CN101050957B - 用于初始化位置测量系统的方法 - Google Patents

Abstract

将在至少两个自由度中相对于测量框架移动的目标上的位置测量系统初始化的方法。该位置测量系统每个自由度具有位置测量仪器及扫描头，其中位置测量仪器分别具有标尺，标尺具有增量通道和绝对通道，所述扫描头配属于所述标尺并且用于读出增量通道和绝对通道。按照一种实施例，在初始化步骤中用在扫描头及所属的标尺的定向方面具有大公差的第一分析法对所述增量通道进行分析，并且在该过程中为每个自由度确定大致的绝对位置。在定向步骤中，借助于所述大致的位置使所述移动的目标相对于测量框架进行定向。在检测步骤中用在扫描头及所属的标尺的定向方面具有微小公差的第二分析法对绝对通道进行分析，并且为每个自由度确定精确的绝对位置。

Description

用于初始化位置测量系统的方法

技术领域

本发明涉及一种用于初始化位置测量系统的方法。它能够为在多个自由度中相对于测量框架移动的目标启动位置测量系统。

背景技术

对于在纳米范围及低于纳米的范围中的高精度位置测量任务来说，无法顺序测量机器的单根轴线。在这样的顺序测量装置中，为每根轴线彼此安装单个的测量仪器，使得比如用于Y-方向的第二测量仪器的静止部分与用于垂直于Y-方向的X-方向的第一位置测量仪器的活动部分相连接。而后将有待监控的目标(比如定位台)与所述第二测量仪器的活动部分相连接。在用于X-方向的导向装置中，总是出现Y-方向上的很小的导向偏差。但这样的导向偏差在顺序测量装置中无法由所述第二位置测量仪器探测到，因为它作为整体与这些导向偏差一同移动。即使在非常高级的导向装置中也会在横向于导向方向的方向上出现数个纳米的偏差。由此无法用一台顺序测量装置在多个方向上进行高精度的位置测量。

有必要将用于所有测量方向的测量仪器的静止部分固定地与一个测量框架相连接，并且将其活动部分与有待监控的目标相连接。唯有如此才能保证每台测量仪器可以真正地检测到在相应的测量方向上的所有关系重大的运动。比如可以在移动的目标上固定具有光学的、磁性的或者电容的刻度的标尺，通过固定在所述测量框架上的相对应的扫描头来无接触地对这些标尺进行扫描或者说将其读出。通常，这样的标尺除了高精度的增量通道(Spur)之外还具有其它的包含绝对位置信息的通道。在最简单的情况下，这可以是基准标记，该基准标记在扫描头经过(

berfahren)时配属于增量通道的一个信号周期，并且由此提供绝对位置信息，或者也提供一种绝对编码的通道，该通道能够在所述位置测量仪器的每个位置中读出绝对位置。以下将这样的通道称为绝对通道。无论如何，将所述绝对通道配属于增量通道这一点十分重要，因为只有这样才能形成精确的位置值。

通常，所述从对增量通道进行的扫描中产生的增量信号以及在多数情况下从对绝对通道进行的扫描中产生的绝对信号可以在一个宽的、有关在标尺及所属的扫描头的定向的公差范围内检测到并进行分析。但这不适用于来自绝对通道的绝对位置信息和来自增量通道的相对位置信息之间的对应关系。这种对应关系也被称为绝对通道和增量通道的连接。为了能够为每个绝对信息明确地配设所属的增量通道的信号周期，必须为扫描头和所配设的标尺之间的定向保持相当小的公差，下面也将该公差称为连接公差。

一种这样的位置测量系统包括多个用于多个自由度或者说测量方向的位置测量仪器，在启动具有一种这样的位置测量系统的机器时提出这样的问题，即移动的目标首先仅仅非常大概地相对于测量框架进行定向，比如通过机械止挡。由此在启动时，在目标和测量框架之间的定向方面仅仅保证一个相当大的公差，以下将该公差称为初始公差。如果在所述扫描头和所配设的标尺之间存在太大的扫描间距或者太大的相互翻转，那就无法对绝对信息进行分析或者说无法将绝对信息对应于增量通道。这主要在角度轴线也一同参与时是这种情况。而后位置测量系统的初始化就十分困难。

发明内容

因此，本发明的任务是说明一种方法，利用该方法可以使一种用于多个自由度的位置测量系统初始化，即使在所述参与测量的位置测量仪器的扫描头及标尺的位置首先无法进行精确的位置测量时，也能做到这一点。

该任务通过一种按权利要求1所述的方法得到解决。本方法的有利的细节产生于那些从属于权利要求1的权利要求。

在此描述了一种方法，该方法用于将在可以相对于测量框架在至少两个自由度中移动的目标上的位置测量系统初始化。所述位置测量系统每个自由度具有至少一个位置测量仪器以及扫描头，其中所述位置测量仪器具有一个标尺，而该标尺则具有用于测量相对位置的增量通道以及用于测量绝对位置的绝对通道，并且配属于所述标尺的扫描头用于读出增量通道和绝对通道。

在初始化步骤中用第一分析法对所述增量通道或绝对通道进行分析，并且在该过程中形成分析结果。在定向步骤中，借助于所述来自初始化步骤的分析结果使所述移动的目标相对于所述测量框架进行定向。在检测步骤中用在所述扫描头及所属的标尺的定向方面具有微小公差的第二分析法对所述绝对通道进行分析，并且为每个自由度确定精确的绝对位置，具体方法是：将所述绝对通道的信号明确地对应于所述增量通道的信号周期。

因此，本发明基于这样的构思，即在初始化步骤中首先用不同于第二分析法的第一分析法读出参与测量的位置测量仪器，并且在该过程中形成分析结果，该分析结果能够在定向步骤中将所述移动的目标相对于所述测量框架置于一个明确确定的初始位置中，在该初始位置中所述标尺及扫描头彼此间的位置与进行精确的位置测量所必需的连接公差相符。在必要时，需要多次重复初始化步骤及定向步骤，直到遵守很小的公差或者说连接公差。可以比如在每次定向步骤之后进行相应的检查，而后要么分支到另一个初始化步骤，要么分支到检测步骤。

还应该提到，在成功的检测步骤中已经为增量通道的信号周期配设了一个明确的绝对位置信息，随后完全可以放弃读出所述绝对通道，方法是仅仅一个计数器将增量通道的信号周期一起计数。因为而后也不再有必要将所述绝对通道连接到增量通道上，所以用于在扫描头和所配设的标尺之间的定向的公差、以下也称为运行公差又可以明显大于所述连接公差。它甚至可以相当于初始公差。但如果出于运行可靠性的原因有必要不断配设绝对信息和增量信息，必须为所述运行公差选择象连接公差一样狭窄的范围。所述连接公差因此明显小于所述初始公差，而运行公差根据应用情况可以处于所述连接公差和初始公差之间。

附图说明

本发明的其它优点以及细节产生于借助附图对实施例所作的以下说明。其中

图1是一个移动的目标连同三个位置测量仪器，

图2是在定向步骤前后扫描头的信号，

图3是流程图。

具体实施方式

图1示出了一个移动的目标1。该目标1可以在两个旋转自由度Rx和Ry中以及在一个平移自由度Z中移动，这里没有示出相应的导向装置。翻转轴线处于平坦的目标1的平面中并且彼此垂直。所述Z-轴线与所述两根翻转轴线垂直。

在目标1上固定着三个标尺2，这些标尺2分别具有一个增量通道3和一个绝对通道4。在测量框架6上固定着扫描头5，这些扫描头5配属于相应的标尺2并且不仅可以读出增量通道3而且可以读出绝对通道4，并且可以转换为电信号。

所述标尺2和扫描头5构成三个对翻转角Rx、Ry和Z-位置Z进行检测的位置测量仪器10、11、12。其中，所述翻转角Rx可以从所述位置测量仪器10和12的测量值的差值(P12-P10)中推导出来。所述翻转角Ry可以从所述位置测量仪器11的测量值和所述位置测量仪器10及12的测量值的和的一半之间的差值(P11-0.5^＊(P10+P12))中推导出来。在Z-方向上的位置可以借助于所有三个位置测量仪器10、11、12的测量值的总和(P10+P11+P12)来确定。其中P10、P11、P12分别代表由相应的位置测量仪器10、11、12检测得到的位置值。

所述绝对通道4具有基准标记，这些基准标记用于相应地对增量通道3的信号周期进行标记。通过在所述增量通道3的周期内的插值以及其中一个这样的周期与所述绝对通道4的基准标记之间的对应，就可以为所有的自由度Rx、Ry、Z进行高精度的绝对位置测量。

图2a示出了所述扫描头12的信号7、9，该扫描头12用于检测目标1关于自由度Z的位置。所述增量信号9象通常一样是指两个彼此相位移动了90度的周期性信号A和B。

为识别所述绝对通道4的基准标记及其与增量信号9的周期的对应关系，所述基准标记信号7有必要超过一个触发阈值8。但由于所述目标在自由度Ry中的翻转，所述基准标记信号7衰减到这种程度，从而不再达到这个触发阈值8。目标是，将所述基准标记信号7的信号峰明确地配属于增量信号9的周期。然后才能进行精确的位置测定。

因此，按照一种第一实施例，在一个初始化步骤100(参照图3)中首先使用用于所述绝对通道4或者说其基准标记的第一分析法，尽管该第一分析法仅仅能够进行大致的位置测定，但为此相应于在扫描头和所属的标尺之间的定向方面的初始公差具有很高的公差。

一种大致的位置测定比如意味着，所述基准信号与增量通道3之间的对应关系仅仅在少数几个信号周期上是精确的。但也可以比如仅仅读出一个绝对通道4，利用该绝对通道4可以对多个绝对位置进行编码(比如用PRC-代码)，而根本不要将这个绝对通道4配属于增量通道3。在这种情况下，只有在必须用增量通道信息在初始化过程中对机器轴线进行调节时，才有必要比如在定向步骤中读出所述增量通道3。

因此，可以比如用阻塞滤波器(Blockfilter)对图2a的基准标记信号7进行分析，该阻塞滤波器在一个特定宽度范围内对该基准标记信号7进行积分(aufintegrieren)。该宽度应该大致相当于在基准标记信号7中的信号峰的所期望的宽度，用于理想地对噪声及其它干扰峰进行抑制。如果使这个宽度在所述基准标记信号7的范围内移动，那么所述积分大致在所述基准标记的实际位置的范围内为最大。即使如此确定的基准标记的位置无法肯定地对应于所述增量通道3的特定的信号周期，但这种对应关系在少数几个信号周期上是精确的。因此可以为所有的自由度Rx、Ry、Z测定一个大致的位置值作为分析结果，并且在定向步骤200中用于对目标1进行定向。

在此有另一种用于对基准标记信号7进行分析的方法，如果所述基准标记信号具有某个特定的模型(比如多个具有特定的可能有变化的间距的峰)，那么该方法总是合适的。该方法的一种实施例是用一种相应的模型进行交叉关联计算(Kreuzkorrelationsrechnung)，并且对交叉关联计算的结果进行分析：关联程度最高的位置大致相当于所述基准标记的位置。

基准标记信号7具有一个具有指定频率的局部的信号调制，在这些基准标记信号7的情况下优选在第一步骤中对该频率进行滤波，用于确定其振幅并且最后寻找其最大值，并且由此检测基准标记的大致位置。其中，也可以通过多个指定的频率进行信号调制。

在初始化步骤100中所有这些方法的目的是，使基准标记信号7中的有效信号免除噪声及干扰峰，并且由此根据在扫描头和标尺的定向方面的初始公差进行具有很大公差的分析。

在定向步骤200中，借助于所述在初始化步骤100中所确定的大致的位置值对所述目标1进行定位，使得现在所述扫描头5相对于所述标尺2进行更好地定向。

现在在检测步骤300中，可以检测所述目标1相对于测量框架6的精确位置。在图2b中可以看出，现在所述基准标记信号7超过了所述触发阈值8，以便精确检测出基准标记位置。现在在所述扫描头12与其所属的标尺的定向方面的连接公差得到了遵守。由此也可以将所述绝对通道4或者说其基准标记明确地配属于增量信号9的信号周期。通过增量通道3的插值以及周期的计数，就可以在整个测量长度上进行非常精确的位置测定。

如果所述扫描头5和标尺2的定向在定向步骤200之后还没有遵守所述绝对通道4的第二分析法的连接公差，那么可以继续进行初始化步骤100以及定向步骤200，这样可以获得越来越精确的定向，直到可以分支到检测步骤300。为此，在所述定向步骤200和检测步骤300之间插入一个条件分支，该分支分支到初始化步骤100，如果还没有遵守用于第二分析法的连接公差，否则分支到检测步骤。这一点在图3中通过箭头用虚线来表示。

按照第二实施例，在初始化步骤100中没有象在第一实施例中一样对所述绝对通道4进行分析，而是更确切地说用第一分析法对所述增量通道3进行分析。其中没有检测大致的绝对位置，而是对增量信号9的信号特性进行分析并且形成相应的分析结果。由此比如可以根据两个彼此相位移动了90度的信号A、B的信号强度或者说振幅来进行所述扫描头5和标尺2之间的定向：在已定向的状态中(参照图2b)，也就是在遵守定向公差的情况下，该振幅明显大于在未定向的状态中的振幅(参照图2a，未遵守定向公差)。也就是说如果在初始化步骤100中检测发现有关的振幅太低，那就可以比如在定向步骤200中如此长时间地改变所述目标1关于自由度Ry的翻转，直到所述振幅达到一个特定的数值，根据该数值可以推断出一种已定向的状态，在该定向的状态中遵守所述的连接公差。其中，如此频繁地连续进行所述初始化步骤100(这里是确定振幅)以及定向步骤200(这里是所述目标1关于Ry的翻转)，直到可以进行所述检测步骤300。

所述周期性的增量信号9的其它可能的、适合作为在初始化步骤100中进行分析的信号特性，是所述两个在理想情况下相位移动了90度的增量信号A和B的相位，或者是所述增量信号A和B的零点漂移。

Claims (7)

1.用于将在至少两个自由度(Rx、Ry、Z)中相对于测量框架(6)移动的目标(1)上的位置测量系统初始化的方法，其中所述位置测量系统每个自由度(Rx、Ry、Z)具有至少一个位置测量仪器(10、11、12)，其中所述位置测量仪器(10、11、12)分别具有标尺(2)以及分别具有配属于所述标尺(2)的扫描头(5)，而该标尺(2)则具有用于测量相对位置的增量通道(3)和用于测量绝对位置的绝对通道(4)，并且所述扫描头(5)用于读出增量通道(3)和绝对通道(4)，其特征在于，在初始化步骤(100)中用第一分析法对所述增量通道(3)或者绝对通道(4)进行分析，并且形成分析结果，在定向步骤(200)中，借助于所述分析结果使所述移动的目标(1)相对于所述测量框架(6)进行定向，并且在检测步骤(300)中用在所述扫描头(5)及所属的标尺(2)的定向方面具有微小公差的第二分析法对所述绝对通道(4)进行分析，并且为每个自由度(Rx、Ry、Z)确定精确的绝对位置；在所述初始化步骤(100)中用所述第一分析法对所述绝对通道(4)进行分析，并且为每个自由度(Rx、Ry、Z)确定大致的绝对位置作为分析结果，其中所述第一分析法在扫描头(5)及所属的标尺(2)的定向方面具有大公差；借助于在初始化步骤(100)中所检测到的大致的绝对位置，使所述目标(1)相对于测量框架(6)进行定向，并且由此使所述扫描头(5)相对于标尺(2)进行定向，从而在检测步骤(300)中遵守微小的公差。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述绝对通道(4)具有基准标记，借助于所述第一和第二分析法对该基准标记进行分析。

3.按权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一分析法仅仅允许大致地将所述基准标记配属于增量通道(3)，并且所述第二分析法则保证将所述基准标记精确地配属于增量通道(3)。

4.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述绝对通道(4)具有代码，在该代码中对多个绝对位置进行编码，并且借助于所述第一和第二分析法对该代码进行分析。

5.按权利要求4所述的方法，其特征在于，仅仅借助于所述绝对通道(4)来确定所述大致的绝对位置。

6.用于将在至少两个自由度(Rx、Ry、Z)中相对于测量框架(6)移动的目标(1)上的位置测量系统初始化的方法，其中所述位置测量系统每个自由度(Rx、Ry、Z)具有至少一个位置测量仪器(10、11、12)，其中所述位置测量仪器(10、11、12)分别具有标尺(2)以及分别具有配属于所述标尺(2)的扫描头(5)，而该标尺(2)则具有用于测量相对位置的增量通道(3)和用于测量绝对位置的绝对通道(4)，并且所述扫描头(5)用于读出增量通道(3)和绝对通道(4)，其特征在于，在初始化步骤(100)中用第一分析法对所述增量通道(3)或者绝对通道(4)进行分析，并且形成分析结果，在定向步骤(200)中，借助于所述分析结果使所述移动的目标(1)相对于所述测量框架(6)进行定向，并且在检测步骤(300)中用在所述扫描头(5)及所属的标尺(2)的定向方面具有微小公差的第二分析法对所述绝对通道(4)进行分析，并且为每个自由度(Rx、Ry、Z)确定精确的绝对位置；在初始化步骤(100)中用所述第一分析法对所述增量通道(3)进行分析，并且在该过程中为每个自由度(Rx、Ry、Z)确定所述增量通道(3)的扫描信号(9、A、B)的信号特性作为分析结果；借助于在初始化步骤(100)中所检测得到的信号特性，使所述目标(1)相对于测量框架(6)进行定向，并且由此使所述扫描头(5)相对于所述标尺(2)进行定向，从而在检测步骤(300)中遵守微小的公差。

7.按权利要求6所述的方法，其特征在于，所述扫描信号(9、A、B)的信号特性是信号强度。

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