CN1506660A - 旋转编码器 - Google Patents

Abstract

提供了一种旋转编码器，所述旋转编码器可从所测量角内消除由离心引起的角误差，而不必一定调整硬件，且还可以消除刻度误差。预先执行旋转部分的旋转角的检测以及所检测角θ内包括的误差E(θn)的测量，基于这些值计算由所检测角θ的周期函数代表的误差函数E(θ)，设置了一种用于存储所计算误差E(θ)的周期函数的存储装置，且通过从所检测角θa中减去借助在所述误差函数E(θ)中以所检测角θa代替变量得到的值而得到的角显示在显示单元上。

Description

旋转编码器

技术领域

本发明涉及旋转编码器，用于检测旋转部分相对于固定部分的旋转角。

相关技术

作为这种类型的旋转编码器，已知一种旋转编码器，其包括刻度盘(旋转部分)、用于将光照射在所述刻度盘上的发光部分、用于接收从所述发光部分发射并被通过所述刻度盘传送的光的光接收部分(固定部分)。所述旋转编码器基于依据所述光接收部分所接收光的信号输出来检测所述刻度盘的旋转角。一般而言，在所述旋转编码器中，当所述刻度盘的中心偏离实际旋转中心时，或在所述刻度盘并不垂直于所述旋转轴时，就会产生角误差。角误差的产生也可归因于刻度间隔的大小以及刻度误差，例如所述刻度盘圆周的系统变形。对于这些误差，在专利文件1中公开了一种技术，其在所述圆周上以大致相同的间隔设置了多个码型和光接收单元的组合，以消除所述误差。

[专利文件1]

日本专利申请公开号H6-313719。

在常规旋转编码器中，为了减少由所述刻度盘的偏心率、斜度等引起的角误差等，必须调整所述刻度盘的中心位置和斜度，时间成本非常高。这种刻度误差的不利影响可通过调整硬件轻易降低。当所述旋转编码器应用于测量仪器等时，必须选择以下方法。即，多次测量角度，在各次所述角度测量中读取的刻度的位置相互变动，平均所述测量值(观察对)，从而降低刻度误差的不利影响。其中在圆周上以大致相同的间隔设置多个码型和光接收单元的组合以消除这些误差的技术非常昂贵。设置在所述圆周上的组合的数量有限，且这些组合的调整需要较长时间。

发明内容

本发明考虑到上述问题，其目的是提供一种旋转编码器(包括增量式编码器和绝对编码器)，所述旋转编码器可以从所测量的角内消除由偏心引起的角误差，并不一定需要调整硬件，且还可以消除由刻度引起的分度误差。

为了解决上述问题，根据本发明提供了一种旋转编码器，包括：

固定部分；

可相对于所述固定部分旋转的旋转部分；

用于检测所述旋转部分相对于其预定参考位置的旋转角的角检测装置；以及

用于输出所检测角的输出装置；

其中当所述角检测装置检测到为预定角θs(θs≥输出分辨率)的整数倍以使所述旋转部分旋转的角θn＝n×θs(n＝1，2，...，N(其中N×θs＝360°))时，测量包含在所述检测角θn内的角误差E(θn)，通过以下等式对所有的n定义所检测角θn和所述误差E(θn)之间的函数：

$E\left(\mathrm{\θn}\right)=\underset{i=1}{\overset{N/2}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\·\sin (\mathrm{i\θn}+{\mathrm{\φ}}_i)$

计算振幅A_i以及初始相位_i(i＝1，2，…，N/2或(N-1)/2)，以使所有所定义的等式得到满足，设置一个存储装置，其用于存储由以下等式给出的误差函数：

$E\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{i=1}{\overset{N/2}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\·\sin (\mathrm{i\θ}+{\mathrm{\φ}}_i)$

所述误差函数是所检测角θa的周期函数，所述检测角θa具有作为系数的所计算振幅A_i以及所计算初始相位_i，在由所述存储装置存储的误差函数E(θ)的等式中，利用所述角检测装置检测到的检测角θa替代变量θ，并且由所述输出装置输出这样的值，即该值通过从所述检测角θa中减去借助所述替代得到的值E(θa)而得到。

所述操作的执行考虑到由所述旋转编码器检测的角内所包括误差的周期性。据此，基于预先测量的旋转编码器的所检测角内包括的误差来计算误差函数，并且基于所计算的误差函数校正所检测角。因此，尽管不必一定执行硬件调整来减低所述刻度盘的偏心率和倾角，但借助使用所述误差函数的校正可以消除由偏心等和刻度误差引起的角误差，且可以得到精确的角。

即使误差的原因未知，在误差周期的趋势可知时，仍可有效消除误差的不利影响并执行精确的角测量。此外，使用相对于所有的顺序i(＝1，2，...，N/2或(N-1)/2)的振幅A_i以及初始相位_i的所述误差函数E(θn)并不被存储在所述存储装置内，而使用至少一个振幅A_k1，A_k2，...，A_km以及至少一个初始相位_k1，_k2，...，_km(k1，k2，...，km是至少一个从1到N/2或(N-1)/2的自然数)的误差函数E(θn)可能被存储在所述存储装置内。这样，当所述误差函数的顺序被正确选择时，可仅选择具有较大误差振幅的循环部分，且可以根据对应目标的精确性有效执行角误差的测量和校正。

附图说明

图1是示出了常规增量式编码器的透视图；

图2是示出了借助多角镜以及自准直望远镜的检查系统的平面图；以及

图3是示出了角误差检查系统的平面图。

附图标记的说明

2：主刻度

3：发光部分

4：子刻度

5：光接收部分

具体实施方式

参照图1，附图标记1代表增量式旋转编码器。所述旋转编码器1包括固定到旋转轴A上的主刻度(旋转部分)2、固定在所述旋转轴的轴承(并未显示)上用于将光照射在所述主刻度2上的发光部分3、固定在通过主刻度2传送从发光部分3发射的光的位置处的子刻度4、用于接收从发光部分3发射并被通过主刻度2和子刻度4传送的光的光接收部分(固定部分)5。

所述旋转编码器1包括CPU 6。所述CPU 6通过计数器11、波形整形器12和A/D转换器7连接到所述光接收部分5。用于显示CPU 6的计算结果、所述旋转编码器1的角度等的显示单元(显示装置)8，以及用于存储CPU 6的控制程序、各种数据等的ROM(存储装置)9连接至所述CPU 6。

在主刻度2中，具有相等宽度和间隔的刻度隙缝形成在整个圆周上。在子刻度4中，至少形成了一部分与主刻度2的刻度隙缝具有相同宽度和间隔的刻度隙缝。所述发光部分3包括发光二极管31和准直透镜32。来自所述发光二极管31的光由准直透镜32转换为平行光束，且所述平行光束被照射在所述主刻度2上。所述光接收部分5包括光电转换单元(并未显示)。光接收部分5依据在来自发光部分3的光被通过主刻度2和子刻度4的刻度隙缝传送时形成的光影模式输出电信号。在该实施例中，当所述光接收部分5、子刻度4和发光部分3固定在机身上时，所述主刻度2旋转。但与此相反，所述主刻度2可以是固定的，而所述光接收部分5、子刻度4和发光部分3旋转。

在所述主刻度2和子刻度4中，一个或多个初始位置刻度0在每个相互对应且临近所述隙缝的位置处形成。主刻度2和子刻度4的两个初始位置刻度0相对的位置被定义成所述主刻度2的初始位置。当来自所述发光部分3的光被通过主刻度2和子刻度4的两个初始位置刻度0传送，然后由所述光接收部分5接收时，所述光接收部分5将初始位置信号输出给所述CPU 6。基于所述初始位置检测所述主刻度2的旋转角。

根据本实施例的旋转编码器的所检测角包括误差。因此，在执行误差校正时，可以得到精确的编码器。可以确定误差原因是刻度盘的偏心、倾斜等。这些误差可通过机械调整来降低。但刻度误差无法通过机械调整来减低，必须形成精确的刻度盘。

在ROM 9中，不仅存储CPU 6的控制程序，还包括通式：

$E\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{i=1}{\overset{N/2}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\·\sin (\mathrm{i\θ}+{\mathrm{\φ}}_i)$

(A_i是振幅，而_i是初始相位)

所述通式表示由CPU 6基于来自光接收部分5的电信号和初始位置信号检测的所检测角θa与所检测角θa内包括的误差E(θa)之间的相关性。所述误差函数E(θ)是所检测角θ的周期函数，且所述振幅A_i和初始相位_i是通过以下进程计算的。所述误差函数E(θ)可能包括傅立叶级数的常数项A₀。以下将描述在旋转编码器1加入总站T的水平角的测量时引起的角误差校正。

如图2所示，总站T的垂直轴T_a和多角镜P的旋转中心轴P_a连接，从而使得所述垂直轴T_a基本上与旋转中心轴P_a一致，且自准直望远镜AC被设置为测量所述多角镜P的反射面P_n(n＝1，2，...，8)。为了描述方便，当所述总站T输出并入所述垂直轴的旋转编码器E的初始θ₀时，假定所述总站T和多角镜P的旋转角相互匹配，从而使得所述多角镜的反射面P的第一面P₁正对所述自准直望远镜AC。

所述总站T的垂直轴旋转，从而使得多角镜P的反射面P₁至P₈正对所述自准直望远镜AC。分别测量总站T(旋转编码器1)的所测量角θ_n以及自准直望远镜的输出值δ_n。

此时，旋转编码器E内包括的角误差E(θ_n)可以表示为：

通过使用如下得到的角误差E(θ_n)来执行傅立叶级数扩展以得到以下误差函数：

$E\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{i=1}{\overset{N/2}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\·\sin (\mathrm{i\θ}+{\mathrm{\φ}}_i)$

在此情况下，当多角镜P的第一面P₁和反射面P_n之间的角360°×(n-1)/N具有误差σ_n时，所述多角镜P被预先校正，且所述多角镜P的反射面P_n和第一面P₁之间的角被给定为360°×(n-1)/N+σ_n。这样，可以较高精确度得到旋转编码器E的角误差E(θ_n)。

即使多角镜P无法得到预先校正，当旋转编码器E输出初始θ₀时，正对自准直望远镜AC的多角镜P的反射面P_n顺序切换到测量N个函数E(θ_n)。计算所述N个所测量函数E(θ_n)的平均值，从而可以抑制多角镜P的反射面P_n所保持的误差6_n的不利影响。

以下将描述旋转编码器1内的角测量过程。

当所述总站执行角测量时，在望远镜旋转360°后在实际现场测量中计算写在ROM 9内的误差函数，以检查增量编码器内的原点。当旋转编码器1的主刻度2旋转时，来自于所述发光部分3的光被通过主刻度2的隙缝传送，并由所述光接收部分5接收。所述光接收部分5依据在通过主刻度2和子刻度4传送光时形成的光影模式将电信号输出到计数器或A/D转换器7。所述A/D转换器7将所述电信号从模拟信号转换为数字信号，并将所述数字信号输出到CPU 6。所述CPU 6基于所述数字信号检测主刻度2的所检测角θa，并在ROM 9内存储的误差函数E(θ)中以所检测角θa代替变量以计算包括在所检测角θa内的误差E(θa)(E(θa)是正或负值)。通过从所检测角θa中减去误差E(θa)得到的角θa-E(θa)显示在显示单元8上，作为精确的角。

在本实施例中，已描述了增量式旋转编码器。但本发明不仅可被应用于增量式旋转编码器，还可用于绝对旋转编码器。更具体地说，由于绝对编码器始终检测离预定参考位置的绝对角，这种检测等同于增量式编码器内的初始位置0的检测。

在通过使用图3内的准直仪等(在此情况下，准直仪C1至C4设置在四个方向上)执行一对测量(例如相对于这些准直仪，三对测量)时，可通过调整将被安装的准直仪的数量来选择将被测量的误差函数的顺序i。可制造适应于对应目标的精确度的编码器。当引起误差的顺序项相互组合时，可以制造适应于对应目标的精确度的编码器。

为了通过编码器自身确定角误差的常数，使用作为另一种检查方法的下述方法。即，将具有已知角误差的参考编码器与上述编码器相比较，以测量误差，并确定借助所述误差得到的误差函数的常数。

在本发明的实施例中，所述编码器被描述成一种安装在测量仪器上的编码器。但当测量仪器的望远镜部分可拆卸地设置在所述编码器上时，可得到作为单个单元的具有理想精确度的编码器。

如上所述，根据本发明，基于预先测量的旋转编码器的所检测角内包括的误差，计算误差函数E(θ)，并基于所计算的误差函数校正所检测的角。为此，可借助基于所述误差函数的校正来消除由离心等引起的角误差以及刻度误差，而不必一定通过调整硬件来降低刻度盘的离心和倾斜，且可以得到精确的角。

尽管误差的原因未知，但在误差周期的趋势可知时，可有效去除所述误差的不利影响，并执行精确的角测量。

在选择了误差函数的顺序时，可有效执行角误差的测量和校正，所述测量和校正用于满足对应目标的精确度。优选的是，固件无需具有包括较大角误差的工作台。

Claims (2)

1.一种旋转编码器，包括：

固定部分；

可相对于所述固定部分旋转的旋转部分；

用于检测所述旋转部分相对于其预定参考位置的旋转角的角检测装置；以及

用于输出所述检测角的输出装置；

其中当所述角检测装置检测到为预定角θs(θs≥输出分辨率)的整数倍以使所述旋转部分旋转的角θn＝n×θs(n＝1，2，...，N(其中N×θs＝360°))时，测量包含在所述检测角θn内的角误差E(θn)，通过以下等式对所有的n定义所检测角θn和所述误差E(θn)之间的函数：

$E\left(\mathrm{\θn}\right)=\underset{i=1}{\overset{N/2}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\·\sin (\mathrm{i\θn}+{\mathrm{\φ}}_i)$

计算振幅A_i以及初始相位_i(i＝1，2，...，N/2或(N-1)/2)，以使所有所定义的等式得到满足，设置一个存储装置，其用于存储由以下等式给出的误差函数：

$E\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{i=1}{\overset{N/2}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\·\sin (\mathrm{i\θ}+{\mathrm{\φ}}_i)$

所述误差函数是所检测角θa的周期函数，所述检测角θa具有作为系数的所计算振幅A_i以及所计算初始相位_i，在由所述存储装置存储的误差函数E(θ)的等式中，利用所述角检测装置检测到的检测角θa替代变量θ，并且由所述输出装置输出这样的值，即该值通过从所述检测角θa中减去借助所述替代得到的值E(θa)而得到。

2.一种旋转编码器，包括：

固定部分；

可相对于所述固定部分旋转的旋转部分；

用于检测所述旋转部分相对于其预定参考位置的旋转角的角检测装置；以及

用于输出所述检测角的输出装置；

其中当所述角检测装置检测到为预定角θs(θs≥输出分辨率)的整数倍以使所述旋转部分旋转的角θn＝n×θs(n＝1，2，...，N(其中N×θs＝360°))时，测量包含在所述检测角θn内的角误差E(θn)，通过以下等式对所有的n定义所检测角θn和所述误差E(θn)之间的组合：

$E\left(\mathrm{\θn}\right)=\underset{i=1}{\overset{N/2}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\·\sin (\mathrm{i\θn}+{\mathrm{\φ}}_i)$

计算振幅A_i以及初始相位_i(i＝1，2，...，N/2或(N-1)/2)，以使所有定义的等式得到满足，设置一种存储装置，其用于存储由以下等式给出的误差函数：

$E\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{\mathrm{ki}}\·\sin (\mathrm{ki\θ}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ki}})$

所述误差函数是所述检测角θa的周期函数，所述检测角具有作为系数的至少一个振幅A_k1，A_k2，...，A_km、所计算振幅A_i的至少一个初始相位_k1，_k2，...，_km(k1，k2，...，km是至少一个从1到N/2或(N-1)/2的自然数)以及所计算的初始相位_i，在由所述存储装置存储的误差函数E(θ)的等式中，利用所述角检测装置检测到的检测角θa替代变量θ，并且由所述输出装置输出这样的值，该值通过从所述检测角θa中减去借助所述替代得到的值E(θa)而得到。

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