用于确定位置的系统技术方案

本发明专利技术涉及一种用于确定位置的系统(1)，其具有第一传感器(4)，特别是线传感器，具有用于扫描第一二维图案(5，5′)并产生扫描信号的扫描长度(L)。第一二维图案(5，5′)具有在扫描长度(L)的至少一部分形成第一码字的图案元素(6)，所述第一码字对沿前进方向的绝对位置进行编码。进一步地，第一码字可以作为确定第一传感器(4)与相对于第一二维图案(5)的理想位置(9，10，12)的偏差的基础。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于确定沿前进方向的位置的系统，该系统具有如权利要求1所述的用于扫描图案的传感器和可扫描的二维图案，同时还涉及一种如权利要求12所述的确定沿前进方向的位置的方法以及计算机程序产品。
技术介绍
在许多需要确定沿前进方向移动的目标位置的应用领域中需要确定沿前进方向位置的系统，例如，线性轴上的机器部件的位置，如驱动器或旋转臂的位置。这种情况下，检测的位置可作为用于测量目的的位置值，或者应用于具有位置控制回路的驱动的定位元件。这样的定位系统相应地应用在如坐标测量机(CMM)、大地测量设备、机器人手臂或液压执行机构等设备中。这样的系统通常具有图案和传感器，所述图案或所述传感器被连接到所述移动体，所述图案和所述传感器能够沿前进方向彼此相对地移动。所述传感器扫描图案，并产生一个基于被扫描的图案部分的扫描信号。所述图案被构造为扫描信号的变化依赖于传感器与图案之间相对位置的变化，因此获得目标的位置。该系统的控制和评估单元使用关于图案的存储信息从扫描信号中确认所寻求的位置。举例来说，用于增量定位的图案具有相同类型的图案元素，所述图案元素以彼此之间相同的相对距离布置在前进方向上。所述传感器在每种情况下扫描一个图案元素。存储在控制和评估单元的信息为图案元素之间的距离，因此，基于传感器和图案已定义的零位置，可以通过传感器和图案之间相对运动扫描到的同类型扫描信号的数量来确定位置。增量定位的系统具有的缺点是，当系统被重新启动时，每次都必须从一个零位置或一个参考位置再次开始。相反，在绝对定位系统中，分别的单个图案元素或图案元素的序列产生特有的和可辨识的扫描信号。这允许将一个唯一的位置与一个传感器和图案之间分别的相对位置联系起来，即没有依据一个参考位置。理想情况下，传感器和图案仅改变彼此之间在前进方向上的相对位置，即，他们相对于彼此的运动只有一个自由度(DoF)。然而在实际中，在这种理想情况下不希望有的偏差经常出现，即传感器相对于图案的位置无意中经常在至少多于一个的空间方向上变化，例如以偏移，歪斜或倾斜的形式。在这种情况下，偏移量或者是恒定的，或者考虑到前进的方向和图案的纵轴线方向并不完全彼此平行，偏移量由相对位置决定。此外，传感器会产生歪斜或倾斜，即传感器在其自身至少一个轴上无意间的旋转。这些与理想情况的差异可能产生对测量精度的不利影响。保持这种偏差尽可能的小，也就是观察所述理想位置尽可能精确，或对偏差进行补偿需要高度复杂的设计和/或复杂的校准方法，特别是当在前进方向上有大区域运动时。作为一种替代方案，US 6333511公开了一种系统用于确定目标沿前进方向的位置，其进一步的目的是能够用来识别目标或传感器垂直于前进方向的轻微运动，或允许传感器与前进方向水平定向。该系统基于光电技术、增量定位技术，并且沿前进方向具有交替的不透明和透明条纹的图案，所述图案由具有采用透射照明方法的探测器阵列的传感器进行扫描。条纹彼此之间的距离是已知的并存储在控制和评估单元，优选地，条纹彼此之间的距离是一致的。条纹图案和传感器彼此配合，以至于传感器所对应图案的每个相对位置，一个条纹无论何时都只有一个边缘，即探测器所扫描的一个不透明条纹和一个透明条纹之间的边界。依据不透明条纹相对于探测器的相对位置(并因此图案或连接到图案的移动目标的位置)，探测器检测不同量的光，因此在每种情况下，探测器产生的光相关的探测信号强度取决于相对位置。因此，所求位置可以使用一个单独地、适用地选定的探测器所产生的探测器信号强度来增量地确定。适用的检测器是指其扫描条纹的边缘并且在这样做时，既感觉不到最小可能的光照强度(因为不透明条纹而完全变暗的情况下)也感觉不到最大可能的光照强度(因为透明条纹而完全照明的情况下)。为了增加精度，最终位置是通过把各自检测器所确定的多个位置值求平均计算得出的。目标或传感器在垂直于前进方向或在前进方向上传感器的水平定向的运动(参见前述)的确定，可以根据US6333511使用一个V形条纹的图案或具有平行于前进方向条纹的附加图案来实现。根据US6333511的系统的缺点是，首先绝对位置的定位是不可能的，其次除了目标或传感器垂直于前进方向的轻微运动和传感器的水平定位之外，要确定从传感器理想位置相对于图案的进一步的偏差是不可能的，和第三，探测器阵列沿着前进的方向的定位，即在前进而非与之垂直的方向上的扫描，虽然是可能的但是势必会伴随精确度的损失。在US6333511所披露的系统仅通过使用附加定位装置或在前进方向与第一图案平行延伸的附加条纹图案的情况下，绝对位置的确定是可能的。附加装置或附加条纹图案可以用来确定绝对位置，其结果是前述增量定位法可以被绝对定位，即增量图案和附加定位装置或附加图案可以用来最终指定绝对位置。这种情况的一个缺点是其仅能相对粗略地确定绝对位置。EP0042179同样公开了一种确定沿前进方向位置的系统，所述系统可以使用具有V形带图案确定与理想位置的偏离。这种情况下也是，一个位置确定增量使用一个通过进一步分离的绝对布置的图案，绝对图案平行于第一图案在前进方向上延伸，EP0042179的绝对图案使用灰色代码编码粗略的位置。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是提供一种用于确定沿前进方向的位置的改进系统，其既可以用来确定传感器与其相对于图案的理想位置的偏差，也可以简单但准确地确定绝对位置。本专利技术通过独立权利要求的技术特征和/或从属权利要求的技术特征，或进一步改进的解决方案来达到这个目的。本专利技术涉及一种用于确定沿前进方向的位置的系统。该系统具有在前进方向上延伸的第一二维图案(2D图案)和集成在第一扫描头中的第一传感器，所述第一传感器具有用于扫描第一二维图案并产生扫描信号的探测器阵列。在这种情况下，第一二维图案由第一传感器利用所述阵列的规定的伸长部分的探测器进行扫描。所述部分的长度被定义为扫描长度。扫描长度的取向限定了纵向轴线。扫描长度对应于不超过探测器阵列的范围，并且比第一二维图案在前进方向上的范围小得多。此外，该系统具有控制和评估单元用于对扫描信号评估。第一传感器和第一二维图案沿着前进方向相对于彼此移动。第一二维图案包括图案元素，并且所述图案元素的形式使得所述第一二维图案能够被用于确定待绝对确定的位置，并且附加地，可用于确定就第一传感器相对于第一二维图案的至少一个运动自由度(除前进方向的运动以外)而言，与理想位置的差异。为此，每个图案元素形成在扫描长度的至少一部分上的第一码字。码字被理解为彼此之间可明确识别出的数字值序列。在每一种情况下，第一码字对待绝对确定的位置编码，从而通过一系列连续布置的第一个码字，第一二维图案在前进方向上形成了绝对位置的代码路径。此外，与每个位置相关联的第一码字可以作为确定在各自位置上第一传感器与相对于第一二维图案的理想位置的偏差的基础。第一传感器所产生的扫描信号在各自的位置对应于第一码字。在控制和评估单元中存储一份解码信息，优选为解码表，该解码表可以用于将一个绝对位置与每个扫描信号唯一地关联起来。此外，基于第一码字或相关的理想的扫描信号，可以使用在控制和评估单元中存储的信息对查明的扫描信号进行评估，从而使得第一传感器从相对于第一二维图案的理想位置的偏差可以至少关于一个运动自由度被确定。就成本/效益比而言，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于确定沿前进方向(F，Fx，Fy，Fz)的位置(P，Px，Py，Pz)的系统(1)，该系统包括：●第一传感器(4)，该第一传感器具有沿纵轴(54)的扫描长度(L)，所述第一传感器用于扫描第一二维图案(5，5′)并产生扫描信号，并且所述第一传感器被集成在第一扫描头(51)内；●第一二维图案(5，5′)，该第一二维图案能够由所述第一传感器(4)扫描，该第一二维图案在前进方向(F，Fx，Fy，Fz)上延伸并包括图案元素(6，6a‑6f)，其中所述第一传感器(4)和所述第一二维图案(5，5′)在所述前进方向(F，Fx，Fy，Fz)上彼此相对移动；以及●控制和评估单元(2)，该控制和评估单元用于评估所述扫描信号；其特征在于：●通过因限定而不同的布置和/或实施方式，所述图案元素(6，6a‑6f)形成针对沿所述前进方向(F，Fx，Fy，Fz)的每个位置(P，Px，Py，Pz)的相关的第一个码字，在每种情况下，所述第一码字能够至少在所述第一传感器(4)的扫描长度的一部分上被感测，并且所述第一码字对各自的位置(P)绝对地编码，从而使得所述第一二维图案(5，5′)在所述前进方向(F，Fx，Fy，Fz)上形成绝对位置编码路径；●在每种情况下，所述扫描信号在各自位置(P，Px，Py，Pz)对应于所述第一码字，并且以下信息被存储在所述控制和评估单元(2)中：‑一份解码信息，该解码信息能够用来将绝对位置(P)与每个扫描信号唯一关联；‑一种信息，该信息能够被用于基于所述第一码字利用各自的扫描信号来确定在各自的位置(P，Px，Py，Pz)中，所述第一传感器(4)至少关于一个运动自由度而言与相对于所述第一二维图案(5，5)来说的理想位置(9，10，12)的偏差。...

【技术特征摘要】
2015.03.06 EP 15157967.91.一种用于确定沿前进方向(F，Fx，Fy，Fz)的位置(P，Px，Py，Pz)的系统(1)，该系统包括：●第一传感器(4)，该第一传感器具有沿纵轴(54)的扫描长度(L)，所述第一传感器用于扫描第一二维图案(5，5′)并产生扫描信号，并且所述第一传感器被集成在第一扫描头(51)内；●第一二维图案(5，5′)，该第一二维图案能够由所述第一传感器(4)扫描，该第一二维图案在前进方向(F，Fx，Fy，Fz)上延伸并包括图案元素(6，6a-6f)，其中所述第一传感器(4)和所述第一二维图案(5，5′)在所述前进方向(F，Fx，Fy，Fz)上彼此相对移动；以及●控制和评估单元(2)，该控制和评估单元用于评估所述扫描信号；其特征在于：●通过因限定而不同的布置和/或实施方式，所述图案元素(6，6a-6f)形成针对沿所述前进方向(F，Fx，Fy，Fz)的每个位置(P，Px，Py，Pz)的相关的第一个码字，在每种情况下，所述第一码字能够至少在所述第一传感器(4)的扫描长度的一部分上被感测，并且所述第一码字对各自的位置(P)绝对地编码，从而使得所述第一二维图案(5，5′)在所述前进方向(F，Fx，Fy，Fz)上形成绝对位置编码路径；●在每种情况下，所述扫描信号在各自位置(P，Px，Py，Pz)对应于所述第一码字，并且以下信息被存储在所述控制和评估单元(2)中：-一份解码信息，该解码信息能够用来将绝对位置(P)与每个扫描信号唯一关联；-一种信息，该信息能够被用于基于所述第一码字利用各自的扫描信号来确定在各自的位置(P，Px，Py，Pz)中，所述第一传感器(4)至少关于一个运动自由度而言与相对于所述第一二维图案(5，5)来说的理想位置(9，10，12)的偏差。2.根据权利要求1所述的系统(1)，其特征在于，所述第一传感器(4)呈线传感器(4)的形式。3.根据权利要求1或2所述的系统(1)，其特征在于，所述第一传感器或线传感器(4)的所述纵轴(54)大致沿所述前进方向(F，Fx，Fy，Fz)取向，且所述第一二维图案(5，5′)的所述第一码字在所述前进方向(F，Fx，Fy，Fz)上具有不同布置的图案元素(6，6a-6f)，特别是具有相对于所述前进方向(F，Fx，Fy，Fz)的不同的倾斜和不同的图案元素周期性，和/或不同实施的图案元素(6，6a-6f)。4.根据权利要求3所述的系统(1)，其特征在于，所述第一二维图案(5，5′)在所述前进方向(F，Fx，Fy，Fz)上被分成多个不同的布置和/或实施的图案元素(6，6a-6f)的分别邻接的区域(al-ai)，其中●所述区域(al-ai)在所述前进方向(F，Fx，Fy，Fz)上具有不同的区域长度(dl-di)；●具有限定的实施和/或布置的图案元素的每个区域形成区域类型，并且所述第一二维图案(5，5′)具有至少两个不同的区域类型(al-ai)；并且●第一传感器或线传感器(4)的所述扫描长度(L)在所述前进方向(F，Fx，Fy，Fz)上与所述区域(al-ai)的所述区域长度(dl-di)相适应，使得所述第一传感器或线传感器(4)能够同时扫描来自每个位置(P，Px，Py，Pz)的至少两个区域(al-ai)的图案元素(6，6a-6f)；并且●能够在扫描长度(L)上被扫描的所述区域(al-ai)的区域类型的序列用于形成各自的第一码字。5.根据权利要求4所述的系统(1)，其特征在于，●所述区域(al-ai)在所述前进方向(F，Fx，Fy，Fz)上具有至少两个不同的区域长度(dl-di)；并且●所述区域长度(dl-di)，特别是结合所述区域类型的序列被用于形成各自的第一码字；●其中不同区域长度(dl-di)的数量和所述第一二维图案(5，5′)所具有的所述区域类型的数量以彼此适应的方式选定，尤其是以互质的方式选定。6.根据权利要求3至5中任一所述的系统(1)，其特征在于，所述第一扫描头(51)包括集成的第二传感器或线传感器(4a)，该第二传感器或线传感器大体沿所述前进方向(F，Fx，Fy，Fz)取向，用于扫描所述第一二维图案(5，5′)，其中所述第一传感器或线传感器(4)和所述第二传感器或线传感器(4a)相对于彼此以线传感器距离(D1-D3)布置在限定位置上，所述限定位置被存储于所述控制和评估单元(2)中，所述线传感器距离(D1-D3)在所述前进方向(F，Fx，Fy，Fz)上被限定并且同样地被存储于所述控制和评估单元(2)中，特别地，其中所述两个传感器或线传感器(4，4a)的所述纵轴(54，54a)在所述前进方向(F，Fx，Fy，Fz)上大致彼此平行地取向。7.根据权利要求1或2所述的系统(1)，其特征在于，所述第一扫描头(51)具有集成的第二传感器或线传感器(4a)，用于扫描所述第一二维图案(5，5′)，其中●所述第一传感器或线传感器(4)的所述纵轴(54)和所述第二线传感器(4a)的所述纵轴(54a)相对于所述前进方向(F，Fx，Fy，Fz)大致垂直地取向，并且●所述第一传感器或线传感器(4)和所述第二传感器或线传感器(4a)在所述前进方向(F，Fx，Fy，Fz)上具有限定的传感器距离(D)，所述传感器距离被存储在所述控制和评估单元(2)中，特别地，其中这两个传...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·菲尔施，克努特·西尔克斯，
申请(专利权)人：赫克斯冈技术中心，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH