CN1981178A - 刻度尺读取设备 - Google Patents

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西蒙·艾略特·麦克亚当
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Renishaw PLC
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Abstract

一种具有可相对相互移动的刻度尺和读取头的刻度尺读取设备。刻度尺具有带有细间距的第一增量刻度尺图案和带有粗间距的第二增量刻度尺图案。读取头具有用于检测每个增量刻度尺图案的检测器。该刻度尺读取设备可用于慢速和快速测量此两者。第二增量刻度尺图案可提供在刻度尺轨道中，该刻度尺轨道具有双重功能(例如，限制轨道或者参考标记)，并且读取头可被设置为对信号解码，以产生适用于所需功能的输出。

Description

刻度尺读取设备
本发明涉及刻度尺读取设备，包括刻度尺和安装在第一和第二部件之间的读取头，由此测量第一和第二部件的相对移动。特别地，本发明涉及增量刻度尺读取设备。
用于测量两个部件的相对位移的刻度尺读取设备的已知形式包括：具有限定图案的刻度尺标记的一个部件上的刻度尺，和在另一个部件上提供的读取头。
增量刻度尺读取设备是一种用于测量两个物体相对位置的设备。典型地，将刻度尺附装到物体中的一个，并且将读取头附装到另一物体，刻度尺上面具有规则间隔的相同标记。读取头将光投射到刻度尺上，取决于刻度尺的设置，光随后被反射或透射。通过反射或透射光，读取头生成一系列信号，这些信号可用于生成指出两个物体相对位移的增量计数。我们早期的欧洲专利No.207121描述了一种增量刻度尺读取系统。
刻度尺读取设备适于同线性、旋转式刻度尺和二维刻度尺一起使用。
刻度尺读取设备的不同应用需要不同的刻度尺间距。如果需要准确定位，则细间距增量刻度尺是适用的。例如，需要位置反馈的准确的低速(例如，0～500rpm)旋转式工作台。
然而，对于高速度的测量，低准确性的定位是足够的，并且粗间距增量刻度尺是适用的。例如，具有高速(例如，10,000～30,000rpm)旋转心轴(spindle)的机床，其将需要粗间距增量旋转式刻度尺，用于提供速度反馈。
更加多用的设备可以具有组和功能。例如，机床可以用作高速旋转心轴，该心轴可用于使工件旋转，并且随后可使该心轴减速，并且用作准确的低速旋转式工作台。
例如，需要30000rpm最大转动速度用于高速功能和0.5arcsec的角度分辨率用于低速定位功能的设备将需要1.296GHz的带宽。由于增量输出刻度尺读取系统典型地具有限于约30MHz的带宽，因此可以看到，提供对该问题的解决方案的单一检测器系统将需要过高的系统带宽。
传统的刻度尺读取设备要么是具有差定位准确性的高速粗间距系统，要么是低速的细间距系统。
本发明的第一方面提供了一种刻度尺读取设备，包括：
可相对相互移动的刻度尺和读取头，所述刻度尺具有，被配置为形成具有第一刻度尺间距的第一增量图案的刻度尺标记，和被配置为形成具有不同于所述第一刻度尺间距的第二刻度尺间距的第二增量图案的至少一个刻度尺标记；
第一检测装置，用于检测所述第一增量刻度尺图案；
第二检测装置，用于检测所述第二增量图案；
其中第一和第二检测器装置均是提供在相同的读取头中。
具有所述第一增量图案的刻度尺标记可以位于第一刻度尺轨道中，并且具有所述第二增量图案的所述至少一个刻度尺标记可以位于所述第二刻度尺轨道中。具有所述第二增量图案的该至少一个刻度尺标记还可以提供在第三刻度尺轨道中。所述第二和第三刻度尺轨道中的刻度尺标记及其相关联的检测装置的配置可以是这样的，即来自所述检测装置的输出信号是正交的。可替换地，具有所述第一增量图案的刻度尺标记和具有所述第二增量图案的刻度尺标记可以位于相同的刻度尺轨道中。
刻度尺可以包括线性的、二维的或者旋转式刻度尺。在旋转式刻度尺中，具有第二增量图案的至少一个刻度标记可以包括导致每转一个标记的一个刻度尺标记。
第一间距可以小于第二间距。
刻度尺读取设备可以包括比较器，用于将刻度尺和读取头之间的相对运动速度或者涉及所述速度的系统属性同阈值比较，并且由此选择适合于所述速度的来自第一和第二检测装置中的一个的输出，以确定刻度尺和读取头的相对位置。该比较器可以将刻度尺和读取头之间相对运动的速度同阈值比较，并且其中如果速度高于阈值，则使用来自第二检测装置的输出确定刻度尺和读取头的相对位置。该比较器可以将刻度尺和读取头之间相对运动的速度同阈值比较，并且其中如果速度低于阈值，则使用来自第一检测装置的输出确定刻度尺和读取头的相对位置。
刻度尺可以包括至少一个参考标记。该至少一个参考标记可以包括所述第二图案中的刻度尺标记。
本发明的第二方面提供了一种用于检测刻度尺读取设备的刻度尺和读取头的相对位置或速度的方法，所述刻度尺读取设备包括刻度尺，所述刻度尺具有：被配置为具有第一刻度尺间距的第一增量图案的刻度尺标记，和被配置为具有第二刻度尺间距的第二增量图案的至少一个刻度尺标记，所述第一刻度尺间距不同于所述第一刻度尺间距，并且读取头包括：第一检测装置，用于检测所述第一增量刻度尺图案，和第二检测装置，用于检测所述第二增量图案，所述方法包括以下步骤：
自第一和第二检测器装置输出信号。
该方法可以包括以下步骤：输出指出第一和第二信号有效性的信号。该方法可以包括以下步骤：将刻度尺和读取头之间相对运动的速度或者涉及所述速度的系统属性同阈值比较，并且由此选择适合于所述速度的来自第一和第二检测装置中的一个的输出，以确定刻度尺和读取头的相对位置。如果刻度尺和读取头的相对速度高于所述阈值，则可以使用来自第二检测装置的输出。如果刻度尺和读取头的相对速度低于所述阈值，则可以使用来自第一检测装置的输出。
第一间距可以小于第二间距。
可以提供参考标记，并且该方法可以包括以下步骤：在从第二检测器的输出返回到第一检测器的输出之前，使用参考标记来确认读取头相对于刻度尺的位置。
本发明的第三方面提供了一种刻度尺读取系统，包括：可相对相互移动的刻度尺和读取头；和
通信链路，其自读取头输出数据；
其中两个不同分辨率级别的数据在相同的通信链路上向下发送。
数据可以作为包括数据比特序列的字，在通信链路上向下发送。一个或多个比特可以指出字的分辨率级别。
在高分辨率时，字中数据比特的第一部分可以是有效的。该第一部分可以包括所有的数据比特。在低分辨率时，字中数据比特的第二部分可以是有效的。该第一和第二部分可以位于字中的任何位置，并且可以重叠。
数据可以涉及刻度尺和读取头的相对位置。
本发明的第四方面提供了一种刻度尺读取设备，包括：
刻度尺，其具有至少一个轨道，其中轨道包括至少一个刻度尺标记；
读取头，其具有变换器系统，用于检测至少一个刻度尺标记，并且用于产生涉及该至少一个刻度尺标记的信号；和
设置装置，其选择信号解码方法，用于产生来自涉及刻度尺选定功能的信号的输出。
设置装置可以作用于信号，以产生涉及增量功能或者至少一个可替换功能中的一个的输出。该至少一个可替换功能包括限制标记功能。该至少一个可替换功能可以包括参考标记功能。该至少一个可替换功能可以包括绝对刻度尺功能。
设置装置可以位于读取头上。例如，设置装置可以包括位于读取头上的开关或引脚。设置装置可以位于读取头外部。例如，设置装置可由软件提供。
优选地，变换器系统检测至少一个轨道中的至少一个刻度尺标记的单独的刻度尺标记。
在一个实施例中，刻度尺配备有细增量刻度尺轨道，并且读取头配备有细增量变换器系统，用于检测细增量刻度尺轨道和读取头之间的相对运动。至少一个轨道中的至少一个刻度尺标记可被配置为形成增量刻度尺，并且设置装置被设置为产生增量输出，其中至少一个轨道中的刻度尺标记的间距大于细增量刻度尺轨道中的刻度尺标记的间距。
该设备可以包括比较器，用于将刻度尺和读取头之间相对运动的速度或者涉及所述速度的系统属性同阈值比较，并且由此选择适合于所述速度的来自至少一个轨道变换器系统和细间距增量变换器中的一个的输出。可以提供至少一个参考标记，并且其中在返回到来自细增量变换器的输出时，使用参考标记来验证刻度尺相对读取头的位置。
将通过参考附图，借助于示例，说明本发明的优选实施例，在附图中：
图1是现有技术的刻度尺的平面视图；
图2是现有技术的刻度尺和读取头的平面视图；
图3是根据本发明的第一实施例的刻度尺的平面视图；
图4是根据本发明的第一实施例的刻度尺和读取头的平面视图；
图5说明了本发明的第一实施例的限制轨道检测器的输出；
图6是根据本发明的第二实施例的刻度尺和读取头的平面视图；
图7是沿限制轨道的图6的读取头的截面；
图8是根据本发明的第三实施例的刻度尺和读取头的平面视图；
图9是沿限制轨道的图7的读取头的截面；
图10是开关设置装置的示意性说明；
图11是引脚设置装置的示意性说明；
图12是说明将来自变换器的信号转换为输出的流程图；
图13说明了具有单一参考标记的旋转式刻度尺；
图14说明了具有多个均匀间隔的参考标记的旋转式刻度尺；
图15说明了具有根据距离编码算法间隔的多个参考标记的旋转式刻度尺；
图16是来自细增量刻度尺轨道的信号；
图17说明了来自参考标记检测器的输出；
图18说明了来自参考标记检测器的输出的未经处理的参考标记；
图19说明了来自图17的参考标记信号的简单处理；
图20是42比特位置字的示意性说明；
图21说明了开机时的图20的42比特位置字；
图22说明了低速时的图20的42比特位置字；
图23说明了高速时的图20的42比特位置字；
图24说明了返回到低速时的图20的42比特位置字；并且
图25是说明刻度尺的不同功能的表。
图1和2中示出了已知的刻度尺读取系统。图1示出了刻度尺10，其包括细增量轨道12和限制轨道对14、16。细增量轨道12包括交替的反射和非反射线，其具有例如20μm的间距。(可以使用其他类型的增量刻度尺，例如相位刻度尺。)限制轨道14、16位于增量轨道12的两侧中的一侧，并且非反射背景上具有反射限制标记18、19、20，其指出刻度尺的两个末端限制。左侧限制由每个轨道14、16中的限制标记18、19指出，而右侧限制由一个限制轨道16中的限制标记20指出。
图2示出了安装到刻度尺10上的读取头22。提供了增量光学装置24，用于检测细增量刻度尺轨道中的增量刻度尺。这些可以包括：例如，光源、光栅和检测器，如EP 207121中公开的。检测器的输出用于随着读取头22相对刻度尺10的移动，产生增量计数。读取头22可以提供某种电子内插，由此分辨率高于通过对刻度尺上的标记直接计数所实现的分辨率。在某些情况中，输出是模拟的(通常正交的两个正弦曲线)，以允许读取头外部的电子装置执行内插。
在细增量轨道中可以使用在检测器平面处产生正弦输出的任何类型的刻度尺，例如，包括具有不同深度刻度尺交替部分的相位刻度尺。
检测器D1和D2检测限制轨道14、16中的反射限制标记18、20，并且因此检测读取头20何时处于刻度尺10的任一末端。
图3说明了根据本发明的第一实施例的刻度尺。该刻度尺30还包括：细增量轨道12和两个限制轨道14、16。然而，限制轨道中的限制标记已替换为粗增量刻度尺32，该粗增量刻度尺32由交替的反射标记34和非反射标记36组成。限制轨道14、16中的粗增量刻度尺的间距Pl远大于细增量轨道12中的间距Pi。例如，细增量轨道中的细增量刻度尺间距可以是20μm，而限制轨道中粗增量刻度尺的间距可以是200μm。
图4说明了如通过位于刻度尺30上方的读取头22看到的平面视图。增量光学装置24用于读取细增量刻度尺轨道12。限制轨道14、16中的粗增量刻度尺32由限制轨道检测器D1和D2读取。图5说明了当检测器D1和D2通过限制轨道14、16中的粗刻度尺上方时，来自检测器D1和D2的输出。在该示例中，来自D1和D2的信号在位于刻度尺的非反射部分上方时输出低，并且在位于刻度尺的反射部分上方时输出高。
如图3和4所说明的，限制轨道16中的粗增量刻度尺图案相对于限制轨道14中的粗增量刻度尺图案偏移了四分之一间距，由此来自检测器D1和D2的输出是正交的，如图5所示。(尽管可以使它们可以偏移大于90度)。这允许确定读取头相对于刻度尺的方向。然而，如果不需要方向，则仅需要一个粗增量刻度尺。而且，为了改变方向系统必须低速行进，在此过程中可以读取细增量刻度尺，因此自细增量刻度尺的输出，已知该方向。可替换地，可以在单一的刻度尺轨道中提供两个检测器，可以使两个检测器偏移至少四分之一间距。这将允许使用单一的轨道产生正交信号对。检测器在单一轨道上的该并排配置适用于所有下面的实施例。
尽管附图说明了用于增量轨道和限制轨道此两者的反射刻度尺，但是透射刻度尺也可用于任何实施例。
不同类型的标记可用于限制轨道中的标记，只要检测器检测到不同标记的两个不同的状态。例如，该标记可以在反射背景上是非反射的。可替换地，非反射部分可替换为将光导向远离检测器方向的标记，诸如棱镜或者开槽(chamfered)和抛光表面。
限制轨道中的标记和相关联的检测器不需要是光学的。其他的方法可用于生成来自限制轨道的信号，例如，可以以相似的方式使用磁、电容性和感应传感器生成正交信号。
现将通过参考附图6～7描述本发明的第二实施例。图6说明了刻度尺40，其如同前文，包括细增量轨道12和两个限制轨道14、16。如同前文，增量光学装置24用于读取细增量刻度尺轨道。然而，在该系统中，限制轨道14、16中的粗增量刻度尺42由磁检测器45、47读取。在该实施例中，刻度尺是铁磁的，并且粗增量刻度尺42具有不同深度的交替部分44、46。图7示出了限制轨道14的截面。不同深度的交替部分44、46组成了粗增量刻度尺42。限制轨道检测器45包括偏置磁体48和霍尔(Hall)传感器49，并且检测由限制轨道中的深度变化引起的磁场的变化。
如同前文，来自检测器45和47的输出是两个正交信号。在该示例中，来自检测器45和47的输出信号，在位于限制轨道的“深”部分上方时输出低，并且在位于限制轨道的“浅”部分上方时输出高。
现将通过参考附图8和9描述本发明的第三实施例。在该实施例中，通过使“北”N部分和“南”S部分交替，在限制轨道14、16中创建了粗增量刻度尺52。限制轨道14、16由读取头22中的磁检测器55、57读取。
图9说明了限制轨道14和读取头的截面。限制轨道14上的交替的“北”N部分和“南”S部分由读取头22中的霍尔传感器59检测。
如同前文，检测器55和57产生两个正交信号。在该示例中，来自检测器55和57的输出信号，在位于限制轨道的“北”部分上方时输出低，并且在位于限制轨道的“南”部分上方时输出高。
来自细增量轨道光学装置和限制轨道光学装置的输出被发送到控制器。将刻度尺和读取头的相对速度同比较器中的阈值比较。来自细增量刻度尺轨道的输出仅可用于最高达到刻度尺和读取头之间相对速度阈值的情况。当刻度尺和读取头之间的相对速度低于阈值时，用户可以使用来自细增量刻度尺或者限制轨道中的粗增量刻度尺的输出。为了准确定位，例如，用户可以选择使用来自细间距增量刻度尺的输出，这是因为其将给出最准确的读取。如果刻度尺和读取头之间的相对速度高于可使用来自细增量轨道的输出的阈值，则将使用来自限制轨道中的粗增量刻度尺的输出。
不同于将刻度尺和读取头之间的相对速度同阈值比较，可以将涉及速度的系统属性同阈值比较。例如，可以将自检测器输出的信号的幅度同阈值比较。当速度达到特定的限制时，细增量轨道变换器的幅度将下降到低于阈值。可以使用自动增益控制(AGC)，以使信号幅度保持恒定。在该情况中，对于细增量检测信号的AGC需求将随着速度增加超过特定的级别而增加。因此，可以将该AGC需求值同阈值比较。
可以提供参考标记，以提供增量计数器所设定的参考位置。当系统速度下降到低于阈值，由此细定位是可行的时候，有利的是，使读取头通过参考标记上方，以确定绝对位置。可替换地，通过限制轨道中的粗刻度尺的内插，可以确定更加准确的位置。
该系统具有这样的优点，即单一的读取头和刻度尺系统既用作高速系统，也用作细间距准确系统。
而且，本发明具有这样的优点，即由于粗增量刻度尺位于限制轨道中，因此可使用相同的读取头检测具有限制轨道中限制标记的刻度尺或者具有限制轨道中粗增量刻度尺的刻度尺。
读取头中的相同的检测器用于检测限制轨道中的特征，而无论其功能如何，即，限制标记或增量刻度尺。来自这些检测器的输出被设置为，该信号与限制轨道的正确功能相关，例如，限制标记或粗增量刻度尺。
图25是说明了如何设置系统用于两个不同的功能，即限制轨道功能和增量功能的表。对于图1中说明的限制轨道配置，输出1(左侧限制)需要来自检测器D1和D2的信号，而输出2(右侧限制)仅需要来自检测器D2的信号。对于图3和4中说明的增量配置，输出1需要来自检测器D1的信号，而输出2需要来自检测器D2的信号。将这些输出组合，以产生如图5中所说明的正交信号。
通过在读取头中提供开关，可以设置限制轨道检测器的输出。图10说明了用于处理输出信号的逻辑电路。来自限制轨道检测器的输出信号S1和S2被输入到逻辑电路60。开关SW向逻辑电路60提供高或低的输入。当开关SW提供高输出时，输出P和Q是限制开关输出，而当开关SW提供低输出时，输出P和Q是正交增量输出。
通过提供引脚用于不同的功能，如图11中说明的，可以设置限制轨道检测器的输出。在图11中，如图10中的，提供了逻辑电路60，对于相同的部件，提供了相同的参考数字。读取头连接61配备有一组引脚62，并且通过将关联引脚64拉到高或低的位置，限制轨道检测器的输出可被设置为将限制轨道解码为增量刻度尺或者限制标记。
在图10和11中说明的系统中，自相同的读取头引脚发送输出，不论其涉及增量信号还是限制开关信号，但是改变引脚的功能。在该情况中，用户选择所需功能的刻度尺，并且据此设定读取头开关或引脚。
检测器输出的设置也可以在软件存储器中完成。
不同于在读取头处设置检测器输出，读取头可以同时输出涉及增量功能和限制功能的信号，并且用户可以在控制器处选择正确的功能。
图12说明了被转换为适用于刻度尺功能的输出的变换器信号。取决于模式选择器的状态，对来自限制轨道检测器的检测器信号70进行不同的解码72，该模式选择器72可以包括例如，上文描述的开关、引脚或者软件。如果选择了增量模式74，则将信号传递通过解码电子装置78，以产生增量输出。如果选择了限制标记模式76，则将信号传递通过调节电子装置80，以产生限制标记输出。该输出可以是，例如，数字正交输出或者开集输出。
为了使得限制轨道能够具有多个功能，即提供限制开关或者粗增量刻度尺，限制开关检测器必须能够单独地检测标记。
本发明不限于如上文所述的限制轨道的双功能。例如，读取头可被设置为将刻度尺标记读为参考标记或者粗增量刻度尺(如下文更加详细描述的)，或者读取头还可以被设置为将刻度尺标记读取为绝对刻度尺或者增量刻度尺。
在可替换的实施例组中，参考标记可用于产生高速的增量信号。
图13说明了旋转式刻度尺90，其包括增量刻度尺轨道92，该增量刻度尺轨道92典型地包括具有例如20μm间距的反射线和非反射线的重复图案。(可以使用其他类型的增量刻度尺，例如相位刻度尺。)
在增量刻度尺轨道92中提供了参考标记95。该参考标记具有(沿刻度尺的)长度，该长度显著大于增量轨道的间距。例如，其可以具有200μm的长度，并且典型地包括反射或非反射带。
读取头(未示出)配备有增量光学装置，该增量光学装置通过增量刻度尺产生信号，该信号包括两个正交的正弦信号，如图14所说明的。由这些信号可以产生向上和向下计数。
读取头还包括参考标记光学装置，例如，分裂检测器，其使得能够检测参考标记。图15说明了作为来自分裂检测器的输出的信号98、100。取分裂检测器的信号98、100之间的差，用于产生图16中说明的信号102。可以处理该信号102，以产生20μm的参考标记信号。使用外阈值对104、106指出读取头正在接近参考标记。使用内阈值对105、107限定参考标记。因此，当读取头在箭头A的方向中移动时，当信号102在阈值104上方通过时，该读取头将指出其正在接近参考标记。当信号102在阈值105和107之间通过时，其将输出参考标记指示。当内阈值105和107接近在一起并且它们之间的信号102具有陡峭的斜率时，可以实现窄的参考标记信号。用于检测大的参考标记的可替换的光学方案也是可行的。
未经处理的参考标记特征还可用于提供适于在高速度时使用的增量输出。参考标记显著大于增量刻度尺的间距，并且在高速时，参考标记的信号输出将以低于细增量轨道信号输出的速率改变。由于系统带宽对于细增量轨道和参考标记此两者近似相同，因此在信号衰减之前，参考标记可以以非常高的速度操作。在该示例中，可以在以比使用增量输出高出达到十倍的速度，观察参考标记。
图16中说明的未经处理的参考标记102可由用户直接使用，以产生高速的粗增量输出。可替换地，可以进行简单的处理，例如，通过使用两个阈值(由虚线104、106示出)，设定和重新设定触发器，由此导致图17中说明的输出。该示例使用相同的阈值104、106作为用于指出参考标记的外阈值。然而，如果需要，可以使用不同的阈值。该处理不依赖于增量通道的存在，因此该粗增量输出可以以不再读取细增量刻度尺时的速度使用。可以使用其他的处理方案。
图13中说明的旋转式刻度尺具有单一的参考标记，并且将因此给出每转一个脉冲的输出。
刻度尺和读取头系统可被设置为双输出系统，由此以其正常方式处理参考标记，以利用低速的细增量信号提供将使用的参考位置，并且还通过其简单处理的形式，给出每转一个脉冲，用于在高速时使用。
图18说明了图13中说明的实施例的变化方案。在该实施例中，旋转式刻度尺配备有如同前文的增量刻度尺轨道，其具有多个均匀间隔的参考标记110。这使得在高速时每转(per revolution)能够生成多个脉冲。然而，由于存在多个参考标记，因此可以使用参考标记选择器指出多个标记中的哪个标记将用作唯一的参考标记，以指出每转中的唯一位置。该参考标记选择器自身可用于该目的。
图19说明了另一变化方案。该实施例也具有多个参考标记，用于使得每转能够生成较多个脉冲。在该实施例中，以典型的“距离编码”编码器的方式间隔标记。交替标记112是均等间隔的(距离为A)，并且中间标记114、116、118在它们相邻的标记110之间以变化的位置间隔开(距离B1、B2、C1、C2等)，以在读取两个相邻的标记时给出唯一位置。该实施例优于图18中说明的实施例之处在于，不需要由末端用户通过标识选择单独的参考标记。不同的距离编码方案是可行的。然而，参考标记间隔得越均匀，则将观察到的由参考标记间隔变化引起的误差就越小。该误差引起了以恒定速度观察到的“速度波动”效应。
尽管图13、18、19中说明的实施例说明了嵌入在增量刻度尺中的光学参考标记，但是参考标记可以是非光学的，例如，磁的、电容式或感应式。此外，增量刻度尺轨道可以是非光学的。参考标记可以位于平行于增量刻度尺轨道的分立的刻度尺轨道中，而非嵌入于其中。可以使用任何适当的检测系统。
刻度尺和读取头可以是反射的或透射的。该系统还适用于线性和二维刻度尺。
在上文所述的实施例中，可以在两个分立的输出端上，或者在可以在两个模式之间切换或设置的单一的输出端上，产生高速和低速输出。该系统依赖于使用控制器或者具有两个输入端的驱动器或者控制线，以在分辨率之间切换编码器系统。
有利的是，具有用于高速和低速时增量信号的仅一个数据输出。然而，如前面描述的，用于使用单一增量刻度尺高速测量的输出频率对于数字正交系统而言是过高的。
串行通信协议使得单一输出能够用于双增量系统。在该系统中，读取头位置存储在使用计数器的读取头中，并且仅在被请求时外发到控制器。读取头位置计数可作为串行流向控制器的二进制数序列，发送到控制器。
图20说明了42比特位置字的示例。(尽管可以使用其他大小的位置字)。最高有效比特(MSB)位于左手侧，而最低有效比特(LSB)位于右手侧。第一部分的16个比特涉及旋转式刻度尺的旋转周数，第二部分的16个比特涉及所检测到的增量刻度尺中的线的数目，并且第三部分的10个比特涉及内插数据。因此整个字描述了旋转式刻度尺的旋转角度和旋转周数。
如果旋转式刻度尺环具有例如65536的二进制线计数和例如1024的二进制内插，则对于该示例，前16个比特有效地是旋转周数。
在低速是，自细增量刻度尺发送输出，并且使用所有42个比特。在高速时，细间距增量信号的信号幅度下降，由此对应于线数目和内插数据的低位比特将不再是有效的。然而，自参考标记或者限制轨道生成的粗间距信号使得能够更新对应于旋转周数的高位比特。如果在刻度尺上存在多于一个参考标记，则可以更新更多的比特，以给出旋转的分数。
当使刻度尺的旋转减慢到低于阈值时，增量数据将变得再次有效。由用户选择的用于示出旋转周数的参考标记可用于使低位比特重新同步。
图21说明了系统开机时的数据。在该情况中，所有的比特被设定为0。最后的数据比特向控制器指出哪些比特是有效的。在该示例中，0指出所有的比特是有效的，并且1指出第一部分的19个比特是有效的。
在开机之后通过使读取头通过参考标记上方，使字同步。这可以将字中的数据比特设定为0。可替换地，数据比特可在开机时设定为0，并且记录参考标记的位置，并且使用差值调节后继的测量。一个或多个数据比特可用于指出发生了与参考标记的同步。
图22说明了低速时的数据。在该情况中，数据来自细分辨率增量刻度尺，由该细分辨率增量刻度尺可确定旋转周数、刻度尺线数目和来自刻度尺线之间的内插数据的数据。因此，最后的数据比特是0，以指出所有的比特是有效的。
图23说明了高速时的数据。对于具有单一参考标记的旋转式刻度尺，仅可以确定旋转周数。在刻度尺具有多个参考标记的情况中，可以确定关于线数目的数据比特。在该示例中，第一部分的19个比特是有效的。未知的数据由“x”示出。这可以包括冻结的最后读取，或者所有的数据比特可被设定为0或1。
图24说明了速度下降到低于阈值时的数据，在该阈值处细增量刻度尺数据是有效的。在减速时，数据将仅在与参考标记重新同步之后有效。如果环具有距离编码的参考标记，则该重新同步步骤将快速发生。然而，当旋转式刻度尺高速旋转时，该时间减少可被忽略。

Claims (41)

1.一种刻度尺读取设备，包括：
可相对相互移动的刻度尺和读取头，所述刻度尺具有：被配置为形成具有第一刻度尺间距的第一增量图案的刻度尺标记，和被配置为形成具有不同于所述第一刻度尺间距的第二刻度尺间距的第二增量图案的至少一个刻度尺标记；
第一检测装置，用于检测所述第一增量刻度尺图案；
第二检测装置，用于检测所述第二增量图案；
其中第一和第二检测器装置均提供在相同的读取头中。
2.如权利要求1所述的刻度尺读取设备，其中具有所述第一增量图案的刻度尺标记位于第一刻度尺轨道中，并且具有所述第二增量图案的所述至少一个刻度尺标记位于所述第二刻度尺轨道中。
3.如权利要求2所述的刻度尺读取设备，其中具有所述第二增量图案的所述至少一个刻度尺标记也提供在第三刻度尺轨道中。
4.如权利要求3所述的刻度尺读取设备，其中所述第二和第三刻度尺轨道中的刻度尺标记及其相关联的检测装置按下述方式配置：即来自所述检测装置的输出信号是正交的。
5.如权利要求1所述的刻度尺读取设备，其中具有所述第一增量图案的刻度尺标记和具有所述第二增量图案的至少一个刻度尺标记位于相同的刻度尺轨道中。
6.如前述任何一项权利要求所述的刻度尺读取设备，其中刻度尺是旋转式刻度尺。
7.如权利要求6所述的刻度尺读取设备，其中具有第二增量图案的至少一个刻度标记包括：导致每转一个标记的一个刻度尺标记。
8.如前述任何一项权利要求所述的刻度尺读取设备，其中第一间距小于第二间距。
9.如权利要求8所述的刻度尺读取设备，进一步包括比较器，用于将刻度尺和读取头之间相对运动的速度或者涉及所述速度的系统属性同阈值比较，并且由此选择适合于所述速度的来自第一和第二检测装置中的一个的输出。
10.如权利要求8所述的刻度尺读取设备，其中比较器将刻度尺和读取头之间相对运动的速度同阈值比较，并且其中如果速度高于阈值，则使用来自第二检测装置的输出。
11.如权利要求10所述的刻度尺读取设备，其中比较器将刻度尺和读取头之间相对运动的速度同阈值比较，并且其中如果速度低于阈值，则使用来自第一检测装置的输出。
12.如前述任何一项权利要求所述的刻度尺读取设备，刻度尺包括至少一个参考标记。
13.如权利要求12所述的刻度尺读取设备，其中至少一个参考标记包括所述第二图案中的刻度尺标记。
14.一种用于检测刻度尺读取设备的刻度尺和读取头的相对位置或速度的方法，所述刻度尺读取设备包括刻度尺，所述刻度尺具有：被配置为具有第一刻度尺间距的第一增量图案的刻度尺标记，和被配置为具有第二刻度尺间距的第二增量图案的至少一个刻度尺标记，所述第一刻度尺间距不同于所述第一刻度尺间距，并且读取头包括：第一检测装置，用于检测所述第一增量刻度尺图案；和第二检测装置，用于检测所述第二增量图案，所述方法包括以下步骤：
自第一和第二检测器装置输出信号。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述方法包括以下步骤：输出指出第一和第二信号有效性的信号。
16.如权利要求14所述的方法，其中所述方法包括以下步骤：将刻度尺和读取头之间相对运动的速度或者涉及所述速度的系统属性同阈值比较，并且由此选择适合于所述速度的来自第一和第二检测装置中的一个的输出。
17.如权利要求16所述的方法，其中如果刻度尺和读取头的相对速度高于所述阈值，则使用来自第二检测装置的输出。
18.如权利要求16或17中的任何一项权利要求所述的方法，其中如果刻度尺和读取头的相对速度低于所述阈值，则使用来自第一检测装置的输出。
19.如权利要求14～18中的任何一项权利要求所述的方法，其中第一间距小于第二间距。
20.如权利要求14～19中的任何一项权利要求所述的方法，其中提供参考标记，并且所述方法包括以下步骤：在从第二检测器的输出返回到第一检测器的输出之前，使用参考标记来确认读取头相对于刻度尺的位置。
21.一种刻度尺读取系统，包括可相对相互移动的刻度尺和读取头；
和通信链路，其自读取头输出数据；
其中两个不同分辨率级别的数据在相同的通信链路上向下发送。
22.如权利要求21所述的刻度尺读取系统，其中数据作为包括数据比特序列的字，在通信链路上向下发送。
23.如权利要求22所述的刻度尺读取系统，其中一个或多个比特指出字的分辨率级别。
24.如权利要求21～20中的任何一项权利要求所述的刻度尺读取系统，其中在高分辨率时，字中数据比特的第一部分是有效的。
25.如权利要求24所述的刻度尺读取系统，其中第一部分包括所有的数据比特。
26.如权利要求21～25中的任何一项权利要求所述的刻度尺读取系统，其中在低分辨率时，字中数据比特的第二部分是有效的。
27.如权利要求21～26中的任何一项权利要求所述的刻度尺读取系统，其中数据涉及刻度尺和读取头的相对位置。
28.一种刻度尺读取设备，包括：
至少一个刻度尺标记；
读取头，其具有变换器系统，用于检测至少一个刻度尺标记，并且用于产生涉及该至少一个刻度尺标记的信号；和
设置装置，其选择信号解码方法，用于产生来自涉及刻度尺选定功能的信号的输出。
29.如权利要求28所述的刻度尺读取设备，其中设置装置作用于信号，以产生涉及增量功能或者至少一个可替换功能中的一个的输出。
30.如权利要求29所述的刻度尺读取设备，其中至少一个可替换的功能包括限制标记功能。
31.如权利要求29所述的刻度尺读取设备，其中至少一个可替换的功能包括参考标记功能。
32.如权利要求29所述的刻度尺读取设备，其中至少一个可替换的功能包括绝对刻度尺功能。
33.如权利要求28～32中的任何一项权利要求所述的刻度尺读取设备，其中设置装置位于读取头上。
34.如权利要求33所述的刻度尺读取设备，其中设置装置包括位于读取头上的开关或引脚。
35.如权利要求28～32中的任何一项权利要求所述的刻度尺读取设备，其中设置装置位于读取头外部。
36.如权利要求35所述的刻度尺读取设备，其中设置装置由软件提供。
37.如权利要求28～36中的任何一项权利要求所述的刻度尺读取设备，其中变换器系统检测至少一个刻度尺标记的单独的刻度尺标记。
38.如权利要求28～37中的任何一项权利要求所述的刻度尺读取设备，其中刻度尺配备有细增量刻度尺图案，并且读取头配备有细增量变换器系统，用于检测细增量刻度尺图案和读取头之间的相对运动。
39.如权利要求38所述的刻度尺读取设备，其中至少一个刻度尺标记被配置为形成增量刻度尺，并且设置装置被设置为产生增量输出，其中所述至少一个刻度尺标记的间距大于细增量刻度尺轨道中的刻度尺标记的间距。
40.如权利要求38～39中的任何一项权利要求所述的刻度尺读取设备，其中所述设备包括比较器，用于将刻度尺和读取头之间相对运动的速度或者涉及所述速度的系统属性同阈值比较，并且由此选择适合于所述速度的来自至少一个刻度尺标记变换器系统和细间距增量变换器中的一个的输出。
41.如权利要求41所述的刻度尺读取设备，其中提供至少一个参考标记，并且其中在返回到来自细增量变换器的输出时，使用参考标记来验证刻度尺相对读取头的位置。
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