CN112146687B - 偏移校正装置和位置测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种偏移校正装置和位置测量装置。该偏移校正装置包括：振幅调整器，用于通过调整从编码器输出的检测信号的增益以使得检测信号的振幅在预定范围内来调整该振幅；偏移校正器，用于校正检测信号的振幅中心的偏移；以及存储器，用于预先存储增益和偏移量之间的关系，其中，偏移校正器在振幅调整器改变增益的情况下参考存储器中所存储的关系，获得与改变后的增益相对应的偏移量，并且基于所获得的偏移量来校正偏移。

Description

偏移校正装置和位置测量装置

技术领域

这里描述的实施例的某一方面涉及偏移校正装置和位置测量装置。

背景技术

已知在编码器中使用两相正弦波信号作为位置检测信号来检测标尺和检测器头之间的相对位置的方法(例如，参见小型化线性编码器“FIBER SCALE”,Mitutoyo,HiroatsuMORI,Hiroaki KAWADA,Tomotaka TAKAHASHI)。在这些编码器中，检测信号的强度可能由于标尺和检测器头之间的相对姿势的改变而变化。

作为针对上述情况的对策，进行用于自动调整检测信号的增益的自动增益控制(AGC)，使得检测信号的强度在预定范围内。然而，检测信号的振幅中心可能由于AGC而偏移。作为针对上述情况的对策，公开了用于自动调整偏移的技术(例如，参见日本特开2014-25871)。

发明内容

然而，为了进行校正，以上技术需要正弦波的周期中的一定范围内的测量点。因此，从增益切换的定时开始直到偏移被校正为止，存在时滞。

在本发明的一方面中，目的是提供减少时滞并校正偏移的偏移校正装置和位置测量装置。

根据本发明的方面，提供了一种偏移校正装置，包括：振幅调整器，用于通过调整从编码器输出的检测信号的增益以使得所述检测信号的振幅在预定范围内来调整所述振幅；偏移校正器，用于校正所述检测信号的振幅中心的偏移；以及存储器，用于预先存储所述增益和偏移量之间的关系，其中，所述偏移校正器在所述振幅调整器改变所述增益的情况下参考所述存储器中所存储的关系，获得与改变后的增益相对应的偏移量，并且基于所获得的偏移量来校正所述偏移。

根据本发明的另一方面，提供了一种位置测量装置，其包括：以上的偏移校正装置；编码器；以及算术装置，用于基于通过偏移校正装置校正了偏移的检测信号来计算位置。

附图说明

图1A示出检测器头，以及图1B示出标尺；

图2示出位置的计算；

图3示出在检测器头和标尺之间的间隙量从基准位置变化的情况下从接收器线圈获得的检测信号的信号强度；

图4示出在设置预定阈值并且进行AGC的情况下的信号强度；

图5示出正弦波的中心值的变化；

图6示出检测信号的误差；

图7A示出根据实施例的位置测量装置的结构，以及图7B示出偏移存储单元中所存储的表；

图8示出精度误差；

图9示出在针对各增益设置多个阈值的情况下的输出信号的信号强度；以及

图10示出偏移存储单元中所存储的表。

具体实施方式

在说明实施例之前，将说明示例性编码器。图1A示出检测器头201。图1B示出标尺204。检测器头201和标尺204具有大致平板形状，并且被配置为跨预定间隙彼此相对。

如图1A所示，检测器头201包括发送器线圈202和接收器线圈203。发送器线圈202形成矩形线圈。接收器线圈203被设置在发送器线圈202的内部。

如图1B所示，在标尺204中，多个耦合线圈205沿着测量轴周期性地排列。耦合线圈205彼此远离并且彼此绝缘。各耦合线圈205被电磁耦合到发送器线圈202，并且还被电磁耦合到接收器线圈203。

电流通过发送器线圈202，并且经由耦合线圈205在接收器线圈203中产生的电动势被测量为检测信号。可以通过使用该检测信号来测量标尺204的测量轴中的位置。

在这种编码器中，例如，使用彼此具有90度相位差的两相正弦波信号(A相信号和B相信号)作为检测信号。以这种方式，如图2所示，用彼此具有90度相位偏移的两相(A相和B相)正弦波来绘制李萨如(Lissajous)图形，并且通过以李萨如图形的中心点为基准的输出点P的角度θ来计算位置。在这种编码器中，检测器头201和标尺204之间的相对姿势的改变引起两相正弦波信号的强度的变化以及波形干扰，从而导致检测失败或精度降低。

图3示出在检测器头201和标尺204之间的间隙量从基准位置变化的情况下从接收器线圈203获得的检测信号的信号强度。检测信号的信号强度是指振幅。在图3中，横轴表示间隙量的变化，并且纵轴表示信号强度。如图3所示，随着间隙量增大，信号强度减小，并且随着间隙量减小，信号强度增大。

在图3的示例中，间隙量从基准位置变化-0.2mm，并且信号强度增大到检测范围之外(超范围)。在这种情况下，难以正常地计算位置。这意味着，在编码器附接至的装置主体滑动并发生位置位移、从而检测器头201与标尺204之间的相对位置发生改变的情况下，或者在装置主体的位置随着时间的经过而从装置主体的初始安装状态发生改变的情况下，编码器不能发挥其原始性能。

根据信号强度的大小来自动调整检测信号的增益的自动增益控制(AGC)的使用减少了由于编码器的使用期间的姿势改变而引起的信号强度的变化。图4示出在设置预定阈值并且进行AGC的情况下的信号强度。在图4中，横轴表示间隙量，并且纵轴表示信号强度。如图4所示，通过进行AGC，无论间隙量是大还是小，信号强度都落在预定范围内。因此，实现了不依赖于安装有编码器的装置的滑动性能、并且能够抵抗时间变化的编码器。

另一方面，如上所述，在基于相对于李萨如图形的中心点的角度来计算编码器的输出位置的情况下，需要用于通过在安装了编码器之后进行信号协调来将中心值调整为零的偏移校正。

然而，在校正了偏移之后，在实际测量期间，由于检测器头201和标尺204之间的相对位置的改变，因此信号强度可能变化。在根据信号强度的变化通过AGC调整增益的情况下，作为检测信号而获得的正弦波的中心值也可能如图5所示变化。中心值的变化δ使得输出点P的角度θ如图6所示改变为角度θ'，从而导致检测信号的值的误差。随着增益的变化率增大，误差的值也增大。

作为针对上述情况的对策，可以考虑使用用于自动校正从编码器输出的检测信号的偏移的技术。然而，在校正需要正弦波的周期中的一定范围内的测量点的情况下，从增益切换的定时起、直到应用了校正为止，存在时滞。另外，还产生了校正用的计算负荷，从而对测量的吞吐量产生了负面影响。此外，增益切换后的误差的增大可以减小，但不可能为零。

因此，在以下实施例中，将说明可以减少时滞并校正偏移的偏移校正装置和位置测量装置。

第一实施例

图7A示出根据实施例的位置测量装置100的结构。如图7A所示，位置测量装置100包括编码器10、偏移校正装置20和算术装置30。编码器10的检测原理不受特别限制，只要该编码器10输出彼此具有相位差的正弦波信号即可。编码器10的示例包括但不限于光电编码器和电磁感应编码器。编码器10是线性编码器或旋转编码器等。在本实施例中，编码器10输出具有90度相位差的两相正弦波信号(A相信号和B相信号)。

偏移校正装置20包括两个模拟/数字(A/D)转换器21a和21b、振幅调整单元22、偏移校正单元23、信号强度计算单元24、AGC单元25和偏移存储单元26。如图7B所示，偏移存储单元26将增益的设置值G1、G2、G3...与相应偏移量之间的关系存储为表。增益的设置值与偏移量之间的关系可以通过实验等预先获得。

A/D转换器21a通过以预定采样周期对从编码器10输出的A相信号进行采样来使A相信号数字化。A/D转换器21b通过以预定采样周期对从编码器10输出的B相信号进行采样来使B相信号数字化。

振幅调整单元22通过将A相信号和B相信号乘以增益(倍率)来调整A相信号和B相信号的振幅。偏移校正单元23对振幅调整后的A相信号和B相信号的中心值的偏移进行校正。例如，初始增益由用户设置为位置测量装置100的初始设置。另外，偏移校正单元23所要使用的偏移量由用户设置为位置测量装置100的初始设置。

信号强度计算单元24在初始设置后的实际测量时计算偏移校正后的A相信号和B相信号的信号强度(振幅)。AGC单元25根据信号强度计算单元24的计算结果来进行AGC，使得A相信号和B相信号的信号强度在检测范围内。更具体地，AGC单元25在A相信号和B相信号的信号强度小于第一阈值的情况下使增益增大，并且在信号强度大于第二阈值的情况下使增益减小。AGC单元25将获得的增益设置给振幅调整单元22。振幅调整单元22利用设置的增益来调整A相信号和B相信号的振幅。在这种情况下，AGC单元25参考偏移存储单元26来读取与被设置给振幅调整单元22的增益相对应的偏移量，并将读取的偏移量设置给偏移校正单元23。偏移校正单元23利用设置的偏移量来校正A相信号和B相信号的偏移。

算术装置30利用振幅调整单元22进行振幅调整且偏移校正单元23进行偏移校正后的A相信号和B相信号来计算位置。更具体地，在编码器10中，计算测量轴上的检测器头与标尺之间的相对位置的位移量。

在本实施例中，由增益切换引起的偏移量通过实验等预先获得，并且偏移存储单元26存储增益与偏移量之间的关系。这使得在通过进行AGC来切换增益的情况下能够适当地设置偏移校正量。在这种情况下，由于只需要读取偏移量，因此偏移校正基本上与增益切换同时进行。因此，在减小时滞的同时，可以校正偏移。

另外，即使在初始设置后发生时间变化的情况下，也可以适当地调整增益，并且还可以适当地校正偏移。另外，由于可以仅通过读取偏移量来校正偏移，因此计算负荷减少。作为结果，对位置测量的吞吐量的影响减小。另外，当增益与偏移量之间的关系被预先存储在偏移存储单元26中时，可以通过获得导致偏移为零的偏移量来使增益切换后的偏移为零。

图8中的“无校正”表示在编码器10中的检测器头与标尺之间的间隙变化-0.2mm时、不进行使用偏移存储单元26中所存储的关系的偏移校正的情况下的精度误差。图8中的“有校正”表示在编码器10中的检测器头与标尺之间的间隙变化-0.2mm时、进行了使用偏移存储单元26中所存储的关系的偏移校正的情况下的精度误差。随着由于不执行偏移校正而引起的偏移量误差增大，精度误差增大。在图8的示例中，在“有校正”的情况下的精度误差与在“无校正”的情况下的精度误差相比降低了约80％。

振幅调整单元22可以根据增益的值来改变在进行AGC的情况下的阈值。例如，振幅调整单元22可以通过根据各增益设置值将用于切换增益设置值的阈值设置为不同值，来在大范围内使用基准位置处的增益设置值。例如，图9中示出在针对各增益设置阈值的情况下的输出信号的信号强度。这种结构使得AGC能够应对大的间隙变化，并且使得在基准位置附近不进行增益切换的情况下可以将由于偏移变化引起的误差保持为最小的区域能够变宽。

偏移存储单元26可以是不可重写或可重写的。例如，可以通过位置测量装置100的接口从外部装置重写偏移存储单元26中所存储的增益和偏移量之间的关系。在该结构中，可以根据需要更新偏移存储单元26中所存储的信息。

第二实施例

在第一实施例中，增益和偏移量的组合存储在偏移存储单元26中，但这不旨在提出任何限制。在第二实施例中，如图10所示，通过在实验中进行增益切换而引起的偏移量的变化率被存储在偏移存储单元26中。

例如，制造商可以预先创建各增益的偏移变化率。在出厂后，在用户安装了编码器的环境中，在任意选择的增益位置处读取一次信号，并计算偏移值(绝对量)。在该值被导入到校正表中的一个条目时，可以根据设置的变化率来自动计算与其它增益相对应的偏移校正量。用户只需要在一个任意选择的位置处获得信号。因此，可以创建使环境变化的影响以及制造时和使用时之间的姿势变化减小、并反映使用环境的偏移存储单元，从而在作业负担最小的同时实现更精确的测量。

在图7所示的结构中，针对A相信号和B相信号共通地设置信号调整单元和偏移校正单元。另一方面，A相的偏移量可能变得不等于B相的偏移量。例如，特定增益的校正量可能不同，诸如A相的校正量为50，而B相的校正量为80。在使用相同校正量的情况下，可能变得难以提高准确度。然而，当存储共通的变化率、并将针对A相和B相在任意选择的位置处获得的相应偏移量乘以倍率时，计算针对A相和B相的相应偏移校正量，从而可以实现更精确的测量。

例如，在实际使用时在增益1的偏移量为100的情况下，通过使用图10所示的偏移量的变化率，增益2被自动计算为110，并且增益3被自动计算为119.9。可以针对各相位进行该计算。

在本实施例中，通过实验预先获得由切换增益引起的偏移量，并且将偏移量的变化率存储在偏移存储单元26中。这使得能够适当地设置在通过进行AGC来切换增益的情况下的偏移校正量。这提高了测量精度。由于在增益切换的同时校正偏移，因此从增益切换到校正的时滞减小。另外，在切换增益时，由于只需要读取偏移量的变化率并进行相乘，因此计算负荷减少。此外，用户只需要在校正作业中获取任意选择的一个位置处的信号。因此，可以使用户的作业负担最小，并且可以使环境改变以及制造时和使用时之间的姿势改变的影响减小。

在以上示例中，振幅调整单元22用作用于通过调整从编码器输出的检测信号的增益以使得该检测信号的振幅在预定范围内来调整该振幅的振幅调整单元的示例。偏移校正单元23用作用于校正检测信号的振幅中心的偏移的偏移校正单元的示例。偏移存储单元26用作用于预先存储增益和偏移量之间的关系的存储单元的示例。

本发明不限于具体公开的实施例和变形例，但可以在不偏离本发明的范围的情况下包括其它实施例和变形例。

Claims (5)

1.一种偏移校正装置，包括：

振幅调整器，用于通过调整从编码器输出的检测信号的增益以使得所述检测信号的振幅在预定范围内来调整所述振幅，其中，通过在所述检测信号的强度小于第一阈值时增加所述增益并且在所述检测信号的强度大于第二阈值时减小所述增益来调整所述增益；

偏移校正器，用于校正所述检测信号的振幅中心的偏移；以及

存储器，用于预先存储所述增益和偏移量之间的关系，

其中，所述编码器输出相位彼此不同的正弦波信号作为所述检测信号，

其中，所述偏移校正器在所述振幅调整器改变所述增益的情况下参考所述存储器中所存储的关系，获得与改变后的增益相对应的偏移量，并且基于所获得的偏移量来校正所述偏移，以及

其中，所述振幅调整器通过根据所述增益改变所述第一阈值和所述第二阈值，来根据所述增益的值改变所述预定范围。

2.根据权利要求1所述的偏移校正装置，其中，

所述存储器存储所述增益的以分级方式设置的值，并且存储与所述增益的各值相对应的偏移量。

3.根据权利要求1或2所述的偏移校正装置，其中，

所述存储器将所述偏移量存储为相对于与预定增益相对应的偏移量的变化率。

4.根据权利要求1或2所述的偏移校正装置，其中，

所述存储器中所存储的所述增益和所述偏移之间的关系是能够写入的。

5.一种位置测量装置，包括：

根据权利要求1或2所述的偏移校正装置；

编码器；以及

算术装置，用于基于通过所述偏移校正装置校正了偏移的检测信号来计算位置。