CN102818512A - 线性位置测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种线性位置测量系统，用于确定车厢相对于导轨(10)的位置，所述导轨(10)由多个轨道单体(12’、12”、12”’)线性构成，车厢由导轨引导，所述线性位置测量系统具有多个测量标尺(16、18)和至少一个扫描仪，所述标尺(16、18)分别沿轨道单体(12’、12”、12”’)设置，并支承各自的位置标记(20、22)；所述扫描仪固定在车厢上并设计用于扫描位置标记(20、22)，使得能确定车厢相对于引导车厢的各自轨道单体的各自位置，在所有的轨道单体(12’、12”、12”’)中，位置标记(20、22)相同地设置于各自的多个标尺(16、18)上。设置于轨道单体(12’、12”、12”’)上的分离的编码单体(24’、24”、24”’)能通过扫描仪进行扫描，因此独立的片段信息能通过引导车厢的各自的轨道单体进行收集。

Description

线性位置测量系统
技术领域
本发明涉及一种线性位置测量系统。
背景技术
上述用于确定车厢相对于导轨位置的系统可以与如线性导轨(linear guides)的引导系统一起使用。线性导轨包括第一主体和第二主体，第二主体由第一主体引导并相对于第一主体移动，并能确定第二主体相对于第一主体的位置。为此目的，用于确定位置的各自的设备的标尺可以固定于相对第一主体的位置，各自的扫描仪可以固定于相对第二主体的位置。
例如，在现有技术中，可以用于确定绝对位置的线性位置测量系统包括：测量标尺和扫描仪，所述测量标尺标记有测量点，所述扫描仪能相对所述测量标尺移动，用于扫描各自的测量点。这些测量点可由一个或多个获得的位置标记构成，用于识别位置，这些位置标记例如可以通过光学或磁性等获得。
在进行光学扫描的情况下，扫描仪包括用于获得测量点图像的传感器，并提供信号以确定扫描仪相对于测量标尺的位置。在进行磁性扫描的情况下，扫描仪包括磁场传感器，用于获得永久磁铁单体的磁场级数(magnetic field progression)，以构成测量标尺的测量点。
这些类型的系统依靠各自的测量标尺(光/磁)，用于测量相对于原始位置，扫描仪的位置的相对变化。
为使这些类型的系统能够达到测量扫描仪相对于测量标尺的位置的相对变化，各自的测量标尺可以设计为具有增量刻度，由此获得沿规定的直线或测量标尺以等距间隔开的一系列相同的、周期(periodically)设置的增量标记。为使所述的增量测量刻度可进行光学扫描，扫描仪可将各自标记的光学图像以光电检测器的形式投射于传感器上。为了测量扫描仪相对于测量标尺的位置的相对变化，扫描仪沿标记的轨迹(track)移动，扫描仪的移动会引起信号的周期性变化，可提供在预定的时间内，通过扫描仪的增量标记的数量的信息。
总而言之，扫描仪相对位置的各自变化可以通过扫描增量测量标尺的测量点或增量标记来确定。所谓的增量位置编码器用于此目的，其具有相对简单的设计和较高的分辨率。
除了在导轨和有轨车厢(track carriage)或扫描仪之间获得相对移动以外，所述系统也可以设计用于确定扫描仪相对于另一测量标尺，特别是绝对测量标尺的绝对位置，该绝对测量标尺具有绝对标记。扫描仪的各自绝对位置可在沿导轨的任意位置，通过测量扫描仪相对于某一特定对照刻度的相对位置变化而确定。所述绝对标记必须以特别可靠的方式进行扫描，因为任何的误解都会导致相对于导轨，车厢位置的完全错误的信息。
为此目的，对照刻度可以显示为沿预定线的绝对标记，每个刻度具体指明某个特定的绝对位置。为了确定所述位置，上述扫描仪可以沿预定线移动以便通过扫描仪对各自的绝对标记进行光学或磁性扫描。
总之，这些所谓的绝对编码器通常将位置相关的信息进行全面传送，使其更好适于确定和控制位置。传统的方法包括读取一段二进制信息，其中对于每一个二进制数字，均需要进行各自的光学或磁性扫描。所有这些扫描必须相互进行调整以便在任何操作条件下，均不会发生读取错误。
由于制造相关的原因，例如，机械磨削，轨道仅能以规定的最大长度进行制造。目前一个轨道的最大长度约为6m。如果需要更长的轨道，公知的技术为将几个轨道单体进行连续排列的组装。
在几个连续排列的具有统一刻度尺的轨道单体的拼接处，通过测量工具以机械方式进行定标，采取这样的方式使刻度的编码所发生的错误尽可能少。车厢的绝对位置通过采用一个外部连接的开关凸轮来进行检测，然后从此对照刻度开始计算车厢当前的位置。然而，当线性位置测量系统失效时，就不能对车厢的当前位置进行储存。因此，一个缺点是当激活线性位置测量系统时，为了校准的目的，车厢必须运行较长一段的距离以到达一个对照刻度，特别是假设在长的导轨情况下，这会产生较高的工时消耗。
另一种通过由几个轨道单体组成的导轨的绝对标记进行标记位置的公知的方法包括从一个轨道单体到另一个轨道单体逻辑连续的绝对标记。为此目的，绝对标记反映各自独立的编码，例如，合并连续计数的编码，一段独立的位置相关信息等。问题是由于轨道单体数目的增加，各自的编码必须由甚至更多的符号(比特)组成。因此必须增加各自的编码之间的距离，其不利之处在于，由于较低的分辨率，相应降低了与位置相关的信息的准确性。
假设在通过对具有相同数量的符号的编码得出的绝对标记(其通常用于进行误差检测等)的情况下，非必要地通过增加更多的轨道单体来延伸导轨的长度会产生问题。因为这些增加的轨道单体必须具有规定数量的符号的编码，而这些规定数量的符号不足以进行明确的编码。在此情况下，导轨的整个编码设计只能由具有较多规定数量的符号的新编码所代替，这种情况会使成本升高。
现有技术中存在的另一个问题是，从构成整个导轨的多个轨道单体的组合中替换至少一个轨道单体。这种替换由于某一特定的轨道单体经过磨损而变得必要。当对一个轨道单体进行替换时，就必须使用一个与被替换轨道单体具有完全相同的绝对标记的新的轨道单体。为此目的，首先需确定该绝对标记，然后再将其复制于绝对测量标尺上。以这种方式复制的绝对测量标尺然后固定于新的轨道单体上。由于缺乏适于上述目的的设备，使线性位置测量系统在其所处的位置实质上不可能完成这些步骤。因此，对于各自的复制绝对测量标尺的必要的信息，以及新的轨道单体，实际上是由外部的专业公司来完成此目的(例如线性位置检测系统的制造商)。由后者制备具有各自相应复制测量标尺的新的轨道单体。然后将此新的轨道运送到线性位置测量系统的各自位置并进行最终整合。目前的这种方法是昂贵的，需要对操作进行冗长的暂停。如果某一轨道单体由于突然的缺陷而不可避免地需要马上进行更换时，则该轨道单体不能被及时的更换。因此，线性位置检测系统不得不通常一次关闭数日，而由于线性位置检测系统的关闭而产生的费用是非常高的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种线性位置检测系统，用于解决现有技术中存在的问题。特别是提供一种通过至少一个轨道单体而使导轨能够快速、容易地延伸，和/或使至少一个轨道单体能够快速、容易地更换的线性位置检测系统。
上述目的是通过下述特征实现的。在本发明的一个实施例中，用于确定车厢相对于导轨的线性位置检测系统，该导轨线性地包括对车厢进行导引的多个轨道单体，所述线性位置测量系统包括多个测量标尺以及至少一个扫描仪，所述测量标尺分别沿轨道单体设置，并支承各自的位置标记；所述扫描仪固定在车厢上并设计用于扫描位置标记，使得能确定车厢相对于引导车厢的各自轨道单体的各自位置。在所有的轨道单体中，位置标记相同地设置于各自的多个测量标尺上，设置于轨道单体上的独立的编码单体能通过扫描仪进行扫描，因此独立的片段信息能通过引导车厢的各自轨道单体进行收集。
一个非常重要的优势是轨道单体相互之间可以使用相同的测量标尺。为了能更精确地确定相对于导轨的位置，例如，在几个轨道单体中，每个轨道单体提供一个独立的编码单体。这种独立的编码单体能够通过扫描仪进行扫描，载有关于车厢移动于多个轨道单体中的当前轨道单体的信息。任何用于确定相对于该获得的轨道单体的位置的进一步信息，可以通过常规扫描位于至少一个测量标尺上的位置标记而获得。
基于从上述编码单体和至少一个位置标记所收集的信息的汇集，就可确定相对于整个导轨的车厢的位置。编码单体可以快速和容易地使用，例如可直接位于线性位置检测系统所处的位置来使用，此项工作不需要专门人材。线性位置检测系统的操作人员可以快速和容易地应用编码单体，以确定线性位置检测系统的位置。如果导轨通过至少一个轨道单体延伸，该轨道单体所需的编码单体可由制造商提供的说明书得到，用于实施编码单体的必要的元件可以容易地保存于现场库存，其结果是导轨可以通过至少一个轨道单体快速和容易地延伸。
另一个优势是在进行绝对位置检测时，车厢现在仅需运行有限的距离。从原始状态开始，测定线性位置检测系统的时间也因此缩短。
更换至少一个轨道单体也可顺利进行。保存于线性位置检测系统位置处的现场库存的轨道单体(替换品)可以被拿来，同时提供被替换的轨道单体的编码单体。这种替换可以消除通常持续数日的线性位置检测系统的停工，所述停工是由于需要专业公司复制绝对标记以及将其运回线性位置检测系统所在位置处而需要延长的时间造成的，从而缩短时间并节约成本。
编码单体优选以从一个轨道单体至另一个轨道单体的连续计数的方式携带信息，车厢相对于整个导轨的整体位置可以通过如下信息的结合确定，即车厢在位于多个轨道单体中的当前轨道单体移动的信息，以及车厢相对于该当前轨道单体的位置的信息。
连续计数优选使用格雷码方法进行编码。格雷码作为一种编码方法，在模拟信号通道上稳定地传输数字变量。该编码是恒定的，其中编码单体中相邻编码字仅以单双位数(single dual digit)相区别。对于在准确确定车厢处于当前轨道单体进行移动时出现的错误，会导致完全错误的位置确定。使用格雷码能在最大程度上使该误差源最小化，或至少能进行再次确认。信道编码领域中的其他编码可用于错误的检测和修正。总体而言，这将增加正确获得轨道单体的可靠性，以及正确确定车厢位置的可靠性。
各自轨道单体的编码单体优选通过多个密封塞来实施，所述密封塞被导入到轨道单体的各自钻孔中，密封后者。在该特别有益的实施例中，已用于密封钻孔的密封塞还可用于实施或转换编码单体。密封塞的编码设计使将编码导入每个应用的轨道单体中成为可能。在车厢由一定数量的密封塞引导后，就能获得相对于整个导轨的轨道单体的位置。密封塞的数量取决于需要编码的长度。在获得相对于整个导轨的轨道单体的位置后或过程中，扫描仪的传感器被切换到扫描各自轨道单体上的各自测量标尺的位置标记。
每一个密封塞优选载有一段离散信息。至于离散信息或离散状态如何印上没有限定，只要确保每个离散状态能进行清晰扫描即可。
离散信息优选通过密封塞中所含的材料的各自材料特性获得。现在具有不同材料特性的各种材料的密封塞已得到广泛应用，其可能会影响到扫描仪的传感器对编码单体进行扫描的转换状态。例如，目前常用的密封塞由钢、黄铜或塑料制成，或含有这些材料。为了增加编码单体的符号的数量(密封塞的数量)，除了用于导入安装螺栓以固定轨道单体的钻孔外，还提供相应编码的导入了密封塞的钻孔。
离散信息优选通过密封塞表面的各自的几何形状(geometry)获得，这里密封塞表面是指与轨道表面形成齐平密封(flush seal)的表面。在本实施例中，例如，编码单体由不同的几何形状构成，每一个表示不同的离散状态。表面载有一段n比特信息(n＝1，2，...)的密封塞能使编码信息更加紧凑设置。例如，一个单一的密封塞当n＝4时可以显示16种状态。在该实施例中，由16个或更少的轨道单体构成的导轨的每个轨道单体使用一个单一的密封塞以充分区别的方式进行编码。密封塞表面上的4比特编码通过材料配对，如钢、黄铜、塑料等，或通过几何进行压印。
离散信息优选通过与密封塞一体形成或与密封塞表面连接的开关元件获得。开关元件在这里为无源或有源元件。提升的范围增加了获得的可靠性。
开关元件优选RFID数据载体，该RFID数据载体允许对于物体的自动识别和定位，从而极大地促进了数据的获得。在本实施例中，各自的RFID读取器安装于有轨拖车上用于获得和读取RFID数据载体。RFID技术能使获得的离散信息特别可靠。
位置标记优选含有增量标记和/或绝对标记。增量标记是指一系列几个周期性设置的标记，大部分以相同间隔沿规定的轨道设置。通过扫描这些增量标记的压印，即可测定相对于轨道，扫描仪的位置在预定时间内的相对变化。另一方面，相对于每个轨道单体，扫描仪的绝对位置通过扫描绝对标记而确定。为此目的，每个绝对标记限定了特定的绝对位置。
优选将每个增量标记和/或绝对标记设计为永久磁铁单体，该磁场强度的级数可以通过至少一个扫描仪进行扫描。由于磁场扫描与其他扫描方法相比，特别不易受干扰的影响，因此能进行更精确的扫描。另外，由于永久磁铁与其他标记结构相比，在相同的扫描精确度的情况下，具有特别窄的宽度，因此扫描可以在非常精细的分辨率下进行，可以进行非常紧凑的编码。
优选将每个增量标记和/或绝对标记设计为光学标记，通过至少一个扫描仪以光学方式扫描。在该方法中，固定于或用于各自测量标尺的光学检测标记通过扫描仪的光学读取头进行扫描。与其他扫描方法相比，这种扫描方法更具有经济效益。
附图说明
本发明将结合以下具体实施例进行详细说明。
图1为导轨的示意图。
具体实施方式
图1表示线性位置检测系统的导轨10的示意图。导轨10包括几个轨道单体12’、12”、12”’，图中显示为三个轨道单体。
轨道单体的长度通常受限于制造过程相关的考虑。随着轨道单体的长度增加，其制造成本会显著增加。因此，通常导轨包括几个轨道单体，轨道单体相互之间直线排列。
为了安装目的，每个轨道单体12’、12”、12”’均设有几个钻孔14，以使螺栓(未示出)插入其中，当拧紧时，螺栓的螺纹与位于轨道单体12’、12”、12”’下的安装板(未示出)的各自收纳螺纹连接。
导轨10以这样的方式组装后，用于引导车厢(未示出)。所述方式为通过位于轨道单体12’、12”、12”’表面部分上的至少一个滚动轴承或滚珠轴承来引导车厢。两个测量标尺16、18设置于每个轨道单体12’、12”、12”’的侧面，这样就可检测车厢相对于整个导轨10的准确位置。这些测量标尺16、18包括增量标尺16和绝对标尺18，增量标尺16具有增量标记20，绝对标尺18具有绝对标记22。
增量标记20由沿增量标尺16等距间隔设置的一系列的相同标记组成，这些增量标记20可以通过扫描仪的传感器进行扫描，所述扫描仪沿增量标尺16进行引导。扫描仪的移动引起信号的周期性变化，通过扫描仪在规定时间内的移动，这种周期性变化提供有关增量标记20的信息。
绝对标记22除了在轨道10与有轨拖车或扫描仪之间获得相对移动外，绝对标尺18上的绝对标记22还用于获得扫描仪相对于每个轨道单体12’、12”、12”’的绝对位置。通过测定相对于某一特定的对照刻度扫描仪的相对位置的变化，扫描仪的各自绝对位置可以在沿每个轨道单体12’、12”、12”’所希望的任一位置进行测定。绝对标记22也是通过扫描仪的传感器进行扫描，所述扫描仪沿绝对标尺18进行引导。由于任何错误都会导致车厢位置相对于任何轨道单体12’、12”、12”’的错误信息，因此，这种扫描必须以特别可靠的方式进行。
增量标记20和/或绝对标记22分别由永久磁铁单体构成，磁场强度的级数可以通过各自的扫描仪的传感器进行扫描。或者，增量标记20和/或绝对标记22也可分别设计成光学标记，通过各自的扫描仪的传感器以光学方式扫描。
位置标记，如增量标尺16的增量标记20和绝对标尺18的绝对标记22，从一个轨道单体到另一个轨道单体以完全相同的方式进行重复，换言之，每个轨道单体12’、12”、12”’的标尺16、18使用相同的编码进行设置，如相对于轨道单体的起始端。这种设置的优势是导轨10能够与至少一个额外的轨道单体进行平滑延伸。另一个优势是任何轨道可以容易地用新的轨道进行替换，所述新轨道已配备有测量标尺16、18。与现有技术相反，由于仅需要一种轨道单体保持在库存中，简化了物流和库存，从而节省了整体时间并节约了成本。
为了能精确的测定车厢沿整个导轨10的位置，每个轨道单体12’、12”、12”’还设有单独扫描的编码单体24’、24”、24”’，载有从一个轨道单体至另一个轨道单体的不同的信息。这样就能检测到当前引导车厢的各自的轨道单体。在如图所示的实例中，各自编码单体24’、24”、24”’通过密封塞26’、26”、26”’、26””的表面进行实施或制备，每个都形成编码字的各自的离散符号，这些密封塞26’、26”、26”’、26””通常用于密封前述钻孔14，密封塞26’、26”、26”’、26””的表面与轨道单体12’、12”、12”’的各自表面形成齐平密封。
密封塞表面或密封塞本身反映一种离散状态，例如，离散状态可以通过构成密封塞表面或密封塞本身的材料的(离散)材料特性来进行检测，所述材料可以为钢、黄铜、塑料等。因此，在本实施例中可以通过扫描仪的感应式测量传感器对各自的编码单体24’、24”、24”’进行扫描。
在图1所示的另一实施例中，编码单体24’、24”、24”’由各自的密封塞26’、26”、26”’、26””的表面颜色(白/黑)的二进制状态形成。假设将二进制值为“0”时，分配为“白色”，二进制值为“1”时，分配为“黑色”，轨道单体12’、12”、12”’以二进制编码(编码单体)进行连续排序为0000、0001、0010、0011、...。代替这种连续编码，轨道单体12’、12”、12”’也可以使用其他或额外的信息进行独立和清楚的编码，只要各自轨道单体能从这些信息中推测出即可。
例如，现在如果使用扫描仪用二进制码数“0010”扫描编码24”’，线性位置检测系统可从此得出车厢在第三轨道单体12”’上移动。基于对第三轨道单体12”’上的增量标尺16和绝对标尺18进一步扫描收集到的信息，扫描仪还能进一步确定车厢相对于第三轨道单体12”’的起始点的位置(如距离起始点1.5m)，或将该信息传送到线性位置检测系统。因此，在得知各自轨道单体12’、12”的长度(如，各为3m)后，通过计算导轨10的起始点(0点N)与车厢的距离，就可确定相对于整个导轨10的车厢的位置。在本实施例中，距离测量为：
D＝2*3m+1.5m＝7.5m
如图所示的实施例，编码24’、24”、24”’由四个26’、26”、26”’、26””(四个符号)或其表面形成。例如，给出一个连续数位的二进制编码，16个轨道单体可以清楚地进行分配，继续上述实施例，由此得出多达16*3m＝48m长的导轨10。

Claims (12)

1.一种线性位置测量系统，用于确定车厢相对于导轨(10)的位置，所述导轨(10)由多个轨道单体(12’、12”、12”’)线性构成，车厢由导轨引导，所述线性位置测量系统具有多个测量标尺(16、18)和至少一个扫描仪，所述标尺(16、18)分别沿轨道单体(12’、12”、12”’)设置，并支承各自的位置标记(20、22)；所述扫描仪固定在车厢上并被设计用于扫描位置标记(20、22)，使得能确定车厢相对于引导车厢的各自轨道单体的各自位置，其特征在于：
在所有的轨道单体(12’、12”、12”’)中，位置标记(20、22)相同地设置于各自的多个测量标尺(16、18)上，并且
分离的编码单体(24’、24”、24”’)设置于轨道单体(12’、12”、12”’)上，并能通过扫描仪进行扫描，因此独立的片段信息能通过引导车厢的各自轨道单体进行收集。
2.如权利要求1所述的线性位置测量系统，其中编码单体(24’、24”、24”’)载有从一个轨道单体至另一个轨道单体的连续计数的信息。
3.如权利要求2所述的线性位置测量系统，其中连续计数是通过格雷码进行编码的。
4.如前述任一项权利要求所述的线性位置测量系统，其中相应轨道单体(12’、12”、12”’)的编码单体通过多个密封塞(26’、26”、26”’、26””)而实现，将上述多个密封塞导入至轨道单体(12’、12”、12”’)的各自的钻孔(14)中，并密封后者。
5.如权利要求4所述的线性位置测量系统，其中每一个密封塞(26’、26”、26”’、26””)载有一段离散信息。
6.如权利要求5所述的线性位置测量系统，其中所述离散信息能通过密封塞(26’、26”、26”’、26””)所含材料的各自的材料特性获得。
7.如权利要求5所述的线性位置测量系统，其中所述离散信息能通过密封塞(26’、26”、26”’、26””)表面的相应几何形状获得。
8.如权利要求5所述的线性位置测量系统，其中所述离散信息能通过一体形成于密封塞(26’、26”、26”’、26””)或与密封塞(26’、26”、26”’、26””)表面固定的开关元件获得。
9.如权利要求8所述的线性位置测量系统，其中所述开关元件是RFID数据载体。
10.如前述任一项权利要求所述的线性位置测量系统，其中所述位置标记包括增量标记(20)和/或绝对标记(22)。
11.如前述权利要求1～10中一项所述的线性位置测量系统，其中上述增量标记(20)和/或绝对标记(22)中的每一个被设计为永久磁铁单体，它们的磁场强度级数能被所述的至少一个扫描仪扫描。
12.如前述任一项权利要求所述的线性位置测量系统，其中上述增量标记(20)和/或绝对标记(22)中的每一个被设计为光学标记，能被所述的至少一个扫描仪以光学方式扫描。
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