具有校准功能的线性编码器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的具有校准功能的线性编码器，根据 权利要求7的前序部分所述的用于这种线性编码器的校准方法，以及这种计算机程序产 品。
【背景技术】
[0002] 在许多应用领域需要用于精确距离测量的线性编码器，其中，例如，要确定可沿线 性路径移动的部件的位置，及其组件在诸如驱动轴或枢转轴这样的线性轴上的位置。在这 种情况下检测的位置可以被用作用于测量目的的位置值，或者还用于经由具有位置控制环 路的驱动器来定位组件。这种线性位置编码器因此用于诸如坐标测量机（CMM)、大地测量 装置、机器人手臂或液压致动器的装置中。出于该目的，线性编码器具有可彼此相关地移动 的、质量具体化装置（mass embodiment)和用于扫描其的读取端头，并且具有控制与分析单 元，该控制与分析单元用于调节测量操作，并且用于将通过读取端头记录的位置值指配给 扫描信号。在这种情况下，根据需求和结构选项，或者读取端头固定或者质量具体化装置可 移动，例如，因为质量具体化装置连接至要检测其线性移动的可移动物体，或者质量具体化 装置固定地定位，而读取端头与其相关地移动，例如，因为坐标测量机的、设置有读取端头 的测量滑架在接合至测量台的标尺托架上移动。
[0003] 在这种情况下，质量具体化装置的扫描通常基于光学、感应、磁性或电容物理原理 而按免接触方式执行。例如，读取端头可以具有照明装置，其利用光照射具有反射光或散射 光（反射光扫描）或透射光（透射光扫描）的标记。光在传感器（例如，在光电池或CCD阵 列上）的感光拾取器上入射。如果质量具体化装置具有反光标记，则该传感器接合至读取 端头的同一侧上，作为照明装置。在另一情况下，读取端头侧向地包围质量具体化装置，并 且传感器和照明装置大约彼此相对地设置在读取端头中/处/之上。该标记被用作码元， 该码元用于编码读取端头的、与质量具体化装置有关的相对位置。该编码例如可以通过交 替相似光/暗转换、波纹图案而实现为递增编码，或者，对于除了光学测量方法以外的其它 测量方法来说，例如通过许多限定的不同图案而作为实现为电极或磁极，或者实现为绝对 编码。还已知递增与绝对部分编码的组合，例如，用于确定所有情况下的粗略位置和精细位 置。例如，光学位置编码的可能实现例如在专利申请EP 12175130.9中找到。
[0004] 原则上，各种材料适合作为用于质量具体化装置的材料。因为码元要代表限定的 位置值，所以它们实际上必须位于与读取端头有关的位置处，来表示相应位置值。当前，这 种质量具体化装置常常由钢带、塑料、玻璃或陶瓷制造。该标记以高精度施加至质量具体化 装置上，以供精确定位，其相对地对质量具体化装置的生成方法产生针对制造公差的高要 求，但也取决于希望的精确程度、取决于以后需求的校准过程，其向每一个编码值指配一位 置值，其接着被典型地存储在线性编码器的存储单元中。应当明白的是，在已经执行一次的 定位（例如，通过编码校准）之后，该编码位置应当继续保持与读取端头有关的恒定，而不 应改变。然而，对于目前典型地用于质量具体化装置的的材料的情况来说，诸如温度和湿度 变化的环境影响，而且还有质量具体化装置的老化过程产生造成质量具体化装置膨胀或收 缩的变化，并由此拉伸或压缩码元彼此的距离。由于这种影响，因而可以出现的是，通过存 储单元指配给码元的位置值不再对应于读取端头和测量杆的实际相对位置。在公布申请 DE 19608978A1中，提出了利用玻璃陶瓷作为用于光电位置测量单元的质量具体化装置的 材料，来避免这种影响。
[0005] 作为老化或环境影响的结果，如果质量具体化装置的材料与容纳该质量具体化装 置的物体（例如，测量台）的材料之间出现张力，则该质量具体化装置因而整体上可以与读 取端头相关地移位，由此，零点位置改变。为消除这种问题，提出了组合具有不同热膨胀系 数的材料以抵消温度影响（例如，参见DE 19726173 A1)。这些示例中的许多示例，而且还 有用于数学上补偿因在这种方式下造成的错误的尝试（例如，参照WO 9935468 A1)需要用 于修正补偿的温度确定，然而，其假定了生产者处的预先的温度校准。
[0006] EP 1195880 A1公开了一种用于增加具有质量具体化装置的线性电动机的定位部 件的定位精度的方法，其被设置得可相对于读取端头线性移动。该质量具体化装置具有由 磁性码元制成的递增位置编码。该读取端头具有控制与分析单元和彼此隔开的至少两个传 感器，其在这个示例中被实现为Hall传感器并且被用于校准定位部件。这种情况下，传感 器的距离适于质量具体化装置上的两个磁性码元彼此具有的距离，并且在理想情况下等于 其。在校准运行时，该定位部件与读取端头相对地移动，并且码元通过两个传感器检测并且 输出为传感器信号。基于传感器信号和所存储信息，目标位置值通过控制与分析单元查明。 在每种情况下，目标距离由两个目标位置值的距离之差形成，其在该定位部件的两个位置 的情况下获得，其接连获得两个传感器处的相等传感器信号值（在一个正弦周期内）。因为 两个这种位置的实际距离在绝对值上对应于两个传感器彼此的距离，所以目标位置误差根 据该目标距离与实际距离之差来确定。从零位置进行，这针对定位部件的所有连续位置连 续执行，其中，在前差值被添加至在每种情况下按目前位置查明的差值。
[0007] EP 1195880 A1中描述的方法具有的缺点在于，被用作标准的传感器的距离大约 和递增位置编码的标记距离一样大。这在校准期间需要大量连续步骤，由此，出现大量误差 添加步骤，其导致随着数量增加的不确定性。另外，这种不确定性可以因传感器信号检测中 的小干扰而被放大，其必须通过误差加权来消除。明确需求的定位精度大约>1 ? 1〇_4,其不 足以如所需的高精度定位或距离测量，例如，在诸如质量检验、度量学测量、大地测量等的 应用中。进一步的缺点在于，因为该方法，在该装置的零位置处，未校准范围继续保持存在， 并且传感器的距离与质量具体化装置上的码元的距离必须彼此适合。另外，在EP 1195880 A1中未考虑环境影响或老化现象。尽管如此，这些可以导致传感器彼此距离的改变，由此， 误差值查明可能非常不利地被破坏。
【发明内容】
[0008] 本发明的问题由此是提供一种改进的、更可靠的线性编码器，和用于这种线性编 码器的改进校准方法。
[0009] 根据本发明，通过独立权利要求的特征和/或通过附属权利要求的特征来解决该 问题，或者改进这些解决方案。
[0010] 本发明涉及一种具有用于高精度距离测量的质量具体化装置的线性编码器，其具 有用于校准该线性编码器的质量具体化装置的校准装置和校准方法。该质量具体化装置沿 线性轴延伸。该质量具体化装置具有由单个码元制成的位置编码标记。为此，该码元具有 按比特顺序与存储在控制与分析单元中的关联条编码（bar