自補(bǔ)償角度編碼器制造技術(shù)

一種用于自補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ摲椒òㄏ率霾襟E：將圖案元件相對(duì)于讀頭旋轉(zhuǎn)，該旋轉(zhuǎn)圍繞軸線達(dá)到覆蓋至少360度的范圍的多個(gè)第一角度；在多個(gè)第一角度的每個(gè)處，均獲得基準(zhǔn)讀頭和m個(gè)測量讀頭的第一角度讀數(shù)；計(jì)算m個(gè)測量讀頭中的每個(gè)的第一數(shù)組，對(duì)于所述多個(gè)第一角度中的每個(gè)，每個(gè)第一數(shù)組均包括測量讀頭的第一角度讀數(shù)與基準(zhǔn)讀頭的第一角度讀數(shù)中的差異；至少部分地基于第一數(shù)組，計(jì)算m個(gè)測量讀頭中的每個(gè)的至少一個(gè)第一譜分量；計(jì)算m個(gè)測量讀頭中的每個(gè)的至少一個(gè)第二譜分量，該第二譜分量至少部分地基于所述至少一個(gè)第一譜分量并基于m個(gè)測量讀頭的第二角度的估值；以及記錄m個(gè)測量讀頭中的每個(gè)的至少一個(gè)第二譜分量。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
本專利技術(shù)總體上涉及角度測量裝置，并且更具體地涉及被稱為角度編碼器(或旋轉(zhuǎn)編碼器)的裝置。
技術(shù)介紹
角度編碼器能夠以不同的方式構(gòu)造。一種類型的角度編碼器包括玻璃盤、一個(gè)或更多個(gè)讀頭以及處理電子器件。所述一個(gè)或更多個(gè)讀頭將光發(fā)送至該盤。這種光或者傳輸通過該盤或者反射遠(yuǎn)離該盤至光檢測器，所述光檢測器也是所述讀頭的一部分。該玻璃盤包括圖案，該圖案可以簡單地是從盤中心徑向地向外指向的一組線。當(dāng)盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，光的圖案也在讀頭上改變。這種改變的光的圖案通過處理電子器件進(jìn)行估算以找出玻璃盤相對(duì)于讀頭的旋轉(zhuǎn)角度。在大多數(shù)情況下，玻璃盤附接至旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，該旋轉(zhuǎn)構(gòu)件可以是軸，并且，讀頭附接至該軸在其中旋轉(zhuǎn)的框架。第二類型的角度編碼器將該圖案置于圈上而不是盤上。一個(gè)或更多個(gè)讀頭將光發(fā)送至圈，光觸及圈上的圖案，反射回讀頭中的檢測器。檢測器上的光的變化圖案由處理電子器件進(jìn)行估計(jì)以找出該圈的相對(duì)于所述讀頭的旋轉(zhuǎn)角度。在大多數(shù)情況下，圈附接至旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，該旋轉(zhuǎn)構(gòu)件可能為軸，并且，讀頭附接至該軸在其中旋轉(zhuǎn)的框架。上述盤和圈可一般地歸類為圖案元件，因?yàn)楦髯跃３钟袌D案，該圖案可以是例以下面將描述的通過讀頭讀出的標(biāo)記的圖案。圖案元件被設(shè)計(jì)成如下面描述的與讀頭協(xié)作，并且這種協(xié)作會(huì)涉及圖案元件與讀頭之間光學(xué)的、磁的、機(jī)械的或其它類型的相互作用。讀頭是一種讀出通過編碼器盤、編碼器圈或相似結(jié)構(gòu)體反射或傳輸?shù)男盘?hào)的裝置。最普通的類型的讀頭產(chǎn)生光學(xué)信號(hào)并且響應(yīng)于光學(xué)信號(hào)。讀頭被構(gòu)造成使得能夠在盤或圈的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向(例如，向前和向后)之間進(jìn)行區(qū)分。提供方向感應(yīng)的最普通的方法為獲得正交電信號(hào)，正交電信號(hào)為將獲得的信號(hào)在相位上以九十度分開的信號(hào)。正交信號(hào)也很有用因?yàn)槠涮岣吡司幋a器讀數(shù)的精度。每個(gè)編碼器盤或圈可以有多個(gè)讀頭，并且，這些讀頭中的每個(gè)均可產(chǎn)生正交電信號(hào)。角度編碼器可以是絕對(duì)式的或增量式的。絕對(duì)式編碼器提供信息以在絕對(duì)意義上確定當(dāng)前的角度，即，不具有對(duì)之前角度測量的歷史記錄。另一方面，增量式編碼器需要知曉之前的編碼器讀數(shù)來確定當(dāng)前讀數(shù)。通常，增量式編碼器在盤上或圈上包含產(chǎn)生光學(xué)信號(hào)的結(jié)構(gòu)體，該光學(xué)信號(hào)通過讀頭變換成指示脈沖。該指示脈沖用于提供基準(zhǔn)位置，通常精確到編碼器盤或圈上一條線內(nèi)。在測量環(huán)節(jié)開始時(shí)，包括增量式編碼器的儀器可通過執(zhí)行用于確定指示脈沖的位置的程序而開始。通常，讀頭將指示脈沖的位置確定至位于編碼器盤或圈上的兩個(gè)線之間的間隔的分?jǐn)?shù)，此后，讀頭可計(jì)算沿向前方向以及向后方向穿過該部分的線的數(shù)量。由已知編碼器盤線條之間的角度，讀頭確定當(dāng)前角度。角度編碼器能夠測量的精度變化很大。例如，對(duì)于不是很昂貴的編碼器而言，角度可以以度的分?jǐn)?shù)進(jìn)行測量。相反，其它編碼器可精確到弧度秒的分?jǐn)?shù)。高精確度編碼器對(duì)于包括激光跟蹤器、全能測量儀、激光掃描儀以及經(jīng)緯儀的裝置的等級(jí)而言很重要。這種裝置所需要的精確度常常在I微弧度或O. 2弧度秒的等級(jí)。在大多數(shù)情況下，與角度編碼器相關(guān)聯(lián)的最大的誤差隨著編碼器盤或圈每旋轉(zhuǎn)360度而重復(fù)一次。通常較小的額外誤差可與編碼器盤或圈在其上旋轉(zhuǎn)的軸承的旋轉(zhuǎn)相關(guān)聯(lián)。這種軸承誤差通常每720度重復(fù)一次，如在本領(lǐng)域中已知的。盡管，這里所描述的方法能夠不需要重新組成數(shù)學(xué)公式而被容易地?cái)U(kuò)充以應(yīng)用至具有720度或任何360度的倍數(shù)的周期的編碼軸承系統(tǒng)中，在本文中，影響角度編碼器的最主要的誤差仍被假定為具有360度的周期。在本文的其余部分中，將假定誤差具有360度的周期使得其能夠被分解為具有等于360° /n (其中n=l、2、3、…)的周期的譜(傅立葉)分量。在使用玻璃盤和單一讀頭的角度編碼器的情況下，最大的誤差通常每360度發(fā)生一次的第一階次(n=l)誤差。這種誤差的主要原因在于激光盤的居中誤差。去除這種第一階次誤差的有效的方式為使用間隔開180度的兩個(gè)讀頭而不是單一讀頭。通過對(duì)所述兩個(gè)讀頭的讀數(shù)進(jìn)行平均，消除了第一階次角度誤差。事實(shí)上，對(duì)所述兩個(gè)讀頭的讀數(shù)進(jìn)行平均消除了階次1、3、5···(除2的倍數(shù)之外的所有階次)的誤差。 對(duì)于包含玻璃盤的編碼器的情況而言，第二階次誤差會(huì)因編碼器盤相對(duì)于讀頭的傾斜而引起或者因盤上的標(biāo)記的圖案的橢圓率(非圓性)引起。這些誤差能夠通過使用三個(gè)或更多個(gè)對(duì)稱地放置的讀頭而消除。將來自讀頭中的每個(gè)的讀數(shù)進(jìn)行平均以找出編碼器角度。一般地，某個(gè)數(shù)量m個(gè)讀頭能夠去除除了 m及其諧函數(shù)之外的所有傅立葉誤差振型。所以兩個(gè)讀頭不能去除階次為n=2、4、6…的誤差。三個(gè)讀頭不能去除階次為n=3、6、9…的誤差。要從價(jià)格適中的編碼器中獲得最高的精度，一些將編碼器結(jié)合至其產(chǎn)品中的制造者進(jìn)行了一種被稱為補(bǔ)償(有時(shí)被稱為“校準(zhǔn)”)的程序，其中，建立了能夠在軟件或硬件中修正誤差的參數(shù)或映射。最普通的類型的補(bǔ)償涉及將高精度的基準(zhǔn)編碼器置于軸的一個(gè)端部處。對(duì)于基準(zhǔn)編碼器和測試狀態(tài)下的編碼器同時(shí)提取讀數(shù)。這兩個(gè)編碼器的所記錄的值的差異用于創(chuàng)建一個(gè)映射或函數(shù)以修正編碼器誤差。然而，映射具有局限性。第一，在將兩個(gè)編碼器系統(tǒng)聯(lián)接在一起時(shí)，誤差會(huì)不可避免地存在，并且即使一個(gè)非常精確的基準(zhǔn)編碼器當(dāng)暫時(shí)聯(lián)接至外部軸時(shí)也會(huì)失去精度。第二，如以上所說明的，靜態(tài)映射參數(shù)不能修正因由溫度遷移或機(jī)械振動(dòng)引起的改變。第三，由于映射不是基于模型的，不存在用于對(duì)在映射過程自身中所引起的任何誤差進(jìn)行消除的機(jī)構(gòu)。另外，映射是一個(gè)耗時(shí)的過程，其為制造者的產(chǎn)品增加了成本并且減小了利潤。另外一個(gè)編碼器使用者所面臨的潛在問題為編碼器性能的下降，其或因環(huán)境條件的改變或因編碼器組件自身的損壞。能夠(I)檢測編碼器性能上的下降以及(2)對(duì)編碼器性能中的下降進(jìn)行修正而無需將儀器返回制造廠以重新補(bǔ)償將是非常有利的。授予Nakamura等人的美國專利No. 7，825，367 (’367)中描述了一種用于角度編碼器的自補(bǔ)償?shù)姆椒āＴ摲椒ㄉ婕笆褂镁€性陣列比如CCD傳感器以在兩個(gè)位置處閱讀編碼器盤上的線。該盤被旋轉(zhuǎn)通過360度范圍內(nèi)的多個(gè)角度步進(jìn)。通過對(duì)在兩個(gè)編碼器位置處的讀數(shù)中的差異進(jìn)行分析，可以確定編碼器組件中的誤差。然而，該方法在那些必須在具有寬泛的溫度波動(dòng)的工業(yè)環(huán)境下工作的裝置中遇到嚴(yán)重不足之處。大的溫度變化(例如，從-15至+50攝氏度)在包含單一讀頭或者如在專利’ 367中的單一線性陣列的角度編碼器中可引起大的誤差。這種變化例如由于比如將編碼器盤粘合至機(jī)械軸一該編碼器盤在該機(jī)械軸上旋轉(zhuǎn)——時(shí)不均勻地施加的環(huán)氧樹脂的材料的熱膨脹的差異而發(fā)生。這種大的誤差可通過將兩個(gè)讀頭180度地分開放置、然后對(duì)讀頭的讀數(shù)進(jìn)行平均而自動(dòng)地去除。專利’ 367的方法未能提供對(duì)于隨著溫度改變的編碼器誤差的非常重要的自動(dòng)修正。下文中將參照圖16、17給出溫度的影響的進(jìn)一步討論。存在對(duì)于下述編碼器設(shè)備和補(bǔ)償程序的需求，所述編碼器設(shè)備和補(bǔ)償程序(I)使能夠獲得比之前可能的精度都高的精度，(2)在無需使用外部基準(zhǔn)編碼器進(jìn)行映射的情況下，提供這種高準(zhǔn)確性，(3)在現(xiàn)場使用期間檢測編碼器性能的下降，(4)通過執(zhí)行自補(bǔ)償程序在現(xiàn)場提高編碼器性能，以及(5)提供低階次編碼器誤差對(duì)于溫度的自動(dòng)修正。另外，在一些情況下，利用從對(duì)外部基準(zhǔn)編碼器進(jìn)行映射中所獲得的數(shù)據(jù)，在這些數(shù)據(jù)以特殊的方式處理以更進(jìn)一步地提高編碼器精度的情本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：彼得·G·克拉默，
申請(專利權(quán))人：法羅技術(shù)股份有限公司，
類型：
國別省市：