專利名稱：用于初始化位置測量系統(tǒng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于初始化位置測量系統(tǒng)的方法。它能夠為在多個自由度中相對于測量框架移動的目標(biāo)啟動位置測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
對于在納米范圍及低于納米的范圍中的高精度位置測量任務(wù)來說，無法順序測量機(jī)器的單根軸線。在這樣的順序測量裝置中，為每根軸線彼此安裝單個的測量儀器，使得比如用于Y-方向的第二測量儀器的靜止部分與用于垂直于Y-方向的X-方向的第一位置測量儀器的活動部分相連接。而后將有待監(jiān)控的目標(biāo)(比如定位臺)與所述第二測量儀器的活動部分相連接。在用于X-方向的導(dǎo)向裝置中，總是出現(xiàn)Y-方向上的很小的導(dǎo)向偏差。但這樣的導(dǎo)向偏差在順序測量裝置中無法由所述第二位置測量儀器探測到，因為它作為整體與這些導(dǎo)向偏差一同移動。即使在非常高級的導(dǎo)向裝置中也會在橫向于導(dǎo)向方向的方向上出現(xiàn)數(shù)個納米的偏差。由此無法用一臺順序測量裝置在多個方向上進(jìn)行高精度的位置測量。
有必要將用于所有測量方向的測量儀器的靜止部分固定地與一個測量框架相連接，并且將其活動部分與有待監(jiān)控的目標(biāo)相連接。唯有如此才能保證每臺測量儀器可以真正地檢測到在相應(yīng)的測量方向上的所有關(guān)系重大的運(yùn)動。比如可以在移動的目標(biāo)上固定具有光學(xué)的、磁性的或者電容的刻度的標(biāo)尺，通過固定在所述測量框架上的相對應(yīng)的掃描頭來無接觸地對這些標(biāo)尺進(jìn)行掃描或者說將其讀出。通常，這樣的標(biāo)尺除了高精度的增量通道(Spur)之外還具有其它的包含絕對位置信息的通道。在最簡單的情況下，這可以是基準(zhǔn)標(biāo)記，該基準(zhǔn)標(biāo)記在掃描頭經(jīng)過(berfahren)時配屬于增量通道的一個信號周期，并且由此提供絕對位置信息，或者也提供一種絕對編碼的通道，該通道能夠在所述位置測量儀器的每個位置中讀出絕對位置。以下將這樣的通道稱為絕對通道。無論如何，將所述絕對通道配屬于增量通道這一點十分重要，因為只有這樣才能形成精確的位置值。
通常，所述從對增量通道進(jìn)行的掃描中產(chǎn)生的增量信號以及在多數(shù)情況下從對絕對通道進(jìn)行的掃描中產(chǎn)生的絕對信號可以在一個寬的、有關(guān)在標(biāo)尺及所屬的掃描頭的定向的公差范圍內(nèi)檢測到并進(jìn)行分析。但這不適用于來自絕對通道的絕對位置信息和來自增量通道的相對位置信息之間的對應(yīng)關(guān)系。這種對應(yīng)關(guān)系也被稱為絕對通道和增量通道的連接。為了能夠為每個絕對信息明確地配設(shè)所屬的增量通道的信號周期，必須為掃描頭和所配設(shè)的標(biāo)尺之間的定向保持相當(dāng)小的公差，下面也將該公差稱為連接公差。
一種這樣的位置測量系統(tǒng)包括多個用于多個自由度或者說測量方向的位置測量儀器，在啟動具有一種這樣的位置測量系統(tǒng)的機(jī)器時提出這樣的問題，即移動的目標(biāo)首先僅僅非常大概地相對于測量框架進(jìn)行定向，比如通過機(jī)械止擋。由此在啟動時，在目標(biāo)和測量框架之間的定向方面僅僅保證一個相當(dāng)大的公差，以下將該公差稱為初始公差。如果在所述掃描頭和所配設(shè)的標(biāo)尺之間存在太大的掃描間距或者太大的相互翻轉(zhuǎn)，那就無法對絕對信息進(jìn)行分析或者說無法將絕對信息對應(yīng)于增量通道。這主要在角度軸線也一同參與時是這種情況。而后位置測量系統(tǒng)的初始化就十分困難。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的任務(wù)是說明一種方法，利用該方法可以使一種用于多個自由度的位置測量系統(tǒng)初始化，即使在所述參與測量的位置測量儀器的掃描頭及標(biāo)尺的位置首先無法進(jìn)行精確的位置測量時，也能做到這一點。
該任務(wù)通過一種按權(quán)利要求1所述的方法得到解決。本方法的有利的細(xì)節(jié)產(chǎn)生于那些從屬于權(quán)利要求1的權(quán)利要求。
在此描述了一種方法，該方法用于將在可以相對于測量框架在至少兩個自由度中移動的目標(biāo)上的位置測量系統(tǒng)初始化。所述位置測量系統(tǒng)每個自由度具有至少一個位置測量儀器以及掃描頭，其中所述位置測量儀器具有一個標(biāo)尺，而該標(biāo)尺則具有用于測量相對位置的增量通道以及用于測量絕對位置的絕對通道，并且配屬于所述標(biāo)尺的掃描頭用于讀出增量通道和絕對通道。
在初始化步驟中用第一分析法對所述增量通道或絕對通道進(jìn)行分析，并且在該過程中形成分析結(jié)果。在定向步驟中，借助于所述來自初始化步驟的分析結(jié)果使所述移動的目標(biāo)相對于所述測量框架進(jìn)行定向。在檢測步驟中用在所述掃描頭及所屬的標(biāo)尺的定向方面具有微小公差的第二分析法對所述絕對通道進(jìn)行分析，并且為每個自由度確定精確的絕對位置，具體方法是將所述絕對通道的信號明確地對應(yīng)于所述增量通道的信號周期。
因此，本發(fā)明基于這樣的構(gòu)思，即在初始化步驟中首先用不同于第二分析法的第一分析法讀出參與測量的位置測量儀器，并且在該過程中形成分析結(jié)果，該分析結(jié)果能夠在定向步驟中將所述移動的目標(biāo)相對于所述測量框架置于一個明確確定的初始位置中，在該初始位置中所述標(biāo)尺及掃描頭彼此間的位置與進(jìn)行精確的位置測量所必需的連接公差相符。在必要時，需要多次重復(fù)初始化步驟及定向步驟，直到遵守很小的公差或者說連接公差。可以比如在每次定向步驟之后進(jìn)行相應(yīng)的檢查，而后要么分支到另一個初始化步驟，要么分支到檢測步驟。
還應(yīng)該提到，在成功的檢測步驟中已經(jīng)為增量通道的信號周期配設(shè)了一個明確的絕對位置信息，隨后完全可以放棄讀出所述絕對通道，方法是僅僅一個計數(shù)器將增量通道的信號周期一起計數(shù)。因為而后也不再有必要將所述絕對通道連接到增量通道上，所以用于在掃描頭和所配設(shè)的標(biāo)尺之間的定向的公差、以下也稱為運(yùn)行公差又可以明顯大于所述連接公差。它甚至可以相當(dāng)于初始公差。但如果出于運(yùn)行可靠性的原因有必要不斷配設(shè)絕對信息和增量信息，必須為所述運(yùn)行公差選擇象連接公差一樣狹窄的范圍。所述連接公差因此明顯小于所述初始公差，而運(yùn)行公差根據(jù)應(yīng)用情況可以處于所述連接公差和初始公差之間。


本發(fā)明的其它優(yōu)點以及細(xì)節(jié)產(chǎn)生于借助附圖對實施例所作的以下說明。其中圖1是一個移動的目標(biāo)連同三個位置測量儀器，圖2是在定向步驟前后掃描頭的信號，圖3是流程圖。
具體實施例方式
圖1示出了一個移動的目標(biāo)1。該目標(biāo)1可以在兩個旋轉(zhuǎn)自由度Rx和Ry中以及在一個平移自由度Z中移動，這里沒有示出相應(yīng)的導(dǎo)向裝置。翻轉(zhuǎn)軸線處于平坦的目標(biāo)1的平面中并且彼此垂直。所述Z-軸線與所述兩根翻轉(zhuǎn)軸線垂直。
在目標(biāo)1上固定著三個標(biāo)尺2，這些標(biāo)尺2分別具有一個增量通道3和一個絕對通道4。在測量框架6上固定著掃描頭5，這些掃描頭5配屬于相應(yīng)的標(biāo)尺2并且不僅可以讀出增量通道3而且可以讀出絕對通道4，并且可以轉(zhuǎn)換為電信號。
所述標(biāo)尺2和掃描頭5構(gòu)成三個對翻轉(zhuǎn)角Rx、Ry和Z-位置Z進(jìn)行檢測的位置測量儀器10、11、12。其中，所述翻轉(zhuǎn)角Rx可以從所述位置測量儀器10和12的測量值的差值(P12-P10)中推導(dǎo)出來。所述翻轉(zhuǎn)角Ry可以從所述位置測量儀器11的測量值和所述位置測量儀器10及12的測量值的和的一半之間的差值(P11-0.5*(P10+P12))中推導(dǎo)出來。在Z-方向上的位置可以借助于所有三個位置測量儀器10、11、12的測量值的總和(P10+P11+P12)來確定。其中P10、P11、P12分別代表由相應(yīng)的位置測量儀器10、11、12檢測得到的位置值。
所述絕對通道4具有基準(zhǔn)標(biāo)記，這些基準(zhǔn)標(biāo)記用于相應(yīng)地對增量通道3的信號周期進(jìn)行標(biāo)記。通過在所述增量通道3的周期內(nèi)的插值以及其中一個這樣的周期與所述絕對通道4的基準(zhǔn)標(biāo)記之間的對應(yīng)，就可以為所有的自由度Rx、Ry、Z進(jìn)行高精度的絕對位置測量。
圖2a示出了所述掃描頭12的信號7、9，該掃描頭12用于檢測目標(biāo)1關(guān)于自由度Z的位置。所述增量信號9象通常一樣是指兩個彼此相位移動了90度的周期性信號A和B。
為識別所述絕對通道4的基準(zhǔn)標(biāo)記及其與增量信號9的周期的對應(yīng)關(guān)系，所述基準(zhǔn)標(biāo)記信號7有必要超過一個觸發(fā)閾值8。但由于所述目標(biāo)在自由度Ry中的翻轉(zhuǎn)，所述基準(zhǔn)標(biāo)記信號7衰減到這種程度，從而不再達(dá)到這個觸發(fā)閾值8。目標(biāo)是，將所述基準(zhǔn)標(biāo)記信號7的信號峰明確地配屬于增量信號9的周期。然后才能進(jìn)行精確的位置測定。
因此，按照一種第一實施例，在一個初始化步驟100(參照圖3)中首先使用用于所述絕對通道4或者說其基準(zhǔn)標(biāo)記的第一分析法，盡管該第一分析法僅僅能夠進(jìn)行大致的位置測定，但為此相應(yīng)于在掃描頭和所屬的標(biāo)尺之間的定向方面的初始公差具有很高的公差。
一種大致的位置測定比如意味著，所述基準(zhǔn)信號與增量通道3之間的對應(yīng)關(guān)系僅僅在少數(shù)幾個信號周期上是精確的。但也可以比如僅僅讀出一個絕對通道4，利用該絕對通道4可以對多個絕對位置進(jìn)行編碼(比如用PRC-代碼)，而根本不要將這個絕對通道4配屬于增量通道3。在這種情況下，只有在必須用增量通道信息在初始化過程中對機(jī)器軸線進(jìn)行調(diào)節(jié)時，才有必要比如在定向步驟中讀出所述增量通道3。
因此，可以比如用阻塞濾波器(Blockfilter)對圖2a的基準(zhǔn)標(biāo)記信號7進(jìn)行分析，該阻塞濾波器在一個特定寬度范圍內(nèi)對該基準(zhǔn)標(biāo)記信號7進(jìn)行積分(aufintegrieren)。該寬度應(yīng)該大致相當(dāng)于在基準(zhǔn)標(biāo)記信號7中的信號峰的所期望的寬度，用于理想地對噪聲及其它干擾峰進(jìn)行抑制。如果使這個寬度在所述基準(zhǔn)標(biāo)記信號7的范圍內(nèi)移動，那么所述積分大致在所述基準(zhǔn)標(biāo)記的實際位置的范圍內(nèi)為最大。即使如此確定的基準(zhǔn)標(biāo)記的位置無法肯定地對應(yīng)于所述增量通道3的特定的信號周期，但這種對應(yīng)關(guān)系在少數(shù)幾個信號周期上是精確的。因此可以為所有的自由度Rx、Ry、Z測定一個大致的位置值作為分析結(jié)果，并且在定向步驟200中用于對目標(biāo)1進(jìn)行定向。
在此有另一種用于對基準(zhǔn)標(biāo)記信號7進(jìn)行分析的方法，如果所述基準(zhǔn)標(biāo)記信號具有某個特定的模型(比如多個具有特定的可能有變化的間距的峰)，那么該方法總是合適的。該方法的一種實施例是用一種相應(yīng)的模型進(jìn)行交叉關(guān)聯(lián)計算(Kreuzkorrelationsrechnung)，并且對交叉關(guān)聯(lián)計算的結(jié)果進(jìn)行分析關(guān)聯(lián)程度最高的位置大致相當(dāng)于所述基準(zhǔn)標(biāo)記的位置。
基準(zhǔn)標(biāo)記信號7具有一個具有指定頻率的局部的信號調(diào)制，在這些基準(zhǔn)標(biāo)記信號7的情況下優(yōu)選在第一步驟中對該頻率進(jìn)行濾波，用于確定其振幅并且最后尋找其最大值，并且由此檢測基準(zhǔn)標(biāo)記的大致位置。其中，也可以通過多個指定的頻率進(jìn)行信號調(diào)制。
在初始化步驟100中所有這些方法的目的是，使基準(zhǔn)標(biāo)記信號7中的有效信號免除噪聲及干擾峰，并且由此根據(jù)在掃描頭和標(biāo)尺的定向方面的初始公差進(jìn)行具有很大公差的分析。
在定向步驟200中，借助于所述在初始化步驟100中所確定的大致的位置值對所述目標(biāo)1進(jìn)行定位，使得現(xiàn)在所述掃描頭5相對于所述標(biāo)尺2進(jìn)行更好地定向。
現(xiàn)在在檢測步驟300中，可以檢測所述目標(biāo)1相對于測量框架6的精確位置。在圖2b中可以看出，現(xiàn)在所述基準(zhǔn)標(biāo)記信號7超過了所述觸發(fā)閾值8，以便精確檢測出基準(zhǔn)標(biāo)記位置?，F(xiàn)在在所述掃描頭12與其所屬的標(biāo)尺的定向方面的連接公差得到了遵守。由此也可以將所述絕對通道4或者說其基準(zhǔn)標(biāo)記明確地配屬于增量信號9的信號周期。通過增量通道3的插值以及周期的計數(shù)，就可以在整個測量長度上進(jìn)行非常精確的位置測定。
如果所述掃描頭5和標(biāo)尺2的定向在定向步驟200之后還沒有遵守所述絕對通道4的第二分析法的連接公差，那么可以繼續(xù)進(jìn)行初始化步驟100以及定向步驟200，這樣可以獲得越來越精確的定向，直到可以分支到檢測步驟300。為此，在所述定向步驟200和檢測步驟300之間插入一個條件分支，該分支分支到初始化步驟100，如果還沒有遵守用于第二分析法的連接公差，否則分支到檢測步驟。這一點在圖3中通過箭頭用虛線來表示。
按照第二實施例，在初始化步驟100中沒有象在第一實施例中一樣對所述絕對通道4進(jìn)行分析，而是更確切地說用第一分析法對所述增量通道3進(jìn)行分析。其中沒有檢測大致的絕對位置，而是對增量信號9的信號特性進(jìn)行分析并且形成相應(yīng)的分析結(jié)果。由此比如可以根據(jù)兩個彼此相位移動了90度的信號A、B的信號強(qiáng)度或者說振幅來進(jìn)行所述掃描頭5和標(biāo)尺2之間的定向在已定向的狀態(tài)中(參照圖2b)，也就是在遵守定向公差的情況下，該振幅明顯大于在未定向的狀態(tài)中的振幅(參照圖2a，未遵守定向公差)。也就是說如果在初始化步驟100中檢測發(fā)現(xiàn)有關(guān)的振幅太低，那就可以比如在定向步驟200中如此長時間地改變所述目標(biāo)1關(guān)于自由度Ry的翻轉(zhuǎn)，直到所述振幅達(dá)到一個特定的數(shù)值，根據(jù)該數(shù)值可以推斷出一種已定向的狀態(tài)，在該定向的狀態(tài)中遵守所述的連接公差。其中，如此頻繁地連續(xù)進(jìn)行所述初始化步驟100(這里是確定振幅)以及定向步驟200(這里是所述目標(biāo)1關(guān)于Ry的翻轉(zhuǎn))，直到可以進(jìn)行所述檢測步驟300。
所述周期性的增量信號9的其它可能的、適合作為在初始化步驟100中進(jìn)行分析的信號特性，是所述兩個在理想情況下相位移動了90度的增量信號A和B的相位，或者是所述增量信號A和B的零點漂移。
權(quán)利要求
1.用于將在至少兩個自由度(Rx、Ry、Z)中相對于測量框架(6)移動的目標(biāo)(1)上的位置測量系統(tǒng)初始化的方法，其中所述位置測量系統(tǒng)每個自由度(Rx、Ry、Z)具有至少一個位置測量儀器(10、11、12)以及掃描頭(5)，其中所述位置測量儀器(10、11、12)分別具有標(biāo)尺(2)，而該標(biāo)尺(2)則具有用于測量相對位置的增量通道(3)和用于測量絕對位置的絕對通道(4)，并且所述掃描頭(5)配屬于所述標(biāo)尺(2)并且用于讀出增量通道(3)和絕對通道(4)，其特征在于，在初始化步驟(100)中用第一分析法對所述增量通道(3)或者絕對通道(4)進(jìn)行分析，并且形成分析結(jié)果，在定向步驟(200)中，借助于所述分析結(jié)果使所述移動的目標(biāo)(1)相對于所述測量框架(6)進(jìn)行定向，并且在檢測步驟(300)中用在所述掃描頭(5)及所屬的標(biāo)尺(2)的定向方面具有微小公差的第二分析法對所述絕對通道(4)進(jìn)行分析，并且為每個自由度(Rx、Ry、Z)確定精確的絕對位置。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述初始化步驟(100)中用所述第一分析法對所述絕對通道(4)進(jìn)行分析，并且為每個自由度(Rx、Ry、Z)確定大致的絕對位置作為分析結(jié)果，其中所述第一分析法在掃描頭(5)及所屬的標(biāo)尺(2)的定向方面具有大公差。
3.按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，借助于在初始化步驟(100)中所檢測到的大致的絕對位置，使所述目標(biāo)(1)相對于測量框架(6)進(jìn)行定向，并且由此使所述掃描頭(5)相對于標(biāo)尺(2)進(jìn)行定向，從而在檢測步驟(300)中遵守微小的公差。
4.按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述絕對通道(4)具有基準(zhǔn)標(biāo)記，借助于所述第一和第二分析法對該基準(zhǔn)標(biāo)記進(jìn)行分析。
5.按權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一分析法僅僅允許大致地將所述基準(zhǔn)標(biāo)記配屬于增量通道(3)，并且所述第二分析法則保證將所述基準(zhǔn)標(biāo)記精確地配屬于增量通道(3)。
6.按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述絕對通道(4)具有代碼，在該代碼中對多個絕對位置進(jìn)行編碼，并且借助于所述第一和第二分析法對該代碼進(jìn)行分析。
7.按權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，僅僅借助于所述絕對通道(4)來確定所述大致的絕對位置。
8.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在初始化步驟(100)中用所述第一分析法對所述增量通道(3)進(jìn)行分析，并且在該過程中為每個自由度(Rx、Ry、Z)確定所述增量通道(3)的掃描信號(9、A、B)的信號特性作為分析結(jié)果。
9.按權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，借助于在初始化步驟(100)中所檢測得到的信號特性，使所述目標(biāo)(1)相對于測量框架(6)進(jìn)行定向，并且由此使所述掃描頭(5)相對于所述標(biāo)尺(2)進(jìn)行定向，從而在檢測步驟(300)中遵守微小的公差。
10.按權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述掃描信號(9、A、B)的信號特性是信號強(qiáng)度。
全文摘要
將在至少兩個自由度中相對于測量框架移動的目標(biāo)上的位置測量系統(tǒng)初始化的方法。該位置測量系統(tǒng)每個自由度具有位置測量儀器及掃描頭，其中位置測量儀器分別具有標(biāo)尺，標(biāo)尺具有增量通道和絕對通道，所述掃描頭配屬于所述標(biāo)尺并且用于讀出增量通道和絕對通道。按照一種實施例，在初始化步驟中用在掃描頭及所屬的標(biāo)尺的定向方面具有大公差的第一分析法對所述增量通道進(jìn)行分析，并且在該過程中為每個自由度確定大致的絕對位置。在定向步驟中，借助于所述大致的位置使所述移動的目標(biāo)相對于測量框架進(jìn)行定向。在檢測步驟中用在掃描頭及所屬的標(biāo)尺的定向方面具有微小公差的第二分析法對絕對通道進(jìn)行分析，并且為每個自由度確定精確的絕對位置。
文檔編號G01B21/24GK101050957SQ20071009203
公開日2007年10月10日 申請日期2007年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月4日
發(fā)明者W·霍爾查普菲爾, K·拉舍爾 申請人:約翰尼斯海登海恩博士股份有限公司