用于確定位置的系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于確定位置的系統(tǒng)(1)，其具有第一傳感器(4)，特別是線傳感器，具有用于掃描第一二維圖案(5，5′)并產(chǎn)生掃描信號(hào)的掃描長(zhǎng)度(L)。第一二維圖案(5，5′)具有在掃描長(zhǎng)度(L)的至少一部分形成第一碼字的圖案元素(6)，所述第一碼字對(duì)沿前進(jìn)方向的絕對(duì)位置進(jìn)行編碼。進(jìn)一步地，第一碼字可以作為確定第一傳感器(4)與相對(duì)于第一二維圖案(5)的理想位置(9，10，12)的偏差的基礎(chǔ)。
【專利說明】
用于確定位置的系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于確定沿前進(jìn)方向的位置的系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有如權(quán)利要求1所 述的用于掃描圖案的傳感器和可掃描的二維圖案，同時(shí)還涉及一種如權(quán)利要求12所述的確 定沿前進(jìn)方向的位置的方法以及計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。
【背景技術(shù)】
[0002] 在許多需要確定沿前進(jìn)方向移動(dòng)的目標(biāo)位置的應(yīng)用領(lǐng)域中需要確定沿前進(jìn)方向 位置的系統(tǒng)，例如，線性軸上的機(jī)器部件的位置，如驅(qū)動(dòng)器或旋轉(zhuǎn)臂的位置。這種情況下，檢 測(cè)的位置可作為用于測(cè)量目的的位置值，或者應(yīng)用于具有位置控制回路的驅(qū)動(dòng)的定位元 件。這樣的定位系統(tǒng)相應(yīng)地應(yīng)用在如坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM)、大地測(cè)量設(shè)備、機(jī)器人手臂或液壓 執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備中。這樣的系統(tǒng)通常具有圖案和傳感器，所述圖案或所述傳感器被連接到 所述移動(dòng)體，所述圖案和所述傳感器能夠沿前進(jìn)方向彼此相對(duì)地移動(dòng)。所述傳感器掃描圖 案，并產(chǎn)生一個(gè)基于被掃描的圖案部分的掃描信號(hào)。所述圖案被構(gòu)造為掃描信號(hào)的變化依 賴于傳感器與圖案之間相對(duì)位置的變化，因此獲得目標(biāo)的位置。該系統(tǒng)的控制和評(píng)估單元 使用關(guān)于圖案的存儲(chǔ)信息從掃描信號(hào)中確認(rèn)所尋求的位置。舉例來(lái)說，用于增量定位的圖 案具有相同類型的圖案元素，所述圖案元素以彼此之間相同的相對(duì)距離布置在前進(jìn)方向 上。所述傳感器在每種情況下掃描一個(gè)圖案元素。存儲(chǔ)在控制和評(píng)估單元的信息為圖案元 素之間的距離，因此，基于傳感器和圖案已定義的零位置，可以通過傳感器和圖案之間相對(duì) 運(yùn)動(dòng)掃描到的同類型掃描信號(hào)的數(shù)量來(lái)確定位置。增量定位的系統(tǒng)具有的缺點(diǎn)是，當(dāng)系統(tǒng) 被重新啟動(dòng)時(shí)，每次都必須從一個(gè)零位置或一個(gè)參考位置再次開始。
[0003] 相反，在絕對(duì)定位系統(tǒng)中，分別的單個(gè)圖案元素或圖案元素的序列產(chǎn)生特有的和 可辨識(shí)的掃描信號(hào)。這允許將一個(gè)唯一的位置與一個(gè)傳感器和圖案之間分別的相對(duì)位置聯(lián) 系起來(lái)，即沒有依據(jù)一個(gè)參考位置。
[0004] 理想情況下，傳感器和圖案僅改變彼此之間在前進(jìn)方向上的相對(duì)位置，即，他們相 對(duì)于彼此的運(yùn)動(dòng)只有一個(gè)自由度(DoF)。然而在實(shí)際中，在這種理想情況下不希望有的偏差 經(jīng)常出現(xiàn)，即傳感器相對(duì)于圖案的位置無(wú)意中經(jīng)常在至少多于一個(gè)的空間方向上變化，例 如以偏移，歪斜或傾斜的形式。在這種情況下，偏移量或者是恒定的，或者考慮到前進(jìn)的方 向和圖案的縱軸線方向并不完全彼此平行，偏移量由相對(duì)位置決定。此外，傳感器會(huì)產(chǎn)生歪 斜或傾斜，即傳感器在其自身至少一個(gè)軸上無(wú)意間的旋轉(zhuǎn)。這些與理想情況的差異可能產(chǎn) 生對(duì)測(cè)量精度的不利影響。保持這種偏差盡可能的小，也就是觀察所述理想位置盡可能精 確，或?qū)ζ钸M(jìn)行補(bǔ)償需要高度復(fù)雜的設(shè)計(jì)和/或復(fù)雜的校準(zhǔn)方法，特別是當(dāng)在前進(jìn)方向上 有大區(qū)域運(yùn)動(dòng)時(shí)。
[0005] 作為一種替代方案，US 6333511公開了一種系統(tǒng)用于確定目標(biāo)沿前進(jìn)方向的位 置，其進(jìn)一步的目的是能夠用來(lái)識(shí)別目標(biāo)或傳感器垂直于前進(jìn)方向的輕微運(yùn)動(dòng)，或允許傳 感器與前進(jìn)方向水平定向。該系統(tǒng)基于光電技術(shù)、增量定位技術(shù)，并且沿前進(jìn)方向具有交替 的不透明和透明條紋的圖案，所述圖案由具有采用透射照明方法的探測(cè)器陣列的傳感器進(jìn) 行掃描。條紋彼此之間的距離是已知的并存儲(chǔ)在控制和評(píng)估單元，優(yōu)選地，條紋彼此之間的 距離是一致的。條紋圖案和傳感器彼此配合，以至于傳感器所對(duì)應(yīng)圖案的每個(gè)相對(duì)位置，一 個(gè)條紋無(wú)論何時(shí)都只有一個(gè)邊緣，即探測(cè)器所掃描的一個(gè)不透明條紋和一個(gè)透明條紋之間 的邊界。依據(jù)不透明條紋相對(duì)于探測(cè)器的相對(duì)位置(并因此圖案或連接到圖案的移動(dòng)目標(biāo) 的位置），探測(cè)器檢測(cè)不同量的光，因此在每種情況下，探測(cè)器產(chǎn)生的光相關(guān)的探測(cè)信號(hào)強(qiáng) 度取決于相對(duì)位置。
[0006] 因此，所求位置可以使用一個(gè)單獨(dú)地、適用地選定的探測(cè)器所產(chǎn)生的探測(cè)器信號(hào) 強(qiáng)度來(lái)增量地確定。適用的檢測(cè)器是指其掃描條紋的邊緣并且在這樣做時(shí)，既感覺不到最 小可能的光照強(qiáng)度（因?yàn)椴煌该鳁l紋而完全變暗的情況下）也感覺不到最大可能的光照強(qiáng) 度（因?yàn)橥该鳁l紋而完全照明的情況下）。為了增加精度，最終位置是通過把各自檢測(cè)器所 確定的多個(gè)位置值求平均計(jì)算得出的。目標(biāo)或傳感器在垂直于前進(jìn)方向或在前進(jìn)方向上傳 感器的水平定向的運(yùn)動(dòng)(參見前述）的確定，可以根據(jù)US6333511使用一個(gè)V形條紋的圖案或 具有平行于前進(jìn)方向條紋的附加圖案來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)US6333511的系統(tǒng)的缺點(diǎn)是，首先絕對(duì)位 置的定位是不可能的，其次除了目標(biāo)或傳感器垂直于前進(jìn)方向的輕微運(yùn)動(dòng)和傳感器的水平 定位之外，要確定從傳感器理想位置相對(duì)于圖案的進(jìn)一步的偏差是不可能的，和第三，探測(cè) 器陣列沿著前進(jìn)的方向的定位，即在前進(jìn)而非與之垂直的方向上的掃描，雖然是可能的但 是勢(shì)必會(huì)伴隨精確度的損失。在US6333511所披露的系統(tǒng)僅通過使用附加定位裝置或在前 進(jìn)方向與第一圖案平行延伸的附加條紋圖案的情況下，絕對(duì)位置的確定是可能的。附加裝 置或附加條紋圖案可以用來(lái)確定絕對(duì)位置，其結(jié)果是前述增量定位法可以被絕對(duì)定位，即 增量圖案和附加定位裝置或附加圖案可以用來(lái)最終指定絕對(duì)位置。這種情況的一個(gè)缺點(diǎn)是 其僅能相對(duì)粗略地確定絕對(duì)位置。
[0007] EP0042179同樣公開了一種確定沿前進(jìn)方向位置的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)可以使用具有V 形帶圖案確定與理想位置的偏離。這種情況下也是，一個(gè)位置確定增量使用一個(gè)通過進(jìn)一 步分離的絕對(duì)布置的圖案，絕對(duì)圖案平行于第一圖案在前進(jìn)方向上延伸，EP0042179的絕對(duì) 圖案使用灰色代碼編碼粗略的位置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于確定沿前進(jìn)方向的位置的改進(jìn)系統(tǒng)，其既可 以用來(lái)確定傳感器與其相對(duì)于圖案的理想位置的偏差，也可以簡(jiǎn)單但準(zhǔn)確地確定絕對(duì)位 置。
[0009] 本發(fā)明通過獨(dú)立權(quán)利要求的技術(shù)特征和/或從屬權(quán)利要求的技術(shù)特征，或進(jìn)一步 改進(jìn)的解決方案來(lái)達(dá)到這個(gè)目的。
[0010] 本發(fā)明涉及一種用于確定沿前進(jìn)方向的位置的系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有在前進(jìn)方向上延 伸的第一二維圖案(2D圖案)和集成在第一掃描頭中的第一傳感器，所述第一傳感器具有用 于掃描第一二維圖案并產(chǎn)生掃描信號(hào)的探測(cè)器陣列。在這種情況下，第一二維圖案由第一 傳感器利用所述陣列的規(guī)定的伸長(zhǎng)部分的探測(cè)器進(jìn)行掃描。所述部分的長(zhǎng)度被定義為掃描 長(zhǎng)度。掃描長(zhǎng)度的取向限定了縱向軸線。掃描長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)于不超過探測(cè)器陣列的范圍，并且比 第一二維圖案在前進(jìn)方向上的范圍小得多。此外，該系統(tǒng)具有控制和評(píng)估單元用于對(duì)掃描 信號(hào)評(píng)估。第一傳感器和第一二維圖案沿著前進(jìn)方向相對(duì)于彼此移動(dòng)。第一二維圖案包括 圖案元素，并且所述圖案元素的形式使得所述第一二維圖案能夠被用于確定待絕對(duì)確定的 位置，并且附加地，可用于確定就第一傳感器相對(duì)于第一二維圖案的至少一個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度 (除前進(jìn)方向的運(yùn)動(dòng)以外)而言，與理想位置的差異。為此，每個(gè)圖案元素形成在掃描長(zhǎng)度的 至少一部分上的第一碼字。碼字被理解為彼此之間可明確識(shí)別出的數(shù)字值序列。在每一種 情況下，第一碼字對(duì)待絕對(duì)確定的位置編碼，從而通過一系列連續(xù)布置的第一個(gè)碼字，第一 二維圖案在前進(jìn)方向上形成了絕對(duì)位置的代碼路徑。此外，與每個(gè)位置相關(guān)聯(lián)的第一碼字 可以作為確定在各自位置上第一傳感器與相對(duì)于第一二維圖案的理想位置的偏差的基礎(chǔ)。 第一傳感器所產(chǎn)生的掃描信號(hào)在各自的位置對(duì)應(yīng)于第一碼字。在控制和評(píng)估單元中存儲(chǔ)一 份解碼信息，優(yōu)選為解碼表，該解碼表可以用于將一個(gè)絕對(duì)位置與每個(gè)掃描信號(hào)唯一地關(guān) 聯(lián)起來(lái)。此外，基于第一碼字或相關(guān)的理想的掃描信號(hào)，可以使用在控制和評(píng)估單元中存儲(chǔ) 的信息對(duì)查明的掃描信號(hào)進(jìn)行評(píng)估，從而使得第一傳感器從相對(duì)于第一二維圖案的理想位 置的偏差可以至少關(guān)于一個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度被確定。
[0011] 就成本/效益比而言，使用線傳感器作為所述傳感器尤為有利，即傳感器具有在一 個(gè)維度上延伸的探測(cè)器的線性陣列。盡管后續(xù)的說明涉及將線傳感器作為例子，但是本發(fā) 明不局限于這樣的線傳感器，而是還包括其他傳感器，如具有上面描述特征的多行傳感器 或包括二維探測(cè)器陣列的傳感器。
[0012] 雖然根據(jù)本發(fā)明，所有可用在系統(tǒng)中來(lái)確定位置的物理工作原理都是適合的，但 是優(yōu)選地本系統(tǒng)被為光電和/或電容/電子圖案識(shí)別或第一二維圖案掃描而設(shè)計(jì)。為了形成 至少在掃描長(zhǎng)度一部分上將所求位置絕對(duì)編碼的第一碼字，該第一二維圖案的圖案元素被 實(shí)施和/或布置為在前進(jìn)的方向上以限定的方式是可識(shí)別的，因此，在每一種情況下，與掃 描長(zhǎng)度相適應(yīng)的限定數(shù)量的圖案元素形成了數(shù)字值的序列，所述序列在前進(jìn)方向上的整個(gè) 二維圖案中只出現(xiàn)一次。因此，對(duì)絕對(duì)位置編碼而言每個(gè)序列是唯一適合的。不同的實(shí)施例 意味著例如圖案元素的不同的形式或不同的可掃描識(shí)別的物理特性，也就是說，以光學(xué)的 第一二維圖案為例，即透明度或反射率，并且可識(shí)別的布置方式是指例如圖案元素不同的 序列或傾斜度。在第一線傳感器關(guān)于第一二維圖案的每個(gè)相對(duì)位置，至少在某種程度上位 于掃描長(zhǎng)度的區(qū)域內(nèi)的每個(gè)圖案元素可以被至少一個(gè)探測(cè)器掃描。在這種情況下，不需要 如在基于現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)中一樣，使得圖案元素的邊緣可以被探測(cè)器掃描。在這方面，與現(xiàn) 有技術(shù)相反，不需要將圖案元素和線傳感器的探測(cè)器的寬度彼此匹配。然而，優(yōu)選地，至少 一個(gè)圖案元素或圖案元素的一部分可以在第一線傳感器關(guān)于第一二維圖案的每個(gè)相對(duì)位 置中被掃描長(zhǎng)度的每個(gè)探測(cè)器所掃描。通過將分配給每個(gè)探測(cè)器掃描產(chǎn)生的信號(hào)的數(shù)字 值，掃描長(zhǎng)度上的探測(cè)器通過掃描編碼為第一碼字的圖案元素來(lái)形成電信號(hào)序列。因此，每 一種情況下掃描信號(hào)對(duì)應(yīng)于第一碼字。每個(gè)碼字具有一個(gè)沿前進(jìn)方向的關(guān)聯(lián)位置。該關(guān)聯(lián) 關(guān)系被存儲(chǔ)在控制和評(píng)估單元中，其用于解碼掃描信號(hào)，并從而確定位置。由第一二維圖案 形成的絕對(duì)位置編碼路徑對(duì)位置編碼，例如以二進(jìn)制(bit)的形式，采用偽隨機(jī)碼(PRC)或 使用最大序列(最大長(zhǎng)度序列MLS)。例如，進(jìn)一步適用于本發(fā)明例子的代碼也可以在2011年 3月2日公開的來(lái)自同一
【申請(qǐng)人】的瑞士專利CH 704584中找到，據(jù)此其作為本申請(qǐng)的一部分。 參考圖4至圖7,專利申請(qǐng)CH 704584描述了用于代碼的圖案元素的序列規(guī)則。該序列的長(zhǎng)度 最好與特定應(yīng)用的最佳分辨率和任意的可選擇性相匹配，盡管如此，上述的例子不能被理 解為一種限制。
[0013] 依據(jù)本發(fā)明的所述圖案元素的實(shí)施方式或布置方式，由此在第一二維圖案上有規(guī) 定數(shù)量的碼字可用。通過碼字的實(shí)施方式，沿測(cè)量路徑一系列編碼形式的絕對(duì)位置值由此 呈現(xiàn)。因此，第一二維圖案可以用來(lái)確定在絕對(duì)測(cè)量路徑上不連續(xù)數(shù)量的位置(位置可能被 進(jìn)一步的方法改進(jìn)，見下文）。步長(zhǎng)，即可絕對(duì)確定的位置之間的距離，可以通過圖案元素的 實(shí)施方式或布置方式來(lái)設(shè)定。
[0014] 第一線傳感器與相對(duì)于第一二維圖案的理想位置的就一個(gè)或兩個(gè)平移方向的運(yùn) 動(dòng)而言的偏差是可能存在的，所述運(yùn)動(dòng)不包括在前進(jìn)方向的運(yùn)動(dòng)和/或關(guān)于一個(gè)或多個(gè)三 個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)(這五者一般均表示為運(yùn)動(dòng)的自由度）。舉例來(lái)說，當(dāng)?shù)谝痪€傳感器從理想 的方向上相對(duì)于第一二維圖案在垂直于二維圖案所在平面的軸線上傾斜時(shí)，與理想位置之 間存在關(guān)于一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的偏差。其他類型與理想位置之間的偏差是在第一線傳感器的 縱向軸上的傾斜或縱向軸本身相對(duì)于一個(gè)垂直并且與第一二維圖案平行的軸的傾斜，因此 在線性陣列上的探測(cè)器具有與第一二維圖案不同的距離，第一線傳感器的橫向偏移，也就 是運(yùn)動(dòng)方向上的偏差，所述運(yùn)動(dòng)方向與前進(jìn)方向正交并與二維圖案的平面平行，或者第一 線傳感器與第一二維圖案之間的距離變化，也就是運(yùn)動(dòng)方向的偏差，所述運(yùn)動(dòng)方向與前進(jìn) 方向以及二維圖案平面正交。
[0015] 至少一種與理想位置的這類偏差可以由本發(fā)明基于第一碼字的系統(tǒng)測(cè)出，為了這 個(gè)目的，每個(gè)第一碼字不僅是前進(jìn)方向上的絕對(duì)位置，而且是第一線傳感器與相應(yīng)第一二 維圖案之間的相對(duì)位置偏差，也就是一般為具有兩個(gè)或更多在前進(jìn)方向上有相同的絕對(duì)位 置的第一碼字的第一二維圖案，所述碼文每個(gè)代碼與絕對(duì)位置的偏差涉及相同的運(yùn)動(dòng)自由 度或者除了絕對(duì)位置之外的相同的運(yùn)動(dòng)自由度?？蛇x擇地，第一碼字或相應(yīng)的掃描信號(hào)存 儲(chǔ)在控制和評(píng)估單元中，作為涉及一個(gè)或多個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)的各自的理想位置的偏差函數(shù) 使用，也就是說，本應(yīng)用基于的事實(shí)是線傳感器與理想位置的偏差導(dǎo)致掃描信號(hào)與理想掃 描信號(hào)之間的偏差，所述偏差是由相關(guān)聯(lián)的第一碼字在線傳感器的相對(duì)位置產(chǎn)生的。作為 替代或補(bǔ)充，在每種情況下只通過一個(gè)位置被掃描的圖案元素的一部分形成所述第一碼字 的實(shí)施例中，所述偏差由在掃描長(zhǎng)度內(nèi)形成第一碼字的圖案元素的位置或使用線性陣列探 測(cè)這些圖案元素的探測(cè)器的位置所確定?？蛇x擇地，第一線傳感器和/或它的探測(cè)器相對(duì)于 理想位置信號(hào)強(qiáng)度的信號(hào)強(qiáng)度會(huì)被加以考慮。在所有可供選擇的形式中，定向在圖案平面 內(nèi)并由此相對(duì)于前進(jìn)方向傾斜的圖案元素特別適合于絕對(duì)位置和偏差的編碼。
[0016] 在某些實(shí)施例中，第一二維圖案是以在每一種情況下使得圖案元素的序列在前進(jìn) 方向上形成第一碼字的形式。換言之，第一碼字具有在前進(jìn)方向上不同并可識(shí)別的實(shí)施方 式和/或布置方式。因此，第一傳感器-或更精確地說是其縱向軸線方向-大體定向在前進(jìn)方 向上，因此，在第一線傳感器關(guān)于第一二維圖案的每個(gè)相對(duì)位置上，在每種情況下掃描組成 碼字的圖案元素是可行的。在基于現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)下，當(dāng)掃描方向的方位從由與前進(jìn)方向 正交到與前進(jìn)方向平行進(jìn)行改變時(shí)，定位的精度會(huì)出現(xiàn)下降。與此相反，本發(fā)明提供的優(yōu)點(diǎn) 是，根據(jù)本發(fā)明的絕對(duì)編碼允許掃描方向平行于前進(jìn)方向，而無(wú)需接受定位精度的下降。僅 使用單個(gè)圖案或單個(gè)位置代碼路徑允許狹窄的定位系統(tǒng)而不必考慮線傳感器相對(duì)二維圖 案的掃描方向，即在橫向于前進(jìn)方向上延展較少的緊湊系統(tǒng)。所描述的平行掃描方向，即在 前進(jìn)方向上掃描，允許圖案寬度上更大的縮減，甚至更緊湊的系統(tǒng)。因此，特別是在空間有 限的測(cè)量環(huán)境下或在狹窄的機(jī)器組件的情況下需要確定絕對(duì)位置和理想位置的偏差時(shí)，根 據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)將具有優(yōu)勢(shì)。
[0017] 可選擇的，圖案元素序列在前進(jìn)方向上形成的第一碼字具有以不同且可識(shí)別的實(shí) 施方式和/或布置方式的圖案元素，由此，第一二維圖案在前進(jìn)的方向上被拆分成為大量各 自相鄰的區(qū)域，所述區(qū)域所包括的圖案元素彼此之間具有不同實(shí)施方式和/或布置方式。具 有以規(guī)定方式實(shí)施和/或布置的圖案元素的每個(gè)區(qū)域形成一種區(qū)域類型。在所述實(shí)施例中， 第一二維圖案因此具有至少兩個(gè)-最好是多個(gè)-特別是大量的-不同形式的區(qū)域類型，即至 少兩個(gè)區(qū)域所具有的圖案元素在整個(gè)第一二維圖案上出現(xiàn)不同的、固有規(guī)定的實(shí)施方式 和/或布置方式。在第一二維圖案的類型只有兩種情況下，這兩種類型總是交替地出現(xiàn)在前 進(jìn)的方向上，所以它們是可識(shí)別的。所述每個(gè)區(qū)域具有前進(jìn)方向的區(qū)域長(zhǎng)度。在這種情況 下，區(qū)域長(zhǎng)度被理解為各自區(qū)域在前進(jìn)方向的范圍，也就是指它相對(duì)于前進(jìn)方向的范圍或 長(zhǎng)度。在這種情況下，第一線傳感器的掃描長(zhǎng)度與區(qū)域長(zhǎng)度相匹配以使第一線傳感器可以 同時(shí)從至少兩個(gè)區(qū)域在每個(gè)位置掃描圖案元素。因此，在每種情況下，可以在掃描長(zhǎng)度上掃 描可識(shí)別區(qū)域類型的序列。這些區(qū)域序列被用來(lái)形成各自的第一碼字。或者，該區(qū)域具有至 少兩個(gè)在前進(jìn)方向上可識(shí)別區(qū)域的長(zhǎng)度，并且該區(qū)域長(zhǎng)度也同樣用于形成各自的第一碼 字。這是優(yōu)選地通過使用該區(qū)域的序列和區(qū)域的長(zhǎng)度完成的，為了達(dá)到形成碼字的目的，所 述該區(qū)域的序列和區(qū)域的長(zhǎng)度可以在掃描長(zhǎng)度上結(jié)合形成代碼字目的的相對(duì)位置被掃描。 在這種情況下，不同區(qū)域類型的數(shù)量和不同區(qū)域長(zhǎng)度的數(shù)量以相互匹配的方式進(jìn)行選擇， 最好是數(shù)值之間彼此互質(zhì)。因?yàn)榈谝欢S圖案是由區(qū)域類型并且可選地由相差極大選定的 區(qū)域長(zhǎng)度形成的，得到相對(duì)簡(jiǎn)單和穩(wěn)定的絕對(duì)編碼，因?yàn)閽呙栊盘?hào)至少受區(qū)域類型或區(qū)域 長(zhǎng)度相關(guān)的不確定性或誤差的影響，但在大多數(shù)情況下兩者都具有。
[0018] 通過使第一掃描頭不只具有第一線傳感器，同時(shí)還具有至少一個(gè)用于掃描第一二 維圖案的第二線傳感器，系統(tǒng)的改進(jìn)使得穩(wěn)定性和/或精度得到提高，在所述改進(jìn)中，圖案 元素的序列形成在前進(jìn)方向上的第一碼字。這兩個(gè)線傳感器優(yōu)選為大體彼此平行定位，并 兩者任一距對(duì)方以一個(gè)規(guī)定的距離在前進(jìn)方向上依次布置或緊挨著彼此布置。從第一到第 二線傳感器規(guī)定的距離定義為傳感器的中心相對(duì)于彼此的距離，在以下被稱為線傳感器的 距離。如果兩個(gè)線傳感器是在前進(jìn)方向上依次布置的，所述線傳感器的距離大于兩個(gè)線傳 感器長(zhǎng)度的平均值，兩個(gè)線傳感器也可以由一個(gè)具有相對(duì)于對(duì)方在一個(gè)距離上相互隔開的 兩個(gè)探測(cè)器陣列的長(zhǎng)線傳感器制成。線傳感器的距離已知并存儲(chǔ)在控制和評(píng)估單元。
[0019] 在另一個(gè)依據(jù)本發(fā)明系統(tǒng)的改進(jìn)中，第一掃描頭具有第一線傳感器，其縱向軸線 方向大致垂直于前進(jìn)方向，以及一個(gè)第二線傳感器，其縱向軸線方向同樣大致垂直于前進(jìn) 方向，兩個(gè)線傳感器定向大致互相平行。第一和第二線傳感器彼此處于一個(gè)規(guī)定的線傳感 器距離，并優(yōu)選地在前進(jìn)方向依次集成在第一掃描頭上。在該實(shí)施例中，第一二維圖案具有 形成與前進(jìn)方向垂直的第一碼字的圖案元素。來(lái)自第二線傳感器的掃描信號(hào)對(duì)應(yīng)第一碼 字，并且來(lái)自第一線傳感器的掃描信號(hào)也是如此，因此，這同樣可以被用來(lái)確定位置以及第 二線傳感器從理想位置相對(duì)于第一二維圖案的偏差。然后，前進(jìn)方向上所求位置由第一和 第二線傳感器的兩個(gè)冗余確定的位置來(lái)確定，例如，通過求平均值，其可增加精度。
[0020] 可選的，在擁有兩個(gè)彼此有距離的線傳感器的系統(tǒng)中，第一和第二線傳感器的各 自從理想位置的偏差被用在根據(jù)線傳感器距離以確定第一掃描頭從理想位置至少一個(gè)自 由度的運(yùn)動(dòng)偏差，作為使用兩個(gè)彼此有距離的線傳感器的結(jié)果，該系統(tǒng)比只具有一個(gè)線傳 感器的系統(tǒng)具有更大的精度。在要求特別高的定位實(shí)施例中，掃描頭與理想位置在所有自 由度的運(yùn)動(dòng)偏差都被確定，也就是說，剩余的兩個(gè)平移自由度和三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。
[0021] 作為進(jìn)一步的選擇，兩個(gè)線傳感器的掃描是進(jìn)一步地或可替換地用于確定掃描頭 如與發(fā)熱有關(guān)或與使用年限有關(guān)的變形。為了最大可能的精度，特別是參考掃描頭在與前 進(jìn)方向垂直的軸向上的傾斜，在這種情況下線傳感器距離的選擇要盡可能地大，且在這種 情況下，兩個(gè)線傳感器理想地安裝在第一掃描頭相反的兩端。作為使用兩個(gè)具有線性陣列 探測(cè)器的線傳感器的替代方案，應(yīng)用一個(gè)面積傳感器，其中只有最遠(yuǎn)的兩個(gè)線性陣列被用 于或讀取去掃描。不用說，即使在第一掃描頭只有一個(gè)線性陣列探測(cè)器的情況下，使用面積 傳感器代替線傳感器也是可行的。讀取單一的探測(cè)器線條能比多線條要快得多，但線傳感 器比相應(yīng)的面積傳感器更有利地便宜，因此依據(jù)本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)依然存在。
[0022] 通過使用現(xiàn)有技術(shù)中已知可優(yōu)化的第一碼字使得位置被確定或可以被確定的方 法，所有依據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的精度進(jìn)一步提高是可選擇實(shí)現(xiàn)的。在光電系統(tǒng)的情況下，這種 用于子代碼精確定位方法，例如確定焦點(diǎn)亮度，是在線性陣列的分布方式或者是部分或全 部探測(cè)器的信號(hào)強(qiáng)度與參考強(qiáng)度相比的求值運(yùn)算。
[0023] 本發(fā)明此外還涉及一種具有在前進(jìn)方向上可相對(duì)移動(dòng)的臂的測(cè)量裝置。為了確定 沿著測(cè)量方向相對(duì)于彼此可移動(dòng)的臂的位置，根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置具有一個(gè)確定沿著前 進(jìn)方向位置的第一系統(tǒng)。優(yōu)選地，該測(cè)量裝置以線性編碼器的形式，并且在這種情況下，第 一二維圖案是材料測(cè)量的一部分。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明可選地具有至少一個(gè)第二系統(tǒng)的測(cè)量裝置，所述第二系統(tǒng)具有一個(gè)有 第二碼字的第二二維圖案和用于掃描二維圖案的第二掃描頭。第二系統(tǒng)的第二二維圖案在 前進(jìn)方向上平行于第一系統(tǒng)的第一二維圖案。每個(gè)系統(tǒng)包括二維圖案和相關(guān)的掃描頭，獨(dú) 立地適用于確定一個(gè)沿前進(jìn)方向的絕對(duì)位置和分別的線傳感器或掃描頭相對(duì)于分別的二 維圖案的理想位置的偏差。所述兩個(gè)系統(tǒng)可以彼此同樣地實(shí)施。第一掃描頭和二掃描頭可 一起移動(dòng)，將兩者的掃描頭優(yōu)選地集成在一個(gè)目標(biāo)中，例如一個(gè)普通支架或一個(gè)機(jī)械部件， 其位置可被確定在一個(gè)線性軸上，例如驅(qū)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)臂，在前進(jìn)方向上該目標(biāo)相對(duì)于第一和 第二二維圖案是可移動(dòng)的。
[0025] 可選擇地，第一二維圖案和第二二維圖案是平行地被布置在不同的平面。兩個(gè)圖 案平面一起圍成的角是已知的并存儲(chǔ)在控制和評(píng)估單元，特別地以至少近似的直角，也就 是說如90° ±1°或90° ±3°。根據(jù)這兩個(gè)二維圖案平面之間的角度以及兩個(gè)掃描頭被集成在 其中的目標(biāo)與理想位置在多個(gè)、優(yōu)選為所有的自由度上的運(yùn)動(dòng)偏差，由第一線傳感器或第 一掃描頭和第二線傳感器或第二掃描頭與理想位置的偏移，該二維圖案或第一和第二系統(tǒng) 的三維布置被確定下來(lái)。因此，根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置不僅能確定一個(gè)沿前進(jìn)方向可運(yùn)動(dòng) 的目標(biāo)的絕對(duì)位置，還可以確定目標(biāo)的傾斜、歪斜等或者目標(biāo)在空間上也就是三維上與理 想位置的偏差。
[0026] 如果需要在相對(duì)較長(zhǎng)的測(cè)量路徑上定位，即需要一個(gè)長(zhǎng)行程的測(cè)量裝置，那么這 就需要相應(yīng)長(zhǎng)的二維圖案。因此，比較復(fù)雜的絕對(duì)編碼和控制和評(píng)估單元是必要的，這對(duì)求 值速度和制造成本是不利的。另一個(gè)缺點(diǎn)是制造和組裝這樣一個(gè)長(zhǎng)二維圖案所要的高需 求。通過根據(jù)本發(fā)明具與第一和第二二維圖案并行的第一和第二系統(tǒng)測(cè)量裝置隨后的改 進(jìn)，可以避免這些不利的缺點(diǎn)。在該實(shí)施例中，所述測(cè)量裝置具有一個(gè)具有多個(gè)相同第一二 維圖案的第一系統(tǒng)，這些二維圖案在前進(jìn)方向上連續(xù)布置且一起覆蓋整個(gè)測(cè)量路徑。根據(jù) 本發(fā)明，每個(gè)第一二維圖案獨(dú)立地連續(xù)允許確定絕對(duì)位置和與理想位置在相應(yīng)圖案的整體 長(zhǎng)度上的偏差。因?yàn)榈谝欢S圖案是彼此相同的，但是，沿著整個(gè)測(cè)量路徑有多個(gè)相同的第 一個(gè)碼字，這意味著由于掃描這些模棱兩可的第一碼字，沿整個(gè)測(cè)量路徑的位置-以下稱測(cè) 量路徑位置-不能被明確地唯一確定。本發(fā)明通過至少一個(gè)具有一個(gè)第二掃描頭的第二系 統(tǒng)，消除了這些模棱兩可，所述第二掃描頭具有一個(gè)用于掃描多個(gè)可識(shí)別的第二二維圖案 的線傳感器，所述第二二維圖案具有第二碼字，在前進(jìn)方向上以序列組合并且平行于第一 二維圖案。第一系統(tǒng)的第一二維圖案和第二系統(tǒng)的第二二維圖案以適應(yīng)彼此的方式建立， 如此每個(gè)第一碼字和第二碼字的碼字組合在沿著整個(gè)測(cè)量路徑在每個(gè)移動(dòng)目標(biāo)關(guān)于二維 圖案的相對(duì)位置上只出現(xiàn)一次。因此，每個(gè)第一和第二碼字的碼字組合是獨(dú)一無(wú)二的。兩個(gè) 控制和評(píng)估單元或兩個(gè)系統(tǒng)通用的一個(gè)控制和評(píng)估單元存儲(chǔ)可用于將絕對(duì)測(cè)量路徑上的 位置與每一個(gè)這些獨(dú)一無(wú)二的碼字組合絕對(duì)關(guān)聯(lián)起來(lái)的信息。優(yōu)選地，第一二維圖案的第 一碼字?jǐn)?shù)和第二二維圖案的第二碼字?jǐn)?shù)是盡可能大小相似且彼此互質(zhì)。
[0027]沿前進(jìn)方向定位的測(cè)量裝置在某些實(shí)施例中是一個(gè)三維坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM)的形 式。所有三維坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的三個(gè)測(cè)量或坐標(biāo)軸中的每一個(gè)都安裝有至少一個(gè)依據(jù)本發(fā)明的 系統(tǒng)，因此，根據(jù)本發(fā)明的位置和偏差的確定方式允許以一種絕對(duì)并準(zhǔn)確的形式三維地確 定CMM掃描端的位置。
[0028]線傳感器或可移動(dòng)目標(biāo)或掃描頭相對(duì)于二維圖形或測(cè)量軸與理想位置的偏差的 確定，并因此在當(dāng)定位或依照確定的差異修正位置時(shí)，盡可能地考慮所述偏差，由此可以讓 基于本發(fā)明的系統(tǒng)或測(cè)量裝置絕對(duì)地進(jìn)行定位并同時(shí)精確地提供相當(dāng)高的裝配公差以及 所用材料的抗老化性。這涉及到設(shè)備本身和/或支撐設(shè)備的機(jī)器零件，如在前進(jìn)方向放置掃 描頭的導(dǎo)向元件，或在其上設(shè)置二維圖案的圖案支撐部。在CMM三個(gè)空間方向相互作用位移 的情況下這是特別有利的，由于偏差決定允許根據(jù)本發(fā)明系統(tǒng)可用于確定掃描頭的三維絕 對(duì)位置校正值，意味著不高的設(shè)計(jì)要求和/或免除復(fù)雜的校準(zhǔn)方法，或者給出相同的設(shè)計(jì)要 求或同一標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜性，更精確的定位是可能的。
[0029] 因此，本發(fā)明對(duì)于用于定位系統(tǒng)或測(cè)量裝置的制造、裝配和/或維修來(lái)說，產(chǎn)生了 精度提高和/或成本的優(yōu)勢(shì)。獲得成本優(yōu)勢(shì)還因?yàn)榻^對(duì)位置定位不需要附加的定位裝置或 多個(gè)代碼路徑，而使用單一的代碼路徑或單一的二維圖案以確定絕對(duì)位置。在本發(fā)明的實(shí) 施例中，隨著線傳感器在前進(jìn)方向上的定位，這一單一位置碼路徑可以以特別窄且廉價(jià)的、 無(wú)需承受精度損失的方式實(shí)施。此外，本發(fā)明方便地適用于不同類型的刻度，如甚至是角刻 度或球面刻度。
[0030] 本發(fā)明還涉及一種確定位置的方法，該方法使用根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)沿前進(jìn)方向確 定位置。根據(jù)本發(fā)明的方法，涉及第一二維圖案的圖案元素，其被第一線傳感器在掃描長(zhǎng)度 上掃描。此外，產(chǎn)生的掃描信號(hào)對(duì)應(yīng)于掃描圖案元素形成的第一碼字。在解碼信息存儲(chǔ)在控 制和評(píng)估單元的基礎(chǔ)上，將絕對(duì)位置與掃描信號(hào)相關(guān)聯(lián)，且第一碼字和信息存儲(chǔ)在控制和 評(píng)估單元中作為基礎(chǔ)，用于基于掃描信號(hào)來(lái)確定第一線傳感器從理想位置相對(duì)于第一二維 圖案的偏差。
[0031] 作為確定沿前進(jìn)方向位置方法的一部分，相對(duì)于理想位置的偏差由解決線性同余 的數(shù)學(xué)系統(tǒng)以光學(xué)的方法確定，其基于第一碼字通過估算掃描信號(hào)和由此整體或分區(qū)地表 述掃描信號(hào)。通過使用中國(guó)剩余定理可以提供較好的解決方法(或者使用其他適用于求解 線性同余的數(shù)學(xué)方法）。
[0032] 根據(jù)本發(fā)明的上述的測(cè)量裝置包括用于掃描具有第一碼字的第一二維圖案的第 一掃描頭，和用于掃描至少一個(gè)具有第二碼字的至少一個(gè)第二二維圖案的第二掃描頭，該 第二二維圖案在前進(jìn)方向上平行于所述第一二維圖案，其中第一和第二掃描頭在前進(jìn)方向 上可一起移動(dòng)，根據(jù)本發(fā)明的方法進(jìn)一步如下所述。第一和第二二維圖案以第一和第二碼 字的任意組合是唯一的形式出現(xiàn)并布置。兩個(gè)二維圖案在同一個(gè)步驟中被掃描，即掃描發(fā) 生在當(dāng)兩個(gè)掃描頭與二維圖案的相對(duì)位置恒定時(shí)。第一碼字由第一二維圖案的掃描圖案元 素形成，其與第二碼字結(jié)合以形成碼字組合，第二碼字由第二二維圖案的掃描圖案元素形 成。當(dāng)然，這類的碼字組合也被理解為對(duì)應(yīng)掃描信號(hào)或相關(guān)的絕對(duì)位置的相應(yīng)組合。所述碼 字組合被視為明確確定一個(gè)測(cè)量路徑位置的基礎(chǔ)。作為方法的一部分，掃描信號(hào)被選擇地 作為線性同余的數(shù)學(xué)系統(tǒng)的建立以及求解的基礎(chǔ)，所述數(shù)學(xué)系統(tǒng)通過利用中國(guó)剩余定理或 其它合適的數(shù)學(xué)方法得到的。
[0033] 在依據(jù)本發(fā)明所述測(cè)量裝置是CMM的情況下，該方法可選的進(jìn)一步展開如下。CMM 用于確定三維坐標(biāo)，例如通過用掃描頭的機(jī)械或光學(xué)掃描。掃描頭的三維位置，即它在空間 中的位置以及由此所求的三維坐標(biāo)，是通過每個(gè)坐標(biāo)軸上所述系統(tǒng)所確定絕對(duì)位置和各自 的線傳感器或各自的掃描頭與理想位置的偏差計(jì)算出來(lái)的。舉例來(lái)說，分別在每個(gè)測(cè)量軸 上，絕對(duì)地確定的一維位置-即關(guān)于一個(gè)空間方向上的位置-是通過該測(cè)量軸各自的定位系 統(tǒng)的掃描頭所確定的偏差進(jìn)行校正，然后所述三維位置由在該方法中修正的一維位置算 出?？蛇x擇地，確定的各自空間方向上的所有偏差用以校正CMM測(cè)量軸各自的空間方向的位 置，具體偏差由關(guān)于CMM的所有測(cè)量軸所確定。
[0034] 本發(fā)明還包括一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品或具有程序代碼、以電磁波為【具體實(shí)施方式】的 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)信號(hào)，用于控制或執(zhí)行以上所述用于位置或相對(duì)位置的高精度確定的方法。該 方法可通過系統(tǒng)本身或使用合適的在整體上或一定程度上外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸裝置進(jìn)行控制 和執(zhí)行，例如通過連接計(jì)算機(jī)單元。
[0035] 根據(jù)本發(fā)明為了在沿前進(jìn)方向進(jìn)行高精度定位的系統(tǒng)、測(cè)量裝置和方法，單純地 通過舉例的方式，結(jié)合在附圖中示例性說明的典型實(shí)施例在下面有更詳細(xì)的描述。同樣的 特征在圖中用相同的附圖標(biāo)記表示。所描述的實(shí)施例通常沒有按比例示出，而且它們也不 被理解為一種限制。
【附圖說明】
[0036] 圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的用于確定沿前進(jìn)方向的位置的系統(tǒng)的示意性立體圖；
[0037] 圖2a至圖2c以平面圖示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)的子區(qū)域的示意圖，其中包 括二維圖案和線傳感器；
[0038]圖3a和圖3b以平面圖示出了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)子區(qū)域的示意圖，具有相對(duì)于理想 位置的偏差；
[0039]圖4a至圖4c示出了根據(jù)本發(fā)明系統(tǒng)子區(qū)域更進(jìn)一步地相對(duì)于理想位置的偏差的 示意圖；
[0040]圖5a和圖5b示出了根據(jù)本發(fā)明具有兩個(gè)線傳感器的系統(tǒng)示意圖；
[0041] 圖6a和圖6b示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的測(cè)量裝置的示意性立體圖；以及
[0042] 圖7示出了坐標(biāo)測(cè)量機(jī)形式的測(cè)量裝置示意性的立體圖。
【具體實(shí)施方式】
[0043]圖1從整體上示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的用于確定沿前進(jìn)方向F的位置的系統(tǒng)1 的立體圖。此外，示出了x、3^Pz三個(gè)空間軸。前進(jìn)方向F對(duì)應(yīng)于X軸。系統(tǒng)1具有第一二維圖案 (縮寫為2D圖案)5,第一二維圖案包括設(shè)置在圖案支撐部50上的圖案元素6。系統(tǒng)1被定位成 使得第一二維圖案5位于xy平面上，且第一二維圖案5的縱軸與X軸相同，從而第一二維圖案 在前進(jìn)方向F上延伸。系統(tǒng)1還包括第一掃描頭51，所述第一掃描頭51具有控制和評(píng)估單元2 以及用于掃描第一二維圖案5的第一傳感器4,其中傳感器4具有已知的并被存儲(chǔ)在控制和 評(píng)估單元2中的掃描長(zhǎng)度L。傳感器4的掃描長(zhǎng)度L限定了傳感器4的縱軸54。
[0044] 第一傳感器4包括具有探測(cè)器34的陣列24,至少一部分探測(cè)器34被布置在縱軸54 以及掃描長(zhǎng)度L的方向上。探測(cè)器34在陣列24中的布置是已知的并被存儲(chǔ)在控制和評(píng)估單 元2中。舉例來(lái)說，第一傳感器4(以及相應(yīng)地第二傳感器，稍后詳述)為線傳感器的形式，因 此這意味著陣列24是線性的，也就是說具有呈線性布置的探測(cè)器34。另選地，例如，為了進(jìn) 一步提高精度，可應(yīng)用其他類型的傳感器，如面?zhèn)鞲衅骰蚨嗦穫鞲衅鳌呙栝L(zhǎng)度L對(duì)應(yīng)于不 會(huì)超過線性陣列24的長(zhǎng)度。例如，第一線傳感器4的縱軸54位于與xy平面平行的平面內(nèi)，并 在y方向上延伸，因此線性陣列24與前進(jìn)方向F大體垂直地取向。另選地，第一線傳感器4的 縱軸54布置在X方向上，使得線性陣列24至少大體在前進(jìn)方向F上取向。第一掃描頭51以及 由此集成在第一掃描頭51中的第一線傳感器4相對(duì)于圖案支撐部50以及進(jìn)而相對(duì)于第一二 維圖案5在前進(jìn)方向F上移動(dòng)。該相對(duì)運(yùn)動(dòng)最大可能的移動(dòng)范圍限定了可被確定的位置所在 的測(cè)量路徑M。為了確定在測(cè)量路徑M上的掃描頭51的位置，第一線傳感器4在給定的位置上 掃描第一二維圖案5。由此導(dǎo)致一個(gè)掃描信號(hào)，該掃描信號(hào)由控制和評(píng)估單元2進(jìn)行評(píng)估。另 選地，可以想到掃描信號(hào)由所述系統(tǒng)的通信單元傳輸?shù)酵獠坑?jì)算機(jī)，該外部計(jì)算機(jī)替代控 制和評(píng)估單元2對(duì)掃描信號(hào)進(jìn)行評(píng)估并且可選地將評(píng)估結(jié)果發(fā)回系統(tǒng)1。在此情況下，位置 即被理解為在掃描圖案過程中，第一掃描頭51在測(cè)量路徑M上相應(yīng)的當(dāng)前所在位置。所有的 物理操作原理均適用于圖案識(shí)別，例如電感、電容、電磁或光學(xué)測(cè)量原理，其中涉及電的、磁 的或光學(xué)的可掃描圖案元素6由合適形式的第一線傳感器4掃描。對(duì)光學(xué)測(cè)量原理而言，舉 例來(lái)說，具有反射和不反射或透明和不透明的圖案元素6的第一二維圖案5被照射或透射， 反射或傳送的光由光敏CCD或CMOS線性陣列所感測(cè)。對(duì)電容測(cè)量原理而言，使用第一二維圖 案5(具有電極作為圖案元素6)，這些電極與相應(yīng)的第一線傳感器4的電極形成隨相對(duì)運(yùn)動(dòng) 變化的電容。
[0045] 系統(tǒng)1被構(gòu)造成使得第一二維圖案5可以用于絕對(duì)地確定前進(jìn)方向F上的位置，為 了達(dá)到這個(gè)目的，圖案元素6形成唯一的碼字，碼字對(duì)所述位置以絕對(duì)的形式編碼。此外，第 一二維圖案5可以被用于確定線傳感器4(以及因此第一掃描頭51)與相對(duì)于第一二維圖案5 的理想位置的偏差。這將參照進(jìn)一步的圖進(jìn)行更詳細(xì)的描述。
[0046] 圖2a僅示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明用于確定沿前進(jìn)方向F的位置的系統(tǒng)1的一個(gè) 子區(qū)，該圖采用了俯視圖的形式，即沿X軸方向，示出了根據(jù)本發(fā)明包括圖案元素6的第一二 維圖案5的細(xì)節(jié)，以及用于掃描第一二維圖案5的第一線傳感器4的示意圖（用矩形點(diǎn)線框示 出）。參考前進(jìn)方向F，第一二維圖案5和第一線傳感器4沿著測(cè)量路徑M在彼此對(duì)應(yīng)的測(cè)量位 置P。
[0047]第一線傳感器4的縱向軸54在前進(jìn)方向F上取向并且定向在與圖案平面x-y平行的 平面內(nèi)，因此縱向軸54理想地在X方向上延伸，生產(chǎn)公差和其他例如在使用中產(chǎn)生的偏差被 術(shù)語(yǔ)"平行"或"X軸方向?qū)R"所涵蓋。相應(yīng)地，第一二維圖案5可能會(huì)非常窄（在y方向的寬 度），與基于現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)相比更窄。維圖案5或第一線傳感器4的以及因此系統(tǒng)1的這樣 微小的范圍相對(duì)于前進(jìn)方向F而橫向提供了在狹小的測(cè)量環(huán)境下或者相對(duì)緊湊的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 方面的優(yōu)勢(shì)。由于現(xiàn)有的取向使得第一線傳感器4具有在X方向的范圍，在掃描長(zhǎng)度L上的任 意可選的參考點(diǎn)16需要進(jìn)行定義，使得參考點(diǎn)16用作確定在前進(jìn)方向F上掃描頭的位置P的 參照。在這個(gè)示例中，掃描長(zhǎng)度L的中心被定義為參考點(diǎn)16。
[0048]圖案元素6被構(gòu)造和布置成使得每個(gè)圖案元素在掃描長(zhǎng)度L上形成唯一的第一碼 字，更確切地說，是一種唯一的數(shù)字值序列。為了這個(gè)目的，第一二維圖案5具有相同類型的 圖案元素6,它們以不同方式布置，所述不同的布置被定義為約定的規(guī)律性變化或偽隨機(jī)序 列?？商鎿Q地或者附加地，圖案元素6以一種規(guī)定形式上為可辨別的實(shí)施方式進(jìn)行編碼，例 如以其形式(例如以在x-y平面上的寬度、長(zhǎng)度)和/或其在掃描時(shí)具有物理效應(yīng)的特性(例 如在光學(xué)操作原理的情況，其透明度或反射率）。在本實(shí)施例中，相同設(shè)計(jì)的圖案元素6被布 置為使其對(duì)應(yīng)于前進(jìn)方向F以特定的形式變化，因此形成獨(dú)特的第一碼字而將位置進(jìn)行編 碼。因此，第一二維圖案5具有al和a2兩個(gè)區(qū)域，彼此對(duì)稱并具有沿前進(jìn)方向F的對(duì)稱軸13。
[0049] 每個(gè)第一碼字沿前進(jìn)方向F在測(cè)量路徑M或者在圖案支撐部50上僅出現(xiàn)一次。因 此，基于圖案元素6的設(shè)計(jì)和/或布置，第一二維圖案5形成以前進(jìn)方向F為參考的絕對(duì)位置 編碼路徑，例如以一個(gè)偽隨機(jī)編碼(PRC)或在二進(jìn)制下依照最大序列（最大長(zhǎng)度序列MLS)， 或更加有效的編碼。因此，現(xiàn)有的系統(tǒng)是單路徑絕對(duì)編碼器，即能夠僅使用單個(gè)位置編碼路 徑確定絕對(duì)位置。位置確定的分辨率，即測(cè)量路徑上可確定的位置數(shù)量，可以通過在前進(jìn)方 向上測(cè)量路徑M的第一碼字的數(shù)量進(jìn)行設(shè)定，所述第一碼字又可以通過圖案元素6的實(shí)施方 式和/或布置結(jié)合使用的第一線傳感器4來(lái)進(jìn)行設(shè)定。
[0050] 第一線傳感器4利用其布置在掃描長(zhǎng)度L內(nèi)的探測(cè)器34掃描第一二維圖案5,其中 它產(chǎn)生呈一系列數(shù)字值形式的掃描信號(hào)，所述掃描信號(hào)對(duì)應(yīng)于由掃描的圖案元素6所形成 的第一碼字。系統(tǒng)1例如使用電容操作原理，以此為目的，僅示意性地示出的圖案元素6和第 一線傳感器4的探測(cè)器34呈電極形式。圖案電極6和傳感器電極34彼此電容耦合。所述電容 耦合取決于第一線傳感器4和關(guān)于第一二維圖案5的相對(duì)位置，因此在各自的相對(duì)位置上在 掃描長(zhǎng)度L上分別通過圖案電極6與探測(cè)器電極34的電容耦合形成唯一的第一碼字。在光學(xué) 測(cè)量原理的情況下，圖案元素6優(yōu)選形成明/暗序列，所述序列依賴于測(cè)量路徑上的位置，針 對(duì)在掃描長(zhǎng)度L上待感測(cè)的信號(hào)。所述明/暗序列形成在每種情況下唯一的第一碼字并對(duì)待 確定的位置絕對(duì)編碼。
[0051] 來(lái)自第一線傳感器4的掃描信號(hào)作為數(shù)字值被輸出，其再現(xiàn)了圖案元素6的掃描編 碼特性(在光學(xué)操作原理情況下例如借助某一特定的閾值，閾值之上指定1 =亮，相應(yīng)的閾 值之下，指定〇 =暗）。第一線傳感器4的掃描信號(hào)由控制和評(píng)估單元2解碼，并且所求位置P 由其絕對(duì)確定，為此，控制和評(píng)估單元2內(nèi)存儲(chǔ)有一張解碼表，所述解碼表可以用于將每個(gè) 掃描信號(hào)與絕對(duì)位置P相關(guān)聯(lián)。換句話說，從被存儲(chǔ)在控制和評(píng)估單元2中的絕對(duì)、離散的位 置P的有限合集中選取一個(gè)通過掃描信號(hào)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字值序列相關(guān)聯(lián)的位置，這種關(guān)聯(lián)關(guān)系 是獨(dú)一無(wú)二的。這種關(guān)聯(lián)關(guān)系優(yōu)選由校準(zhǔn)途徑產(chǎn)生并涉及與掃描信號(hào)相關(guān)聯(lián)的絕對(duì)位置， 所述掃描信號(hào)與基于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量的第一碼字相對(duì)應(yīng)。
[0052]第一二維圖案5被形成為使得可以產(chǎn)生與第一碼字相應(yīng)的掃描信號(hào)，并且因此，甚 至當(dāng)掃描頭與其理想位置具有偏差時(shí)，沿測(cè)量路徑M的所求位置P也可以由此確定。此外，該 二維圖案可以被用于確定與理想位置本身的偏差。當(dāng)沒有橫向偏移Ay時(shí)，第一線傳感器4 和二維圖案5處于相對(duì)于彼此的理想位置，也就是說，如本例所示，線傳感器4的縱軸54匹配 于圖案5的對(duì)稱軸13,或換句話說，在y方向上沒有位移，當(dāng)附加地不存在關(guān)于z軸的傾斜(就 是說在相反的例子中，線傳感器4的縱軸54與X軸平行，參見附圖4a)時(shí)，不存在相對(duì)于y軸的 傾斜(就是說相反的例子中，第一線傳感器4并未相對(duì)于y軸從0°位置被旋轉(zhuǎn)，參見附圖4c) 并且相對(duì)于X軸沒有傾斜(就是說相反的例子中，第一線傳感器4并未從0°位置相對(duì)于X軸旋 轉(zhuǎn)，參見附圖4b)。換句話說，當(dāng)?shù)谝痪€傳感器4和第一二維圖案5被布置在明確限定并且已 知的初始位置和相對(duì)于彼此的初始取向（并且除了前進(jìn)方向F上所需的移動(dòng)外）時(shí)，第一線 傳感器4和二維圖案5保持在相對(duì)于彼此的理想位置，不會(huì)也沒有產(chǎn)生任何其他移動(dòng)。為了 確定與第一線傳感器4與相對(duì)于第一二維圖案5的理想位置的偏差，圖2a所示的圖案元素6 具有相對(duì)于前進(jìn)方向F傾斜地布置在x-y圖案平面上的區(qū)段?；诒景l(fā)明，位置P和相對(duì)于理 想位置的一個(gè)或多個(gè)所述的偏差的確定過程在下面參考附圖描述更多細(xì)節(jié)。
[0053]圖2b示出了依照本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施例中系統(tǒng)1的子區(qū)域。圖2b示意性地示出了 第一線傳感器4以及第一二維圖案5細(xì)節(jié)的俯視圖。如在圖2a所示的實(shí)施例中一樣，線傳感 器4具有大致沿前進(jìn)方向F取向的縱軸54。在該示例中，第一線傳感器4上的用于確定掃描頭 位置的參考點(diǎn)16被限定為掃描長(zhǎng)度L的終點(diǎn)或者起點(diǎn)。
[0054]基于本發(fā)明，圖案元素6被不同地布置，使得它們?cè)趻呙栝L(zhǎng)度L上形成唯一的碼字， 并且第一二維圖案5在前進(jìn)方向上被劃分為多個(gè)具有不同布置的圖案元素6的區(qū)域al，a2， a3，a4,…，ai。在這種情況下，圖案元素6不同的布置是以圖案元素6的取向變化(相對(duì)于X方 向的傾斜)實(shí)現(xiàn)的，或者通過圖案元素的周期性變化，即可掃描的特性變化(例如在光學(xué)操 作原理的情況下，不透明/透明）來(lái)實(shí)現(xiàn)。基于圖案元素6的不同布置，第一二維圖案由此具 有多個(gè)鄰接的不同區(qū)域al-ai。作為代替或補(bǔ)充，這種區(qū)域al到ai可以通過圖案元素6的不 同的布置方式和/或不同實(shí)施方式而生成。具有不同地布置方式和/或不同實(shí)施方式的圖案 元素6的區(qū)域形成不同的區(qū)域類型，使得第一二維圖案具有區(qū)別于彼此的限定數(shù)量的區(qū)域 類型。相同類型的區(qū)域al-ai被稱為相同區(qū)域類型并且還能在第一二維圖案5上多次出現(xiàn)。 在當(dāng)前簡(jiǎn)單的例子中，所述圖案具有三個(gè)區(qū)域類型，例如在所述區(qū)域中示出了a0，a3和a5 (類型l)、al(類型2)以及a2、a4(類型3)。
[0055] 依照?qǐng)D案元素6的布置，區(qū)域邊界15a_15i在y方向延伸，即與前進(jìn)方向F理想地正 交。區(qū)域邊界15a-15i之間的距離被稱為區(qū)域長(zhǎng)度dl-di。掃描長(zhǎng)度L和區(qū)域長(zhǎng)度dl-di以彼 此適應(yīng)的方式進(jìn)行選擇，從而使得至少一個(gè)(在本例中為至少三個(gè)）區(qū)域邊界15a_15i在掃 描長(zhǎng)度L內(nèi)位于第一線傳感器4相對(duì)于第一二維圖案5的每個(gè)相對(duì)位置中。這種形式的第一 二維圖案允許第一碼字可以相對(duì)簡(jiǎn)單地利用生成的區(qū)域al-ai來(lái)形成，具體地，第一碼字由 沿測(cè)量路徑M的每個(gè)位置各自唯一的區(qū)域類型序列形成。
[0056]被限定為兩個(gè)區(qū)域邊界15a_15i在F方向彼此間的距離的區(qū)域長(zhǎng)度dl-di，如圖2b 所示，可選地即使針對(duì)相同的區(qū)域類型也是不同的。不同的區(qū)域長(zhǎng)度dl-di則用來(lái)形成第一 碼字，做法是，通過唯一的區(qū)域長(zhǎng)度dl-di的組合以及區(qū)域類型的序列形成所述第一碼字， 如下述舉出的示例：在所示的例子中，第一二維圖案5由三個(gè)區(qū)域類型構(gòu)造而成，具有四種 不同的區(qū)域長(zhǎng)度dl-d4。在這種情況下，不同區(qū)域長(zhǎng)度dl-di的數(shù)量(在這里數(shù)量為4)與區(qū)域 類型的數(shù)量(在這里數(shù)量為3)以適應(yīng)彼此的方式選定，最好為互質(zhì)（相對(duì)互質(zhì)）的相互關(guān)系， 以獲得盡可能多數(shù)量的唯一的組合及由此獲得唯一的第一碼字。其結(jié)果是三個(gè)連續(xù)區(qū)域的 類型具有3 3 = 27個(gè)不同的組合。此外，產(chǎn)生42 = 16個(gè)在兩個(gè)連續(xù)區(qū)域長(zhǎng)度dl-di的不同的組 合。因此，整體上沿前進(jìn)方向F上，從所有可能的區(qū)域a I -a i的不同布置的的組合，可形成 33 · 42 = 432個(gè)不同的碼字。在控制和評(píng)估單元2的解碼表中，存儲(chǔ)有該區(qū)域類型和區(qū)域長(zhǎng)度 dl-di的序列或其不同的組合，從而使得對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的第一碼字的掃描信號(hào)可以分別與一 個(gè)位置P相關(guān)聯(lián)。借助432種不同的第一個(gè)碼字，在相應(yīng)確定的掃描長(zhǎng)度L的情況下，能夠?qū)?432個(gè)不同位置絕對(duì)編碼。因此，給定一個(gè)(平均）區(qū)域長(zhǎng)度dl-d4,例如2毫米，第一線傳感器 4關(guān)于第一二維圖案5沿著86.4cm長(zhǎng)的測(cè)量路徑在前進(jìn)方向F上的相對(duì)位置被絕對(duì)確定是可 能的?？梢孕纬傻拇a字的最大數(shù)目可以通過掃描長(zhǎng)度L的選擇而設(shè)定，或者反過來(lái)，通過(平 均）的區(qū)域長(zhǎng)度di、該區(qū)域類型的數(shù)目和區(qū)域長(zhǎng)度di的數(shù)目而設(shè)定。更長(zhǎng)測(cè)量路徑是可以實(shí) 現(xiàn)的，如第一二維圖案5有超過三個(gè)區(qū)域類型ai和/或超過四個(gè)區(qū)域長(zhǎng)度dl-d4和相應(yīng)匹配 的掃描長(zhǎng)度L。
[0057]通過圖案元素6形成的第一個(gè)碼字首先是相對(duì)穩(wěn)定可掃描的，或通過完全檢測(cè)器 集合能夠無(wú)誤差地被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的掃描信號(hào)，因?yàn)閰^(qū)域類型可以在這些碼字形成的圖案元 素特性的基礎(chǔ)上確定，如圖案元素的周期性和/或圖案元素的傾斜，重復(fù)使用多個(gè)圖案元素 (或者由這些圖案元素形成的數(shù)字序列的部段）。其次，區(qū)域長(zhǎng)度dl-di可選擇為相關(guān)于彼此 有較大的不同，即，在掃描信號(hào)的基礎(chǔ)上確定的區(qū)域長(zhǎng)度dl-di的公差大。這如此實(shí)現(xiàn)，即在 控制和評(píng)估單元的解碼表中，多個(gè)略微不同的序列的數(shù)字值或部分的這些序列在每種情況 下與區(qū)域長(zhǎng)度di唯一地相關(guān)聯(lián)(或者，與區(qū)域序列結(jié)合，與一個(gè)絕對(duì)位置唯一地相關(guān)聯(lián)）。也 就是說，當(dāng)解碼時(shí)，至少兩個(gè)非常相似的、例如有兩個(gè)或三個(gè)連續(xù)的二進(jìn)制不同的位模式 (bit pattern)產(chǎn)生一個(gè)并在同一區(qū)域長(zhǎng)度di。如例如兩個(gè)位模式只在一個(gè)地方不同，使得 通過舉例的方式，0代替1出現(xiàn)在一個(gè)位模式中，則這兩個(gè)位圖案具有與他們相關(guān)的相同的 區(qū)域長(zhǎng)度di。因此，即使在讀取不準(zhǔn)確或相對(duì)小的讀取誤差的情況下，區(qū)域長(zhǎng)度di也可以被 確定，由此獲得相對(duì)穩(wěn)定的可解碼的絕對(duì)編碼。
[0058]圖2c示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的改進(jìn)，該系統(tǒng)的第一掃描頭51除了第一線 傳感器4外具有第二線傳感器4a(在相對(duì)于第一線傳感器4的三個(gè)不同位置LI，L2和L3中以 虛線表示），該第二線傳感器同樣大致在前進(jìn)方向F上布置在平行于圖案平面X-Y的平面內(nèi)， 因此兩線傳感器4和4a的縱向軸54和54a彼此大致平行布置。依據(jù)前進(jìn)方向F，兩線傳感器4 和4a任意在掃描頭上沿前進(jìn)方向（LI)依次安裝，使兩線傳感器4和4a在前進(jìn)方向F上有固定 的線傳感器距離Dl，即兩線傳感器中心14和If相互間的距離，其是已知的并被存儲(chǔ)在控制 和評(píng)估單元中。可選擇地，兩個(gè)線傳感器4和4a在y方向有固定的線傳感器距離D2,即在前進(jìn) 方向F(L2)上連續(xù)布置，或者他們相對(duì)于彼此(L3)以一個(gè)平行偏移布置，有固定的線傳感器 距離D3。第二線傳感器4a對(duì)應(yīng)第一線傳感器4在其操作方面，可能是同一種如后者的設(shè)計(jì)， 也就是說，像后者一樣，設(shè)計(jì)為可以掃描第一二維圖案5并產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于在每一種情況下的第 二線傳感器4a掃描的圖案元素6形成的第一碼字的掃描信號(hào)，通過掃描第一碼字和第二線 傳感器4a相對(duì)于第一二維圖案5與理想位置的偏差，掃描信號(hào)可用來(lái)確定位置代碼。
[0059]圖3a示出了與圖2b相同的根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的實(shí)施方式。然而，在圖3a示出的示 例中，第一線傳感器4和第一二維圖案5的位置就y方向的運(yùn)動(dòng)自由度而言從理想位置(線 10)橫向偏移A y，因此第一線傳感器4的縱軸54在y軸負(fù)方向上偏移Δ y。
[0060]由于區(qū)域類型al-ai以及如果需要的話，區(qū)域長(zhǎng)度dl-di可以被檢測(cè)，而與第一線 傳感器4在y方向的位置無(wú)關(guān)，即使在存在橫向偏移△ y時(shí)，絕對(duì)位置P也可被確定，如上面所 描述的參考圖2b。依據(jù)本發(fā)明與理想位置的橫向偏移Ay形式的偏差的確定在下文中參考 以下的圖3a和3b進(jìn)行描述。
[0061 ]圖3b以放大的方式示出了圖3a的第一二維圖案5的細(xì)節(jié)53。細(xì)節(jié)53示出了具有圖 案元素6d_6f的區(qū)域a2的部分、具有圖案元素6a_6c的區(qū)域a3以及中間的區(qū)域邊界15b。圖案 元素6a-6f在掃描長(zhǎng)度L的子部△ L上在點(diǎn)55a-55f處被掃描?？紤]到圖案元素6a-6f的布置 方式或取向，在掃描長(zhǎng)度L內(nèi)的掃描點(diǎn)55a-55f的位置取決于橫向偏移△ y，即當(dāng)位置P保持 恒定時(shí)，如果第一線傳感器4在y方向上相對(duì)于第一二維圖案5偏移，則掃描點(diǎn)55a-55f在傳 感器陣列24上沿X方向"迀移"。因此，在一個(gè)基于相關(guān)聯(lián)的第一碼字被確定或可被確定的位 置P上，例如可以通過掃描點(diǎn)55a-55f的位置(其感測(cè)掃描長(zhǎng)度L內(nèi)第一碼字的圖案元素6a-6f)來(lái)確定橫向偏移△ y。為此，以被存儲(chǔ)其中的信息為基礎(chǔ)，對(duì)應(yīng)于第一碼字的掃描信號(hào)由 控制和評(píng)估單元2進(jìn)行評(píng)估。
[0062]舉例來(lái)說，基于已存儲(chǔ)的包含一份關(guān)于理想位置的掃描信號(hào)的第一碼字，在前進(jìn) 方向F的位置P由此被確定，例如，關(guān)于來(lái)自第一線傳感器4的探測(cè)器的單個(gè)信號(hào)或信號(hào)組的 分布或強(qiáng)度。所述實(shí)際產(chǎn)生并對(duì)應(yīng)于第一碼字在這個(gè)位置P的掃描信號(hào)，與"理想"掃描信號(hào) 相比較，為了這個(gè)目，相關(guān)聯(lián)的"理想"掃描信號(hào)在第一碼字的基礎(chǔ)上查找得到。在存儲(chǔ)信息 的基礎(chǔ)上比較實(shí)際產(chǎn)生掃描信號(hào)與"理想"的掃描信號(hào)來(lái)確定橫向偏移△ y。由于單個(gè)檢測(cè) 器在線性陣列中的位置是已知的，來(lái)自掃描圖案元素6的探測(cè)器的信號(hào)形成在掃描長(zhǎng)度L上 的第一碼字（即對(duì)應(yīng)于掃描點(diǎn)55a_55f的那些探測(cè)器），例如，用于確定偏移Ay。例如，圖案 元素6a_6f，在理想位置(線10)，由探測(cè)器掃描，探測(cè)器在線性陣列按a，a+3，a+6，a+8，a+10 和a+12(a:-個(gè)任意的自然數(shù))布置。如果在位置P上，位置P的圖案元素6a_6f的實(shí)際上是通 過探測(cè)器a+l，a+4，'"，a+13來(lái)掃描，存儲(chǔ)在控制和評(píng)估單元2的關(guān)于線性陣列的信息，用來(lái) 計(jì)算那里的橫向偏移A y或在校準(zhǔn)過程中使用表格查找△ y?？蛇x擇地，在掃描長(zhǎng)度L每一種 情況下，圖案元素6在第一二維圖案5的y方向的整個(gè)長(zhǎng)度上形成第一碼字，所述碼字不僅對(duì) 位置P編碼，也對(duì)偏移△ y編碼。換言之，在每一種情況下，多個(gè)第一碼字對(duì)同一絕對(duì)位置P編 碼，但具有不同的偏移Ay。
[0063] 橫向偏移Ay的確定使用以下例子進(jìn)一步澄清：區(qū)域a2的圖案元素6(其中包括被 考慮的圖案元素6d_6f)，它們可以通過存儲(chǔ)在控制和評(píng)估單元2的以下參數(shù)化規(guī)則在規(guī)定 坐標(biāo)系中以數(shù)學(xué)方式描述
[0064] fi(x)=x+42_13i (i為整數(shù)） （1)
[0065] (例如序列參數(shù)i針對(duì)圖案元素6f為i = l，針對(duì)圖案元素6d為i = 2,針對(duì)圖案元素 6e為i = 3)。
[0066] 區(qū)域a3的圖案元素6(包括被考慮的圖案元素6a_6c)可以通過以下參數(shù)化規(guī)則描 述，該參數(shù)化規(guī)則同樣借助運(yùn)行參數(shù)j被存儲(chǔ)。
[0067] gj(x) = 10j-x (j為整數(shù)） （2)
[0068] 在這個(gè)特定于區(qū)域a2或a3的已知信息基礎(chǔ)上，可以借助感測(cè)到的圖案元素6a_6f 之間的距離得出橫向偏移Ay。所述距離通過感測(cè)圖案元素6a_6f的探測(cè)器布置之間的形成 的差異獲得，這種差異對(duì)應(yīng)于與掃描圖案元素6a_6f的焦點(diǎn)關(guān)聯(lián)的數(shù)字值間的不同。假如掃 描圖案元素6a-6f的焦點(diǎn)在隨機(jī)選擇單位的情況下針對(duì)點(diǎn)55a-55f被測(cè)量或感測(cè)為數(shù)字值 28，18，8，-1，-14，-27，則通過相鄰值的減法針對(duì)點(diǎn)55a-55f之間的距離產(chǎn)生以下三個(gè)不同 的差異值 Δ 1，Δ 2, Δ 3:28-18 = 18-8 = 10= Δ 1，8-(-1) =9= Δ2，-1-(-14) =-14-(-27) = 13= Δ3〇
[0069] 存儲(chǔ)在控制和評(píng)估單元2中的信息，也就是說方程（I)、（2)和獲得的距離AL、Δ 2、 八3被用于將數(shù)字值28，18,8分配給圖案元素6&-6〇或區(qū)域&3。值-1、-14、-27被分配給圖形 元素6d-6f或區(qū)域a2。在這種分配信息的基礎(chǔ)上，值-1、-14、-27被插入到適用于區(qū)域a2的方 程(1)，值28，18,8插入適用于區(qū)域a3的方程(2)，因此，理想的情況是，得到同樣的方程
[0070] fi(x)=15-13? (3)
[0071] 適用于區(qū)域a3的每個(gè)值，同樣的方程
[0072] gj(x)=10j-8 (4)
[0073] 適用于區(qū)域a2的每個(gè)值(如果測(cè)量的不確定性意味著測(cè)量值插入方程（1)或(2)會(huì) 因?yàn)橄嗤瑓^(qū)域a3或a2的單獨(dú)的值導(dǎo)致稍微不同的結(jié)果，則執(zhí)行求均值和適當(dāng)?shù)牧炕?br>[0074] 因?yàn)閭鞲衅鳠o(wú)論在哪個(gè)相關(guān)區(qū)域均具有相同的偏移Ay，也就是說對(duì)于a2和a3這 兩個(gè)區(qū)域來(lái)說，方程(3)和(4)描述了線傳感器4相對(duì)于二維圖案5具有相同的y方向定位。因 此它們可以等同起來(lái)：
[0075] y = fi(x) = gj(x) = 15-13i = 10j-8 (5)
[0076] 這可以用于生成線性同余的系統(tǒng)，以下從方程(5)獲得屬于規(guī)則AU)的部分：
[0077] ymodl3 = 15modl3 = 2 (6)
[0078] 針對(duì)屬于規(guī)則m(x)的部分，從方程(5)獲得：
[0079] ymodl0 = -8modl0 = 2 (7)
[0080] 根據(jù)使用中國(guó)剩余定理的已知的程序，方程系統(tǒng)(6)、（7)以其具有的無(wú)限多的解 獲得了方程(8)，其描述了在y方向上的所求偏差：
[0081] y = 2+130k (8)
[0082] (LCM:最小公倍數(shù);K:整數(shù)）。
[0083]結(jié)果，數(shù)字"130"，導(dǎo)致在130(隨機(jī)選取的）單位的長(zhǎng)度區(qū)間上橫向偏差A(yù)y能夠被 明確地確定。例如，如果一個(gè)單位是IOym，則根據(jù)示例，因此可以明確確定與理想位置的土 650μπι的偏差△ y。對(duì)于傳感器而言，如果橫向偏差△ y超過了實(shí)際存在的偏差，考慮到解的 不確定性，這種橫向偏差將不再能夠清楚地確定。然而，這樣的分辨率通常對(duì)實(shí)際中出現(xiàn)的 偏差A(yù)y已經(jīng)足夠。另外，一個(gè)或更多個(gè)區(qū)域al-ai允許在更大長(zhǎng)度區(qū)間確定橫向偏差ΔΥ。
[0084]示例出于容易理解的原因而始終非常簡(jiǎn)單。作為可替換的描述，區(qū)域中的圖案元 素6具有不同的傾斜和/或與相對(duì)于彼此變化的距離。作為進(jìn)一步的替換，圖案元素6具有曲 折或彎曲和/或中斷的、不連續(xù)的輪廓，而不是直線的輪廓，其通過計(jì)算或校驗(yàn)并以表格或 函數(shù)的形式存儲(chǔ)在控制和評(píng)估單元2是已知的。
[0085]與圖2b的比較，圖4a示出了第一線傳感器4相對(duì)于z軸傾斜的平面圖。第一線傳感 器4相對(duì)于中心14從其理想位置(線10)旋轉(zhuǎn)了一個(gè)旋轉(zhuǎn)角度α。為了確定該位置P和傾斜或 轉(zhuǎn)角α，掃描信號(hào)或?qū)ξ恢肞編碼的第一碼字被存儲(chǔ)在控制和評(píng)估單元中，作為轉(zhuǎn)角α的函 數(shù)。為此，基于轉(zhuǎn)角α的掃描信號(hào)的函數(shù)相關(guān)性作為計(jì)算規(guī)則或查找表被存儲(chǔ)在控制和評(píng)估 單元中。有利地，當(dāng)在理想情況下只有相對(duì)較小的偏差出現(xiàn)時(shí)，應(yīng)用每個(gè)碼字或碼字組的任 意一個(gè)函數(shù)相關(guān)性或所有的碼字的單一的相關(guān)性。在這種情況下，如果需要針對(duì)每個(gè)掃描 信號(hào)或每個(gè)第一碼字，計(jì)算規(guī)則或表由整個(gè)第一二維圖案5的知識(shí)算出或由校準(zhǔn)確定。在這 種功能相關(guān)確定的方式的基礎(chǔ)上，位置P以及轉(zhuǎn)角α在位置P上由傾斜取向的第一線傳感器4 的掃描信號(hào)確定。
[0086]圖4b示出了第一線傳感器4相對(duì)于X軸從理想位置的傾斜度（線9)。其示出了正面 視圖（X軸與附圖所在平面正交）。其縱向軸線正交關(guān)系到附圖所在的平面延伸，第一線傳感 器4偏離理想位置(線9)為X方向傾角β，或者換句話說，斜繞X軸的X方向傾角β。位置P和傾斜 或X方向傾角β以圖4a所示的程序所示相似的方式確定:掃描信號(hào)或?qū)ξ恢镁幋a的第一碼字 以計(jì)算規(guī)則或表格的形式作為X方向傾角β的函數(shù)存儲(chǔ)在控制單元和求值單元2。如上所述， 每個(gè)掃描信號(hào)或針對(duì)大多數(shù)或全部信號(hào)的函數(shù)相關(guān)性也同樣地特別通過計(jì)算或校準(zhǔn)傳遞 的手段確定。可選擇地，基于用于掃描的物理1作原理，如果在探測(cè)器發(fā)出探測(cè)器信號(hào)（唯一 并可探測(cè)的）的強(qiáng)度和幅度由其相對(duì)于第一二維圖案5的距離所決定的情況下，掃描信號(hào)和 X方向傾角邱勺函數(shù)相關(guān)性的結(jié)果要考慮單獨(dú)探測(cè)器各自探測(cè)器信號(hào)的幅度。在位置P上，函 數(shù)相關(guān)性用于由第一線傳感器4傾斜方向的掃描信號(hào)確定位置和X方向傾角β。
[0087]圖4c從側(cè)視圖顯示了第一線傳感器4相對(duì)于y軸從理想位置的傾斜(線12)，在理想 位置的第一線傳感器4的縱軸54(線12)在X方向上與第一二維圖案5所在平面平行地延伸。 位置P和傾斜或y方向傾角γ的確定某種程度上類似于圖4a和4b所示的程序?？蛇x擇地，某 種程度上類似于圖4b所示的程序。在這種情況下，掃描信號(hào)和y方向傾角γ的函數(shù)相關(guān)性結(jié) 果考慮單獨(dú)探測(cè)器各自探測(cè)器信號(hào)的幅度。在光學(xué)測(cè)量原理的情況下，探測(cè)器"看到"的呈 一條線的各自圖案元素6的寬度與存儲(chǔ)的理想位置(線12)的寬度相比較，各自探測(cè)器相對(duì) 于第一二維圖案5的在ζ軸上的距離由此推斷出來(lái)。在電容測(cè)量原理的情況下，圖案極板和 傳感器極板形成的電容的距離相關(guān)性被加以利用。作為相對(duì)于理想位置進(jìn)一步的偏差，為 了進(jìn)一步地或可選擇地確定第一線傳感器4在ζ方向上的偏差，即第一傳感器4相對(duì)于第一 二維圖案5的距離被視為其傳感器中心14相對(duì)于第一二維圖案5的距離，這種考慮到各自探 測(cè)器的探測(cè)器信號(hào)的信號(hào)幅度的方法也是可選用的。
[0088]圖5a和圖5b示出了根據(jù)本發(fā)明系統(tǒng)1的改進(jìn)，在所述改進(jìn)中，除了第一線傳感器4 取向與前進(jìn)方向F大致正交之外，掃描頭51具有第二線傳感器4a，相類似地，其取向與前進(jìn) 方向F大致正交。圖5a從側(cè)面示出了具有圖案支撐部50和第一掃描頭51的系統(tǒng)1的示意圖， 所述圖案支撐部50包括具有圖案元素6的第一二維圖案5,所述第一掃描頭51包括控制和評(píng) 估單元2以及相對(duì)于第一二維圖案5處在理想位置的兩個(gè)線傳感器4和4a。兩個(gè)線傳感器4和 4a取向大致互相平行，并且在第一掃描頭51中在推進(jìn)F方向上接連布置，這就是為什么它們 具有一個(gè)固定的線傳感器的距離D作為兩線傳感器中心14和14'的相互間的距離。另外，第 一和第二線傳感器4和4a以一個(gè)固定的線傳感器距離在前進(jìn)方向F上一個(gè)挨一個(gè)地或相互 平行偏移地(類似于圖2c所示的插圖）布置。
[0089] 線傳感器的距離D是已知的，被存儲(chǔ)在控制和評(píng)估單元2。第二線傳感器4a，如第一 線傳感器4 一樣，旨在掃描第一二維圖案5和產(chǎn)生掃描信號(hào)，該掃描信號(hào)對(duì)應(yīng)于由圖案元素6 形成的第一碼字，分別由第二線傳感器4a掃描。在這種情況下，掃描信號(hào)通過掃描的第一碼 字和與第二傳感器4a理想位置的關(guān)于第一二維圖案5在第一個(gè)碼字基礎(chǔ)上的偏差編碼，可 以用來(lái)確定絕對(duì)位置。當(dāng)有兩個(gè)線傳感器4,4a在前進(jìn)方向F上間隔一定距離布置，要確定的 位置作為第一掃描頭51的位置，形成例如作為兩個(gè)線傳感器4和4a的兩個(gè)絕對(duì)確定位置的 平均值，或由一個(gè)線傳感器4或4a確定的位置比另一個(gè)傳感器4a或4的位置值更精確。因此， 使用兩個(gè)線傳感器4和4a在定位精度和/或穩(wěn)定性上具有優(yōu)勢(shì)。
[0090] 圖5b示出了根據(jù)本發(fā)明系統(tǒng)1的一個(gè)次區(qū)域平面圖，所述系統(tǒng)如圖5a所示。它顯示 了第一二維圖案5,是由集成在顯不第一掃描頭51的第一線傳感器4和第二線傳感器4a掃描 的。第一和第二線傳感器4和4a有相同的掃描長(zhǎng)度L。另外，掃描長(zhǎng)度是不同幅度的。第一二 維圖案5具有圖案元素6,其表現(xiàn)為不同寬度的直線和互補(bǔ)的物理性質(zhì)(在光學(xué)的情況下，不 透明/透明，反射/非反射）。第一碼字通過定義的規(guī)則變化或偽隨機(jī)序列形成，其為可以以 一個(gè)定義的方式區(qū)分的不同的定義方式和實(shí)施方案(在這個(gè)例子中，不同的寬度）?？蛇x擇 地，圖案元素6不具體化為直線，如圖所示，而是彎曲的線條，任選的圖案元素6的寬度和/或 物理性質(zhì)連續(xù)變化。
[0091] 與圖5a相比，第一掃描頭51和由此的兩個(gè)線傳感器4和4a不處于相對(duì)于第一二維 圖案5的理想的位置(線10)，而是第一掃描頭51以絕對(duì)值A(chǔ)ya在反方向y上偏移并在Z軸上 以旋轉(zhuǎn)角度ε傾斜。為了確定與第一和第二線傳感器4和4a相對(duì)于第一二維圖案5的理想位 置(線10)的偏差，圖案元素6傾斜取向，并被分為兩組有不同傾斜度的圖案元素6,使得V形 第一二維圖案5得以形成，區(qū)域邊界15作為其對(duì)稱軸13,所述邊界位于第一區(qū)域al(左圖所 示)和第二區(qū)域a2(右圖所示)之間，圖案元素6具有第一傾斜在所述第一區(qū)域，圖案元素6具 有第二傾斜的第二區(qū)域a2。優(yōu)選地，相應(yīng)的第一碼字在兩個(gè)區(qū)域al和a2上的圖案元素6的基 礎(chǔ)上形成，即一個(gè)掃描信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)第一碼字，第一碼字根據(jù)第一區(qū)域al(左手）的圖案元 素6和第二區(qū)域a2(右手)的圖案元素6產(chǎn)生，圖案元素通過各自的線傳感器4或4a掃描。為了 確定位置P，不管第一掃描頭51示出的橫向偏移Aya，圖案元素6對(duì)稱于第一二維圖案5的對(duì) 稱軸13,形成一個(gè)長(zhǎng)度為y的第一碼字，其小于線傳感器4和4a的掃描長(zhǎng)度L，使得對(duì)應(yīng)第一 碼字的掃描信號(hào)即使在掃描有橫向偏移△ ya的情況下也總是產(chǎn)生。在這種情況下，第一碼 字的長(zhǎng)度y適應(yīng)于最大可能的橫向偏移△ Yamax?？蛇x擇地，在第一二維圖案5的整個(gè)范圍上 的圖案元素6，在y方向上每個(gè)在掃描長(zhǎng)度上形成一個(gè)第一碼字，每個(gè)所述第一碼字獨(dú)立編 碼待確定的位置P。這包括相似的第一碼字或不同的第一碼字每種情況，所述碼字的對(duì)應(yīng)掃 描信號(hào)都與類似的位置P關(guān)聯(lián)。為了確定當(dāng)有一個(gè)偏移或傾斜時(shí)的位置和偏差，掃描信號(hào)或 編碼位置P的第一碼字存儲(chǔ)在控制與求值單元，作為旋轉(zhuǎn)角(在這種情況下：ε )的函數(shù)，作為 計(jì)算規(guī)則或查找表(見有關(guān)圖3a的描述）。
[0092]第一掃描頭51的偏差以各自與第一線傳感器4和第二線傳感器4a和已知的線傳感 器距離D的理想位置的偏差為基礎(chǔ)被確定。如示例中所描述的，第一掃描頭51具有一個(gè)與理 想位置(線10)的范圍內(nèi)的偏差，一方面，它沿掃描頭中心57關(guān)于Z軸以角度ε傾斜，另一方 面，掃描頭中心57以絕對(duì)值△ ya橫向偏移(在y方向）。傾斜或旋轉(zhuǎn)角度ε和橫向偏移△ ya是 以第一和第二線傳感器4和4a各自的橫向偏差為基礎(chǔ)，根據(jù)線傳感器距離D確定的。作為替 代或補(bǔ)充，旋轉(zhuǎn)角ε以第一和/或第二線傳感器4和4a繞z軸的傾斜為基礎(chǔ)確定的。因此，繞X 軸的歪斜或傾斜，即繞y軸傾斜，在第一掃描頭51上的，是以兩個(gè)線傳感器4和4a的繞X軸的 歪斜或傾斜為基礎(chǔ)確定的。與第一和第二線傳感器4和4a相對(duì)于第一二維圖案的理想位置 的偏差就是在這種情況下提供的，類似圖3a至圖4c有關(guān)的描述。
[0093]兩個(gè)隔開一定距離的線傳感器4和4a的使用意味著第一掃描頭51相對(duì)于明確位置 的偏移和相對(duì)于第一二維圖案5的取向能夠比只是一個(gè)第一線傳感器4更準(zhǔn)確地確定，其 中，為了高精度的應(yīng)用，第一掃描頭51與理想位置的偏差是通過使用兩個(gè)線傳感器4和4a關(guān) 于各自運(yùn)動(dòng)由度被確定的。絕對(duì)位置同樣需要被確定，如第一掃描頭51的相對(duì)位置，作為掃 描頭中心57相對(duì)于第一二維圖案的位置，被形成為一個(gè)從兩個(gè)線傳感器4和4a的兩個(gè)絕對(duì) 確定位置的平均值，其提供了第一掃描頭51位置確定的精度方面的優(yōu)勢(shì)。兩個(gè)線傳感器4和 4a的使用也有利于相關(guān)的定位穩(wěn)定性。
[0094]根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)1尤其適用于測(cè)量裝置60,如絕對(duì)線性編碼器或線性位置編碼 器，在該裝置中可沿測(cè)量路徑相對(duì)于彼此移動(dòng)的元素的位置需要被確定。圖6a以立體圖示 出了這樣的測(cè)量裝置60的改進(jìn)示意圖。根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置60具有第一系統(tǒng)1和第二系 統(tǒng)la，系統(tǒng)1具有第一掃描頭51和第一二維圖案5,第二系統(tǒng)Ia具有第二掃描頭51a和第二二 維圖案5a。第一二維圖案5和第二二維圖案5a設(shè)置在一個(gè)共同的三維圖案支撐部50。兩個(gè)掃 描頭51和51a各有至少一個(gè)線傳感器用于掃描相應(yīng)的二維圖案。在這個(gè)例子中，兩個(gè)掃描頭 51和51a與控制和評(píng)估單元2集成為一個(gè)集中控制和評(píng)估單元用于在目標(biāo)52中的兩個(gè)系統(tǒng)1 和la，其位置P在前進(jìn)方向F上沿著測(cè)量路徑M需要被確定，其中兩個(gè)掃描頭51和51a在目標(biāo) 中有固定的和由此的彼此間的已知的空間排布。
[0095]根據(jù)本發(fā)明，第二二維圖案5a和第二掃描頭5 Ia的特性與第一二維圖案5和第一掃 描頭51的特征的特征相對(duì)應(yīng)，從而使得二維圖案5、5a的每一個(gè)都可以用于絕對(duì)地確定位置 P，并確定線傳感器并由此確定掃描頭51或51a與理想位置的偏差，或確定相對(duì)于各自二維 圖案5或5a，目標(biāo)52與理想位置的偏差。三維圖案支撐部50具有至少有三個(gè)面，其邊緣彼此 平行，使得三維圖案支撐部對(duì)應(yīng)于一個(gè)具有一個(gè)三角形或多邊形截面的直棱柱（圖6a，立方 體），三維圖案支撐部50的至少兩個(gè)面具有一個(gè)二維圖案在其上，如實(shí)施例所示。因此，第一 和第二二維圖案5和5a位于兩個(gè)不同的、不平行的平面，并沿前進(jìn)方向彼此平行延伸，使得 第二二維圖案5a相對(duì)于第一二維圖案5以角δ布置在 zy平面上。在本例中，選擇所述第一二 維圖案5和5a的布置使得第一二維圖案5位于xy平面內(nèi)，第二二維圖案5a位于zx平面內(nèi)。因 此，兩個(gè)圖案平面以一個(gè)90°角δ相交。已證實(shí)以一個(gè)在該區(qū)域的約20° <δ<120°的角度可 以達(dá)到好的結(jié)果。
[0096]根據(jù)本發(fā)明，基于第一和第二二維圖案5和5a的特性，和它們不同的空間取向、固 定和已知的線傳感器和掃描頭51、51a相對(duì)于目標(biāo)52的空間布置，目標(biāo)52的位置和目標(biāo)52相 對(duì)于圖案支撐部50與理想位置的偏差，可以在所有的運(yùn)動(dòng)自由度上被確定。例如，第一二維 圖案5被用來(lái)確定在y方向的橫向偏移，第二二維圖案5a被用來(lái)確定在z方向的橫向偏移，因 此目標(biāo)52整體在yz平面的偏移，也就是說在前進(jìn)方向F的橫向偏移，可以被確定。因此，目標(biāo) 52的傾斜和歪斜在第一掃描頭51和第二掃描頭51a的傾斜和歪斜基礎(chǔ)上被確定。
[0097]由于與一個(gè)目標(biāo)52理想位置的偏差的確定涉及到有兩個(gè)二維圖案5和5a，在前進(jìn) 方向F的絕對(duì)位置P同時(shí)使用第一系統(tǒng)1和第二系統(tǒng)2或同時(shí)在第一二維圖案5和第二二維圖 案5a的基礎(chǔ)上被確定，這提供了關(guān)于定位的穩(wěn)定性和/或精度的優(yōu)勢(shì)。穩(wěn)定性和/或精度的 進(jìn)一步提高，可選地通過使用根據(jù)本發(fā)明的具有在圖案支撐部50的其他側(cè)邊的一個(gè)二維圖 案的改進(jìn)系統(tǒng)可以任意實(shí)現(xiàn)，其中二維圖案在前進(jìn)方向F上平行于兩個(gè)中的第一個(gè)。
[0098]圖6b顯示了根據(jù)本發(fā)明測(cè)量裝置60的另一個(gè)有利的使用，其包括根據(jù)本發(fā)明的兩 個(gè)系統(tǒng)1和la，用于沿測(cè)量路徑M的定位。按照?qǐng)D示顯示了一個(gè)三維圖案支撐部50的立體圖， 根據(jù)本發(fā)明，其具有相互垂直且在前進(jìn)方向F上延伸的兩個(gè)側(cè)面，一個(gè)側(cè)面有圖案測(cè)量路徑 Ml與兩個(gè)第一二維圖案5，5\另一側(cè)面有圖案測(cè)量路徑M2與三個(gè)第二二維圖案5a，5ar和 5a〃。所述二維圖案5-5a 〃分別小于在該目標(biāo)52的相對(duì)位置上的整個(gè)測(cè)量路徑(稍后被稱為 測(cè)量路徑位置PM，PM)需要被確定。第一二維圖案5和5'在前進(jìn)方向F上連續(xù)布置且彼此相 同。它們?cè)谇斑M(jìn)方向F上具有圖案長(zhǎng)度Ml，M1是成比例的，使得兩個(gè)第一二維圖案案5和5'的 布置在前進(jìn)方向F上覆蓋整個(gè)測(cè)量路徑M。同樣，三個(gè)第二二維圖案5a_5a 〃彼此相同，在前進(jìn) 方向F上連續(xù)布置，每個(gè)覆蓋一個(gè)測(cè)量路徑長(zhǎng)度M2。第一和第二二維圖案5，5 '和5a-5a"在前 進(jìn)方向F上彼此平行地延伸，因此第一二維圖案5或5由第一系統(tǒng)1的第一掃描頭51沿測(cè)量路 徑M掃描，同時(shí)第二二維圖案SaAa 7或5a〃由第二系統(tǒng)Ia的第二掃描頭51a在每種情況下掃 描。根據(jù)本發(fā)明，每個(gè)第一二維圖案5,5'形成相應(yīng)的第一碼字，每一個(gè)第二二維圖案形成相 應(yīng)的第二碼字，這些代碼在各個(gè)圖案5,5'或5a-5a〃的長(zhǎng)度Ml或M2上的位置是絕對(duì)且唯一 的。因?yàn)榈谝欢S圖案5和5'和第二二維圖案5a_5a"分別彼此相同，相應(yīng)的第一和第二碼字 分別在整個(gè)測(cè)量路徑M上出現(xiàn)兩次(第一二維圖案)和三次(第二二維圖案）。圖案長(zhǎng)度Ml和 M2以適應(yīng)彼此的方式不同地選擇，這樣在整個(gè)測(cè)量路徑，當(dāng)?shù)谝粓D案5或5'和第二圖案5a-5a"在目標(biāo)52關(guān)于圖案支撐50的相同的相對(duì)位置上被掃描，一個(gè)碼字組合作為一個(gè)第一圖 案5,5"的第一碼字和第二圖案5 &，5Υ，5a〃的第二碼字的組合，只出現(xiàn)一次。結(jié)果是，這個(gè)碼 字組合是唯一的，因此用于目標(biāo)52的測(cè)量路徑位置PM絕對(duì)確定。測(cè)量路徑位置PM的絕對(duì)確 定在第一和第二碼字的碼字組合的基礎(chǔ)上被影響，通過存儲(chǔ)在控制和評(píng)估單元2的信息，如 一個(gè)關(guān)聯(lián)表包括測(cè)量路徑位置PM和碼字組合或包括測(cè)量路徑位置PM和對(duì)應(yīng)于第一和第二 碼字的各自的掃描信號(hào)的組合，或者一個(gè)關(guān)聯(lián)表包括測(cè)量路徑位置PM和與第一和第二碼字 相關(guān)的每個(gè)位置的組合。
[0099] 為了更清楚起見，圖6b示出了長(zhǎng)度很大不同的第一和第二二維圖案。然而，優(yōu)選 地，違背圖6b的說明，第一二維圖案5的圖案長(zhǎng)度Ml之間的不同或第一碼字?jǐn)?shù)量的不同盡可 能的小，第二二維圖案5a的圖案長(zhǎng)度M2和第二碼字?jǐn)?shù)量是最小的，且圖案長(zhǎng)度Ml，M2或碼字 數(shù)量彼此互質(zhì)，這會(huì)有利的導(dǎo)致可編碼的測(cè)量路徑位置PM的數(shù)量盡可能大。舉例來(lái)說，第一 二維圖案5在圖案長(zhǎng)度Ml上有1024個(gè)第一碼字，第二二維圖案5a在圖案長(zhǎng)度M2上有1023個(gè) 第二碼字。因此，有1024 · 1023 = 1047552種可能的第一圖案5的第一碼字和第二圖案5a的 第二代碼字的組合。這意味著測(cè)量路徑M可以分成1047552個(gè)可確定的位置。如果每個(gè)被編 碼的、離散的位置對(duì)應(yīng)于一個(gè)如100微米的測(cè)量路徑部分，這將導(dǎo)致104.7552米的測(cè)量路徑 M用于圖案長(zhǎng)度分別為10.24厘米和10.23厘米的Ml和M2。
[0100] 測(cè)量路徑位置PM，也就是說目標(biāo)52在測(cè)量路徑M上的相對(duì)位置，從關(guān)于圖案長(zhǎng)度Ml 和M2的任意絕對(duì)位置P被絕對(duì)的確定，通過制造和解決一個(gè)線性同余系統(tǒng)，優(yōu)選使用中國(guó)剩 余定理。如果，在一個(gè)目標(biāo)52的相對(duì)位置，第五百個(gè)第一碼字，例如從第一二維圖案5(有 1024個(gè)碼字)進(jìn)行掃描，并且第六百個(gè)第二碼字從第二二維圖案進(jìn)行掃描，有1023個(gè)碼字， 那么從這兩個(gè)方程(9)和(10)得到一個(gè)線性同余系統(tǒng)用于尋求測(cè)量路徑位置PM:
[0101] PMmodl024 = 500 (9)
[0102] 和
[0103] PMmodl023 = 600 (10)
[0104] 測(cè)量路徑位置PM通過方程(9)和(10)計(jì)算來(lái)獲得
[0105] PM = 600 · 1024+500 · (1047552-1023)modl047552 = 102900 (Il)0
[0106] 這種測(cè)量裝置60是有利的，特別是在長(zhǎng)測(cè)量路徑M的情況下，即，在測(cè)量裝置60具 有長(zhǎng)行程的情況下，由于不太復(fù)雜的碼字對(duì)二維圖案是必要的，二維圖案在長(zhǎng)度Ml或M2上 對(duì)位置進(jìn)行編碼，單個(gè)絕對(duì)編碼需要在整個(gè)測(cè)量路徑M上提供唯一的第一和第二碼字，因此 二維圖案相比單一的絕對(duì)編碼的情況只需較不復(fù)雜的碼字。此外，短的路徑長(zhǎng)度M1、M2提供 在圖案的生產(chǎn)、運(yùn)輸和/或組裝方面的優(yōu)勢(shì)。例如，代替一個(gè)共同的、長(zhǎng)的圖案支撐部50,如 圖6b所示，第一二維圖案5,5'設(shè)置在獨(dú)立的、短的圖案支撐部上，其在前進(jìn)方向上連續(xù)地安 裝在測(cè)量裝置60的一側(cè)，第二二維圖案5a_5a 〃設(shè)置在其他的獨(dú)立的短的圖案支撐部上，其 除了用于第一二維圖案5，5'的圖案支撐部外，可選地在測(cè)量裝置上在前進(jìn)方向上連續(xù)地安 裝在測(cè)量裝置60的另一側(cè)。在這種情況下，當(dāng)安裝在一個(gè)共同的3D圖案支撐部50上時(shí)，第一 二維圖案5,5'平行延伸到第二二維圖案5a_5a"。這樣的好處是也能夠容忍生產(chǎn)公差，和在 這些單獨(dú)的圖案支撐部的裝配中的顯著的不精確性，第一二維圖案5和第二維圖案5a不同 的不僅僅是一個(gè)碼字。舉例來(lái)說，如果具有第一二維圖案5的十個(gè)圖案支撐部以及與這些圖 案支撐部平行的具有第二二維圖案5a的十個(gè)圖案支撐部均在前進(jìn)方向F上以每種情況下 100微米的精確度連續(xù)布置，則將獲得一個(gè)沿前進(jìn)方向F的全部的Imm的不準(zhǔn)確性。為了當(dāng)二 維圖案5和5a以分成被編碼的位置給定為100微米的每種情況下能夠?qū)ζ溥M(jìn)行補(bǔ)償，第二二 維圖案5a(給定第一圖案5有1024個(gè)碼字)有1024-11 = 1013個(gè)而不是1023個(gè)碼字。為了能夠 容忍高達(dá)十個(gè)位置的不準(zhǔn)確，可以與測(cè)量路徑位置PM唯一地相關(guān)聯(lián)的最大數(shù)量的碼字組合 (考慮到在每個(gè)情況下的不準(zhǔn)確性)為：
[0107]
[0108] 在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上，這對(duì)應(yīng)于一個(gè)9.4208米的最大測(cè)量路徑，在該路徑上的目 標(biāo)52可以被明確地絕對(duì)定位。這比沒有公差的最大可能的測(cè)量路徑（1024 · 1013 = 1037312 個(gè)單元或103.7312米)要短得多。因此，為了增加最大測(cè)量路徑M的大小且同時(shí)容許不準(zhǔn)確 性，具有不同于圖案長(zhǎng)度的Ml和M2的其他圖案長(zhǎng)度的可選的其他二維圖案，沿著測(cè)量路徑M 平行于第一和第二二維圖案5和5a布置?？蛇x的，各掃描頭51或5Ia至少還有一個(gè)其他的線 傳感器，也就是說至少兩個(gè)或三個(gè)線傳感器，以便提高系統(tǒng)l、la或測(cè)量裝置60的堅(jiān)固性。 [0109]圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)測(cè)量裝置60,該測(cè)量裝置為坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM)的形 式。坐標(biāo)測(cè)量機(jī)60被設(shè)計(jì)為用于確定一個(gè)光學(xué)或觸覺掃描頭27在空間中的位置。該坐標(biāo)測(cè) 量機(jī)具有一個(gè)跨接x-y平面的板狀基座21，并且具有兩個(gè)門架支撐部20的門架23在該板狀 基座上被布置成使得門架在X方向上可相對(duì)于基座21移動(dòng)。門架23還有一個(gè)橋接部22和一 個(gè)z柱26,門架支撐部20在其遠(yuǎn)離基座的端部處通過橋接部22相互連接。所述橋22上布置有 一個(gè)滑動(dòng)件25,滑動(dòng)件25可相對(duì)于橋接部22在y方向上移動(dòng)。Z柱26能夠相對(duì)于滑動(dòng)件25在z 方向移動(dòng)，在滑動(dòng)件25的保持部中被引導(dǎo)，其面對(duì)基座21的末端具有掃描頭27。門架23、滑 動(dòng)件25和z柱26各自的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向定義了各自的前進(jìn)方向Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，在每種情況下至少 沿著一個(gè)方向，在示例中的每種情況下沿著兩個(gè)方向，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)Ix和IV，Iy和 ly'，lz和Iz'可以確定一個(gè)位置（用于門架相對(duì)于基座、滑動(dòng)件相對(duì)于橋接部、z柱相對(duì)于滑 動(dòng)件）。系統(tǒng)Ix和Ix7集成在CMM 60中，使得基座21具有第一二維圖案5x或第二二維圖案 5χ、門架23具有第一掃描頭或第二掃描頭用于掃描二維圖案5x或5Y。類似地，其他系統(tǒng)Iy 或Iy7和Iz或I?集成在CMM 60中，使得其掃描頭隨著滑動(dòng)件25能夠相對(duì)于二維圖案57/?/ 和5Z/5Z'移動(dòng)，其分別地設(shè)置在橋接部22和z柱上。作為使用二維圖案5X-5Z'的一種替代 (它們分別覆蓋在x、y、z方向上的整個(gè)可能的測(cè)量路徑），使用沿每個(gè)前進(jìn)方向Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z連 續(xù)布置的二維圖案5(具有更短的圖案長(zhǎng)度），也就是說，系統(tǒng)Ix-Iz'與如圖6b所示相似地構(gòu) 成。通過根據(jù)本發(fā)明確定的位置PX，PY和PZ和與掃描頭51X-51?的理想位置的偏差，可以以 很高的精度絕對(duì)地確定掃描頭27的空間位置。本發(fā)明允許通過絕對(duì)位置和偏差的確定來(lái)高 精度地確定掃描頭27的空間定位，即使沒有高精度設(shè)計(jì)或制造的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)60和/或沒有 復(fù)雜的高精度方法校準(zhǔn)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)60。另一方面，通過根據(jù)本發(fā)明的絕對(duì)位置和偏差確定 允許掃描頭27的空間位置比根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的測(cè)量裝置在設(shè)計(jì)或校準(zhǔn)復(fù)雜度上更精確地被 確定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于確定沿前進(jìn)方向$^1^7^2)的位置(？，？1，？7，？2)的系統(tǒng)（1)，該系統(tǒng)包 括： ?第一傳感器(4)，該第一傳感器具有沿縱軸（54)的掃描長(zhǎng)度(L)，所述第一傳感器用 于掃描第一二維圖案（5,5')并產(chǎn)生掃描信號(hào)，并且所述第一傳感器被集成在第一掃描頭 (51)內(nèi)； #第一二維圖案(5,5')，該第一二維圖案能夠由所述第一傳感器(4)掃描，該第一二維 圖案在前進(jìn)方向卬^^?7^2)上延伸并包括圖案元素(6,6&-6〇，其中所述第一傳感器(4) 和所述第一二維圖案(5，在所述前進(jìn)方向（F，F(xiàn)x，F(xiàn)y，F(xiàn)z)上彼此相對(duì)移動(dòng)；以及 ?控制和評(píng)估單元(2)，該控制和評(píng)估單元用于評(píng)估所述掃描信號(hào)； 其特征在于： ?通過因限定而不同的布置和/或?qū)嵤┓绞?，所述圖案元素(6,6a-6f)形成針對(duì)沿所述 前進(jìn)方向$^辦^)的每個(gè)位置(？^乃^)的相關(guān)的第一個(gè)碼字，在每種情況下，所 述第一碼字能夠至少在所述第一傳感器(4)的掃描長(zhǎng)度的一部分上被感測(cè)，并且所述第一 碼字對(duì)各自的位置(P)絕對(duì)地編碼，從而使得所述第一二維圖案(5,5 7 )在所述前進(jìn)方向(F， Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z)上形成絕對(duì)位置編碼路徑； ?在每種情況下，所述掃描信號(hào)在各自位置(？，？^?7，？2)對(duì)應(yīng)于所述第一碼字，并且 以下信息被存儲(chǔ)在所述控制和評(píng)估單元(2)中： -一份解碼信息，該解碼信息能夠用來(lái)將絕對(duì)位置(P)與每個(gè)掃描信號(hào)唯一關(guān)聯(lián)； -一種信息，該信息能夠被用于基于所述第一碼字利用各自的掃描信號(hào)來(lái)確定在各自 的位置(？，？1，？7，？2)中，所述第一傳感器(4)至少關(guān)于一個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度而言與相對(duì)于所述 第一二維圖案(5，5)來(lái)說的理想位置(9，10，12)的偏差。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)（1 )，其特征在于， 所述第一傳感器(4)呈線傳感器(4)的形式。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)（1 )，其特征在于， 所述第一傳感器或線傳感器(4)的所述縱軸（54)大致沿所述前進(jìn)方向 向，且所述第一二維圖案(5,5/)的所述第一碼字在所述前進(jìn)方向^1^7^2)上具有不同 布置的圖案元素(6,6a_6f)，特別是具有相對(duì)于所述前進(jìn)方向^1^ 7^2)的不同的傾斜 和不同的圖案元素周期性，和/或不同實(shí)施的圖案元素(6,6a_6f)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)（1 )，其特征在于， 所述第一二維圖案(5,5/)在所述前進(jìn)方向^1^7^2)上被分成多個(gè)不同的布置和/ 或?qū)嵤┑膱D案元素(6,6a_6f)的分別鄰接的區(qū)域(al-ai)，其中 ?所述區(qū)域(&1-3；〇在所述前進(jìn)方向$，？1，？7，？2)上具有不同的區(qū)域長(zhǎng)度((11-(1；〇; #具有限定的實(shí)施和/或布置的圖案元素的每個(gè)區(qū)域形成區(qū)域類型，并且所述第一二 維圖案(5,5/)具有至少兩個(gè)不同的區(qū)域類型(&1-&1);并且 ?第一傳感器或線傳感器(4)的所述掃描長(zhǎng)度(L)在所述前進(jìn)方向^1^7^2)上與 所述區(qū)域(al-ai)的所述區(qū)域長(zhǎng)度(dl-di)相適應(yīng)，使得所述第一傳感器或線傳感器(4)能 夠同時(shí)掃描來(lái)自每個(gè)位置(P，Px，Py，Pz)的至少兩個(gè)區(qū)域(al-ai)的圖案元素(6,6a_6f);并 且 ?能夠在掃描長(zhǎng)度(L)上被掃描的所述區(qū)域(al-ai)的區(qū)域類型的序列用于形成各自 的第一碼字。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)（1 )，其特征在于， ?所述區(qū)域(al-ai)在所述前進(jìn)方向卬^1^7^2)上具有至少兩個(gè)不同的區(qū)域長(zhǎng)度 (dl-di);并且 ?所述區(qū)域長(zhǎng)度(dl-di)，特別是結(jié)合所述區(qū)域類型的序列被用于形成各自的第一碼 字； ?其中不同區(qū)域長(zhǎng)度(dl-di)的數(shù)量和所述第一二維圖案(5,5')所具有的所述區(qū)域類 型的數(shù)量以彼此適應(yīng)的方式選定，尤其是以互質(zhì)的方式選定。6. 根據(jù)權(quán)利要求3至5中任一所述的系統(tǒng)（1 )，其特征在于， 所述第一掃描頭(51)包括集成的第二傳感器或線傳感器(4a)，該第二傳感器或線傳感 器大體沿所述前進(jìn)方向$^1^7^2)取向，用于掃描所述第一二維圖案（5,5/)，其中所述 第一傳感器或線傳感器(4)和所述第二傳感器或線傳感器(4a)相對(duì)于彼此以線傳感器距離 (D1-D3)布置在限定位置上，所述限定位置被存儲(chǔ)于所述控制和評(píng)估單元(2)中，所述線傳 感器距離(D1-D3)在所述前進(jìn)方向$，？1，？7，？2)上被限定并且同樣地被存儲(chǔ)于所述控制和 評(píng)估單元(2)中，特別地，其中所述兩個(gè)傳感器或線傳感器(4,4a)的所述縱軸(54,54a)在所 述前進(jìn)方向$^1^ 7^幻上大致彼此平行地取向。7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)（1 )，其特征在于， 所述第一掃描頭(51)具有集成的第二傳感器或線傳感器(4a)，用于掃描所述第一二維 圖案(5,50,其中 ?所述第一傳感器或線傳感器(4)的所述縱軸(54)和所述第二線傳感器(4a)的所述縱 軸(54a)相對(duì)于所述前進(jìn)方向（F，F(xiàn)x，F(xiàn)y，F(xiàn)z)大致垂直地取向，并且 ?所述第一傳感器或線傳感器(4)和所述第二傳感器或線傳感器(4a)在所述前進(jìn)方向 ^1^7^2)上具有限定的傳感器距離(0)，所述傳感器距離被存儲(chǔ)在所述控制和評(píng)估單 元(2)中，特別地，其中這兩個(gè)傳感器或線傳感器(4,4a)的所述縱軸(54,54a)大致互相平行 地取向； 特別地，其中信息被存儲(chǔ)在所述控制和評(píng)估單元(2)中，所述信息能被用于基于來(lái)自所 述第一傳感器或線傳感器(4)和所述第二傳感器或線傳感器(4a)的對(duì)應(yīng)于各自的第一碼字 的掃描信號(hào)來(lái)確定所述第一掃描頭(51)至少相對(duì)于一個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度而言，特別是相對(duì)于所 有的運(yùn)動(dòng)自由度而言與相對(duì)于所述第一二維圖案（5,5 /)來(lái)說的理想位置(9，10，12)的偏 差。8. -種測(cè)量裝置(60)，該測(cè)量裝置具有能夠沿測(cè)量路徑(M)相對(duì)于彼此移動(dòng)的臂，其特 征在于， 設(shè)置有根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的第一系統(tǒng)（1)，并且所述測(cè)量路徑(M)沿所述 系統(tǒng)（1)的所述前進(jìn)方向$^1^7^2)延伸，其中所述系統(tǒng)（1)被用于確定所述臂相對(duì)于彼 此的相對(duì)位置，特別是，其中所述測(cè)量裝置(60)為線性編碼器的形式。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的測(cè)量裝置(60)，其特征在于， 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的至少一個(gè)第二系統(tǒng)（la)，該第二系統(tǒng)具有第二掃描 頭(51a)和第二二維圖案(Saja7，5a"），所述第二掃描頭(51a)具有至少一個(gè)傳感器或線傳 感器(4,4 &)，所述第二二維圖案具有用于確定沿前進(jìn)方向^1^7^2)的絕對(duì)位置以及確 定所述傳感器或線傳感器(4,4a)與相對(duì)于第二二維圖案(5&，5Υ，5a〃）來(lái)說的理想位置(9， 10,12)的偏差的第二碼字，其中 #所述第一二維圖案（5,5/)和所述第二二維圖案（5&，5& /，5&"）在所述前進(jìn)方向卬， Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z)上彼此平行地延伸，并且特別是布置在不同的平面中，其中特別是所述平面包夾 出90° ±3°的夾角，并且 ?所述第一掃描頭(51)和所述第二掃描頭(51a)-起移動(dòng)。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的測(cè)量裝置(60)，其特征在于： 所述第一系統(tǒng)（1)具有多個(gè)連續(xù)地固定在所述前進(jìn)方向（F，F(xiàn)x，F(xiàn)y，F(xiàn)z)上的相同的第一 二維圖案(5,5')，所述第二系統(tǒng)（la)具有多個(gè)連續(xù)地固定在所述前進(jìn)方向上的類似的第二 二維圖案（5&，5 &/，5&〃），特別地，其中所述第一二維圖案（5,5/)的所述第一碼字的數(shù)量和 所述第二二維圖案(5a，5'，5a〃）的所述第二碼字的數(shù)量互質(zhì)，并且彼此的碼字?jǐn)?shù)量存在差 值，其中特別地，碼字?jǐn)?shù)量的差值根據(jù)所述測(cè)量裝置(60)的制造公差選定，和/或作為所述 第一二維圖案(5,5 7 )的第一碼字和所述第二二維圖案(Saja7，5a〃）的第二碼字的組合的 各碼字組合在所述前進(jìn)方向$^1^ 7^2)上是唯一的，并且在所述測(cè)量裝置(60)的控制和 評(píng)估單元(2)中存儲(chǔ)信息，所述信息能夠用于在每一種情況下將碼字組合與測(cè)量路徑位置 唯一地關(guān)聯(lián)，特別地，其中所述第一二維圖案(5,5')的所述第一碼字的數(shù)量和所述第二二 維圖案(5a，5a'，5a〃）的所述第二碼字的數(shù)量彼此之間相互適應(yīng)，以使得所述測(cè)量裝置(60) 的制造公差能夠被補(bǔ)償。11. 根據(jù)權(quán)利要求8至10中任一項(xiàng)所述的測(cè)量裝置(60 )，其特征在于， 所述測(cè)量裝置(60)是三維坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(20)，其中所述測(cè)量裝置(60)針對(duì)每個(gè)坐標(biāo)軸具 有至少一個(gè)相應(yīng)的系統(tǒng)（1)，以確定所述臂彼此之間的相對(duì)位置。12. -種利用根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)（1)確定沿前進(jìn)方向^1^7^2)的位置0， Px，Py，Pz)的方法，該方法具有如下步驟： ?由所述第一傳感器(4)在掃描長(zhǎng)度(L)上掃描所述第一二維圖案（5,5')的圖案元素 (6,6a-6f); ?產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于第一碼字的掃描信號(hào)，該第一碼字由掃描到的圖案元素(6,6a-6f)形成； ?基于在控制和評(píng)估單元(2)中存儲(chǔ)的解碼信息，將絕對(duì)位置0，？1，？7，？2)與所述掃 描信號(hào)相關(guān)聯(lián)，并且 ?在所述掃描信號(hào)與針對(duì)所述位置所存儲(chǔ)的理想信號(hào)產(chǎn)生偏差的情況下，所述掃描信 號(hào)以及在所述控制和評(píng)估單元(2)中基于所述第一碼字針對(duì)所述位置(？，？1，？7，？2)所存儲(chǔ) 的信息被用于確定所述第一傳感器(4)關(guān)于至少一個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度而言與相對(duì)于所述第一二 維圖案(5,5 7 )來(lái)說的理想位置(9,10,12)的偏差。13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于： 與理想位置(7,8,9，10)的所述偏差是通過求解線性同余的數(shù)學(xué)系統(tǒng)確定的，所述數(shù)學(xué) 系統(tǒng)是基于第一碼字產(chǎn)生的，特別是利用中國(guó)剩余定理來(lái)求解所述數(shù)學(xué)系統(tǒng)。14. 根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其特征在于： 所述方法通過使用根據(jù)權(quán)利要求11所述的測(cè)量裝置(60)執(zhí)行，其中 所述第一二維圖案(5,5')和所述第二二維圖案(Saja'，5a〃）在同一個(gè)步驟中被掃描， 并且 所述第一二維圖案（5,5')的第一碼字和所述第二二維圖案（SaJa'，5a〃）的第二碼字 的碼字組合被用于唯一地確定絕對(duì)測(cè)量路徑位置，尤其是通過對(duì)在這兩個(gè)碼字基礎(chǔ)上所產(chǎn) 生的線性同余的數(shù)學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行求解來(lái)確定，特別是利用中國(guó)剩余定理來(lái)對(duì)所述數(shù)學(xué)系統(tǒng)求 解。15. 根據(jù)權(quán)利要求12至14中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于， 所述方法利用根據(jù)權(quán)利要求10所述的測(cè)量裝置(60)執(zhí)行，并且待測(cè)量的三維坐標(biāo)由絕 對(duì)位置(P，Px，Py，Pz)以及與針對(duì)每個(gè)坐標(biāo)軸確定的理想位置(7，8，9，10)的偏差計(jì)算得到。16. -種存儲(chǔ)在機(jī)器可讀存儲(chǔ)介質(zhì)上的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品或通過電磁波實(shí)現(xiàn)的具有程序 代碼的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)信號(hào)，其用于控制或執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求12至15中任一項(xiàng)所述的方法。
【文檔編號(hào)】G01D5/34GK105937918SQ201610212460
【公開日】2016年9月14日
【申請(qǐng)日】2016年2月19日
【發(fā)明人】R·菲爾施, 克努特·西爾克斯
【申請(qǐng)人】赫克斯岡技術(shù)中心