CN104848877A - 具有校准功能的线性编码器 - Google Patents

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Abstract

一种具有校准功能的线性编码器(100)，该线性编码器具有位置编码标记(3c)的质量具体化装置(3)，具有校准装置的读取端头(1)，以及控制与分析单元(2)，以及校准方法，该校准方法用于利用所述读取端头(1)来校准由码元(20)制成的位置编码(3c)。所述读取端头(1)具有传感器单元(4)，该传感器单元具有至少两个检测基准点(R1、R2)，其检测距离以高精度建立至少一个标准(s、s1、s2、s3)。在所述校准方法的范围中，借助于所述标准(s、s1、s2、s3)准备针对码元(20)的校准位置值(K20b、K20c、K27b、K27c、K28b、K28c)，其以高精度确定，并且存储在所述控制与分析单元(2)中。

Description

具有校准功能的线性编码器
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的具有校准功能的线性编码器，根据权利要求7的前序部分所述的用于这种线性编码器的校准方法，以及这种计算机程序产品。
背景技术
在许多应用领域需要用于精确距离测量的线性编码器，其中，例如，要确定可沿线性路径移动的部件的位置，及其组件在诸如驱动轴或枢转轴这样的线性轴上的位置。在这种情况下检测的位置可以被用作用于测量目的的位置值，或者还用于经由具有位置控制环路的驱动器来定位组件。这种线性位置编码器因此用于诸如坐标测量机(CMM)、大地测量装置、机器人手臂或液压致动器的装置中。出于该目的，线性编码器具有可彼此相关地移动的、质量具体化装置(mass embodiment)和用于扫描其的读取端头，并且具有控制与分析单元，该控制与分析单元用于调节测量操作，并且用于将通过读取端头记录的位置值指配给扫描信号。在这种情况下，根据需求和结构选项，或者读取端头固定或者质量具体化装置可移动，例如，因为质量具体化装置连接至要检测其线性移动的可移动物体，或者质量具体化装置固定地定位，而读取端头与其相关地移动，例如，因为坐标测量机的、设置有读取端头的测量滑架在接合至测量台的标尺托架上移动。
在这种情况下，质量具体化装置的扫描通常基于光学、感应、磁性或电容物理原理而按免接触方式执行。例如，读取端头可以具有照明装置，其利用光照射具有反射光或散射光(反射光扫描)或透射光(透射光扫描)的标记。光在传感器(例如，在光电池或CCD阵列上)的感光拾取器上入射。如果质量具体化装置具有反光标记，则该传感器接合至读取端头的同一侧上，作为照明装置。在另一情况下，读取端头侧向地包围质量具体化装置，并且传感器和照明装置大约彼此相对地设置在读取端头中/处/之上。该标记被用作码元，该码元用于编码读取端头的、与质量具体化装置有关的相对位置。该编码例如可以通过交替相似光/暗转换、波纹图案而实现为递增编码，或者，对于除了光学测量方法以外的其它测量方法来说，例如通过许多限定的不同图案而作为实现为电极或磁极，或者实现为绝对编码。还已知递增与绝对部分编码的组合，例如，用于确定所有情况下的粗略位置和精细位置。例如，光学位置编码的可能实现例如在专利申请EP 12175130.9中找到。
原则上，各种材料适合作为用于质量具体化装置的材料。因为码元要代表限定的位置值，所以它们实际上必须位于与读取端头有关的位置处，来表示相应位置值。当前，这种质量具体化装置常常由钢带、塑料、玻璃或陶瓷制造。该标记以高精度施加至质量具体化装置上，以供精确定位，其相对地对质量具体化装置的生成方法产生针对制造公差的高要求，但也取决于希望的精确程度、取决于以后需求的校准过程，其向每一个编码值指配一位置值，其接着被典型地存储在线性编码器的存储单元中。应当明白的是，在已经执行一次的定位(例如，通过编码校准)之后，该编码位置应当继续保持与读取端头有关的恒定，而不应改变。然而，对于目前典型地用于质量具体化装置的的材料的情况来说，诸如温度和湿度变化的环境影响，而且还有质量具体化装置的老化过程产生造成质量具体化装置膨胀或收缩的变化，并由此拉伸或压缩码元彼此的距离。由于这种影响，因而可以出现的是，通过存储单元指配给码元的位置值不再对应于读取端头和测量杆的实际相对位置。在公布申请DE 19608978A1中，提出了利用玻璃陶瓷作为用于光电位置测量单元的质量具体化装置的材料，来避免这种影响。
作为老化或环境影响的结果，如果质量具体化装置的材料与容纳该质量具体化装置的物体(例如，测量台)的材料之间出现张力，则该质量具体化装置因而整体上可以与读取端头相关地移位，由此，零点位置改变。为消除这种问题，提出了组合具有不同热膨胀系数的材料以抵消温度影响(例如，参见DE 19726173 A1)。这些示例中的许多示例，而且还有用于数学上补偿因在这种方式下造成的错误的尝试(例如，参照WO 9935468 A1)需要用于修正补偿的温度确定，然而，其假定了生产者处的预先的温度校准。
EP 1195880 A1公开了一种用于增加具有质量具体化装置的线性电动机的定位部件的定位精度的方法，其被设置得可相对于读取端头线性移动。该质量具体化装置具有由磁性码元制成的递增位置编码。该读取端头具有控制与分析单元和彼此隔开的至少两个传感器，其在这个示例中被实现为Hall传感器并且被用于校准定位部件。这种情况下，传感器的距离适于质量具体化装置上的两个磁性码元彼此具有的距离，并且在理想情况下等于其。在校准运行时，该定位部件与读取端头相对地移动，并且码元通过两个传感器检测并且输出为传感器信号。基于传感器信号和所存储信息，目标位置值通过控制与分析单元查明。在每种情况下，目标距离由两个目标位置值的距离之差形成，其在该定位部件的两个位置的情况下获得，其接连获得两个传感器处的相等传感器信号值(在一个正弦周期内)。因为两个这种位置的实际距离在绝对值上对应于两个传感器彼此的距离，所以目标位置误差根据该目标距离与实际距离之差来确定。从零位置进行，这针对定位部件的所有连续位置连续执行，其中，在前差值被添加至在每种情况下按目前位置查明的差值。
EP 1195880 A1中描述的方法具有的缺点在于，被用作标准的传感器的距离大约和递增位置编码的标记距离一样大。这在校准期间需要大量连续步骤，由此，出现大量误差添加步骤，其导致随着数量增加的不确定性。另外，这种不确定性可以因传感器信号检测中的小干扰而被放大，其必须通过误差加权来消除。明确需求的定位精度大约>1·10-4，其不足以如所需的高精度定位或距离测量，例如，在诸如质量检验、度量学测量、大地测量等的应用中。进一步的缺点在于，因为该方法，在该装置的零位置处，未校准范围继续保持存在，并且传感器的距离与质量具体化装置上的码元的距离必须彼此适合。另外，在EP 1195880 A1中未考虑环境影响或老化现象。尽管如此，这些可以导致传感器彼此距离的改变，由此，误差值查明可能非常不利地被破坏。
发明内容
本发明的问题由此是提供一种改进的、更可靠的线性编码器，和用于这种线性编码器的改进校准方法。
根据本发明，通过独立权利要求的特征和/或通过附属权利要求的特征来解决该问题，或者改进这些解决方案。
本发明涉及一种具有用于高精度距离测量的质量具体化装置的线性编码器，其具有用于校准该线性编码器的质量具体化装置的校准装置和校准方法。该质量具体化装置沿线性轴延伸。该质量具体化装置具有由单个码元制成的位置编码标记。为此，该码元具有按比特顺序与存储在控制与分析单元中的关联条编码(bar number)的对应性。该线性编码器具有用于检测码元的读取端头，和具有存储单元和用于校准质量具体化装置的位置编码标记的校准功能的控制与分析单元。不显著的是，在该形式下，例如通过对采用一维、二维或三维形式实现的码元进行光学、磁性、感应或电容检测来执行码元的检测。准许确定绝对或相对位置的所有类型的编码适合作为编码，例如最大序列、极大变化的二进制码、模拟强度曲线等。
读取端头和质量具体化装置可沿该质量具体化装置的线性轴彼此相对地移动。例如，作为线性电动机的一组件，该线性编码器可以具有固定读取端头和质量具体化装置，其扣牢在电动机的定位部件上，并由此可以移动。另选的是，对于线性编码器作为坐标测量机的一部分的情况来说，该质量具体化装置例如可以固定不动地安装，并且读取端头例如可以沿安装轨道与其相对地移动。
该读取端头具有用于优选地免接触扫描质量具体化装置的传感器单元，例如用于光学、感应、磁性，或电容检测码元。在该线性编码器的优选实施方式中，该检测以光电方式或者电容-电子方式来执行。在这种情况下，该传感器对于被实现成，使得至少两个码元由此可以在一个步骤中检测，而必须出于该目的与质量具体化装置相对地位移读取端头。为此，该传感器单元例如可以具有至少两个传感器，其皆具有点状检测领域，或者具有至少一个传感器，其具有至少一个延伸检测区，例如被具体实施为表面或线传感器。该传感器单元具有至少一个第一和一个第二检测基准点。这些本身例如可以是点状检测领域，或者一个或更多个检测区的零点。在一个步骤中，利用读取端头与质量具体化装置有关的无变化相对位置，来执行检测，以使与第一检测基准点相关地检测至少一个码元，而与第二检测基准点相关地检测至少一个码元。
为此，与检测基准点有关的检测意指，码元的位置(具体地，针对质量具体化装置的伸展方向)与检测基准点相关地检测。如果质量具体化装置例如具有连续位置编码标记，则该位置基准可以按检测该码元的精度生成，其在该检测基准点本身中检测，而不存在针对其的偏差。例如，对于模拟的连续强度曲线和具有点状检测领域的传感器的情况来说，点状检测领域中的强度仅出于该目的来检测。另选的是，对于不连续位置编码标记(例如，条形码)的情况来说，可以与检测基准点相关地检测码元，因为确定了针对检测基准点的距离。具体地，在不连续位置编码标记的情况下，例如，由离散光按转换所制成，该线性编码器出于该目的具有如所述的传感器，具有至少一个延伸检测区。例如可以执行距离确定，因为通过该检测生成的信号在其信号强度上与基准信号强度相比。在这种情况下，基准信号强度是将可在无偏差地检测的情况下信号强度。这种基准信号强度可以存储在控制与分析单元中，或者基于将来扫描来查明。如果以光电方式执行检测，则例如可以通过查明位置敏感检测器上的亮度峰值的位置来生成距离，其中，优选的是，检测器零点表示检测基准点。另选的是或者另外，如果设置码元(其被实现为图案)，则可以基于一个或更多个图案的所检测位置来确定距离。为此，例如，还可以使用图像识别软件，其中，该图案在校准期间被存储在控制与分析单元中，或者无论如何已经存储在其中。
该检测基准点沿线性轴按限定距离通过基站彼此固定，由此，建立至少一个检测距离。该检测距离针对以具有至多5·10-6的误差的高精度的校准来确定，并且限定一标准。对于检测距离的高精度确定和由此的标准来说，在一个实施方式中，该线性编码器具有精度测量单元，利用其，该检测距离可按任何时间测量，具体地，还在确定编码部件与读取端头的相对位置期间，其中，该精度测量优选地以光电方式来执行。在该线性编码器的另一实施方式中，该基板(通过其，该传感器并由此该传感器单元的检测基准点彼此相对地按它们的位置固定并确定)由尺度坚固且耐老化材料制造，并且具有具有范围在0至至多5·10-6K-1的绝对值的线性热膨胀系数。接着，该标准以高精度来确定，因为该检测距离(即，两个检测基准点之间的距离)在安装传感器单元之前通过生产者以高精度测量，并且存储在存储与分析单元中作为一标准，其中，优选地以至多5·10-6的相对误差来执行测量。该线性编码器由此设置有用于通过根据本发明的校准方法来高精度校准位置编码的标准。在本发明的含义中，此后将标准理解为根据检测距离建立的长度。
下列步骤在校准方法的范围中执行：
·与第一检测基准点相关地检测一码元。这被用于第一起始码元。这种第一起始码元具体可以是质量具体化装置的最外侧码元。在同一步骤中，与第二检测基准点相关地检测第二码元。如果两个所检测码元皆与检测基准点相关地进行无偏差检测，则它们彼此的真实距离对应于一检测距离并且由此对应于一标准。如果利用针对一检测基准点的偏差来执行检测，则其真实距离与在这种情况下针对检测基准点确定的距离相对应地缩减或增加。
·从起始码元的起始位置值出发，针对第二码元的计算位置值基于该标准以数学方式来计算。在本发明的范围中，计算位置值被理解为利用该标准针对检测码元以数学方式计算的位置值。如果与该检测基准点相关地，执行无偏差检测(由此，例如，这两个码元位于两个点状检测领域(其检测这两个检测基准点))，则计算位置值通过将一标准添加至起始码元的起始位置来计算。如果利用针对一个或两个检测基准点的偏差来执行检测，则计算位置值因此通过将一标准和所确定距离(包括它们的对应符号)添加至针对起始码元的起始位置值的检测基准点来计算。由此，该计算位置值在这里成为该标准(一个码元远离起始码元达该标准)加针对检测基准点的测量的偏差/测量的距离(包括符号)之和。
·基于该计算位置值，生成第二码元的校准位置值并存储在存储单元中。在本发明的范围中，将校准位置值理解为位置值，其针对一码元存储在存储单元中，作为用于线性编码器的下列测量操作的“真实”位置值，并且其基于计算位置值。例如，出于该目的，该计算位置值本身可以被假定为校准位置值并且存储在存储单元中，由此，该计算位置值因而与校准位置值相同。另选的是，例如，为了生成校准位置值，标准与真实距离之间的差异可以另外加以考虑。
·在另一步骤中，该读取端头沿该质量具体化装置按大约一个标准移出该第一位置到第二位置中。在该第二位置中，接着，第二码元可在尾随第一检测基准点的区域中检测，而另一码元(其按相距第二码元大约一个标准的距离设置在质量具体化装置上)可在前导第二检测基准点的区域中检测。
·现在，可以如针对第二码元类似地针对该另一码元来生成计算或校准位置值。
为了最小化检测标准的数量，并由此最小化随着每一个步骤增加的误差，如果两个检测基准点之间的标准或检测距离较大，则其是有利的。如果该标准不小于或等于彼此有关的两个码元的距离而具有包含质量具体化装置的多个码元的纵向延伸，则其特别有利。
针对校准范围中的起始码元建立起始位置值。具体地，该起始位置值可以被建立为位置编码标记的零点，并且照此存储在存储单元中。另选的是，起始位置值可以基于存储在存储单元中的信息来确定，例如，通过利用针对起始码元的存储目标位置值。
通过沿质量具体化装置位移读取端头，按类似方式，校准位置值可以基于针对另一码元的标准来确定。读取端头在这种情况下位移，以使在位移过程中连续检测的所有码元皆与前导检测基准点相关地并且与尾随检测基准点相关地进行检测。起始码元单独地仅与尾随检测基准点相关地检测，而位移结束处的码元仅与前导检测基准点相关地检测。由此，基于限定检测距离并由此基于该标准，导致彼此链接的一系列检测码元，其处于彼此有关的已知位置中，具体地，其中，在理想情况下，相应码元至起始码元的距离是该标准的整数倍。从起始码元的起始位置值出发，与针对第二码元的过程类似的是，可以计算针对所有另一码元的计算位置值，并且可以基于其存储校准位置值。对于与前导检测基准点相关地检测的第三码元来说，在读取端头按同一步骤位移之后，其中，与尾随检测基准点相关地检测第二码元，借助于双倍标准来执行校准位置值的制备。对于毗连校准位置值的码元来说，因此，使用该标准的三倍、四倍等。由此制备的修正值形成第一校准梳。如果该校准位置值通过添加该标准的整数倍而理想地计算，则获得第一校准梳的长度L，作为标准s的数量P之和，其中，该数量P对应于所检测第二码元的数量：
对于形成校准梳的情况来说，可以想到或者有利的是，不是全部码元都与检测基准点相关地进行检测。例如，这种码元可以在质量具体化装置的末端出现，或者如果校准梳形成仅被希望用于编码标记的一区段。具体地，为确定针对这些码元校准的位置值，可以基于至少处于该区段中的所计算位置值来生成校准功能，其以数学方式描述了该计算位置值。接着，针对直至该点尚未被检测并校准的单个码元的校准位置值基于该校准功能来确定。当然，用于检查或重新确定校准位置值的数学校准功能还可以被应用至已经检测并校准的码元。基于这种校准功能，校准位置值还可以通过内插和/或外推来确定并存储。
在另一实施方式中，在根据本发明的校准之前，将多条信息(基于其，可确定针对检测码元的目标位置值)存储在控制与分析单元中。在本发明的含义中，目标位置值是在执行该校准方法之前已经存储在存储单元中的位置值，并且指定一码元的理想位置，其可以偏离其真实位置。例如，码元彼此的理想位置和/或理想距离可以根据位置编码标记已知，并且可以在装置递送之前采用编码表的形式存储在存储单元中。例如，如果将理想目标位置值针对单个码元存储在编码表中，则这些可以被指配给在校准期间检测的位置编码标记的真实码元。因为另一上述环境或老化影响，所以其可以是，这种目标位置值不对应于码元的实际设置位置，因为其，所以在校准方法的范围中，针对检测码元的目标位置值的修正值基于针对检测码元的计算位置值来确定。修正值被理解为基于根据本发明的校准方法确定的值，其指定与指配给其的目标位置值有关的码元的实际位置。换句话说，由此，修正值是针对目标位置值的误差规范。为此，将如上所述计算的计算位置值与对应码元的目标位置值进行比较，并且将这样确定的偏差存储为存储单元中的修正值。修正值和关联目标位置值的组合随后可用作用于针对高精度位置确定的距离测量的校准位置值。这种修正值还可以被用作针对在梳形成的范围中未检测的相邻码元的修正值。另选的是，在本实施方式中，即，如果如上所述设置目标位置值，则计算位置值本身或者根据计算位置值导出的位置值还可以被存储为存储单元中的校准位置值，而不需要确定偏差和由此的修正值。接着，校准位置值替换存储器中已经存在的目标位置值。
在一另选实施方式中，该读取端头具有写入单元，其是与传感器单元有关的前导，并且利用形成位置编码标记的该码元，可以在质量具体化装置上写入。通过位于读取端头中的写入单元制备的码元基于利用上述方法的传感器单元的标准来校准。在另一另选实施方式中，代替读取端头中的用于写入码元的写入单元地，线性编码器具有分离写入端头，其可以另外或另选地安装至读取端头以供写入操作。
为了质量具体化装置可通过写入装置或者写入端头写入并且码元可通过读取端头检测，这三个组件被具体实施成彼此适应。例如，对于光电传感器的情况来说，该质量具体化装置由光敏材料制成，其通过写入装置曝光，由此将码元形成在可通过光电传感器检测的曝光位置处。另选的是，质量具体化装置由诸如金属或玻璃的材料制成，其通过瞄准位置处的写入装置(例如，通过得分或激光)来处理，以使通过改变材料的特性或者通过材料去除，出现可以光电方式检测的码元。作为另一些另选例，码元例如通过磁化或材料涂敷(例如，具有导电或导磁颗粒的涂料或塑料涂敷)来写入。由此，写入码元，其由此可按适于读取端头的传感器的方式来检测，例如，以电容方式或者利用Hall效应。
对于检测距离的高精度确定和由此的标准来说，在一个实施方式中，该线性编码器具有精度测量单元，利用其，该检测距离可按任何时间测量，具体地，以光电方式。这种精度测量单元例如可以被实现为激光干涉仪，具体地，其是读取端头的一组件。作为该激光干涉仪的一组件，在每种情况下，将光学单元定位在与检测基准点有关的已知位置中，具体地，与线性轴有关，在检测基准点处精确地与其平行偏移。这两个光学单元之间的光学距离在本校准方法的范围中，通过干涉量度学而以高精度来测量，并且将根据其确定的长度作为该标准存储在存储单元中。具有集成标准的线性编码器的另一些实施方式在图2至5和同一申请人于2014年2月18日提交的欧洲专利申请EP 14155582“System for determining relative positions”的关联描述中找得到，并由此，作为本申请的一体化组件。
在该线性编码器的另一实施方式中，该基板(通过其，将该传感器单元的检测基准点固定)由尺度坚固且耐老化材料制造，并且具有具有范围在0至至多5·10-6K-1的绝对值的线性热膨胀系数。接着，以高精度确定该标准，因为在安装该传感器单元之前，在生产者处以高精度测量检测距离，优选地以至多5·10-6的相对误差，具体地说，以至多1·10-6的相对误差，尤其是以至多5·10-7的相对误差。该基板优选地具有一膨胀系数，其绝对值不大于1·10-6K-1，尤其是不大于6·10-7K-1。针对该热膨胀系数的绝对值的指定值具体不超出至少达范围为273K至343K的基板温度，尤其是，至少达范围为283K至303K的基板温度。这种材料的示例是石英玻璃，尤其是诸如Zerodur的玻璃陶瓷，或诸如Invar的特殊金属合金。这种传感器单元的实现在同一申请人于2014年2月18日提交的欧洲专利申请EP 14155582“System for determining relative positions”中、在根据图5至8的实施方式的描述中以及在图5至8中找得到，并由此，作为本申请的一体化组件。
根据本发明的读取端头具有至少一个标准，其通过经由传感器单元的基板彼此隔开的至少两个检测基准点的检测距离来建立。该标准被已知有高精度，因为该基本长度稳定，并且检测距离在安装线性编码器之前通过单一精度测量(具体地，通过外部装置)而以高精度确定并且存储在存储器中。或者，该标准被已知有高精度，因为检测距离可通过当前精度测量来确定，其可以通过读取端头的内部精度测量单元再三执行。两种可能性可组合。高精度、限定基准长度由此被设置为独立于环境影响的标准，基于其，质量具体化装置的校准可以通过线性编码器本身在任何时候执行，而不必使用外部校准装置。
由此，通过本发明提供了一种有利的线性编码器，针对精度和尺度稳定性，具体来说针对耐老化和热相关膨胀行为，与根据现有技术的线性编码器的情况相比，其使能在质量具体化装置上以相当少的需求来实现高精度距离测量。具体地，根据本发明的线性编码器的一个优点是，高精度距离或位置测量可以独立于针对质量具体化装置的温度影响。实现这个优点，不必执行针对这个目的的温度确定。而且不必专门针对其机械或材料结构来执行该质量具体化装置。
实现高精度不再如根据现有技术的线性编码器中那样受限于质量具体化装置的特性。进行精度从质量具体化装置位移到读取端头中。因此，两者都针对制造材料和应用位置编码并且还针对安装和维护，仅针对质量具体化装置产生较少需求。具体地，质量具体化装置可以由多个单个部分组成，在这种情况下不必产生有关安装的专门需求，上面全部有关该质量具体化装置和单个部分的连接质量。与根据现有技术的线性编码器相比，由此使能实现质量具体化装置的低生产成本和线性编码器的低维护成本。本发明另外使能省略作为质量具体化装置的专门工件，其例如将接合至可移动部件。相反的是，可与读取端头本身相关地移动的线性编码器的部件可用作质量具体化装置，因为位置编码标记在生产者处或者通过线性编码器的写入装置写入其上。由此，例如，CMM的测量表或线性驱动器的位置部件根据本发明适合作为位置编码标记的承载体，由此获得进一步的成本优点。
本发明还获得低维护成本，因为用户本身可以更换读取端头。还简化了线性编码器或包含线性编码器的测量系统的维护，因为其现在可以仅在读取端头中向生产者发送，以代替如以前发送整个测量系统。
本发明另一优点是，提供一种改进线性编码器，其质量具体化装置可以按简单方式以高精度进行校准，而不需要外部位置确定装置，和对应的改进校准方法。因此，该质量具体化装置在将线性编码器安装在一装置(例如，坐标测量机)中之后的校准操作也使能按简单方式并且在每一个处理应用之前实现。与根据现有技术的方法形成对比，可以不需要获知码元的目标位置值来进行校准。具体地，该校准方法可以自动执行，其提供了附加的时间和成本优点。校准可以通过线性编码器的控制与分析单元独立启动，或者在出现特殊事件(如冲击或误差消息)之后和/或按特定时间间隔例行地启动。与温度检测或其它环境影响检测相组合也是可设想的，当然在其中执行自动校正，例如，如果超出有关质量具体化装置的膨胀行为的临界值。
有关距离测量期间的位置确定，根据本发明的线性编码器提供了附加优点：由于存在至少两个检测基准点，因而，可以例如通过根据两个位置值平均化而鲁棒地和/或以较少误差执行位置确定。
为进一步增加距离测量并且具体增加校准的鲁棒性和/或距离测量的精度和/或用于更快速执行校准，在该线性编码器的一个实施方式中，传感器单元可以具有至少三个检测基准点，由此，限定至少两个标准。该检测距离，和由此的标准具有不同尺寸。具体地，选择距离，以使至少一个标准是其它标准之一的整数倍。在所述校准方法的范围中，基于至少两个不同标准，具体地，基于不是彼此的整数倍的那些，至少针对一些码元确定修正值。
在EP 1195880 A1中公开的方法中，这两个传感器彼此的距离取决于码元的距离。与此形成对比，在本发明中，检测基准点彼此的相对位置和由此的标准在所有实施方式中，可以被设计成为基本上独立于质量具体化装置上的两个码元的距离。例如，由此可以建立该标准，以使不是仅要在一个步骤中检测的这两个码元，而相反质量具体化装置中的多个码元位于该标准内。该标准由此被选择成尽可能的大。这提供了仅读取端头的尺寸指定针对该标准的相对误差的限制的优点。这是特别有利于更精细地设想整个线性编码器或质量具体化装置和由此更精细设想码元彼此的距离。另外，如果使用相对较大的标准，则与较小标准相关地，需要用于校准全部位置编码标记的更少连续位移步骤。这样形成的校准梳由更少值构成，由此，缩减了增加的误差数量。
与码元距离或读取端头相比，经由相对较大标准(其在多个码元上延伸)，在制备第一校准梳期间不是检测所有码元，而相反，未检测、未校准的码元仍保持在与第一和第二检测基准点相关地检测的两个码元之间。
为确定针对这种未检测、未校准码元的校准位置值，在该校准方法的改进中，可以形成另一些校准梳。为此，与质量具体化装置上的第一起始码元相邻地定位的码元可以被用作另一起始码元，并且第一校准梳的校准步骤可以由其进行重复。在本发明的含义中，“相邻”意指，这两个码元彼此靠近定位，而不是指这两个码元必须彼此直接紧挨着定位。在一个标准内相邻的那些码元可以被用作用于形成多个校准梳的起始码元。具体地，这些可以是质量具体化装置上的一个标准内的所有码元，但也仅是其特定选择，例如，每第三个码元。从该相邻起始码元出发，彼此独立的校准梳针对彼此链接的码元来制备，其中，与各个校准梳相关联的码元与起始码元类似地彼此相邻。
在该校准方法的改进中，确定质量具体化装置上的码元彼此的距离。为此，在该线性编码器的一个实施方式中，该传感器单元可以具有至少两个检测区，其皆具有检测基准点。每一个检测区都能够在一个步骤中检测至少两个码元。每一个码元都可以与相应检测区的检测基准点相关地进行检测。质量具体化装置上的码元的与检测基准点有关的位置以及该码元与位于该检测基准点的检测区中的另一码元之间的距离可由其确定。例如，为此，可以确定传感器单元的线传感器或表面传感器上的码元扫描信号的位置。码元彼此的距离可以基于其针对检测基准点的距离来确定，或者直接根据相应扫描信号的检测器位置的距离来确定。
另选的是，码元彼此在质量具体化装置上的距离可以通过首先确定每一个观察码元至共有基准码元的距离来确定。这种基准码元例如可以是起始码元或另一任意码元。接着，要在两个码元之间确定的码元距离通过计算所述一个码元与基准码元之间的距离和所述另一码元与该基准码元之间的距离之差来查明。
基于所确定码元距离，彼此初始未链接的校准梳可以具体通过均衡计算来彼此相关。例如，从第一起始码元的起始位置值出发，针对所述另一些起始码元的计算位置值可以基于起始码元距离来计算。接着，将这种计算起始码元位置值用于制备针对相应校准梳的所述另一些码元的计算位置值。
另选的是，从校准梳的一码元的计算位置值出发，可以基于该码元距离，针对与所述另一些校准梳相关联的相邻码元计算计算位置值。接着，将该相邻码元的计算位置值用作用于计算相应校准梳的所述另一些码元的计算位置值的基础。另选的是，为利用测量码元距离，可以基于存储在控制与分析单元中的信息来执行校准梳的链接。这种信息例如可以是码元的目标位置值。最后，由此，可以从第一起始码元的起始位置值出发，制备所有计算位置值。
在该校准方法的另一改进中，可以针对起始码元本身制备校准位置值。由此还可以有利地校准线性编码器的零位置或起始位置处的区域，其在相对较大检测距离的情况下尤其显著。为此，计算起始码元距离之和，其中，起始码元如所述位于一个标准内。将该和与该标准相比较，并且例如，确定偏差，例如，通过计算标准和起始码元距离的和之差。基于该偏差，针对起始码元生成校准位置值。具体地，平均起始码元修正值(其对于所有起始码元来说相等)可以基于起始码元的数量和该偏差来确定，例如，通过将该偏差除以起始码元的数量来确定。或者，通过加权单个起始码元距离，而根据该偏差制备单个校准位置值。使用这两个选项中的哪一个(可选地，还按区段组合)例如可以基于该码元在质量具体化装置上分布多均匀来进行。如果位移该标准边缘处的所述两个起始码元沿线性轴位于针对尾随或前导检测基准点的距离(偏移)处，则该距离还可以针对偏差确定来测量。如果仅一个起始码元距离可在一标准内确定，则因为仅存在两个起始码元，所以这一个码元距离(没有计算起始码元距离之和)被用于比较和确定相对于该标准的偏差。
一个码元距离(在两个码元处于一标准内的情况下)或码元距离之和(在多个码元处于一个标准内的情况下)与该标准的比较以及偏差的确定还可以类似地针对另一些码元来执行。
另外，这种偏差可以被用作针对线性编码器的位置值确定的质量的度量，具体地，针对质量具体化装置的建立误差。为此，这种偏差确定还可以独立于剩余校准方法来执行，例如，在运行线性编码器的测量操作期间执行。如果该偏差超出一特定限制值，则假定所确定位置值的不充分质量。这种偏差可以例如因质量具体化装置上的码元的真实距离而造成，例如，因质量具体化装置的温度相关膨胀/收缩或老化相关变化而造成。如果超出该限定偏差限制值，则可以向用户输出通知，例如，采用声音或光学告警形式，和/或可以自动启动线性编码器的校准。由此，可以将该标准用于在测量操作期间检查位置编码标记的精度。
如上所述，可以想到或者有利的是，不是全部码元都与检测基准点相关地进行检测。在该校准方法的改进中，该测量码元距离被用于确定针对这种码元的校准位置值，例如，作为使用校准功能的另选。为此，确定从“未校准”码元至相邻码元的码元距离，对此来说，存在校准位置值。基于该校准位置值，考虑到码元距离，针对此处的“未校准”码元的计算位置值被确定并存储为针对该码元的校准位置值。例如，针对此处的“未校准”码元寻求的计算位置值可以通过将码元距离与相邻“校准”码元的计算或校准位置值相加来确定。另选的是，经由本领域技术人员已知的内插方法，考虑到从“未校准”至相邻“校准”码元的相应确定码元距离，可以具体基于已经制备的校准梳的一个或更多个校准或计算位置值，来确定针对“未校准”码元的计算位置值。
在该校准方法的另一改进中，至少部分地查明计算位置值的沿位置编码标记周期性地出现的误差，因为该接近该位置编码标记以形成虚圆(imaginary circle)。为此，可选的是，通过实际上附加位置编码的起始部分，终止一时段以使能够连续接近该位置编码标记。周期性误差可以根据该圆闭合而被确定为谐波，并且这些可以被存储为存储单元中的附加修正值表。
在该校准方法的另一改进中，该读取端头除了其具有至少两个检测基准点的传感器单元以外还具有写入单元，其通过基板按针对传感器单元或者其检测基准点之一的限定距离而沿延伸方向固定。写入单元与传感器单元或者所述检测基准点(下面被称为写入-读取距离)之间的距离或者由此每次在使用之前和在特定情况下，以及在使用期间，通过读取端头中存在的精度测量单元再次以这种高精度获知并由此可用作其被测量的标准并且以高精度存储，或者因为该基板由所述耐老化材料和耐高温材料(具有范围在0至至多5·10-6K-1的绝对值的热膨胀系数)构成，并且该距离在使用该装置之前优选地在生产者处以高度确定一次，并且存储在存储和分析单元中。“高精度”确定或测量再次意指具有至多5·10-6的误差的写入-读取距离的测量或确定。
该写入-读取距离由此与检测距离类似地，以高精度确定或者可以高精度确定，并由此被用作一标准。该质量具体化装置在开始校准方法时至少基本上为空的，即，其没有码元或者仅几个(具体地，一个)起始码元。接着，执行该质量具体化装置的写入，因为该读取端头从一起始码元出发连续位移，并且在读取端头和质量具体化装置的相应相对定位方面，通过传感器单元检测现有码元(在开始该起始码元时)，并且在这种相对定位下，通过写入单元在质量具体化装置上或其中写入一码元。在这种情况下，码元的校准随着该写入而同时执行，因为写入单元与传感器的检测基准点之间的距离以具有至多5·10-6的误差的高精度确定，并且存储为一标准。由于该写入-读取距离以高精度建立或者确定，因而，从至少一个起始码元的位置出发，通过写入单元写入的码元的位置由此获知并因而以高精度校准。
另选的是，该校准不通过写入-读取距离的高精度确定而是简单地基于该写入-读取距离借助于选定基板而恒定的获知(具有绝对值至多5·10-6的偏差)，在具有由所述耐老化和耐高温材料制成的基板的线性编码器中执行。代替精确地确定或获知沿其长度的写入-读取距离，使用质量具体化装置，其已经具有校准起始码元的阵列，即，其按它们彼此相对的距离而精确地获知，并且其获得质量具体化装置的一较小区域上的位置编码，从而其形成质量具体化装置的剩余区域上的另一些码元的校准写入的基础。
为了验证在写入码元期间完成的校准，如果其被认为是必需的，则校准可以通过传感器单元的所述至少两个检测基准点来执行，如上所述。
本发明还包括计算机程序产品或通过电磁波具体实施的计算机数据信号，其具有用于控制或执行该校准方法的程序代码。
该校准方法的单个步骤可以按任何合适顺序来执行。具体地，针对校准所需的计算可以组装成一矩阵并且作为一个整体来执行。该方法的控制和执行可以通过线性编码器本身来执行，或者借助于合适的数据传送装置，全部或部分外部地(例如，通过连接计算机单元)执行。
附图说明
下面，基于附图中示意性地例示的示例性实施方式，完全作为实施例，对根据本发明的线性编码器和根据本发明的校准方法进行更详细描述。
在具体图中：
图1a示出了根据现有技术的线性编码器的示意性概述例示图，
图1b示出了根据现有技术的线性编码器的传感器单元和质量具体化装置的示意性例示图，
图2a-2d示出了根据本发明的线性编码器的读取端头和质量具体化装置的实施例，
图3a-3d示出了根据本发明的校准方法的示意性例示图，
图4a-4c示出了根据本发明的校准方法的改进的示意性例示图，
图5示出了根据本发明的校准方法的改进的示意性例示图，
图6a-6c示出了根据本发明的校准方法的改进的示意性例示图。
具体实施方式
图1a示出了根据现有技术的具有读取端头1的线性编码器100的一般示意图，该读取端头1可以沿质量具体化装置3的延伸方向(用双向箭头2a指示)，按线性方向与固定质量具体化装置3相对地在轨道2b上移动，由此，可以执行线性距离的测量。为了沿轴生成相对移动，读取端头1还可以固定安装，并且质量具体化装置3例如可以通过将该质量具体化装置扣紧在要测量的移动物体上而与其相关地移动。质量具体化装置3具有位置编码标记3c，其通过读取端头1的传感器单元4部分地检测。通过分析传感器单元4的、根据该检测生成的信号，线性编码器100的控制与分析单元2可以基于存储在该控制与分析单元2的存储单元中的信息，确定读取端头1与质量具体化装置3相对的位置。控制与分析单元2能够控制测量操作。
质量具体化装置3在此被例示为具有由单个相同码元制成的递增位置编码标记3c的标尺，其被示意性地示出为由交替光暗区段制成的、按规则间隔应用的标记。为确定读取端头位置，将起始位置和两个增量之间的位置距离存储在存储单元2中。该编码还可以通过实现该码元而被具体实施为绝对编码，例如，具体实施为不同编码模式的序列，其皆可以至少针对质量具体化装置3的子区段，基于所存储的信息而通过控制与分析单元2唯一地指配给一位置值。根据现有技术的位置编码的示例在EP12175130.9、DE 19604502 A1、WO 01/61280 A1、US 2004189984 A1、DE 102008055680A1以及US 7608813 B1中找得到。
上述文献主要涉及光电检测方法。关于本发明，还可以应用位置编码标记3c和传感器单元4的另选实现。能够确定位置值的所有物理动作原理都是适合的，例如，感应、电容或磁性测量原理，其中，电气或磁性码元通过恰当实现的传感器单元4来检测。
图1b示出了根据本发明的具有电容测量原理的线性编码器的一部分，其包括传感器单元4和质量具体化装置3，其在与读取端头的线性移动方向或者质量具体化装置3的线性延伸方向垂直的区段中示出。质量具体化装置3包括由电容性部件3e制成的、具有电源线3q的位置编码标记3c。传感器单元4在基板5上具有传感器6，其用于位置编码标记3c的码元3e的电容检测。
图2a示出了根据本发明的线性编码器100的一实施例。其读取端头1包含传感器单元4，其具有两个传感器6，其皆分别具有一个检测基准点R1或R2。有关读取端头1相对于质量具体化装置3的移动方向，尾随检测基准点被标识有R1，而前导检测基准点被标识有R2。区别这种检测基准点R1或R2在于，通过传感器6相对于检测基准点来检测位置编码标记3c的码元，读取端头1与码元之间的唯一的相对位置可以至少沿线性移动方向的方向来查明。具体地，检测基准点可以是相应的传感器6的内部坐标系统的原点。对于传感器6的检测领域(其至少沿距离轴的方向近乎成点状)的情况来说，检测基准点R1或R2是检测领域本身，例如，相应传感器6的传感器尖端6p。在图2a中，当(在检测精度的范围下)位置编码标记3c的码元垂直地位于传感器尖端6p“下面”时(在图中用线6a和6b指示)被检测。
传感器6固定地定位在基板5上。基板5由尺度坚固并且耐老化的材料制造，其具有绝对值在范围0至至多5·10-6K-1的线性热膨胀系数。这种具有所需特性的低热膨胀材料或超低热膨胀材料(LTE bzw.ULE)例如是诸如Zerodur或其它特种陶瓷的玻璃陶瓷、诸如锂铝硅酸盐(LAS)的聚合物-陶瓷复合材料、石英玻璃、诸如Pyrex的硼硅酸盐玻璃，或者特种铁镍合金(Invar)。根据本发明，具体地，膨胀系数5·10-6K-1的最大值至少不超出温度范围10℃至30℃之内，其足够用于线性编码器100的许多希望用途。对于其它希望用途来说并且对于更好存储稳定性来说，使用基板，其膨胀系数也不超出温度范围-20℃至70℃内的值5·10-6K-1。在根据本发明的线性编码器100的具体实施方式中，对于所提到的具有绝对值0至至多1·10-6K-1(具体地，直至至多6·10-7K-1)的温度范围来说，该基板材料在每种情况下都具有线性热膨胀系数。由于这种基板上的传感器6的排布结构，传感器之间的距离和由此检测基准点R1与R2之间的距离按热稳定和耐老化方式固定。
检测距离根据两个检测基准点R1和R2彼此的距离来检测。如图2a所示，该检测距离优选地大于码元彼此的距离，以使在这个实施方式中，多个码元总是位于质量具体化装置3上的两个检测基准点R1与R2之间。传感器6的相应坐标系统可以通过确定该检测距离而彼此链接。根据本发明，用于校准位置编码3c的标准s根据该检测距离来限定，其中，该校准借助于读取端头1的控制与分析单元2的校准功能来执行。该检测距离以高精度确定并且例如在整个实施例中在生产者处存储，以使该标准以相对误差2·10-6来限定。由于传感器6布置在具有所述特性的基板5上，因而，该标准s在非常小的误差限制范围下，始终如一地保持通过在生产者处的测量所确定的值。具体地，由于在生产者处与基板的稳定性特性组合的高精度测量，因而，该标准s以至多5·10-6的相对误差(例如，以1·10-6的相对误差)而独立于环境影响来确定。
图2b示出了根据本发明的线性编码器100，其中，传感器单元4具有处于基板5上的线传感器6L。该线传感器6具有两个检测区A1和A2，其具有彼此隔开的检测基准点R1和R2。例如，传感器单元4以及相应的位置编码标记3c可以被具体实施成用于通过光电原理来确定位置值。该读取端头横向包含质量具体化装置，例如，采用U状具体化装置。该传感器设置在朝着质量具体化装置的一侧取向的读取端头上。将照明装置设置在朝着质量具体化装置的相反侧取向的读取端头上。为此，传感器单元4例如具有照明单元11，其具有多个单个点光源或准直光幕，其以定向光11L照射位置编码标记3c。在该实施例中，码元的检测基于该发送光方法。经过具有位置编码标记3c的照明光至少部分地被光接收光电检测区A1或A2之一检测到。这例如可以被实现为划分成两个检测区A1和A2的CCD阵列，其用于位置敏感检测码元的投影或图像。在相应检测区中，例如通过CCD阵列的中心建立的检测区零点被用作检测基准点R1或R2，由此，获知其相对于中心并且经由其直至另一检测基准点的精确位置。可以通过确定这种位置敏感CCD光电检测器区域上的图像至其零点的距离，来检测与一检测基准点(例如，R1)有关的码元，根据其，基于已知成像比率，可以推断该码元本身至检测基准点R1在质量具体化装置上沿质量具体化装置3的线性延伸方向的投影的距离。
传感器单元4可以在一个步骤中检测位置编码标记3c的与一检测基准点R1有关的至少一个码元、和与检测基准点R2有关的另一码元。这两个检测基准点之间的检测距离如上所述被预先获知并且限定一标准s，由此，位置编码标记3c的位置编码标记可以利用控制与分析单元2的校准功能来校准。
在根据本发明的线性编码器100的另选实施方式中(与根据图2a的线性编码器100形成对比)，基板5由尺度不太稳定的材料制成。根据例示了该另选实施方式的图2b，在根据本发明的线性编码器100中，对于校准来说，实现该标准s的高精度限定，因为读取端头1具有精度测量单元10，其在该实施例中被实现为激光干涉仪。该干涉仪由用于发射激光束9a的激光源9构成。激光束9a通过第二光学单元7b的分束器(其位于与检测基准点R2有关的已知和固定位置中)部分地引导到第一光学单元7a上并且部分引导到对激光辐射敏感的光电检测器8上。第一光学单元7a被实现为偏转镜，并且位于与检测基准点R1有关的已知和固定位置中。其被用于反射抵达其上的激光，其接着在第二光学单元7b中被重新定向至光电检测器8。具体地，该第一光学单元7a和和第二光学单元7b分别被定位成，使得它们在相应检测基准点R1或R2的投影轴6a或6b上，与质量具体化装置垂直地定位在读取端头一侧上。该激光辐射的该部分通过光学单元7a和光学单元7b的偏转镜引导到光电检测器8上，其中，其干涉直接从光学单元7b的分束器接收的激光辐射。激光源9与光学单元7a的相对距离可以按已知方式根据干涉外观来推断，并由此，根据本发明，可以在任何时候以高精度确定检测基准点R1与R2的上述先前已知距离以及标准s。具体地，标准s的变化(其因热或者因其它环境影响或老化影响而造成)由此可以根据本发明来确定。
图2c示出了根据本发明的线性编码器100，其具有传感器单元4，该传感器单元具有多个(在此为三个)检测基准点R1、R2以及R3。这些例如皆是三个表面传感器6F1、6F2、6F3的零点，该表面传感器皆具有检测区A1、A2、A3，其皆具有准许同时检测位置编码3c的多个码元的延伸部。传感器6F1、6F2、6F3固定在基板5上，该基板由尺度坚固并且耐老化的(超)低热膨胀材料制成，由此，检测基准点R1、R2以及R3之间的高精度已知检测距离保持恒定。根据本发明这些检测距离限定了长度不同的三个标准s1、s2以及s3，其中，在每种情况下，一标准以至多5·10-6的相对误差限定，并且存储在控制与分析单元2中。该检测距离被具体选择，以使至少一个标准s1、s2、s3不是另一标准s2、s3、s1的整数倍。这些可以是干扰波纹图案(具体地，在光学线性编码器的情况下)，其帮助防止周期性结构能够在叠加时出现。由于提供了多个标准s1、s2、s3，因而，可以通过读取端头1更精确和/或鲁棒地校准质量具体化装置3的位置编码3c。设置多个传感器6F可以在随后距离测量期间使用，以使可移动部件的位置更精确和/或鲁棒，例如，通过根据单个位置值来确定共有平均位置。
图2d示出了一读取端头1，其与图2a所示类似地实现。代替具有两个传感器6的两个检测基准点R1、R2的传感器单元4，该读取端头1具有：具有传感器6的至少一个检测基准点R1的读取-写入单元4'，和具有写入基准点R2'的写入单元30，其被设置成，使得写入基准点R2'沿读取端头1的移动方向2a、在写入-读取距离s'前导检测基准点R1定位。该写入-读取距离s'通过由上述类型的尺度坚固且耐老化的材料制成的基板5，以高精度建立。另选的是或者另外，该写入读取距离通过生产者处的测量或者通过利用读取端头1的精度测量单元(图2d中未示出)的测量而以高精度按其长度进行确定，举例来说，如基于图2b解释的。
图3a-3d例示了利用用于根据本发明的线性编码器100的第一校准梳K1的图形的、根据本发明的校准方法。该线性编码器的传感器单元在这个实施例中用其两个检测基准点R1和R2来指示，根据其固定检测距离，依次限定标准s，其如上所述以高精度已知。
在所述校准方法的范围中，在第一步骤(图3a)中，读取端头1与质量具体化装置3的位置编码标记3c相对地定位，其具有码元20，以使将第一码元20检测为与第一尾随检测基准点(R1)有关的起始码元20a(用线6a指示)。任何码元20都可以被用作起始码元20a。在同一步骤中，第二码元20b(用线6b指示)与第二前导检测基准点R2相关地加以检测。
在第二步骤(图3b)中，将读取端头按方向2a沿位置编码标记3c位移，直到可与第一尾随检测基准点R1相关地检测第二码元20b为止。换句话说，该读取端头沿质量具体化装置的轴位移达大约一个标准。在另一、第三步骤中，与第一检测基准点R1相关地检测第二码元20b，并且另外，与第二尾随检测基准点R2相关地检测另一码元20c。
类似地重复第二和第三步骤，以使与第一检测基准点R1相关地检测所述另一码元20c，而与第二检测基准点R2相关地检测下一个码元20d(图3c)。这针对位置编码标记3c的另一些区域是继续的，由此检测针对第一校准梳K1的数据。具体地，步骤二和三可以重复，直到到达位置编码标记3c的末尾为止。
校准位置值在校准方法的范围中，针对第一校准梳K1的检测码元来确定。在该校准方法的范围中，根据本发明确定校准位置值将基于图3d进行更详细描述。
在步骤22(图3d)中，确定针对起始码元20a的起始位置值N20a，例如，基于存储在控制与分析单元中的目标位置值或者通过建立起始位置值，作为位置编码标记的零点。
从起始码元20a的起始位置值出发，在步骤23中，针对所述另一些所检测的码元，计算位置值如下：这由于将标准s与起始码元20a的起始位置相加而针对第二码元20b执行，因为位置编码标记3c上的这两个码元20a和20b之间的距离对应于一个标准s。对于另一码元20c的位置值计算来说，将两个标准s与起始码元的起始位置值相加，因为位置编码标记3c上的这两个码元20a和20c之间的距离对应于两个标准s。另选的是，可以将一个标准s与码元20b的计算位置值相加。计算针对码元20d的计算位置值因此通过将三个标准s与起始码元20a相加或者通过将另一标准s与码元20c的计算位置值相加来执行。该过程因此针对另一些所检测的码元继续。读取端头1的位移还可以按位置值变得更小的方向执行。接着向标准s添加负号。
在步骤23之后，根据本发明，在步骤24a中，根据步骤23计算的计算位置值可以作为校准位置值存储在控制与分析单元的存储单元中。确定校准位置值还可以基于该计算位置值来执行，以使校准功能(其以数学方式描述计算位置值)基于计算位置值来生成。接着基于该校准功能准备单个校准位置值并存储。校准功能可以针对位置编码标记的整个检测区或者还按多个区段来生成，其中，可以针对每一个区段生成分离的校准功能。如果指配给码元的目标位置值已经存在于控制与分析单元2中，则将它们用校准位置值替换。
如果线性编码器100随后被用于测量一物体或位移，则将校准位置值(其通过校准方法指配给码元)用于确定位置值。
如果指配给码元的目标位置值已经存在于控制与分析单元中，则针对步骤24a的另选是，可以在步骤24b中，通过比较根据步骤23计算的计算位置值与对应目标位置值并且确定这两者彼此的偏差来确定针对一码元的目标位置值的修正值。具体地，根据计算位置值与目标位置值来计算差值，其值形成该修正值。
在步骤25中，将这种修正值指配给对应码元并存储在存储单元中。目标位置值和对应值的组合接着形成校准位置值，其在用于位置确定的随后距离测量的范围中使用。
如果该标准s未以高精度获知(例如，通过生产者处的测量)，则在校准方法的过程中，执行标准s的高精度确定，在该实施例中，通过精度测量装置10的光电子测量。这在根据图2b的线性编码器100的情况下特别有利，其具有不太热稳定和耐老化的基板5。
多个校准梳K1至K3的形成将基于用于改进根据本发明的校准方法的图4a至4c来进行描述。
图4a对应于两个图3a和3b的组合。(为更好识别，仅将码元20a和20b示出比剩余码元厚)。在第一步骤中定位读取端头(图4a左侧所示)，以使第一起始码元20a可与尾随检测基准点R1相关地检测。这在下一个步骤与尾随检测基准点R1相关地检测，而且与前导检测基准点R2相关地检测第二码元20b。这些步骤以另一码元的检测继续(图4a右侧所示)，如参照图3a至3c所述。按这种方式，拟定针对第一校准梳K1的基础，经由此，最终将校准位置值指配给码元20a、20b、20c等。
在图4b中，定位读取端头，以使与第一起始码元20a相邻的码元可检测为与尾随检测基准点R1有关的第二起始码元27a。码元27a通过按和参照图3a至3d或者参照图4a所描述相同的方式重复该方法步骤，而被用作用于制备第二校准梳K2的起始码元。在图4b中，由此与尾随检测基准点R1相关地检测码元27a，并且在同一步骤中，与前导检测基准点R2相关地检测另一码元27b等。
另一、第三校准梳K3通过利用另一码元28a作为用于执行根据图3a至3d的方法步骤的起始码元来制备(图4c)。
另一些校准梳可以按类似方式根据本发明来形成。为避免多次测量码元，仅将位于质量具体化装置上的一个标准内的那些码元用作起始码元。在根据图4a的实施例中，这些是位于码元20a与20b之间的十一个码元，包括码元20a而排除码元20b。可以形成对应于一个标准内的所有码元的数量的许多校准梳。参照图4a至4c，例如，该数量十一因而从校准梳K1至K11获得。根据本发明，还可以制备更少校准梳，而且，例如，仅每第二码元或者来自一个标准s内的码元的另一选择可以被用作起始码元。
可以如针对图4a至4c所述，连续制备不同的校准梳。制备还可以通过将读取端头位移至要检测的下一码元而并行执行，其独立于与其相关联的校准梳。由此，在检测相对于相应起始码元等按两个标准s隔开的这些码元之前，首先连续检测所有起始码元和所有另一些可检测第二码元。换句话说，读取端头1的位移首先在将该标准的区域中的“所有”码元检测为起始码元之后执行。通过控制与分析单元2来执行将检测码元指配给关联的修正梳。
对于根据图2c的、具有两个以上检测基准点(其建立多个检测距离)的线性编码器100来说，还可以按类似方式制备多个校准梳，其例如基于不同的标准s。由此可以确定仍然更精确地校准的位置值，并且该方法可以被制成更鲁棒的和/或可以以更少时间支出来执行。通过平均化多余检测编码，可以在确定位置值时消除非系统性误差。
对于具有传感器单元4的线性编码器100来说，其具有至少两个检测区A1和A2(皆具有一个检测基准点R1和R2(参见图2b或2c))，在根据本发明的校准方法的另一改进中，可以执行测量相邻码元20的位置编码标记3c上的距离。例如可以基于在通过传感器单元检测其期间所生成的状态信号的焦点的距离来确定两个码元20之间的码元距离。如果例如利用反光法以光电方式执行码元检测，则从两个码元反射的光由此在位置敏感检测器上生成彼此隔开的两个亮度峰值。这两个亮度峰值的距离可以被用于计算这两个码元的码元距离。
针对焦点确定的另选是，本领域技术人员还已知其它方法，通过其，可以确定位置编码标记3c上的码元的精确位置，并由此确定这些码元的距离。码元距离还可以通过计算相关码元与公共基准码元的距离之差来“间接”确定。这种公共基准码元例如可以是码元20a。例如，如果要确定两个码元27a与28a彼此的距离，则首先确定码元27a和28a与基准码元20a的相应距离。在两个码元27a和28a之间求得的距离是码元与基准码元的相应距离之差的值。
为使得更高精度，对光电检测于位置编码标记的码元的情况来说，真实成像系统的非理想特性(其造成图形失真)可以通过失真修正来补偿。投影仪和检测器的所有成像特性在这种情况下可以在本领域技术人员已知的校准过程范围(例如，一系列校准记录)中加以测量，并且可以根据其生成用于描述这些成像特性的数学模型。
图5例示了怎样附加地使用这种确定码元的精确位置来生成针对检测基准点的基准。在图5中，码元39a不位于延伸穿过检测基准点R2的投影线6b上，而是位于针对投影线6b的距离Δ3处。由此，要表明的是，根据标准s和位置编码标记3c的码元20的布置，码元20不必直接位于检测基准点R1或R2“处”，以使能够与其相关地检测。例如，对于反光法中光电检测与检测基准点R2有关的码元39a来说，码元39a的亮度峰值不必位于光电检测器的检测器A2的零点中，而是可以按针对其的特定距离来检测。通过确定该距离，可以建立与零点的关系并由此建立码元39a与检测基准点R2的关系。
这种建立与检测基准点的关系还可以在位移读取端头以制备校准梳的情况下被用于另选过程。代替位移读取端头以使位置编码标记3c的同一位置位于与检测基准点R1有关(如先前与检测基准点R2有关)的同一位置中(参照图3b和3c)，可以位移读取端头，以使码元20被检测，其相对于前导检测基准点R2的偏移通过距离测量而已知。在图5中，这例如是确定其针对检测基准点R2的距离Δ4的码元40b，或者是还确定其针对检测基准点R2的距离Δ3的码元39a。因此，检测码元20(例如，码元39a)至起始码元20a的距离不精确地对应于整数倍，而相反，该距离按针对检测基准点的相应距离(例如，在码元39a的情况下，按值Δ3)缩减或增加。因此，在查明计算位置值期间，不添加整个标准s或其倍数，而是按针对检测基准点的距离缩减或增加的长度。
而且，图5示出了确定针对多个校准梳的起始码元20a、27a、28a的码元距离。将该实施例中位于标准s内的全部十四个码元用作起始码元，以使获得校准梳K1至K14。起始码元20a与27a之间的距离是Δ1，起始码元27a与28a之间的距离是Δ2。该距离还针对标准s内的另一些起始码元来确定。基于这些测量的起始码元距离，该起始码元可以放置在彼此有关的位置中，由此，不同校准梳K1至K14的链接可以通过均衡计算来执行。代替经由起始码元彼此的距离。按对应方式，校准梳的链接还可以通过确定标准s内的其它码元(其至少未全部被用作起始码元)的距离来执行。
为进一步增加校准精度，根据本发明，校准值可以基于彼此的测量距离针对起始码元来确定。一个标准s内的码元20彼此的距离之和理想上对应于标准s。在根据图5的实施例中，这些是起始码元20a、27a等直至起始码元39a的距离Δ1、Δ2等，及其针对检测基准点R2的距离Δ3。将该距离和与标准s相比较，并且确定一偏差。如果没有偏差或者如果其小于固定域值，则该偏差为零。该偏差被用作用于确定针对起始码元的校准位置值的基础。这些校准位置值接着被类似于来自图3d的步骤24a或24b以及25存储在存储单元中。如果仅单一起始码元距离(例如，起始码元20a至起始码元39a的距离)在标准s内确定，则由此将所述一个起始码元距离与标准s相比较(在该实施例中，考虑到距离Δ3)，并且经由其确定偏差。为了查明校准位置值，例如，该距离和至标准s的偏差可以针对起始码元的数量来平均化，在该实施例中，由此除以十四，并因此，可以将相同的校准位置值用于所有起始码元。具体地，用于形成校准梳及其链接的步骤和用于形成起始码元的校准位置值的步骤可以是单一共享校准算法的一部分，以使计算位置值可以通过一起考虑校准梳的测量值和码元距离而根据它们形成。确定根据距离和与标准s的偏差还可以按质量具体化装置3的任何任意点来执行。具体地，确定偏差可以在线性编码器100的测量序列范围中执行，并且可以被用作在这种情况下测量的位置值的质量的度量。如果该偏差在这种情况下超出一特定量，则该位置值的质量不再被视为足够，并且可以将用户输出告警或校准推荐，和/或可以通过自动通过线性编码器100来执行校准。
具体地，针对码元彼此不等的距离的情况，如图5所示，另选地，可以针对单一码元距离执行加权，并且，可以针对每一个起始码元查明这种加权校准位置值。
根据本发明，对于校准位置编码3c来说，不必检测位置编码标记30c上或其一区域内的所有码元20。确定码元的距离可以在校准方法的改进中使用，以确定并存储针对在梳形成期间未检测的那些码元20的校准位置值。例如，如果已经针对检测码元39a确定了校准位置值(图3d中的步骤24a)，则可以通过将针对其的已知距离与校准位置值相加，而针对按该距离相邻的码元40b来计算一计算位置值。针对其另选的是，校准位置值可以通过本领域技术人员已知的内插方法或者通过形成一个或更多个均衡功能，而根据检测码元的现有校准位置值来针对未检测码元来确定。
图6a-6c例示了该校准方法的改进，其中，码元20已经根据如图2d中的实施例所示，通过根据一实施方式的读取端头1按校准形式在质量具体化装置3上写入。该质量具体化装置3仅预先具有起始码元的一个组G，其已经在生产者处校准或者可以通过根据本发明的方法来校准。该读取端头1包括具有传感器6的至少一个检测基准点R1的读取-写入单元4'，而且包括具有写入基准点R2'的写入单元30，写入基准点R2'被设置成，使得写入基准点R2'按针对检测基准点R1的写入-读取距离s'，而位于读取端头的移动方向2a前面。该写入-读取距离s'通过由尺度坚固且耐老化的材料制成的基板5，以高精度建立。另选的是或者另外，写入-读取距离s'通过在生产者处的测量或者通过利用读取端头1的精确测量单元(图2d中未示出)测量而按其长度、以高精度来确定。
在第一步骤中，读取端头1与质量具体化装置3相对地定位，以使组G的第一起始码元20a与传感器6的检测基准点R1相关地检测。在该第一起始位置中，通过写入单元30写入第一码元20b'，其位于针对传感器6的以高精度确定或建立的写入-读取距离处。与根据图3a-c或图4a-c的过程类似的是，两个码元20a和20b'彼此的距离根据相对于高精度写入-读取距离s'的标准，以高精度建立。如果该标准另外按其长度已知，则因此，例如对于第一起始码元20a的已知位置(其可以被建立为零位置)的情况来说，码元20b'的位置也通过将写入-读取距离s'与第一起始码元20a的位置相加并将其存储在控制与分析单元2中而以高精度获知。
在图6b中，读取端头1按方向2a位移，以使与第一起始码元20a相邻的码元可通过传感器6检测为与检测基准点R1有关的第二起始码元27a。现在，通过按和参照图6a所述相同的方式重复该方法步骤，将第二起始码元27a用作用于写入第二码元27b'的起始点。与根据图6a的第一起始码元20a和第一码元20b'类似，获知第二码元27b'至第二起始码元27a'的距离，并且可以根据该标准限定的写入-读取距离s'而以高精度确定。
图6c示出了随后步骤，在其期间，与在前步骤类似的是，读取端头1按移动方向2a与质量具体化装置3相对地位移，直到可以通过传感器单元4读取第三起始码元28a为止。在该第三相对位置中，通过写入单元30在质量具体化装置3上写入第三码元28b'，其位置可以基于相对于第三起始码元28a的位置的高精度写入-读取距离s'来计算并存储。
按类似过程，在每种情况下，按针对组G的起始码元的距离s'，通过读取端头1在质量具体化装置3上写入另一些码元20。如果组G的所有起始码元已经根据读取端头1的对应较大位移而通过传感器6检测到，则通过进一步沿移动方向2a位移读取端头1来继续该方法，以使先前根据本发明写入的码元20b'、27b'、28b'等与检测基准点R1相关地检测，并且通过写入单元30在这些相应位置中写入另一些位置码元20。在所述方法的另一过程期间，通过写入单元30创建的校准码元20由此被用作针对要写入的另一些码元20的起始点。具体地，可以继续该方法步骤，直到到达质量具体化装置3的末尾为止。按这种方式写入的位置编码标记3c形成位置编码，其已经因检测基准点与写入基准点之间的写入-读取距离s'(其以高精度建立，并且有利的是，还按其长度以高精度确定)而在写入码元20期间校准。

Claims (19)

1.一种线性编码器(100)，该线性编码器具有
■控制与分析单元(2)，该控制与分析单元具有存储单元和校准功能，
■质量具体化装置(3)，该质量具体化装置具有由码元(20)制成的位置编码标记(3c)，
■读取端头(1)，该读取端头具有传感器单元(4)，其中，读取端头(1)和质量具体化装置(3)能够彼此相关地移动，并且其中，
o能够通过所述传感器单元(4)在一个步骤中检测至少两个码元(20a-d、27a-c、28a-c)，
o所述传感器单元(4)具有至少一个第一尾随检测基准点(R1)和至少一个第二前导检测基准点(R2)，其通过基板(5)彼此固定隔开，其中，在每种情况下建立两个检测基准点(R1、R2)之间的检测距离，
■校准所述位置编码标记(3c)可借助于所述校准功能、利用至少一个所述检测距离、通过所述读取端头(1)来执行，
其特征在于，
■所述基板(5)由尺度坚固且耐老化材料制造，该材料的线性热膨胀系数具有范围在0至至多5·10-6K-1的绝对值，和/或
■所述读取端头(1)具有精度测量单元(10)，该精度测量单元用于高精度地确定具有范围至多5·10-6的相对误差的所述至少一个检测距离，
■由此，所述线性编码器(100)被提供用于利用至少一个标准(s)进行高精度校准，所述至少一个标准(s)是根据具有范围至多5·10-6的相对误差的所述至少一个检测距离来限定的。
2.根据权利要求1所述的线性编码器(100)，
其特征在于，
■所述标准(s)至少足够大于在每种情况下为多个的码元(20)针对彼此的距离，但至少两个码元(20)位于在一个标准(s)的长度内的所述质量具体化装置(3)上，和/或
■所述传感器单元(4)具有至少两个检测区(A1、A2)，其皆具有一个检测基准点(R1、R2)，其中，每一个检测区(A1、A2)都被设计成，在一个步骤中检测至少两个码元(39a、40b、20a、27a、28a)。
3.根据权利要求1或2所述的线性编码器(100)，
其特征在于，
所述传感器单元(4)具有
■线传感器或表面传感器(6L)，该线传感器或表面传感器具有至少两个检测区(A1、A2)，所述至少两个检测区(A1、A2)各自具有一检测基准点(R1、R2)，或
■至少两个单一传感器，所述至少两个单一传感器采用以下形式
o点传感器，所述点传感器各自具有一个检测基准点(R1、R2、R3)
o和/或线传感器和/或表面传感器(6F1、6F2、6F3)，所述线传感器和/或表面传感器各自具有一个检测区(A1、A2、A3)，所述检测区(A1、A2、A3)各自具有一个检测基准点(R1、R2、R3)，
并且所述控制与分析单元(2)被配置为，使得针对彼此的所述距离(Δ1-Δ4)能够根据在一个检测区中检测的码元(20a、27a、28a、39a、40b)来确定。
4.根据前述权利要求中的任意一项所述的线性编码器(100)，
其特征在于，
如果提供精度测量单元(10)，则以光电方式来执行所述至少一个检测距离的所述高精度的确定，具体地，其中，所述精度测量单元(10)被实现为干涉仪，特别地被实现为激光干涉仪。
5.根据前述权利要求中的任意一项所述的线性编码器(100)，
其特征在于，
所述基板材料的所述热膨胀系数的绝对值为，至少处于253K至343K的温度范围内，具体为至少处于283K至303K的温度范围内，在0至1·10-6K-1的范围中，具体为0至6·10-7K-1的范围中。
6.根据前述权利要求中的任意一项所述的线性编码器(100)，
其特征在于，
所述传感器单元(4)具有至少三个不同间隔的检测基准点(R1、R2、R3)，由此，限定具有不同尺寸的至少两个不同标准(s1、s2、s3)，具体地，其中，所述至少两个标准(s1、s2、s3)中的一个是第一标准，而另一标准是第二标准，并且所述第二标准不是所述第一标准的整数倍。
7.一种线性编码器(100)，该线性编码器具有
■控制与分析单元(2)，该控制与分析单元具有存储单元和校准功能，
■质量具体化装置(3)，该质量具体化装置具有由码元(20)制成的位置编码标记(3c)，
■读取端头(1)，该读取端头具有写入-读取单元(4')，其中，读取端头(1)和质量具体化装置(3)能够彼此相关地移动，并且其中，
o通过所述写入-读取单元(4')，能够在一个步骤中检测至少一个码元(20a-d、27a-c、28a-c)并且能够写入至少一个码元(20a-d、27a-c、28a-c)，
o所述写入-读取单元(4')具有通过基板(5)彼此固定隔开的至少一个第一尾随检测基准点(R1)和至少一个第二前导写入基准点(R3)，其中，在每种情况下建立两个基准点(R1、R2')之间的写入读取距离(s')，
其特征在于，
■所述基板(5)由尺度坚固且耐老化材料制造，该材料的线性热膨胀系数具有范围在0至至多5·10-6K-1的绝对值，和/或
■所述读取端头(1)具有精度测量单元(10)，该精度测量单元用于高精度地确定具有范围至多5·10-6的相对误差的至少一个写入读取距离，
■由此，所述线性编码器(100)设置有根据所述至少一个写入读取距离(s')限定的至少一个标准，所述至少一个标准针对高精度校准具有范围至多5·10-6的相对误差。
8.一种用于根据权利要求1至6中的任意一项所述的线性编码器(100)的校准方法，其中，第一校准梳(K1)通过下列步骤形成：
a)在所述读取端头(1)的第一位置中，将第一码元检测为与尾随检测基准点(R1)有关的起始码元(20a)，并且在同一步骤中，与前导检测基准点(R2)相关地检测第二码元(20b)，
b)将所述读取端头(1)位移到与所述质量具体化装置(3)相关的第二位置中，直到能够与所述尾随检测基准点(R1)相关地检测所述第二码元(20b)为止，
c)与所述尾随检测基准点(R1)相关地检测所述第二码元(20b)，并且在同一步骤中，与所述前导检测基准点(R2)相关地检测另一码元(20c)，
d)将所述读取端头(1)位移到另一位置中并且重复步骤b和c，直到所述读取端头(1)已经到达所述质量具体化装置(20)的希望的点或者所述质量具体化装置(3)的能够按这种方式检测的末尾码元(20)为止，
其特征在于，
e)在所述校准方法的过程中，所述前导检测基准点(R2)与所述尾随检测基准点(R1)之间的检测距离被确定为高精度标准(s、s1-s3)，
f)借助于由此限定的所述标准(s、s1-s3)，针对所检测的码元(20a-c)来计算计算位置值(K20b、K20c)，以及
g)基于所述计算位置值(K20b、K20c)生成并存储校准位置值。
9.根据权利要求8所述的用于线性编码器(100)的校准方法，所述线性编码器具有精度测量单元(10)，
其特征在于，
针对每一个校准、具体地以光电方式、特别是通过干涉度量法来执行所述标准(s、s1-s3)的高精度确定。
10.根据权利要求8所述的用于线性编码器(100)的校准方法，所述线性编码器具有基板(5)，所述基板由尺度坚固且耐老化材料制造，该材料的热膨胀系数在0至至多5·10-6K-1的范围，
其特征在于，
在最终安装所述线性编码器(100)之前执行所述标准(s、s1-s3)的所述高精度确定。
11.根据权利要求8至10中的任意一项所述的校准方法，
其特征在于，
基于指配给所述起始码元(20a、27a、28a)的起始位置值(N20a、N27a、N28a)并且基于所述标准(s、s1-s3)来计算所述计算位置值(K20b、K20c、K27b、K27c、K28b、K28c)，具体地，其中，针对所述第二码元的计算位置值的所述计算来说，将标准(s、s1-s3)添加至指配给所述起始码元(20a、27a、28a)的该起始位置值(N20a、N27a、N28a)，并且在每种情况下，针对所述校准梳的每一个接着的另一码元，添加另一标准(s、s1-s3)。
12.根据权利要求8至11中的任意一项所述的校准方法，
其特征在于，
■将所述计算位置值(K20b、K20c、K27b、K27c、K28b、K28c)存储为校准位置值，和/或
■，针对所述位置编码标记的至少一个区段、基于所述计算位置值(K20b、K20c、K27b、K27c、K28b、K28c)来创建校准功能，其中，基于所述校准功能来确定和存储校准位置值，和/或
■针对所检测的码元形成所述计算位置值(K20b、K20c、K27b、K27c、K28b、K28c)与存储在存储单元中的目标位置值之间的差异，其中，所述差异的值被存储为修正值，并且目标位置值与修正值的组合被用作所述校准位置值。
13.根据权利要求8至12中的任意一项所述的校准方法，
其特征在于，
形成至少一个另一校准梳(K2、K3)，并且彼此链接所述校准梳(K2、K3)，其中，通过重复从要被检测为起始码元(27a、28a)的另一码元进行的、权利要求7所述的方法步骤来形成所述至少一个另一校准梳(K2、K3)，其中，在所述读取端头(1)按其第一位置定位在所述第一校准梳(K1)中时，要被检测为所述起始码元(27a、28a)的所述码元位于所述质量具体化装置(3)的一个标准(s、s1-s3)内，并且事实上，直接与第一起始码元(20a)相邻，或者被其它码元分开，与所述第一起始码元(20a)相邻。
14.根据权利要求8至13中的任意一项所述的校准方法，
其特征在于，
测量相邻码元之间的码元距离(Δ1、Δ2)，并且
■所测量的码元距离(Δ1、Δ2)用于将所述校准梳(K1-3)彼此链接，具体地，经由均衡计算，和/或
■所测量的码元距离(Δ1、Δ2)用于确定针对出自码元的所计算的位置值的相邻码元的校准位置值。
15.根据权利要求14所述的校准方法，
其特征在于，
所述标准(s、s1-s3)在检查所述位置编码标记(3c)的精度的测量操作期间使用。
16.根据权利要求8至15中的任意一项所述的校准方法，
其特征在于，
码元(20)的光电或电容-电子检测。
17.根据权利要求8至15中的任意一项所述的校准方法，
其特征在于，
码元(20)的磁-电子或感应-电子检测。
18.根据权利要求8至17中的任意一项所述的校准方法，
其特征在于，
针对至少某些码元(20)的校准位置值的确定是基于至少两个标准(s、s1-s3)，具体地基于至少两个不同的标准(s、s1-s3)，其中，具体地，所述至少两个标准(s、s1-s3)中的一个标准是第一标准，而另一标准是第二标准，并且所述第二标准不是所述第一标准的整数倍。
19.一种存储在机器可读载体上的计算机程序产品或者通过电磁波具体实施的计算机数据信号，其具有用于控制或执行根据权利要求8至18中的任意一项所述的方法的程序代码。
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