CN103487076B

CN103487076B - 位置测量设备

Info

Publication number: CN103487076B
Application number: CN201310232654.2A
Authority: CN
Inventors: J.奥伯豪泽尔; H.托瓦尔
Original assignee: John Nei Si Heidenhain Doctor Co Ltd
Current assignee: John Nei Si Heidenhain Doctor Co Ltd
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2013-06-13
Publication date: 2017-07-18
Anticipated expiration: 2033-06-13
Also published as: JP2013257315A; EP2674731A1; EP2674731B1; CN103487076A; JP6114109B2; US20130334409A1; ES2546989T3; US9810554B2

Abstract

利用本发明说明了一种位置测量设备，其中码序列布置在第一码道（11）中并且相同的码序列布置在第二码道（12）中。码序列由码元（C1‑C16）的序列构成，其中每个码元（C1‑C16）又由在测量方向X上相继跟随的被构造为彼此互补的部分区域（C1A,C1B‑C16A,C16B）构成。从所述部分区域（C1A,C1B‑C16A,C16B）中为每个码元（C1‑C16）获得码信息（B1,B2,B3,B4）。定义绝对位置的码字（W1‑W16）是由第一码道（11）的码信息（B1,B2）以及由第二码道（12）的码信息（B2,B3）组成的。

Description

位置测量设备

技术领域

本发明涉及一种用于确定绝对位置的位置测量设备。

背景技术

在许多领域越来越多地使用绝对位置测量设备，其中从具有在测量方向上相继布置的码元的码道中导出绝对位置信息。在此，码元是以伪随机分步设置的，使得一定数目的相继跟随的码元各自形成位模式。在将扫描设备相对于码道移动单个码元时，已经形成新的位模式，并且在整个要绝对检测的测量范围上有不同位模式的序列可用。

这样的顺序码被称为链码或伪随机码（PRC）。

例如在DE10200601016A1中阐述了具有伪随机码的位置测量设备。设置有多个彼此平行延伸的码道，所述码道各自具有码元的相同序列。通过扫描这些码道中的一个，确定在一个测量方向上的绝对位置，并且通过扫描另一码道确定与第一方向垂直的第二方向上的绝对位置。

在EP 1 468 254 B1中描述了作为本发明的出发点的绝对位置测量设备。该绝对位置测量设备具有这样的码，该码由在测量方向上相继布置的码元的序列构成，其中每个码元又各由两个部分区域构成，所述部分区域彼此互补并且相继跟随地布置在扫描方向上。该码由具有多个探测器的扫描设备扫描。在分析单元中，分别从码元的部分区域的扫描信号中形成比较结果，并且检查该比较结果是高于还是低于参考值，并且据此针对相应码元导出位“0”或“1”作为码信息。

发明内容

本发明所基于的任务是，提供一种绝对位置测量设备，该绝对位置测量设备实现紧凑的构造并且利用该绝对位置测量设备可以以高可靠性生成正确的绝对位置。

该任务通过权利要求1的特征来解决。

相应地，该位置测量设备包括：

－具有码元序列的码载体，其中每个码元由两个具有彼此互补的特性的部分区域构成，所述部分区域在测量方向X上相继跟随地布置；

－具有多个探测器的扫描设备，所述探测器用于扫描各定义一个码字的码元以及形成所述码元的部分区域中的各一个部分区域内的至少一个扫描信号；

－分析单元，其被构造为从扫描信号中为码元中的每个码元形成码信息并且从码信息中形成码字，其中

－所述码元布置在第一码道和与其平行延伸的第二码道中，所述码道分别具有码元的相同序列；以及

所述码字由第一码道的相继跟随的码元的N个码信息以及由第二码道的相继跟随的码元的K个码信息组成，其中N和K大于1。

码元的两个部分区域相继跟随地布置在测量方向X上，并且在测量方向上分别具有相同的宽度。

码元的构造以公知方式根据扫描原理来选择。因此，码元可以是能光学、磁、电容或电感扫描地构造的。根据码元的构造还选择探测器。

本发明的第一特别有利的构造是，第二码道的码元顺序相对于第一码道的码元顺序在测量方向X上如此移动地布置在码载体处，使得第一码道和第二码道的形成码字的码元至少部分重叠。

在此特别有利的是，所述移动为V＝N/2+K/2个码元。由此保证：第一道的形成码字的码元与另一道的形成码字的码元最大地重叠。通过该措施，可以特别有利地使用光学扫描原理。也就是说，码道可以由共同的扫描射束来照射，该扫描射束由照明单元发出。为了光学扫描，码元的两个部分区域具有彼此互补的光学特性，所述光学特性对于透射光扫描而言是不透明的和透明的，或者对于入射光扫描而言是反射性的和非反射性的。通过在多个码道中彼此移动地布置相同的码序列，可以利用共同的扫描射束来实现多个码道的要扫描的码元的均匀照射。

本发明的第二特别有利的构造是，不仅将第二码道用于从另外的码元中导出扫描信号，而且第二码道还被用于生成冗余扫描信号，所述冗余扫描信号也通过扫描第一轨道来获得。为此，给第二码道中的序列的至少一个码元分配用于形成冗余扫描信号的探测器，给该码元还在第一码道中分配用于形成扫描信号的探测器。由此从第一码道以及从第二码道中通过简单方式获得的冗余信号被输送给分析单元。

有利的是，分析单元包括比较设备，其中从探测器给所述比较设备各输送两个扫描信号，所述探测器在测量方向上具有与在测量方向上相继跟随地布置的两个部分区域相同的间隔，并且比较设备分别被构造为通过比较所输送的扫描信号来生成码信息。

特别有利的是，多个探测器布置在码元的部分区域内。由此保证，这些多个探测器中的至少一个可以为该部分区域生成单义的扫描信号并且从而可以从该扫描信号中导出可靠的码信息。

当探测器在测量方向上以与部分区域的一半长度相对应的间隔布置时，获得有利的和简单的构造。

本发明的另外的有利的构造在从属权利要求中说明。

附图说明

根据附图进一步阐述本发明，在此：

图1以示意图示出了位置测量设备；

图2示出了根据图1的位置测量设备的码载体；

图3以分析单元的细节示出了位置测量设备的码的片段；以及

图4示出了用于扫描码载体的探测器元件的另一有利布置。

具体实施方式

根据本发明的绝对位置测量设备可以用于测量线性或旋转运动，其中码载体1在此被装配在要测量对象中的一个对象处并且扫描设备2装配在要测量对象中的另一对象处。在此，要测量的对象可以是机床的工作台或滑块、坐标测量机、或者电机的转子和定子。

本发明可特别有利地用于测量旋转运动，因此其在下面根据角度测量设备予以进一步阐述。

图1示意性示出了位置测量设备。该位置测量设备包括码载体1，该码载体1可以由扫描设备2来扫描。为了测量码载体1相对于扫描设备2的旋转运动，该码载体1安放为在测量方向X上可绕旋转轴D旋转。

码载体1具有至少两个彼此平行和圆环形延伸的码道11、12，所述码道的构造稍后根据图2予以阐述。在所示示例中，附加地还在码载体1处设置周期增量道13。

码道11、12和增量道13在扫描设备2的示例中被光电扫描。为此，扫描设备2包括照明单元21，该照明单元由光源211和光学设备212构成。照明单元21形成扫描射束A以用于一起扫描两个码道11、12和增量道13。扫描射束A由码道11、12以及由增量道13依赖于位置地进行调制，并且经调制的光束到达在图1中仅仅示意性示出的探测器单元3。

探测器单元3具有用于扫描第一码道11的探测器E以及用于扫描第二码道12的探测器F。所述探测器E、F的扫描信号被输送给分析单元4，该分析单元4由此形成码字W形式的、码载体1一转内的单义的绝对位置。

并行地布置在码道11、12旁边的是具有周期分度的增量道13。该增量道13以公知方式由至少两个在测量方向X上彼此错开1/4分度周期的探测器G扫描，以生成彼此相移90°的模拟扫描信号。所述模拟扫描信号以公知方式在单元5中被内插并且经内插的位置值与码字W相组合，由此通过高分辨率的增量测量来细化粗略的绝对位置测量并且提供总绝对值P。该总绝对值P优选通过串行接口被提供给后续电子设备。

位置测量设备被设计为能够检测测量线路内的尽可能多的不同绝对位置。另一方面，位置测量设备被设计为保证可靠的位置测量。

可靠的位置测量通过使用专用编码来实现。在图2中详细示出了对码载体1的该编码。第一码道11具有伪随机码。码道11由在测量方向X上相继布置的相同长度的码元C1至C16的序列构成。每个码元C1至C16又由两个相同长度的在测量方向X上彼此直接跟随布置的部分区域C1A、C1B至C16A、C16B构成，所述部分区域被构造为彼此互补。互补在此是指，所述部分区域具有相反的特性，也就是在光学扫描原理情况下为透明的和不透明的，或在入射光扫描情况下为反射性的或非反射性的。

在所示的示例中，出发点是，码元C1至C16的部分区域A、B的序列“暗->亮”定义了位＝0形式的码信息，并且序列“亮->暗”定义了位＝1形式的码信息。因此，第一码道11的码元C1至C16的序列定义了码信息1000010011010111。第一码道11的码信息的该顺序在图2中绘制在外部码道11上，在此在括号中给每个码元C1至C16输送得到的码信息。

获得尽可能大数目的不同绝对位置要求同时扫描尽可能多的码元C1至C16。根据本发明，该任务通过如下方式来解决：码元C1至C16的相同序列也存在于码载体1处的至少第二码道12中。第二码道12的码元C1至C16的序列被布置为相对于第一码道11的码元C1至C16的序列移动。如果第一码道11例如使用两个码元C来获得多位的码字，则第二码道12的码元C的序列相对于第一码道11移动两个码元C，如在图2中第二码道12的绘制在内圆周处的码信息序列所示的那样。根据本发明，单义地定义绝对位置的码字由第一码道11的相继跟随的码元C的N个码信息以及由第二码道12的相继跟随的码元C的K个码信息组成，其中N和N分别大于1。

第二码道12的码元C的顺序相对于第一码道11的码元C的顺序在测量方向X上移动多个码元C地布置在码载体1处。码元C的序列的该移动V在从第一码道11获得N个码信息的位置的方向上进行。通过码元C的序列的该移动，可以从由共同的照明单元21均匀照射的扫描区域中获得所有需要的码信息。因此，还利用了扫描射束A横向于测量方向X的伸展。当所述移动为V=N/2+K/2个码元C时，可以进行最优的利用。

因此，探测器单元3具有用于扫描第一码道11的第一探测器元件E和用于扫描第二码道12的第二探测器元件F，其中第一探测器元件E和第二探测器元件F由于上述移动而在测量方向X上彼此重叠并且垂直于测量方向X地、即在径向上彼此并排布置，如从图1和图3中可以看出的那样。

下面现在根据图3进一步阐述如何能够通过扫描码载体1的360°上的两个码道11、12来可靠地获得16个可单义地区分的码字W1至W16、即16个绝对位置。在此，出发点是，码载体1相对于扫描设备2逆时针旋转。

W1:1000

W2:0000

W3:0001

W4:0010

W5:0100

W6:1001

W7:0011

W8:0110

W9:1101

W10: 1010

W11: 0101

W12: 1011

W13: 0111

W14: 1111

W15: 1110

W16: 1100。

对生成码字W1的第一扫描位置进行进一步阐述。图3中示出了该瞬时位置。

探测器元件E和F由行传感器形成，所述行传感器具有布置在测量方向X上的探测器元件E1至E10和F1至F10的序列。在该示例中，应当分别获得具有4位的码字W。为此，要求给4个要扫描的码元C的每个部分区域CA、CB单义地分配至少一个探测器元件E或F，使得探测器单元3可以从每个部分区域CA、CB中导出单义的扫描信号S。所述扫描信号S被输送给分析单元4，该分析单元4被构造为将码元C1至C16的两个部分区域CA、CB的两个扫描信号SE1和SE3、SE2和SE4、SE3和SE5、SE4和SE6、SE5和SE7、SE6和SE8、SE7和SE9、SE8和SE10、SF1与SF3、SF2与SF4、SF3与SF5、SF4与SF6、SF5与SF7、SF6与SF8、SF7与SF9以及SF8与SF10分别彼此相比较，并且通过该比较为每个码元C1至C16生成二进制值或位B1至B16形式的码信息。多个码信息B1至B16的序列得出分别定义绝对位置的码字W1至W16。在相对于码载体1将探测器单元3移动码元C1至C16的宽度或长度的情况下，生成新的码字W1至W16，并且在要绝对测量的测量区域上形成多个不同的码字W1至W16。在该示例中，通过旋转360°形成16个不同的码字W1至W16。分别将从探测器E或F中导出的扫描信号S彼此相比较，所述探测器E或F以与码元C的部分区域A、B的宽度相对应的相互中心距布置在测量方向X上。

图3示出了码载体1相对于扫描设备2的瞬时位置。探测器元件E1至E10以及F1至F10分别相继跟随地以部分区域CA、CB的一半宽度的间隔布置。由此保证：在每个位置将至少一个探测器元件E1至E10以及F1至F10单义地分配给一个部分区域CA、CB，并且不扫描两个部分区域CA、CB之间的过渡部分。在所示的位置，部分区域C1A被探测器元件E2扫描，并且部分区域C1B被探测器元件E4扫描。探测器元件E2、E4检测光分布并且根据光强生成与光强成比例的模拟扫描信号SE2、SE4。由于两个部分区域C1A和C1B被构造为彼此互补，因此扫描信号SE2和SE4的强度彼此相反，因此信号电平彼此间隔大。

该信号间隔现在被用于生成二进制信息B1，其方式是检查码元C1的两个扫描信号SE2、SE4中的哪个更大。该检查可以通过除法或通过减法进行。举例来说，使用减法，为此根据图3，触发器组件充当比较设备T2。比较设备T2在SE2小于SE4时生成B1＝0作为码信息，并且在SE2大于SE4时生成B1＝1作为码信息。以相同方式，通过扫描码元C2、C3、C4以及经由另外的比较设备T6、T10、T14将各一个码元C2、C3、C4的部分区域C2A、C2B；C3A、C3B、C4A、C4B的模拟扫描信号SE6与SE8；SF2与SF4；SF6与SF8相比较，获得二进制信息形式的码信息B2、B3和B4。

因此给被构造为彼此互补的部分区域A、B的第一顺序分配第一二进制值，并且给被构造为彼此互补的部分区域A、B的第二顺序分配第二二进制值。在该示例中，给顺序“不透明→透明”分配值0，并且给顺序“透明→不透明”分配值1。

由于每个码元C1、C2、C3、C4的两个部分区域A和B为彼此互补的，因此扫描信号S的干扰间隔是非常大的。光源211的光强的改变同样地影响两个部分区域A和B的扫描信号S。

由于码元C1、C2、C3、C4的各两个部分区域A、B的互补构造，在位置测量设备的正确运行方式情况下必然通过扫描这些部分区域A、B分别生成模拟扫描信号S，所述扫描信号S的差超过预先给定的值。通过观察该差值，可以进行良好的错误检验。该错误检验的基础是，可以从以下出发：在差值低了预先给定的绝对值时二进制信息B1、B2、B3、B4是不可靠的，并且因此关于所述二进制信号B1、B2、B3、B4生成错误信号。

扫描信号S中的哪些、以及由此比较设备T1至T16中的哪些在码载体1与扫描设备2之间的哪些相对位置被用于形成码字W，可以按照公知方式从增量道13或从码道11、12的扫描信号S本身中导出。对此例如参阅EP 1 468 254 B1。

下面，现在进一步阐述本发明的另一特别有利的构造。

在根据EP 1 468 254 B1的作为本发明出发点的位置测量设备中可以看出，探测器的输出信号被分割，使得扫描信号可以分别被输送给两个比较设备。该原理也在本发明中被接受。从图3中可以看出，探测器E3至E8的扫描信号SE3至SE8分别被分割，以便能够将扫描信号SE3至SE8输送给比较设备T1至T8中的各两个。由于特别有利的是将电流作为扫描信号S进行分析，因此在实际中，为了分割扫描信号S而分别使用电流镜（Stromspiegel）。电流镜从扫描信号中形成该扫描信号的副本。但是电流镜仅能比较高成本地制造并且在半导体衬底中需要比较多的空间。

利用根据本发明的装置现在可以减小所需电流镜的数目。在此所利用的是，码元C1至C16的序列存在于第一码道11中，以及码元C1至C16的相同序列也存在于第二码道12中。因此可以避免对探测器E9和E10的扫描信号SE9和SE10的分割。探测器E9现在生成与探测器F1相同的扫描信号SE9，并且探测器E10生成与探测器F2相同的扫描信号SE10。通过冗余地、即一方面从第一码道11并且附加地从第二码道12生成相同的扫描信号SE9和SF1以及SE10和SF2，借助于电流镜进行的分割变得多余。尽管电流镜的节省是通过需要至少一个附加的探测器换来的，但是这常常可以简单和节省空间的方式来实现。

因此，根据本发明的该特别有利的构造方案，可以给第二码道12中的序列的至少一个码元C3分配用于形成冗余扫描信号SF2的探测器F2，给该码元C3在第一码道11中也分配用于形成扫描信号SE10的探测器E10。从第一码道11和第二码道12中获得的冗余扫描信号SE10、SF2被输送给分析单元4，以便将从第一码道11中导出的冗余扫描信号SE10与第一码道11的扫描信号SE8相比较并且将从第二码道12中导出的冗余扫描信号SF2与第二码道12的扫描信号SF4相比较。因此，从第一码道11导出的冗余扫描信号SE10被与第一码道11的从探测器E8获得的扫描信号SE8相比较，该探测器E8被布置为错开部分区域C1A、C16A－C1B、C16B的长度。对于比较设备T8，扫描信号SE8是时钟信号并且扫描信号SE10是推挽信号。从第二码道12中导出的冗余扫描信号SF2被与第二码道12的从探测器F4获得的扫描信号SF4相比较，该探测器F4被布置为错开部分区域C1A、C16A－C1B、C16B的长度。对于比较设备T10，对扫描信号SE10冗余的扫描信号SF2现在是时钟信号并且扫描信号SF4是推挽信号。

图4示出了用于扫描增量道和第二码道的探测器单元30的另一构造。出发点还是，要扫描的增量道布置在半径RI上，该半径RI大于两个码道的半径RN和RK。将增量道布置在外圆周上所具有的优点是，可以将尽可能多数目的分度周期布置到圆周上。为了生成具有7位的码字，探测器单元30例如具有探测器E的第一系列以及探测器F的第二系列。探测器E又被分配给码载体的第一码道，并且探测器F被分配给码载体的第二码道。为了利用均匀的扫描射束A，利用探测器E的第一系列生成比利用探测器F的第二系列更多的位。在该示例中，探测器E用于生成4位并且探测器F用于生成3位。

Claims

1.位置测量设备，包括：

－具有码元（C1－C16）序列的码载体（1），其中每个码元（C1－C16）由两个具有彼此互补的特性的部分区域（C1A,C1B-C16A,C16B）构成，所述部分区域（C1A,C1B-C16A,C16B）相继跟随地布置在测量方向X上；

－具有多个探测器（E1-E10；F1-F10）的扫描设备（2），所述探测器（E1-E10；F1-F10）用于扫描定义各一个码字（W1-W16）的码元（C1-C16）以及形成码元（C1-C16）的所述部分区域（C1A,C1B-C16A,C16B）中的各一个部分区域内的至少一个扫描信号（SE1-SE10;SF1-SF10）；

－分析单元（4），其被构造为从扫描信号（SE1-SE10;SF1-SF10）中为码元（C1-C16）中的每一个码元生成码信息（B1-B4）并且从码信息（B1-B4）中形成码字（W1-W16），

其特征在于，

设置第一码道（11）以及与其平行延伸的第二码道（12），并且第一码道（11）和第二码道（12）分别具有码元（C1-C16）的相同序列；以及

定义测量方向X上的绝对位置的码字（W1-W16）由第一码道（11）的相继跟随的码元（C1-C16）的N个码信息（B1,B2）以及由第二码道（12）的相继跟随的码元（C1-C16）的K个码信息（B3,B4）组成，其中N和K大于1。

2.根据权利要求1所述的位置测量设备，其特征在于，码元（C1-C16）的两个部分区域（C1A,C1B-C16A,C16B）具有彼此互补的光学特性，并且第一码道（11）和第二码道（12）被共同的扫描射束（A）照射。

3.根据权利要求1或2所述的位置测量设备，其特征在于，第二码道（12）的码元（C1,C16）的顺序相对于第一码道（11）的码元（C1,C16）的顺序在测量方向X上如此移动地布置在码载体（1）处，使得第一码道（11）和第二码道（12）的形成码字（W1-W16）的码元（C1-C16）至少部分重叠。

4.根据权利要求3所述的位置测量设备，其特征在于，所述移动为V＝N/2+K/2个码元（C1-C16）。

5.根据权利要求1或2所述的位置测量设备，其特征在于，分析单元（4）包括比较设备（T1-T16），其中从探测器（E1-E10；F1-F10）给所述比较设备（T1-T16）各输送两个扫描信号（SE1-SE10；SF1-SF10），所述探测器（E1-E10；F1-F10）在测量方向X上具有与两个在测量方向X上相继跟随地布置的部分区域（C1A-C16A；C1B-C16B）相同的间隔，并且比较设备（T1-T16）分别被构造为通过比较所输送的扫描信号（SE1-SE10;SF1-SF10）来生成码信息（B1-B4）。

6.根据权利要求1或2所述的位置测量设备，其特征在于，给第二码道（12）中的序列的至少一个码元（C3）分配用于形成冗余扫描信号（SF2）的探测器（F2），给该码元还在第一码道（11）中分配用于形成扫描信号（SE10）的探测器（E10）。

7.根据权利要求6所述的位置测量设备，其特征在于，第一码道（11）和第二码道（12）的冗余扫描信号（SE10,SF2）被输送给分析单元（4），以便将从第一码道（11）中导出的冗余扫描信号（SE10）与第一码道（11）的扫描信号（SE8）相比较并且将从第二码道（12）中导出的冗余扫描信号（SF2）与第二码道（12）的扫描信号（SF4）相比较。

8.根据权利要求1或2所述的位置测量设备，其特征在于，探测器（E1-E10；F1-F10）在测量方向X上以与部分区域（C1A-C16A,C1B-C16B）的一半长度相对应的间隔布置。

9.根据权利要求1或2所述的位置测量设备，其特征在于，与第一码道（11）和第二码道（12）平行地布置增量道（3）。

10.根据权利要求1或2所述的位置测量设备，其特征在于，第一码道（11）和第二码道（12）圆环形地布置，并且码元（C1-C16）的扇形宽度分别等于第一码道（11）和第二码道（12）。

11.根据权利要求9所述的位置测量设备，其特征在于，K小于N，并且增量道（13）布置在半径RI上，第一码道（11）布置在半径RN上并且第二码道（12）布置在半径RK上，其中RI>RN>RK。