用于确定相对位置的系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及根据权利要求1的一种包括编码器和具有彼此间隔开的至少两个传 感器的传感器单元的、用于确定相对位置的系统，并且涉及根据权利要求16的一种用于高 精确度地确定传感器距离的方法，并且涉及一种这样类型的计算机程序产品。
【背景技术】
[0002] 在许多领域中都发现了包括用于借助于编码器的编码器元件（encoder element) 来确定相对位置的电子传感器单元的系统。这些系统例如用于确定两个构件之间的相对位 置，通常，这两个构件中的一个构件被固定的设置，而另一个构件可至少沿着一个轴相对于 固定设置的构件移动。这样的相对位置可以是例如机器组件在线性轴或旋转轴上的位置。 因此，在诸如坐标测量机（CMM)、大地测量装置、机器人臂、关节臂、电机或液压致动器这样 的装置中发现了这种系统。在这种情况下，传感器单元被安装到一个构件，并且编码器被安 装到另一个构件。为了确定相对位置，传感器单元的传感器检测编码器的至少一个编码器 元件。为了能够覆盖整个可能的相对移动范围，要么编码器例如以作为固定定位构件的细 长实物量具（material measure)的形式在该移动范围上延伸，而传感器单元可移动并被设 计用于检测编码器的严格限定的区域。另选地，传感器单元被固定地设置并在待检测的区 域上延伸，并且可移动编码器（例如磁性目标）具有严格限定的膨胀。作为另外的另选方 案，传感器单元被固定地设置并被设计用于检测严格限定的区域，而细长的编码器相对于 该传感器单元移动。
[0003]在这种类型的某些系统中，所使用的传感器单元具有至少两个单独的传感器。在 这种情况下，传感器按照通过被固定到基板（例如，印刷电路板的基板）的限定方式彼此间 隔开，其中，传感器距离的值被存储在系统的控制和评估单元中。这些传感器被配置为使得 它们能够各自检测至少一个编码器元件。EP 1195880A1公开了包括编码器和传感器单元的 这种系统，该系统使用传感器单元的彼此间隔开的两个传感器以便借助于已知的传感器距 离来确定可移动编码器的编码器元件的误差值。
[0004] 在这种类型传感器单元的情况下，环境影响和/或老化现象能够导致传感器之间 的距离的变化。例如，一种这样的环境影响可能是热作用，这导致基板的膨胀，基板膨胀的 程度取决于基板材料的热膨胀系数（简称：CTE)。例如，如果印刷电路板用作基板，则由于 在传感器单元被使用时流过的电流而产生热量，因此印刷电路板膨胀。在包括FR-4层压板 的传统印刷电路板的情况下，热膨胀系数约为15 ? lO^T1，使得在10K的温度变化的情况下 例如20mm的传感器距离改变了 3 y m。由于传感器距离的这种变化，因此高精确度测量的值 确定会变得更困难或不可能。
[0005] DE 3818044 A1公开了一种用于传感器单元和编码器之间的增量位置确定的测量 装置。编码器被设计成具有精度刻度（precision graduation)的细长实物量具。传感器单 元具有基板，该基板被安装有至少两个光电线传感器，其中，这些传感器在实物量具的长度 (extent)方向上间隔开。实物量具和基板由相同的材料组成或者至少由具有相同热膨胀系 数的材料组成，其中，这些材料优选地是具有可忽略的热膨胀系数的透明玻璃陶瓷或石英。 实物量具具有位置代码，该位置代码具有被设计成透光性增量和不透光增量的顺序的交替 的增量段和绝对段。传感器之间的距离按照以下这样的方式适应于绝对段之间的距离：在 传感器单元相对于实物量具的每个定位中，这些传感器中的至少一个可检测到至少一个绝 对代码段。根据所检测到的增量来确定该位置。所公开的测量装置不利之处在于，为了高 精确度的测量，传感器单元和编码器二者都必须被高精确度地具体实现，并且传感器距离 和绝对代码段之间的段距离必须相互精确地调节。此外，不利的是，由所有传感器检测到的 所有代码元素都必须被用于确定相对位置。在DE 3818044 A1中既未解决也未公开如下问 题：什么绝对值对于基板材料的热膨胀系数是必需的，以便它能够被视为是可忽略的、以及 应该如何将传感器固定到基板以确定传感器距离。
【发明内容】
[0006] 因此，本发明所要解决的问题是提供一种改进的系统，该系统包括具有彼此间隔 开的至少两个传感器的传感器单元，并且该系统包括编码器，该编码器使得即使在没有高 精度编码器的情况下也允许高精确度的测量。
[0007] 根据本发明，该问题是通过独立权利要求中的特征得以解决和/或这些解决方案 借助于从属权利要求的特征得以开发。
[0008] 本发明涉及一种用于确定相对位置的系统，所述系统包括编码器和传感器单元。 传感器单元和编码器可相对于彼此在长度方向上移动，并且编码器在该长度方向上具有编 码器元件。本发明的意义上的相对位置的确定是传感器单元和编码器相对于彼此的位置的 确定。传感器单元具有第一传感器和至少一个另外的第二传感器用于检测编码器元件。第 一传感器和第二传感器具有在长度方向上相对于彼此的距离（在下文中被特指为传感器 距离），所述距离被按照以下方式测出尺寸，即，在一个步骤中，使用传感器单元，在传感器 单元和编码器的不变的相对定位的情况下，第一传感器可检测到至少一个编码器元件，并 且第二传感器可检测到至少一个编码器元件。为了高精确度地确定传感器距离，该系统具 有由尺寸稳定且抗老化的材料组成的组件，该组件的热膨胀系数的绝对值特别在长度方向 上在0到至多5 ? K^r1的范围内。
[0009] 在这种情况下，在某些实施方式中，在确定相对位置之前确定传感器距离。在其它 特别优选的实施方式中，也能够与确定相对位置同时地确定传感器距离。
[0010] 例如根据作用的光学、感应、磁性或电容性动作原理来检测编码器元件。在优选的 实施方式中，该系统被设计用于相对位置的光电或电容-电子确定。在光电系统的情况下， 在某些实施方式中，该系统具有成像光学单元，该成像光学单元被选择性地固定到所述组 件本身或集成在所述组件中。在第一传感器和第二传感器处相对于被限定为两个传感器中 的每一个的传感器内部位置或传感器内部坐标的检测参考点来检测编码器元件。例如，如 果编码器具有连续的编码器元件分布，则恰好为了确定相对位置的目的来检测位于与长度 方向有关的检测参考点本身处的编码器元件（即，编码器元件相对于检测参考点在长度方 向上没有偏移）。在由编码器元件所导致的物理作用的强度（例如，磁场强度、光强度等） 是模拟的、连续的曲线（profile)并且传感器具有点状检测域（field)(其因此与检测参考 点一致）的情况下，例如该强度仅在所述点状检测域中被检测。另选地，特别在编码器元件 的分布不连续或它们的物理作用的强度分布不连续并且传感器具有延伸的检测域的情况 下，与检测参考点有关地通过其距离的确定或通过关于强度峰值（至少）在长度方向上相 对于检测参考点的距离的确定来检测编码器元件。在这种情况下，如上所述，检测参考点位 于检测域内在传感器内部限定的位置中。例如，通过将通过检测产生的信号的信号强度与 参考信号强度进行比较来执行距离确定。在这种情况下，参考信号强度将是在无偏移的检 测的情况下可检测的信号强度。这样的参考信号强度能够被存储在系统的控制和评估单元 中，或者能够借助于进一步的采样来确定。另选地，例如在传感器具有线性或二维敏感阵列 的情况下，借助于位置敏感检测来执行距离确定。如果以光电方式执行检测，则能够例如 通过确定位置敏感阵列上的亮度峰值的位置来实现距离，检测器零点优选地表示检测参考 点。另选地或另外地，假定存在被实现为图案的代码元素，则能够借助于一个或更多个图案 的检测位置来确定距离。
[0011] 第一传感器的检测参考点与第二传感器的检测参考点之间的距离限定了检测距 离。如果传感器之间在长度方向上的距离被选择为比传感器本身的膨胀大得多，则基本上 由传感器距离给出检测距离，或者换句话说，能够在这些情况下假定检测距离与传感器距 离相等。
[0012] 在根据本发明的第一组系统中，由尺寸稳定且抗老化的材料组成的、用于高 度准确地确定传感器距离的组件被设计用于系统本身对传感器距离的包含测量的 (measurement-containing)确定。"包含测量的"是指为了确定传感器距离，由系统执行测 量。为了这个目的，所述组件具有高精确度地限定参考长度的标尺。
[0013] 在根据本发明的第二组系统中，在被并入到系统中之前，由制造商高精确度地测 量传感器距离，并且它的值被存储在该系统的控制和评估单元中。在该第二组中，由尺寸 稳定且抗老化的材料组成的组件凭借该组件用作使第一传感器和第二传感器相对于彼此 位置固定的基板而高精确度地确定传感器距离。换言之，传感器按照以下这样的方式被固 定到组件，即，特别基于组件的材料的性质，依据这些传感器相对于彼此（至少在长度方向 上）的位置与温度和老化无关地来限定这些传感器。在某些实施方式中，传感器距离在并 入之前由制造商确定并且被存储在控制和评估单元中；在其它实施方式中，传感器距离能 够在并入之后由客户确定并且能够被存储在控制和评估单元中。
[0014] 根据本发明，组件既具有标尺又用作用于位置固定的基板的实施方式同样是可能 的。
[0015] 如果组件具有标尺，则所述标尺以至多5 ? 1(T6的范围内的、特别在至多4 ? 1(T6或 至多1 ? 1(T6的范围内、在针对极其精确的应用的实施方式中在至多5 ? 1(T7的范围内的相 对误差来限定参考长度。参考长度的值优选地在组件的并入之前由制造商确定，并且被存 储在系统的控制和评估单元。另选地，在某些实施方式中，参考长度或标尺长度的值能够在 并入之后由客户以干涉测量方式确定，并且能够被存储在控制和评估单元中。
[0016] 在某些实施方式中，由标尺在其长度方向上的长度限定参考长度。在这种情况 下，标尺按照以下这样的方式被实现（即标出尺寸和布置），即，可由第一传感器检测到一 个标尺端部，并且可由第二传感器检测到另一个标尺端部。该组件和传感器距离因此以互 相协调的方式被标出尺寸，使得标尺端部位于传感器的检测域内，并且该组件至少在标尺 端部处具有这样的物理性质：借助于该物理性质，可由传感器检测该组件。例如，假定存在 磁-电子传感器单元，则标尺端部具有磁区域；假定存在电容-电子传感器单元，则标尺端 部具有电介质区域；假定存在感应-电子传感器单元，则标尺端部具有金属区域。传感器距 离通过相对于第一传感器的检测参考点被检测的一个标尺端部和相对于第二传感器的检 测参考点被检测的第二标尺端部来确定，为此目的，选择性地还考虑和评估所检测的测量 信号的强度。借助于所存储的参考长度，根据标尺端部相对于检测参考点的位置的知识来 确定当前检测距离或传感器距离。
[0017] 在光电系统的情况下，标尺端部能够例如通过投影或通过反射被投影在两个位置 敏感光传感器上，并且能够相对于检测参考点来确定这两个传感器的两个亮暗过渡的位 置。可选地，该系统具有用于使标尺成像在光传感器上的成像光学单元，该成像光学单元能 够被固定到该组件或集成在组件中。这两个亮暗过渡之间的距离与参考长度对应（如果针 对传感器的成像行为通过以前测量的校正值恰当校正，则所述校正值被存储在控制和评估 单元中），使得根据传感器上的两个亮暗过渡的位置和参考长度来计算当前的检测距离或 传感器距离。
[0018] 另选地或另外地，在某些实施方式中，标尺具有包括代码元素的绝对和/或增量 位置代码。在这种情况下，由代码元素之间的距离来限定参考长度。通过传感器对至少一 个代码元素的检测，可由该系统借助于存储在控制和评估单元中的信息来确定关于代码元 素的位置值。为了这个目的，相互协调传感器距离和这些代码元素在标尺上的布置，使得在 每种情况下可由第一传感器和第二传感器检测至少一个代码元素。在包括线传感器或面积 传感器的某些实施方式中，在每种情况下每个传感器检测到超过一个代码元素，并且为了 提高准确度和/或可靠性，借助于第一传感器和第二传感器的多对代码元素冗余地确定传 感器距离。为了确定传感器距离，相对于第一传感器的检测参考点地检测到至少一个第一 代码元素，并且相对于第二传感器的检测参考点检测到至少一个第二代码元素。这或者通 过传感器单元和标尺的恒定相对定位来执行，或者凭借以下方式来执行，即，首先由第一传 感器检测第一代码元素，然后改变相对定位，使得由第二传感器检测第一代码元素并且由 第一传感器检测第二代码元素，其中，选择性地，在改变相对定位期间同样检测介于中间的 代码元素。
[0019] 借助于所存储的关于所述至少两个检测到的代码元素的位置代码信息和所存储 的参考长度来确定当前的检测距离或传感器距离。参考长度由两个代码元素之间的距离来 限定。假定存在增量码（incremental code)，则将两个直接相邻的代码元素之间的距离限 定为参考长度，并且通过对第一代码元素与第二代码元素之间的代码元素的距离进