專利名稱：測定絕對位置的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及如權(quán)利要求1所述的測定絕對位置的方法以及執(zhí)行該方法的位置測量裝置。
背景技術(shù)：
在許多領(lǐng)域中為了測定兩個(gè)相互運(yùn)動(dòng)的物體的位置越來越多地采用絕對位置測量裝置。絕對位置測量裝置相對于純的增量測量系統(tǒng)具有的優(yōu)點(diǎn)是，在每個(gè)相對位置中還可以在中斷電源后立即給出正確的位置信息。
所述的絕時(shí)位置由在多個(gè)相互平行地走行的軌跡中例如安排成格雷碼的代碼得以體現(xiàn)。
特別節(jié)省位置的是在單個(gè)的代碼軌跡沿測量方向連續(xù)安排的代碼元件。在此編碼元件是按偽隨機(jī)分布連續(xù)地安排的，從而一定數(shù)量的相繼排列的編碼元件相應(yīng)地構(gòu)成把絕時(shí)位置定義成代碼字的代碼模式或者說比特模式。在周繞單個(gè)的編碼元件推移掃描裝置時(shí)就已經(jīng)構(gòu)成新的代碼模式并且在全部的要絕對地包括進(jìn)去的測量范圍提供一系列的不同的代碼字。這樣的有序代碼稱為鏈?zhǔn)酱a或者偽隨機(jī)代碼。
位置測量裝置可能例如由于測量標(biāo)記的局部臟污在構(gòu)成代碼字中的比特列中出現(xiàn)錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤地測定絕對位置。
已經(jīng)有人提出了識(shí)別這種錯(cuò)誤的方法。在EP0789226 B1中為此提議用一個(gè)掃描裝置同時(shí)地掃描測量標(biāo)志的至少三個(gè)完全不同的代碼模式并且用之構(gòu)成代碼字。把代碼字的實(shí)際距離與額定距離進(jìn)行比較，由此從同時(shí)采集代碼字中采用一個(gè)識(shí)別為正確的代碼字作為當(dāng)前的絕對位置，并且排除識(shí)別為錯(cuò)誤的代碼字，不去做進(jìn)一步的處理。
通過該方法提高了位置測量裝置的可靠性或者說工作可靠性。但是缺點(diǎn)是如果只要有比特序列的單個(gè)比特出錯(cuò)，就把代碼字分類成出錯(cuò)的。為了達(dá)到高的位置測量裝置的可靠性和工作可靠性，必須在同時(shí)掃描許多代碼字。
在DE 195 06 019 C2中說明了錯(cuò)誤識(shí)別方法。其中，從在位置改變時(shí)新的代碼字必須與以前的測量步驟或者以后的測量步驟的代碼字相符著手。只在新的代碼字與相鄰的代碼字相符時(shí)就對該新的代碼字分配一個(gè)絕對位置。還公開了一種出錯(cuò)處理程序以測定錯(cuò)誤。在此把新的代碼字的比特相繼地反轉(zhuǎn)并且與相鄰代碼字的相應(yīng)的位比較相符性。該程序進(jìn)行到確定新的代碼字與相鄰代碼字一致為止。把那些要反轉(zhuǎn)才能一致的比特識(shí)別為出錯(cuò)的，從而還可以識(shí)別出錯(cuò)誤工作的檢測器元件。
通過該方法只能進(jìn)行出錯(cuò)檢驗(yàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)在于，提出一種方法，用之保證有一定容錯(cuò)度但是卻可靠地測定絕對位置。
根據(jù)本發(fā)明，該任務(wù)由權(quán)利要求1的特征完成。
執(zhí)行該方法的位置測量裝置在權(quán)利要求8中給出。
用本發(fā)明達(dá)到的優(yōu)點(diǎn)在于，不必排除整個(gè)出錯(cuò)了的代碼字。使用該方法容忍個(gè)別的錯(cuò)誤比特。通過掃描相對地小的代碼范圍檢測出正確的絕時(shí)位置的概率非常的大，因此按照本發(fā)明提高了工作可靠性和效率。
本發(fā)明的有利的實(shí)施在從屬權(quán)利要求中給出。


下面參照附圖詳細(xì)地說明本發(fā)明圖1示意性示出位置測量裝置；圖2出錯(cuò)檢驗(yàn)的原理；圖3如圖2所示的出錯(cuò)檢驗(yàn)的信號(hào)圖4可能的帶有冗余掃描和所屬的絕對位置的代碼字；圖5a無出錯(cuò)地掃描的比特的比較程序；圖5b有出錯(cuò)地掃描的比特的比較程序；圖5c有兩個(gè)被識(shí)別為出錯(cuò)的比特的比較程序；圖5d有三個(gè)被識(shí)別為出錯(cuò)比特的第一安排的比較程序；圖5e有三個(gè)被識(shí)別為出錯(cuò)比特的第二安排的比較程序；圖5f有出錯(cuò)的比特，但是不識(shí)別為出錯(cuò)的比較程序；具體實(shí)施方式
在圖1示意性示出一種長度測量裝置。這種長度測量裝置按照光學(xué)掃描的原理工作，其中用透射光方法掃描代碼C。把可沿測量方向X相對于代碼C運(yùn)動(dòng)地布置的掃描裝置用作掃描代碼C。
代碼C由沿測量方向X連續(xù)地安排相同長度的序列的代碼元件C1、C2、C3構(gòu)成。每個(gè)代碼元件C1、C2、C3又由兩個(gè)相同長度的沿測量方向相互鄰接地直接順序安排以互補(bǔ)方式構(gòu)成的分區(qū)域A和B組成。在此互補(bǔ)指得是，它們具有相反的特征，也就是按光學(xué)掃描的原理透明和不透明的，或者在入射光的情況下反射的及不反射的。這樣的代碼也稱為曼徹斯特代碼。
該順序的代碼C由含有光源L的掃描裝置AE掃描，其光線經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡K照明多個(gè)相互順序排列的代碼元件C1、C2、C3。把光用代碼C以位置相關(guān)方式調(diào)制，從而在代碼C后出現(xiàn)一個(gè)與位置相關(guān)的光分布，該光分布可以用掃描裝置AE的檢測器單元D采集。
檢測單元D是一個(gè)行傳感器，其在測量方向X布置有檢測器序列D1至D11。對代碼元件C1、C2、C3的每個(gè)分區(qū)域A、B唯一性地在每個(gè)相對位置中分配檢測元件D1至D11中的至少一個(gè)，從而在檢測器單元D的每個(gè)相對位置中對于代碼C得到從每個(gè)分區(qū)域A、B得出的掃描信號(hào)S1A至S3B。這種掃描信號(hào)S1A至S3B被輸送到一個(gè)分析單元AW中，所述的分析單元AW把代碼元件C1、C2、C3的兩個(gè)分區(qū)域C1A、C1B；C2A、C2B；C3A、C3B的兩個(gè)掃描信號(hào)S1A、S1B；S2A、S2B；S3A、S3B分別地相互比較并且通過這種比較為每個(gè)代碼元件C1、C2、C3各產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字值或者說一個(gè)比特B1、B2、B3。在曼徹斯特代碼C中數(shù)字值B1依賴于分區(qū)域C1A、C1B的次序。一系列的多個(gè)數(shù)字值B1、B2、B3得出定義絕對位置的代碼字CW。通過相對代碼C推移檢測器單元D代碼元件C1、C2、C3的寬度及長度產(chǎn)生新的代碼字CW在要絕對測量的測量區(qū)域上構(gòu)成多個(gè)不同的代碼字。
圖1示出代碼C相對于掃描單元AE的當(dāng)前狀態(tài)。檢測元件D1至D11以代碼C的分區(qū)域C1A至C1B的一半寬度的距離順序地安排。由此保證在每個(gè)位置中把至少一個(gè)檢測元件D1至D11唯一性地分配給一個(gè)分區(qū)域C1A至C3B，并且不掃描在分區(qū)域C1A至C3B之間的過渡。在所示的位置中，分區(qū)域C1A由檢測元件D1掃描而分區(qū)域C1B由檢測元件D3掃描。檢測元件D1、D3采集光分布并且依賴于光強(qiáng)度產(chǎn)生與光強(qiáng)度成比例的模擬掃描信號(hào)S1A、S1B。由于兩個(gè)分分區(qū)域C1A至C1B互補(bǔ)，所以掃描信號(hào)S1A和S1B也彼此相反，就是說信號(hào)電平相互距離很遠(yuǎn)。
現(xiàn)在把這種信號(hào)距離用于產(chǎn)生二進(jìn)制的信息B1，在其中檢驗(yàn)代碼元件C1的兩個(gè)掃描信號(hào)S1A、S1B中的哪個(gè)較大。這種檢驗(yàn)可以通過除法器進(jìn)行或者通過減法器進(jìn)行。例如采用減法器時(shí)，為此如圖1所示用觸發(fā)器元件T1起比較裝置的作用。當(dāng)S1A小于S1B時(shí)，觸發(fā)器元件T1產(chǎn)生B1＝0，而S1A大于S1B時(shí)，B1＝1。用相同的方式，通過掃描代碼元件C2、C3和通過觸發(fā)器元件T2、T3比較相應(yīng)的代碼元件C2、C3的分區(qū)域C2A、C2B；C3A、C3B的模擬掃描信號(hào)S2A、S2B；S3A、S3B得到二進(jìn)制信息B2和B3。
給第一互補(bǔ)構(gòu)成的分區(qū)域A、B序列分配第一數(shù)字值，并且對第二互補(bǔ)構(gòu)成的分區(qū)域A、B序列分配第二數(shù)字值。在此例中把不透明到透明的順序分配值0而把透明到不透明的順序分配值1。
因?yàn)槊總€(gè)代碼元件C1、C2、C3的二個(gè)分區(qū)域A和B相互互補(bǔ)，所以掃描信號(hào)S的干擾距離非常大。光源L的光強(qiáng)改變同樣程度地影響二個(gè)分區(qū)A、B的掃描信號(hào)。
因?yàn)槊總€(gè)代碼元件C1、C2、C3的二個(gè)分區(qū)域A、B必須在位置測量裝置正確工作的條件下通過掃描這些分區(qū)域A、B產(chǎn)生其差超過規(guī)定值的相應(yīng)模擬掃描信號(hào)S。通過觀察這種差值可以進(jìn)行出錯(cuò)檢驗(yàn)。這種出錯(cuò)檢驗(yàn)的原理是，可以從在低于該差值一個(gè)規(guī)定的量時(shí)，該二進(jìn)制信息B1是不可靠的出發(fā)，并且從而對于該二進(jìn)制信息B1產(chǎn)生出錯(cuò)信號(hào)F。
這種產(chǎn)生出錯(cuò)信號(hào)的原理在圖2中借助于代碼元件C1示出。該代碼元件C1的模擬掃描信號(hào)S1A、S1B輸送到出錯(cuò)檢驗(yàn)裝置P。所述的出錯(cuò)檢驗(yàn)裝置P用減法器(S1A-S1B)比較S1A和S1B，檢驗(yàn)差值是否超過了規(guī)定的比較值V。如果差值(S1A-S1B)沒有超過規(guī)定的比較值V，就輸出一個(gè)出錯(cuò)信號(hào)F。在圖3中表示出這種信號(hào)關(guān)系。這種出錯(cuò)檢驗(yàn)對用于產(chǎn)生代碼字CW的所有比特B1、B2、B3的掃描信號(hào)進(jìn)行。
通過這種檢驗(yàn)?zāi)M掃描信號(hào)S的出錯(cuò)檢驗(yàn)產(chǎn)生的比特B1、B2、B3的可靠性。在低于規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，在此例中，是兩個(gè)用于構(gòu)成比特B1、B2、B3的模擬掃描信號(hào)S的信號(hào)幅度，把識(shí)別為不可靠的比特分配給出錯(cuò)標(biāo)記F。
每個(gè)代碼元件C1、C2、C3的兩個(gè)分區(qū)域A、B沿測量方向X順序地直接相鄰安排的優(yōu)點(diǎn)是，可以把檢測元件D1至D11以很小的距離沿測量方向X彼此相鄰地安排，從而位置測量裝置對檢測元件D對代碼的扭轉(zhuǎn)不敏感，也就是說對Moiré起伏不敏感。此外，對臟污的干擾敏感性也很小，因?yàn)檫@可以從代碼元件C1、C2、C3兩個(gè)分區(qū)域都要相同程度地受影響出發(fā)。
出錯(cuò)檢驗(yàn)還可以借助于相應(yīng)的兩個(gè)分區(qū)域A、B的數(shù)字掃描信號(hào)進(jìn)行。如果識(shí)別出代碼元件的分區(qū)域A、B不彼此相反(0→1、1→0)，就發(fā)出出錯(cuò)信號(hào)。
公知多種從掃描的代碼字CW確定出絕對位置(解碼)的方法。所有這此方法共同規(guī)定把一串N個(gè)比特的比特序列，并且把每個(gè)這樣的比特序列唯一性地分配一個(gè)絕對位置。在此該規(guī)定的比特序列串對應(yīng)通過掃描代碼在正確地工作時(shí)產(chǎn)生的代碼字CM串。通過把掃描出的代碼字的N比特與相應(yīng)的規(guī)定的比特序列串相比較可以從而給每個(gè)代碼字CW各唯一性地分配一個(gè)絕對位置。
規(guī)定所述比特序列的一個(gè)可能性是設(shè)置帶有ROM形式的分配表的存儲(chǔ)器。在該存儲(chǔ)器中存放對位置分配的比特序列。為了把絕對位置分配到掃描出的代碼字CM，也就是說為了解碼，代碼字CW構(gòu)成分配表的地址，從而在輸出端上出現(xiàn)分配給該地址的位置(參照圖4)。這種解碼要求把代碼字CW標(biāo)準(zhǔn)化。通常的解碼是轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼，例如CW＝111→位置1＝000；CW＝110→位置2＝001；CW＝101→位置3＝010，依此類推。
規(guī)定所述比特序列的另一個(gè)可能性是按照規(guī)定的構(gòu)成步驟產(chǎn)生，其中產(chǎn)生的步驟唯一性地確定絕對位置。在此從一個(gè)比特序列著手以計(jì)算的方式或者借助于邏輯元件(多數(shù)不包括“或”門)構(gòu)成比特序列的串。為此的構(gòu)成步驟和電路例如公開于文獻(xiàn)“digital displacement transducer using pseude-random binarysequences and a microprocessor，by B.E.Jones and K.Zia in Trans Inst M C Vol 3，No1，Jan-Mar 1981，13-20頁”中；該文獻(xiàn)在此引作參照。
根據(jù)本發(fā)明現(xiàn)在除了構(gòu)成代碼字CW的代碼模式以外還掃描另一個(gè)代碼元件，也就是另一個(gè)模式，尤其是至少另一個(gè)代碼模式的一部分。通過掃描該另一個(gè)模式，尤其是至少另一個(gè)代碼模式的一部分，構(gòu)成附加的比特。對該代碼模式的比特以及附加的比特檢驗(yàn)可靠性，其中例如進(jìn)行如上所述的模擬掃描信號(hào)S的幅度檢驗(yàn)?，F(xiàn)在除了檢驗(yàn)代碼字CW的N個(gè)比特以外，還檢驗(yàn)隨著比特序列串的相應(yīng)比特檢驗(yàn)附加的比特。在此比較中忽略識(shí)別為不可靠的比特。如果在此把N個(gè)比特以及冗余的附加比特與整個(gè)規(guī)定的比特序列串的比較中發(fā)現(xiàn)相符可靠的比特，就給比較代碼字CW分配針對所發(fā)現(xiàn)的比特序列儲(chǔ)存的絕對位置。這個(gè)位置是唯一性的。如果在比較時(shí)發(fā)現(xiàn)多個(gè)相符，就有多個(gè)的比特不可靠，于是需要另一個(gè)查錯(cuò)程序或者輸出出錯(cuò)警報(bào)，因?yàn)樵诖宋恢貌荒軌虼_定唯一性的絕對位置。
例如另一個(gè)檢錯(cuò)程序在于，從當(dāng)前的位置與上一個(gè)位置之間的改變只能夠是預(yù)定值著手。如果這時(shí)在比較時(shí)發(fā)現(xiàn)多個(gè)相符，就把多個(gè)位置中的其與上個(gè)位置的距離沒有超過或者最接近于上次確定的位置解釋為有效的。
還有可能，把比較就局限于上次確定的位置的相鄰區(qū)域內(nèi)。
下面參照圖4和圖5a至5f借助于具體例子更詳細(xì)地說明本發(fā)明。
在圖4中可見，用3位的字可以唯一性地區(qū)別最多8個(gè)不同的代碼字，從而也可以唯一性地區(qū)別八個(gè)不同的位置。在第一行中有串行的單軌跡單步偽隨機(jī)代碼(PRC)的比特序列。因?yàn)閹в兴械目赡苄?，所以這種序列也稱為最長序列。
圖4中在此第一行下面示出了對8個(gè)不同位置被掃描的代碼字。這些代碼字各由頭三個(gè)比特構(gòu)成。作為冗余的信息在此例中掃描最后的代碼字。這些附加的比特是用斜體示出。最長序列優(yōu)選地用于角度測量，在此封閉地使用最長序列。
下面借助于圖5a至5f在第二位置說明比較程序，其中把識(shí)別成不可靠的比特標(biāo)以F。這些比特作為比較結(jié)果總是給出相符。在比較時(shí)的相符在圖5a至5f中用X標(biāo)志。
在圖5a中示出在掃描中不含有出錯(cuò)的比特，從而在8個(gè)不同位置的單個(gè)比較中出現(xiàn)所有比特的相符。從而這些位置是可以唯一性確定并且分析成有效的。
在圖5b中一個(gè)掃描出的比特標(biāo)以出錯(cuò)標(biāo)記F。這個(gè)比特在比較時(shí)不予考慮，這個(gè)位置還定可以唯一性確定的。
圖5c中兩個(gè)掃描得出的比特標(biāo)以出錯(cuò)標(biāo)記F。在此這個(gè)位置還是可以唯一性確定的。
在圖5d中有三個(gè)比特標(biāo)出為不可靠的，然而這個(gè)位置還是可以唯一性確定的。
在圖5e中同樣有三個(gè)比特標(biāo)出為不可靠的，但是在其它的位置，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)相符，從而這個(gè)位置不是可以唯一確定的。
圖5f示出沒有比特被識(shí)別成不可靠的比特，盡管如此在比較時(shí)沒有發(fā)現(xiàn)相符。這意味著在掃描中至少有一個(gè)出錯(cuò)的比特，但是出錯(cuò)檢驗(yàn)裝置P沒有識(shí)別出。由此可以確定出錯(cuò)檢驗(yàn)裝置工作不可靠。
冗余掃描并且用于比較的比特最好與代碼字直接相鄰的比特，但是這不是必要的。重要的只是要把冗余掃描出的比特位置正確地與從規(guī)定串的比特進(jìn)行比較。
本發(fā)明尤其有利地可以用于有序的單步曼徹斯特代碼。但是本發(fā)明不限于這種代碼，它與可以用于多軌跡的代碼。在此每個(gè)代碼元件還只從一個(gè)單個(gè)的區(qū)域組成，從而每個(gè)比特只從一個(gè)模擬掃描信號(hào)得到。為了檢驗(yàn)這種比特的可靠性把這種掃描信號(hào)以公知的方式與額定幅度比較。
本發(fā)明特別有利地采用光學(xué)掃描原理。但是本發(fā)明不限于這種掃描原理，而是可以用于磁性的，電感性以及容性的掃描原理。
所述的位置測量裝置可以用于測量直線的或者旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)。在此所測量的對象可以是機(jī)床、的臺(tái)或者滑動(dòng)架、坐標(biāo)儀或者電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子。
權(quán)利要求
1.測量絕對位置的方法，具有以下的方法步驟-掃描由一串代碼模式組成的代碼模式，其中每個(gè)代碼模式唯一性地定義一個(gè)絕對位置，并且每一個(gè)代碼模式由多個(gè)代碼元件(C1、C2、C3)組成，以及掃描附加的代碼元件；-通過掃描該代碼模式構(gòu)成帶有多個(gè)比特的代碼字(CW)；-通過掃描附加的代碼元件構(gòu)成附加的比特；-檢驗(yàn)代碼字(CW)的比特以及附加的比特的可靠性，并且在低于規(guī)定的一個(gè)比特的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)給該比特分配出錯(cuò)標(biāo)記(F)；-規(guī)定一串比特序列，其中相應(yīng)地給這樣的比特序列中的一個(gè)唯一地分配一個(gè)絕對位置；-把代碼字(CW)的比特與規(guī)定的一串比特序列進(jìn)行比較并且把附加比特與規(guī)定的比特序列的相應(yīng)比特進(jìn)行比較，在所有的比特相一致時(shí)，把該相應(yīng)的絕對位置分配給代碼字(CW)，其中在對相符性進(jìn)行比較時(shí)不考慮設(shè)有出錯(cuò)標(biāo)記(F)的比特。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中附加的代碼元件至少是一串代碼模式中的另一個(gè)代碼模式的一部分。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中通過掃描代碼模式產(chǎn)生多個(gè)模擬掃描信號(hào)(S)并且為了構(gòu)成一個(gè)比特至少采用一個(gè)這樣的掃描信號(hào)(S)。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中在檢驗(yàn)一個(gè)比特的可靠性時(shí)把構(gòu)成該比特所采用的掃描信號(hào)的信號(hào)幅度與額定幅度進(jìn)行比較。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其中采用兩個(gè)掃描信號(hào)(S1A、S1B)構(gòu)成一個(gè)比特，在檢驗(yàn)該比特的可靠性時(shí)把這兩個(gè)掃描信號(hào)(S1A、S1B)的差與一個(gè)額定的差(V)進(jìn)行比較。
6.如以上權(quán)利要求之一所述的方法，其中通過儲(chǔ)存的分配表列規(guī)定一串比特序列及給每個(gè)這樣的序列分配絕對位置。
7.如權(quán)利要求1至5之一所述的方法，其中按照一個(gè)構(gòu)成規(guī)則規(guī)定一串比特序列及給每個(gè)這樣的序列分配絕對位置。
8.位置測量裝置，用于實(shí)施如以上權(quán)利要求之一所述的方法。
全文摘要
在一種根據(jù)本發(fā)明的測量絕對位置的方法中，冗余地掃描一個(gè)代碼(C)，其中除了用于測量絕對位置所需要的代碼句(CW)以外檢測其它的比特。所有通過掃描得出的比特對可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)并且在識(shí)別為不可靠的比特時(shí)對該比特分配出錯(cuò)標(biāo)記(F)。在解碼時(shí)不考慮帶有出錯(cuò)標(biāo)記(F)的比特。
文檔編號(hào)G01D5/347GK1497243SQ0315981
公開日2004年5月19日 申請日期2003年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月25日
發(fā)明者R·米特曼, R 米特曼 申請人:約翰尼斯海登海恩博士股份有限公司