[发明专利]使用索引型编码器测定物体的绝对位置的仪器和方法

说明书

本发明涉及一种通过监测某物体相对于某一已知位置的运动的距离和方向来测得该物体绝对位置的仪器和方法。尤其是这种仪器和方法使用了一个索引型编码器，例如一个索引型编码盘、索引型编码杆、索引型编码胶片或类似的部件，它们有许多交替隔开的不透光区和透光区、一个索引不透光区和一个探测器，该探测器在检测到单个索引不透光区后能够将它同任何其他区段区分开来，并且能计算区段的数量，以确定索引型编码器的方向和位移增量，从而测定使用索引型编码器进行监测的物体的绝对位置。

目前有许多装置能够检测出运动物体如旋转轴或编码器的相对位置。例如Uchida的美国专利NO．4，704，523叙述了一种旋转式编码器装置，用于检测大量可控工业机床的旋转轴的相对旋转位置，它将一个转盘安装到旋转轴的一端，沿该转盘的圆周连续分布有一系列的遮光区和透光区，它在转盘的一侧布置一对光导纤维，以朝转盘传输光线，在转盘另一侧有许多相应的光导纤维来接收这些光，当转盘旋转时，转盘上透光部分使光能够从传输光导纤维传送到接收光导纤维，而遮光部分则使光不能传输。由于光发射纤维和相应的光接收纤维彼此互相偏置，光接收纤维接收到从各自相应的光发射纤维发出的光的次序就指示出转盘的旋转方向，而且，每个检光／非检光的时间都指示出在一根光发射纤维和相应的光检测纤维之间经过了一个透光区或一个遮光区，因此就能对光导纤维接收光的次序和检测到光／未检测到光的情形的数量之间的关系进行处理，以确定转盘的旋转方向以及从该装置开始对检测到光／未检测到光的情形的数量进行计数时起转盘旋转的角度位移。但是，必须注意，转盘上所有的透光区和遮光区的尺寸都是相同的，因此，不可能测出转盘的绝对旋转位置，因为转盘没有任何一点可作为参考位置，这样，Uchida装置只能够检测到转盘的相对位置，或者换句话说，只能检测到转盘从装置开始对检测到光／未检测到光的情形进行计数时起旋转过的旋转距离。

Beman的No．2685082号美国专利和Kramer的No．4496926号美国专利叙述了其他一些相对旋转位置探测感装置。每个装置包括有一个安装在一转轴上的圆盘，圆盘上有尺寸均匀的开孔和凸肩或者遮光区，但是，两种圆盘都没有参考点，所以，就象Uchida装置一样，这些装置也无法测出各自转盘的绝对旋转位置。

在Dickinson等人的No．4911449和5058893美国专利中叙述了其他类型的旋转位置探测装置，每个Dickinson装置都使用一个编码环，环上有若干特殊型式的槽，用来指示编码环的原位置或同步位置，而且在每个编码环周边上都有同样型式的窄孔和宽孔。当编码环旋转时，特殊型式槽和同样型式的孔都经过一个感光装置，对这个感光装置产生的检测信号输出的通／断情况的分析，以确定编码环的位置及其旋转方向，也就是说，如果检测信号的长时间“接通”情形先于短时间“接通”情形，这表明编码环在朝一种方向如顺时针方向旋转，然而，如果短时间“接通”情形先于长时间“接通”情形，则表明编码环朝相反方向旋转，而且，可计算出长时间和短时间“接通”情形的次数以便确定编码环在已检测出原位置或同步位置之后旋转了多少个位置。与Uchida，Beman and Kramer的专利中描述的装置不一样，Dickinson装置不采用偏置的光检测器，而是依靠型式更复杂的开孔即窄孔和宽孔来确定编码环旋转方向，这种更为复杂的形式使得编码环的制造更加困难，因此，比带有相同形式的透光区和遮光区的圆环价格更昂贵。而且，由于编码环在每个位置都有一个窄孔和一个宽孔，而Uchida，Berman和Kramer的装置中在每个位置只有一个孔，要提高Dickinson装置上的编码环的分辨率就更加困难，因为在每个位置都必须占用编码环圆周上更多空间，以便容纳宽孔和窄孔。

所以一直需要有一种价格便宜、容易制造、使用编码装置通过监测该编码装置的运动方向和运动距离来检测出物体的实际绝对位置的仪器。

本发明的一个目的是提供一种通过使用一索引型编码器来监测物体的运动方向和距离来精确检测出该物体绝对位置的仪器和方法。

本发明的另一个目的是提供一种能够监测一个包含有许多位置和一个索引位置的索引型编码器的运动距离和方向的仪器和方法，以便测定使用索引型编码器进行监测的那个物体的绝对位置。

本发明的另一个目的是提供一种通过使用一套能检测出索引型编码器的位置运动增量和运动方向的光学检测系统来监测该索引型编码器的运动距离和方向的仪器和方法，而无需在索引型编码器上设特殊型式的结构。