專利名稱：具有相位調(diào)節(jié)電路的位置測(cè)量裝置和相位調(diào)節(jié)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用電子方法測(cè)量位移的裝置，如線性和旋轉(zhuǎn)編碼器和分解器。為了產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于探針位移的電信號(hào)，座標(biāo)測(cè)量機(jī)構(gòu)通常采用由一系列線性緊密相間的光柵線條構(gòu)成的主光柵，加上一個(gè)橫向移動(dòng)并帶有與主光柵成微小傾角的小透明光柵的讀出頭。光柵之間的光學(xué)干涉生成一種橫向移動(dòng)的亮區(qū)和暗區(qū)圖形，被稱之為莫伊爾(Moire)條紋，這種圖形通過(guò)安裝在讀出頭中的光探測(cè)器陣列加以探測(cè)。
由于讀出頭可以雙向移動(dòng)，也由于每一周期過(guò)程中模擬信號(hào)值本身重復(fù)出現(xiàn)，因此內(nèi)插信號(hào)值呈現(xiàn)固有的模糊不清。
為了解決這一模糊不清的問(wèn)題，采用了精細(xì)化處理方法，通過(guò)這種處理，產(chǎn)生一個(gè)與第一信號(hào)振幅相等、相位相差90°的第二信號(hào)。因此得到了一對(duì)正交信號(hào)。將這兩個(gè)正交信號(hào)加以組合，就能給出唯一的信號(hào)信息，該信號(hào)與讀出頭在光柵標(biāo)尺線之間空格內(nèi)的位置線性相關(guān)。這就是說(shuō)，兩個(gè)正交信號(hào)的組合，給出了一個(gè)線性函數(shù)，利用這一線性函數(shù)，可以不模糊地確定讀出頭在光柵線之間哪一點(diǎn)。
于是，隨著圖形橫向?qū)χ綔y(cè)器移動(dòng)，讀出頭產(chǎn)生了一對(duì)周期變量，即兩個(gè)相位相差為90°的電輸出信號(hào)。圖形移動(dòng)與讀出頭在主光柵之間橫向穿過(guò)每一間隔精確保持一致。因此，這些電輸出包含著對(duì)應(yīng)于讀出頭通過(guò)光柵線的位移的模擬信號(hào)。
模擬信號(hào)是正弦信號(hào)，每一周期的完結(jié)對(duì)應(yīng)于讀出頭橫穿兩條光柵線之間整過(guò)間隔。因此，每一全周期的運(yùn)行計(jì)數(shù)指示了讀出頭沿主光柵的總位移。
另一種構(gòu)成光學(xué)光柵/讀出頭系統(tǒng)的手段是采用同樣廣為熟知的菲涅爾(Vernier)條紋光學(xué)方法來(lái)代替上述的莫伊爾條紋法，本發(fā)明對(duì)菲涅爾條紋法同樣適用。
為了獲得比光柵線條間距更為精細(xì)的分辨率，設(shè)計(jì)了用于進(jìn)一步細(xì)分這些模擬信號(hào)的內(nèi)插電路，這種電路在1980年9月30日公布的美國(guó)專利4，225，931用于“數(shù)字電子位置測(cè)量?jī)x的內(nèi)插裝置”中已作了描述。
為了獲得合適的結(jié)果，兩正交信號(hào)之間的相位角差必須精確地設(shè)置為90°。這在過(guò)去是通過(guò)手工細(xì)心調(diào)節(jié)讀出頭光柵和主光柵之間的傾角以改變莫伊爾條紋圖形來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種調(diào)節(jié)過(guò)程既費(fèi)時(shí)間又不方便，因?yàn)樗枰獙⒀b置的外殼打開(kāi)，在通過(guò)示波器觀察光探測(cè)器輸出的李瑟如(Lissajous)圖形的同時(shí)，對(duì)讀出頭位置作繁瑣的機(jī)械調(diào)節(jié)。
1984年7月24日公布的美國(guó)專利4，462，083“內(nèi)插方法”和1985年1月1日公布的美國(guó)專利4，490，914“位置測(cè)量?jī)x器的誤差校正系統(tǒng)”兩者都對(duì)位置測(cè)量裝置中校正正弦信號(hào)之間相位角差的系統(tǒng)作了描述。在美國(guó)專利4，462，083中，校正值由測(cè)量決定，并存儲(chǔ)在數(shù)字計(jì)算機(jī)中供作內(nèi)插值計(jì)算時(shí)使用。這種方法需要附加的電子元件和步驟，并使計(jì)算機(jī)運(yùn)算更分復(fù)雜。
美國(guó)專利4，490，914描述的方法需要一個(gè)與光柵并行的獨(dú)立的磁道和對(duì)每一模擬信號(hào)產(chǎn)生并記錄其校正信號(hào)的位置。隨后的相位角變化的調(diào)節(jié)必然是困難的。
本發(fā)明包括位置測(cè)量裝置中的一種簡(jiǎn)單電路和調(diào)節(jié)兩正交信號(hào)之間相位關(guān)系的方法。該電路設(shè)計(jì)得能夠?qū)?°的模擬信號(hào)代數(shù)相加至其相反的比例大小可調(diào)節(jié)的信號(hào)上，從而能產(chǎn)生一個(gè)由具有選定的正、負(fù)號(hào)和縮小比例的0°信號(hào)構(gòu)成的校正信號(hào)。這一校正信號(hào)可以用下述方法產(chǎn)生，即將0°信號(hào)饋入一電位器的一端，而將0°模擬信號(hào)的相反信號(hào)或與其有180°相差的信號(hào)饋入電位器的另一端，而其代數(shù)和從電位器的滑動(dòng)觸點(diǎn)給出。
因此，一個(gè)具有正或負(fù)標(biāo)志的無(wú)級(jí)可調(diào)選擇的按比例縮小的0°模擬信號(hào)可以從0°模擬信號(hào)中產(chǎn)生。
當(dāng)這一校正信號(hào)矢量相加至標(biāo)稱90°模擬信號(hào)上時(shí)，便會(huì)使90°模擬信號(hào)沿某一方向產(chǎn)生相位漂移，漂移的方向取決于校正信號(hào)的正負(fù)，漂移的程度取決于校正信號(hào)的幅值。校正信號(hào)的正負(fù)和幅值通過(guò)調(diào)節(jié)電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)有選擇地設(shè)定。由于校正信號(hào)的正負(fù)和幅值可以通過(guò)移動(dòng)電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)加以調(diào)節(jié)，因此，90°模擬信號(hào)的相位可以適當(dāng)?shù)馗淖儯员ＷC與0°模擬信號(hào)具有良好的90°相位關(guān)系。利用外加緩沖/倒相器來(lái)使A(0°)信號(hào)倒相，就可以產(chǎn)生一個(gè)直流平衡的校正信號(hào)。這一外加倒相器具有一種附加特征，它能消除相位調(diào)節(jié)電位器對(duì)B(90°)信號(hào)補(bǔ)償調(diào)節(jié)電位計(jì)分壓器產(chǎn)生的交叉耦合。
通過(guò)在示波器上對(duì)0°和90°模擬信號(hào)李瑟如圖形的觀測(cè)，能夠方便地測(cè)出通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)電位器滑動(dòng)觸點(diǎn)而得到的合適的相位關(guān)系。
這一過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)在于，比起機(jī)械地調(diào)節(jié)讀出頭傾角來(lái)花費(fèi)的時(shí)間要少得多，并且不需要真正的附加電路或計(jì)算機(jī)計(jì)算?？梢栽诶芯S修時(shí)方便地完成。


圖1是一個(gè)座標(biāo)測(cè)量裝置的透示圖，同時(shí)也示出相關(guān)的電子零部件。
圖2是依據(jù)本發(fā)明的相位校正電路的方塊圖。
圖3是模擬信號(hào)和校正信號(hào)的相量(即矢量)圖，圖中示出了將校正信號(hào)與標(biāo)稱90°模擬信號(hào)進(jìn)行矢量相加以修正與0°信號(hào)具有稍小于90°相位差的某信號(hào)的狀態(tài)。
圖1示出了一臺(tái)座標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM)10，它包含一種采用本發(fā)明的相位校正電路的位置偏移測(cè)量裝置。CMM10可以各種形式構(gòu)成，圖中所示的是在1987年7月28日公布的美國(guó)專利4，682，418“座標(biāo)測(cè)量機(jī)”中詳細(xì)描述的那一種。
探針14置于可在支架18上作垂直運(yùn)動(dòng)的探針軸16上，探針軸16有一固定于其上的主光柵20，運(yùn)動(dòng)時(shí)可從固定在支架18上的讀出頭22旁通過(guò)。讀出頭22被外殼19包裹以可調(diào)節(jié)的方式固定到支架18上，使其能以熟知的方式相對(duì)于主光柵20作微小的傾斜。支架18固定在第二支架24上以作水平運(yùn)動(dòng)。支架24依次又固定在基座26上使其在正交的方向上作水平運(yùn)動(dòng)。
光柵-讀出頭(未示出)也以類似的方式安裝在每一支架18和24上，使其能夠以熟知的方式產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于沿每一正交軸運(yùn)動(dòng)的電信號(hào)。
因此，隨著探針14尖端28在置于臺(tái)面32的工件30上兩點(diǎn)之間移動(dòng)時(shí)，位移的程度即可測(cè)出，從而產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)于工件30上兩點(diǎn)之間距離的信號(hào)。
如上所述，有兩種熟知的光學(xué)方法用于產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于每一部件位移程度的正交正弦信號(hào)，其中每一部件含有一個(gè)用光探測(cè)器陣列作的光距離傳感器。第一種方法是探測(cè)由置于讀出頭22上的光柵的一小部分產(chǎn)生的莫伊爾條紋陰影圖形，該光柵與固定在該測(cè)量機(jī)部件之一上的相應(yīng)主光柵20具有微小的傾角。第二種方法是探測(cè)由置于讀出頭22上的平行(非傾斜)透明光柵產(chǎn)生的菲涅爾條紋陰影圖形，該透明光柵具有比固定在測(cè)量機(jī)部件之一上的固定光柵20稍大或稍小的節(jié)距(光柵線間間隔)。
讀出頭22含有光探測(cè)器陣列(圖2)，用于探測(cè)因主光柵20和讀出頭光柵20A之間光學(xué)干涉而形成的陰影圖形，從而產(chǎn)生一對(duì)分別作正弦變化的電模擬輸出信號(hào)。這一對(duì)信號(hào)具有90°標(biāo)稱相位差，因此是一對(duì)正交信號(hào)。
這些信號(hào)的完整周期是隨著讀出頭22橫向移過(guò)主光柵20一個(gè)光柵線間間距時(shí)而發(fā)生的。
這些模擬讀出信號(hào)在依據(jù)本發(fā)明的讀出頭信號(hào)調(diào)節(jié)電路12中進(jìn)行處理，電子電路31接收已被調(diào)節(jié)了的讀出頭輸出信號(hào)，并進(jìn)行同樣的處理以供顯示裝置33用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量單位將信號(hào)顯示出來(lái)。
圖2詳細(xì)示出了依據(jù)本發(fā)明的讀出頭信號(hào)調(diào)節(jié)電路12。
兩對(duì)模擬信號(hào)由光探測(cè)器陣列23輸出，光探測(cè)器陣列置于讀出頭22上光柵20A上方。
每一對(duì)信號(hào)由符號(hào)相反的兩個(gè)信號(hào)組成，它們?cè)谙鄳?yīng)的微分放大器34A、34B中彼此不同。放大器34A的輸出是一個(gè)0°或正弦模擬信號(hào)A，放大器34B的輸出是一個(gè)90°余弦模擬信號(hào)B，適宜的一對(duì)光敏器件輸出信號(hào)可以熟知的方式產(chǎn)生改善了的共模抑制。
0°和90°信號(hào)分別通過(guò)各自的增益調(diào)節(jié)電位器36A，36B，因而能對(duì)這些信號(hào)分別進(jìn)行振幅調(diào)節(jié)。
增益調(diào)節(jié)電位器36A、36B的輸出信號(hào)被輸入至各自的補(bǔ)償求和放大器38A、38B中，這兩個(gè)放大器還分別接收來(lái)自補(bǔ)償調(diào)節(jié)電位器40A、40B的輸出信號(hào)。補(bǔ)償調(diào)節(jié)電位器能夠?qū)⒁粋€(gè)可變直流分量加至各自的模擬信號(hào)(A，B)中，以熟知的方式補(bǔ)償這些信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明所作的改進(jìn)，包括一個(gè)附加相位調(diào)節(jié)電位器42，它的一端44接收0°A模擬信號(hào)作為輸入。借助于倒相器46將0°A信號(hào)加以倒相，使其與0°A信號(hào)實(shí)際上具有180°的相位差，然后再將其輸入到相位調(diào)節(jié)電位器42的另一端48。
相位調(diào)節(jié)電位器42的輸出50含有校正信號(hào)C，它被加至90°B信號(hào)增益和補(bǔ)償放大器38B上。
在另一實(shí)施例中，輸入信號(hào)48可以直接從34A的輸出端取得，只要36A為反向放大器即可。但是這是一個(gè)并非最佳的實(shí)施例，因?yàn)樗a(chǎn)生一個(gè)并非直流平衡的滑動(dòng)觸點(diǎn)輸出信號(hào)50，于是進(jìn)而產(chǎn)生了不希望的影響，即相位調(diào)節(jié)電位器42中的變化引起所需要的直流補(bǔ)償調(diào)節(jié)電位器40B中的變化。
由相位調(diào)節(jié)電位器42的滑動(dòng)觸點(diǎn)50得到的校正信號(hào)C實(shí)際上是一個(gè)縮小比例可調(diào)節(jié)的0°A信號(hào)。根據(jù)滑動(dòng)觸點(diǎn)50設(shè)置的位置是使0°信號(hào)相對(duì)180°信號(hào)占優(yōu)勢(shì)還是180°信號(hào)相對(duì)0°信號(hào)占優(yōu)勢(shì)情況的不同，校正信號(hào)還可以有選擇地改變正負(fù)號(hào)。這一結(jié)果的發(fā)生是因?yàn)樵谶@種電路中選定比例的0°和180°輸入信號(hào)是代數(shù)相加的。通過(guò)設(shè)置滑動(dòng)觸點(diǎn)50的位置，可以有選擇地控制一個(gè)信號(hào)加到另一信號(hào)上的相對(duì)比例。當(dāng)滑動(dòng)觸點(diǎn)處于中心位置40時(shí)，兩個(gè)信號(hào)以相等的比例相加，結(jié)果沒(méi)有校正信號(hào)產(chǎn)生。
當(dāng)滑動(dòng)觸點(diǎn)處于中性點(diǎn)之旁某一邊時(shí)，在滑動(dòng)觸點(diǎn)輸出端50就會(huì)出現(xiàn)有選擇地縮小比例的具有正相位或負(fù)相位的校正信號(hào)C。
這一校正信號(hào)在放大器38B中將同標(biāo)稱90°B信號(hào)矢量相加。
因此，校正信號(hào)的正負(fù)和幅度可以通過(guò)改變90°B信號(hào)的相位，從而修正90°B信號(hào)任何相位不適的情形而加以調(diào)節(jié)。
通過(guò)在示波器上對(duì)由0°A信號(hào)、90°B信號(hào)產(chǎn)生的李瑟如圖形的觀察，可以根據(jù)李瑟如圖形呈現(xiàn)橢圓狀這一相位關(guān)系不合適時(shí)特有的結(jié)果來(lái)檢驗(yàn)相位關(guān)系的不適。當(dāng)同時(shí)設(shè)定增益電位器36A、36B和補(bǔ)償電位器40A、40B時(shí)，這一過(guò)程可以方便地實(shí)現(xiàn)。
圖3是一個(gè)相圖，亦即矢量圖，它用圖示表明了如何將一個(gè)一定大小的0°校正C信號(hào)與一個(gè)相位不適的標(biāo)稱90°B信號(hào)通過(guò)矢量相加而使標(biāo)稱90°信號(hào)在某一方向產(chǎn)生相位漂移，從而產(chǎn)生一個(gè)修正了的與0°A信號(hào)具有精確的90°相位關(guān)系的B信號(hào)。
當(dāng)校正信號(hào)C矢量相加到具有任意相位角的B信號(hào)上時(shí)，就會(huì)得到一個(gè)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的合成相量以修正B信號(hào)的相位。另一附圖示出的是將一個(gè)具有稍小于90°相位差的信號(hào)變成一個(gè)具有精確90°相位關(guān)系的情形。
如果校正信號(hào)C是一個(gè)負(fù)信號(hào)，則就會(huì)得到合成相量反時(shí)針旋轉(zhuǎn)的類似結(jié)果。
本電路及其相位調(diào)節(jié)方法可以用于各種位置測(cè)量裝置中，比如線性和旋轉(zhuǎn)分解器、編碼器等。
權(quán)利要求
1.一種具有相位調(diào)節(jié)電路的位置測(cè)量裝置(10)，所述的裝置適用于測(cè)量第一個(gè)部件(22)相對(duì)于第二個(gè)部件(14)的位移，并包含一個(gè)信號(hào)發(fā)生裝置(23)，它能產(chǎn)生一對(duì)相互具有90°標(biāo)稱相位差的正弦電信號(hào)，并與所述的第一部件和第二部件(22，14)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)度相對(duì)應(yīng)；其改進(jìn)措施包括一個(gè)相位調(diào)節(jié)電路，用于有選擇性地改變所述的一對(duì)信號(hào)之間的相位關(guān)系；所述的相位調(diào)節(jié)電路包含能產(chǎn)生校正信號(hào)的裝置(42)，該校正信號(hào)是由一個(gè)有選擇性地成比例的、正負(fù)號(hào)可選擇的0°相位信號(hào)構(gòu)成；矢量相加裝置(38B)用于將所述的校正信號(hào)矢量加至所述的標(biāo)稱90°信號(hào)上，借此，所述的標(biāo)稱90°信號(hào)的相位可以通過(guò)與所述有選擇性地設(shè)置的校正信號(hào)矢量相加而使其在一定方向上發(fā)生一定程度的漂移來(lái)獲得修正。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的位置測(cè)量裝置，其特征在于所述的矢量相加裝置(38B)用于構(gòu)造校正電路，該校正電路包括用于將一個(gè)比例大小可有選擇地加以控制的0°信號(hào)代數(shù)相加到由所述的0°信號(hào)經(jīng)過(guò)180°相移之后所得到的信號(hào)上的裝置(42、46、48、44)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的位置測(cè)量裝置，其特征在于所述的矢量相加裝置包含一個(gè)電位器裝置(42)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的位置測(cè)量裝置，其特征在于所述的裝置包括一個(gè)主光柵和一個(gè)可沿著所述的主光柵移動(dòng)的讀出頭，所述的讀出頭含有一個(gè)與所述的主光柵傾斜的光柵，所述的相位調(diào)節(jié)電路能夠?qū)λ龅膬A角不合適的設(shè)置進(jìn)行修正。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的位置測(cè)量裝置，其特征在于所述的用于產(chǎn)生校正信號(hào)的裝置產(chǎn)生一個(gè)直流平衡的校正信號(hào)，因而當(dāng)相位調(diào)節(jié)變化發(fā)生時(shí)，不至于在所述的業(yè)已校正了的90°輸出信號(hào)中發(fā)生直流漂移。
6.一種改變一對(duì)正弦信號(hào)之間相對(duì)相位的方法，這一對(duì)正弦信號(hào)一個(gè)為標(biāo)稱0°相位信號(hào)，一個(gè)為標(biāo)稱90°相位信號(hào)，其中所述的一對(duì)信號(hào)具有大于或小于90°的相位差，為了能精確地建立起所述的90°相位差，所述的方法包含一個(gè)產(chǎn)生校正信號(hào)并將所述的校正信號(hào)矢量相加到所述的90°相位信號(hào)上的步驟，所述的校正信號(hào)是由與所述的0°信號(hào)成一定比例和賦予一定正負(fù)號(hào)后得到的值所構(gòu)成，于是當(dāng)校正信號(hào)矢量相加至所述的標(biāo)稱90°相位信號(hào)上時(shí)，所述的相位因此將向某一方向作一定程度的漂移，從而精確地建立起所述的90°相位關(guān)系。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其特征在于所述的校正信號(hào)是由有選擇性地控制比例的所述0°信號(hào)與從所述信號(hào)的相位經(jīng)180°相移后的信號(hào)代數(shù)相加產(chǎn)生的。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其特征在于所述的將所述有選擇成比例的所述信號(hào)代數(shù)相加的步驟包括將所述的0°信號(hào)輸入電位器的一端，將相對(duì)于所述的0°信號(hào)經(jīng)180°相稱之后的信號(hào)輸入電位器的另一端，而將所述的信號(hào)經(jīng)所述電位器的可動(dòng)滑動(dòng)端輸出的步驟。
全文摘要
一種具有相位調(diào)節(jié)電路的位置測(cè)量裝置和相位調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)方法，其中一對(duì)具有0°和90°標(biāo)稱相位關(guān)系的正交信號(hào)在相位關(guān)系上的誤差可以得到校正，方法是將由一定比例的具有選定正負(fù)號(hào)的0°信號(hào)組成的校正信號(hào)矢量相加到90°信號(hào)上。該電路還可以對(duì)光學(xué)型距離傳感器的讀出頭光柵的傾角進(jìn)行電校正。
文檔編號(hào)G01B21/00GK1056351SQ91102210
公開(kāi)日1991年11月20日 申請(qǐng)日期1991年4月8日 優(yōu)先權(quán)日1990年5月8日
發(fā)明者R·W·布蘭德斯泰特 申請(qǐng)人:沃納及斯韋西公司