CN112212809A

CN112212809A - 光学位置测量装置

Info

Publication number: CN112212809A
Application number: CN202010662109.7A
Authority: CN
Inventors: W.霍尔扎普费尔; D.弗雷泽; C.林克
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2019-07-11
Filing date: 2020-07-10
Publication date: 2021-01-12
Also published as: JP7502887B2; JP2021015114A; DE102019210274A1; US20210010807A1; EP3764064A1; US11828630B2; EP3764064B1

Abstract

本发明涉及一种用于检测两个可相对彼此旋转运动的物体之间的旋转角的光学位置测量装置。围绕旋转轴旋转的光栅量具被构造为反射光栅；从对所述光栅量具的扫描中可以既获得关于所述光栅量具围绕所述旋转轴的方位旋转运动的位置信息又获得关于所述光栅量具的径向位移的位置信息。至少一个探测单元用于扫描旋转的光栅量具，以确定所述光栅量具的方位旋转角和所述光栅量具的径向位移。所述光栅量具的用于确定旋转角和位移的扫描的中立旋转点位于同一平面中，所述平面平行于所述光栅量具。所述中立旋转点表示以下位置，所述光栅量具或所述探测单元可以围绕该位置倾斜而没有位置偏移。

Description

光学位置测量装置

技术领域

本发明涉及一种用于检测两个可相对于彼此旋转运动的物体之间的旋转角的光学位置测量装置。

背景技术

这种位置测量装置一般具有布置在所谓的分度盘上的围绕旋转轴旋转的光栅量具。所述光栅量具通常被构造为径向刻度（Radialteilung），从借助于合适的扫描单元对所述径向刻度的扫描中可以产生关于所述分度盘的旋转运动的位置信号；以这种方式产生的位置信号表征了两个可相对于彼此旋转运动的物体之间的方位旋转角。所需要的扫描单元为此主要包括：至少一个适当构造的光电探测器装置。这两个物体一方面连接到旋转的分度盘，另一方面连接到所述位置测量装置的与所述分度盘相对的固定部分，即所述扫描单元，这两个物体相对于彼此的位置或按照角度的相对取向有待确定。在典型的应用中，经由这样的位置测量装置例如确定旋转的驱动轴相对于为此固定的驱动壳体的旋转运动。由此检测的位置信号或旋转角可以通过已知的方式用于驱动调节。

现在特别是在以下情况下会出现问题：旋转的分度盘和所述位置测量装置的与所述分度盘相对的固定组件还没有在工厂安装在一起，而是例如由客户对单独提供的分度盘和（一个或多个）扫描单元进行安装。于是在这种情况下，不能毫无困难地保证将所述分度盘以及由此将被扫描的光栅量具精确地以实际旋转轴为中心来加以安装。然而，这是评估所产生的位置信号的重要前提。因此在实践中，通常会产生存在所谓的偏心误差的位置信号；这些偏心误差应当归因于实际的旋转轴不与旋转的分度盘或光栅量具的轴重合并且在偏心率的数量级中变化。在由客户安装的情况下，通过所述分度盘的偏心支承引起的误差非常大，并且会严重影响相应位置测量装置的最大测量精度。

下面基于图1A-1D中的图示来详细解释相应的关系。这些附图分别示出了在不同的旋转位置A-D上围绕旋转轴M_D旋转的分度盘TS，其中所述光栅量具或分度盘TS的轴M_TS具有相对于旋转轴M_D的偏心率e。此外，在这些附图中分别说明了在分度盘TS的相应旋转位置A-D上的偏心引起的旋转角误差

(Θ)。在这些附图中未示出在分度盘TS上的光栅量具，该光栅量具被构造为径向刻度并且被布置为在围绕所述光栅量具或分度盘TS的轴M_TS的平均扫描半径R中的圆环形刻度轨迹（Teilungsspur）。

在这样的情况下，在所述光栅量具的扫描位置处得到如下所示的分度盘TS的切向位移Δt (Θ)：

（等式1）

其中：

Δt (Θ)：=所述分度盘的切向位移

θ：=所述分度盘的旋转角

e：=偏心率

ΔΘ₁：=偏心引起的旋转角误差的相位。

对分度盘TS上的所述光栅量具的方位扫描提供了旋转角值

(Θ)，由于当前的偏心率e，所述旋转角值具有根据以下关系式的旋转角误差

(Θ)：

（等式2）

其中

（等式3）

其中：

(Θ)：=所述方位扫描的旋转角值

(Θ)：=偏心引起的旋转角误差

θ：=所述分度盘的旋转角

e：=偏心率

ΔΘ₁：=偏心引起的旋转角误差的相位

R：=扫描半径。

如从图1A-1D和等式3）可以看出的，偏心引起的旋转角误差

(Θ)是周期性的并且以分度盘TS的一次完整旋转的周期重复。在根据图1A和1C的分度盘TS的旋转位置A和C上，偏心引起的旋转角误差

(Θ)最大，在分度盘TS的旋转位置B和D上，根据图1B和1D偏心引起的旋转角误差

(Θ)消失了。

为了消除在旋转位置测量装置中的偏心误差，已经建议了大量解决方案。为此根据DE 11 2005 002 253 T5已知的解决方案之一例如规定，在旋转的分度盘上除了用于检测旋转运动的具有径向刻度和相关的探测单元或扫描位置的圆环形刻度轨迹之外，还平行地布置其他圆环形刻度轨迹，所述其他圆环形刻度轨迹由同心和圆环形布置的刻度线或光栅线组成。经由在与第一探测单元相同的方位位置处的分配给该附加刻度轨迹的其他探测单元，可以定量检测所述分度盘在径向方向上的可能存在的偏转，并用于校正实际感兴趣的位置信号或旋转角，所述位置信号或旋转角描述了所述分度盘围绕所述旋转轴的旋转。

下面借助于图2A-2D解释DE 11 2005 002 253 T5所基于的用于校正偏心误差的原理。相应的附图分别示出了在不同旋转位置A-D上的所使用的分度盘TS，所述分度盘具有所使用的两个刻度轨迹S1，S2和相关的探测单元D1，D2，其中所述光栅量具或分度盘TS的轴M_TS具有相对于旋转轴M_D的偏心率e。对于各自的旋转位置A-D，在图2A-2D中还分别说明了分度盘TS在径向方向上的由偏心引起的偏转Δr_exz(Θ)（上图）和由偏心引起的旋转角误差

(Θ)（下图）。

在分度盘TS发生偏心运动的情况下，所述分度盘的径向偏转Δr_exz(Θ)通过以下关系式与切向位移Δt(Θ)相关联：

（等式4）

其中：

Δr_exz(Θ)：=所述分度盘的径向偏转

Δt(Θ)：=所述分度盘的切向位移

θ：=所述分度盘的旋转角。

因此，对于偏心引起的旋转角误差

(Θ)适用

（等式5）

其中：

(Θ)：=偏心引起的旋转角误差

Δr_exz(Θ)：=所述分度盘的径向偏转

R：=扫描半径

θ：=所述分度盘的旋转角。

从图2A-2D可以看出，通过扫描在刻度轨迹S2中的圆环形布置的刻度线（Teilungslinien）而获得的径向分度盘偏转Δr_exz(Θ)的测量值相对于偏心引起的旋转角误差

(Θ)恰好相移了90°。可以将该关系用于校正，其方式是在安装了分度盘TS之后的校准运行中针对分度盘TS的一次完整旋转记录径向分度盘偏转Δr_exz(Θ)的测量值，对所述测量值进行进一步处理并在此用因子1/R对所述测量值进行缩放并作为取决于旋转角的校正值

(Θ)例如存储在表格中：

（等式6）

其中：

(Θ)：=取决于旋转角的校正值

Δr_exz(Θ)：=所述分度盘的径向偏转

R：=扫描半径

θ：=所述分度盘的旋转角。

然后，在测量运行中使用来自所述表格的偏移了90°的校正值

(Θ)来校正实际输出的和经过校正的角位置

。

该过程是有利的，因为在此不需要外部参考系统来校准方位旋转角值，而是由所述位置测量装置自己确定所有必要的校正信息。

对于在透射光中工作的光学位置测量装置而言，可以通过这种方式以简单的方式校正由所述分度盘或光栅量具的可能偏心引起的测量误差。但是，特别是在利用反射光扫描（Auflichtabtastung）的旋转的光学位置测量装置情况下，还会产生其他误差，这些误差可能会显著损害测量精度。如果没有理想地布置或支承所述分度盘，则所述分度盘的可能摆动运动就会引起这种错误。关于这种错误的校正，DE 11 2005 002 253 T5不包含任何解决方案。

发明内容

本发明所基于的任务是说明一种用于检测旋转相对运动的光学位置测量装置，在所述光学位置测量装置中除了补偿在确定旋转角时由偏心引起的误差外，还可以补偿由被扫描的光栅量具或分度盘的摆动引起的误差。

根据本发明，该任务通过具有权利要求1的特征的光学位置测量装置来解决。

本发明的有利的实施方式由从属权利要求中列出的措施得到。

根据本发明的用于检测两个可相对彼此旋转运动的物体之间的旋转角的光学位置测量装置包括围绕旋转轴旋转的光栅量具，所述光栅量具被构造为反射光栅，并且从对所述光栅量具的扫描中可以既产生关于所述光栅量具围绕所述旋转轴的方位旋转运动的位置信息又产生关于所述光栅量具的径向位移的位置信息。此外，设置至少一个探测单元用于扫描旋转的光栅量具，以确定所述光栅量具的方位旋转角和所述光栅量具的径向位移。在此，所述光栅量具的用于确定旋转角和位移的扫描的中立旋转点位于同一平面中，其中所述平面平行于所述光栅量具，并且所述中立旋转点表示以下位置，所述光栅量具或所述探测单元可以围绕该位置倾斜而没有位置偏移。

所述光栅量具可以包括径向刻度和与所述径向刻度相邻布置的圆环刻度。

在此，第一探测单元可以用于扫描所述径向刻度，而第二探测单元可以用于扫描所述圆环刻度。

此外，所述光栅量具可以由圆环形的并且以第一量具周期周期性布置的条形元件组成，这些条形元件的纵向延伸方向是径向定向的，并且其中所述条形元件为了绝对位置编码而沿其纵向延伸方向具有周期性结构，该周期性结构具有第二量具周期。

在此，所述探测单元优选地包括单个光源和单个探测器装置。

所述探测器装置可以被构造为具有多个探测器元件的二维探测器装置并且具有多个探测器列，每个探测器列具有多个探测器元件，其中所述探测器列沿着圆环形的布置方向以第一探测周期周期性地布置，并且所述探测器元件在所述探测器列中以第二探测周期周期性地布置。

所述光栅量具的光学扫描有利地被构造为具有成像比例尺β＝2的中央投影扫描，并且包括发散光源以及沿着至少一个方向周期性构造的探测器装置。

此外，所述光学位置测量装置可以具有信号处理单元，所述信号处理单元被设计和构造为，

-将在所述光栅量具的至少一次完整旋转期间的校准运行中获得的针对所述光栅量具的径向位移的取决于旋转角的测量值进行进一步处理，并且可以作为取决于旋转角的校正值存放在所述信号处理单元的存储器中，并且

-在测量运行中，所述信号处理单元使用存放在所述存储器中的取决于旋转角的校正值来关于当前偏心误差和摆动误差校正所测量的方位旋转角。

在此，可以将所述信号处理单元设计和构造为，由所述信号处理单元将在所述校准运行中获得的针对所述光栅量具的径向位移的取决于旋转角的测量值在所述测量运行中用于关于当前偏心误差和摆动误差校正偏移了90°的旋转角。

优选地，所述信号处理单元如下关于当前偏心误差和摆动误差来校正所述旋转角：

其中：

：=输出的经过校正的角位置

(Θ)：=所述方位扫描的旋转角值

(Θ)：=取决于旋转角的校正值。

通过根据本发明的措施，可以既关于所述光栅量具或分度盘的可能存在的偏心误差又同时关于所述光栅量具或分度盘的可能的摆动误差来校正由所述位置测量装置测量的旋转角。所述光栅量具或分度盘的可能的摆动误差特别是在使用反射光扫描的光学位置测量装置情况下是一种不可忽略的误差源。

在具有专门构造的光栅量具的特别有利的实施方式中，可以从单个扫描位置获得为此所需的信息。结果是相应的位置测量装置具有非常紧凑的结构形式。

结合附图，将基于根据本发明的设备的实施例的以下描述来解释本发明的其他细节和优点。

附图说明

图1A-1D分别示出了在不同的旋转位置上偏心布置的分度盘的图示以及与之相关的、偏心引起的角度偏差；

图2A至图2D分别示出了在不同的旋转位置上根据现有技术的偏心布置的分度盘，该分度盘具有附加的刻度轨迹，以及与之相关的径向分度盘偏转和旋转角误差；

图3示出了用于解释在反射光扫描时分度盘摆动的情况下的关系的图示；

图4A至图4D分别基于图1A至图1D中的图示示出了用于解释摆动的分度盘对所测量的旋转角的影响的图示；

图5示出了由偏心和摆动引起的所测量的旋转角的误差的图示；

图6A至图6C分别示出了用于解释在第一扫描变型中的中立旋转点的图示；

图7A至图7C分别示出了用于解释在第二扫描变型中的中立旋转点的图示；

图8A、8B分别示出了用于解释根据本发明的位置测量装置的校准和测量运行中的过程的示意图；

图9A示出了根据本发明的位置测量装置的第一实施例的分度盘的平面图；

图9B示出了根据本发明的位置测量装置的第一实施例的截面图；

图10A示出了根据本发明的位置测量装置的第二实施例的分度盘的平面图；

图10B示出了根据本发明的位置测量装置的第二实施例的截面图。

具体实施方式

在基于图8A、8B、9A、9B、10A和10B描述根据本发明的光学位置测量装置的具体实施例之前，首先解释与本发明有关的各种理论上的考虑。

根据上面讨论的DE 11 2005 002 253 T5，其光栅量具在透射光中被扫描的旋转光学位置测量装置基本上只有偏心误差作为对位置确定的误差贡献。在利用反射光扫描的旋转光学位置测量装置的情况下，还存在由所述光栅量具或分度盘的可能的摆动运动引起的其他误差贡献。如果所述分度盘未正确支承或安装在各自的测量装置中，则可能出现这种摆动运动。

首先基于图3中的示意图示来解释在反射光中被扫描的摆动式分度盘对位置测量的影响；上部图示在此示出了分度盘TS的俯视图，而下部图示示出了所述位置测量装置的侧视图。在此在该图的下部，以虚线示出了正确安装的没有摆动运动的分度盘TS，用实线示出了围绕旋转点D倾斜并且因此摆动的分度盘TS'。

在所述侧视图中，在图3中摆动的分度盘TS'由在该投影中倾斜的法向矢量N表示。探测单元DET的光敏表面位于扫描平面AE中，其中仅示意性示出并且从探测单元DET中的未示出光源发射的扫描射线束AS被在所示状态下倾斜的分度盘TS'反射，并且通过所述扫描产生的光图案偏移地入射到探测单元DET上。这样的效果是，探测单元DET检测到偏离真实位置的位置，即有偏差的位置。如果分度盘TS现在旋转，则分度盘TS的法向矢量N的尖端描述了围绕旋转点D的圆形轨道，如在图3的上部所示。

类似于上面对图1A-1D的讨论，也可以示出分度盘TS的可能的摆动运动对所得测量误差的影响。这在图4A-4D中示出。

从图中可以看出，在分度盘TS的旋转位置A和C上，摆动引起的旋转角误差

最大；相反，在仅存在光图案的径向位移的旋转位置B和D上，摆动引起的旋转角误差

消失。

由分度盘TS的摆动运动引起的旋转角误差

在反射光扫描的情况下通过下式给定：

（等式7）

其中：

：=摆动引起的旋转角误差

b：=摆动引起的旋转角误差的幅度

θ：=所述分度盘的旋转角

ΔΘ₂：=摆动引起的旋转角误差的相位。

于是总体而言，从根据关系式3）和7）的偏心引起的旋转角误差分量和摆动引起的旋转角误差分量

，

的总和中得到在所述位置确定情况下的总测量误差

，如下所示：

（等式8）

其中：

：=总测量误差

：=偏心引起的旋转角误差

：=摆动引起的旋转角误差

a：=e/R：=偏心引起的旋转角误差的幅度

b：=摆动引起的旋转角误差的幅度

θ：=所述分度盘的旋转角

ΔΘ₁：=偏心引起的旋转角误差的相位

ΔΘ₂：=摆动引起的旋转角误差的相位。

图5中示出了在分度盘的一次完整旋转期间的不同旋转角误差分量

，

以及根据关系式8）所得的总测量误差

。在此，偏心引起的旋转角误差

和摆动引起的旋转角误差

的相位和幅度被选择为，使得它们不一致，并因此使得总测量误差

的相位也与不同误差分量的相位不同。从图5可以看出，所得总测量误差

也具有360°的周期。

为了能够在对旋转光栅量具的反射光扫描中可靠地校正偏心引起的和摆动引起的旋转角误差

，

，在所设置的扫描方面需要采取特定的措施，特别是在应当使用根据开头讨论的DE 11 2005 002 253 T5的校正概念的情况下。在此，重要的是用于确定旋转角和位移的扫描的所谓中立旋转点的位置。在下文中，为了更好地理解结合两个不同的光学扫描变型来解释应当如何理解扫描的中立旋转点。

图6A至图6C在此示出了第一光学扫描的情况，针对该第一光学扫描在下面示例性地解释扫描的中立旋转点的概念。

图6A以示意的形式示出了借助于扫描单元AEH在比例尺T上对进行反射的光栅量具的光学扫描。在扫描单元AEH中有光源LQ，该光源的光通过准直透镜KL准直，然后入射到比例尺T上的光栅量具上。然后，由比例尺T反射的射线到达扫描单元AEH中的传感器S，该传感器布置在比例尺T上方的扫描距离d处。作为扫描射线分布的示例，这里考虑准直透镜KL的中心射线和在比例尺T上入射到点P、Q和R上的两个边缘射线。如图所示，被比例尺T上的点P、Q和R反射的射线分别入射到传感器S上的点P'、Q'和R'。

在比例尺T倾斜的情况下，各自扫描的所得射线分布现在取决于扫描单元AEH围绕哪个点或围绕哪个旋转轴DA旋转和/或倾斜。在图6B的情况下，旋转轴DA位于点Q并因此位于比例尺T上，围绕所述旋转轴DA产生角度R_y的倾斜。由于在所选择的扫描情况下入射角与反射角相同，因此从点Q反射到传感器S上的射线不再像在未倾斜状态下那样反射到点Q'，而是在传感器S的探测平面中偏移了绝对值Δx地反射到点Q''。与此类似，从比例尺T上的点P和R反射的射线在倾斜状态下入射到传感器S中的点P''或R''上。由倾斜引起的偏移Δx的大小原则上可以根据公式来精确说明，但是与以下考虑无关。因此，最终围绕旋转轴DA的倾斜导致传感器S探测到位置偏移，因为传感器S上的光图案由于倾斜而进一步移动了，尽管扫描单元AEH的位置保持不变地仍然位于相同的x位置上。

为了说明旋转轴DA的各自位置的含义—围绕所述旋转轴产生倾斜，在图6C中示出了旋转轴DA距比例尺T的表面距离为2d时的情况。如果现在使扫描单元AEH围绕位于那里的旋转轴DA旋转一个角度R_y，则在比例尺T上的点P、Q和R处反射的射线就像根据图6A的未倾斜状态下那样入射到传感器S上的点P'、Q'、R'。因此，在旋转轴DA的该位置情况下，尽管扫描单元AEH倾斜也未探测到位置偏移。

因此可以看出，在图6A-6C所示的扫描情况下存在系统中的旋转轴DA或如下点，扫描单元AEH可以围绕该旋转轴DA或该点倾斜而不会在此过程中引起位置变化。相应的旋转轴DA在下面称为中立旋转轴，而相应的点称为中立旋转点。在图6A-6C的所解释的示例中，所述中立旋转点位于距比例尺T的表面的双倍扫描距离2d处。

借助于图7A-7C，下面还结合光学位置测量装置中的另一扫描示例性地解释所述中立旋转点的概念。在此，现在不设置阴影投射（Schattenwurf）扫描，与先前的示例不同，比例尺T由成像镜头AL成像在传感器S上。在此在图7A至图7C所示的示例中，存在1：1的成像或图像反转，使得位于比例尺T上的点P、Q和R以相反的顺序R'、Q'、P'成像在传感器S上。为了更清楚起见，在这些附图中仅示出了中心点Q的射线分布。

在此，图7B中示出了旋转轴DA穿过比例尺T上的点Q并且扫描单元AEH围绕旋转轴DA倾斜角度R_y的情况。由于这里是成像系统，因此无论照射方向如何变化，点Q都会再次成像到传感器S中的点Q'上。

当旋转轴线DA穿过位于传感器S中的点Q'时，状况看起来有所不同；图7C中示出了围绕旋转轴DA倾斜了角度R_y。由于要成像的物体、比例尺T上的点Q在所述倾斜时远离成像透镜AL的光轴，因此该点Q在传感器S上也偏移了绝对值Δx地成像在点Q'处。

因此在根据图7A至图7C的扫描的示例中，产生了中立旋转点的不同位置；这里与图6A-6C的先前示例不同，所述中立旋转点位于比例尺T上。扫描单元AEH围绕位于那里的点的旋转或倾斜不会引起位置偏移。

来自图6A-6C和7A-7C的两个解释的示例表明，光学位置测量装置中的所述中立旋转点是对每个扫描变型来说都很重要的几何变量。特别地，这两个示例表明，所述中立旋转点在任何扫描中都不必重合。

因此，原则上可以认为：

-如果在光学位置测量装置中使得所述系统围绕所述中立旋转点倾斜，则所测量的位置保持不变。

-如果将所述系统围绕另外的点倾斜，则所测量的位置会发生变化，而不会存在实际的位置变化。在此，倾斜可以由所述扫描单元或探测单元的倾斜组成或由所述光栅量具的倾斜组成。

根据本发明，由DE 11 2005 002 253 T3已知的用于校正旋转位置测量装置中的偏心引起的误差的过程应当基于在校准运行中进行的对光栅量具的取决于旋转角的径向偏移的测量和在所述测量运行中进行的用径向偏移值对偏移了90°的位置值的校正而被扩展到校正反射光扫描中的摆动误差。为此，在所述校准运行中进行的对所述光栅量具的径向扫描必须既检测旋转分度盘的偏心偏差，又以正确的方式检测所述旋转分度盘的摆动偏差。

在这种关系下已经认识到，为了正确地检测所述摆动运动，通过R_y倾斜的方位扫描（沿x轴的测量方向）的位置位移必须与通过R_x倾斜的径向扫描（沿y轴的测量方向）的位置位移相同。这个条件源于所设置的90°偏移校正，并最终意味着所述方位扫描的中立旋转点和所述径向扫描的中立旋转点必须位于距所述分度盘或光栅量具的相同距离处。换句话说：所述光栅量具的用于确定旋转角和位移的扫描的中立旋转点必须位于同一平面内，其中所述平面平行于所述光栅量具。

这些关系可以描述如下：

首先，以下关系式2）的扩展适用于方位反射光扫描的所测量的旋转角值：

（等式9）

其中：

θ：=所述分度盘的旋转角

(Θ)：=所述方位扫描的旋转角值

(Θ)：=偏心引起的旋转角误差

(Θ)：=摆动引起的旋转角误差。

因此在反射光栅量具的反射光扫描的情况下，向偏心引起的旋转角误差

(Θ)添加由摆动引起的旋转角误差

(Θ)造成的误差贡献，该误差贡献可以描述如下：

（等式10）

其中：

θ：=所述分度盘的旋转角

(Θ)：=摆动引起的旋转角误差

R：=扫描半径

Δz_a：=所述方位扫描的中立旋转点到所述分度盘的距离

R_y(Θ)：=所述分度盘在扫描位置处围绕y轴的倾斜。

然后从关系式9）和10）中得到：

（等式11）

其中：

θ：=所述分度盘的旋转角

(Θ)：=所述方位扫描的旋转角值

(Θ)：=偏心引起的旋转角误差

R：=扫描半径

Δz_a：=所述方位扫描的中立旋转点到所述分度盘的距离

R_y(Θ)：=所述分度盘在扫描位置处围绕y轴的倾斜。

在此将坐标系选择为，使得所述分度盘的中心位于坐标原点，并且方位扫描位置位于坐标x=0，y=R的位置。

类似于关系式9），下式适用于径向反射光扫描的测量值Δr_mess(Θ)：

（等式12）

其中：

θ：=所述分度盘的旋转角

Δr_mess(Θ)：=径向反射光扫描的测量值

Δr_exz(Θ)：=偏心引起的径向测量值。

对于变量Δr_tilt(Θ)，即对于摆动引起的径向测量值，在此适用下式：

（等式13）

其中：

θ：=所述分度盘的旋转角

Δr_tilt(Θ)：=摆动引起的径向测量值

：=所述径向扫描的中立旋转点到所述分度盘的距离

R_x(Θ)：=所述分度盘在扫描位置处围绕x轴的倾斜。

应当注意，根据关系式12）的径向反射光扫描的测量值Δr_mess(Θ)既包括所述分度盘的实际偏心引起的径向偏转Δr_exz(Θ)又包括摆动引起的光图案的径向位移，该径向位移在这里称为Δr_tilt(Θ)并且在下文中称为摆动引起的径向测量值。

然后从关系式12）和13）中得出：

（等式14）

其中：

θ：=所述分度盘的旋转角

Δr_mess(Θ)：=径向反射光扫描的测量值

Δr_exz(Θ)：=偏心引起的径向测量值

：=所述径向扫描的中立旋转点到所述分度盘的距离

R_x(Θ)：=所述分度盘在扫描位置处围绕x轴的倾斜。

通过以下关系式描述所述分度盘的摆动运动：

（等式15）

其中：

θ：=所述分度盘的旋转角

R_x(Θ)：=所述分度盘在扫描位置处围绕x轴的倾斜

R_y(Θ)：=所述分度盘在扫描位置处围绕y轴的倾斜。

如果将关系式14）除以R并将关系式5）和关系式15）代入关系式14）中，则得到：

（等式16）

根据上述方法的偏心校正和摆动校正原则上以在所述方位扫描（关系式11）中和在所述径向扫描（关系式16）中摆动贡献相同为前提，即：

（等式17），

其中：

Δz_a：=所述方位扫描的中立旋转点到所述分度盘的距离

：=所述径向扫描的中立旋转点到所述分度盘的距离。

然后，类似于关系式6），根据以下关系式可以进行偏心偏差和摆动偏差的完整角度校正：

（等式18）

其中：

θ：=所述分度盘的旋转角

(Θ)：=取决于旋转角的校正值

R：=扫描半径

Δr_mess(Θ)：=径向反射光扫描的测量值。

在实践中，角度θ可以近似地再次用测量的（有错误的）角度值

(Θ)代替。由此对于输出的经过校正的角位置

，得到：

（等式19）

其中：

：=输出的经过校正的角位置

(Θ)：=所述方位扫描的旋转角值

(Θ)：=取决于旋转角的校正值。

如果在两个扫描的中立旋转点与所述分度盘或光栅量具的相同距离方面未遵守上述关系式17），则通过所描述的校正虽然补偿了偏心引起的旋转角误差

(Θ)，但不会补偿摆动引起的旋转角误差

(Θ)；参见图5。当期望成本有利地制造具有相应大公差的轴和/或分度盘毂（Teilscheiben-Nabe）并且由此出现大的摆动运动时，剩余的残留误差特别大。

总而言之，根据本发明的用于检测两个可相对彼此旋转运动的物体之间的旋转角的光学位置测量装置的特征可以在于：

从而相应的位置测量装置具有带有光栅量具的旋转的分度盘，所述光栅量具被构造为反射光栅。从对所述光栅量具的扫描中，可以既获得关于所述光栅量具围绕所述旋转轴的方位旋转运动的位置信息又获得关于所述光栅量具的径向位移的位置信息。至少一个探测单元用于扫描旋转的光栅量具，以确定所述光栅量具的方位旋转角以及径向位移。在此，在将所述分度盘以及所述探测单元安装在各自的应用中之后，在校准运行中借助于合适的按照软件和/或硬件构造的信号处理单元根据旋转角确定所述分度盘在一次旋转期间的径向位移。然后将在此过程中获得的针对所述分度盘的径向位移的测量值以表格形式存储在所述信号处理单元的存储器中；在此，相应的校正曲线也可以例如以采样点的形式存储。在测量运行中，经由所述信号处理单元例如根据关于偏心引起的误差和摆动引起的误差的关系式19）利用来自所述存储器的偏移了90°的校正值来校正所述方位扫描的所测量的旋转角值，并输出经过校正的角位置

。在此还可以通过存放在所述存储器中的采样点之间的线性插值来进行所述校正。代替通过采样点进行校正，也可以替代地通过正弦形或余弦形校正函数来进行校正，其中所述校正函数的幅度和相位必须根据测量值Δr_mess和相应的拟合来加以确定。对于该过程以及特别是对于在反射光扫描时期望的摆动补偿，需要使所述光栅量具的用于确定旋转角和位移的扫描的中立旋转点位于同一平面内并且平行于所述光栅量具。如果不能保证这一点，则输出的角位置

将被校正得太少或太多。

在图8A和8B中针对根据本发明的光学位置测量装置的实施例高度示意性地示出了在校准运行（图8A）和测量运行（图8B）中的过程。

根据图8A，在校准运行中——在所述校准运行期间所述分度盘或光栅量具完整地旋转一次，在方法步骤S10a，S10b中通过相应的扫描产生关于所述分度盘的径向位移和关于所述分度盘的旋转角的信号；相应的信号在下面称为S_r（径向位移）和

（方位旋转角）。然后，在方法步骤S11a，S11b中，在适当构造的信号处理单元中对产生的信号S_r，

进行插值并转换为相应的位置信号Δr_mess，

，其中Δr_mess表示所述径向测量的位置值，而

表示所述方位测量的位置值。然后在随后的方法步骤S12中，在所述信号处理单元的存储器中填充校正表格，为此为每个角度θ计算校正值

(θ)，该校正值用于校正偏心引起的和摆动引起的旋转角误差。当然，在此也可以仅记录在所述分度盘的圆周上的特定采样点处的校正值

(θ)。

在方法步骤S12中，还可以根据在特定采样点处记录的位置信号Δr_mess，

通过拟合获得（例如正弦形）校正函数的参数，如幅度和相位。

在图8B中高度示意性地示出了根据本发明的位置测量装置的测量运行。从中可以看出，在所述测量运行中不再检测所述分度盘的径向位移，根据方法步骤S20仅产生关于所述分度盘的方位旋转角的信号

。在方法步骤S21中，经由所述信号处理单元对信号

进行插值并且转换为位置信号

。然后在方法步骤S22中，经由所述信号处理单元借助于校正值

(θ)根据从校准运行或校正函数的方法步骤S12说明的关系式确定各自旋转角Θ的校正值

，并且在方法步骤S23中与测量值

一起根据说明的关系式计算为输出的经过校正的角位置

。由于当然仅在有限数量的采样点处填充所述校正表格，因此为了在方法步骤S22中确定所述校正值一般需要以通常的方式进行插值。

最后，基于强烈简化的图9A、9B和10A、10B详细描述相应的光学位置测量装置的两个实施例。在此，这两个实施例一方面在分别使用的光栅量具方面不同，另一方面在用于检测所述光栅量具或分度盘的方位旋转角和径向位移的扫描方面不同。

根据图9A、9B的第一实施例使用具有光栅量具的分度盘10，该分度盘例如已经从DE 11 2005 002 253 T5已知。根据图A中的分度盘的平面图，被构造为反射光栅的光栅量具11包括内侧径向刻度11.1以及与内侧径向刻度相邻布置的外侧圆环刻度11.2；在这里，这两种刻度11.1、11.2布置在分度盘10上的两个分离的圆环形轨迹（Spur）中。径向刻度11.1由径向定向的光栅区域组成，这些光栅区域对于入射到其上的光具有不同的反射特性，而圆环刻度11.2由圆环形光栅区域组成。在此，不同刻度11.1、11.2中的图中显示为浅色的光栅区域被构造为高反射性的，而深色的光栅区域被构造为低反射性的。图9A中的附图标记13表示第一探测单元在径向刻度11.1上的扫描位置；所述第一探测单元在校准和测量运行中用于扫描径向刻度11.1并且用于测量分度盘10的方位旋转角θ。图9A中的附图标记14表示第二探测单元在圆环刻度11.2上的扫描位置；所述第二探测单元用于扫描圆环刻度11.2，并且由此用于在校准运行中测量分度盘10的径向偏转。

在图9B中以示意性侧视图示出了根据本发明的位置测量装置的第一实施例。从中可以看出，分度盘10和以径向刻度和圆环刻度11.1、11.2的形式布置在分度盘10上的光栅量具11围绕旋转点D倾斜，这导致分度盘10在围绕所述旋转轴旋转时发生摆动运动。在理想布置的情况下，未倾斜的分度盘10'在图9B中以虚线表示。在图9B中同样可以识别出分配给扫描单元20的第一探测单元22，所述第一探测单元用于扫描径向刻度11.1；附图标记23表示用于扫描圆环刻度11.2的第二探测单元。这两个探测单元22、23分别包括光电探测器，例如被构造为结构化的光电探测器。在本实施例中，两个探测单元22、23共享光源21，该光源21在扫描单元20中布置在电路板26上的中心并且向分度盘10的方向发散地发射射线束，在此该射线束然后被光栅量具11的两种轨迹反射到两个探测单元22、23上。

此外，在图9B中示意性地示出了分配给所述位置测量装置的信号处理单元30，所述信号处理单元主要承担对经由探测单元22、23检测到的关于径向分度盘位移和关于方位旋转角的信号S_r，

的进一步处理。经由两个插值单元31、32，可以在信号处理单元30中确定在校准和测量运行中径向偏转的测量值Δr_mess以及关于分度盘10的旋转角的测量值

，并且根据上述过程，经由单元33进一步处理为输出的角位置

，所述角位置已关于偏心和摆动进行了校正。

在该实施例中，根据本发明用于经由第一探测单元22检测方位旋转角的扫描的中立旋转点与用于经由第二探测单元23检测分度盘10的径向偏转的扫描的中立旋转点位于同一平面中。具体地说，两个中立旋转点位于两个探测单元22、23的探测平面25中并因此平行于光栅量具11。

还应该在该实施例的关联下提及，所述径向扫描由于在径向测量方向上倾斜的照射方向而不会经历通过与分度盘10的摆动相关联的距离变化导致的附加的测量误差。这通过布置在探测平面25中的发散光源21来确保。

最后基于图10A和10B解释根据本发明的光学位置测量装置的另一实施例，图10A和10B类似于先前的示例再次示出了分度盘110的俯视图以及根据本发明的位置测量装置结合该位置测量装置的其他组件的侧视图。下面仅解释与第一实施例的重要差异，否则参考第一实施例的描述以及图9A和9B。

关于在该实施例中使用的光栅量具111以及相关的扫描或探测单元，在此参考德国专利申请102018200449.8的公开内容。

根据图10A，在第二实施例中设置了被构造为不同于先前解释的变型的光栅量具111，其布置在分度盘110上的圆环形轨迹中。图10A中的附图标记14表示该实施例的唯一设置的扫描位置。再次被构造为反射光栅的光栅量具111在此由圆环形的并且以第一量具周期MV_P1周期性布置的条形元件111.1、111.2、111.3...组成，这些条形元件的纵向延伸方向是径向定向的。条形元件111.1、111.2、111.3...为了进行绝对位置编码还沿其纵向延伸方向具有带有结构元件112的周期性结构，所述结构元件具有第二量具周期MV_P2。为了对条形元件111.1、111.2、111.3、...进行绝对位置编码，可以例如使用结构元件112的相位，以便能够通过这种方式向每个条形元件111.1、111.2、111.3...分配特定的代码值。从而经由圆周方向可以构造明确地表征360°内的角位置的代码序列。

与先前的实施例不同，光栅量具111的在图10A中以深色示出的光栅区域被构造为高反射性的，而浅色的光栅区域被构造为低反射性的。

类似于先前的实施例，在图10B中以示意性侧视图示出了根据本发明的位置测量装置的第二实施例。从图中可以看出，现在在用于扫描布置在轨迹中的光栅量具111的扫描单元120中仅设置一个探测单元。在此，所述探测单元仅包括一个发散光源121，例如LED，以及单个探测器装置122，所述探测器装置沿着至少一个方向周期性地构造。光源121在扫描单元120中与探测器装置122相邻地布置在印刷电路板126上。

在当前情况下，设置了成像比例尺β=2的中央投影扫描以用于对光栅量具111进行光学扫描。在此，从光源121发射的光被光栅量具111反射回探测器装置122的探测平面中。当从光源121到光栅量具111的距离与从光栅量具111的平面到所述探测平面的距离恰好相同时，给出成像比例尺β＝2。在这种情况下，光栅量具111上的结构被恰好加倍地投影到探测器装置122上。在这方面，补充地参考前面提到的德国专利申请102018200449.8的图6和图7的描述。

当然，在修改的变型中也可以选择不同的成像比例尺β≠2，也就是当所述光源的发射平面没有恰好在所述探测平面中时。

如在第一实施例中那样，布置在所述探测平面中的发散光源保证了通过所述分度盘的摆动运动引起的距离变化不会导致任何附加的测量误差。

在一个优选的实施方式中，探测器装置122被构造为具有多个探测器元件的二维探测器装置，该二维探测器装置具有多个探测器列，每个探测器列具有多个探测器元件。在此，这些探测器列沿着圆环形的布置方向以第一探测周期周期性地布置，而这些探测器元件在所述探测器列中以第二探测周期周期性地布置。为此也明确地补充参考以上德国专利申请102018200449.8。

在该实施例中，所设置的扫描使得能够从所述分度盘上的光栅量具111的单个轨迹中检测到分度盘110的方位旋转角并检测到分度盘110的径向偏转。在这方面，同样明确地参考德国专利申请102018200449.8的解释中对图8a和8b的描述，在该文献中描述了借助于这种扫描来获得关于分度盘和扫描单元的切向或径向偏移的信息。

由此，与分度盘110的旋转角检测和位移检测关联的中立旋转点重合；具体而言，中立旋转点在这里位于探测器装置122的探测平面125中。

在其他方面，用于根据检测到的关于径向分度盘位移和关于方位旋转角的信号S_r，

来校正偏心引起的和摆动引起的旋转角误差的过程如上述示例中那样进行。

除了具体描述的实施例之外，在本发明的范围内当然还存在其他构型选择。

从而也可以不仅在校准运行期间记录校正值，而且还在测量运行期间不断更新校正值。为此，还必须在测量运行期间确定径向测量值并相应地适配所述校正值。可以直接以完整的大小进行该适配，或者可以通过用过去的校正值求平均值来衰减地进行该适配。

还可以不在同一方位位置上进行径向扫描和方位扫描。在这样的情况下，通过关系式19）描述的校正不是偏移90°，而是偏移相应的其他值，等等。

Claims

1.一种用于检测两个可相对彼此旋转运动的物体之间的旋转角的光学位置测量装置，具有：

围绕旋转轴旋转的光栅量具（11；111），所述光栅量具（11；111）被构造为反射光栅，并且从对所述光栅量具的扫描中能够既产生关于所述光栅量具（11；111）围绕所述旋转轴的方位旋转运动的位置信息又产生关于所述光栅量具（11；111）的径向位移的位置信息，

至少一个探测单元，用于扫描旋转的光栅量具（11；111），以确定所述光栅量具（11；111）的方位旋转角（

(Θ)）和所述光栅量具（11；111）的径向位移（Δr_mess(Θ)），

其中所述光栅量具（11；111）的用于确定旋转角和位移的扫描的中立旋转点位于同一平面中，其中所述平面平行于所述光栅量具（11；111），并且所述中立旋转点表示以下位置，所述光栅量具（11；111）或所述探测单元能够围绕该位置倾斜而没有位置偏移。

2.根据权利要求1所述的光学位置测量装置，其中，所述光栅量具（11）包括径向刻度（11.1）和与所述径向刻度相邻布置的圆环刻度（11.2）。

3.根据权利要求2所述的光学位置测量装置，具有用于扫描所述径向刻度（11.1）的第一探测单元（22）和用于扫描所述圆环刻度（11.2）的第二探测单元（23）。

4.根据权利要求1所述的光学位置测量装置，其中，所述光栅量具（111）由圆环形的并且以第一量具周期（MV_P1）周期性布置的条形元件（111.1、111.2、111.3...）组成，所述条形元件的纵向延伸方向是径向定向的，并且其中所述条形元件（111.1、111.2、111.3...）为了绝对位置编码而沿其纵向延伸方向具有周期性结构，所述周期性结构具有第二量具周期（MV_P2）。

5.根据权利要求4所述的光学位置测量装置，其中，所述探测单元包括单个光源（121）以及单个探测器装置（122）。

6.根据权利要求5所述的光学位置测量装置，其中，所述探测器装置（122）被构造为具有多个探测器元件的二维探测器装置并且具有多个探测器列，每个探测器列具有多个探测器元件，其中所述探测器列沿着圆环形的布置方向以第一探测周期周期性地布置，并且所述探测器元件在所述探测器列中以第二探测周期周期性地布置。

7.根据前述权利要求中至少一项所述的光学位置测量设备，其中，对所述光栅量具（111）的光学扫描被构造为具有成像比例尺β＝2的中央投影扫描，并且包括发散光源（121）以及沿着至少一个方向周期性构造的探测器装置（122）。

8. 根据前述权利要求中至少一项所述的光学位置测量装置，具有信号处理单元（30；130），所述信号处理单元（30；130）被设计和构造为，

将在所述光栅量具（11；111）的至少一次完整旋转期间的校准运行中获得的针对所述光栅量具的径向位移（Δr_mess(Θ)）的取决于旋转角的测量值进行进一步处理，并且作为取决于旋转角的校正值（

）存放在所述信号处理单元（30；130）的存储器中，并且

在测量运行中，所述信号处理单元（30；130）使用存放在所述存储器中的取决于旋转角的校正值（

）来关于当前偏心误差和摆动误差校正所测量的方位旋转角（

(Θ)）。

9.根据权利要求8所述的光学位置测量装置，其中，所述信号处理单元（30；130）被设计和构造为，由所述信号处理单元（30；130）将在所述校准运行中获得的针对所述光栅量具（11；111）的径向位移（Δr_mess(Θ)）的取决于旋转角的测量值在所述测量运行中用于关于当前偏心误差和摆动误差校正偏移了90°的旋转角。

10.根据权利要求8所述的光学位置测量装置，其中，所述信号处理单元（30；130）关于当前偏心误差和摆动误差来校正所述旋转角：

其中：

：=输出的经过校正的角位置

(Θ)：=所述方位扫描的旋转角值

(Θ)：=取决于旋转角的校正值。