CN101290220B - 位置测量装置 - Google Patents

Abstract

提出了一种位置测量装置，其具有编码(C)和扫描装置(AE)，编码由一系列沿测量方向(X)前后布置的码元(C1，C2，C3)组成，至少两个相互跟随着的码元分别形成具有位置信息的码字(CW)，扫描装置具有用于读出编码(C)的至少两个形成码字(CW)的码元的检测器元件(D1-D14)以及评估装置(AW)，在评估装置中可以由检测器元件的扫描信号(S)求得具有当前位置信息的码字。扫描装置和编码沿测量方向可相对运动地进行布置。本发明的特征在于，所述码元在过渡区域中具有相同的特性，在相互邻接的码元之间插入具有与上述特性互补的特性的分隔元件(U1，U2)。

Description

位置测量装置 

技术领域

本发明涉及一种用于确定绝对位置的位置测量装置。 

背景技术

在许多领域中越来越多地使用绝对的位置测量装置，在这种绝对的位置测量装置中，绝对的位置信息由具有沿测量方向前后布置的码元的编码通道导出。在此，码元以伪随机的分布进行设置，从而彼此先后相随的码元的确定的数量分别形成一个位模型。在扫描装置相对于编码通道移动一个唯一的码元时已经形成了一个新的位模型，并且一系列不同的位模型具有整个有待绝对检测的测量区域。 

这类顺序的编码称作链式编码或者伪随机编码(PRC)。 

在由J.T.M.Stevenson和J.R.Jordan在物理E/科学仪器杂志(Journal of Physics E/Scientific Instruments)21(1988)No.12中1140页到1145页发表的公开文献“用编码图的光学检测进行绝对位置测量(Absolute position measurement using optical detection of coded patterns)”中提出，每个码元由具有互补的光学特性的两个部分区域的预先给定的顺序组成。 

在该公开文献中参考了GB 2 126 444A。在那里，为了在这类曼切斯特-编码中产生二进制的信息，建议将编码区域的模拟的扫描信号与预先给定的触发器阈值作比较，并且根据该比较产生二进制信息0或1。 

与预先固定给定的触发器阈值的这种比较具有这样的缺点，即模拟扫描信号中的波动会导致错误地产生二进制信息。 

在DE 102 44 235A1中同样描述了位置测量装置，该位置测量装置的绝对编码通道由码元的伪随机的布置组成，该码元具有曼切斯特-编码。为了确定检测器元件的扫描信号是否具有有效值，一方面建议使用相对于绝对的编码通道平行延伸的增量通道的扫描信号用于选择对于评估绝对通道所需的检测器元件。另一方面，鼓励为了评价检测器信号的可靠性将检测器元件分成一组具有偶数编号的检测器 元件和一组具有奇数编号的检测器元件，并且分别形成每组的直接相互跟随着的检测器元件的差信号，并且与比较值进行比较。位置值最终由有效的扫描信号形成，该扫描信号由比较得出。 

发明内容

本发明的任务是进一步改善绝对的位置测量装置的可靠性或者说操作安全性。 

该任务通过一种按本发明的位置测量装置得到解决。 

提出了一种位置测量装置，其具有编码和扫描装置，编码由一系列沿测量方向前后布置的码元组成，其中至少两个相互跟随着的码元相应地形成具有位置信息的码字，扫描装置具有用于读出编码的至少两个形成码字的码元的检测器元件以及评估装置，在评估装置中可以由检测器元件的扫描信号求得具有当前位置信息的码字。扫描装置和编码沿测量方向可相对运动地进行布置。本发明的特征在于，在相邻的在过渡区域中具有相同的特性的码元之间插入具有对此互补的特性的分隔元件。 

本发明优选的设计方案在从属权利要求中进行说明。 

附图说明

根据附图对本发明进行详细解释。其中： 

图1是位置测量装置的示意性视图； 

图2是错误检查的原理； 

图3是用于按图2进行错误检查的信号； 

图4a是按本发明的位置测量装置的第一扫描位置； 

图4b是按本发明的位置测量装置的第二扫描位置； 

图4c是按本发明的位置测量装置的第三扫描位置； 

图4d是按本发明的位置测量装置的第四扫描位置；以及 

图5是在按本发明的位置测量装置中检测器元件上的信号曲线。 

具体实施方式

在图1中示意性地示出了按本发明构造的位置测量装置，其中该位置测量装置在很大程度上相应于已经在DE 102 44 235A1中介绍的位置测量装置。该位置测量装置根据光学的扫描原理进行工作，其中以透射光方法对编码C进行扫描。扫描装置AE用于对编码C进行扫描，该扫描装置AE沿测量方向X相对于编码C可运动地进行布置。 

编码C由沿测量方向X前后布置的一系列相同长度的码元C1，C2，C3组成。每个码元C1，C2，C3又由两个相同长度的沿测量方向X并排地直接依次相随布置的部分区域A和B组成，该部分区域构造成彼此互补的。在此，互补表示该部分区域具有相反的特性，也就是说例如在光学的扫描原理中是透明的和不透明的，或者说在反射光扫描中是反射的或者说不反射的。 

顺序的编码C由扫描装置AE进行扫描，该扫描装置包含光源L，该光源的光通过瞄准仪透镜K照射多个相互连续的码元C1，C2，C3。由编码C根据位置对光进行调整，从而在编码C后产生取决于位置的光分布，该光分布由扫描装置AE的检测器单元D进行检测。 

检测器单元D是具有沿测量方向X布置的一系列检测器元件D1到D11的行传感器(Zeilensensor)。由于清晰的缘故，只画出了必要的数量的检测器元件D1到D11在示出的位置中对编码C进行扫描。为码元C1，C2，C3的每个部分区域A，B在每个相对位置中明确地配设了至少一个检测器元件D1到D11，从而在检测器单元D相对于编码C的每个相对位置中从每个部分区域A，B中获得扫描信号S1A到S3B。将扫描信号S1A到S3B输入评估装置AW，该评估装置AW成对地处理码元C1，C2，C3的两个部分区域C1A，C1B；C2A，C2B；C3A，C3B的两个扫描信号S1A，S1B；S2A，S2B；S3A，S3B，并且为每个码元C1，C2，C3产生数字值或者说二进制数位B1，B2，B3。一系列多个数字值B1，B2，B3给出了码字CW，该码字定义了绝对位置。在将检测器单元D相对于编码C移动码元C1，C2，C3的宽度或者说长度时，产生了新的码字CW并且通过有待绝对测量的测量区域形成大量不同的码字CW。 

图1示出了编码C相对于扫描装置AE的瞬时位置。检测器元件D1到D11相互连续地以编码C的部分区域C1A到C3B的一半宽度的间距进行布置。由此确保在每个位置中至少一个检测器元件D1到D11明确地配属于一个部分区域C1A到C3B，并且不对两个部分区域C1A到C3B之间的过渡区域进行扫描。在示出的位置中，部分区域C1A由检测器元件D1扫描，并且部分区域C1B由检测器元件D3扫描。检测器元件D1，D3检测光分布，并且根据光强产生与光强成比例的模拟的扫描信号S1A，S1B。因为相互互补地构造两个部分区域C1A和C1B， 所以扫描信号S1A和S1B的强度也是相互相反的，信号电平是远远地相互间隔开的。 

现在利用该信号间距产生二进制信息B1，方法是检测码元C1的两个扫描信号S1A，S1B中哪个比较大。该检测可以通过形成商或者通过形成差来实现。在实施例中使用形成差，为此，按图1的评估装置AW包含触发器模块T1，T2，T3形式的比较装置。如此，触发器模块T1在S1A小于S1B时例如产生B1＝“0”，当S1A大于S1B时产生B1＝“1”。以相同的方式，通过对码元C2，C3的扫描获得二进制信息B2和B3，并且通过触发器模块T2，T3获得各个码元C2，C3的部分区域C2A，C2B；C3A，C3B的模拟的扫描信号S2A，S2B；S3A，S3B的比较。 

因此第一数字值对应于相互互补地构造的部分区域A，B的第一顺序，并且第二数字值对应于相互互补地构造的部分区域A，B的第二顺序。在实施例中，值0对应于不透明→透明的顺序，并且值1对应于透明→不透明的顺序。 

因为每个码元C1，C2，C3的两个部分区域A和B是相互互补的，所以扫描信号S的信噪比非常大。改变光源L的光强以相同的方式影响两个部分区域A和B的扫描信号S。 

由于码元C1，C2，C3的两个部分区域A，B相应互补地构造，所以必须在位置测量装置的正确操作方式中通过对该部分区域A，B的扫描分别产生模拟的扫描信号S，该扫描信号的差值超过预先给定的值。通过检验该差值可以实现良好的错误检查。该错误检查的基础是在差值低于预先给定的数值时，二进制信息B1，B2，B3是不可靠的，并且因此对该二进制信息B1，B2，B3产生错误信号F。 

在图2中示出了产生错误信号F的原理。将码元C1的模拟的扫描信号S1A和S1B输入错误检查装置P。错误检查装置P通过形成差(S1A-S1B)比较S1A和S1B，并且检查差值是否超过预先给定的比较值V。优选地如此选择比较值V，使得在为了比较而引用的模拟的扫描信号S1A，S1B之一在数量上下降时已经产生了错误信号F。例如在从码元C1，C2，C3的一个部分区域过渡到下一个部分区域时或者在从一个码元C1，C2，C3过渡到下一个码元时情况是这样的，如果两个相互连续的码元在过渡区域中具有不同的特性的话。当差值(S1A-S1B)不 超过预先给定的比较值V时，发出错误信号F。在图3中示出了该信号关系。具体地可以通过对本领域的技术人员公知的窗口比较器形成错误检查装置P。 

错误检查装置P优选地集成到触发器模块中。在此，例如通过单独的导线发出并且评估错误信号F。但作为其替代方案，也可以如此构造触发器模块，从而输出端可以表现三种状态，例如正电压对应逻辑“1”，负电压对应逻辑“0”，并且0伏用于表示错误信号F。 

按本发明，码元C1，C2，C3在过渡区域中具有相同的特性，现在将具有与上述特性互补的特性的分隔元件U1，U2插入沿测量方向X码元C1，C2，C3彼此邻接的地方。例如在图1中所示，编码C涉及串行编码，其中各个码元C1，C2，C3具有曼切斯特-编码，由此，当出现代码转换时这一直适用，换句话说，即当相应于逻辑“1”的码元C1，C2，C3跟在相应于逻辑“0”的码元C1，C2，C3后以及相反时一直适用。 

如果使用简单的串行编码C，其中码元C1，C2，C3仅仅由一个具有确定特性的区域组成，那么就是这种情况，即两个相同的码元C1，C2，C3相互紧跟着(没有示出)。 

假定在图1中部分区域C1B和C2A在码元C1和C2之间的过渡区域中是透明的，那么分隔元件U1具有不透明的特性。同样，在不透明的部分区域C2B和C3A之间的分隔元件U2在码元C2和C3之间的过渡区域中具有透明的特性。 

在实践中，如由图1的说明可知，通过形成差信号成对地评估检测器元件。在此，重要的是可以区别哪些检测器元件在扫描单元AE相对于编码C的相应的相对位置时以差动电路的形式形成有效的位置值以及哪些检测器元件不形成有效的位置值。 

图4a到4d示出了扫描单元AE相对于编码C的四个位置。在该实施例中，检测器单元D包括十四个检测器元件D1到D14，这些检测器元件的扫描信号S输入评估装置AW。为了处理扫描信号S，评估装置包括十二个触发器模块T1到T12形式的比较装置以及评价单元BW，将在触发器模块T1到T12中评估的结果输出到该评价单元上，并且该评价单元在对输入信号评价后发出由二进制数位B1，B2，B3组成的码字CW作为扫描的结果。 

以哪种形式输出结果对于本发明来说不重要。例如，该输出不仅可以如所示的那样并行进行，也可以以串行进行。同样，为了输出结果，例如输出到机床控制装置上，还可以在扫描单元AE中包含其它模块。为了完整性起见，此外还要提及，扫描单元AE的组成部分也可以在空间上分开地进行布置。 

这里如此选择检测器元件D1到D14的数目，使得在扫描单元AE相对于编码C的每个相对位置上可以求得可靠的码字CW。在此，用触发器模块T1到T12形成每两个直接相互连接的偶数的检测器元件D2，D4，D6，D8，D10，D12，D14的差以及每两个奇数的检测器元件D1，D3，D5，D7，D9，D11，D13的差，并且将结果在数值上与比较值V进行比较。以此，触发器模块T1到T12也包括错误检查装置P。当差信号的数值低于比较值V时，归入无效的，并且相应的触发器模块T1到T12发出错误信号F。相反地，当差信号的数值达到或者超过比较值V时，触发器模块T1到T12给出逻辑值，即根据差信号的极性给出逻辑“1”或者逻辑“0”。 

在图4a中，码元C1的数字值例如可以用比较装置T1由检测器元件D1和D3的扫描信号的差动电路求得，码元C2的数字值用比较装置T5由检测器元件D5和D7的扫描信号求得，并且码元C3的数字值用比较装置T9由检测器元件D9和D11的扫描信号求得。 

偶数的检测器元件D2，D4，D6，D8，D10，D12，D14提供无效的扫描信号，因为这些检测器元件不是位于两个码元C1，C2，C3之间的过渡区域中就是位于码元C1，C2，C3内的两个部分区域C1A，C1B；C2A，C2B；C3A，C3B之间。相应地，评估偶数的检测器元件D2，D4，D6，D8，D10，D12，D14的偶数的触发器模块T2，T4，T6，T8，T10，T12发出错误信号F，因为产生的差信号在数值上分别低于比较值V。在剩余的用于评估奇数的检测器元件D1，D3，D5，D7，D9，D11，D13的剩余组合的触发器模块T3，T7和T11中，评估的结果取决于编码C的码元C1，C2，C3顺序。在二进制转换中，也就是在逻辑“0”跟着逻辑“1”或者相反时，评估的结果同样是错误信号F。在图4a中，在触发器模块T3和T7中就是这种情况。与之相反，如果两个相同的码元C1，C2，C3相互跟着，如在跟在码元C3后的码元中所示，那么用比较装置T11的评估获得有效的数字值，在示出的情况 中为逻辑值“1”。 

在该实施例中，检测器元件D1到D14沿测量方向X以相应于码元C1，C2，C3的部分区域A，B的一半长度的距离进行布置。通过差值的扫描，为了对码元C1，C2，C3进行扫描根据编码C相对于扫描单元AE的相对位置产生四个检测器对，参照图4a到4d，例如为了对码元C1进行扫描，产生相应于触发器模块T1到T4的输出信号的检测器元件D1-D3(图4a)，D2-D4(图4b)，D3-D5(图4c)以及D4-D6(图4d)。此外，可以将触发器模块T1到T12分成四组，其中在扫描单元AE相对于编码C的每个相对位置上，至少一组发出当前的码字CW。相应于图4a到4d，第一组由触发器模块T1，T5，T9组成，第二组由触发器模块T2，T6，T10组成，第三组由触发器模块T3，T7，T11组成，以及第四组由触发器模块T4，T8，T12组成。评价单元BW分别求出输出端具有最少的错误信号F或者根本没有错误信号F的那一组，并且将其作为位置测量的结果作为码字CW输出。 

是否以及何时有多少错误信号F允许出现在一组中出现取决于编码C。如果编码C不是构造成冗余的话，就不允许有错误信号F，因为对于正确的位置确定来说每个码元C1，C2，C3必须是可以明确识别的。在冗余地构造的编码C中，允许的错误信号F的数量取决于在码字CW中有多少有错误的二进制数位可以通过冗余来补偿。 

为了进一步说明分隔元件U1，U2按本发明的布置的优点，在图4b和4c中在码元C1的部分区域C1A和C1B之间的过渡区域内示出了脏物颗粒SP。这类脏物会在位置测量装置的使用寿命进程中例如由磨损材料、润滑剂液滴或者从外面渗入的材料的沉积形成。下面假定，扫描单元AE相对于编码C从左向右运动，这相应于从图4c到图4b的转变。此外假定，例如在图1中示出的一样，位置测量装置涉及到根据透射光原理工作的位置测量装置，其中码元C1的部分区域C1A是不透明的，并且码元C1的部分区域C1B是透明的。 

因为脏物颗粒SP同样具有不透明的特性，所以不再可以只通过检测器元件D3的输出信号的评估确定检测器元件D3位于过渡区域中且对于正确的位置确定来说，为了评估码元C1的部分区域C1A必须使用检测器元件D2。以此，没有分隔元件U1，比较装置T3在图4b示出的位置中也会进一步求得有效的数字值，即逻辑“0”。然而，分隔 元件U1导致扫描信号S在检测器元件D5上的下降，并且由此由触发器单元T3发出错误信号F。 

如上面已经描述的，触发器模块T1到T12也可以在无干扰的运行时求得有效的数字值，而不允许用该数字值确定当前的码字CW，更确切地说在相互跟着的码元C1，C2，C3具有相同编码时。例如在图4b中在比较装置T12中情况就是这样的。结合由于污染效应而错误地获得的数字值提高了在一个时间点出现两个相互不同的码字CW的可能性。因为在这种情况下不再给出在其上运行位置测量装置的机器的无错误的并且首先是无危险的运行，所以必须将其停止，例如通过停止信号HALT，评价单元BW将该停止信号发送到没有示出的上级控制装置上。通过插入分隔元件U1，U2，显著地降低了这类失灵的可能性，并且以此提高了位置测量装置的使用寿命和可靠性。 

根据图5应该再一次说明分隔元件U1，U2的工作原理。示出的曲线示出了在扫描单元AE相对于编码C沿测量方向X从码元C1的部分区域C1A相对运动到码元C3的部分区域C3B时在检测器元件D1到D14上信号强度的曲线。在根据现有技术没有构造分隔元件U1，U2的编码C中，强度曲线在部分区域C1B-C2A或者说C2B-C3A之间的过渡区域中跟随虚线，并且不能识别该过渡区域。插入分隔元件U1，U2引起部分区域C1B-C2A之间的过渡区域中显著的信号下降，或者说引起部分区域C2B-C3A之间的信号上升。由此可以在分别对检测器元件D1到D14进行评估时自动检测到过渡区域。如已经描述的那样，通过检测器元件D1到D14的差动电路，由分隔元件U1，U2在识别码元C1，C2，C3之间的过渡区域时获得显著更高的可靠性。出现由分隔元件U1，U2造成的信号下降或者说信号上升的强度在很大程度上取决于分隔元件U1，U2关于检测器元件D1到D14的尺寸的尺寸，尤其取决于检测器元件D1到D14被分隔元件U1，U2遮盖的程度。在实践中，分隔元件U1，U2对检测器信号的影响明显地由信号波动显露出，该信号波动由干扰效应引起，例如由脏物或者信号噪声引起。已经表明，当如此设计分隔元件U1，U2的尺寸，使得在检测器元件D1到D14被分隔元件U1，U2遮盖最大时关于检测器信号的最大或者说最小振幅引起大于或者等于20％的信号下降或者说信号上升时，对于可靠地识别两个码元之间的过渡区域是有利的，所述两个码元在过渡区域 中具有相同的特性。 

另一方面，为了可以确保能将分隔元件U1，U2对检测器元件D1到D14的影响与码元C1，C2，C3或者说码元的部分区域C1A到C3B的影响进行区分，优选地选择使分隔元件U1，U2的宽度明显小于码元C1，C2，C3的宽度。对于实际上的实施方式来说已经表明，特别有利的是当分隔元件U1，U2的宽度为码元C1，C2，C3的宽度的5％到8.5％之间，尤其为7％到8％之间。 

每个码元C1，C2，C3的两个部分区域A，B可以构造成可在光学上扫描的，其中部分区域A对于扫描光来说构造成透明的或者反射的，且另一个部分区域B构造成不透明的或者不反射的。但是本发明不限制于光学的扫描原理，本发明尤其也可以应用于磁性的扫描原理。 

绝对的位置测量装置可以用于测量线性的或者旋转的运动，其中编码C安装在活动的物体上，并且扫描装置AE安装在另一个有待测量的物体上。在此，编码C可以直接安装在有待测量的物体上或者安装在标尺上，该标尺随后再次与有待测量的物体耦合。 

在此，有待测量的物体可以是桌子和机床或者坐标测量机器的滑座，或者也可以是电动机的转子和定子。 

Claims (7)

1.位置测量装置，该位置测量装置具有：

-编码(C)，该编码由一系列沿测量方向(X)前后布置的码元(C1，C2，C3)组成，其中至少两个相互跟随着的码元(C1，C2，C3)分别形成具有位置信息的码字(CW)，

-扫描装置(AE)，该扫描装置包括具有用于读出编码(C)的至少两个形成码字(CW)的码元(C1，C2，C3)的检测器元件(D1-D14)的检测器单元(D)以及评估装置(AW)，在该评估装置中可以由检测器元件(D1-D14)的扫描信号(S)求得具有当前位置信息的码字(CW)，其中所述扫描装置(AE)和编码(C)沿测量方向(X)可相对运动地进行布置，

其特征在于，

-所述码元(C1，C2，C3)在过渡区域中具有相同的特性，在相互邻接的码元(C1，C2，C3)之间插入具有与上述特性互补的特性的分隔元件(U1，U2)。

2.按权利要求1所述的位置测量装置，其特征在于，所述评估装置(AW)包括用于形成分别沿测量方向(X)直接相互跟随着的偶数的检测器元件(D2，D4，D6，D8，D10，D12，D14)以及直接相互跟随着的奇数的检测器元件(D1，D3，D5，D7，D9，D11，D13)的模拟的扫描信号(S)的差的触发器模块(T1-T12)。

3.按权利要求2所述的位置测量装置，其特征在于，所述触发器模块(T1-T12)具有错误检查装置(P)，构造该错误检查装置(P)用于将扫描信号(S)的差与比较值(V)在数值上进行比较，并且在数值上低于比较值(V)时发出错误信号(F)。

4.按权利要求3所述的位置测量装置，其特征在于，所述评估装置(AW)另外还包括评价单元(BW)，在该评价单元(BW)上触发器模块(T1-T12)根据扫描信号(S)的差发出逻辑值以及/或者错误信号(F)，并且可以在评价单元(BW)中根据所述逻辑值以及/或者错误信号(F)求得所述码字(CW)。

5.按权利要求4所述的位置测量装置，其特征在于，在评价单元(BW)中由触发器模块(T1-T12)的输入信号形成组(T1，T5，T9；T2，T6，T10；T3，T7，T11；T4，T8，T12)，并且由具有最少错误信号(F)的组(T1，T5，T9；T2，T6，T10；T3，T7，T11；T4，T8，T12)可以求得所述码字(CW)。

6.按上述权利要求中任一项所述的位置测量装置，其特征在于，码元(C1，C2，C3)的两个部分区域(A，B)具有相互互补的光学特性。

7.按权利要求1所述的位置测量装置，其特征在于，所述检测器元件(D1-D14)沿测量方向(X)以相应于部分区域(A，B)的一半长度的间距进行布置。

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