CN102519496A - 直线运动检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直线运动检测装置，包括编码器、检测块、检测控制器、数据采集单元及数据处理单元，其中，检测块输出两对正交信号，检测控制器通过光纤对检测块的输出信号进行接收与合并，数据采集单元与检测控制器连接，对检测控制器合并后的输出信号进行接收和调理，数据采集单元输出的两对最终正交信号送入数据处理单元，检测块根据超级正交方式排列。本发明满足全程测量要求，采用涡流接近开关，防止较大颗粒尘土或异物的影响；采用“超级正交”方式，使位置检测精度达到原来采用单个正交计数方法的两倍；采用卡尔曼滤波原理，可获得精确的动态性能参数。

Description

直线运动检测装置

技术领域

本发明涉及精密仪器领域，具体是一种直线运动检测装置。

背景技术

现有的直线运动检测方式包括直接测量和间接测量两种。采用直接测量方式的装置包括直线光栅、直线感应同步器和激光干涉仪等。这些装置直接安装在被测物体上，测量结果可直接反映直线位移量，具有很高的测量精度，但存在以下的一些不足：

1、直线光栅和直线感应同步器等测量装置必须与直线运动行程等长。对于大型数控机床采用这类测量装置，高成本是一个很大的限制。而对于一些运动路径很长的直线运动(如列车运行)，采用这类测量装置产生的成本更是不可接受的。

2、直线光栅和激光干涉仪等利用光学原理设计制造的检测装置受环境因素的影响较大。在检测环境恶劣，测量距离较长时，这一缺点比较突出。当测量范围内出现较大颗粒的尘土或异物时，此类检测装置的光路会受到影响，从而严重影响直线运动过程的检测精度。

3、现有的高精度检测装置的安装要求很高。直线光栅的读数头与光栅尺之间的间距很小，要求光栅尺安装的表面平行度很高，如出现较大震动，光栅尺会出现断裂，整个直线光栅则会失效。直线感应同步器的定尺和滑尺之间距离很小，并保持平行安装，安装难度较大。激光干涉仪的长度干涉仪安装在不动位置，反射器安装在运动物体上，当运动物在横向出现一定偏离时，反射光路则无法到达长度干涉仪，无法进行动态运动过程的检测，因此要求物体运动轨迹在同一直线上，而对于运动路径较长的直线运动，是几乎无法实现的。

间接测量装置是将检测装置安装在直线运动物体的转动件上，通过检测转动件的角位移来间接测量运动物体的直线位移。例如目前在列车和汽车上使用轮轴脉冲转速传感器计数过程来转换并检测运动过程，以及机床的驱动电动机转轴上安装光电编码器，间接测量加工的位置和速度。但间接测量装置的缺点在于，测量信号中增加了由回转运动转变为直线运动的传动链误差，从而影响了测量精度。在一些极端情况(例如物体起动时转动件打滑)下，这一缺点更加突出。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种直线运动检测装置。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种直线运动检测装置，包括编码器、检测块、检测控制器、数据采集单元及数据处理单元，其中，检测块输出两对正交信号，检测控制器通过光纤对检测块的输出信号进行接收与合并，数据采集单元与检测控制器连接，对检测控制器合并后的输出信号进行接收和调理，数据采集单元输出的两对最终正交信号送入数据处理单元；

所述编码器与检测块之间在被测物体运动时存在相对运动，检测块与检测控制器、数据采集单元和数据处理单元之间处于相对静止的状态。

所述编码器为加工有齿槽的金属条。

所述检测块数量为3N，其中，N≥1，每个检测块的间距为编码器上齿距的整数倍。

所述检测控制器数量为2N，其中，N≥1，每两个检测控制器对三个检测块输出的两对正交信号进行接收与合并。

所述检测块为四个涡流接近开关，所述四个涡流接近开关根据超级正交方式排列。

所述超级正交为检测块输出的两对正交信号，两对正交信号相差1/8个周期。

所述数据处理单元包括微处理器，所述微处理器处理数据采集单元输出的两对最终正交信号采用卡尔曼滤波原理。

第j个检测控制器输出的正交信号对与第j+2个检测控制器输入的正交信号对之间连接有电子开关，其中，1≤j≤2N-2。

本发明的目的是该直线运动检测装置利用按一定规律分布安装的涡流接近开关和齿槽编码器，采用“超级正交”计数方式和卡尔曼滤波处理方法，能够在如下五个方面有效解决目前检测装置的一些缺点：

1、此装置采用直接测量方式，可检测理论上无限长的运动过程，并且成本相对低廉；

2、采用“超级正交”方式，利用两对正交信号同时配合计数，可大幅提高检测精度；

3、在恶劣检测环境下的抗干扰性强，检测精度不受较大颗粒尘土或异物的影响；

4、安装比较方便，允许运动物体与不动位置间出现一定的偏移，检测距离较大；

5、通过卡尔曼滤波方法对位置信号进行处理，可同时输出精确的运动物体位置、速度和加速度信号，弥补目前检测装置一般只能输出单一信号的不足。

本发明所述的直线运动检测装置的编码器或检测块可安装在运动轨迹上，可满足全程测量要求，具有较大的优越性。由于采用涡流接近开关，可有效地防止较大颗粒尘土或异物的影响；采用“超级正交”方式，可使位置检测精度达到原来采用单个正交计数方法的两倍；采用卡尔曼滤波原理，可获得精确的动态性能参数。

附图说明

图1为本发明直线运动过程检测的方框图；

图2为本发明检测块与编码器空间位置布置图；

图3为本发明检测块及后续部分连接图；

图4为本发明数据处理单元中卡尔曼滤波处理方法的方框图；

图中，1为编码器，2为检测快，3为检测控制器，4为数据采集单元，5为数据处理单元。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例提供的直线运动检测装置，包括编码器1、检测块2、检测控制器3、数据采集单元4和数据处理单元5，其中，编码器1为加工有齿槽的金属条；检测块2的数量为3N，其中N≥1，每一个检测块2为四个涡流接近开关，四个涡流接近开关根据超级正交方式排列，每个检测块2的间距为编码器1上齿距的整数倍，当涡流接近开关与齿槽间有相对运动时，涡流接近开关产生由高低电平组成的脉冲信号，每个检测块2输出两对正交信号，两对正交信号相差1/8个周期；检测控制器3的数量为2N，其中N≥1，每两个检测控制器3将三个检测块2输出的信号进行接收合并处理，输出统一的两对正交信号，通过光纤输送到较远位置的数据采集单元4；数据采集单元4将多个检测控制器3的输出信号进行合并处理，输出最终的两对正交信号；数据处理单元5的微处理器将最终的正交信号进行计数，获得位置信号，针对位置信号直接进行时间微分时会出现杂乱脉冲等问题，采用卡尔曼滤波原理，最终获得平滑和精确的运动物体位置、速度和加速度信号。

具体地，编码器1和检测块2之间在被测物体运动时存在相对运动，检测块2与检测控制器3、数据采集单元4和数据处理单元5则处于相对静止的状态。

由于检测块2由涡流接近开关组成，相对成本较高，因此从成本角度考虑，需要根据运动轨迹长度的大小，确定编码器1安装在运动物或是静止轨迹上。对于高铁和磁悬浮列车运行等超长距离的应用场合，如检测块2安装在运行轨道旁，成本过高并且安装困难，可以考虑将运行轨道可作为编码器1使用：高铁列车轨道的轨枕可嵌入或包裹铁皮，而现有磁悬浮列车的轨道的轨枕为钢板。检测块2则安装在车身底部，沿车身径向安装的多个检测块2可实现动态测量校准和冗余检测；对于汽车出厂加减速试验和大型机械直线传动机构等运行距离相对不长的应用场合，由加工有齿槽的金属条构成的编码器1可安装在运动物上，而检测块2每间隔一定距离安装在静止的运动轨迹上。

运动过程开始后，安装在运动轨迹或运动物上的检测块2输出两对正交信号；检测控制器3通过光纤对检测块2的输出信号进行接收与合并；数据采集单元4与检测控制器3连接，对多个检测控制器3合并后的输出信号进行接收和调理；数据采集单元4输出的两对最终正交信号送入数据处理单元5，进行卡尔曼滤波处理，获得位置、速度和加速度等动态性能参数。

为了更好地理解按“超级正交”方式布置编码器1和检测块2的原理，图2中给出了两者安装的空间位置和尺寸。每个检测块由四个涡流接近开关组成，如第m(m≥1)个检测块2m由涡流接近开关21a、21b、21c、21d组成，编码器1由齿距为d₁的金属齿槽构成。检测块2m内的涡流接近开关探头的检测距离d₃根据实际检测需要在几毫米到几十毫米范围内可选。检测块2内部相邻的涡流接近开关的间距为(n+1/8)d₁，其中n为非负整数，由此第m个检测块2m内部的第1个涡流接近开关21a与第3个涡流接近开关21c的间距为(2n+1/4)d₁。在与编码器1相对运动时，两者输出一对正交方波信号，而第2个涡流接近开关21b与第4个涡流接近开关21d也同样输出一对正交方波信号，这两对连续正交信号之间相差1/8个周期。第m个检测块2m与第m+1个检测块2p的间距为N d₁，其中N为自然数。编码器1的长度为d₂，并且d₂≥N d₁。因此，在运动过程中，编码器可以同时覆盖第m个检测块2m与第m+1个检测块2p中序号相同的涡流传感器，例如涡流接近开关21a与21e。由于在运动过程中，涡流接近开关21a与21e的输出方波信号相同，因此可以假设它们输出方波信号的编号都为A₁，依次类推，可假设21b与21f、21c与21g、21d与21h的输出方波信号的编号分别为A₂、B₁、B₂。由于d₂≥N d₁，因此运动过程的任何时刻，总能确保信号A₁、A₂、B₁、B₂的存在。根据上述分析，A₁与B₁为一对正交信号，A₂与B₂为一对正交信号，并且这两对连续正交信号相差1/8个周期。

如图3所示，每2个检测控制器对3个检测块输出的编号相同的两对正交信号进行接收，例如第1个检测控制器3a的光纤接收器接收第1个检测块2a、第2个检测块2b和第3个检测块2c的光纤发射器输出并通过光纤传输的正交信号对100(包括A₁与B₁)，第2个检测控制器3b的光纤接收器接收第1个检测块2a、第2个检测块2b和第3个检测块2c的光纤发射器输出并通过光纤传输的正交信号对200(包括A₂与B₂)。假设共安装有2k个检测控制器，依次类推，第2k-1(其中k为自然数)个检测控制器3e和第2k个检测控制器3f合并接收第3k-2个检测块2g、第3k-1个检测块2h和第3k个检测块2i输出的正交信号对100和正交信号对200。如果检测块的总数目(3k-2或3k-1)不是3的整数倍，则检测控制器3e与检测控制器3f合并接收1个(检测块2g)或2个检测块(检测块2g和2h)输出的两对正交信号，整体检测不受影响。

根据检测块内涡流接近开关的输出与经过编码器发生涡流感应的逻辑关系，检测控制器对3个检测块的编号相同的正交方波信号(例如A₁)进行逻辑合并，即当涡流接近开关通过编码器的齿时输出高电平则为“或”；通过编码器的齿时输出低电平则为“与”。检测控制器之间的信号连接采用从后向前“接龙”的方式，最后一个即第2k个检测控制器3f将经过合并处理的正交信号对200传输到第2k-2个检测控制器，第2k-1个检测控制器3f将经过合并处理的正交信号对100传输到第2k-3个检测控制器。第2k-2和2k-3个检测控制器分别将自己产生的正交信号对200和100与第2k和2k-1个检测控制器传输过来的正交信号对200和100进行逻辑合并，最终产生的正交信号对200和100分别送入第2k-4和2k-5个检测控制器。依次类推，第4个检测控制器3d和第3个检测控制器3c分别将最终输出的正交信号对200和正交信号对100送入第2个检测控制器3b和第1个检测控制器3a，并与其内部产生的正交信号进行逻辑合并，最终的结果送入数据采集单元4进行信号调理处理。

本发明还考虑了信号传输的冗余性。除了第2k-1个检测控制器3e和第2k个检测控制器3f，其余的第j(1≤j≤2k-2)个检测控制器的最终输出的正交信号对与第j+2个检测控制器输入进来的正交信号对之间连接有电子开关，例如图3中第1个检测器最终输出的正交信号对100与第3个检测控制器输入进来的正交信号对100之间装有电子开关31a。

当第j个检测控制器出现故障无法工作时，它对应的电子开关导通，将第j个检测控制器屏蔽，这样，第j+2个检测控制器的输出直接送入第j-2个检测控制器中，最后还是通过第i(j为奇数时i＝2，j为偶数时i＝1)个检测控制器输出到数据采集单元4。在这种情况下，当编码器1仅覆盖第j个检测控制器对应的第3×mod[(j+1)/2]-2到第3×mod[(j+1)/2](其中mod为除法运算求商的算子)个检测块区域时，数据采集单元4只能接收第i(j为奇数时i＝2，j为偶数时i＝1)个检测控制器的一对有效正交信号输出，此时，检测精度降低一半，但仍能进行有效的位置检测。而当编码器1覆盖其余检测控制器对应的检测块区域时，数据采集单元4可以由第1、2个检测控制器3a和3b接受两对有效的正交信号，检测精度不受影响。总而言之，在本发明中，不管哪个检测控制器出现故障，动态过程检测均可正常进行，由此保证了检测的冗余性。

数据处理单元5对接收进来的两对正交信号(A₁和B₁、A₂和B₂)分别计数的过程如表1所示，其中↓代表下降沿，↑代表上升沿。假设四个信号的初始状态均为高电平，当A₁和B₁出现上升沿或下降沿时，第1对正交信号100进行一次计数；当A₂和B₂出现上升或下降沿时，第2对正交信号200进行一次计数，表1中的Δ₁表示正交信号对100的初始计数位置，Δ₂表示正交信号对200的初始计数位置，δ表示检测精度(根据图2描述的安装尺寸，δ＝d₁/8)。理论上Δ₂＝Δ₁+δ，并可根据金属条齿槽实际加工情况进行细微调整。值得注意的是：当齿宽与槽宽相等时，四个信号中每出现一个上升或下降沿，实际位置增加δ；当齿宽与槽宽不等时，数据处理单元5仍然按照类似规律处理，即每出现一个下降或上升沿，位置值增加δ，此时，虽然实际位置不一定严格按照δ阶梯上升(如表1中正交对100第3次计数与正交对200第2次计数对应位置差可能小于δ，甚至小于0)，但由于一个周期保持8次计数，最终位置检测平均精度仍为δ。

如下表1为位置正交信号进入数据处理单元计数过程表。

表1

如图4所示，卡尔曼滤波器是一种高效率的递归滤波器(自回归滤波器)，与大多数滤波器不同之处，在于它是一种纯粹的时域滤波器，不需要像低通滤波器等频域滤波器那样，在频域设计再转到时域实现。它能够从一系列包含噪声的测量中，准确估计动态系统的状态。图4中的观测器540的输入531为实际的位置计数值(随时间阶梯上升，如直接微分，得到的速度为一系列混乱脉冲)，输出521为平滑的位置估计值；观测器550的输入532为观测器540输出的平滑的速度估计值，观测器550的输出522为平滑的加速度估计值。最终在数据处理单元5中通过卡尔曼滤波处理方法获得并输出的位置、速度、加速度输出值为521、532和522。观测器540和观测器550中出现的增益51a、51b、51c、51d、51e、51f可参考有关卡尔曼滤波器的资料进行计算获得。

Claims (8)

1.一种直线运动检测装置，其特征在于，包括编码器、检测块、检测控制器、数据采集单元及数据处理单元，其中，检测块输出两对正交信号，检测控制器通过光纤对检测块的输出信号进行接收与合并，数据采集单元与检测控制器连接，对检测控制器合并后的输出信号进行接收和调理，数据采集单元输出的两对最终正交信号送入数据处理单元；

所述编码器与检测块之间在被测物体运动时存在相对运动，检测块与检测控制器、数据采集单元和数据处理单元之间处于相对静止的状态。

2.根据权利要求1所述的直线运动检测装置，其特征在于，所述编码器为加工有齿槽的金属条。

3.根据权利要求2所述的直线运动检测装置，其特征在于，所述检测块数量为3N，其中，N≥1，每个检测块的间距为编码器上齿距的整数倍。

4.根据权利要求3所述的直线运动检测装置，其特征在于，所述检测控制器数量为2N，其中，N≥1，每两个检测控制器对三个检测块输出的两对正交信号进行接收与合并。

5.根据权利要求4所述的直线运动检测装置，其特征在于，第j个检测控制器输出的正交信号对与第j+2个检测控制器输入的正交信号对之间连接有电子开关，其中，1≤j≤2N-2。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的直线运动检测装置，其特征在于，所述编码器和检测块按照超级正交方式布置，当所述编码器和检测块按照超级正交方式布置时，所述检测块输出两对正交信号，且所述两对正交信号相差1/8个周期。

7.根据权利要求6所述的直线运动检测装置，其特征在于，所述检测块为四个涡流接近开关，所述四个涡流接近开关根据所述超级正交方式排列。

8.根据权利要求1所述的直线运动检测装置，其特征在于，所述数据处理单元包括微处理器，所述微处理器处理数据采集单元输出的两对最终正交信号采用卡尔曼滤波原理。

Images