Способ построения углового преобразователя абсолютного типа Российский патент 2017 года по МПК G01C1/00 

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано в измерительной технике, в точном машиностроении, приборостроении и других областях науки и промышленности для создания высокоточных систем управления и углоизмерительных приборов.

Известно техническое решение, представленное в способе построения угловых фотоэлектрических преобразователей абсолютного типа, использующем для преобразования угла в цифровой код специальные многоразрядные кодовые диски («Фотоэлектрические преобразователи информации». М.: «Машиностроение», 1974, под редакцией д.т.н. проф. Л.Н. Преснухина). Известны ограничения в вопросах повышения точности преобразователей и снижения их массогабаритных показателей, связанные с волновой природой света, используемого в качестве рабочей среды преобразования.

Недостатком известного технического решения является низкая точность фотоэлектрического преобразователя.

Известен способ построения комбинированных угловых фотоэлектрических преобразователей абсолютного типа (Angular encoders: General Catalog [Text] / Heidenhain GmbH. - Traunreut, Germany: Heidenhain GmbH, 2000. - 82 p.), позволяющий в определенной степени снимать ограничения в вопросах повышения точности преобразователей за счет использования совместно с многоразрядными масками растровых сопряжений, нанесенных на общий носитель Включение дополнительной кодирующей структуры, формируемой на общем носителе, только увеличивает массогабаритные показатели прибора.

Недостатком известного технического решения является большие габаритные размеры.

Известны способы построения угловых преобразователей инкрементального типа, использующих в своей основе дифракционные решетки (LASER SCALE General Catalog / Sony Corporation, - 45, Suzukawa, Japan, 2009 - 42 p.), позволяющих в десятки раз повысить разрешающую способность подобных преобразователей и снизить габариты. Так, в преобразователях ВН20 и ВН200 этой фирмы достигнуто разрешение, равное 3⋅10^-4 угловой секунды, что соответствует 3 миллиардам 600 миллионов разрешаемых положений на оборот. Однако фирма SONY не представила технических решений по построению углового преобразователя абсолютного типа на основе дифракционных решеток. Особенностью преобразователей инкрементального типа является необходимость выполнения после включения питания преобразователя вспомогательного движения ротора преобразователя с целью прохождения нулевой метки перед считывающей головкой для привязки выходных данных относительно нуля координат.

Недостатком известного технического решения является требование обеспечения вспомогательного движения, что зачастую входит в противоречие с функционированием системы в целом, а также накопление ошибок измерений от случайных сбоев, что отсутствует в преобразователях абсолютного типа.

Известно техническое решение, представленное в работе (Норр D., Pruss Ch., Osten W., Scybold J., Fritz K.-P., Botzelmann Т., Mayer V., H.„ Diffractive incremental and absolute coding principle for optical rotary sensors", Appl. Optics, 2011, v. 50, p. 5169-5177), где немецкие исследователи представили свои методы и средства создания малогабаритных угловых преобразователей инкрементального и абсолютного типов на основе отражательных дифракционных структур и используют амплитудный принцип модуляции интенсивности света, который обеспечивается дифракционной решеткой, нанесенной в виде коротких отрезков. Причем в этих отрезках решетка наносится под разными углами к направлению сканирования. В этой работе они показали возможность создания на диске, диаметром 27 мм, 10-разрядного абсолютного преобразователя и инкрементального преобразователя с разрешением в 2^-11. Применяя метод внутришаговой интерполяции, они увеличили разрешение до 2^-15. В случае абсолютного преобразователя немецкие исследователи формировали 10 треков, которые представляли собой набор из структурированных и неструктурированных секторов, причем в структурированных секторах каждый трек отличался пространственным периодом линий, структурирующих сектора данного трека. Пространственная частота линий в каждом треке определяла угол дифракции взаимодействующего со структурой излучения, в соответствии с которым размещались фотоприемники, формирующие сигналы соответствующего разряда преобразователя. Дополняя дифракционную структуру абсолютного преобразователя дифракционной структурой инкрементального преобразователя, они подняли разрешение абсолютного преобразователя до 2^-15. Надо отметить, что техническое решение создания абсолютного преобразования угла на основе дифракционных структур, предложенное немецкими исследователями, имеет принципиальное ограничение в части повышения точности или разрешающей способности. Это связано с наличием вторых, третьих и т.д. дифракционных порядков в поле дифракции света, освещающего кодирующую структуру. Но следует отметить интересное техническое решение, связанное с управлением пространственным положением дифрагированных порядков света. Оно реализовано в виде управляемого наклона штрихов дифракционной решетки в каждом треке. Эта возможность обеспечивается особенностями генератора изображений CLWS-300, разработанного в СО РАН и использованного немецкими исследователями. Подобная возможность управления направлением дифракционных порядков используется в заявляемом изобретении.

Недостатком известного технического решения построения преобразователей абсолютного типа на основе дифракционных решеток является низкая разрешающая способность и точность преобразователя, получаемого в результате использования этого технического решения.

Известен способ и техническое решение, его реализующее, касающееся конструкции фотоэлектрического преобразователи абсолютного типа, основанное на использовании, по крайней мере, двух измерительных растров, в которых число штрихов отличается на единицу (Авторское свидетельство СССР №1197081 «Фотоэлектрический преобразователь угол-код», МПК Н03М 1/59, опубликовано 07.12.1985 г.), выбранное в качестве прототипа. Данное техническое решение, известное также как преобразователи абсолютного типа на основе нониусных шкал, дает возможность существенно снизить массогабаритные показатели преобразователя абсолютного типа, однако с его помощью достаточно сложно решить проблему повышения точности, т.к. для приемлемых точностей требуется применение растров с большим числом штрихов. Это приводит к появлению на общем носителе, по крайней мере, еще одного растра, у которого сформировано требуемое число штрихов. Как правило, это сопровождается увеличением габаритов исходных растров, при сохранении прежнего числа штрихов в исходных растрах. Последнее приводит к увеличению периода исходных растров, что, в свою очередь, приводит к отклонению от синусоидальности выходных сигналов (квадратур) преобразователя, что существенно ограничивает возможность повышения точности преобразования угла. Однако данный подход к решению проблемы снижения массогабаритных показателей взят в данной заявке за основу, и данное техническое решение используется как прототип.

Недостатком известного технического решения является низкая точность преобразования угла при реализации абсолютных преобразователей на основе нониусных шкал.

Перед авторами ставилась задача разработать способ построения углового преобразователя абсолютного типа на основе нониусных шкал на базе дифракционных структур.

Поставленная задача решается тем, что в способе построения углового преобразователя абсолютного типа, использующего установленный на прецизионной оси дисковый носитель, на который нанесены три концентрические кодирующие дорожки с числом штрихов, равным N, N-1 и N-k, формирующие системы грубого и точного отсчетов угла соответственно, дополнительно определяют начало шкалы абсолютного преобразователя типа, при этом формируя штрихи на каждой концентрической кодирующей дорожке так, что имеется, по крайней мере, по одному штриху, между которыми установлен нулевой фазовый сдвиг, и с периодом, близким длине волны источника света, излучение которого используют для одновременной подсветки штрихов на трех концентрических кодирующих дорожках, формируя порядки дифракции, при этом порядки дифракции от N и N-1 дорожек с номерами +1 выделяют и с помощью оптических элементов первого интерферометра направляют на вход первого интерферометра, из выходных сигналов первого интерферометра получают фазу интерференции, которую используют в качестве грубого отсчета угла, выделяют порядки дифракции от N и N-k дорожек с номерами -1 и с помощью оптических элементов второго интерферометра направляют на вход второго интерферометра, из выходных сигналов которого получают другую фазу интерференции, которую используют в качестве среднего отсчета угла, одновременно с этим выделяют +2 и -2 порядки дифракции от N дорожки и с помощью оптических элементов третьего интерферометра направляют на вход третьего интерферометра, из выходных сигналов которого получают третью фазу интерференции, которую используют в качестве точного отсчета угла. Полученные значения сигналов на выходах систем грубого, среднего и точного отсчетов угла используют для формирования полного значения угла поворота дискового носителя, установленного на прецизионной оси. При этом формирование штрихов на трех концентрических кодирующих дорожках производят за единый технологический цикл.

Техническим эффектом заявляемого изобретения является возможность повышения разрешающей способности абсолютного преобразователя угла до 2^-31 от полного оборота ротора преобразователя при существенно меньших габаритах, чем у прототипов.

Технический эффект заявляемого изобретения заключается в повышении чувствительности и разрешающей способности абсолютного преобразователя угла до 2^-31 от полного оборота ротора преобразователя при существенно меньших габаритах преобразователя абсолютного типа.

На фиг. 1 представлены: а) - три концентрические кодирующие дорожки с числом штрихов, равным N, N-1 и N-k, нанесенные на дисковый носитель, б) - фрагмент трех концентрических кодирующих дорожек в увеличенном масштабе, показывающим, что штрихи на центральной дорожке (с числом N) нанесены радиально, а штрихи обеих крайних дорожек наклонены на угол β относительно штрихов на центральной дорожке.

На фиг. 2 представлено формирование 0, ±1 и ±2-х порядков дифракции от крайних концентрических кодирующих дорожек при подсветке снизу узким потоком от источника света, например, лазерным излучением.

На Фиг. 3 представлена техническая реализация систем грубого и среднего отсчетов угла поворота дискового носителя с помощью регистрации фазы выходных сигналов первого и второго интерферометров соответственно, где 1 - первый интерферометр, 2 - первое зеркало, 3 - первый светоделитель, 4 - фотоприемники первого интерферометра, 5 - узкий световой пучок, 6 - второй интерферометр, 7 - второе зеркало, 8 - второй светоделитель, 9 - фотоприемники второго интерферометра.

На фиг. 4 представлена техническая реализация системы точного отсчета угла поворота дискового носителя с помощью регистрации фазы выходных сигналов третьего интерферометра 10 и его положение относительно первого и второго интерферометров, где 1 - первый интерферометр, 6 - второй интерферометр, 10 - третий интерферометр, 11 - третье зеркало, 12 - четвертое зеркало, 13 - третий светоделитель, 14 - фотоприемники третьего интерферометра.

В заявляемом изобретении предлагается следующий способ построения преобразователя «угол-код», а именно углового преобразователя абсолютного типа на основе нониусных шкал, выполненных на базе дифракционных структур и с использованием фазовой модуляции падающего на дифракционную решетку излучения от источника света с интерференционным считыванием информации. Основное отличие заявляемого изобретения от прототипа состоит в том, что кодирование угла с помощью периодических структур, отличающихся числом периодов, по крайней мере, на единицу, реализовано не на основе растровых сопряжений, а на основе дифракционных решеток и дифракционных интерферометров, применяемых в качестве узлов снятия информации, что приводит к появлению других операций, не имеющих аналогий в прототипе.

Носителем кодовой структуры преобразователя абсолютного типа является дисковый носитель, установленный на прецизионной оси. На дисковом носителе за единый технологический цикл нанесены, по аналогии с прототипом, три концентрические кодирующие дорожки с числом штрихов, равным N, N-1 и N-k, и ответственные за создание грубой, средней и точной систем отсчета угла соответственно. На центральной концентрической кодирующей дорожке нанесены N штрихов с периодом следования d, соизмеримым с длиной волны света λ, освещающего концентрическую кодирующую дорожку. На одной из крайних концентрических кодирующих дорожек нанесен (N-1) штрих, а на другой (N-k), где N и k целесообразно выбирать пропорциональными 2^m и N>>k, где значения N и k определяются размерами используемого дискового носителя. Штрихи на центральной концентрической кодирующей дорожке нанесены ортогонально направлению движения штрихов, а на боковых дорожках штрихи целесообразно наклонить на угол β относительно перпендикуляра к направлению вращения дискового носителя (фиг. 1, б). Дополнительно определяют начало шкалы абсолютного преобразователя типа, формируя штрихи на каждой концентрической кодирующей дорожке так, что имеется, по крайней мере, по одному штриху, между которыми установлен нулевой фазовый сдвиг и с периодом, близким длине волны источника света.

Три концентрические кодирующие дорожки одновременно освещают сфокусированным световым пучком, например, лазерным излучением, в поперечном сечении вытянутым в радиальном направлении, формируя при этом порядки дифракции. В результате взаимодействия светового пучка с дифракционными структурами трех концентрических кодирующих дорожек формируют от каждой концентрической кодирующей дорожки порядки дифракции с номерами 0, +1, +2, -1 и -2 (фиг. 2).

С помощью первого зеркала 2 и первого светоделителя 3 выделяют +1 порядки дифракции от N и N-1 концентрических кодирующих дорожек и направляют их на вход первого интерферометра 1, из выходных сигналов фотоприемников 4 первого интерферометра 1 выделяют фазу интерференции, которую используют в качестве грубого отсчета угла, т.к. фаза выходных сигналов первого интерферометра 1 изменяется от 0 до 2π за один полный оборот дискового носителя дифракционных структур (фиг. 3).

С помощью второго зеркала 7 и второго светоделителя 8 выделяют порядки дифракции с номерами - 1 от N и N-k концентрических кодирующих дорожек и направляют их на входы второго интерферометра 6, из выходных сигналов фотоприемников 9 второго интерферометра 6 которого получают вторую фазу интерференции, которую используют в качестве среднего отсчета угла. Фаза выходного сигнала второго интерферометра 6 изменяется от 0 до 2π k раз за один полный оборот дискового носителя дифракционных структур. Поэтому если полное значение фазы сигналов грубого отсчета квантуют на k дискрет, то выходной сигнал второго интерферометра 6 изменится от 0 до 2π в то время, как фаза выходного сигнала первого интерферометра 1 грубого отсчета изменится только на одну дискрету (один шаг квантования). Следовательно, второй интерферометр 6 среднего отсчета выступает внутришаговым интерполятором для первого интерферометра 1 грубого отсчета. Тогда, если фазу второго интерферометра 6 квантуют на m дискрет, то угол поворота дискового носителя проквантуют на (m⋅k) дискрет.

С помощью третьего зеркала 11 и четвертого зеркала 12, третьего светоделителя 13 одновременно с выполнением операций в системах грубого и среднего отсчетов выделяют порядки дифракции с номерами +2 и -2 от N-й концентрической кодирующей дорожки и направляют их на входы третьего интерферометра 10, из выходных сигналов фотоприемников 14 третьего интерферометра 10 которого выделяют третью фазу интерференции, которую используют в качестве точного отсчета угла. Фаза выходных сигналов фотоприемников 14 третьего интерферометра 10 изменяется от 0 до 2π 4⋅N раз за полный оборот дискового носителя дифракционных структур. Полученные значения фаз систем грубого, среднего и точного отсчетов используют для формирования полного значения угла поворота дискового носителя, установленного на прецизионной оси.

Увеличение чувствительности интерферометра 10 в 4 раза относительно N периодов реализуется за счет одновременного действия 2-х факторов: применение двуплечного интерферометра увеличивает чувствительность к перемещению в два раза и использование излучений, дифрагированных во вторые порядки дифракции, повышает чувствительность интерферометра еще в два раза.

А т.к. выбиралось, что N>>k, то третий интерферометр 10 точного отсчета выступает внутришаговым интерполятором для второго интерферометра 6 среднего отсчета. Конкретное соотношение между N и k можно установить для используемого диаметра дискового носителя дифракционных структур. Пусть диаметр средней концентрической кодирующей дорожки равен 27 мм (как у абсолютного преобразователя немецких исследователей). Тогда длина концентрической кодирующей дорожки равна 84,823 мм или 84 823 мкм. Ближайшее число, пропорциональное 2ⁱ, равно 65536 (2¹⁶), которое целесообразно принять за N (что соответствует периоду штрихов на концентрической кодирующей дорожке, равному 1,29 мкм). Тогда 4⋅N=2¹⁸. Если принять m=k, а m⋅k=4⋅N, то m=k=2⁹=512. Для современной измерительной техники обеспечение коэффициента интерполяции для идеальных гармонических сигналов интерферометров, равного 512, является весьма умеренным требованием. Если принять, что фазу точной системы отсчета квантуют на n квантов, то итоговый результат по разрешающей способности углового преобразователя абсолютного типа, реализующего предлагаемый способа построения, составит Q=m⋅k⋅n квантов. Например, если m=k=n=512=2⁹, что, как уже отмечалось, является весьма умеренным требованием, то Q будет равно 2²⁷ разрешаемых дискрет на один оборот дискового носителя дифракционных структур.

В настоящее время при диаметре абсолютного углового преобразователя, равного 27 мм, подобное разрешение пока не достигалось в мире.

Но если принять, что в третьей системе отсчета будет использовано разрешение по фазе, более характерное для дифракционных систем (а чаще всего это 8192=2¹³), то можно прогнозировать, что при данных габаритах абсолютного углового преобразователя возможно повышение его разрешающей способности до 2^-31 от полного оборота дискового носителя дифракционных структур.

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано в измерительной технике, в точном машиностроении, приборостроении и других областях науки и промышленности для создания высокоточных систем управления и углоизмерительных приборов. В заявленном способе построения углового преобразователя абсолютного типа используется установленный на прецизионной оси дисковый носитель, на который нанесены три концентрические кодирующие дорожки с числом штрихов, равным N, N-1 и N-k, формирующие системы грубого и точного отсчетов угла, определяется начало шкалы абсолютного преобразователя типа и используется фазовая модуляция падающего на дифракционную решетку излучения. Выделяются нужные порядки дифракции, которые приводятся к интерференции с помощью трех интерферометров. В результате на их выходах выделяются три фазы интерференционных сигналов трех интерферометров, которые формируют выходное значение угла с высоким разрешением. Технический результат - возможность повышения разрешающей способности абсолютного преобразователя угла до 2^-31 от полного оборота ротора преобразователя при существенно меньших габаритах. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ построения углового преобразователя абсолютного типа, использующего установленный на прецизионной оси дисковый носитель, на который нанесены три концентрические кодирующие дорожки с числом штрихов, равным N, N-1 и N-k, формирующие системы грубого и точного отсчетов угла соответственно, отличающийся тем, что дополнительно определяют начало шкалы абсолютного преобразователя типа, при этом формируя штрихи на каждой концентрической кодирующей дорожке так, что имеется, по крайней мере, по одному штриху, между которыми установлен нулевой фазовый сдвиг, и с периодом, близким длине волны источника света, излучение которого используют для одновременной подсветки штрихов на трех концентрических кодирующих дорожках, формируя порядки дифракции, при этом порядки дифракции от N и N-1 дорожек с номерами +1 выделяют и с помощью оптических элементов первого интерферометра направляют на вход первого интерферометра, из выходных сигналов первого интерферометра получают фазу интерференции, которую используют в качестве грубого отсчета угла, выделяют порядки дифракции от N и N-k дорожек с номерами -1 и с помощью оптических элементов второго интерферометра направляют на вход второго интерферометра, из выходных сигналов которого получают другую фазу интерференции, которую используют в качестве среднего отсчета угла, одновременно с этим выделяют +2 и -2 порядки дифракции от N дорожки и с помощью оптических элементов третьего интерферометра направляют на вход третьего интерферометра, из выходных сигналов которого получают третью фазу интерференции, которую используют в качестве точного отсчета угла, полученные значения сигналов на выходах систем грубого, среднего и точного отсчетов угла используют для формирования полного значения угла поворота дискового носителя, установленного на прецизионной оси.

2. Способ построения углового преобразователя абсолютного типа по п. 1, отличающийся тем, что формирование штрихов на трех концентрических кодирующих дорожках производят за единый технологический цикл.