專利名稱：用于精確確定旋轉(zhuǎn)角的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種方法，該方法根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述，通過具有多個串聯(lián)布置的檢測器元件的光學(xué)檢測器并且通過具有多個圍繞著圖形中心布置的圖形元件的旋轉(zhuǎn)體來精確確定旋轉(zhuǎn)角；以及一種設(shè)備，該設(shè)備根據(jù)權(quán)利要求6的前序部分所述，用于精確確定旋轉(zhuǎn)角。
背景技術(shù)：
這種用于精確確定旋轉(zhuǎn)角的方法和設(shè)備已經(jīng)使用了多年，諸如在測量設(shè)備中，尤其在測地和工業(yè)測量中的旋轉(zhuǎn)編碼器。通過這些方法和設(shè)備，甚至可以用相應(yīng)的預(yù)防措施來以幾個角秒的數(shù)量級的測量精度將整圓分辨成一百萬個以上的單位。
為了能夠?qū)崿F(xiàn)這些高精度，首先檢測器必須以位置穩(wěn)定的方式相對于軸承按布置，其中旋轉(zhuǎn)體通過該軸承安裝成可以繞著軸線相對于檢測器轉(zhuǎn)動。其次，旋轉(zhuǎn)體的高維和形狀精度，尤其是圍繞著圖形中心一個接一個沿著旋轉(zhuǎn)方向布置在旋轉(zhuǎn)體上的圖形元件的布置和構(gòu)成是重要的先決條件。除了由于在一個接一個布置的各個圖形元件之間的預(yù)定距離的偏差和/或圖形元件自身的尺寸偏差而導(dǎo)致的局部分段(graduation)不精確之外，圖形中心離軸線的距離即所謂的圖形中心相對于軸線的偏心往往使得在實(shí)際上不可能實(shí)現(xiàn)所需要的精度。因?yàn)榭偸谴嬖谥圃旃?，所以每個旋轉(zhuǎn)體都具有偏心，該偏心通常具有恒定值。軸承的同心度偏差進(jìn)一步導(dǎo)致該偏心。在確定旋轉(zhuǎn)角期間，尤其在測量重物的情況下，如果由于力而導(dǎo)致的相當(dāng)大的負(fù)載作用在該設(shè)備的部件上，則會出現(xiàn)偏心，該偏心取決于旋轉(zhuǎn)角或者作為時間的函數(shù)而變化。
US5214426特別公開一種用于確定旋轉(zhuǎn)角的設(shè)備，該設(shè)備具有帶有光學(xué)圖形的旋轉(zhuǎn)體、單個CCD線性傳感器和用于從CCD線性傳感器的輸出數(shù)據(jù)生成角度數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)生成部件。單個CCD線性傳感器具有一維位置分辨區(qū)域(position-resolving region)并且與旋轉(zhuǎn)體的徑向方向基本上垂直地定向。該旋轉(zhuǎn)體在每個情況中劃分成多個10度的區(qū)段，并且具有作為這些區(qū)段中的圖形的徑向定向的狹縫，這些狹縫為用于絕對角度測量的數(shù)字代碼圖形的形式。雖然在旋轉(zhuǎn)角的測量期間通過同時分辨多個狹縫實(shí)現(xiàn)了高分辨率，但是可實(shí)現(xiàn)的測量精度受到限制，尤其受到偏心誤差的限制。
US4580047的前言公開了一種角度測量裝置，它具有遞增的狹縫圖形以及兩個彼此徑向相對并且每個都具有感測單元的感測點(diǎn)。通過這兩個感測點(diǎn)測量出兩個周期性感測信號。通過這兩個感測信號的相互相位位置可以高精度地確定出所要測量角度的偏心誤差，該誤差由旋轉(zhuǎn)體的中點(diǎn)相對于旋轉(zhuǎn)軸線的偏移而引起。
DE-A 1811961公開了用于調(diào)節(jié)角位置的布置，該布置在至少兩個感測點(diǎn)處設(shè)有至少一對彼此徑向相對的感測單元。在四個感測點(diǎn)處測量出四個周期性感測信號，這些信號由于存在的偏心而相對于彼此相位偏移并且以模擬形式相互重疊，從而尤其可以補(bǔ)償例如盤部件(part-disk)的定位偏心誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于消除現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。因此，提出一種用于這樣一種設(shè)備的方法，該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，并且包括具有多個串聯(lián)布置的檢測器元件的光學(xué)檢測器和具有多個沿著轉(zhuǎn)動方向一個接一個布置的圖形元件的旋轉(zhuǎn)體，該方法能夠精確確定旋轉(zhuǎn)角。還提出這樣一種設(shè)備，該設(shè)備包括具有多個串聯(lián)布置的檢測器元件的光學(xué)檢測器和具有多個沿著轉(zhuǎn)動方向一個接一個布置的圖形元件的旋轉(zhuǎn)體，盡管該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，但是通過該設(shè)備可以精確確定旋轉(zhuǎn)角。
通過分別具有專利權(quán)利要求1和6的特征的用于精確確定旋轉(zhuǎn)角的方法和設(shè)備來實(shí)現(xiàn)這個目的。
在根據(jù)本發(fā)明的用于精確確定圍繞著軸線的旋轉(zhuǎn)角的方法中，圍繞著圖形中心沿著轉(zhuǎn)動方向一個接著一個布置的多個圖形元件中的至少一部分，通過光束至少部分地聚集在串聯(lián)布置的光學(xué)檢測器的多個檢測器元件上。這些圖形元件布置在旋轉(zhuǎn)體上，該旋轉(zhuǎn)體與檢測器連接從而可以繞著軸線轉(zhuǎn)動。通過同一個檢測器的檢測器元件將聚集的圖形元件的位置分辨出來(resolve)。在第一步驟中，通過至少一個圖形元件的分辨位置計(jì)算確定圖形中心相對于軸線的偏心對旋轉(zhuǎn)角確定的影響。在第二步驟中，根據(jù)所確定的影響，通過一個接一個布置的圖形元件的分辨位置精確確定出旋轉(zhuǎn)角。
在根據(jù)本發(fā)明的方法的另一個改進(jìn)中，在第一步驟中，通過中間步驟，將一個接一個布置的圖形元件組成至少兩組，并且通過在每個情況中組合的圖形元件的各自分辨位置計(jì)算確定出至少兩組位置。然后通過所確定的至少兩組位置計(jì)算確定出偏心對旋轉(zhuǎn)角確定的影響。這可以通過所確定的組位置以更高的精度實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的用于精確確定旋轉(zhuǎn)角的設(shè)備具有包括多個串聯(lián)布置的檢測器元件的光學(xué)檢測器和包括多個圍繞圖形中心沿著轉(zhuǎn)動方向一個接一個布置的圖形元件的旋轉(zhuǎn)體。該旋轉(zhuǎn)體與檢測器連接從而可以繞著軸線轉(zhuǎn)動。這些圖形元件中的至少一部分可以通過光束至少部分地聚集在檢測器元件上。這些聚集的圖形元件的位置可以通過同一個檢測器的檢測器元件分辨出來。在該設(shè)備中，這些圖形元件和檢測器元件按照這樣一種方式形成和布置，從而可以通過至少一個圖形元件的分辨位置自動地計(jì)算確定圖形中心相對于軸線的偏心對旋轉(zhuǎn)角確定的影響，并且可以根據(jù)旋轉(zhuǎn)角的偏心影響，通過一個接一個布置的圖形元件的分辨位置精確確定出旋轉(zhuǎn)角。
由于可以通過同一個檢測器計(jì)算確定出偏心對旋轉(zhuǎn)角確定的影響，和可以精確確定出圍繞著軸線的旋轉(zhuǎn)角，所以根據(jù)本發(fā)明的用于以高分辨率精確確定旋轉(zhuǎn)角的設(shè)備具有非常廣范的優(yōu)點(diǎn)。首先，可以實(shí)現(xiàn)用于精確確定旋轉(zhuǎn)角的簡單而經(jīng)濟(jì)的設(shè)備。由于利用同一個檢測器和同一個位置分辨區(qū)域確定出偏心的影響并且在考慮這些影響的情況下能夠確定出旋轉(zhuǎn)角，所以這種設(shè)備也可以實(shí)現(xiàn)高精度和耐久性。另外，可以用相同位置的圖形元件實(shí)現(xiàn)上述兩個功能，這些位置被同時分辨出。
在從屬的專利權(quán)利要求中描述了本發(fā)明的其它可選方案或優(yōu)選改進(jìn)之處或其它改進(jìn)之處。


下面將參照附圖以僅僅示例的方式對根據(jù)本發(fā)明的用于精確確定旋轉(zhuǎn)角的方法和設(shè)備的實(shí)施方案進(jìn)行更詳細(xì)的說明。這些附圖作為從上方看的局部視圖，顯示出以下內(nèi)容圖1顯示出根據(jù)本發(fā)明設(shè)備的第一實(shí)施方案；圖2顯示出設(shè)備的兩幅示意圖，用來說明根據(jù)本發(fā)明的方法的實(shí)施方案；圖3顯示出第一實(shí)施方案的圖形元件和檢測器元件；圖4顯示出第二實(shí)施方案，其中檢測器元件以正割的形式與圖形元件相交；圖5顯示出具有允許絕對確定(absolute determination)旋轉(zhuǎn)角的圖形元件的第三實(shí)施方案；圖6顯示出另一設(shè)備的兩個示意圖，用來說明根據(jù)本發(fā)明的方法的可選實(shí)施方案；圖7顯示出第一實(shí)施方案的圖形元件，該圖形元件相對于圖形中心對稱；圖8顯示出第二實(shí)施方案的兩個圖形元件，這些圖形元件相對于圖形中心對稱；圖9顯示出包括不透明圖形元件的第四實(shí)施方案，其中三個圖形元件相對于圖形中心對稱；圖10顯示出包括不透明圖形元件的第五實(shí)施方案；以及圖11顯示出包括三角形圖形元件的第六實(shí)施方案。
具體實(shí)施例方式
圖1作為從上方看的局部視圖，顯示出根據(jù)本發(fā)明的用于精確確定旋轉(zhuǎn)角w的設(shè)備的第一實(shí)施方案。可以將經(jīng)緯儀的兩個角編碼器形成為與該實(shí)施方案對應(yīng)。該實(shí)施方案包括旋轉(zhuǎn)體，該旋轉(zhuǎn)體在該情況下為盤狀玻璃度盤3形式，并且包括光學(xué)檢測器，該光學(xué)檢測器在該情況下的所有實(shí)施方案中為CCD線性陣列1形式。本發(fā)明當(dāng)然并不限于CCD檢測器或線性陣列檢測器。因此，通過例如相應(yīng)的CMOS區(qū)域陣列檢測器可以進(jìn)一步提高角度確定精度。CCD線性陣列1和圖1中未示出的軸承固定在基板19上。通過軸承將軸20連接在基板19和CCD線性陣列1上，從而使其可以繞著軸線a轉(zhuǎn)動。在該實(shí)施方案中，可以在例如五個角秒的精度范圍內(nèi)，相對于CCD線性陣列1確定軸20繞著軸線a的旋轉(zhuǎn)角w。
這里，玻璃度盤3具有環(huán)狀圖形22，它包括多個圖形元件，這些圖形元件沿著轉(zhuǎn)動方向圍繞著圖形中心4一個接一個地布置，并且所有圖形元件距圖形中心4的距離相同。這些圖形元件為矩形透明狹縫5的形式并且通過凹槽結(jié)合在按照環(huán)形方式施加在玻璃度盤3上的不透明材料層18中。這里，透明狹縫5在每個情況中都徑向定向并且等距離間隔開布置。因此可以遞增確定旋轉(zhuǎn)角w。玻璃度盤3例如通過粘接劑固定在軸20上。在固定玻璃度盤3時，實(shí)際上不可能防止在軸線a和圖形中心4之間產(chǎn)生間距，即所謂的圖形中心4相對于軸線a的偏心e。在具有例如直徑為70毫米的玻璃度盤3的經(jīng)緯儀角編碼器的情況下，偏心e通常在幾個微米的范圍內(nèi)。為了更清楚起見，在這些附圖中以1千倍以上的放大率顯示出該偏心e。在圖1中所示的玻璃度盤3的位置上，圖形中心4沿著CCD線性陣列1的延伸方向相對于軸線a偏置。在玻璃度盤3的這個位置上，偏心e對確定旋轉(zhuǎn)角w的影響最大。
光學(xué)檢測器由多個光敏檢測器元件2例如一千個這種檢測器元件構(gòu)成，它們一起形成位置分辨區(qū)域21。各個檢測器元件2具有例如14×14微米的尺寸。根據(jù)本發(fā)明的另一個改進(jìn)之處，位置分辨區(qū)域21具有這樣的尺寸，使得它至少在一側(cè)上延伸超出環(huán)狀圖形22的聚集部分。在CCD線性陣列1中，檢測器元件2以大致沿著轉(zhuǎn)動方向的單條直線形式串聯(lián)布置，從而形成與徑向方向垂直地定向的線性位置分辨區(qū)域21。
這里，通過未示出的光源，將光束垂直于圖面投射到環(huán)狀圖形22的區(qū)域上。投射光束由不透明材料層18吸收或者可以穿過透明狹縫5，結(jié)果一部分圖形22通過多個透明狹縫55以明暗區(qū)域的形式聚集在CCD線性陣列1的位置分辨區(qū)域21上。通過光敏檢測器元件2，按照本身已知的方式使位置p與聚集的透明狹縫5的明區(qū)域一致。這里，分辨位置p與在位置分辨區(qū)域21的左端和狹縫5的明區(qū)域的相應(yīng)重心之間的距離相對應(yīng)。但是，還可以根據(jù)明暗過渡部分使位置與圖形元件一致。
根據(jù)本發(fā)明，將分辨位置p傳送給本身已知并且在這里未示出的計(jì)算和評價單元，以便確定出偏心e的影響，從而隨后精確確定旋轉(zhuǎn)角w。
在下面的附圖中，為了簡化起見，在每個情況中只顯示出包括檢測器元件2的位置分辨區(qū)域21和包括根據(jù)本發(fā)明設(shè)備的各個實(shí)施方案的相應(yīng)圖形元件的一部分相應(yīng)圖形。
圖2作為兩個局部視圖，顯示出在半轉(zhuǎn)動(half rotation)的三個不同位置處的與第一實(shí)施方案對應(yīng)的設(shè)備的兩個示意圖。上面的局部視圖顯示出分別處于旋轉(zhuǎn)角w′和w為0度和180度的的起始和終止位置上的設(shè)備。下面的局部視圖顯示出處于旋轉(zhuǎn)角w″不完全為90度的中間位置上的設(shè)備?，F(xiàn)在參照這些示意圖以僅僅示例的方式對根據(jù)本發(fā)明的用于精確確定旋轉(zhuǎn)角的方法的實(shí)施方案進(jìn)行說明。在這些方法中，利用沿著轉(zhuǎn)動方向一個接一個布置的圖形元件，計(jì)算確定出偏心e對確定旋轉(zhuǎn)角的影響。
這兩個示意圖兩次顯示出圖1的線性位置分辨區(qū)域21和三個線性圖形23′、23″和23。這三個線性圖形23′、23″和23在每個情況中為同一個線性圖形在這三個位置中的一個中的區(qū)段。為了清楚起見，遞增形成的線性圖形在這里簡化為由12個線性圖形元件構(gòu)成，它們在每個情況中等距離間隔開，并且這里在每個情況中只顯示出其中三個。
這三個線性圖形23′、23″和23的線性圖形元件與相應(yīng)的圖形中心4′、4″和4的間距分別相等，并且在每個情況中沿著轉(zhuǎn)動方向一個接一個地布置。根據(jù)第一實(shí)施方案，這三個圖形中心4′、4″和4每個還相對于軸線a具有偏心e。
在根據(jù)本發(fā)明方法的第一實(shí)施方案中，可以利用該設(shè)備的幾何特征借助線性圖形23′和23的相應(yīng)左、中和右圖形元件的分辨位置p1′、p1、p2、p3′和p3，通過如下兩個步驟精確確定出任意旋轉(zhuǎn)角。
在第一步驟中，如圖2的上面局部視圖中所示一樣，選擇半轉(zhuǎn)動的起始位置和終止位置的旋轉(zhuǎn)角w′和w，使得在位置p2和p1′之間以及位置p3′和p2之間的兩個距離d′以及在位置p2和p1之間和位置p3和p2之間的兩個距離d在每個情況中都相同。因此這兩個圖形中心4′和4處于與位置分辨區(qū)域21垂直并且其中具有軸線a的平面n中。在起始位置中，圖形中心4′位于位置分辨區(qū)域21和軸線a之間，并且在隨后半轉(zhuǎn)動的終止位置中，軸線a位于位置分辨區(qū)域21和圖形中心4之間。因此，偏心e對旋轉(zhuǎn)角w′和旋轉(zhuǎn)角w的確定都不會有影響。在終止位置上，線性圖形23相對于僅與位置分辨區(qū)域21垂直的起始位置的線性圖形23′偏置。
位于平面n中的相應(yīng)中間圖形元件的分辨位置p2由此保持不變，而位置p1′和p3′在相應(yīng)左右圖形元件沒有與位置分辨區(qū)域21垂直定向的情況中變化至位置p1和p3。
通過對左和/或右圖形元件的兩個位置的分辨位置p1′和p1和/或位置p3′和p3進(jìn)行比較，可以計(jì)算確定出偏心e的大小。根據(jù)在這里所示的幾何狀況，偏心e的大小對應(yīng)于左圖形元件的相應(yīng)分辨位置p1′和p1之間的差值一半乘以60度角的正切值，即在左圖形元件的延伸方向和位置分辨區(qū)域21之間的角度差的正切值。由于對于右圖形元件的情況在這里是相同的，所以在計(jì)算確定中可以通過另外考慮在分辨位置p3′和p3之間的差值來提高偏心e的精度。顯然，在具有聚集在位置分辨區(qū)域上的其它圖形元件的更細(xì)小圖形的情況中，可以進(jìn)一步提高計(jì)算確定的精度。
按照本身已知的方式，在任意旋轉(zhuǎn)角的確定中，偏心e的影響與所確定的偏心e乘以相對于參考角度的任意旋轉(zhuǎn)角的正弦值的大小成比例，在該參考角度上，偏心e對旋轉(zhuǎn)角確定沒有任何影響。由于知道起始位置和終止位置以及偏心e的大小，所以在這里可以確定出偏心e對計(jì)算確定任意旋轉(zhuǎn)角的影響。
在第二步驟中，根據(jù)所確定的影響，因此現(xiàn)在可以通過左、中和右線性圖形元件在位置分辨區(qū)域21上相對于參考位置p0的分辨位置精確確定出任意旋轉(zhuǎn)角。參考位置p0在這里同樣位于平面n中，并且與分辨位置p2重合。在通過聚焦的圖形元件相對于參考位置p0的分辨位置進(jìn)行精確確定的情況中，以本身已知的方式相對于參考位置p0均衡計(jì)算分辨位置的非線性失真，該非線性失真是由于檢測器元件2的線性布置和圍繞著相應(yīng)圖形中心4′和4″一個接一個布置的圖形元件的非線性布置而導(dǎo)致的。
在根據(jù)本發(fā)明方法的第二實(shí)施方案中，例如在整個轉(zhuǎn)動期間，從相應(yīng)左圖形元件的上部分圖開始，對于預(yù)定位置p1的每次分辨記錄下相應(yīng)右圖形元件的分辨位置，以便隨后通過考慮了設(shè)備的幾何情況、偏心e的大小和坐標(biāo)參考角度的平衡計(jì)算進(jìn)行計(jì)算確定。利用這兩個計(jì)算確定的數(shù)值，然后可以根據(jù)偏心e的影響精確確定出每個旋轉(zhuǎn)角。
在根據(jù)本發(fā)明方法的第三實(shí)施方案中，從知道平面n的位置開始可以如下精確確定出旋轉(zhuǎn)角。如果如圖2的下部分圖中所示一樣，選擇不完全為90度的中間位置的旋轉(zhuǎn)角w″，使得這三個圖形元件的中間一個的位置p2在參考位置p0處分辨，那么左右圖形元件的位置p1″和p3″分別由檢測器元件2分辨。
根據(jù)一個接一個布置的圖形元件的幾何情況，在這里可以通過位置p2和p1″或位置p3″和p2之間的距離dl與dr的比值直接計(jì)算確定偏心e對確定角度w″的影響。根據(jù)這樣計(jì)算確定出的偏心e的影響，就可以根據(jù)相對于參考位置p0的分辨位置p1″、p2和p3″精確確定出旋轉(zhuǎn)角w″。通過知道平面n，該方法的這個實(shí)施方案的方法還可以用于確定中間圖形元件在參考位置p0的另一側(cè)上的位置。這里甚至還可以利用聚集在位置分辨區(qū)域上的更細(xì)微圖形的其它圖形元件來進(jìn)一步提高計(jì)算確定的精度。
參照根據(jù)圖1的第一實(shí)施方案的經(jīng)緯儀的角編碼器，例如在與圖2對應(yīng)的半轉(zhuǎn)動情況中，在最外面的左圖形元件5的兩個分辨位置p之間的差異可以為2微米。由于最外面左圖形元件5的延伸方向和位置分辨區(qū)域21的延伸方向具有75度的角度差，所以圖形中心4相對于軸線a的偏心e將具有大約不完全為四微米的大小。當(dāng)然可以另外使用位于位置分辨區(qū)域21上的其它圖形元件5來提高偏心e的計(jì)算確定的精確度。由于幾何原因，在相應(yīng)分辨位置之間的差異越小，因此在相應(yīng)圖形元件5和位置分辨區(qū)域21的延伸方向之間的角度差越接近90度。
圖3顯示出第一實(shí)施方案的具有檢測器元件2的位置分辨區(qū)域21和具有狹縫5的環(huán)狀圖形22的一部分。下面將參照該圖對根據(jù)本發(fā)明方法的第四實(shí)施方案進(jìn)行說明。
為了計(jì)算確定偏心對確定旋轉(zhuǎn)角的影響，在該方法中，在第一步驟中，在每個情況下將狹縫5組合成具有大約10個狹縫5的左右組14和15。在第二步驟中，在每個情況下，根據(jù)在計(jì)算中由于檢測器元件2的線性布置和圍繞著圖形中心一個接一個布置的狹縫5的非線性布置而導(dǎo)致的非線性失真，使中間組位置p14或p15分別與相互鄰接的兩組14和15一致。在第三步驟中，例如與根據(jù)本發(fā)明方法的第二實(shí)施方案類似，可以通過兩個分辨的組位置p14和p15計(jì)算確定出偏心e對確定旋轉(zhuǎn)角的影響。然后可以按照上面所述的方式在考慮了所確定的偏心影響的同時進(jìn)行旋轉(zhuǎn)角的確定。
但是，也可以想到例如將這些組的邊緣位置提供為組位置來代替中間組位置。還可以想到確定兩個以上組的位置。一個接一個布置成組的圖形元件的組合及其相應(yīng)組位置的計(jì)算確定，相對于在影響的計(jì)算確定中的可實(shí)現(xiàn)的精度而言具有優(yōu)點(diǎn)。
圖4顯示出根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的第二實(shí)施方案，它除了位置分辨區(qū)域21的布置之外與第一實(shí)施方案相同。這里，由檢測器元件2形成的位置分辨區(qū)域21與第一實(shí)施方案相比布置得離圖1中的軸線a距離更近。下面將根據(jù)該圖，與圖3相比，對用于精確確定一個接一個布置的圖形元件的組16和17的方法的第四實(shí)施方案進(jìn)行說明。
通過更近的距離，位置分辨區(qū)域21的具有狹縫5的環(huán)狀圖形22也與不透明材料層18的內(nèi)線10相交。多個狹縫5聚集在位置分辨區(qū)域21的兩個單獨(dú)區(qū)段上。在這兩個區(qū)段之間具有多個檢測器元件2，在這些檢測器元件上沒有聚集任何圖形，結(jié)果彼此間隔開的兩組16和17在兩側(cè)上通過沒有聚集在檢測器元件2上并且一個接一個布置的狹縫5相互分開。
通過更靠近圖1的軸線a定位的檢測器元件2，與圖3中的第一實(shí)施方案相比，可以分辨進(jìn)一步分開設(shè)置的組位置p16和p17以產(chǎn)生成組的組合狹縫5。這能夠更精確地計(jì)算確定偏心對旋轉(zhuǎn)角確定的影響。
圖5顯示出根據(jù)本發(fā)明設(shè)備的第三實(shí)施方案，該實(shí)施方案除了狹縫5布置在環(huán)形不透明材料層18內(nèi)之外與第一實(shí)施方案相同。與前面實(shí)施方案相比，這些狹縫5布置成彼此間距不同。這里，這種布置導(dǎo)致一編碼，這使之能夠清楚地在每個情況下借助在一個接一個布置的多個狹縫5之間的距離使一個旋轉(zhuǎn)角與設(shè)備的每個位置一致，從而絕對地確定出旋轉(zhuǎn)角。當(dāng)然，也可以想到其它編碼的可能性，例如狹縫5的寬度變化。由于在各個狹縫5之間的不同距離是已知的，所以可以通過多個狹縫5的單次聚集相對于檢測器元件2絕對地確定出每個旋轉(zhuǎn)角。在根據(jù)本發(fā)明的用于精確確定旋轉(zhuǎn)角的方法和設(shè)備的所有示例和實(shí)施方案中，至少部分聚集到檢測器元件2上的圖形原則上可以為編碼的形式。
圖6顯示出位于旋轉(zhuǎn)角為w′、w″和w的相同三個位置上的圖2設(shè)備的兩個示意圖，線性圖形包括圍繞著圖形中心一個接一個布置的12個圖形元件，該線性圖形在這里還設(shè)有相對于相同圖形中心對稱的圖形元件。相對于圖形中心對稱的該圖形元件在這里為圓的形式。三段弧8′、8″和8在每個情況中為同一個圓在三個位置中的一個中的區(qū)段。如此選擇該圓的半徑r，使得位置分辨區(qū)域21以正割的形式與該圓相交。根據(jù)這兩個示意圖，將僅僅以示例的方式對根據(jù)本發(fā)明的用于精確確定旋轉(zhuǎn)角的方法的可選實(shí)施方案進(jìn)行說明。在這些方法中，與前面的方法相比，可以借助對稱圖形元件計(jì)算確定出偏心e的影響。
在根據(jù)本發(fā)明方法的第五實(shí)施方案中，可以如下利用該設(shè)備的幾何情況通過弧8′和8的分辨位置p4′、p4、p5′和p5精確確定出任意旋轉(zhuǎn)角。
如果如圖6的上部分圖中所示一樣，如此選擇半轉(zhuǎn)動的起始位置和終止位置的旋轉(zhuǎn)角w′和w，使得在位置p4′和p5′之間的弦長s′最大并且在位置p4和p5之間的弦長s最小，則這兩個圖形中心4′和4位于平面n中，該平面與位置分辨區(qū)域21垂直并且軸線a在該平面中。這里，因此偏心e不會對旋轉(zhuǎn)角w′的確定或?qū)πD(zhuǎn)角w的確定產(chǎn)生影響。
通過比較兩個位置的弧8′和8的弦長s′和s，可以根據(jù)已知的半徑r和畢達(dá)哥拉斯定理(Pythagoras theorem)計(jì)算確定出偏心e的大小。顯然在包括聚集在位置分辨區(qū)域21上并且相對于圖形中心對稱的其它圖形元件的更復(fù)雜圖形的情況中，甚至可以進(jìn)一步提高計(jì)算確定的精確度。
在根據(jù)本發(fā)明方法的第六實(shí)施方案中，在每個情況中在完全轉(zhuǎn)動期間，在多個旋轉(zhuǎn)角(例如六個或十二個旋轉(zhuǎn)角)處，按照與第二實(shí)施方案類似的方式記錄該圓的至少一個分辨位置或弦長。由于在位置或弦長和偏心e之間存在唯一的函數(shù)關(guān)系，所以可以使用平衡計(jì)算來計(jì)算確定出偏心e的大小和用于該旋轉(zhuǎn)角的參考角度，結(jié)果可以根據(jù)偏心e的影響而精確確定出任意旋轉(zhuǎn)角。
在根據(jù)本發(fā)明方法的第七實(shí)施方案中，可以如下考慮偏心e，根據(jù)聚集在位置分辨區(qū)域21上的圓的部分精確確定出任意旋轉(zhuǎn)角。
在具有不完全為90度的旋轉(zhuǎn)角w″的中間位置中，如在圖6的下部分圖中所示一樣，借助檢測器元件2分辨弧8″的兩個位置p4″和p5″。通過計(jì)算出兩個分辨位置p4″和p5″的平均值，從而在這里可以計(jì)算確定出一個接一個布置的線性圖形元件的分辨位置p1″、p2和p3″的瞬時參考位置p0″，用于精確確定旋轉(zhuǎn)角w″。
圖形中心4″現(xiàn)在位于平面m中，該平面與位置分辨區(qū)域21垂直并且所確定的參考位置p0″位于該平面中，結(jié)果偏心e不再對旋轉(zhuǎn)角w″的確定有任何影響。因此根本不再需要確定偏心e大小以及坐標(biāo)參考角度。
圖7顯示出處于圖1中所示的位置中的第一實(shí)施方案的環(huán)狀圖形22和位置分辨區(qū)域21。在這里沒有顯示出這樣一個事實(shí)，即圖形中心4沿著位置分辨區(qū)域21的延伸方向相對于軸線a偏置。在該位置中，偏心e對旋轉(zhuǎn)角的確定的影響最大。
根據(jù)本發(fā)明方法的第七實(shí)施方案，在這里不是通過一個接一個布置的狹縫5的分辨位置而是通過相對于圖形中心對稱的圓形圖形元件的分辨位置p4和p5計(jì)算確定出這些影響。這里，圓形圖形元件由環(huán)狀圖形22的不透明材料層18的清晰外分界線9體現(xiàn)。
外聚集線9的兩個明暗過渡部分的位置p4和p5通過檢測器元件2分辨，并且通過計(jì)算平均值來計(jì)算確定出瞬時參考位置p0。由于在這里瞬時參考位置p0和未示出的圖形元件的圖形中心，兩者都位于與檢測器區(qū)域21垂直的平面m中，所以在確定瞬時旋轉(zhuǎn)角時已經(jīng)借助用于聚集狹縫5分辨位置的瞬時參考位置p0考慮了偏心e的影響。因此不再需要單獨(dú)計(jì)算確定偏心e或坐標(biāo)參考角度。這在例如由于設(shè)備的機(jī)械負(fù)載作為時間的函數(shù)變化而導(dǎo)致偏心可以作為時間函數(shù)變化的情況中，尤其重要。
圖8顯示出處于圖1所示位置中的圖4的第二實(shí)施方案的環(huán)狀圖形22和位置分辨區(qū)域21，其中包括檢測器元件2的位置分辨區(qū)域21與第一實(shí)施方案相比布置成離軸線的距離更短。因此，不僅如在圖7中一樣，外線9的兩個位置p4和p5，而且還有環(huán)狀圖形22的不透明材料區(qū)域18的清晰內(nèi)分界線10的兩個位置p6和p7在這里都可以被分辨，并且還用在偏心影響的計(jì)算確定中。因此，可以提高在影響確定中的精確度。
圖9顯示出根據(jù)本發(fā)明設(shè)備的第四實(shí)施方案，它包括另一個圖形，與第二實(shí)施方案相比，包括檢測器元件2的位置分辨區(qū)域21離在這里未示出的軸線a的距離更短。這里，該另一個圖形具有為不透明條6形式并且圍繞著圖形中心沿著轉(zhuǎn)動方向一個接一個布置的第一圖形元件和為不透明同心環(huán)11、12、13形式并且相對于圖形中心對稱的三個第二圖形元件，這些圖形元件在每個情況中相互分開一定距離。
在這里通過測量出在針對不同旋轉(zhuǎn)角的不同位置中穿過環(huán)11、12、13的一個的割線的弦長變化，來進(jìn)行偏心e大小的計(jì)算確定，該長度由檢測器元件2分辨。由于在相應(yīng)弦長s1、s2、s3和偏心e之間存在唯一的函數(shù)關(guān)系，所以根據(jù)本發(fā)明方法的第六實(shí)施方案，可以在校準(zhǔn)過程中通過記錄作為旋轉(zhuǎn)角的函數(shù)的相應(yīng)弦長s1、s2、s3而針對每個旋轉(zhuǎn)角確定出偏心e。
割線離相對于圖形中心對稱的圖形元件(在該情況中為環(huán)11、12和13的一個)的周邊的距離越小，則測量的靈敏度越大。例如，在半徑大約為35毫米的薄環(huán)和與之距離2.5毫米的位置分辨區(qū)域21的情況中，弦長以偏心的大小±5微米/每微米而變化，并且在1/10毫米的距離處，甚至以偏心的大小±26微米/每毫米而變化。
從圖9中可以明顯看出，多個割線的弦長通過三個環(huán)11、12、13測量出。由此可以將割線與這三個薄環(huán)11、12、13的相應(yīng)外線和相應(yīng)內(nèi)線的交點(diǎn)用于弦長確定。因此可以根據(jù)多個數(shù)值計(jì)算確定出偏心e的大小。當(dāng)然，在計(jì)算確定偏心和/或其對確定旋轉(zhuǎn)角的影響中，還可以考慮來自沿著轉(zhuǎn)動方向一個接一個布置的圖形元件(在該情況中為條6)的分辨位置的信息。
圖10顯示出第五實(shí)施方案，它與圖4的第二實(shí)施方案的不同之處僅在于圖形在這里聚集成條形圖形24。這里，條形圖形24同樣具有多個相同的圖形元件，它們圍繞著圖形中心沿著轉(zhuǎn)動方向一個接一個等間隔布置，但是在這里為不透明的徑向定向條6的形式。一部分條形圖形24通過在這些條6之間穿過的光束以明暗區(qū)域的形式聚集在光敏檢測器元件2上。
另外，這些條6的面向外的那些端面和面向內(nèi)的那些端面形成兩個同心的不連續(xù)環(huán)線，這構(gòu)成了相對于圖形中心對稱的圖形元件。通過檢測器元件2，在這里尤其在條狀圖形24的轉(zhuǎn)動期間可以將相應(yīng)條6的入口和出口的位置p4、p5、p6和p7分辨成位置分辨區(qū)域21，或者從中分辨出。利用這樣分辨的位置p4、p5、p6和p7，就可以計(jì)算確定出偏心對確定旋轉(zhuǎn)角的影響。
在確定旋轉(zhuǎn)角中，可以借助明暗過渡部分來分辨聚集條6的位置，或者可以借助在這些條6之間的明區(qū)域分辨其中間空間的位置。
圖11顯示出第六實(shí)施方案，它與第一實(shí)施方案的不同之處僅在于圖形的不同構(gòu)成，尤其是圖形元件相對于圖形中心徑向定向并且沿著轉(zhuǎn)動方向一個接一個布置。這里，該圖形通過不透明三角形7形成在僅在圖1中所示的透明玻璃度盤3上。但是，可以繞著軸線旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)體例如也可以為薄金屬盤形式，該旋轉(zhuǎn)體在該情況中具有三角形切口，這些切口構(gòu)成了沿著轉(zhuǎn)動方向一個接一個布置的圖形元件。
例如為三角形的這些圖形元件的設(shè)計(jì)，由于另外朝著徑向方向額外傾斜，所以相對于通過位置分辨區(qū)域21進(jìn)行的偏心確定而言具有更大的靈敏度，在該設(shè)計(jì)中一個接一個布置的相鄰圖形元件的側(cè)面線形成為基本上朝著徑向方向傾斜。在理論上，甚至允許借助單個三角形7的寬度分辨來確定偏心e。當(dāng)然，也可以通過在這些三角形7之間的距離確定偏心。通過沿著圖形中心的方向定向的圖形元件的當(dāng)前三角形形狀，與前面實(shí)施方案的矩形圖形元件相比，在這另一方面可以設(shè)置更少的一個接一個布置的圖形元件，結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)更小的分辨率。
還可以想到本發(fā)明的其它改進(jìn)，其中設(shè)有至少另一個任選徑向布置的檢測器。從該其它檢測器的分辨位置的附加信息中，可以使除了偏心之外的誤差源(例如軸線的翻轉(zhuǎn)誤差)不產(chǎn)生影響。當(dāng)然，由于至少一個其它檢測器的附加信息，所以可以更加精確地確定出偏心的影響。
權(quán)利要求
1.一種方法，該方法用于通過包括多個串聯(lián)布置的檢測器元件(2)的光學(xué)檢測器(1)和通過包括多個圍繞著圖形中心(4)沿著轉(zhuǎn)動方向一個接一個布置的圖形元件(5，...，13)的旋轉(zhuǎn)體(3)來精確確定旋轉(zhuǎn)角(w)，所述旋轉(zhuǎn)體(3)與檢測器(1)連接使其可以繞著軸線(a)旋轉(zhuǎn)，在該方法中，所述圖形元件(5，...，13)的至少一些通過光束至少部分聚集在檢測器元件(2)上，并且所述聚集的圖形元件(5，...，13)的位置(p)由同一個檢測器(1)的檢測器元件(2)分辨出，其中通過所述圖形元件(5，...，13)中的至少一個的分辨位置(p)計(jì)算確定出圖形中心(4)相對于軸線(a)的偏心(e)對旋轉(zhuǎn)角確定的影響，并且其中根據(jù)所確定的影響，通過一個接一個布置的多個圖形元件(5，6，7)的分辨位置(p1，p2，p3)精確確定出旋轉(zhuǎn)角(w)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于一個接一個布置的圖形元件(5)組成至少兩組(14，...，17)，通過相應(yīng)組成的圖形元件(5)的分辨位置計(jì)算確定出至少兩組位置(p14，...，p17)，并且通過所確定的至少兩組位置(p14，...，p17)計(jì)算確定出偏心(e)對旋轉(zhuǎn)角確定的影響。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述至少兩組(16，17)通過布置在這些組之間的圖形元件(5)而相互分開。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述圖形元件(8，...，13)中的至少一個形成為相對于圖形中心(4)對稱，例如形成為圓形，在該方法中，分辨出至少一個聚集的對稱圖形元件(8，...，13)的位置(p4，...，p7)，并且借助這些聚集的對稱圖形元件(8，...，13)的分辨位置(p4，...，p7)計(jì)算確定出偏心(e)對旋轉(zhuǎn)角確定的影響。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，一個接一個布置的相鄰圖形元件(7)的側(cè)面線朝著徑向方向傾斜，在該方法中，一個接一個布置的圖形元件(7)的尺寸和/或在這些一個接一個布置的圖形元件(7)之間的距離由檢測器元件(2)分辨出，并且借助圖形元件(7)的分辨尺寸或所分辨出的距離計(jì)算確定出偏心(e)對旋轉(zhuǎn)角確定的影響。
6.一種用于精確確定旋轉(zhuǎn)角(w)的設(shè)備，它包括光學(xué)檢測器(1)，它包括多個串聯(lián)布置的檢測器元件(2)，以及旋轉(zhuǎn)體(3)，它與檢測器(1)連接從而可繞著軸線(a)轉(zhuǎn)動，并且具有多個圍繞著圖形中心(4)沿著轉(zhuǎn)動方向一個接一個布置的多個圖形元件(5，...，13)，所述圖形元件(5，...，13)中的至少一些能夠通過光束至少部分聚集在檢測器元件(2)上，并且聚集的圖形元件(5，...，13)的位置(p)能夠通過同一個檢測器(1)的檢測器元件(2)分辨出，其中所述光學(xué)檢測器元件(2)和圖形元件(5，...，13)按照這樣一種方式相對于彼此形成和布置，從而可以通過至少一個圖形元件(5，...，13)的分辨位置(p)計(jì)算確定出圖形中心(4)相對于軸線(a)的偏心(e)對旋轉(zhuǎn)角確定的影響，并且可以根據(jù)這些影響，通過一個接一個布置的圖形元件(5，6，7)的分辨位置(p1，p2，p3)精確確定出旋轉(zhuǎn)角(w)。
7.如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其特征在于，沿著轉(zhuǎn)動方向一個接一個布置的圖形元件(5)徑向定向并且大致為矩形狹縫形式。
8.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于，借助至少兩組(14，...，17)的聚集圖形元件(5)的分辨位置計(jì)算確定出至少兩組位置(p14，...，p17)，其中這些圖形元件一個接一個布置，并且可以通過所確定的這至少兩組位置(p14，...，p17)計(jì)算確定出偏心對旋轉(zhuǎn)角確定的影響。
9.如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于，所述至少兩組(16，17)通過一個接一個布置并且沒有聚集在檢測器元件(2)上的圖形元件(5)在兩側(cè)上相互分開。
10.如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其特征在于，一個接一個布置的相鄰圖形元件(7)的側(cè)面線朝著徑向方向傾斜并且任選彎曲。
11.如權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其特征在于，所述一個接一個布置的圖形元件(7)形成為沿徑向方向即任選朝著圖形中心的方向定向，并且為三角形或梯形。
12.如權(quán)利要求6至11中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述至少一個圖形元件(8，...，13)相對于圖形中心(4)對稱形成，例如形成為圓，并且可以借助對稱的圖形元件(8，...，13)的至少一個位置(p4，..，p7)計(jì)算確定出對旋轉(zhuǎn)角確定的影響。
13.如權(quán)利要求6至12中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述圖形元件(5，6，7)按照可以遞增地或絕對地確定旋轉(zhuǎn)角這樣一種方式形成和布置。
14.如權(quán)利要求6至13中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述圖形元件(5)由在任選環(huán)形的不透明材料層(18)中的透明切口構(gòu)成。
15.如權(quán)利要求6至13中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，在旋轉(zhuǎn)體(3)上的衍射結(jié)構(gòu)與圖形元件一致。
16.如權(quán)利要求6至15中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)體(3)為盤的形式并且由玻璃、金屬或塑料構(gòu)成。
17.如權(quán)利要求6至16中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述檢測器元件(2)沿著單條任選筆直的線條在轉(zhuǎn)動方向上基本上串聯(lián)布置。
18.如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其特征在于，相對于所述圖形中心對稱形成的至少一個聚集圖形元件(8，...，13)以割線形式與串聯(lián)布置的檢測器元件(2)的單條直線相交。
19.如權(quán)利要求6至16中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述檢測器元件(2)按照矩陣的形式成排和列布置。
20.如權(quán)利要求6至19中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述檢測元件(2)至少在一個方向上的延伸部分大于可聚集的圖形元件(5，...，13)的延伸部分。
21.如權(quán)利要求6至19中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，設(shè)有單個檢測器(1)。
全文摘要
在根據(jù)本發(fā)明的用于精確確定圍繞著軸線(a)的旋轉(zhuǎn)角(w)的方法中，圍繞著圖形中心(4)沿著轉(zhuǎn)動方向一個接一個布置的多個圖形元件(5，...，13)的至少一部分通過光束至少部分地聚集在串聯(lián)布置的光學(xué)檢測器(1)的多個檢測器元件(2)上。圖形元件(5，...，13)布置在旋轉(zhuǎn)體(3)上，該旋轉(zhuǎn)體與檢測器(1)連接從而可以繞著軸線(a)旋轉(zhuǎn)。通過同一個檢測器(1)的檢測器元件(2)分辨出聚集圖形元件的位置(p)。在第一步驟中，通過至少一個圖形元件(5，…，13)的分辨位置(p)計(jì)算確定出圖形中心(4)相對于軸線(a)的偏心(e)對旋轉(zhuǎn)角確定的影響。在第二步驟中，根據(jù)所確定的影響通過一個接一個布置的圖形元件(5，6，7)的分辨位置(p1，p2，p3)中精確確定出旋轉(zhuǎn)角(w)。
文檔編號G01D5/34GK1743815SQ20051009582
公開日2006年3月8日 申請日期2005年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月3日
發(fā)明者海因茨·利普納 申請人:萊卡地球系統(tǒng)公開股份有限公司