一种用于自补偿的方法，该方法包括下述步骤：将图案元件相对于读头旋转，该旋转围绕轴线达到覆盖至少360度的范围的多个第一角度；在多个第一角度的每个处，均获得基准读头和m个测量读头的第一角度读数；计算m个测量读头中的每个的第一数组，对于所述多个第一角度中的每个，每个第一数组均包括测量读头的第一角度读数与基准读头的第一角度读数中的差异；至少部分地基于第一数组，计算m个测量读头中的每个的至少一个第一谱分量；计算m个测量读头中的每个的至少一个第二谱分量，该第二谱分量至少部分地基于所述至少一个第一谱分量并基于m个测量读头的第二角度的估值；以及记录m个测量读头中的每个的至少一个第二谱分量。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及角度测量装置，并且更具体地涉及被称为角度编码器(或旋转编码器)的装置。
技术介绍
角度编码器能够以不同的方式构造。一种类型的角度编码器包括玻璃盘、一个或更多个读头以及处理电子器件。所述一个或更多个读头将光发送至该盘。这种光或者传输通过该盘或者反射远离该盘至光检测器，所述光检测器也是所述读头的一部分。该玻璃盘包括图案，该图案可以简单地是从盘中心径向地向外指向的一组线。当盘旋转时，光的图案也在读头上改变。这种改变的光的图案通过处理电子器件进行估算以找出玻璃盘相对于读头的旋转角度。在大多数情况下，玻璃盘附接至旋转构件，该旋转构件可以是轴，并且，读头附接至该轴在其中旋转的框架。第二类型的角度编码器将该图案置于圈上而不是盘上。一个或更多个读头将光发送至圈，光触及圈上的图案，反射回读头中的检测器。检测器上的光的变化图案由处理电子器件进行估计以找出该圈的相对于所述读头的旋转角度。在大多数情况下，圈附接至旋转构件，该旋转构件可能为轴，并且，读头附接至该轴在其中旋转的框架。上述盘和圈可一般地归类为图案元件，因为各自均保持有图案，该图案可以是例以下面将描述的通过读头读出的标记的图案。图案元件被设计成如下面描述的与读头协作，并且这种协作会涉及图案元件与读头之间光学的、磁的、机械的或其它类型的相互作用。读头是一种读出通过编码器盘、编码器圈或相似结构体反射或传输的信号的装置。最普通的类型的读头产生光学信号并且响应于光学信号。读头被构造成使得能够在盘或圈的两个旋转方向(例如，向前和向后)之间进行区分。提供方向感应的最普通的方法为获得正交电信号，正交电信号为将获得的信号在相位上以九十度分开的信号。正交信号也很有用因为其提高了编码器读数的精度。每个编码器盘或圈可以有多个读头，并且，这些读头中的每个均可产生正交电信号。角度编码器可以是绝对式的或增量式的。绝对式编码器提供信息以在绝对意义上确定当前的角度，即，不具有对之前角度测量的历史记录。另一方面，增量式编码器需要知晓之前的编码器读数来确定当前读数。通常，增量式编码器在盘上或圈上包含产生光学信号的结构体，该光学信号通过读头变换成指示脉冲。该指示脉冲用于提供基准位置，通常精确到编码器盘或圈上一条线内。在测量环节开始时，包括增量式编码器的仪器可通过执行用于确定指示脉冲的位置的程序而开始。通常，读头将指示脉冲的位置确定至位于编码器盘或圈上的两个线之间的间隔的分数，此后，读头可计算沿向前方向以及向后方向穿过该部分的线的数量。由已知编码器盘线条之间的角度，读头确定当前角度。角度编码器能够测量的精度变化很大。例如，对于不是很昂贵的编码器而言，角度可以以度的分数进行测量。相反，其它编码器可精确到弧度秒的分数。高精确度编码器对于包括激光跟踪器、全能测量仪、激光扫描仪以及经纬仪的装置的等级而言很重要。这种装置所需要的精确度常常在I微弧度或O. 2弧度秒的等级。在大多数情况下，与角度编码器相关联的最大的误差随着编码器盘或圈每旋转360度而重复一次。通常较小的额外误差可与编码器盘或圈在其上旋转的轴承的旋转相关联。这种轴承误差通常每720度重复一次，如在本领域中已知的。尽管，这里所描述的方法能够不需要重新组成数学公式而被容易地扩充以应用至具有720度或任何360度的倍数的周期的编码轴承系统中，在本文中，影响角度编码器的最主要的误差仍被假定为具有360度的周期。在本文的其余部分中，将假定误差具有360度的周期使得其能够被分解为具有等于360° /n (其中n=l、2、3、…)的周期的谱(傅立叶)分量。在使用玻璃盘和单一读头的角度编码器的情况下，最大的误差通常每360度发生一次的第一阶次(n=l)误差。这种误差的主要原因在于激光盘的居中误差。去除这种第一阶次误差的有效的方式为使用间隔开180度的两个读头而不是单一读头。通过对所述两个读头的读数进行平均，消除了第一阶次角度误差。事实上，对所述两个读头的读数进行平均消除了阶次1、3、5···(除2的倍数之外的所有阶次)的误差。 对于包含玻璃盘的编码器的情况而言，第二阶次误差会因编码器盘相对于读头的倾斜而引起或者因盘上的标记的图案的椭圆率(非圆性)引起。这些误差能够通过使用三个或更多个对称地放置的读头而消除。将来自读头中的每个的读数进行平均以找出编码器角度。一般地，某个数量m个读头能够去除除了 m及其谐函数之外的所有傅立叶误差振型。所以两个读头不能去除阶次为n=2、4、6…的误差。三个读头不能去除阶次为n=3、6、9…的误差。要从价格适中的编码器中获得最高的精度，一些将编码器结合至其产品中的制造者进行了一种被称为补偿(有时被称为“校准”)的程序，其中，建立了能够在软件或硬件中修正误差的参数或映射。最普通的类型的补偿涉及将高精度的基准编码器置于轴的一个端部处。对于基准编码器和测试状态下的编码器同时提取读数。这两个编码器的所记录的值的差异用于创建一个映射或函数以修正编码器误差。然而，映射具有局限性。第一，在将两个编码器系统联接在一起时，误差会不可避免地存在，并且即使一个非常精确的基准编码器当暂时联接至外部轴时也会失去精度。第二，如以上所说明的，静态映射参数不能修正因由温度迁移或机械振动引起的改变。第三，由于映射不是基于模型的，不存在用于对在映射过程自身中所引起的任何误差进行消除的机构。另外，映射是一个耗时的过程，其为制造者的产品增加了成本并且减小了利润。另外一个编码器使用者所面临的潜在问题为编码器性能的下降，其或因环境条件的改变或因编码器组件自身的损坏。能够(I)检测编码器性能上的下降以及(2)对编码器性能中的下降进行修正而无需将仪器返回制造厂以重新补偿将是非常有利的。授予Nakamura等人的美国专利No. 7，825，367 (’367)中描述了一种用于角度编码器的自补偿的方法。该方法涉及使用线性阵列比如CCD传感器以在两个位置处阅读编码器盘上的线。该盘被旋转通过360度范围内的多个角度步进。通过对在两个编码器位置处的读数中的差异进行分析，可以确定编码器组件中的误差。然而，该方法在那些必须在具有宽泛的温度波动的工业环境下工作的装置中遇到严重不足之处。大的温度变化(例如，从-15至+50摄氏度)在包含单一读头或者如在专利’ 367中的单一线性阵列的角度编码器中可引起大的误差。这种变化例如由于比如将编码器盘粘合至机械轴一该编码器盘在该机械轴上旋转——时不均匀地施加的环氧树脂的材料的热膨胀的差异而发生。这种大的误差可通过将两个读头180度地分开放置、然后对读头的读数进行平均而自动地去除。专利’ 367的方法未能提供对于随着温度改变的编码器误差的非常重要的自动修正。下文中将参照图16、17给出温度的影响的进一步讨论。存在对于下述编码器设备和补偿程序的需求，所述编码器设备和补偿程序(I)使能够获得比之前可能的精度都高的精度，(2)在无需使用外部基准编码器进行映射的情况下，提供这种高准确性，(3)在现场使用期间检测编码器性能的下降，(4)通过执行自补偿程序在现场提高编码器性能，以及(5)提供低阶次编码器误差对于温度的自动修正。另外，在一些情况下，利用从对外部基准编码器进行映射中所获得的数据，在这些数据以特殊的方式处理以更进一步地提高编码器精度的情本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：彼得·G·克拉默，
申请(专利权)人：法罗技术股份有限公司，
类型：
国别省市：
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