绝对位置测量方法
【专利摘要】绝对位置测量方法，涉及一种绝对位置测量方法，解决现有方法只适用于曼彻斯特编码方式，且需要扫描附加的编码、附加专门用于检错的编码，进而导致编码的利用率低等问题，本发明通过对同一编码单元在多个光敏感单元上所反映出的光学特性进行表决，并读取相邻的多个绝对位置编码，可以给后续设备提供可靠的绝对位置信息以及当前位置的污染状况。如果当前位置的污染状况超出可纠正范围时，位置测量装置停止给后续设备提供绝对位置信息并给出警报。通过选定某个光敏感单元作为测量点，可以提高测量分辨率。
【专利说明】绝对位置测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种绝对位置测量方法。
【背景技术】
[0002]位置测量装置广泛应用在加工、测量行业，无论任何形式的应用，都要求位置测量装置具有极高的可靠性。
[0003]绝对位置测量装置能够在上电时直接得到当前位置信息，无需寻找零位，因此被越来越广泛的应用。
[0004]绝对位置测量装置将位置信息包含在绝对位置编码中。绝对位置编码由编码单元在测量方向上按照一定方式排列组成，固定数量的编码单元构成一个绝对位置编码，唯一对应测量方向上的一个位置信息，此信息连续的分布在测量方向上。
[0005]绝对位置测量装置可能由于绝对位置编码所依附介质的局部污染，导致读数设备得到的编码失真，从而造成译码后得到的位置信息与实际位置信息有巨大差别，可能对加工设备造成巨大伤害。
[0006]在申请号为03159811.0的专利中提出了一种纠错方法，基于曼彻斯特编码的电信号互补性来探测污染，再通过扫描附加的编码来得到正确的位置。此专利只适用于曼彻斯特编码方式，对其他编码方式无效；此专利需要扫描附加的编码，那么就需要在绝对位置编码的基础上附加专门用于检错的编码，因此降低了编码的利用率，例如在其实施例中，使用了六位的编码，仅代表了八个不同位置。此外，上述专利内容所介绍的方法仅能得到绝对位置编码，因此该方法所得到的绝对位置是以编码单元在测量方向上的长度为最小分辨率。
【发明内容】
[0007]本发明为解决现有方法只适用于曼彻斯特编码方式，且需要扫描附加的编码、附加专门用于检错的编码，进而导致编码的利用率低等问题，提供一种绝对位置测量方法。
[0008]绝对位置测量方法，该方法由以下步骤实现:
[0009]步骤一、采用光敏感单元阵列扫描相邻的多个绝对位置编码，其中每个绝对位置编码包含唯一的位置信息，该位置信息在测量方向上连续排列，每个绝对位置编码由固定数量的编码单元组成，每个编码单元具有透光或是不透光的光学特性；
[0010]步骤二、将光敏感单元阵列的每个光敏感单元扫描得到的信号提供给二值化模块，所述二值化模块将所述信号与某一固定值对比，获得每个光敏感单元所对应的编码单元的光学特性；
[0011]步骤三、采用光敏感单元阵列中多个光敏感单元扫描同一编码单元，通过扫描结果对所述同一编码单元的光学特性进行表决，按照少数服从多数的原则，确定所述同一编码单元的光学特性；
[0012]步骤四、根据扫描范围内编码单元的光学特性，获得扫描范围内的所有绝对位置编码，查表得出所有绝对位置编码对应的位置信息；
[0013]步骤五、选定光敏感单元阵列中某个光敏感单元作为测量点，将所有绝对位置编码对应的位置信息平移到该测量点处，完成对该测量点的多次测量；并对所述多次测量结果进行表决，按照少数服从多数的原则，确定该测量点的绝对位置信息。
[0014]本发明的有益效果:本发明通过对编码单元对应多个光敏感单元所的光学特性进行表决，按照少数服从多数的原则确定该编码单元光学特性。依照此种方法可以使对位置测量装置在测量方向上宽度小于光敏感单元宽度的污染不敏感。此外，该方法不依赖于编码本身的互补性，因此适用于包括曼彻斯特编码方式在内的多种编码方式。本发明通过扫描相邻的多个位置编码，按照少数服从多数的原则，所述的方法提高抗污染能力，因此无需添加额外的抗污染编码，提高了编码利用率。对于大长度的绝对位置测量，通常需要较高的编码位数，提高编码利用率会直接降低编码设计难度。
[0015]本发明选定任意一个光敏感单元作为测量点，测量结果的分辨率为光敏感单元的大小。因此本方法所得测量结果的分辨率不依赖于编码单元在测量方向上的长度，因此对于同样的测量长度，可以降低编码位数，从而降低编码设计难度。此外，由于半导体技术的飞速发展，光敏感单元尺寸越来越小，使用本方法对于提高绝对位置的分辨率非常有效。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明所述的绝对位置测量方法中模块构成示意图及无污染时的测量情况
[0017]图2为本发明所述的绝对位置测量方法中绝对位置编码所对应的位置信息示意图；
[0018]图3为本发明所述的绝对位置测量方法中有污染时但不影响测量结果的情况示意图；
[0019]图4为本发明所述的绝对位置测量方法中有污染时并影响测量结果的情况示意图。
【具体实施方式】
[0020]【具体实施方式】一、结合图1说明本实施方式，绝对位置测量方法，
[0021]步骤一、采用光敏感单元阵列扫描相邻的多个绝对位置编码，其中每个绝对位置编码包含唯一的位置信息，该位置信息在测量方向上连续排列，每个绝对位置编码由固定数量的编码单元组成，每个编码单元具有透光或是不透光的光学特性；
[0022]步骤二、将光敏感单元阵列的每个光敏感单元扫描得到的信号提供给二值化模块，所述二值化模块将所述信号与某一固定值对比，获得每个光敏感单元所对应的编码单元的光学特性；
[0023]步骤三、采用光敏感单元阵列中多个光敏感单元扫描同一编码单元，通过扫描结果对所述同一编码单元的光学特性进行表决，按照少数服从多数的原则，确定所述同一编码单元的光学特性；
[0024]步骤四、根据扫描范围内编码单元的光学特性，获得扫描范围内的所有绝对位置编码，查表得出所有绝对位置编码对应的位置信息；
[0025]步骤五、选定光敏感单元阵列中某个光敏感单元作为测量点，将所有绝对位置编码对应的位置信息平移到该测量点处，完成对该测量点的多次测量；并对所述多次测量结果进行表决，按照少数服从多数的原则，确定该测量点的绝对位置信息。
[0026]本实施方式中在步骤五之后，还包括用该测量点的多次测量结果的相等次数与出错阈值进行比较，如果小于该出错阈值，说明扫描范围内有严重污染并已影响测量结果。
[0027]本实施方式中具有不透光的光学特性的编码单元2-1，对应的编码比特为0，具有透光的光学特性的编码单元2-2，对应的编码比特为I。
[0028]记录绝对位置编码2的首个编码单元对应的首个光敏感单元的序号，将该序号和测量点所在光敏感单元的序号做差，得到该绝对位置编码和测量点的距离值。测量点的绝对位置信息通过每个绝对位置编码的位置信息与该绝对位置编码首个编码单元和测量点的距离值做差得到。
[0029]本实施方式中所述的每个编码单元在测量方向上至少对应三个光敏感单元。所述光敏感单元阵列在测量方向上至少包含五个绝对位置编码。所述的二值化模块中用于比较的固定值为光敏感单元二分之一面积被遮挡，二分之一面积被照射时，光敏感单元的输出值。
[0030]【具体实施方式】二、本实施方式为【具体实施方式】一所述的绝对位置测量方法的实施例:该实例涉及的测量装置包括照明系统1、绝对位置编码2、光敏感单元阵列3和二值化模块4，每个绝对位置编码包含唯一的位置信息，该位置信息在测量方向上连续排列，每个绝对位置编码由固定数量的编码单元在测量的X方向上连续排列组成，所述固定数量的编码单元由测量长度和编码方式来确定，每个编码单元具有透光或是不透光的光学特性；所述照明系统I由光源1-1、透镜1-2构成，透镜1-2将光源1-1发出的光调制成平行光；
[0031]在本实施方式中所述的编码单元的宽度W1,四个编码单元对应一个绝对位置编码，绝对位置编码所包含的位置信息在图2中给出，位置信息在测量X方向上连续排列。其中，具有不透光的光学特性的编码单元2-1，对应的编码比特为0，具有透光的光学特性的编码单元2-2，对应的编码比特为I。
[0032]本实施方式中的光敏感单元阵列3包含32个光敏感单元，相邻光敏感单元的中心距为WyW1=SW2，即单个编码单元同时被三个相邻的光敏感单元探测到。本实施方式中，光敏感单元阵列输出信号幅值与其表面的光强成正比。
[0033]所述二值化模块4将光敏感单元所得信号幅值与某固定值TH进行比较，大于该固定值TH，表示为该光敏感单元所对应的是具有透光的光学特性的编码单元2-2的一部分，表示为1，小于该固定值TH表示为该光敏感单元所对应的具有不透光的光学特性的编码单元2-1的一部分，表示为O。TH为在照明系统I照射下，光敏感单元1/2面积被遮挡，1/2面积被照射时，光敏感单元的输出值。
[0034]按照少数服从多数的原则，对编码单元所对应的三个光敏感单元的信号进行表决，得到扫描范围内的所有绝对位置编码6，本实施方式中扫描范围内有七组编码。
[0035]本实施方式中通过扫描范围内的七组编码对测量点进行七次测量，设定出错阈值为三，如果七次测量相等次数小于三，那么认为扫描范围内有严重污染，该次测量结果不可
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[0036]按照图2中绝对位置编码对应位置信息，得到图1中的七组编码所对应的位置信息依次为位置2、位置3、位置4、位置5、位置6、位置7、位置8，每组编码所对应的首个光敏感单元依次为本实施方式中选定光敏感单元阵列Scil为测量点，那么每个位置信息距离测量点Scil的距离依次为:2W 2、5W2、8ff2、IIW2、14W2、17ff2、20ff2。
[0037]根据每个位置信息以及其与测量点3Μ的距离，对测量点进行七次测量，根据相邻位置信息的距离为W1= 3W2，测量结果分别为:
[0038]P1 =位置 2-2W2;
[0039]P2 =位置 3-5W2 =位置 2-2W2= P 1；
[0040]P3 =位置 4-8W2 =位置 3_5W2= P2;
[0041]P4 =位置 5_11W2 =位置 4_8W2= P3;
[0042]P5 =位置 6-14W2 =位置 5_11W2= P4;
[0043]P6 =位置 7-17W2 =位置 6_14W2= P5;
[0044]P7 =位置 8-20W2 =位置 7_17W2= P6;
[0045]七次测量结果全部相同，测量点的位置信息为P = P1 =位置2_2W2。
[0046]图3是有污染时但不影响测量结果的情况。图3中可以看到，污染7-1、7_2导致光敏感单元经二值化后的信号5有四个错误，在图3中用斜体加下划线标出。二值化后的信号5经过分组后表决，剔除了 7-1造成的影响；7-2造成扫描范围内的一个编码单元出错，在图3中用斜体加下划线标出。
[0047]按照图2中绝对位置编码对应位置信息，得到图3中七组编码所对应的位置信息依次为位置2、位置3、位置4、位置5、位置6、位置10、位置11，每组编码所对应的首个光敏感单元依次为本实施方式中选定光敏感单元阵列中的Scil为测量点，那么每个位置信息距离测量点Scil的距离依次为:2W2、5W2、8W2、11W2、14W2、17W2、20W2。
[0048]根据每个位置信息以及其与测量点3Μ的距离，对测量点进行七次测量，根据相邻位置信息的距离为W1= 3W2，测量结果分别为:
[0049]P1 =位置 2-2W2;
[0050]P2 =位置 3-5W2 =位置 2-2W2= P 1；
[0051]P3 =位置 4_8W2 =位置 3_5W2= P2;
[0052]P4 =位置 5_11W2 =位置 4_8W2= P3;
[0053]P5 =位置 6-14W2 =位置 5_11W2= P4;
[0054]卩6=位置10-17评2;
[0055]P7 =位置 11_20W2 =位置 10_17W2= P6
[0056]七次测量结果中，P0 P2、P3、P4、P5相同，P 6、P7相同，采用少数服从多数的原则，测量点的位置信息为P = P1 =位置2-2W2。
[0057]图4是有污染时并影响测量结果的情况。图4中可以看到，污染7-1、7-2、7_3导致光敏感单元经二值化后的信号5有六个错误，在图4中用斜体加下划线标出。5经过分组后表决，剔除了 7_1造成的影响；7_2、7_3造成扫描范围内的两个编码单兀出错，在图4中用斜体加下划线标出。
[0058]按照图2中绝对位置编码对应位置信息，得到图3中七组编码所对应的位置信息依次为位置10、位置12、位置13、位置5、位置6、位置10、位置11，每组编码所对应的首个光敏感单元依次为本例中选定光敏感单元阵列Scil为测量点，那么每个位置信息距离测量点301的距离依次为:2W 2、5W2、8ff2、IIW2、14W2、17ff2、20ff2。
[0059]根据每个位置信息以及其与测量点3Μ的距离，对测量点进行七次测量，根据相邻位置信息的距离为W1= 3W2，测量结果分别为:
[0060]P1 =位置 10-2W2;
[0061]己=位置12-5评2;
[0062]P3 =位置 13-8W 2 =位置 12-5W 2 = P 2;
[0063]P4 =位置 5-1IW2;
[0064]P5 =位置 6-14W2 =位置 5_11W2= P4;
[0065]卩6=位置10-17评2;
[0066]P7 =位置 11_20W2 =位置 10_17W2= P6;
[0067]七次测量结果相等次数小于三，扫描范围内有严重污染，无法得到可靠位置信息。
[0068]本发明所述的测量方法所用的线位移测量装置构造，但本发明同样可以用在角位移测量装置上。
【权利要求】
1.绝对位置测量方法，其特征是，该方法由以下步骤实现: 步骤一、采用光敏感单元阵列扫描相邻的多个绝对位置编码，其中每个绝对位置编码包含唯一的位置信息，该位置信息在测量方向上连续排列，每个绝对位置编码由固定数量的编码单元组成，每个编码单元具有透光或是不透光的光学特性； 步骤二、将光敏感单元阵列的每个光敏感单元扫描得到的信号提供给二值化模块，所述二值化模块将所述信号与某一固定值对比，获得每个光敏感单元所对应的编码单元的光学特性； 步骤三、采用光敏感单元阵列中多个光敏感单元扫描同一编码单元，通过扫描结果对所述同一编码单元的光学特性进行表决，按照少数服从多数的原则，确定所述同一编码单元的光学特性； 步骤四、根据扫描范围内编码单元的光学特性，获得扫描范围内的所有绝对位置编码，查表得出所有绝对位置编码对应的位置信息； 步骤五、选定光敏感单元阵列中某个光敏感单元作为测量点，将所有绝对位置编码对应的位置信息平移到该测量点处，完成对该测量点的多次测量；并对所述多次测量结果进行表决，按照少数服从多数的原则，确定该测量点的绝对位置信息。
2.根据权利要求1所述的绝对位置测量方法，其特征在于，步骤五之后，还包括用该测量点的多次测量结果的相等次数与出错阈值进行比较，如果小于该出错阈值，说明扫描范围内有严重污染并已影响测量结果。
3.根据权利要求1所述的绝对位置测量方法，其特征在于，记录绝对位置编码首个编码单元对应的首个光敏感单元的序号，将该序号和测量点所在光敏感单元的序号做差，得到该绝对位置编码和测量点的距离值。
4.根据权利要求1所述的绝对位置测量方法，其特征在于，测量点的绝对位置信息通过每个绝对位置编码的位置信息与该绝对位置编码首个编码单元和测量点的距离值做差得到。
5.根据权利要求1所述的绝对位置测量方法，其特征在于，所述每个编码单元在测量方向上至少对应三个光敏感单元。
6.根据权利要求1所述的绝对位置测量方法，其特征在于，所述光敏感单元阵列在测量方向上至少包含五个绝对位置编码。
7.根据权利要求1所述的绝对位置测量方法，其特征在于，二值化模块中用于比较的固定值为光敏感单元二分之一面积被遮挡，二分之一面积被照射时，光敏感单元的输出值。
8.根据权利要求1所述的绝对位置测量方法，其特征在于，具有不透光的光学特性的编码单元(2-1)，对应的编码比特为O，具有透光的光学特性的编码单元(2-2)，对应的编码比特为I。
【文档编号】G01D5/34GK104515534SQ201410788240
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年12月17日 优先权日:2014年12月17日
【发明者】乔栋, 孙强, 吴宏圣, 曾琪峰, 蔺春波 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所