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Die
Erfindung betrifft eine Codestruktur nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 sowie eine Positionsmesseinrichtung mit einer Codestruktur gemäß Patentanspruch
38.
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Eine
Codestruktur der genannten Art ist vorgesehen zur Verwendung in
Positionsmesseinrichtungen in Form so genannter Zwei-Koordinaten-Messgeräte. Hiermit
lässt sich
die Bewegung zweier Objekte zueinander entlang zweier Koordinaten
messen, indem einem der beiden Objekte die Codestruktur und dem
anderen der beiden Objekte eine Abtasteinrichtung zum Abtasten der
Codestruktur zugeordnet wird. Bei einer Bewegung der beiden Objekte
zueinander – entlang
einer von der (dem einen Objekt zugeordneten) Codestruktur aufgespannten
Fläche – ändert sich
die Position der dem anderen Objekt zugeordneten Abtasteinrichtung
bezüglich jener
Codestruktur, wobei eine jeweilige Positionsänderung (Änderung der Lage der beiden
Objekte zueinander) durch Abtasten der Codestruktur mittels der
Abtasteinrichtung erfasst wird. Hierbei können unterschiedliche physikalische
Prinzipien zur Anwendung kommen, insbesondere eine optische, magnetische
oder induktive Abtastung der Codestruktur mittels der zugehörigen Abtasteinrichtung.
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Die
Codestruktur kann sich einerseits in einer Ebene erstrecken, so
dass die von der Codestruktur aufgespannte Fläche in einer Ebene liegt und die
Codestruktur einen so genannten Zwei-Koordinaten-Maßstab bildet.
Andererseits kann die Codestruktur durch ein Phasengitter gebildet
werden, das in mehreren Ebenen verläuft. Schließlich kann die Codestruktur
auch auf einer zylindrischen Fläche, zum
Beispiel dem Außenumfang
einer Trommel, angeordnet sein, so dass die beiden Richtungen, welche
die Codestruktur aufspannen, einerseits die Umfangsrichtung der
zylindrischen Oberfläche
und andererseits die axiale Richtung sind. Die beiden Koordinaten
eines solchen Zwei-Koordinaten-Messgerätes dann
durch eine Winkelkoordinate sowie die axiale Koordinate gebildet.
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Bei
einer Positionsmesseinrichtung der eingangs beschriebenen Art lässt sich
jede Bewegung der Abtasteinrichtung bzw. des die Abtasteinrichtung tragenden
Objektes bezüglich
der Codestruktur sowie bezüglich
des die Codestruktur tragenden Objektes als eine durch zwei Richtungen
definierte Bewegung darstellen, wobei die beiden Richtungen nicht zwingend
lineare Achsen bilden müssen,
wie im Fall eines so genannten Zwei-Koordinaten-Maßstabes, sondern
beispielsweise auch eine der Richtungen als Umfangsrichtung gekrümmt verlaufen
kann, beispielsweise entlang des Umfanges einer zylindrischen Oberfläche.
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Unabhängig von
dem verwendeten physikalischen Prinzip zur Abtastung der Codestruktur
mittels einer Abtasteinrichtung werden die Positionsmesseinrichtungen
nach dem Typ des verwendeten Messverfahrens in inkrementelle und
absolute Positionsmesssysteme unterschieden.
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Bei
inkrementellen Messverfahren weist die Codestruktur ein periodisches
Muster auf, das bei einer Änderung
der Position der Abtasteinrichtung bezüglich der Codestruktur abgetastet
wird, wobei von der Abtasteinrichtung ein periodisches Ausgangssignal
erzeugt wird, aus dem sich der Umfang der Relativbewegung der Abtasteinrichtung
bezüglich
der Codestruktur ermitteln lässt.
Mit einem rein inkrementellen Messverfahren lassen sich also nur
relative Änderungen
der Position der Abtasteinrichtung (und somit des die Abtasteinrichtung
tragenden Objektes) bezüglich
der Codestruktur (und somit bezüglich
des die Codestruktur tragenden Objektes) ermitteln. Allerdings sind
bei einem inkrementellem Positionsmesssystem in der Regel eine oder
mehrere Referenzmarken vorgesehen, auf die die Positionsänderungen
bezogen werden können,
so dass aus der Positionsänderung
bezüglich
einer durch die Referenzmarken definierten Referenzposition die
tatsächliche
Lage der Abtasteinrichtung bezogen auf die Codestruktur ermittelt
werden kann, und somit auch die Lage der zugeordneten Objekte zueinander.
Bei diesen kann es sich beispielsweise um zwei Maschinenteile, etwa
ein Bett und einen Schlitten einer Werkzeugmaschine handeln.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft demgegenüber eine Codestruktur für Positionsmesseinrichtungen,
die nach einem so genannten absoluten Messverfahren arbeiten. Hierbei
weist die Codestruktur eine absolute Codierung auf, so dass die
jeweilige Position der Abtasteinrichtung bezüglich der Codestruktur unmittelbar
aus dem in der aktuellen Position der Abtasteinrichtung erfassten
Teil der Codestruktur bestimmt werden kann.
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Eine
nach dem absoluten Messverfahren arbeitende Positionsmesseinrichtung,
die eine zweidimensionale Codestruktur mit einer absoluten Codierung
umfasst, ist in der
US
2004/02 18 181 A1 beschrieben. Bei der bekannten Codestruktur
weist jeder von der zugeordneten Abtasteinrichtung abtastbare zweidimensionale
Ausschnitt der Codestruktur eine eindeutige Codierung auf, aus der
sich die Lage der Abtasteinrichtung bezüglich der Codestruktur sowohl
entlang einer ersten Richtung (x-Achse) als auch entlang einer hierzu
senkrechten zweiten Richtung (y-Achse) bestimmen lässt.
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Die
Codierung eines solchen nach einem absoluten Messverfahren arbeitenden,
zweidimensionalen Positionsmesssystems ist aufwendig, da gewährleistet
sein muss, dass für
jede mögliche
Position der Abtasteinrichtung bezüglich der Codestruktur eine
zuverlässige
Decodierung in der Weise möglich ist,
dass aus dem von der Abtasteinrichtung in ihrer aktuellen Position
erfassten Bereich der Codestruktur eindeutig auf die Position der
Abtasteinrichtung bezüglich
der Codestruktur geschlossen werden kann.
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In
der
US 6,867,412 B2 ist
eine Positionsmesseinrichtung zur absoluten Bestimmung der Position
eines ersten Elementes bezüglich
eines zweiten Elementes entlang einer Messachse beschrieben.
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Aus
der
US 6,781,694 B2 ist
eine absolute 2D-Positionsmesseinrichtung bekannt, um die Relativposition
zweier zueinander bewegbarer Elemente entlang zweier Achsen zu bestimmen.
Eine absolute Maßverkörperung
der Positionsmesseinrichtung umfasst eine zweidimensionale Struktur,
die eine Mehrzahl periodischer Abschnitte verschachtelt mit einer Mehrzahl
nicht-periodischer Abschnitte aufweist.
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In
der
US 2002/01
79 826 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines zweidimensionalen
Positionsmesssystems beschrieben, bei dem Strahlungspulse einer
Strahlungsquelle in der Zeit gebündelt werden
und das resultierende Streifenmuster mittels eines Detektors in
elektronische Signale umgesetzt wird, um die Position einer mit
der Strahlungsquelle bestrahlten Kreuzstruktur zu bestimmen.
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Aus
der
US 2002/00
79 466 A1 ist ein Verfahren zum Kalibrieren einer Positionsmesseinrichtung bekannt,
wofür Signale
mehrerer Detektoren verwendet werden, von denen zumindest zwei für jede Position
eine Grenze zwischen einer dunklen Region und einer beleuchteten
Region betrachten.
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Die
US 6,153,836 A betrifft
ein System zum Erfassen von Wegkoordinaten eines Stiftes, der sich entlang
einer Oberfläche
beliebiger Größe und Gestalt
bewegt. An der Oberfläche
befinden sich ein erster Empfänger
zum Empfangen eines ersten Lichtstrahles des Stiftes sowie ein zweiter
Empfänger
zum Empfangen eines zweiten Lichtstrahles des Stiftes, um hieraus
die Position des Stiftes in einem zweidimensionalen Koordinatensystem
zu bestimmen.
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Aus
der
EP 0 042 179 B1 ist
ein Codierer mit einer ein Gittermuster aufweisenden Codierplatte und
einer zugeordneten Sensorzeile bekannt, bei dem die Codierplatte
mindestens zwei Gruppen von Gittermustern enthält, von denen die eine Gruppe aus
ersten geneigten Gittermustern besteht, deren räumliche Orientierung bezüglich der
Orientierung der Sensorelemente der Sensorzeile geneigt ist, und die
andere Gruppe aus senkrechten Gittermustern oder zweiten geneigten
Gittermustern besteht.
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Die
EP 1 099 936 A1 beschreibt
ein absolutes zweidimensionales Positionsmesssystem mit einem schachbrettartigen
Codemuster, dessen Blöcke Informationen über eine
absolute Position enthalten, wobei das Muster andererseits für inkrementale
Positionsbestimmungen herangezogen werden kann.
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Der
Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, eine Codestruktur der
eingangs genannten Art zu schaffen, die in einfacher Weise absolut
codiert und damit auch decodierbar ist.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch
die Schaffung einer Codestruktur mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Danach
wird die Codestruktur durch eine Mehrzahl entlang der ersten Richtung
parallel zueinander erstreckter Codespuren gebildet, die jeweils eine
absolute Codierung für
eine Positionsmessung entlang der ersten Richtung aufweisen und
die derart entlang der zweiten Richtung hintereinander angeordnet
sind, dass die durch Abtastung eines Ausschnittes der Codestruktur
gewonnene Kombination von Positionsmesswerten der erfassten Codespuren für die erste
Richtung eine eindeutige Bestimmung der absoluten Position der Abtasteinrichtung
bezüglich
der Codestruktur sowohl entlang der ersten Richtung als auch entlang
der zweiten Richtung erlaubt.
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Die
erfindungsgemäße Codestruktur
besteht also aus einer Vielzahl in spezifischer Weise nebeneinander
angeordneter Codespuren, die sich jeweils entlang einer ersten Richtung
erstrecken und entlang dieser Richtung absolut codiert sind. Solche
Codespuren sind beispielsweise aus einem Artikel von Stefan Götze in tm – technisches
Messen 61 (1994), Seiten 343 bis 345, bekannt und werden weiter
unten noch näher
beschrieben werden.
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Die
erfindungsgemäße Lösung beruht
auf der Erkenntnis, dass für
eine eindeutige Bestimmung der Absolutposition einer Abtasteinrichtung
bezüglich einer
durch zwei Richtungen aufgespannten Codestruktur dadurch ermöglicht wird,
dass die einzelnen, entlang der ersten Richtung verlaufenden Codespuren
jeweils für
sich betrachtet als absolute, serielle Codespuren ausgebildet sind.
Bei Abtastung der Codestruktur mit der zugeordneten Abtasteinrichtung werden
Teile von mehreren dieser parallel zueinander angeordneten Codespuren,
das heißt
von mindestens zwei dieser Codespuren, erfasst. Dies ermöglicht zum
einen eine Positionsbestimmung entlang der ersten Richtung, da ja
die einzelnen Codespuren jeweils eine absolute Codierung für eine Positionsmessung
entlang jener ersten Richtung aufweisen. Zum anderen kann daraus,
welche der (entlang der zweiten Richtung hintereinander angeordneten)
Codespuren von der Abtasteinrichtung aktuell erfasst werden, zugleich
ermittelt werden, welche Position die Abtasteinrichtung bezüglich der
Codestruktur entlang der zweiten Raumrichtung einnimmt.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung stimmt jede der einzelnen Codespuren jeweils mit mindestens
einer der anderen Codespuren dadurch teilweise überein, dass die Codierung der
beiden jeweils betrachteten Codespuren eine identische Teilsequenz
aufweist, wobei die Länge
der Teilsequenz entlang der ersten Richtung bevorzugt mindestens
der Ausdehnung des von der Abtasteinrichtung entlang dieser Richtung
abzutastenden Ausschnittes der Codestruktur entspricht. Hierbei
kann insbesondere vorgesehen sein, dass die identischen Teilsequenzen
der betrachteten unterschiedlichen Codespuren entlang der ersten
Richtung zueinander verschoben sind.
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Wenn
hierbei weiterhin jede der einzelnen Codespuren mit jeder der anderen
Codespuren dadurch teilweise übereinstimmt,
dass die Codierung der jeweils paarweise betrachteten Codespuren
eine identische Teilsequenz aufweist und zumindest eine Teilsequenz
einer jeweiligen Codespur aus einer identischen Teilsequenz ihrer – entlang
der zweiten Richtung betrachtet – vorhergehenden, benachbarten
Codespur durch eine Verschiebung der Teilsequenz der benachbarten
Codespur um einen vorgegebenen Betrag erzeugt ist sowie das Ausmaß der besagten
Verschiebung für
jedes Paar benachbarter Codespuren jeweils unterschiedlich von allen
anderen Paaren benachbarter Codespuren ist, dann lässt sich
aus der Verschiebung der Teilsequenzen der betrachteten Codespuren
zueinander eine Positionsbestimmung entlang der zweiten Raumrichtung
vornehmen, wobei die absolute Codierung der einzelnen Codespuren
entlang der ersten Raumrichtung zudem die erforderliche Positionsbestimmung
entlang der ersten Raumrichtung ermöglicht.
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Zur
Bildung der einzelnen Codespuren kann vorgesehen sein, dass diese
jeweils als ein Abschnitt einer erzeugenden Spur darstellbar sind,
die eine entlang der ersten Richtung erstreckte serielle, absolute
Codierung aufweist, die besonders bevorzugt aus zwei identischen,
jeweils entlang der ersten Richtung erstreckten und entlang der
ersten Richtung hintereinander angeordneten seriellen absoluten
Codierungen besteht.
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Um
bei der Bildung der einzelnen Codespuren durch die Auswahl von Abschnitten
einer erzeugenden Spur einen Überlapp
der einzelnen Codespuren durch das Vorhandensein zumindest identischer
Teilsequenzen zu gewährleisten,
sind die Längen
der beiden identischen, entlang der ersten Richtung erstreckten
und entlang der ersten Richtung hintereinander angeordneten seriellen
absoluten Codierungen der erzeugenden Spur bevorzugt jeweils kleiner
der doppelten Länge
der einzelnen Codespuren und besonders bevorzugt jeweils gleich
der Länge der
einzelnen Codespuren.
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Die
zur Bildung der einzelnen Codespuren dienenden Abschnitte der erzeugenden
Spur sind so ausgewählt,
dass die durch Abtastung eines Ausschnittes der Codestruktur gewonnene
Kombination von Positionsmesswerten für die erste Richtung die absolute
Position der Abtasteinrichtung bezüglich der Codestruktur sowohl
entlang der ersten Richtung als auch entlang der zweiten Richtung
eindeutig bestimmt. Dies lässt
sich dadurch erreichen, dass die zur Bildung der einzelnen Codespuren
ausgewählten Abschnitte
der erzeugenden Spur jeweils einen unterschiedlichen Abstand von
einer Referenzstelle der erzeugenden Spur, wie zum Beispiel einem
seitlichen Ende der erzeugenden Spur, aufweisen. So kann der zur
Bildung einer jeweiligen Codespur ausgewählte Abschnitt der erzeugenden
Spur unter Bezugnahme auf den zur Bildung ihrer jeweiligen (entlang
der zweiten Richtung betrachtet) vorhergehenden, benachbarten Codespur
ausgewählten
Abschnitt der erzeugenden Spur durch eine Verschiebung des Abstandes
des ausgewählten
Abschnittes von der Referenzstelle um einen vorgegebenen Betrag
definiert sein, wobei vorteilhaft das Ausmaß der besagten Verschiebung
für jedes
Paar benachbarter Codespuren jeweils unterschiedlich von allen anderen
Paaren benachbarter Codespuren ist. Das heißt, weist der Abschnitt der
erzeugenden Spur, durch den eine bestimmte Codespur gebildet ist,
einen definierten Abstand d von der Referenzstelle der erzeugenden Spur
auf, so unterscheidet sich der Abschnitt der entlang der zweiten
Richtung nachfolgenden, benachbarten Codespur hiervon dadurch, dass
der diese benachbarte Codespur bildende Abschnitt der erzeugenden
Spur einen anderen Abstand d+/–z
von der Referenzstelle der erzeugenden Spur aufweist, wobei z das
Ausmaß bzw.
den Betrag der Verschiebung V der beiden ausgewählten Abschnitte der erzeugenden
Spur charakterisiert.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ist eine jeweilige Codespur aus Ihrer jeweiligen – entlang
der zweiten Richtung betrachtet – vorhergehenden, benachbarten Codespur
durch eine Verschiebung der Codierung der benachbarten Codespur
um einen vorgegebenen Betrag erzeugt, wobei das Ausmaß der Verschiebung
für jedes
Paar benachbarter Codespuren jeweils unterschiedlich von allen anderen
Paaren benachbarter Codespuren ist.
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Durch
die absolute Codierung der einzelnen Codespuren entlang der ersten
Richtung (entsprechend z. B. einer ersten Koordinatenachse der Codestruktur)
ist gewährleistet,
dass die Position einer die Codestruktur abtastenden Abtasteinrichtung
bezüglich
jener Codestruktur entlang der ersten Richtung ohne weiteres ermittelbar
ist, soweit die Codestruktur auch Informationen darüber enthält, welche
Position die Abtasteinrichtung bezüglich der Codestruktur entlang
der zweiten (zur ersten Raumrichtung senkrechten) Richtung einnimmt.
Dies ist erfindungsgemäß dadurch
gewährleistet,
dass alle entlang der ersten Richtung erstreckten, absolut codierten
Codespuren jeweils auf der gleichen zugrunde liegenden Codierung
(Code-Muster) beruhen und sich lediglich dadurch unterscheiden,
dass jede Codespur dadurch aus der – entlang der zweiten Richtung
betrachtet – vorhergehenden,
benachbarten Codespur erzeugt ist, dass die Codierung dieser vorhergehenden,
benachbarten Codespur um einen bestimmten Betrag (Weg) entlang der
ersten Richtung verschoben worden ist. Dabei ist mit der relativen
Verschiebung zweier benachbarter, entlang der ersten Richtung erstreckter
Codespuren deshalb eine absolute Information hinsichtlich der Position
entlang der zweiten Richtung verbunden, weil jedes Paar benachbarter Codespuren
durch eine Verschiebung ihrer zugrunde liegenden Codierung charakterisiert
ist, die sich von der Verschiebung der Codierungen aller anderen
benachbarten Codespuren zueinander unterscheiden.
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Indem
zur Abtastung der Codestruktur eine Abtasteinrichtung verwendet
wird, die beim Abtasten der Codestruktur mehrere, z. B. mindestens
zwei benachbarte, Codespuren erfasst, lässt sich anhand der Verschiebung
der Codierungen der betrachteten (z. B. benachbarten) Codespuren
zueinander sofort ermitteln, welche Position die Abtasteinrichtung
bezüglich
der Codestruktur entlang der zweiten Richtung aktuell einnimmt.
Hiervon ausgehend kann dann anhand einer der beiden von der Abtasteinrichtung erfassten,
jeweils entlang der ersten Richtung absolut codierten Codespuren
ohne weiteres die Position der Abtasteinrichtung bezüglich der
Codestruktur entlang der ersten Raumrichtung ermittelt werden, wie
in dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Positionsmessung gemäß Patentanspruch
47 sowie den hiervon abhängigen
Patentansprüchen
dargelegt.
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Die
einzelnen, parallel zueinander verlaufenden Codespuren weisen jeweils
die gleiche Länge auf
und können
sich beispielsweise zwischen zwei entlang der ersten Richtung voneinander
beabstandeten freien Enden erstrecken. Hierdurch ist die Codestruktur
an einer ersten Stirnseite und einer hiervon entlang der ersten
Richtung beabstandeten zweiten Stirnseite jeweils durch die freien
Enden der einzelnen Codespuren begrenzt. Die einzelnen Codespuren
können
sich jedoch auch jeweils entlang geschlossener Ringe erstrecken,
zum Beispiel auf einer Zylinderfläche, so dass sie keine freien
Enden aufweisen.
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In
beiden Fällen
ist die Codestruktur jedoch jeweils durch eine erste und zweite,
entlang der ersten Richtung erstreckte, randseitige Codespur begrenzt,
die entlang der zweiten Richtung voneinander beabstandet sind und
die übrigen,
parallel zueinander erstreckten Codespuren zwischen sich aufnehmen.
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Auch
wenn sich die Codespuren jeweils zwischen zwei freien Enden erstrecken,
also keine geschlossenen Ringe bilden, kann die Verschiebung der
Codierung von einer Codespur zur – entlang der zweiten Richtung
betrachtet – nächsten (nachfolgenden),
benachbarten Codespur derart erfolgen, als ob es sich bei den Codespuren
um ringförmig
geschlossene Codespuren handelte, deren beide freie Enden aneinander
anliegen. Mit anderen Worten ausgedrückt, werden in diesem Fall
solche Abschnitte einer Codespur, die bei der Verschiebung (entsprechend dem Übergang
von einer Codespur zur nachfolgenden, benachbarten Codespur) über ein
freies Ende der nachfolgenden Codespur hinausgeschoben werden, im
Bereich des anderen, gegenüber
liegenden freien Endes wieder in die nachfolgende Codespur integriert.
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Vorteilhaft
weisen also sämtliche
Codespuren der Codestruktur dieselbe Länge entlang der ersten Richtung
auf und innerhalb dieser Richtung jeweils eine absolute Codierung,
die für
alle Codespuren der Codestruktur auf den gleichen Elementen beruht,
wobei jedoch die einzelnen Codierungen in der beschriebenen Weise
zueinander verschoben sind, d. h., die Verschiebung der Codierungen
benachbarter Codespuren variiert von der ersten randseitigen Codespur
ausgehend bis hin zu der zweiten randseitigen Codespur (entlang
der zweiten Richtung betrachtet) derart, dass jene Verschiebung
für jedes Paar
benachbarter (entlang der ersten Richtung erstreckter) Codespuren
jeweils unterschiedlich von allen anderen Paaren benachbarter Codespuren
ist.
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Die
variierende Verschiebung benachbarter Codespuren – bei einem
Fortschreiten von der ersten randseitigen Codespur entlang der zweiten
Richtung zu der zweiten randseitigen Codespur – erfolgt bevorzugt in festen
Schritten, die beispielsweise jeweils einem ganzzahligen Vielfachen
der Verschiebung der Codierung beim Übergang von der ersten randseitigen
Codespur zu deren nachfolgender, benachbarter Codespur entsprechen.
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Zur
Bildung einer jeweiligen entlang der ersten Richtung erstreckten
und entlang dieser Richtung absolut codierten Codespur eignet sich
eine Mehrzahl entlang der ersten Richtung hintereinander angeordneter
Codeelemente, die zur Erzeugung der absoluten Codierung jeweils
einen von mindestens zwei unterschiedlichen, durch eine geeignete
Abtasteinrichtung erfassbaren Zuständen einnehmen. Bei optischer
Abtastung einer Codespur kann beispielsweise vorgesehen sein, dass
die einzelnen Codeelemente der Codespur jeweils entweder den Zustand lichtdurchlässig oder
lichtundurchlässig
oder nach einer anderen Variante den Zustand reflektierend oder nicht
reflektierend einnehmen. Durch eine geeignete Anordnung von Codeelementen
entlang der ersten Richtung, wobei ein Teil der Codeelemente sich
im ersten Zustand befindet und ein anderer Teil der Codeelemente
sich im zweiten Zustand befindet, lässt sich so eine absolute Codierung
schaffen.
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Indem
die einzelnen, entlang der ersten Richtung hintereinander angeordneten
Codeelemente einer Codespur jeweils geometrisch identisch, mit identischen
Abmessungen, ausgebildet sind und zur Bildung eines absoluten Codes
jeweils einen von zwei möglichen,
unterschiedlichen Zuständen
einnehmen, entsteht ein sequentieller, binärer Code, der auch als PRBS-Code
(„Pseudo
Random Binary Sequences-Code”)
bezeichnet wird und der beispielsweise in dem Fachartikel von Stefan
Götze in
tm – Technisches
Messen 61 (1994), Seiten 343 bis 345 beschrieben ist. Die einzelnen
Codeelemente einer derartigen sequentiellen, binären Codierung werden nachfolgend
auch als Bits bezeichnet, die jeweils einen von zwei Zuständen (z.
B. lichtdurchlässig
oder lichtundurchlässig
bzw. Licht reflektierend oder Licht nicht reflektierend) einnehmen
können.
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Eine
derartige Codespur der Länge
2n auf der Basis einer binären, sequentiellen
Codierung weist eine Auflösung
2n auf, wobei n eine natürliche Zahl ist und wird bevorzugt
durch eine Abtasteinrichtung abgetastet, die bei der Abtastung in
den jeweils erfassten Codespuren jeweils n Code-Elemente bzw. Bits
erfasst. (In der Praxis beträgt
die Auflösung
allerdings in der Regel 2n – 1, da
das Codewort, welches dem Dezimalwert 0 entspricht, üblicherweise
nicht verwendet wird.) Dabei kann die Abtasteinrichtung, wie weiter
oben bereits ausgeführt,
zwei oder mehr entlang der zweiten Richtung benachbarte Codespuren
und/oder auch entlang der zweiten Richtung voneinander beabstandete
Codespuren erfassen.
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Sofern
sich die Codespur zwischen zwei freien Enden erstreckt, es sich
also nicht um eine ringförmig
geschlossene Codespur handelt, beträgt die tatsächliche Länge der Codespur in der Praxis
vorteilhaft 2n + n – 1, indem n – 1 an ein
freies Ende der Codespur unmittelbar angrenzende Codeelemente zusätzlich an
das andere freie Ende der Codespur angefügt werden, so dass im Bereich
beider freier Enden der Codespur jeweils eine Abtastung n benachbarter
Codeelemente ohne weiteres möglich
ist. Andererseits sollte die Länge
der Codespur bevorzugt auch nicht größer als 2n +
n sein, da anderenfalls keine absolute Codierung mehr vorläge.
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Eine
Positionsmesseinrichtung mit einer erfindungsgemäßen zweidimensionalen, absoluten Codestruktur
und einer Abtasteinrichtung zum Abtasten jener Codestruktur, wobei
die Codestruktur einerseits und die Abtasteinrichtung andererseits
jeweils einem von zwei zueinander beweglichen Objekten zugeordnet
sind, ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 38 charakterisiert.
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Bevorzugte
Weiterbildungen der Positionsmesseinrichtung sind in den von Patentanspruch
38 abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispieles
anhand der Figuren deutlich werden.
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Es
zeigen:
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1a eine
einzelne Codespur mit einer binären,
sequentiellen Codierung, die eine absolute Positionsmessung entlang
der Erstreckungsrichtung der Codespur gestattet;
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1b eine
erzeugende Spur, aus der durch Auswahl eines Abschnittes die in 1a dargestellte Codespur
bildbar bzw. erzeugbar ist;
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2 die
Codespur aus 1a zusammen mit einer benachbarten
Codespur, deren Codierung gegenüber
der Codierung der Codespur aus 1a um
einen definierten Weg verschoben ist;
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3 eine
Vielzahl entlang einer ersten Richtung erstreckter und entlang einer
zweiten Richtung hintereinander angeordneter, jeweils paarweise benachbarter
Codespuren, die auf einer Codespur mit einer Codierung gemäß 1a beruhen,
wobei sich benachbarte Codespuren jeweils durch eine Verschiebung
der Codierung um einen bestimmten, für ein jeweiliges Spurpaar charakteristischen
Betrag unterscheiden;
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4 die
Anordnung aus 3 mit Angaben zur Erläuterung
eines Verfahrens zum Abtasten der Codestruktur.
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1a zeigt
eine einzelne, nach einem absoluten Messverfahren abtastbare Codespur
C1 für eine
Positionsmesseinrichtung, die sich im Ausführungsbeispiel entlang einer
ersten Richtung x geradlinig (linear) zwischen einem ersten Ende 11 und
einem zweiten Ende 12 erstreckt.
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Zur
Bildung einer absoluten Codierung 101 weist
die Codespur C1 eine Vielzahl entlang der ersten Richtung x hintereinander
angeordneter – sowohl von
ihrer (quadratischen) Geometrie her als auch von ihren Abmaßen her – identischer
Codeelemente 15 auf, die wahlweise jeweils einen von zwei
Zuständen einnehmen,
wobei in 1a der eine Zustand durch ein
weißes
Quadrat und der andere Zustand durch ein schraffiertes Quadrat charakterisiert
ist. Bei einer optisch abtastbaren Codespur C1 können die beiden Zustände beispielsweise
ein lichtdurchlässiges
Codeelement einerseits und ein lichtundurchlässiges Codeelement andererseits
(im Fall einer im so genannten Durchlichtverfahren abtastbaren Codespur) charakterisieren
oder alternativ ein Licht reflektierendes Codeelement einerseits
und ein nicht reflektierendes Codeelement andererseits (im Fall
einer im so genannten Auflichtverfahren abtastbaren Codespur C1)
repräsentieren.
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Die
in 1a dargestellte Codespur C1 weist insgesamt 2n derartiger Codeelemente 15 auf, wobei
im Ausführungsbeispiel
gemäß 1a n
= 5 und somit die Gesamtzahl der Codeelemente gleich 32 ist. Beim
tatsächlichen
Einsatz in einer Positionsmesseinrichtung liegt der Wert für n typischerweise
in der Größenordnung
von n = 20.
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Eine
solche Codespur C1 wird als zyklisch codierte, binäre, sequentielle
Codespur (PRBS-codierte Spur) bezeichnet, wobei PRBS für ”Pseudo Random
Binary Sequences” steht
und die Auflösung einer
solchen Codespur 2n bzw. 2n – 1 beträgt.
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Um
durch Abtastung einer derartigen Codespur mittels einer Abtasteinrichtung
jeder Position der Abtasteinrichtung bezüglich der Codespur C1 eine
definierte Position zuordnen zu können, müssen von der Abtasteinrichtung
im Ausführungsbeispiel
jeweils fünf
der auch als Bits bezeichneten Codeelemente 15 der Codespur
C1 erfasst werden. Eine solche Mehrzahl von (z. B. fünf) hintereinander
angeordneten Codeelementen 15 der Codespur C1 wird daher
als ein Codesegment 16 bezeichnet, durch dessen Erfassung
mittels einer Abtasteinrichtung die aktuelle Position der der Codespur
C1 zugeordneten Abtasteinrichtung bezüglich der Codespur eindeutig ermittelbar
ist, entsprechend einem absoluten Messverfahren. Hierzu muss der
Abtastkopf der die Codespur C1 abtastenden Abtasteinrichtung so
gestaltet sein, dass er ein komplettes, aus fünf Codeelementen 15 bestehendes
Codesegment 16 erfasst, wenn er sich in einer Position
oberhalb der Codespur C1 befindet, wie nachfolgend anhand 2 näher erläutert werden
wird.
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Bei
der Codespur C1 kann es sich beispielsweise um eine zwischen zwei
freien Enden 11, 12 erstreckte (geradlinig oder
gekrümmt
verlaufende) Codespur handeln, wie eingangs bereits angegeben, oder
alternativ um eine ringförmig
geschlossene Spur, die sich zum Beispiel auf einer Zylindermantelfläche erstreckt,
so dass die beiden Enden 11, 12 zusammenfallen.
Im erstgenannten Fall, also bei einer zwischen zwei freien Enden 11, 12 erstreckten
Codespur, ist es in der Praxis zweckmäßig, an eines der beiden freien
Enden 11, 12, zum Beispiel an das zweite freie
Ende 12 der Codespur C1, die n – 1 = 4 unmittelbar an das
andere freie Ende, also an das erste freie Ende 11, angrenzenden
Codeelemente 15 nochmals anzuhängen, damit eine zur Abtastung
der Codespur C1 verwendete Abtasteinrichtung auch im Bereich des
zweiten freien Endes 12 der Codespur 1 stets fünf Codeelemente
erfassen kann und dort nicht teilweise „ins Leere greift”. Die Codespur
umfasst dann insgesamt 2n + n – 1 Codeelemente.
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Weiterhin
wird bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
der Einfachheit halber davon ausgegangen, dass die der Codespur
C1 zuzuordnende Abtasteinrichtung beim Abtasten der Codespur C1
jeweils ein Codesegment 16 erfasst, das aus n = 5 entlang
der ersten Richtung x unmittelbar hintereinander angeordneten, benachbarten
Codeelementen 15 besteht. Dies ist jedoch nicht zwingend.
Alternativ können
mehrere, entlang der ersten Richtung x voneinander beabstandete
Codeelemente 15 von einer zugeordneten Abtasteinrichtung
erfasst werden, so dass zwischen einzelnen von der Abtasteinrichtung
in einer bestimmten Position zu erfassenden Codeelementen der Codespur
C1 mindestens ein nicht zu erfassendes Codeelement liegt.
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Die
in 1a dargestellte Codespur C1 lässt sich auch darstellen als
ein Abschnitt der in 1b gezeigten erzeugenden Spur
E.
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Die
erzeugende Spur E besteht aus zwei entlang der ersten Richtung x
hintereinander angeordneten, identischen, seriellen (sequenziellen)
Codierungen S1, S2 mit identischer Länge L1 bzw. L2. Die in 1a gezeigte
Codespur C1 kann hieraus dadurch gewonnen werden, dass der mit der
zweiten seriellen absoluten Codierung S2 zusammenfallende Abschnitt
B1 der erzeugenden Spur E ausgewählt und
als Codespur C1 verwendet wird.
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Im
Ausführungsbeispiel
gemäß den 1a und 1b stimmt
die Länge
L1, L2 der beiden seriellen absoluten Codierungen S1, S2 der erzeugenden
Spur E identisch mit der Länge
L der durch Auswahl eines Abschnittes der erzeugenden Spur E gebildeten
Codespur C1 überein.
Grundsätzlich
können die
seriellen Codierungen S1, S2 jedoch auch eine andere Länge L1 bzw.
L2 als die hieraus gebildeten Codespuren C1, ... aufweisen, wobei
jedoch im vorliegenden Beispiel die Gesamtlänge L1 + L2 der beiden seriellen
absoluten Codierungen S1, S2 größer als
die Länge
L der hieraus gebildeten Codespur C1 sein sollte, um eine Auswahl
unterschiedlicher Codespuren der Länge L zu ermöglichen.
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In 2 ist
die Codespur C1 aus 1a zusammen mit einer weiteren
Codespur C2 dargestellt, die unmittelbar neben der erstgenannten
Codespur C1 angeordnet ist, sich parallel zu dieser entlang der ersten
Richtung x zwischen den beiden freien Enden 11, 12 erstreckt
und die gleiche Länge
(Ausdehnung entlang der ersten Richtung x) sowie Breite (Ausdehnung
entlang einer zweiten Richtung y senkrecht zur ersten Richtung x)
wie die erste Codespur C1 aufweist.
-
Insbesondere
weist die zweite Codespur C2 auch dieselbe Anzahl (2n)
an Codeelementen 15 auf wie die erste Codespur C1; und
die Codierung 102 der zweiten Codespur
C2 geht aus der Codierung 101 der
ersten Codespur C1 dadurch hervor, dass die Codierung 101 der ersten Codespur C1 einer Verschiebung
V entlang der ersten Richtung x um insgesamt sechs Codeelemente 15 (V
= 6) unterzogen wurde. Die Verschiebung V der Codierung 101 der ersten Codespur C1, um zur Codierung 102 der zweiten Codespur C2 zu gelangen,
erfolgt dabei in der Weise, als ob es sich bei den betrachteten
Codespuren um ringförmig
geschlossene Codespuren handelte, deren beide freien Enden 11, 12 unmittelbar
aneinander anliegen. So ergibt sich aus 2, dass
das unmittelbar an das erste freie Ende 11 anschließende erste Codesegment 16a der
ersten Codespur C1 bei der zweiten Codespur C2 verglichen mit der
ersten Codespur C1 um sechs Codeelemente entlang der ersten Richtung
x verschoben ist.
-
Ferner
ist anhand 2 erkennbar, dass die – entlang
der ersten Richtung x betrachtet – letzten sechs Codeelemente 15 der
ersten Codespur C1, die unmittelbar vor deren zweitem freien Ende 12 liegen, bei
der zweiten Codespur C2 nach dem ersten freien Ende 11 wieder
auftauchen und vor dem betrachteten Codesegment 16a liegen,
das sich in der ersten Codespur C1 unmittelbar an das erste freie
Ende 11 der Codespur C1 anschließt und das demgegenüber bei
der zweiten Codespur C2 von dem ersten freien Ende 11 der
Codespur C2 um sechs Codeelemente 15 entfernt ist. Diese
sechs Codeelemente 15, die bei der zweiten Codespur C2
zwischen deren ersten freien Ende 11 und dem besagten Codesegment 16a liegen,
die sich also unmittelbar an das erste freie Ende 11 der
Codespur C2 anschließen,
entsprechen demnach den letzten sechs Codeelementen 15 der
ersten Codespur C1, wo sie unmittelbar vor dem zweiten freien Ende 12 angeordnet
sind.
-
Allgemein
erfolgt also im Ausführungsbeispiel
gemäß 2 eine
Verschiebung der Codierung 102 einer
zweiten Codespur C2 bezüglich
der Codierung 10, der ersten Codespur C1 um V = z Codeelemente 15 dadurch,
dass die – entlang
der ersten Richtung x betrachtet – letzten z Codeelemente 15 der
ersten Codespur C1, also die unmittelbar vor deren zweitem freien
Ende 12 liegenden z Codeelemente 15, unmittelbar
hinter dem ersten freien Ende 11 der zweiten Codespur C2
angeordnet werden, so dass alle weiteren Codeelemente 15 der
zweiten Codespur C2 um eben jenen Betrag V = z entlang der ersten
Richtung x (Erstreckungsrichtung der Codespuren C1, C2) verschoben
werden.
-
Mit
anderen Worten ausgedrückt
werden diejenigen Code-Stellen 15, die aufgrund der Verschiebung
der Codierung beim Übergang
von der ersten Codespur C1 zur zweiten, benachbarten Codespur C2 über das
zweite freie Ende 12 hinaus verschoben würden, stattdessen
an das erste freie Ende 11 der zweiten Codespur C2 angehängt, wo
sich ja eine durch die Verschiebung bedingt eine entsprechende Anzahl
leerer Stellen für
diese Codeelemente befindet.
-
Alternativ
kann auch die in 2 dargestellte, aus zwei Codespuren
C1, C2 bestehende Codestruktur dadurch gebildet werden, dass als
Codespuren C1, C2 jeweils ein Abschnitt der erzeugenden Spur E,
wie in 1b dargestellt, ausgewählt wird. Die entsprechenden
Abschnitte sind in 1b dargestellt und dort mit
den Bezeichnungen B1 bzw. B2 versehen.
-
Der
zur Erzeugung der Codespur C1 ausgewählte Abschnitt B1 ist dabei
dadurch charakterisiert, dass er einen Abstand d = L1 von dem als
Referenzstelle RP dienenden (linken) äußeren Ende (entlang der ersten
Richtung x betrachtet) der erzeugenden Spur E aufweist. Der zur
Erzeugung der zweiten Codespur C2 ausgewählte Abschnitt B2 der erzeugenden
Spur E weist demgegenüber
einen Abstand d = L1 – 6
von jener Referenzstelle RP auf, was einer Verschiebung V der Codierungen
der beiden Codespuren C1 bzw. C2 um einen Betrag V = 6 entspricht.
-
Zur
Abtastung der in 2 gezeigten Doppelspur C1, C2
dient eine Abtasteinrichtung A mit einem Abtastkopf 20,
der eine solche Ausdehnung entlang der ersten Richtung x einerseits
und entlang der zweiten Richtung y andererseits aufweist, dass mit diesem
Abtastkopf 20 zur Abtastung eines Ausschnittes der Codestruktur
einerseits beide benachbarte Codespuren C1, C2 gleichzeitig erfasst
werden können,
da die Ausdehnung des Abtastkopfes 20 entlang der zweiten
Richtung y der Ausdehnung beider Codespuren C1, C2 entlang der zweiten
Richtung y entspricht, und dass andererseits in den einzelnen Codespuren
C1, C2 – entlang
der ersten Richtung x betrachtet – jeweils fünf der insgesamt zweiunddreißig Codeelemente 15 – entsprechend
der Länge
des vom Abtastkopf 20 erfassten Ausschnittes der Codespuren
C1, C2 entlang der ersten Richtung x – erfasst werden können. Die
Ausdehnung des Abtastkopfes 20 entlang der ersten Richtung
x entspricht also der Ausdehnung von insgesamt fünf Codeelementen 15 entlang
dieser Richtung x.
-
Hierbei
umfasst der Abtastkopf 20 insgesamt zwei Abtastzeilen 20a, 20b mit
jeweils fünf
Detektorbereichen 25, deren Breite (Ausdehnung entlang
der zweiten Richtung y) jeweils der Ausdehnung eines der Codeelemente 15 bzw.
einer der beiden Codespuren C1, C2 entlang der zweiten Richtung
y entspricht und deren Länge
(Ausdehnung entlang der ersten Richtung x) jeweils der Ausdehnung
eines Codeelementes 15 entlang der ersten Richtung x entspricht,
so dass der Abtastkopf 20 insgesamt jeweils zwei benachbarte
Codesegmente 16 (vergleiche 1a) der
beiden Codespuren C1, C2 überdecken kann,
wobei jedes der beiden benachbarten Codesegmente 16 von
je einer der Abtastzeilen 20a, 20b des Abtastkopfes 20 überdeckt
wird. Jede der beiden Abtastzeilen 20a, 20b generiert
bei der Abtastung eines durch ein Codesegment 16 gebildeten
Ausschnittes der Codestruktur jeweils ein fünfstelliges (5 bits umfassendes)
Codewort, anhand dessen in bekannter Weise Positionsinformation
gewonnen werden kann.
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Ein
vergleichbarer Abtastkopf, jedoch speziell zum Abtasten einer einzelnen
Codespur, ist in dem Artikel von Stefan Götze in tm – Technische Messen 61 (1994),
Seiten 343 bis 345, beschrieben.
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3 zeigt
eine komplette, absolut codierte Codestruktur C für eine zweidimensionale
Positionsmesseinrichtung, die aus einer Mehrzahl (gemäß 3 konkret
acht) Codespuren C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7 und C8 der in den 1 und 2 dargestellten
Art besteht. Die Codespuren C1 bis C8 erstrecken sich jeweils entlang
einer ersten Richtung x parallel zueinander und sind entlang einer
zweiten Richtung y, die senkrecht zu der ersten Richtung x verläuft, nebeneinander
bzw. hintereinander angeordnet. Hierdurch liegt die Codestruktur
C in einer Ebene, die durch die beiden Richtungsachsen x, y aufgespannt
wird und bildet in dieser xy-Ebene eine zweidimensionale absolute
Codierung 10, die von einer entlang der xy-Ebene bewegbaren
Abtasteinrichtung A der anhand 2 dargestellten
Art abtastbar ist, so dass die jeweilige Position der Abtasteinrichtung
A bezüglich
der Codestruktur C in der xy-Ebene durch Auswertung des von der
Abtasteinrichtung A in ihrer jeweiligen Position erfassten Teiles
der Codestruktur C bestimmbar ist, wie weiter unten anhand 4 erläutert werden
wird.
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Alternativ
können
sich die Codespuren C1, C2, ... C8 z. B. auch als jeweils ringförmig geschlossene
(oder auch offene) Spuren nebeneinander auf einer Zylindermantelfläche erstrecken.
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Bei
dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Codierungen 101 bis 108 der
einzelnen Codespuren C1 bis C8 dadurch erzeugt, dass ausgehend von
der ersten randseitigen Codespur C1, die identisch mit der in 1a gezeigten
Codespur übereinstimmt,
eine dieser benachbarte Codespur C2 vorgesehen ist, die sich von
der ersten randseitigen Codespur C1 durch eine Verschiebung der Codierung
um ein Codeelement 15 unterscheidet. Dementsprechend ist
bei der zweiten Codespur C2 dasjenige Codesegment 16a,
welches sich bei der ersten randseitigen Codespur C1 unmittelbar
an das erste freie Ende 11 anschließt, um ein Codeelement 15 von
jenem freien Ende 11 beabstandet. Bei dem Codeelement 15,
welches bei der zweiten Codespur C2 zwischen dem ersten freien Ende 11 und
dem besagten Codesegment 16a liegt, handelt es sich um dasjenige
Codeelement 15, das bei der ersten Codespur C1 – entlang
der ersten Richtung x betrachtet – das Ende der Codespur C1
bildet und unmittelbar neben deren zweiten freien Ende 12 liegt.
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In
entsprechender Weise wird jede weitere Codespur C3, C4, C5, C6,
C7 und C8 aus der jeweils – entlang
der zweiten Richtung y betrachtet – vorhergehenden, benachbarten
Codespur dadurch erzeugt, dass eine Verschiebung der Codierung der
vorhergehenden Codespur um eine ganzzahlige Anzahl an Codeelementen 15 erfolgt.
Konkret wird die Codierung der – entlang
der zweiten Richtung y betrachtet – i + 1-ten Codespur Ci + 1
aus der Codierung der vorhergehenden i-ten Codespur Ci dadurch erzeugt, dass
beim Übergang
von der i-ten zur i + 1-ten Codespur eine Verschiebung der Codierung
um i Codeelemente 15 entlang der ersten Richtung x erfolgt.
Dementsprechend geht die Codierung 102 der
zweiten Codespur C1 aus der Codierung 101 durch
Verschiebung der ersten Codespur um ein Codeelement 15 hervor;
die Codierung 103 der dritten Codespur
C3 geht aus der Codierung 102 der
zweiten Codespur C2 durch eine Verschiebung um zwei Codeelemente 15 hervor;
die Codierung 104 der vierten Codespur
C4 geht aus der Codierung 103 der
dritten Codespur C3 durch eine Verschiebung der Codierung 103 um drei Codeelemente 15 hervor
usw. bis zur achten Codespur C8, deren Codierung 108 aus
der Codierung 107 der siebten Codespur
C7 durch eine Verschiebung um sieben Codeelemente 15 hervorgeht.
Dies wird in 3 jeweils deutlich anhand der
Verschiebung eines hervorgehobenen Codesegmentes 16a beim Übergang
von einer Codespur Ci zur jeweils benachbarten Codespur Ci + 1 entlang
der zweiten Richtung y.
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Bei
dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Codestruktur
C umfasst letztere insgesamt acht Codespuren C1 bis C8, die entlang
der zweiten Richtung y hintereinander bzw. nebeneinander angeordnet
sind. D. h., die achte Codespur C8 ist zugleich die von der ersten
(randseitigen) Codespur C1 am weitesten entlang der zweiten Richtung
y entfernte und bildet die zweite randseitige Codespur der Codestruktur
C. Wie jedoch in 3 durch die gepunktete Fortsetzungslinie
angedeutet, können auch mehr
als acht Codespuren C1, C2, C3, ... entlang der zweiten Richtung
y hintereinander angeordnet sein. Insbesondere können insgesamt 32 Codespuren
C1, C2, ... C32 entlang der zweiten Richtung hintereinander angeordnet
sein, so dass die Codestruktur C entlang beider Richtungen x, y
jeweils die gleiche Ausdehnung aufweist.
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Auch
die in 3 gezeigten Codespuren C1, C2 ... C8 (sowie gegebenenfalls
noch weitere entlang der zweiten Richtung y anzufügenden Codespuren) können jeweils
dadurch gebildet sein, dass ein Abschnitt aus der in 1a gezeigten
erzeugenden Spur E ausgewählt
wird. Jede der Codespuren C1, C2, ... ist dabei dadurch charakterisiert,
dass der entsprechende ausgewählte
Abschnitt der erzeugenden Spur E einen bestimmten Abstand d von
der an einem äußeren Ende
der erzeugenden Spur E vorgesehenen Referenzstelle RP aufweist.
Die Unterschiede der zur Bildung einer jeweiligen Codespur ausgewählten Abschnitte
der erzeugenden Spur E hinsichtlich des Abstandes d von der Referenzstelle
RP bestimmen dabei die Verschiebung V der einzelnen Codespuren zueinander,
wie weiter oben anhand der 1b und 2 erläutert. (In
diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass der in 1b ausgewählte und
mit B2 bezeichnete Abschnitt mit der Codespur C2 der 2 übereinstimmt;
bezogen auf das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht
der Abschnitt B2 aus 1b der Codespur C4.)
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4 zeigt
die Codestruktur C aus 3 zusammen mit einem Abtastkopf 20 zum
Abtasten der Codestruktur der in 2 gezeigten
Art. D. h., der Abtastkopf 20 umfasst zwei Abtastzeilen 20a, 20b mit je
fünf Detektorbereichen 25,
deren Ausdehnung entlang der ersten und zweiten Richtung x, y jeweils
der Ausdehnung eines Codeelementes 15 entspricht. Somit
kann die Abtasteinrichtung bei oberhalb der Codestruktur 15 angeordnetem
Abtastkopf 20 jeweils fünf
(entlang der ersten Richtung x hintereinander angeordnete) Codeelemente 15 zweier
benachbarter Codespuren, z. B. der vierten Codespur C4 und der fünften Codespur
C5, erfassen. Der Abtastkopf 20 ist dabei (in gestrichelten
Linien) in einer Lage angedeutet, in der er die vierte und fünfte Codespur
C4, 05 jeweils teilweise überdeckt,
und zwar jeweils von deren 13. bis 17. Codeelement; dies definiert
den von dem Abtastkopf 20 erfassten Ausschnitt der der
Codestruktur.
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Befindet
sich der Abtastkopf 20 ganz allgemein in einer Position über der
Codestruktur C, in der er die i-te und i + 1-te Codespur Ci, Ci
+ 1 teilweise erfasst und abtastet, so ist die Lage des Abtastkopfes 20 entlang
der zweiten Richtung y in einfacher Weise dadurch ermittelbar, dass
die Verschiebung der Codierung 10i+1 der
i + 1-ten Codespur Ci + 1 bezüglich der
Codierung 10i der i-ten Codespur
Ci bestimmt wird.
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4 zeigt
beispielhaft eine Situation, in der der Abtastkopf 20 die
vierte und fünfte
Codespur C4, C5 der Codestruktur C überdeckt und erfasst. Dies
ist leicht dadurch festellbar, dass die Verschiebung V der Codierungen 104 , 105 der
beiden genannten Codespuren C4, C5 zueinander V = 4 beträgt; d. h., die
Codierung 105 der einen von dem
Abtastkopf 20 überdeckten
Codespur C5 geht aus der Codierung 104 der
anderen überdeckten
Codespur C4 durch eine Verschiebung der letztgenannten Codierung 104 um vier Codeelemente 15 hervor.
Aus der durch Auswertung der überdeckten
Codeelemente 15 gewonnenen Verschiebung V der beiden benachbarten,
von dem Abtastkopf 20 überdeckten
Codierungen 104 , 105 ergibt sich unmittelbar, dass es sich
hierbei um die Codierungen der vierten und fünften Codespur C4 und C5 handeln
muss. Die Position des Abtastkopfes 20 entlang der zweiten
Achse y lässt
sich somit also in einfacher Weise dadurch feststellen, dass die
Verschiebung der V Codierungen 10i , 10i+1 hinsichtlich der beiden von dem
Abtastkopf 20 in seiner jeweiligen Position überdeckten
Codespuren Ci, Ci + 1 ermittelt und ausgewertet wird.
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Anschließend wird
in Kenntnis der Position des Abtastkopfes 20 entlang der
zweiten Richtung y die Position des Abtastkopfes 20 entlang
der ersten Richtung x ermittelt. Hierzu wird zunächst die Lage des Abtastkopfes 20 über der
i-ten Codespur Ci unter der Annahme ermittelt, dass es sich hierbei
um die erste Codespur C1 handelt. Im Ausführungsbeispiel gemäß 4 wird
die i-te Codespur Ci durch die vierte Codespur C4 der Codestruktur
C gebildet. Wird diese zunächst
so behandelt, als handele es sich hierbei um die erste Codespur
C1, deren Codierung mit dem in 4 besonders
gekennzeichneten, aus fünf
gleichen Codeelementen 15 bestehenden Codesegment 16a beginnt,
so überdeckt
der Abtastkopf 20 das siebte bis elfte Codeelement 15 der
entsprechenden Codespur. Da es sich bei der betrachteten Codespur
C4 um die vierte Codespur handelt, ist diese um insgesamt sechs
Codeelemente 15 bezüglich
der ersten Codespur C1 entlang der ersten Richtung x verschoben;
tatsächlich überdeckt
und erfasst der Abtastkopf 20 also das dreizehnte bis siebzehnte
Codeelement der vierten Codespur C4.
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Allgemein
ergibt sich für
die tatsächliche
Position k des Abtastkopfes 20 der Abtasteinrichtung A über der
i-ten Codespur Ci der Wert k = (j + (i – 1) i/2)
mod m,wobei m die gesamte Anzahl der Codeelemente einer Codespur
(vorliegend m = 32) entsprechend der Länge L der Codespur angibt und
wobei j eine Position des Abtastkopfes auf der i-ten Codespur Ci
repräsentiert,
die unter der Annahme ermittelt wurde, dass es sich bei der i-ten
Codespur Ci um die erste Codespur C1 handelt. Bei Kenntnis der Werte
für i,
j und m ergibt sich sofort die Position k des Abtastkopfes 20 entlang
der ersten Richtung x.
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Mit
anderen Worten ausgedrückt
wird bei der Bestimmung der Lage des Abtastkopfes 20 über der i-ten
Codespur Ci zunächst
davon ausgegangen, dass sich der Abtastkopf 20 über der
ersten Codespur C1 befindet. Die beim Abtasten der i-ten Codespur
Ci erzeugten Ausgangssignale des Abtastkopfes 20 werden
also so ausgewertet, als würden
Sie aus der ersten Codespur C1 ausgelesen. Hieraus ergibt sich ein
j-tes Codeelement, das die aktuelle Position des Abtastkopfes 20 repräsentiert
und beispielsweise mit einem Rand (wie in 4) oder
dem Schwerpunkt des Abtastkopfes 20 zusammenfällt, je nachdem
in welcher Weise die Ausgangssignale des Abtastkopfes 20 ausgewertet
werden. Anschließend wird
durch eine Korrektur nach der obigen Formel berücksichtigt, dass von dem Abtastkopf 20 aktuell
nicht die erste Codespur C1 sondern vielmehr die i-te Codespur Ci,
z. B. die vierte Codespur C4, abgetastet wird. Damit errechnet sich
die tatsächliche
Position k des Abtastkopfes entlang der ersten Richtung x gemäß der oben
angegebenen Formel.
-
In
der Praxis kann das Decodierverfahren zur Ermittlung der Lage des
Abtastkopfes bezüglich der
Codestruktur C entlang beider Richtungen x, y vorteilhaft unter
Verwendung einer Decodiertabelle ausgeführt werden.
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Ausgehend
von einer Anordnung, wie in den 3 und 4 dargestellt,
enthält
eine solche Decodiertabelle für
die 2n (z. B. 32) unterschiedlichen Positionen,
die den insgesamt 32 unterschiedlichen Codewörtern entsprechen, die bei
Abtastung jeder der Spuren C1, C2, ... für sich betrachtet erzeugt werden,
jeweils ein zugeordnetes Codewort. Diese Codewörter bestehen jeweils aus fünf Bits
und repräsentieren
eine bestimmte Lage des Abtastkopfes 20 entlang der ersten
Richtung x über
einer jeweiligen Codespur C1, C2, ..., in der von der entsprechenden Abtastzeile 20a, 20b des
Abtastkopfes 20 jeweils fünf Code-Elemente 15 der
abgetasteten Codespur erfasst werden.
-
Da
bei Abtastung einer beliebigen der in den 3 und 4 dargestellten
Codespuren C1, C2, ... an irgendeiner Stelle (entlang der ersten
Richtung x betrachtet) jeweils eines von jenen 32 unterschiedlichen
Codewörter
erzeugt wird, wenn auch – wegen der
Verschiebung der einzelnen Codespuren zueinander – für jede Codespur
ein anderes an ein und derselben Stelle, genügt als Decodiertabelle eine einfache
Tabelle, die die 32 unterschiedlichen Codewörter (die beim Abtasten jeder
beliebigen der unterschiedlichen Spuren C1, C2, ... erzeugt werden
können)
jeweils mit einer bestimmten Position entlang der ersten Richtung
x verknüpft.
-
Zur
Positionsbestimmung entlang beider Richtung x, y ist es ausreichend,
wenn aus der beschriebenen Decodiertabelle zwei unterschiedliche Positionsmesswerte
für die
erste Richtung x ausgelesen werden, wobei diese beiden Positionswerte
im Ausführungsbeispiel
jeweils durch zwei benachbarte Codespuren Ci, Ci + 1 erzeugt werden.
(Wegen der Verschiebung benachbarter Codespuren zueinander, wie
anhand der 3 und 4 erläutert, werden bei
Abtastung benachbarter Codespuren Ci, Ci + 1 mittels des Abtastkopfes 20 zwei
unterschiedliche Codewörter
erzeugt, also für
die Spur Ci + 1 ein anderes Codewort als für die Spur Ci, was unterschiedlichen
Positionswerten in de Decodiertabelle entspricht.)
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Aus
dem Abstand der beiden Positionsmesswerte entlang der ersten Richtung
x, die einer bestimmten Verschiebung V der Codierungen der betrachteten
Codespuren Ci, C1 + 1 entspricht, können dann die absoluten Positionswerte
für beide
Richtungen x, y bestimmt werden, entweder durch Berechnung, wie
weiter oben dargelegt, oder mittels einer weiteren Tabelle, wobei
jede mögliche
Kombination zweier bei der Abtastung benachbarter Codespuren Ci,
Ci + 1 erzeugter Positionsmesswerte für die erste Richtung x eindeutig
ist, also über
den gesamten durch die Codestruktur C definierten Messbereich einmalig
ist, und daher jeweils eine absolute Position sowohl entlang der
ersten Richtung x als auch entlang der zweiten Richtung y eindeutig
definiert.
-
Bei
dem anhand der 3 und 4 dargestellten
Ausführungsbeispiel
einer Codestruktur lassen sich die einzelnen Codespuren jeweils
aus einer anderen, insbesondere der entlang der zweiten Richtung
y unmittelbar vorhergehenden Codespur, durch Verschiebung der zugrunde
liegenden Codierung erzeugen.
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Ausgehend
von der in 1b dargestellten erzeugenden
Spur E, aus der sich die einzelnen Codespuren einer Codestruktur
jeweils durch Auswahl erzeugen lassen, sind jedoch auch allgemeinere
Strukturen denkbar. Das in den 3 und 4 gezeigte
Ausführungsbeispiel
beruht speziell auf dem Fall, dass die beiden seriellen Codierungen
S1, S2, die die erzeugende Spur E bilden, jeweils eine Länge L1 bzw.
L2 aufweisen, die mit der Länge
L der einzelnen Codespuren C1, C2, ... identisch ist. Allgemein
kann jedoch durchaus auch vorgesehen sein, dass die Länge L der
Codespuren C1, C2, ... kleiner ist als die Längen L1, L2 der einzelnen seriellen
Codierungen S1, S2 der erzeugenden Spur E. In diesem Fall lässt sich
nicht mehr zwingend jede Codespur einer Codestruktur durch Verschiebung
einer benachbarten Spur um einen bestimmten Betrag erzeugen. In
einer ersten Verallgemeinerung kann beispielsweise vorgesehen sein,
dass zu jeder Codespur der Codestruktur irgendeine (jedoch nicht
zwingend eine benachbarte) Codespur existiert, aus der die erstgenannte
Codespur durch Verschiebung entlang der ersten Richtung x hervorgeht.
In einer weiteren Verallgemeinerung kann schließlich vorgesehen sein, dass
die Codestruktur auch solche Codespuren umfasst, die überhaupt
nicht durch Verschiebung einer anderen Codespur darstellbar sind.
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Schließlich kann
auch der Aufbau der erzeugenden Spur E noch verallgemeinert werden,
etwa indem die erzeugende Spur E nicht aus zwei identischen, absoluten
Codierungen S1, S2 besteht, sondern eine andere Anordnung einzelner
Code-Elemente 15 entlang der ersten Richtung x aufweist.
-
In
dem in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel
ließe
sich der Fall, dass die Längen
L1, L2 der seriellen absoluten Codierungen S1, S2 der erzeugenden
Spur E größer sind
als die Länge
L der Codespuren C1, C2, ... etwa dadurch beispielhaft verdeutlichen,
dass (zur Verkürzung
der Codespuren C1, C2, ...) neben dem rechten und/oder dem linken
Rand 11, 12 der Codestruktur C jeweils einige
(entlang der zweiten Richtung y erstreckte) Reihen der Codestruktur
C abgeschnitten werden.
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Die
in den 3 und 4 dargestellte Anordnung, bei
der die einzelnen Codespuren durch Verschiebung aus einer jeweils
benachbarten, vorhergehenden Codespur erzeugt wurden, weist jedoch
den Vorteil auf, dass eine besonders einfache Auswertung zur Positionsbestimmung
möglich
ist, wie weiter oben angegeben.
-
So
kann bei den verallgemeinerten Codestrukturen nicht mehr zwingend
davon ausgegangen werden, dass die Positionsmesswerte der einzelnen Codespuren
entlang der ersten Richtung x für
alle Spuren durch eine Anzahl (2n) für alle Codespuren identischer
Codeworte repräsentierbar
ist, wobei die Anzahl der Codeworte sich aus der Länge der
Codespuren ergibt. Vielmehr können
in den einzelnen Codespuren Codesegmente auftreten, die nur bei
einer Teilmenge der betrachteten Codespuren vorhanden sind, jedoch
nicht bei einer anderen Teilmenge der betrachteten Codespuren. Dies
ist insbesondere dann der Fall, wenn die einzelnen Codespuren nicht durch
einfache Verschiebung einer zugrunde liegenden Codierung erzeugbar
sind und daher die einzelnen Codespuren beispielsweise nur noch
in Teilsequenzen ihrer seriellen Codierung übereinstimmen.
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Eine
weitere mögliche
Verallgemeinerung der in den 3 und 4 dargestellten
Anordnung besteht darin, dass von dem Abtastkopf 20 der
der Codestruktur C zugeordneten Abtasteinrichtung A nicht benachbarte
Codespuren Ci, Ci + 1 abgetastet werden, sondern vielmehr entlang
der zweiten Richtung y voneinander beabstandete Codespuren (zwischen
denen sich noch mindestens eine andere Spur entlang der ersten Richtung
x erstreckt).
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Geht
man von einer Codestruktur der in den 3 und 4 dargestellten
Art aus, bei der die einzelnen Codespuren jeweils durch Verschiebung der
zugrunde liegenden Codierungen zueinander entlang der ersten Richtung
x erzeugt worden sind, so lässt
sich bei Abtastung zweier den Spurabstand l aufweisender Spuren
(wobei l = 1 unmittelbar benachbarten Spuren entspricht) die Verschiebung
V der beiden betrachteten Spuren Ci, Ci + l wie folgt ermitteln: V = l·i
+ (l – 1)·l/2.
-
Durch
Auflösung
dieser Vorschrift nach der Variablen i lässt sich die Ordnungszahl und
damit die Lage der einen betrachteten Spur Ci entlang der zweiten
Richtung y feststellen, wobei sich ergibt i = (V – (l – 1)·l/2)/l.
-
Hieraus
folgt dann sofort auch die Ordnungszahl i + l der anderen betrachteten
Codespur Ci + n; und durch Auswertung der (unterschiedlichen) Positionsmesswerte,
die die beiden Codespuren Ci, Ci + l für die erste Richtung x liefern,
ergibt sich dann wiederum, wie weiter oben bereits anhand der 3 und 4 dargelegt,
unmittelbar der absolute Positionswert hinsichtlich der Lage des
Abtastkopfes 20 bezüglich
der Codestruktur C entlang der ersten Richtung x.