个标尺，在另外一个被测物体上设有读数头，所述标尺上有整齐分布的相同标记。读数头向标尺上投射光线，根据标尺的构造不同，投射光被反射或者转发。根据被反射的光或者被转发的光，读数头发出一系列信号，该信号可以产生标志两个被测物体的相对位置的增量式计数。读数头可以提供某些电子插补，因而分辨率比从标尺上的标记直接读数所得到的结果要高。在有些情况下，输出量是模拟信号(通常是两个正交的正弦曲线)，以便使读数头外的电子终端进行插补。增量式编码器不涉及读数头在标尺上的绝对位置。
绝对位置编码器一般包括标尺，标尺上写有伪随机序列形式的或离散分布的数据。读数头经过标尺时读取其上的数据便可以确定读数头的绝对位置。
另外还有增量式和绝对位置混合编码器。由于增量式编码器能达到比绝对编码器更高的分辨率，许多绝对编码器通常还包括有独立的增量式通道。绝对编码通道给出的绝对位置能准确到至少一个增量式通道一个周期。增量式通道的插补在增量式通道的一个周期内给出的位置能达到所预期的高分辨率。如果将两种编码器结合起来，这两个系统所给出的位置能达到很高的分辨率。但是，由于绝对编码通道和增量式编码通道在分别独立的磁道上，当将增量位置和绝对位置相结合时会由于读数头的偏移而引起误差。另外，当将标尺固定在适当位置时，标尺必须处在正确的方向上，以使增量和绝对磁道分别与各自的读数头对齐。
欧洲专利EP0503716公开了一种增量式与绝对位置混合编码器，其中绝对通道由伪随机代码组成，增量式通道被合并以产生一个独立的合成通道。
发明内容
本发明的第一方面是提供一种测量标尺，该测量标尺包括：增量式标尺磁道，包括一系列具有第一特性的线和具有第二特性的线，具有第一特性的线与具有第二特性的线相互交替排列；
其中，与具有所述某一特性的线相比，具有另外一种特性的线或者较多或者较少，在形成代码的图案中，由此将绝对数据以离散代码的形式嵌入增量式标尺磁道中。
优选地，具有第一特性的线反射光或者发射光，而具有第二特性的线不反射光或者不发射光。
优选地，具有其中一种特性的线比具有另一特性的线多或少，由此，在所述代码形成的图案中，将绝对数据嵌入在增量式标尺磁道中。另外，利用增量式标尺磁道上的线的宽度或间距的变化，从而将绝对数据嵌入增量式标尺磁道中。
优选地，具有第一特性的线或者具有第二特性的线基本横穿过标尺的宽度而伸延，标尺上的绝对数据可以是回文的。
绝对数据可以分解为离散代码，每个代码的起始部分都标记着相同的起始符号。代码和起始符号内的绝对数据可以由二进制代码组成。
优选地，在一定长度的标尺上代码形成N个独特的位置，重复该段长度，第N+1个位置与第一个位置相同。
本发明的第二方面提供一种测量绝对位置的测量系统，包括测量标尺和标尺阅读器，所述测量标尺和所述标尺阅读器能相对移动；
其中，测量标尺包括增量式标尺磁道，所述磁道上具有第一特性的线与具有第二特性的线相互交替，绝对位置数据以离散代码的形式嵌入在增量式标尺磁道上；其中，与具有所述某一特性的线相比，具有另外一种特性的线或者较多或者较少，在形成代码的图案中，由此将绝对数据以离散代码的形式嵌入增量式标尺磁道中；
并且，标尺阅读器包括照射标尺的光源、读取增量式位置的增量式读数头和用来确定绝对位置的成像系统和检测器系统。
优选地，用来确定增量式位置的读数头是过滤式读数头。
优选地，数据的每一个绝对位的数值是1或0，其中，绝对数据位之间有数值为0的时钟位；其中，通过测量标尺的某位任一侧的第m+1位的数值来判断该标尺位是绝对数据位还是时钟位，其中m为任意偶数；并将所述位的数据相加，如果其和小于预定值，则该位为绝对数据位。
优选地，采用查询表来确定大致的绝对位置，其通过比较从标尺中提取的绝对位置数据和查询表中的绝对代码来实现。通过将大致的绝对位置和从检测器系统所提取的初识代码的起始位以及从检测器系统所提取的第一个完整数据位结合，就可以在一个增量式标尺的间距内确定绝对位置。通过将绝对位置与相对位置结合，可以在一部分增量式标尺间距内确定绝对位置。
附图说明
下面结合附图对本发明的优选实施例加以描述，其中：
图1A-1D是增量式标尺、绝对标尺和混合标尺的示意图；
图2A和2B是回文标尺上的代码的示意图；
图3A和3B显示了标尺的循环特性；
图4A和4B分别是每个重复长度上包含有两个和三个回文代码的回文标尺和循环标尺的示意图；
图5是混合标尺和读数头成像光学部分的一行像素的示意图；
图6是显微透镜阵列；
图7是确定大致的绝对位置的流程图；和
图8是读数头和标尺的示意图。
具体实施方式
图1A示出增量式标尺10的一段长度，增量式标尺10包括反射线12和非反射线14相互交替重复出现的图案。图1B示出绝对标尺16的一部分长度，绝对标尺16也包括反射线12和非反射线14，每条线代表一位绝对数据，所有数据位合并起来构成限定绝对位置的代码。
图1C和1D表示了图1A和图1B中的增量式标尺和绝对标尺的结合得到的混合标尺18。在增量式标尺的每个间距内嵌有一位绝对数据。该实施例中采用的是二进制代码，因而标尺有两个可能状态，1和0。对于绝对标尺上的状态1来讲，增量式标尺上的反射线位于其原始状态20内。对于绝对标尺上的状态0来讲，增量式标尺上的反射线已经移动，如图中22所示。
增量式图案中的任何一部分的移去使得增量式通道内的信号降级，但是如果这种破坏在整个标尺上是一致的话，则影响并不严重。在该实施例中，增量式标尺的反射线被移去，导致了增量信号的降级，也导致背景光的亮度出现了同样比例的降低。但是，如果反而增加同反射线，也会导致增量信号的降级同样程度，而背景光的亮度则会增加。
绝对数据可以嵌入在增量式标尺中，且不会增加或者除去增量线，而是线之间的宽度和间距会有所变化。
由于绝对数据嵌入在增量式标尺中，标尺可以是棱形的。如图1D所示，以棱形标尺代替以往已知增量式标尺和混合标尺中使用的平行通道系统，这意味着标尺沿着其宽度是均匀的。这克服了“平行通道”系统的三个缺点：第一，棱形标尺使得读数头可以安装在围绕标尺的任何方位上；第二，由于不需要平行通道之间保持相互平行，读数头的偏移也显得不那么重要；第三，不需要限制读数头相对于标尺的横向偏移误差。
嵌入在增量式标尺中的绝对数据被设置成回文的。这意味着读数头从代码序列的任何一端开始读取标尺上的绝对数据，其结果都是一致的。图2A示出了标尺上两个代码A和B。如图2B所示，如果标尺旋转180°，则与原标尺完全相同。在标尺上的相同位置上，代码B与原始代码A完全相同，同时，相同位置上，代码A与原始代码B完全相同。这将使标尺可以在表面上沿任何方向设置，而不需要进行程序调整或者是调整读数头的方向。
在标尺的一定长度上，可以是几米长，标尺上的绝对数据定义了唯一的位置，在上述长度外，代码无间隙地重复，因此代码没有起点也没有终点。如果标尺在其长度上自始至终定义了N个位置，则使第(N+1)个位置与第1个位置相同，使第(N+2)个位置与第2个位置相同，以此类推，则形成了循环标尺。标尺代码一个周期的长度被认为是重复长度。尽管标尺上定义的位置不再唯一，标尺的长度可比重复长度要长。如图3A所示，标尺在长度d上定义了唯一的位置X、Y，上述两个位置在长度d2上重复。
循环代码使得可以连续生产标尺，而且以很长的长度储存。随后在任何长度上的切断都能在其整个长度上包括有效代码，例如，图3b示出了一段长度的标尺，循环的重复长度为d，只要切断长度为L，则不论在哪里切断，标尺都是连续的。
增量式标尺上，每隔一个间距就有一个绝对数据位。所有数据位被分成为代码和起始标志。每一个起始标志都是相同的，并用来标志每个代码的开始，其中，代码用来确定绝对位置。由于所选取的起始标志序列不能出现在代码的任何其它部分上，否则的话，代码的某一部分将会被误识别为起始标志，因此，起始标志的选取要受到一定的限制。另外，同样的道理，代码也不能以起始标志作为结束，因为这会导致多个数据位错误辩识代码的位置。
由于标尺既是回文的又是循环的，起始标志也必须是回文的。另外，在重复长度上只能有两个代码可以是回文的，而且代码不能重复。图4A和4B所示的两个标尺18均是重复长度为d的回文标尺和循环标尺。图4A中所示的标尺有两个回文代码ABA和LML，在重复长度d上，没有重复的代码。图4B中所示的标尺有三个回文代码ABA、FGF和LML。但是，在标尺的重复长度d上FGF重复出现两次。
为了确保所采用的代码不降低增量式通道在度量衡上的准确性，采取了一些策略。其中一些策略包括不采用那些严重影响增量信号的代码。
策略之一：不采用不含有相同数目的“1”和“0”的代码。例如：1个16位代码可能包括8个“1”和8个“0”。当读数头扫过标尺时，这能确保增量信号大小保持不变。对于代码中包括7个和9个之间的“1”和“0”的情况下，就可能放宽这种限制，也可能进一步放宽限制。
策略之二：不采用在一行上“1”或“0”的个数超过预定值的代码。例如：一行中“1”的个数最多为6，优选的是4。当读数头扫过该序列时，如此长的均匀序列将引起由两个相互正交的正弦曲线输出形成的增量利萨如(LISSAJOUS)图形，产生暂时性的偏心。
策略之三：不限制任何代码的采用。为了减小增量式通道内绝对数据的影响，标尺必须在长度通常是50位的增量式通道读数窗内均匀。这将通过重新调整标尺上代码的顺序来实现，以确保任何一个50位连续代码序列中具有数目尽可能接近的“1”(或“0”)。
用于读数标尺阅读器包括至少一个照亮标尺的光源和至少一个确定增量式位置和绝对位置的检测器。
图8示出了读数头54和标尺18的简化图。为了读取标尺上的增量部分，提供了光源LS1、指针光栅52和检测器50(例如光电二极管阵列)。为读取标尺上的绝对数据部分1设置了光源LS2、成像透镜25和检测器26(例如线性成像传感器)。
检测器可以单独设置或者是将两个检测器集成在同一个芯片上(例如，采用同样的像素同时检测绝对位置和增量位置)，同样，可以采用共同的或者分立的光源和透镜陈列。
欧洲专利EP0207121中公开了一种过滤式读数头，它适于用来确定增量式位置。在该读数头中，标尺的每一点都在检测器上产生正弦波形的条纹，检测器上的每一个条纹由标尺上的许多点生成。如果部分标尺丢失，检测器所得到的信号将会轻微降低，但这种影响最终达到平衡，正弦波的频率和形状保持不变，仅当检测到标尺的基本频率和由标尺上丢失的部分产生的谐波被过滤掉的话。
当所选标尺的标记丢失或增加时，采用过滤式读数头从而可以采用非衍射性标尺，读数头同样可以将增量式位置确定在标尺的一个间距内。因此，过滤式读数头可以读取混合的增量式和绝对标尺上的数据，就象该混合标尺仅仅是个增量式标尺一样。
包括线性像素阵列的光学检测器系统可用来确定绝对位置，每个像素的最大尺寸由奈奎斯特判据确定，但优选使用尺寸较小的像素。
如图6所示，显微透镜阵列27可用来将标尺18在检测器26(例如光学检测器系统)上成像，每一个透镜28实际上是作为直立成像系统的一对直立的透镜28A、28B，用于产生连续图像。显微透镜阵列的采用使得标尺18与检测器26之间的工作距离比传统成像系统要小。
绝对数据需要从增量式和绝对标尺的混合标尺中读取，首先要进行测试以确定任一个像素的值到底是否代表数据位。绝对数据仅仅嵌在原始增量式标尺的反射线中。数据位的值是“1”还是“0”取决于除去或保留反射线。增量式标尺上的原始的非反射线保持不变，这些数值为“0”的数据位作为时钟位。每个数据位之间有一位时钟位。
如图5所示，典型标尺18可以包括40μm的间距，例如检测器上每一个间距内含有5.12个像素24，也可包括在标尺和检测器之间的单个光学放大单元。因此，检测器上每隔2.56像素(即，半个标尺间距)就有一个数据位(“1”或“0”)或者时钟位(C)。如果P所指测试像素为数据位，则P任一侧的每个第(m+1)个位置都是时钟位。因此，下列像素位置处为时钟位：
…，…，(-5×2.56)，(-3×2.56)，(-1×2.56)，(+1×2.56)，
(+3×2.56)，(+5×2.56)，…，…
由于像素不可能为分数，因此相对于测试像素而言，下列像素最接近于时钟位的数据：
-23，-18，-13，-8，-3，+3，+8，+13，+18，+23。
将这些位置(即，“1”或“0”之间)处的数值相加，总和越小，则这些像素越可能代表时钟位，从而，测试像素P越可能代表数据位。由于尚不了解如何进行精确的放大(例如，由于读数头步长(RIDEHEIGHT)引起的变化)，仅仅在测试像素的一定距离内搜寻时钟位时才有意义。由于放大失真的作用使得在远离测试像素的位置搜寻时钟位会导致与其真实位置不同步。
由于不可能在该数据位的两侧读取足够的像素，因而根据这种方法不可能在图像中定位第一位数据位。同样的道理，用这种方法也不可能在图像中确定最后一位数据位。假定放大倍数为常数，由于每个数据位之间的像素数目为已知，则两侧的数据位就可以被读出，再采用上述方法确定进一步指向图像中间位置的数据位。
在这一步骤中，已经产生一批提取数据。如图7所示的流程图概括了如何从所提取的绝对数据中确定大致的绝对位置。步骤32中，这批提取出来的绝对数据应该包括少许4个以上数据代码和至少3个起始标志。在该实施例中，每一个起始标志均相同并且长度9位。步骤34中，浏览所提取的数据，步骤36中将每一个9位的数据与起始标志序列相比较，将从标尺中提取的数据中与起始标志序列中代码为“1”的位相应的位上数据取反，来确定9位数据块的匹配度。步骤38中，数据块中所有9位的数值相加，看匹配与否，其值越小，则越匹配。如果起始标志标记没有被正确地隔开的话(即，每个起始标志之间正好只有一个代码)，则图像就失真了。在这种情况下，就放弃这幅图像，重新从步骤30开始以获取一幅新的图像。
当在步骤40中，找到起始标志，在所提取的代码中的3个完整代码的位置就可以计算出来。利用永久存储在读数头存储器中的查询表就可以完成，该查询表用于3个代码的解码。在步骤42中，查询表中的每一列三个连续代码序列与从图像中得到的三个代码进行比较。在步骤44中，利用与计算起始标志相同的方法计算代码的匹配度。在查询表中最匹配的位置给出了读数头的大致的绝对位置。在步骤46中，第二个最佳匹配的匹配系数也存储起来，该匹配系数用于计算大致的绝对位置的准确度。如果最佳匹配系数仅仅略好于第二最佳匹配的匹配系数，则报告的大致位置不可靠。同时，如果最佳匹配系数比第二最佳匹配系数好许多，则置信度更高。步骤48中，可以把阈值加到所述值中以确定读数头是否采用该数据计算大致的绝对位置，或者放弃该结果值重新从步骤30开始创建一幅新的图像。
假定认为上述数据值得信赖，最后一步是计算绝对位置。计算绝对位置需要4段数据，这4段数据是：(a)、从查询表中得出的大致位置(标尺上最近代码的位置)；(b)、所提取的数据中第一个字的起始位置(最近的标尺间距的位置)；(c)、原始图像中第一个完整数据位的起始位置(最近的检测器上像素的位置)；(d)、增量式通道内的利萨如相位(结果单元的位置)。
利用(a)和(b)足以计算读数头与最近的标尺间距的绝对位置。(d)用来计算一个标尺间距内所需的最终结果的位置。但是单独从此信息中在一个标尺间距内的位置可能会出现误差。(c)是用来在必要的情况下检查上述误差以及校准绝对位置。
本发明可以采用光透射标尺来代替光反射标尺。
尽管该实施例描述了线性标尺和读数头，本发明也可以适用于旋转标尺或二维标尺。
另外，标尺也不限于采用二进制代码，也可以采用多级代码。例如如果标尺包括涂铬玻璃板，则代码可以通过以下方式实现：将透明部分设为时钟位；将涂有中等浓度铬的部分设为“0”数据位，将涂有很高浓度铬的部分设为“1”数据位。可替换的方式是“0”数据位可以包含虚线，“1”数据位可以包含实线。
本发明也可以适用于非光学标尺，例如，电容标尺或者磁标尺。

Claims (21)

1.一种测量标尺，包括：
增量式标尺磁道，所述增量式标尺磁道包括一系列具有第一特性的线和具有第二特性的线，具有第一特性的线通常与具有第二特性的线相互交替排列；
其中，与具有所述某一特性的线相比，具有另外一种特性的线或者较多或者较少，在形成代码的图案中，由此将绝对数据以离散代码形式嵌入增量式标尺磁道中。
2.如权利要求1所述的测量标尺，其特征在于，具有第一特性的线反射光或者发射光，具有第二特性的线不反射光或不发射光。
3.如权利要求1或2所述的测量标尺，其特征在于，具有第一特性或者第二特性的线横穿过标尺宽度而伸延。
4.如权利要求1或2所述的测量标尺，其特征在于，标尺上的绝对数据是回文的。
5.如权利要求1或2所述的测量标尺，其特征在于，每个代码的起始部分都标记着相同的起始符号。
6.如权利要求1或2所述的测量标尺，其特征在于，在一定长度标尺上所述的代码形成N个独特位置，重复所述长度，第N+1个位置与第一个位置相同。
7.如权利要求1或2所述的测量标尺，其特征在于，所述绝对数据由二进制代码组成。
8.如权利要求7所述的测量标尺，其特征在于，每个代码所包括的“1”的数目和“0”的数目相同。
9.如权利要求7所述的测量标尺，其特征在于，每个代码只包括数目为6个或少于6个的一行“1”或“0”组成的字符串。
10.如权利要求7所述的测量标尺，其特征在于，所述代码这样布置，在预定长度的标尺的任何一段长度内，具有数目相同的“1”。
11.一种用于测量绝对位置的系统，包括测量标尺、标尺阅读器，标尺阅读器与测量标尺可相对移动；其中，
所述测量标尺包括增量式标尺磁道，所述增量式标尺磁道包括一系列具有第一特性的线和具有第二特性的线，具有第一特性的线与具有第二特性的线通常相互交替排列；其中，与具有所述某一特性的线相比，具有另外一种特性的线或者较多或者较少，在形成代码的图案中，由此将绝对数据以离散代码的形式嵌入增量式标尺磁道中；和
所述标尺阅读器包括照射标尺的光源、读取增量式位置的增量式读数头以及用来确定绝对位置的成像系统和检测器系统。
12.如权利要求11所述的测量绝对位置的系统，其特征在于，具有第一特性的线反射光或者发射光，具有第二特性的线不反射光或不发射光。
13.如权利要求11或12所述的测量绝对位置的系统，其特征在于，用于确定增量式位置的读数头是过滤式读数头。
14.如权利要求11或12所述的测量绝对位置的系统，其特征在于，所述检测器系统包括像素的线性阵列。
15.如权利要求11或12所述的测量绝对位置的系统，其特征在于，利用显微透镜阵列来将标尺成像在检测器系统上。
16.如权利要求11或12所述的测量绝对位置的系统，其特征在于，
数据的每一个绝对位数值是1或0；
其中，在两个绝对数据位之间，有数值为“0”的时钟位；
其中，通过测量标尺的某位任一侧的第m+1位的数值来判断该标尺位是绝对数据位还是时钟位，m为任意偶数；和
将所述数据位的数值相加，如果相加和小于预定值，则该位为绝对数据位。
17.如权利要求11或12所述的测量绝对位置的系统，其特征在于，每个代码的起始部分都标有起始标志。
18.如权利要求11或12所述的测量绝对位置的系统，其特征在于，采用查询表，通过比较从标尺中提取的绝对位置数据和查询表中的绝对代码，来确定相对于标尺上最接近的代码的绝对位置。
19.如权利要求18所述的测量绝对位置的系统，其特征在于，从标尺中提取的数据与从查询表中得到的代码的匹配度由下述方法确定：
将提取数据的n-位数据块序列与查询表中的n-位代码进行比较；
将提取数据的每个位反相，其中所述的每个位在查询表中代码内的相应位为1；
将n-位数据块中提取数据的n个位的数值相加；
从而，如果上述相加值低，则匹配度良好。
20.如权利要求18所述的测量绝对位置的系统，其特征在于，通过将相对于标尺中最接近代码的绝对数据的位置和从检测器系统所提取的初识代码的起始位以及从检测器系统所提取的第一个完整数据位合并，将绝对位置确定在增量式标尺的间距内。
21.如权利要求20所述的测量绝对位置的系统，其特征在于，通过将绝对位置与增量位置合并，在一部分标尺间距内确定绝对位置。
CNB028011791A 2001-04-11 2002-04-11 用于绝对位置测量的标尺和系统 Expired - Lifetime CN1260551C (zh)

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