线性和旋转多轨道绝对位置编码器及其使用方法技术

本公开描述了光学位置编码器及其使用方法。在实施例中，光学位置编码器包括多轨道混合循环二进制码2(HCBC‑2)编码标尺和光学读出组件(ORA)，其中ORA提供绝对位置光学读出和与标尺的自动物理对准。还描述了线性光学位置编码器、旋转光学位置编码器以及使用这种编码器测量ORA相对于标尺的位置的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】线性和旋转多轨道绝对位置编码器及其使用方法
技术介绍
精密工业机器伺服控制回路中的高精度和高采样率线性和旋转位置编码器可以显著提高机器精度和速度。这种改进可以通过提供更高带宽的位置和速度反馈(即，更高的位置采样率)并且通过消除与机械连接(例如，齿轮、杠杆和凸轮)中的磨损、弯曲和松动相关的位置误差来实现。由于读出机构相对于测量标尺的不完美对准可能会引起测量误差，所以光学多轨道绝对编码器(例如，使用二进制数字格雷码标尺)通常会被摒弃，而是采用单轨道方法。然而，绝对编码器通常具有提高精度和机器操作员安全性的潜在优势。本公开涉及改进的多轨道光学绝对位置编码系统和方法。显而易见，本文公开的系统和方法可以显著降低位置误差，同时提供更高的测量采样率。附图说明图1是根据本公开的光学绝对线性位置编码器(OpticalAbsoluteLinearPositionEncoder)的一个示例的高级框图，示出了根据本公开的各种实施例的共焦光学传感器阵列(ConfocalOpticalSensorArray)中产生的光线，该光线照射到平面混合循环二进制码2(HCBC-2)标尺上并被反射到光学传感器。图2是根据本公开的各种实施例的从垂直于标尺平面的方向看的平面共焦光学传感器阵列和具有对准轨道的平面HCBC-2标尺的一部分的视图。根据本公开的各种实施例，还示出了读出线阵列中的五个读出线组件和平面共焦光学传感器阵列中的四个单独的对准传感器的示例。图3是根据本公开的各种实施例的示例共焦光学传感器单元(COSC)的示例的带注释的3D等距图，包括外部透明窗口的一部分。图4是由光学软件产生的3D表面图，示出了由图3所示的共焦光学传感器单元(COSC)设计和窗口产生的衍射受限的点扩散函数(即，在存在光学像差和衍射的情况下作为X和Y坐标的函数的模糊图像辐照度)。图5是根据本公开的各种实施例的图4所示的光学图像点扩散函数的XY等高线图。图6是根据本公开的示例68轨道HCBC-2平面或圆柱形多轨道标尺的选定区域的非比例图示，示出了根据美国非临时专利申请号为15/711,238的美国非临时专利申请(‘238申请)中公开的HCBC码模式的数学计算和本公开的各种实施例的未加权编号系统单周期可变偏移条模式的子区域和加权编号系统多周期恒定偏移条模式的子区域。图7是图6中一个小区域的放大图，示出了代表HCBC-2码的未加权编号系统、单周期、可变偏移部分的三个连续的竖条模式，还示出了根据‘238申请中公开的HCBC码模式的数学计算和本公开的各种实施例的图5的示例光学读出模糊点。图8是根据本公开的各种实施例的YZ平面中的横截面图，示出了五个合并共焦光学传感器单元(MCOSC)的示例和环境窗口的横截面。图9是根据本公开的各种实施例的用于Y位置读出的单个读出线中的合并的多个共焦光学传感器单元(MCOSC)加上在第二XZ平面中用作对准传感器的两个单个旋转的COSC在XZ平面中的横截面图。图10是根据本公开的绝对光学旋转位置编码器(AORPE)的高级框图，示出了根据本公开的各种实施例的在共焦光学传感器阵列(COSA)的圆柱形版本中产生的光线，该光线照射在圆柱形HCBC-2标尺上并被反射。图11是根据本公开的各种实施例的围绕平行于附图平面的轴旋转的圆柱形HCBC-2标尺和包括五个示例性旋转读出线(RRL)的共焦光学传感器的圆柱形阵列的XY视图，每个旋转读出线包含多个作为位置读出器操作的MCOSC，并且还示出了两个作为对准传感器操作的示例性旋转COSC。图12是根据本公开的各种实施例的示例性光学绝对旋转位置编码器的YZ横截面图，示出了作为位置读出器操作的五个示例性MCOSC和作为对准传感器操作的两个示例性旋转COSC，该五个示例性MCOSC和两个示例性旋转COSC均配置成对准和读出旋转圆柱形HCBC-2标尺，其中其轴垂直于附图平面。图13是示出了根据本公开的各种实施例的利用光学绝对线性位置编码器或光学绝对旋转位置编码器测量物体的线性或旋转位置的方法的示例操作的流程图。图14是根据美国非临时专利申请号为(USPTOAp.No.)15/711,238的美国非临时专利申请的现有技术中公开的HCBC码模式的数学计算和本公开的各种实施例的与光学绝对线性位置编码器一起使用而定制的HCBC-2平面标尺的几个非限制性示例的参数表。图15是根据美国非临时专利申请号为(USPTOAp.No.)15/711,238的美国非临时专利申请的现有技术中公开的HCBC码模式的数学计算和本公开的各种实施例的定制为与根据本公开的各种实施例的光学绝对旋转位置编码器一起使用的几个非限制性示例的参数表。具体实施方式本公开总体上涉及光学绝对线性位置编码器(OALPE)、光学绝对旋转位置编码器(OARPE)及其使用方法。所公开的编码器每一个均包括多轨道混合循环二进制码-2(HCBC-2)编码标尺和光学读出组件(ORA)，其中ORA提供绝对位置光学读出和与其各自标尺的自动物理对准。在实施例中，HCBC-2标尺附着或书写在平面或圆柱形衬底上。这两个标尺实施例都源自混合循环二进制码(HCBC)，公开于标题为“Non-ContactCoordinateMeasuringMachineusingHybridCyclicBinaryCodeStructuredLight”的美国非临时专利申请号为15/711,238的美国非临时专利申请(以下简称“‘238申请”)，其全部内容通过引用并入本文。‘238申请中讨论了与用于执行3D表面轮廓测量的HCBC的产生和解码相关的等式形式和流程图中的数学要求，因此为了简洁起见，本文不再重复。线性位置编码器实施例中的HCBC-2标尺包括几个二进制条形模式轨道的平面二维物理布局。相比之下，旋转位置编码器实施例中的HCBC-2标尺包括一组类似的轨道，或者是缠绕在圆柱形鼓的外部或内部的柔性薄片衬底上的一组轨道，或者是蚀刻或写在圆柱形鼓的外部或内部表面上的一组轨道。当该组轨道在内表面上时，使用透明的圆柱形壳体衬底。在‘238申请中，HCBC码以时间顺序投影为结构光，因此被读出为串行时间序列。相比之下，本文描述的线性和旋转绝对位置编码器利用HCBC码的修改(以下称为“HCBC-2”)，其具体实施为一组模式化的标尺轨道。通过使用单个传感器单元(胞元)的固定阵列，即平行读取器阵列，可以在短得多的时间内读出整组轨道。结果是几乎可以同时读出所有轨道的代码位(二进制值)(例如，滞后或超前小于10纳秒(ns))。这使得线性或旋转位置的时间读出速率很高，例如为200千赫(kHz)、500(kHz)甚至大于1兆赫(MHz)的采样率。本公开的HCBC-2码也不同于‘238申请中描述的HCBC码，因为其将该码与反射和互补版本配对，其中“互补”意味着码模式中的“1”二进制位由反射码模式中的相应位置中的“0”位替换，反之亦然。本公开的图6给出了所得二维HCBC-2模式与二维HCBC模式相比的详细示例。另一个不同本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学绝对位置编码器，包括：/n标尺，其包括衬底，所述衬底包括用混合循环二进制码2(HCBC-2)编码的第一区域；以及/n光学读出组件(ORA)；/n其中：/n用HCBC-2编码的所述第一区域包括：/n第一子区域，其包括混合循环二进制码(HCBC)模式的第一多轨道阵列；/n第二子区域，其包括HCBC模式的第二多轨道阵列，所述第二多轨道阵列是所述第一多轨道阵列的反射和补充；/n所述ORA包括至少一个光源，所述至少一个光源配置成将光脉冲发射到所述HCBC-2编码标尺上；并且/n所述ORA配置成测量由所述HCBC-2标尺反射的光的至少一部分，并确定所述HCBC-2标尺相对于所述ORA的位置。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180607 US 62/681,8961.一种光学绝对位置编码器，包括：
标尺，其包括衬底，所述衬底包括用混合循环二进制码2(HCBC-2)编码的第一区域；以及
光学读出组件(ORA)；
其中：
用HCBC-2编码的所述第一区域包括：
第一子区域，其包括混合循环二进制码(HCBC)模式的第一多轨道阵列；
第二子区域，其包括HCBC模式的第二多轨道阵列，所述第二多轨道阵列是所述第一多轨道阵列的反射和补充；
所述ORA包括至少一个光源，所述至少一个光源配置成将光脉冲发射到所述HCBC-2编码标尺上；并且
所述ORA配置成测量由所述HCBC-2标尺反射的光的至少一部分，并确定所述HCBC-2标尺相对于所述ORA的位置。


2.根据权利要求1所述的光学绝对位置编码器，其中：
所述标尺包括包含所述第一子区域的第一内部区域和包含所述第二子区域的第二内部区域；
所述第一多轨道阵列的每个轨道是在测量方向上比在非测量方向上更长的编码条带。


3.根据权利要求2所述的光学绝对位置编码器，其中：
所述标尺还包括第一外部区域和第二外部区域；并且
所述第一外部区域、所述第二外部区域、或者所述第一外部区域和所述第二外部区域两者都包括至少一个未编码的对准轨道。


4.根据权利要求3所述的光学绝对位置编码器，其中，所述第一区域设置在所述第一外部区域和所述第二外部区域之间。


5.根据权利要求4所述的绝对光学位置编码器，其中，所述第一外部区域和所述第二外部区域各自包括未编码的对准轨道。


6.根据权利要求4所述的绝对光学位置编码器，其中：
所述至少一个对准轨道包括第一对准轨道对和第二对准轨道对；
所述第一外部区域包括所述第一对准轨道对；
所述第二外部区域包括所述第二对准轨道对；
所述第一对准轨道对和第二对准轨道对中的每一者包括第一轨道和邻近所述第一轨道的第二轨道，其中，所述第一轨道在所述标尺的整个长度上是非反射性的或非透射性的；并且所述第二轨道在所述标尺的整个长度上是反射性的或透射性的。


7.根据权利要求3至6中任一项所述的绝对光学位置编码器，其中，所述ORA包括光学传感器阵列，所述光学传感器阵列包括：
光源阵列；以及
光传感器阵列。


8.根据权利要求7所述的绝对光学位置编码器，其中，所述光传感器阵列包括多个共焦光学传感器。


9.根据权利要求7所述的绝对光学位置编码器，其中：
所述光学传感器阵列包括读出线组件，所述读出线组件包括至少一条读出线；
所述至少一条读出线包括多个读出光源和多个读出线光学传感器；
所述光源阵列包括所述多个读出光源；并且
所述光传感器阵列包括所述多个读出线光学传感器。


10.根据权利要求9所述的绝对光学位置编码器，其中，所述光学传感器阵列还包括多个对准传感器。


11.根据权利要求9所述的绝对光学位置编码器，其中：
所述多个读出线光学传感器配置成在第一方向上最精确地测量线性位置误差；
所述多个对准传感器配置成最精确地测...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·M·约翰逊，D·K·约翰逊，
申请(专利权)人：P·M·约翰逊，D·K·约翰逊，
类型：发明
国别省市：美国;US