CN105814407B - 带有组合式的负载测量和位置测量的线性导引装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及带有在纵向（11）上延伸的导轨的线性导引装置，其中，导引车在纵向（11）上能够线性运动地支承在导轨处，其中，至少一个传感器（21；22）安装在导轨车处，利用该传感器能够测量导引车的相对于导轨的弹性的位置改变，其中，所述至少一个传感器（21；22）包括至少一个发射器绕阻装置（30），该发射器绕阻装置连接至交变电流源（35），根据本发明，设置了至少一个不同于发射器绕阻装置（30）的接收器绕阻装置（33），该接收器绕阻装置与所述至少一个发射器绕阻装置（30）感应地耦合。

Description

带有组合式的负载测量和位置测量的线性导引装置

本发明涉及一种线性导引装置以及用于驱动其的方法。

从EP 1 502 700 B1中已知一种以直线滚动轴承为形式的线性导引装置。线性导引装置包括在纵向上延伸的导轨，导引车在纵向上能够运动地支承在该导轨处。多个传感器稳固地布置在导引车处，该传感器能够测量在自身和所配设的工作面之间的间距。相应于此，测量导引车的相对于导轨的弹性的位置改变，该位置改变通过外部的力引起，该力作用至导引车。传感器能够包括线圈，该线圈连接至交流电压源。设定在线圈中的交变电流依赖于在线圈和所提到的工作面之间的间距。

从DE 10 2007 042 796 Al中已知带有增量地工作的位置测量系统的线性导引装置，该线性导引装置的传感器感应地工作。在此，传感器包括发射器绕阻装置和接收器绕阻装置。将交变电流供入发射器绕阻装置中，该交变电流在接收器绕阻装置中感应交变电压，该交变电压在纵向上依赖于在导引车和导轨之间的相对位置。在此，导轨设有尺寸标准装置。

从EP 2 502 030 B1中已知绝对的位置测量系统，该位置测量系统同样使用感应的传感器。它同样利用发射器绕阻装置和接收器绕阻装置以及尺寸标准装置工作。

本发明的任务在于，提供线性导引装置，利用该线性导引装置能够更加准确地测量导引车的相对于导轨的弹性的位置改变。在此，应将弹性的位置改变理解为除了在纵向上的位置改变之外的所有的能够考虑的位置改变。因为导引车在纵向上能够自由地运动，则在此，不能够产生弹性的位置改变。

为此本发明提出一种带有在纵向上延伸的导轨的线性导引装置，其中，导引车在纵向上能够线性运动地支承在导轨处，其中，至少一个传感器安装在导引车处，利用该传感器能够测量导引车的相对于导轨的弹性的位置改变，其中，所述至少一个传感器包括至少一个发射器绕阻装置，该发射器绕阻装置连接至交变电流源，

其特征在于，设置至少一个不同于发射器绕阻装置的接收器绕阻装置，该接收器绕阻装置与所述至少一个发射器绕阻装置感应地耦合，其中至少一个在纵向上延伸的带有多个标记的尺寸标准装置能够安装在导轨处，其中，至少一个传感器如此地相对于尺寸标准装置布置，使得所述标记影响在至少一个发射器绕阻装置和至少一个接收器绕阻装置之间的感应的耦合。还提出一种用于运行所述的线性导引装置的方法，

其特征在于，在使用至少一个传感器的情况下，同时地测量导引车的相对于导轨的在纵向上以及在横向上或关于转动轴线的相对位置。

在后面说明了本发明的有利的扩展设计和改良方案。

所述至少一个发射器绕阻装置和/或至少一个接收器绕阻装置能够构造为平坦的绕阻装置的形式，该绕阻装置优选地包括多个绕阻层。这样的传感器在花费上有利地能够制造并且需要少的位置，尤其，该传感器很薄。

至少一个在纵向上延伸的带有多个标记的尺寸标准装置能够安装在导轨处，其中，至少一个传感器如此地相对于尺寸标准装置布置，使得所述标记影响在至少一个发射器绕阻装置和至少一个接收器绕阻装置之间的感应的耦合。尺寸标准装置促成的是，分别按照导引车的纵向位置，将完全确定的交变电压感应到接收器绕阻装置中。相应于此，能够从感应的交变电压中计算在导引车相对于导轨的在纵向上的位置。

能够设置评估装置，该评估装置设定用于：从感应到至少一个接收器绕阻装置中的电压中确定导引车的相对于导轨的弹性的以及在纵向上进行的位置改变。为此，评估装置优选地包括模拟数字转换器，该模拟数字转换器连接至计算单元。在此，所建议的设备通过计算机程序的在计算单元中的持久的存储而实现。

能够设置至少一个第一和至少一个第二传感器，所述传感器产生彼此相移的正弦信号。利用第一和第二传感器应首先高准确地确定导引车的相对于导轨的位置改变。在此，关键的仅是第一和第二传感器的幅值的比例。优选地，从相移的正弦信号中内插中间值，利用该中间值能够区分这样的位置，该位置的间距小于增量的尺寸标准装置的分段间距。同时，能够借助第一和第二传感器的信号足够准确地确定在第一或者说第二传感器和导轨之间的间距。此外，同样可行的是，确定导引车相对于导轨的倾角。

能够设置第三传感器，该传感器产生绝对信号，其中，为第三传感器配设绝对的尺寸标准装置，该尺寸标准装置的分段间距等于或大于被配设给第一和第二传感器的增量的尺寸标准装置的分段间距。利用第三传感器，应求取导引车的相对于导轨的在纵向上的绝对的位置，而不必为此移动所述导引车。同时，能够利用第三传感器确定弹性的位置改变，该位置改变向着竖轴线的方向指向。在此，竖轴线垂直于纵向和横向地定向。

导引车能够包括温度传感器。经此，在信号评估中考虑发射器绕阻装置和接收器绕阻装置的依赖于温度的欧姆电阻，从而提高了测量准确性。

至少一个传感器能够横向于纵向、优选地在竖轴线的方向上差异地工作。在此，尤其第三传感器响应，能够利用第三传感器确定弹性的位置改变，该位置改变在竖轴线的方向上指向。

从感应到至少一个接收器绕阻装置中的电压中能够确定弹性的以及在纵向上进行的导引车相对于导轨的位置改变。相同的接收器绕阻装置因而被同时使用，以便确定各种位置改变。经此，降低了用于线性导引装置的制造成本。

能够求取感应到至少一个接收器绕阻装置中的电压的幅值和/或偏置量，其中，从幅值和/或偏置量的改变中求取导引车的相对于导轨的弹性的位置改变。所提到的信号参数被证明为尤其合适地用于确定所期望的位置改变。感应到接收器绕阻装置中的信号具有类似正弦的走势。在此，偏置量是这种信号的平均值。该偏置量在理想情况中应计为零，其中，它在实际条件下不同于零。

从所求取的弹性的位置改变和线性导引装置的所求取的优选所计算的或所测量的弹性中能够求取、优选地计算作用至导引车的力。作用至线性导引装置的力是参量，该参量最大地引起线性导引装置的使用者的注意。利用所建议的方法能够特别简单地求取该参量。

借助所求取的力的在时间上的改变能够求取、优选计算线性导引装置的存留的剩余寿命。推测地存留的剩余寿命同样是这样的参量，该参量引起线性导引装置的使用者的注意。能够利用所建议的方法特别简单地求取该参量。

能够从第一和第二传感器的信号的幅值差或相位差中求取导引车的关于导轨的角位置的改变。申请人的研究以意外的方式得到的是，所提到的幅值差或者说相位差被所提到的角位置影响。利用所建议的方法因而能够特别简单地求取所提到的角位置。

能够测量至少一个传感器的温度，其中，基于所测量的温度来去除温度对至少一个传感器的信号的影响。至少一个传感器的温度具有对传感器的信号的显著的影响，因为优选所使用的线圈的欧姆电阻依赖于温度。通过所建议的温度补偿来显著地改善位置确定的准确性。优选地利用上文建议的温度传感器进行温度的测量。

从至少一个传感器的感应到至少一个接收器绕阻装置中的电压中，能够估计不具有对导引车的力的作用的环境影响和/或状态影响。环境影响能够例如指的是环境温度、包围线性导引装置的介质例如冷却润滑剂或线性导引装置的脏污。状态影响能够例如指的是传感器的温度，只要不用单独的温度传感器测量该温度。

接下来借助附图详细阐释本发明。其中：

图1是根据本发明的线性导引装置的侧视图；

图2是带有所属的增量的尺寸标准装置的第一和第二传感器的粗略示意的视图；

图3是带有所属的绝对的尺寸标准装置的第三传感器的粗略示意的视图；

图4是展示了在在所述传感器处测量的信号幅值和位置改变之间的关联的图表；

图5是串联的若干第一和第二传感器的粗略示意的视图；并且

图6是原理草图，利用它应展示在在第一和第二传感器之间的幅值差和导引车的角位置之间的关联。

图1示出了根据本发明的线性导引装置10的侧视图。线性导引装置10包括导轨14，该导轨以恒定的横截面形状沿着纵向11延伸。导引车15优选地借助多个循环连续地环绕的滚动体排列、关于纵向11能够运动地支承在导轨14处。以任选的方式，导引车15或导轨14在横截面中观察是U形构造的，其中，相应的U臂的延伸方向定义了垂直于纵向11定向的竖轴线13。横轴线12垂直于纵向11以及竖轴线13定向。

将增量的和/或绝对的尺寸标准装置50；51安装在线性导轨14处，所述尺寸标准装置沿着整个导轨延伸。所提到的尺寸标准装置能够位于导轨14的相同的侧部上或不同的侧部上。

传感器结构组件20紧固在导引车15的纵向端部处，第一、第二和第三传感器、交变电流源和评估装置安装在该传感器结构组件中。在此，所提到的传感器以小的间距直接布置在所配设的尺寸标准装置50；51之上。另外，传感器结构组件20设有温度传感器24，该温度传感器优选地如此地布置，使得它尽可能准确地测量所提到的传感器的温度。

图2示出了带有所属的增量的尺寸标准装置50的第一和第二传感器21；22的粗略示意的视图。为了清楚起见，第一和第二传感器21；22被展示在增量的尺寸标准装置50的旁边，其中，所述传感器实际上布置在所述尺寸标准装置之上的中部。按比例地展示了所示出的部件的尺寸。在增量的发射器绕阻装置30和增量的接收器绕阻装置33中，始终展示了仅各一个唯一的绕阻回路，其中，实际上，存在多个绕阻回路。

增量的尺寸标准装置50指的是由能够磁化的钢制成的薄的板带。这种板带设有多个标记52，该标记周期地沿着纵向11布置。每个单个的标记50包括在板带中的矩形的缺口，该缺口的宽度等于分段间距λ的一半。在缺口之间的间距由此同样计为λ/2。

第一和第二传感器21、22相同地构造。主要的区别存在于关于标记50的在纵向上的相对位置中。其间距a优选计为a = k x λ + λ/4，其中，k是任意的整数并且优选是一。因此，第二传感器产生了信号，该信号相对于第一传感器的信号以90°相移。

第一和第二传感器21、22包括各一个增量的发射器绕阻装置30，该发射器绕阻装置能够包括串联的或并联的线圈或作用相同的曲折形的绕阻装置，例如在DE 10 2009 042940 Al中示出了该绕阻装置。增量的发射器绕阻装置30经过接头40（该接头例如构造为电的插连接部）连接至交变电流源35，该交变电流源优选地包括数字模拟转换器和模拟放大器。交变电流源35产生正弦状的交变电流，该交变电流的频率例如计为100 kHz。

在增量的发射器绕阻装置30内的自由的面中布置有增量的接收器绕阻装置33。这些接收器绕阻装置包括各两个以相反的盘绕方向串联的单个线圈41。经此实现的是，相应的信号不具有或仅具有小的偏置量。因为单个线圈41关于纵向11彼此并列布置，则也说的是纵向差异的线圈装置。增量的接收器绕阻装置33经过接头40与评估装置25相连，其中，接头40优选地由电的插连接部形成。

评估装置25优选地包括至少一个模拟数字转换器和计算单元。当然，它也能够进行纯模拟的信号评估。

图3示出了带有所属的绝对的尺寸标准装置51的第三传感器23的粗略示意的视图。为了清楚起见，不同的绕阻层36、37、38彼此并列布置，其中，它们实际上相叠地布置。在此，它们被电的绝缘层彼此分离。第二和第三绕阻层37、38的直通接触部39准确地彼此相叠，其中，它们电地彼此相连。第一绕阻层36的单个线圈41均布置在被绝对的发射器绕阻装置31包围的自由的面内。按比例地展示了所示出的部件的尺寸。在绝对的发射器绕阻装置31和绝对的接收器绕阻装置34中，始终展示了仅各一个唯一的绕阻回路，其中，实际上，存在多个绕阻回路。

增量的尺寸标准装置51指的是由能够磁化的钢制成的薄的板带。这种板带设有多个标记52，该标记偶然地沿着纵向11分配地布置。每个单个的标记50包括在板带中的矩形的缺口，该缺口的宽度等于分段间距λ。在此要注意的是，增量的尺寸标准装置50的分段间距等于绝对的尺寸标准装置51的分段间距，其中，最先提到的分段间距也能够小于第二提到的分段间距。在绝对的尺寸标准装置51的横向中部设有在纵向11上连续的没有标记52的纵向接片53。如果在纵向接片53的上方存在缺口，则在纵向接片53的下方不存在缺口，并且反之亦然。在纵向接片53的上方的和下方的区域因而彼此补偿地构造。

从交变电流源35相应地将发送器交变电流以例如100 kHz的频率供给到绝对的发射器绕阻装置31中。这引起了多个有效的环形电流，其中，紧邻的环形电流具有相反的环形方向。在此，给绝对的接收器绕阻装置33的单个线圈41配设带有相反的环形方向的各两个有效的环形电流。这些环形电流相应地将交变电压感应到所提到的单个线圈40中。如果存在不带有缺口的绝对的尺寸标准装置51，则这些交变电压在数值方面相同但是带有相反的前缀符号，从而它们准确地抵消。

这种效果描述为补偿。如果放弃此，则在接收器线圈处的电压依赖于标记52的存在会以信号偏置量进行波动，该信号偏置量大于在信号中的波动。这显著阻碍了信号评估。上述的绕阻装置也不同地描述为横向于纵向11。

在在绝对的尺寸标准装置51中设有缺口的部位处，弱化感应作用，从而两个被感应的电压不再抵消。然后，在绝对的接收器绕阻装置34的单个线圈41处施加交变电压，该交变电压的幅值示出了缺口或者说标记52布置在纵向接片53的哪个侧部上。

要注意的是，也将涡流感应到绝对的尺寸标准装置51中，该涡流准确地反作用于上述的效果。但是，因为存在带有小的电的导电性的由不锈钢形成的尺寸标准装置，则这些涡流较小。

绝对的接收器绕阻装置33的单个线圈41经过接头40与评估装置25相连，其中，接头40优选地由电的插连接部形成。评估装置25优选地包括至少一个模拟数字转换器和计算单元。当然，它也能够进行纯模拟的信号评估。增量的和绝对的信号评估优选地在共同的评估装置25中进行。

图4示出了图表，该图表展示了在在传感器21；22；23处所测量的信号幅值U和在导轨和传感器之间的间距s之间的关联。在水平的轴线处，在传感器21；22、23和所配设的尺寸标准装置50；51之间的间距s在横轴线（图1中的12号）的方向上绘出。在竖直的轴线处绘出了在所涉及的接收器绕阻装置31；34中感应的电的交变电压的幅值U。如果间距s计为零，也即当传感器21、22、23位于所配设的尺寸标准装置50；51上时，则所提到的幅值具有尽可能大的值。以竖直虚线表征的间距是当没有外部的力作用至线性导引装置时所存在的间距。这种间距几乎如此地选择，使得在该处，信号幅值U计为最大可能的值的大约50%。如果此时所提到的间距由于外部的力而改变（该力作用在线性导引装置处），则信号相应于所展示的走势而改变，该走势几乎遵循函数1/（s-s₀）²。

图5示出了串联的若干第一和第二传感器21、22的粗略示意的视图。在此，矩形应显出各一个增量的接收器绕阻装置（图2中的33号）。在各两个相邻的第一传感器21之间始终布置有第二传感器22。在此，相同地选择第一和第二传感器21；22的数量，由此在两种情况中存在相同的最大的信号幅值。另外，绘出了已经参照图2阐释的在第一和第二传感器21；22之间的在纵向11上的间距a。

图6是原理草图，利用它应表现在间距差Δs和导引车的角位置之间的关联。在此，形成了间距差Δs，办法是：相应于图4，从第一和第二传感器的信号中形成相对于导轨的相应的（平均的）间距，其中，两个间距彼此相减。

水平的线11对应纵向。倾斜的线16对应导引车的几何的中线（图1中的15号）。线11和16包围了角度α。该角度对应关于竖轴线（图1中的13号）的导引车的转角α。这种角度α也被描述为横摆角（Gierwinkel）。在间距a（见图2）和间距差Δs之间由此得到了关系tan α =Δs / a。

附图标记单

λ 分段间距

a 在第一和第二传感器之间的间距

α 关于竖轴线的转角

s 在导轨和传感器之间的间距

Δs 间距差

U 信号幅值

10 线性导引装置

11 纵向

12 横轴线

13 竖轴线（U臂的延伸方向）

14 导轨

15 导引车

16 导引车的中线

20 传感器结构组件

21 第一传感器

22 第二传感器

23 第三传感器

24 温度传感器

25 评估装置

30 增量的发射器绕阻装置

31 绝对的发射器绕阻装置

32 曲折形绕阻

33 增量的接收器绕阻装置

34 绝对的接收器绕阻装置

35 交变电流源

36 第一绕阻层

37 第二绕阻层

38 第三绕阻层

39 直通接触部

40 接头

41 单个线圈

50 增量的尺寸标准装置

51 绝对的尺寸标准装置

52 标记

53 纵向接片。

Claims (19)

1.带有在纵向（11）上延伸的导轨（14）的线性导引装置（10），其中，导引车（15）在纵向（11）上能够线性运动地支承在导轨（14）处，其中，至少一个传感器（21； 22； 34）安装在导引车（15）处，利用该传感器能够测量导引车（15）的相对于导轨（14）的弹性的位置改变，其中，所述至少一个传感器（21； 22； 34）包括至少一个发射器绕阻装置（30； 31），该发射器绕阻装置连接至交变电流源（35），

其特征在于，设置至少一个不同于发射器绕阻装置（30； 31）的接收器绕阻装置（33；34），该接收器绕阻装置与所述至少一个发射器绕阻装置（30； 31）感应地耦合，其中至少一个在纵向（11）上延伸的带有多个标记（52）的尺寸标准装置（50； 51）能够安装在导轨（14）处，其中，至少一个传感器（21； 22； 23）如此地相对于尺寸标准装置（50； 51）布置，使得所述标记（52）影响在至少一个发射器绕阻装置和至少一个接收器绕阻装置（31； 32； 33；34）之间的感应的耦合。

2.按照权利要求1所述的线性导引装置，

其特征在于，所述至少一个发射器绕阻装置和/或至少一个接收器绕阻装置（31； 32；33； 34）能够构造为平坦的绕阻装置的形式。

3.按照权利要求2所述的线性导引装置，

其特征在于，所述平坦的绕阻装置包括多个绕阻层（36； 37； 38）。

4.按照权利要求1所述的线性导引装置，

其特征在于，设置评估装置（25），该评估装置设定用于：从感应到至少一个接收器绕阻装置（33； 34）中的电压中确定导引车（15）的相对于导轨（14）的弹性的以及在纵向（11）上进行的位置改变。

5.按照前述权利要求1到4中任一项所述的线性导引装置，

其特征在于，设置产生彼此发生相移的正弦信号的至少一个第一传感器和至少一个第二传感器（21； 22）。

6.按照权利要求5所述的线性导引装置，

其特征在于，设置第三传感器（23），该传感器产生绝对信号，其中，为第三传感器（23）配设绝对的尺寸标准装置（51），该尺寸标准装置的分段间距（λ）等于或大于被配设给第一和第二传感器（21； 22）的增量的尺寸标准装置（50）的分段间距（λ）。

7.按照前述权利要求1到4中任一项所述的线性导引装置，

其特征在于，导引车（15）包括温度传感器（24）。

8.按照前述权利要求1到4中任一项所述的线性导引装置，

其特征在于，至少一个传感器（23）横向于纵向（11）差异地工作。

9.用于运行按前述权利要求1到4中任一项所述的线性导引装置的方法，

其特征在于，在使用至少一个传感器（21； 22； 23）的情况下，同时地测量导引车（15）的相对于导轨（14）的在纵向（11）上以及在横向上或关于转动轴线的相对位置。

10.按照权利要求9所述的用于运行线性导引装置的方法，

其特征在于，从感应到至少一个接收器绕阻装置（33； 34）中的电压中确定导引车（15）相对于导轨（14）的在纵向（11）上进行的以及弹性的位置改变。

11.按照权利要求10所述的方法，

其特征在于，求取感应到至少一个接收器绕阻装置（33； 34）中的电压的幅值（s）和/或偏置量，其中，从幅值（s）和/或偏置量的改变中求取导引车（15）的相对于导轨（14）的弹性的位置改变。

12.按照权利要求11所述的方法，

其特征在于，从线性导引装置（10）的所求取的弹性和所求取的弹性的位置改变中求取作用至导引车（15）的力。

13.按照权利要求12所述的方法，

其特征在于，所述线性导引装置（10）的弹性是计算的或所测量的。

14.按照权利要求12所述的方法，

其特征在于，计算作用至导引车（15）的力。

15.按照权利要求12所述的方法，

其特征在于，借助所求取的力的在时间上的改变来求取线性导引装置（10）的存留的剩余寿命。

16.按照权利要求15所述的方法，

其特征在于，借助所求取的力的在时间上的改变计算线性导引装置（10）的存留的剩余寿命。

17.按照权利要求9到13中任一项所述的方法，引用权利要求5，

其特征在于，从第一和第二传感器（21； 22）的信号的幅值差或相位差中求取导引车（15）的关于导轨（14）的角位置（α）的改变。

18.按照权利要求9到13中任一项所述的方法，引用权利要求7，

其特征在于，测量至少一个传感器（21； 22； 23）的温度，其中，基于所测量的温度来去除温度对所述至少一个传感器（21； 22； 23）的信号的影响。

19.按照权利要求9到13中任一项所述的方法，

其特征在于，从至少一个传感器（21； 22； 23）的感应到至少一个接收器绕阻装置（33；34）中的电压中，估计不具有对导引车（15）的力的作用的环境影响和/或状态影响。