专利名称：激光编码器,采用该激光编码器的位移测量方法和数控机床加工方法
技术领域：
本发明涉及一种用于精确测量角位移的测量设备，特别是一种基于光盘(CD)技术的增量型激光编码器，可应用于数控机床、伺服电机、各种工业机械设备等各种自动化控制领域。
背景技术：
在伺服电机及数控加工技术中，需要精确地测量一个转动轴的转动角度，以使受该转动轴所驱动的被驱动设备产生一个和该角度对应的线位移或角位移。因此，所述的转动角度测量得越精确，有关设备的测试和/或加工精度也越高。
增量型光电编码器广泛应用于各类场合。一个典型的增量型光电编码器通常包括以下五个部件光源、编码盘、遮光片、光电二极管，以及放大/整形(方波)电路。当编码盘随主轴旋转时，编码盘和遮光片相重叠形成莫尔条纹，通过的光线被光电二极管阵列接收，产生多个形状类似于正弦曲线的波形。所述的电路将这些类似于正弦波的波形转换成方波信号，并转送给后续电路处理。
本发明的附图1给出了已有技术中一种典型的旋转式光电增量编码器的示意图。图1示出了已有技术中一种典型的编码器，其中数字标号11表示一个光源，12表示一个编码盘，13表示一个掩模，14表示一个光电阵列，15表示一个处理电路。光源11中出射的光穿过编码盘12和掩模13，到达光电二极管阵列14，所述的光电二极管阵列14将接收的光信号转变为电信号，并将所述的电信号送至其后的处理电路15。处理电路15对所述的电信号进行放大和整形(方波化)处理，输出多个锯齿波，其高、低电平分别对应于编码盘的透光部分和遮光部分。
已有技术在上述典型的编码器的基础上，发展了一些新型的编码器。
其中，衍射型激光编码器是最为重要的编码器，它可以实现微米甚至纳米的分辨率。这类编码器的原理是利用±1级衍射光束对相位信息进行编码。美国专利US5101102中公开了一种该类型的编码器的结构，该结构如下面的图2所示。图2中，数字标号20表示一个光栅盘，21表示一个激光二极管，22表示一个准直镜，23表示一个极化棱镜，241、242和243分别表示一个1/4波片，251和252分别表示一个镜子，26表示一个分束器(半反半透镜)，271和272分别表示一个极化片，281和282分别表示一个光接收器，291和292分别表示一个反射器。从图中可清晰地看出光信号的走向和处理过程。
该专利所公开的技术方案的问题是，使用的光学器件较多，而且光学器件分布在编码盘两侧，两组对称光路的调试过程比较复杂，造价很高。
美国专利US5825023中公开了另一种已有技术的激光编码器。图3示出了这种编码器的光路结构。图3中，数字标号31表示一个激光二极管，32表示一个衍射光栅，33表示一个半反半透片，34表示一个物镜，35表示一组语音线圈，36表示一个刻度光栅，37表示一个光探测器，38表示一个编码盘。从图中可清晰地看出光信号的走向和处理过程。这种激光编码器也被称为自动聚焦型激光编码器。它采用三个激光光束和一个反射型编码盘。采用一个光学物镜将三个激光束聚焦在一个刻度光栅(scaling grating)的表面。
所述的编码盘为一种反射型编码盘，其相邻的象素的高差为所用激光的1/4波长。编码盘的信息轨调整可以用一个干涉仪的反射信号来精确地控制。反射型编码盘的刻划区域由两部分组成，因此可以对编码盘的运动方向进行精密地控制。第三个激光束的作用是进行自动聚焦，其光束落在所述反射型编码盘上的上述两部分之间。
这种激光编码器方案的缺点在于，当编码盘随着主轴旋转时，震动会不可避免地对编码盘以及有关的光路产生影响。由于系统中没有跟踪伺服器，有时内侧的跟踪光束会跳到编码盘的外侧刻度区域，而外侧的跟踪光束会跳到编码盘的内侧刻度区域。为避免这种不正常的跳动，只能把编码盘的内外两侧刻度区域的间距调大，而这样又不可避免地会降低装置的分辨率，达不到1.5μm的希望水平。
发明内容针对上述已有技术的不足，本发明公开了一种新的激光编码器方案及其在位移测量和步进机床加工方面的应用。
因此，本发明的一个目的是提供一种激光编码器，采用一个圆盘状的编码盘，该编码盘的中心部分连接在一个驱动轴上，所述的驱动轴与盘面垂直，采用光学方法，读取所述编码盘的编码信息，并把所述信息显示在一个显示器上或者供后续装置处理。本发明所提供的激光编码器采用了较美国专利US5101102中所公开了激光编码器更为简捷的单路光的结构，同时采用跟踪伺服控制技术，提高了激光编码器工作时的抗震动能力。
本发明的另一个目的在于提供一种位移检测器，采用本发明的上述激光编码器，用光学手段读取与一个激光编码盘的旋转角度相对应的编码数据，把这些编码数据转换成与激光编码盘的驱动轴的旋转有关的角位移数据，或进一步把这些角位移数据再转换成与该编码盘的驱动轴的旋转有关的一个线位移量或另一个角位移量。
本发明的又一个目的在于提供一种步进加工方法，采用了本发明的上述激光编码器来测量被加工工件与加工机器之间的相对位置，加工机器的步进量由一个步进转轴来控制，所述的步进转轴位于一个本发明的激光编码盘的中心并与该编码盘的盘面相垂直，或者所述的步进轴与位于所述激光编码盘中心的转轴直接或间接相连；采用光学方法读取该编码器的编码信息，并用这些信息来伺服控制所述步进转轴的转动，进而带动加工工具进行步进加工。
具体地说，根据本发明的一个方面，本发明公开了一种激光编码器，包括a)一个激光光源，用于发出一束光线，射向并穿过一个衍射光珊；b)一个上述的衍射光栅，用于接受所述的光源射出的光线并容许所述的光线穿过，产生衍射光束；c)一个偏振分光棱镜，用于使来自所述的衍射光栅的光线呈线偏振化并沿原来的方向射出；该偏振分光棱镜还将由一个准直透镜返回的光线反射到一个凹透镜；d)一个上述的准直透镜，使来自所述的偏振分光棱镜的极化线偏振光准直化射出；并允许自一个1/4波片返回的光线穿过并投射到所述的偏振分光棱镜；e)一个上述的1/4波片，使来自所述的准直透镜的极化线偏振光转变为椭圆化偏振光；并允许自一个物镜返回的椭圆偏振光穿过，在穿过时将之转变为线偏振光并投射到所述的准直透镜上；f)一个上述的物镜，允许来自上述1/4波片的光线通过并把所述的光线聚焦到一个编码盘；g)一个上述的编码盘，包括一个基层和一个反射层，可绕一个固定的转轴旋转，其表面为可以反射所述激光的反射面，该表面的一部分为来自上述物镜的光被聚焦到所述的编码盘的编码区；所述的编码区为围绕着所述旋转中心的三个互相间隔开的同心的信息轨(track)，其中每个信息轨由多个彼此间隔开的带状单元组成，所述的带状单元是在编码盘表面加工形成的凸台或凹坑区域，所述的凸台或凹坑区域与编码盘表面的其他区域的高度差为所用的激光波长的1/4经所述的基层的折射率修正后的值；h)一个上述的凹透镜，允许由所述的准直透镜返回的、经所述的偏振分光棱镜的反射的光线穿过，并射向一个圆柱透镜；
i)一个上述的圆柱透镜，允许来自上述凹透镜的光线通过，投射并聚焦到一个光电接收器上；j)一个上述的光电接收器，包括至少一个光电接收单元，用于接收来自上述圆柱透镜的光线，将所述光线转变为电信号，并对所述的电信号进行计数。
所述的编码盘按层的顺序，至少包括一个基层和一个反射层。此外，在反射层之外还可包括一个保护层和一个标签层。所述的基层可以是一个聚碳酸酯层，作为编码盘的基础，其厚度应足以使其后的各层在其上顺利地加工制作；所述的反射层可以是一个镀铝层，其厚度应能使所述激光以规定的反射率被反射；所述的保护层的作用是从背面保护反射层，其厚度例如可以是几十微米以上；所述的标签层可以是例如印制的、用于表示产品和商标等有关信息的层面，其材质和厚度不限，只要不影响编码盘整体地运动即可。例如，对于一个实用的数控机床加工设备，如采用本发明的激光编码器，其编码盘上也可以不设标签层。
所述的光电接收单元可以是光电二极管；因此，所述的光电接收器包括至少一个光电二极管，例如包括下面所述的6个光电二极管，这6个光电二极管组成一个光电二极管阵列。该光电二极管阵列例如可以为本发明激光编码器的伺服装置中的一个光电二极管阵列。
编码信息被集成在编码盘的三条信息轨上，这三条信息轨呈以编码盘的圆心为对称的三个半径由小到大的同心圆状，其中每个信息轨由多个彼此分离的带状单元组成。所述的多个带状单元可以是采用蚀刻等方法在编码盘的盘面上加工出来的，这些区域比其它区域相对要低一些，所以可以称它们为坑区(pit)。相对而言，这些坑之外的平坦的区域被称为岸区(land)。三个衍射光束分别照射到这三个信息轨上。有关的线偏振衍射光被聚焦在编码盘上，确切地说，基本上被聚焦在所述的三个信息轨上。从带状单元上反射回的光与从编码盘上其它区域反射回的光由于相位相差180度，因此互相抵消。在这种情况下，总的反射光强度与没有光照射到带状单元的情况相比，强度会下降一些。实现上，光线每经过一个带状单元，所反射光的强度就会下降一次。将这种脉动式的强度下降进行处理并计数，就可以知道带动编码盘的转轴的转动角位移的增量。
可以在所述的三个信息轨中的最外侧和最内侧的两个信息轨上各设置一个与其它带状单元的面积更大的带状单元，即各设置一个较同一信息轨上其它块状区更大的带状单元。设置该两个面积更大的带状单元的位置，使两个1级衍射光束能同时照射到这两个特殊的带状单元，此时反射光的强度会比其它带状单元处的反射光强度更低。所述转轴每转一周，两个1级衍射光束会照射该两个特殊的带状单元一次，借此可以用计数器来计量转轴的转动周数。
信息轨(track)上除上述两个面积更大的标记区(例如上面所述的零位坑状区)外，其他坑状区(pit)的宽度相同。不同信息轨上的坑状区的长度不同时，编码器的分辨率也相应地不同。
下面介绍零位信号的读取当两束光从两个从光点E和F处投射到零位区时，其反射光强度会分别比投射到其它通常的坑区时的反射光强度要弱，因此二者的总的反射光强也会比通常的坑区要弱。用这种现象可以有效地光点的扫描圈数做出计量。也就是说，随着编码盘的旋转，每次两个从光点总反射光强度的下降都可以被理解为编码盘又转了一圈。
可以采用制备光盘的技术和工艺来制备本发明激光编码器的编码盘的这些块状编码区。通常，比较简单的方法是在所述的编码盘表面加工形成凹坑区域，这种方法的刻蚀量较小，比较容易达到较高的加工精度。
根据本发明激光编码器的一个进一步的方面，所述的编码盘的编码区比编码盘的其它区域低，如果从空气到信息轨间没有其它介质时，其高度差应为所用激光波长的1/4。
如果所涉及的光介质合适，介质的两个极化分量相等时，所述的椭圆化偏振光就成为圆偏振光。
根据本发明激光编码器的一个进一步的方面，所述的激光编码器还包括一个伺服装置，用于检查光束在编码盘上的聚焦误差和/或循迹误差状况，根据该聚焦误差状况对物镜做出调整，以便实现对聚焦误差和/或循迹误差的校正。本发明的激光编码器用激光光源与衍射光栅组成一个光源系统。从该光源系统射出多个衍射级次的衍射光，本发明的方案采用的为0级衍射光以及分布在该0级衍射光两侧的两个1级(即±1级)衍射光束。
具体地说，所述的伺服装置至少包括一个循迹线圈和一个聚焦线圈。循迹线圈可根据所述的光电二极管阵列中的某些光电二极管信号的一个第一组合信号对物镜进行伺服控制，使所述的第一组合信号回复到0，使光束不脱离有关的信息轨；所述的聚焦线圈可根据光电二极管阵列中的与上述第一组合信号不同的一个第二组合信号对物镜进行伺服控制，使所述的第二组合信号回复到0，使光束被聚焦在编码盘的表面上。
其中，所述的第一组合信号和第二组合信号分别是由所述的若干个光电二极管信号经过简单的加或减运算后组合出的信号，所采用的加或减运算应使所得的第一组合信号较好地反映所述光束的循迹状态，以及使所得的第二组合信号较好地反映所述光束的聚集状态。
或者，所述的伺服装置可包括一个光电二极管阵列、一个前置放大器、一个比例积分微分控制器、一个驱动器和一个音圈电机；所述的光电二极管阵列可包括6个光电二极管，用于接收有关的光电信号，所述的光电信号依次经过所述的前置放大器、比例积分微分控制器、驱动器和音圈电机后得到相应的处理；所述的音圈电机包括一个循迹线圈和一个聚焦线圈，所述的循迹线圈根据所述的光电二极管阵列中的一个第五光电二极管的信号E和一个第六光电二极管信号F的差值反馈信号TE(TE＝E-F)进行伺服控制，对物镜作出调整，使TE回复到0，使光束不脱离有关的信息轨；所述的聚焦线圈根据一个第一光电二极管A、第二光电二极管B、第三光电二极管C和第四光电二极管D信号组合后的反馈信号FE＝(A+C)-(B+D)进行伺服控制，对物镜6作出调整，使FE回复到0，使光束被聚焦在编码盘上。
根据本发明激光编码器的一个进一步的方面，也可以对所述的激光光源的位置以及出射光的照射方向做出调整，以使光线聚焦在所述的编码盘上。但是，相对而言，调整物镜更容易实现对光束的控制。
根据本发明的另一个方面，本发明公开了一种位移测量方法，采用本发明如上所述的激光编码器，包括a)激光光源发出的光线经过所述的衍射光栅、偏振分光棱镜、准直透镜、1/4波片、物镜后投射到一个编码盘上；b)在所述的编码盘上设置三个以盘心为轴的信息轨，每个信息轨由多个彼此间隔开的带状单元组成，所述的带状是在编码盘表面加工形成的凸台或凹坑形区域，所述的凸台或凹坑形区域与编码盘表面的其它区域的高度差应使从所述的凸台或凹坑形区域反射回的光和从编码盘表面的其它区域反射回的光在相位上相差180度；编码盘在旋转过程中受来自所述物镜的光的照射，并把光线反射回并穿过所述物镜；c)从所述物镜返回的光线经过所述的1/4波片、所述的准直透镜到达所述的偏振分光棱镜，并被所述的偏振分光棱镜反射到所述的凹透镜，并经过所述的凹透镜、圆柱透镜，投射到所述的光电接收器上；d)所述的光电接收器将所接收的光信号转变为电信号，并对所述的电信号进行计数，所述的计数值代表所述的驱动编码盘转动的轴的旋转角位移。
所述的位移测量方法例如可以是将本发明的激光编码器与与一种伺服电机联合工作，将激光编码器作为伺服电机内置的位置反馈单元。通过输出伺服电机转子的位置信息，用于与伺服电机有关的位置检测。
本发明测量方法中所称的位移测量，既包括角位移测量，也包括与驱动所述的激光编码盘旋转的驱动轴的旋转角位移有关的线位移量的测量。
本发明位移测量方法中所移的环境媒质通常为空气，也可以是被密封的其它介质(例如其它气体)，或者为真空。
根据上述位移测量方法的一个进一步的方面，根据所测得的上述角位移值，可以得到与上述转轴直接或间接相连的另一个驱动部件的位移值。所述的这个位移值可以是角位移或线位移。
根据本发明的又一个方面，本发明还公开了一种数控机床加工方法，用于加工一个工件，采用本发明的激光编码器来测量和控制数控机床的运动。所述的加工方法包括根据加工要求先确定一个加工工具(如机床的刀具)的加工曲线，再将此加工曲线转变为本发明激光编码器的编码盘的转轴的转角数据，其特征在于包括a)激光光源发出的光线经过所述的衍射光栅、偏振分光棱镜、准直透镜、1/4波片、物镜后投射到一个编码盘上；b)在所述的编码盘上设置三个以盘心为轴的信息轨，每个住处轨由多个彼此间隔开的带状单元组成，所述的带状是在编码盘表面加工形成的凸台或凹坑形区域，所述的凸台或凹坑形区域与编码盘表面的其它区域的高度差应使从所述的凸台或凹坑形区域反射回的光和从编码盘表面的其它区域反射回的光在相位上相差180度；编码盘在旋转过程中受来自所述物镜的光的照射，并把光线反射回并穿过所述物镜；c)从所述物镜返回的光线经过所述的1/4波片、所述的准直透镜到达所述的偏振分光棱镜，并被所述的偏振分光棱镜反射到所述的凹透镜，并经过所述的凹透镜、圆柱透镜，投射到所述的光电接收器上；d)所述的光电接收器将所接收的光信号转变为电信号，并对所述的电信号进行计数，所述的计数值代表所述的驱动编码盘转动的轴的旋转角位移；(e)将所得的旋转角位移值进行负反馈，输入数控机床的一个主控单元，根据加工要求驱动所述的转轴或一个与该转轴相关联的驱动部件对所述的待加工工件进行加工。
所述的一个加工工具(如机床的刀具)的加工曲线，指加工工具相对于待加工工件的相对加工路径。所述的编码盘的转轴的转角数据，指根据加工要求对所述转轴的转角做的相对于加工方面的设定，例如相对于加工时间和/或加工工工具位移量的设定。
我们把出自衍射光栅的两个分开的1级衍射信号称为PA信号，把位于两个PA信号之间的0级衍射信号称为PB信号。
所述的光源为一个激光光源。优选地，所述的光源可以为一个激光发光二极管。采用激光光源能够提高位移测量和/或数控加工的精度。
本发明的三束检测光束设计与光盘所用的三光束设计相似，也是两个1级衍射光束(从光点)分列在0级衍射光束(中心光点)的两侧。
采用物镜将激光束聚焦到编码盘的多个加工成坑状的信息道上。偏振分光棱镜中的一个两路棱镜将从编码盘上反射回的光反射到所述的光电检测二极管阵列上。
所述的光电检测二极管阵列的一个中间区域可以用来检测中心光点信息，而用位于该中间区域两侧的两个区域来检测有关的从光点(satellite spot)信息。
在本发明的数控机床加工方法，例如可以是将本发明的激光编码器作为一种数控机床的驱动轴的检测反馈环节进行位置采样，将其转动的角度量转换成脉冲信号，提供给伺服系统的主控单元实现位置伺服控制。
本发明的激光编码器、采用该激光编码器的位移测量方法以及数控机床加工方法相对于已有技术的优点在于，采用伺服技术保护了信号获取的准确性，对编码盘的制造要求有所降低，相应地降低了编码盘的制造成本。同时，所采用的光路结构较为紧凑，除物镜外其它部件都可以在光路结构调整完成后予以固定，因此在使用中容易保证其精度。
本发明采用下面的示意图来介绍本发明的背景技术以及本发明的激光编码器及其在位移测量和数控机床加工方面的应用。其中图1为已有技术典型的旋转式光学增量型编码器示意图；图2为已有技术的一种激光增量型编码器示意图；图3为已有技术自动聚焦激光编码器的光路图；图4为本发明激光编码器的光路示意图；图5为本发明激光编码盘的信息轨(track)示意图；图6为本发明激光编码器的编码盘的示意图；图7为本发明激光编码盘中光电接收器的一个示意图；图8为n＝1时激光光束照射在编码盘中的信息轨上的示意图；图9为n＝2时激光光束照射在编码盘中的信息轨上的示意图；图10为n＝2时的编码盘的示意图；图11示出了信号PA和PB的频率特性；图12为循迹伺服环及聚焦伺服环的示意图；图13为采用本发明的激光编码器进行位移测量以及数控机床加式的一个示意图。
具体实施方式
图1至图3相应地介绍了本发明的背景技术的一些方面；图4至图11介绍了本发明所述装置和方法的各个方面。
图4示出了本发明激光编码器的光路。图中，数字标号1表示一个激光光源，2表示一个衍射光栅，3表示一个偏振分光棱镜，4表示一个准直透镜，5表示一个1/4波片，6表示一个物镜，7表示一个编码盘，8表示一个凹透镜，9表示一个圆柱透镜，10表示一个光电二极管阵列，7A表示一个循迹线圈，7B表示一个聚焦线圈。如图所示，出自衍射光栅(2)的光线经过偏振分光棱镜3、准直透镜4、1/4波片5、物镜6后被聚焦到编码盘7上，又从编码盘7被反射，经所述的物镜6、1/4波片5、准直透镜4后回到偏振分光棱镜3，并被偏振分光棱镜3反射，经一个凹透镜8、圆柱透镜9后被聚焦到一个光电接收器10上。所述的光电接收器10可以是一种用于检测光信号的光电二极管阵列。
具体地说，图4中所示出的激光编码器，包括a)一个激光光源1，用于发出一束光线，射向并穿过衍射光珊2；b)一个上述的衍射光栅2，用于接受所述的光源射出的光线并容许所述的光线穿过，产生衍射光束；c)一个偏振分光棱镜(PBS)3，用于使来自所述的衍射光栅2的光线呈线偏振化并沿原来的方向射出；该偏振分光棱镜3还将由一个准直透镜4返回的光线反射到一个凹透镜8；d)一个上述的准直透镜4，使来自所述的偏振分光棱镜3的极化线偏振光准直化射出；并允许自一个1/4波片5返回的光线穿过并投射到所述的偏振分光棱镜3；e)一个上述的1/4波片5，使来自所述的准直透镜4的极化线偏振光转变为椭圆化偏振光；并允许自一个物镜6返回的椭圆偏振光穿过，在穿过时将之转变为线偏振光并投射到所述的准直透镜4上；f)一个上述的物镜6，允许来自上述1/4波片5的光线通过并把所述的光线聚焦到一个编码盘7；g)一个上述的编码盘7，可绕一个固定的转轴旋转，其表面为可以反射所述激光的反射面，该表面的一部分为来自上述物镜6的光被聚焦到所述的编码盘7的编码区；所述的编码区为围绕着所述旋转中心的三个互相间隔开的同心的信息轨(track)，其中每个信息轨由多个彼此间隔开的带状单元组成，所述的带状单元是在编码盘表面加工形成的凸台或凹坑区域，所述的凸台或凹坑区域与编码盘表面的其他区域的高度差为在环境媒质下折算后为所用的激光波长的1/4；h)一个上述的凹透镜8，允许由所述的准直透镜4返回的、经所述的偏振分光棱镜3的反射的光线穿过，并射向一个圆柱透镜9；i)一个上述的圆柱透镜9，允许来自上述凹透镜8的光线通过，投射并聚焦到一个光电接收器10上；j)一个上述的光电接收器10，接收来自上述圆柱透镜9的光线，将所述光线转变为电信号，并对所述的电信号进行计数。
如图4中所示，所述的伺服装置包括一个循迹线圈7A和一个聚焦线圈7B，所述的循迹线圈7A根据所述的光电二极管阵列11a中的一个第五光电二极管E和一个第六光电二极管F信号的差值反馈信号TE(TE＝E-F)进行伺服控制，对物镜6的方向作出调整，使TE回复到0，使光束不脱离有关的信息轨；所述的聚焦线圈7B根据光电二极管A、B、C和D信号组合后的反馈信号FE＝(A+C)-(B+D)进行伺服控制，对物镜6的位置作出调整，使FE回复到0，使光束被聚焦在编码盘上。
如图12中所示，根据本发明激光编码器的一个进一步的方面，该激光编码器还可包括一个伺服装置，该伺服装置包括一个光电二极管阵列11a(该光电二极管阵列11a同时也是所述的光电接收器的组成部分)，一个前置放大器11b，一个比例积分微分控制器11c，一个驱动器11d，一个音圈电机(VCM)11e；所述的光电二极管阵列11a又包括6个光电二极管，用于接收有关的光电信号，所述的光电信号依次经过所述的前置放大器11b、比例积分微分控制器11c、驱动器11d和音圈电机11e后得到相应的处理，所述的音圈电机11e包括一个循迹线圈(7A)和一个聚焦线圈(7B)，所述的循迹线圈(7A)根据光电二极管E和F信号的差值反馈信号TE(TE＝E-F)进行伺服控制，对物镜6的方向作出调整，使TE回复到0，使光束不脱离有关的信息轨；所述的聚焦线圈(7B)根据光电二极管A、B、C和D信号组合后的反馈信号FE＝(A+C)-(B+D)进行伺服控制，对物镜6的位置作出调整，使FE回复到0，使光束被聚焦在编码盘上。
图5中示出了本发明激光编码器的编码盘7，其中由内向外设置了三条同心环状的信息轨7a、7b和7c，其中每条信息轨由多个彼此分离的与周围不同的带状单元组成。比较优先的方式是，采用本领域常用的蚀刻法来加工出坑状的带状单元，其中带状单元比其周围要低1/4波长。
在实际中，如果需要在编码盘上涂膜，则需要考虑光程的变化，相应地对需要对所述的带状单元的深度做出修正。
下面结合图6介绍本发明激光编码器的编码盘，以及如何根据编码盘的镀膜来确定坑区的深度。
图6为本发明激光编码器的编码盘的横截面示意图。图中的编码器包括4个层，即透明基层、反射层、保护层和标签层。透明基层可由聚碳酸酯构成，厚度可为约1.2mm；反射层可通过真空蒸铝或阴极溅铝工艺来制备，厚度可为50-100nm；保护层可为6至7微米的丙烯酸层；标签层的作用是在其上加上商业标记，对其材质和厚度没有严格的要求，只要不影响所述编码盘的正常工作即可。激光束通过透明的聚碳酸酯底层入射，坑区(Pit)深度大约为0.1um，0.5um宽。透明基层的折射率可为1.55±0.10。
下面介绍如何确定编码盘的信息轨中坑区的深度或岸区的高度。
当激光束打到岸区和附近的区域时，所有反射光都是同相位。当激光束打到坑区和附近的区域时，从坑区域得到的反射光增加2×14λ=12λ]]>的相移，这会导致从坑区域反射光将抵消附近区域的反射光。这就意味着这时从光盘反射光的总强度将显著降低。所以，坑区到岸区之间的距离，在不改变介质折射率的情况下应为激光波长的 在实际中，如采用砷化铝镓GaAlAs激光二极管，其在空气中的波长λ为780nm，此时因为信息轨和空气媒质中间还存在聚碳酸酯基层。当激光束入射到聚碳酸酯层后，由于折射率改变，聚碳酸酯层的折射率n2＝1.55，所以等效波长为780nm/1.55＝503nm，而坑区的深度应该计算得出14λ=14×0.78um1.55=0.13um]]>因此在实际中，坑区的深度要经过介质层折射率的修正。重要的是，所得的深度应使从坑区或岸区反射回的光与从编码盘上其它区域反射回的光相比，在相位上相差180度。
从半导体激光器发出的是波长λ为780nm的椭圆形的具有一定发散角的线偏振光。经过偏振分光棱镜3和1/4波片5(光轴和入射的线偏振光成45’角)后形成圆偏振光，通过准直镜4后再通过物镜6聚焦到编码盘7上。从编码盘7的盘面上反射的圆偏振光穿过物镜6，再次通过1/4波片5形成了与垂直于原反射光的线偏振光。这时，出射线偏振光在入射线偏振光方向上偏转了90’，此时的激光束不再通过偏振分光棱镜3，而是通过偏振分光棱镜3反射到光电接收器10上。
编码盘7的信息区位于偏码盘7较为中间的区域。例如，可以采用一个120mm的光盘作为激光编码盘。当采用这样的激光编码盘时，可以将三个信息轨设定在直径为50mm至116mm之间处。
优选的方案是三个信息轨7a、7b和7c的坑状区的宽度都为0.5μm。当采用780nm波长的激光时，坑深为如上所述的0.13μm。
图7示出了采用本发明激光编码器的一个光电接收器10中的6个光电二极管，用来接收光电信号。其中，两个光电二极管E和F分别用于接收来自两侧的信息轨7a和7c的从光点(satellite spots)的反射信号以及循迹误差信号TE，其中将TE设定为E和F两个光电二极管所接收的光电信号的差值，即TE＝E-F；其中该反射信号用PA表示，即PA＝E+F；另外四个光电二极管A、B、C和D用于检测主光束，得到聚焦误差信号FE以及PB信号；其中，E和F之间的四个光电二极管A、B、C和D用于接收来自中间信息轨的反射光信号，即PB＝A+B+C+D。实际中，各光电二极管的位置可以并非如图6所示那样紧挨着，而是可以分散开距离。
为使本发明的激光编码器具有更好的抗震动性能，可以采用一个伺服控制环对其进行离焦和/或离轨纠正，也就是说，进行循迹伺服和聚焦伺服控制。
由于主轴的偏心和旋转时对于编码盘的影响，系统在聚焦方向和循迹方向上存在误差，允许误差值是根据光学读取原理及所存储的信息类型而定。
采用本发明的激光编码器时，为实现较好的测量和加工效果，希望激光束在聚焦方向上的允差约为1um，径向循迹方向的允差约为0.1um。如此小的容许偏差显然不能单纯依靠提高机械精度的办法来实现，必须在系统中设置确保光点正确跟踪目标信息轨的伺服系统。本方案中采用了聚焦伺服和循迹伺服。
聚焦伺服环中，Ddisc代表所期望的编码盘到物镜的距离。由于旋转时编码盘周期性的上下波动，实际距离将会产生变化；Dol反映了由于主光点移动导致的距离变化。
循迹伺服环中，Ddisc代表所期望的两个从光点的位置。由于编码盘在旋转时会出现周期性左右摆动，两个从光点落在目标信息轨的实际位置也在变化。用参数Dol来反映由于两个从光点随机移动导致的光点相对于两侧的信息轨上位置的变化。
采用常见的象散法聚焦方式，以产生一个聚焦误差信号(FE)。投射到光电二极管阵列(A、B、C、D、E和F)的光点随着编码盘离焦量的大小改变着形状。将FE信号为四象限光电二极管的斜向两者之和的差值，即FE＝(A+C)-(B+D)。实际情况表明，这个量比较精确地反映了光束在编码盘上的聚集状态。
如果编码盘距离物镜太近，则FE＞0；如果编码盘处于聚焦范围内，FE＝0；如果编码盘距离物镜太远，FE＜0.
在聚焦范围的附近，FE近似线性，可以提供很好的反馈信号给伺服环。
可以采用三点跟踪方式来提供一个循迹误差信号(TE)，通过检测聚焦到编码盘面上的三点信号，这三个点的分布是主光点(central spot)处于中间信息轨的正中央，而两个从光点分布在两侧信息轨的稍外处，参见图4。
当主光点位于中间信息轨的中央时，两个从光点稍微偏离各自的信息轨中央，等距离分布于主光点的两侧。光电接收器10中的光电二极管阵列中相应的两个信号相等，信号E和F的差值为TE＝E-F＝0。当主光点稍微偏离中间信息轨的中央时，两个从光点的强度变化导致光电二极管的E信号增大，同时F信号减小，TE＞0；相反的，当主光点向相反方向稍微偏离中间信息轨的中央时，两个从光点的强度变化导致光电二极管的E信号减小，同时F信号增大，TE＜0；
在循迹信号范围的附近，TE近似线性，可以提供很好的反馈信号给伺服环。
按照静态增益要求，在选择了光电二极管11a、前置放大器11b和驱动器11d以及音圈电机11e的模型后，可以采用比例积分微分控制校正(PID校正)作为相位补偿和调整伺服增益的手段。
下面进一步说明本发明的激光编码器及其在位移测量方法及数控机床加工方法中的一些技术特色。
设置本发明的激光编码器时，需要对其工作频率作出适当的选择，装置的有关性能参数会随装置的工作频率而改变。图11示出了本发明激光编码器在工作时，内部的信号PA和PB随频率而变的特性。
实验表明，反射光电信号的幅度A(或者强度)在低频范围内基本上不随频率而变，而在高频时却随频率的提高而降低。对本发明的装置和方法而言，信号强度开始下降的频率f1约为196kHz，2/3幅值时的频率f2约为720kHz。因此，如果信号频率响应大于196kHz时，应根据信号的频率特性对信号的输出进行校正，用以确定零位信号的阈值。
本发明所公开的编码器和常规增量型编码器一样，同样具有光源、传感接收部件(如光电二极管)和一个具有信息轨的圆形的编码盘。但本发明的编码器与已有技术相比还是有很大不同的1.传感原理不同于常规的编码器。没有采用直接接收光电信号方式，而采用了接收基于CD技术的编码盘面的反射光方式；2.读取原理是基于激光衍射基础之上的。激光用作了光源，取代了常见的发光二极管光源；3.编码盘的设计可以用类似于CD盘的盘状体作为编码盘，这将使得编码器的总体成本下降；4.光路元件除了物镜外，全部封装在一起，紧凑而且低成本，将会使总体成本降低。
本发明激光编码盘的技术效果可以从编码盘对角位移的分辨率测量指标的改善来体现出来。
本发明编码盘的分辨率既取决于编码盘上信息轨直径的大小，也取决于坑(pit)和台阶(land)的长度。
由于光路的设计原因，主光点与两个从光点之间的距离是固定的，因此可以通过坑区(pit area)和岸区(land area)的长度和信息轨的直径来确定装置的分辨率。
一般地说，为使信号PA和PB之间有90度的相位差，需要满足2×D2＝(2n-1)×(Lpit+Lland) (1)
其中n表示在一个光点扫描周期内坑区或岸区重复的次数，即主光点(central laser spot)与相邻的两个从光点之中的一个之间的一段弧线所经过的光点的数量。实际中，由于中间的主光点和位于主光点两侧的两个从光点与编码盘的直径基本相同，所以所述的三条信息轨是贴得非常近的三条弧线，可以近似地把主光点与一个相邻的从光点之间的弧线视为所述的三条信息轨中的一条信息轨中的一段。D2表示主光点与两侧的从光点之间的距离，Lpit表示坑区长度，Lland表示岸区长度。
装置分辨率是由下面的方法来决定的。在实际中，可以设定坑区和岸区的长度相等，即Lpit＝Lland＝L，坑区或岸区的长度为；所以，L(um)=D22n-1(um)(n=1,2,···)---(2)]]>坑区和岸区的长度的选择应当比中间激光光点的直径更大。相应地，编码盘的分辨率为R=πD2L,]]>即R=(2n-1)×πD2D2---(3)]]>其中，D为所用的编码盘上信息轨的直径。由于有关的三条信息轨的间距远远小于信息轨的直径(例如当中间的信息轨的直径为80mm或120mm时，相邻的两条信息轨之间的间距例如可以为1.6μm)，因此可以近似地认为这三条信息轨的真径是相同的。
图8中示出了激光光束照射在编码盘中的信息轨上的状态，其中n＝1，即主光点落在一个坑区时，相邻的一个从光点落在一个相邻的坑区上，二者之间没有跨越别的坑区。图7中，3个黑圆点表示光通过光源系统中的衍射光栅后落在编码盘上的三光点。黑的矩形块表示编码盘上的坑槽。
例如，当编码盘中的信息区的内侧的信息轨的直径D为50mm时，D2＝20um，并且n＝1(见图7)，根据公式(2)和(3)，相应的坑区长度为L(um)=D22n-1=20(um)]]>并且相应的分辨率为R=πD×(2n-1)2D2=π×50×1mm2×20um=3,927.]]>另一个例子，为得到更高的分辨率，可以设计主光点和从光点的间距跨越1个或1个以上的光一个光点扫描周期跨越同一信息轨上两个或以上的坑区(或岸区)，即，编码盘的分辨率也会相应地变化。
图9中示出了n＝2(即当主光点落在一个信息轨上的一个坑区时，相邻的一个从光点落在另一个信息轨上的一个坑区上，二者之间还有一个坑区，即二者之间跨越了两个坑区)时，激光光点照射在编码盘的信息轨上的状态。
在图8中所示的实施例中，n＝2，根据公式(2)和(3)，相应的坑长为L(um)=D22n-1=6.67(um)]]>并且相应的分辨率R=(2n-1)×πD2D2=3×π×50mm2×20um=11,781]]>因此，n值加大提高了本发明激光编码盘的分辨率。
当然，这种情况下零位信号(index signal)区的形状应当为下面的图9所反映的那样。在图9中，两侧的信息轨上的零位信号区不象图5中那样为相邻一排的带状单元，而是分别位于隔开了一排的两个带状单元。
本发明还公开了采用上述激光编码器的位移测量方法和数控机床加工方法。
可以根据本发明激光编码器的编码盘的转动时编码器所得的脉冲计数，得到编码盘的旋转角位移。
另外，还可根据如上所得的角位移值，对另一个装置的转动的角位移值或平动的线位移值，或者对该装置的一个用二维以上的空间中的数组来描述的位移值进行测量。其方法的特征在于，将本发明激光编码器的编码盘的转轴与所述的一个位移量待测的装置联动，根据二者的联动关系以及本发明所述编码盘的角位移量，推算出该装置的位移量。
实现本发明数控机床加工方法的一个例子是，使本发明激光编码器的编码盘的转轴与数控机床的驱动装置联动，根据二者的联动关系以及本发明所述编码盘的角位移量以及所述数控机床的驱动装置的加工曲线，来反馈控制所述数控机床的运动，实现高精度的加工。
参见图13，图13为采用本发明的激光编码器进行位移测量以及数控机床加式的一个示意图。图中，数字标号131表示一个本发明的激光编码器；132表示一个数控机床的主控单元；133表示一个速度控制器；134表示一个电流控制器；135表示一个协调器，；136表示一个功率组件，接受电流控制器的命令与编码器的反馈信息进行比较运算，驱动后续的136；137表示一个交流伺服电机；138表示一个电流测量电路；139表示一个旋转变压器；140表示一个齿轮箱；141表示一个机床工作台。该数控机床在工作时，将交流伺服电机137的转子位置、由电流测量电路138测得的供给电流控制器134的电流实际值、由旋转变压器139测量得的供给速度控制器133的速度实际值，以及由本发明激光编码器131测得的供给数控机床主控单元132的位移实际值等四个量进行负反馈，馈送到数控机床的主控单元上，对数控机床的工作进行控制。在图13所示的装置中，激光编码器131对数控机床的驱动轴的转动角进行位移采样，并将该转动角信号转换成脉冲信号，提供给所述的数控机床的主控单元132进行位移的伺服控制。位移控制的任务是由所述的主控单元132精确地控制数控机床上各个坐标轴的位置。所述装置的一种实现形式是，将本发明的激光编码器安装在机床工作台上作为位移传感器，将机械位移转换为数字脉冲，并将这些脉冲值送至主控单元的位置位置测量接口，由计数器进行计数。所述的主控单元132中的计算机周期尾地对该位移实际值的反馈信号进行采样，并将该采样反馈值与一个差补程序所输出的结果进行比较，得到一个位置误差值。该位置误差值经过一个软件进行增益调整后，传输给一个数模转换器，从而为伺服装置提供控制电压，驱动工作台向减小位置误差的方向进行移动。
申请人在上面示例性地给出了本发明的三类技术方案。本领域普通技术人员不难根据上述内容，对本发明的激光编码盘以及所述的位移测量方法及数控机床加工方法之间的关系作出合理的推广。
权利要求
1，一种激光编码器，包括a)一个激光光源(1)，用于发出一束光线，射向并穿过一个衍射光珊(2)；b)一个上述的衍射光栅(2)，用于接受所述的激光光源射出的光线并容许所述的光线穿过，产生衍射光束；c)一个偏振分光棱镜(3)，用于使来自所述的衍射光栅(2)的光线呈线偏振化并沿原来的方向射出；该偏振分光棱镜(3)还将由一个准直透镜(4)返回的光线反射到一个凹透镜(8)；d)一个上述的准直透镜(4)，使来自所述的偏振分光棱镜(3)的极化线偏振光准直化射出；并允许自一个1/4波片(5)返回的光线穿过并投射到所述的偏振分光棱镜(3)；e)一个上述的1/4波片(5)，使来自所述的准直透镜(4)的极化线偏振光转变为椭圆化偏振光；并允许自物镜(6)返回的椭圆偏振光穿过，在穿过时将之转变为线偏振光并投射到所述的准直透镜(4)上；f)一个上述的物镜(6)，允许来自上述1/4波片(5)的光线通过并把所述的光线照射并聚焦到一个编码盘(7)；g)一个上述的编码盘(7)，可绕一个固定的转轴旋转，其表面为可以反射所述激光的反射面，该表面的一部分为来自上述物镜(6)的光被聚焦到所述的编码盘(7)的编码区；所述的编码区为围绕着所述旋转中心的三个互相间隔开的同心的信息轨，其中每个信息轨由多个彼此间隔开的带状单元组成，所述的带状单元是在编码盘(7)表面加工形成的凸台或凹坑区域，所述的凸台或凹坑区域与编码盘表面的其他区域的高度差应使从所述的凸台或凹坑形区域反射回的光和从编码盘表面的其它区域反射回的光在相位上相差180度；h)一个上述的凹透镜(8)，允许由所述的准直透镜(4)返回的、经所述的偏振分光棱镜(3)的反射的光线穿过，并射向一个圆柱透镜；i)一个上述的圆柱透镜(9)，允许来自上述的凹透镜(8)的光线通过，投射并聚焦到一个光电接收器(10)上；j)一个上述的光电接收器(10)，包括至少一个光电接收单元，用于接收来自上述圆柱透镜(9)的光线，并将所接收的光信号转变为电信号，并对所述的电信号进行计数。
2，如权利要求1所述的激光编码器，还包括一个伺服装置，该伺服装置包括一个循迹线圈(7A)和一个聚焦线圈(7B)，所述的循迹线圈(7A)根据所述的光电二极管阵列(11a)中的一个第五光电二极管(E)和一个第六光电二极管(F)信号的差值反馈信号TE＝E-F进行伺服控制，对物镜6的方向作出调整，使TE回复到0，使光束不脱离有关的信息轨；所述的聚焦线圈(7B)根据光电二极管A、B、C和D信号组合后的反馈信号FE＝(A+C)-(B+D)进行伺服控制，对物镜6的位置作出调整，使FE回复到0，使光束被聚焦在编码盘上。
3，如权利要求1所述的激光编码器，还包括一个伺服装置，该伺服装置包括一个光电二极管阵列(11a)，一个前置放大器(11b)，一个比例积分微分控制器(11c)，一个驱动器(11d)，一个音圈电机(11e)；所述的光电二极管阵列(11a)又包括6个光电二极管，用于接收有关的光电信号，所述的光电信号依次经过所述的前置放大器(11b)、比例积分微分控制器(11c)、驱动器(11d)和音圈电机(11e)后得到相应的处理；所述的音圈电机11e包括一个循迹线圈(7A)和一个聚焦线圈(7B)，所述的循迹线圈(7A)根据所述的光电二极管阵列(11a)中的一个第五光电二极管(E)和一个第六光电二极管(F)信号的差值反馈信号TE＝E-F进行伺服控制，对物镜(6)的方向作出调整，使所述的差值反馈信号TE回复到0，使光束不脱离有关的信息轨；所述的聚焦线圈(7B)根据光电二极管A、B、C和D信号组合后的反馈信号FE＝(A+C)-(B+D)进行伺服控制，对物镜(6)的位置作出调整，使组合后的反馈信号FE回复到0，使光束被聚焦在编码盘上。
4，一种位移测量方法，采用权利要求1或2所述的编码盘，其中(1)激光光源(1)发出的光线经过所述的衍射光栅(2)、偏振分光棱镜(3)、准直透镜(4)、1/4波片(5)、物镜(6)后投射到一个编码盘(7)上；(2)在所述的编码盘(7)上设置三个以盘心为轴的信息轨，每个信息轨由多个彼此间隔开的带状单元组成，所述的带状是在编码盘(7)表面加工形成的凸台或凹坑形区域，所述的凸台或凹坑形区域与编码盘(7)表面的其它区域的高度差应使从所述的凸台或凹坑形区域反射回的光和从编码盘表面的其它区域反射回的光在相位上相差180度；编码盘在旋转过程中受来自所述物镜(6)的光的照射，并把光线反射回并穿过所述物镜(6)；(3)从所述物镜(6)返回的光线经过所述的1/4波片(5)、所述的准直透镜(4)到达所述的偏振分光棱镜(3)，并被所述的偏振分光棱镜(3)反射到所述的凹透镜(8)，并经过所述的凹透镜(8)、圆柱透镜(9)，投射到所述的光电接收器(10)上；(4)所述的光电接收器(10)将所接收的光信号转变为电信号，并对所述的电信号进行计数，所述的计数值代表所述的驱动编码盘(7)转动的轴的旋转角位移。
5，如权利要求4所述的方法，其中采用一个伺服装置检查光束在编码盘(7)上的聚焦误差和/或循迹误差状况，并根据该聚焦误差和/或循迹误差状况对物镜做出调整，使激光光束聚焦在所述的编码盘的信息轨上。
6，如权利要求4中所述的方法，根据所测得的上述角位移值，得到与上述转轴直接或间接相连的另一个驱动部件的位移值。
7，如权利要求5中所述的方法，根据所测得的上述角位移值，得到与上述转轴直接或间接相连的另一个驱动部件的位移值。
8，一种数控机床加工方法，用一个数控机床来加工一个工件，并采用如权利要求1或2所述的激光编码器来测量和控制数控机床的运动；所述的加工方法包括根据加工要求先确定一个加工工具的加工曲线，再将此加工曲线转变为本发明激光编码器的编码盘的转轴的转角数组，其特征在于包括a)激光光源(1)发出的光线经过所述的衍射光栅(2)、偏振分光棱镜(3)、准直透镜(4)、1/4波片(5)、物镜(6)后投射到一个编码盘(7)上；b)在所述的编码盘(7)上设置三个以盘心为轴的信息轨，每个信息轨由多个彼此间隔开的带状单元组成，所述的带状是在编码盘表面加工形成的凸台或凹坑形区域，所述的凸台或凹坑形区域与编码盘表面的其它区域的高度差应使从所述的凸台或凹坑形区域反射回的光和从编码盘表面的其它区域反射回的光在相位上相差180度；编码盘(7)在旋转过程中受来自所述物镜(6)的光的照射，并把光线反射回并穿过所述物镜(6)；c)从所述物镜(6)返回的光线经过所述的1/4波片(5)、所述的准直透镜(4)到达所述的偏振分光棱镜(3)，并被所述的偏振分光棱镜(3)反射到所述的凹透镜(8)，并经过所述的凹透镜(8)、圆柱透镜(9)，投射到所述的光电接收器(1 0)上；d)所述的光电接收器(10)将所接收的光信号转变为电信号，并对所述的电信号进行计数，所述的计数值代表所述的驱动编码盘(7)转动的轴的旋转角位移；e)将所得的旋转角位移值进行负反馈，输入数控机床的一个主控单元(132)，根据加工要求驱动所述的转轴或一个与该转轴相关联的驱动部件对所述的待加工工件进行加工。
全文摘要
本发明公开了一种激光编码器，包括一个激光光源、衍射光栅、偏振分光棱镜、准直透镜、1/4波片、物镜、编码盘、凹透镜、圆柱透镜和光电接收器，其中编码盘可绕一个位于中心的固定转轴旋转，其表面为可以反射所述激光的反射面，其上设置三组同心环状的信息轨，其中每组信息轨由多个彼此间隔开的带状单元组成，所述的带状单元是在编码盘表面加工形成的、与编码盘表面的其他区域的高度差应使从所述的凸台或凹坑形区域反射回的光和从编码盘表面的其它区域反射回的光在相位上相差180度的凸台或凹坑区域。本发明还公开了一种采用上述激光编码器的位移测量方法以及数控机床加工方法。
文档编号G01D5/38GK1873377SQ20051007235
公开日2006年12月6日 申请日期2005年5月31日 优先权日2005年5月31日
发明者王广玉, 何明晰, 孟尔平, 曼弗雷德·勃姆 申请人:西门子(中国)有限公司