CN109916392A - 一种基于编码器的机械装备位置检测装置及其系统、方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于编码器的机械装备位置检测装置及其系统、方法，该系统是由机械装备空间位置实时采集装置、连接适配器、数控装置和计算机终端组成的，以第一旋转编码器、第二旋转编码器和拉线编码器为主要测量器件，通过合理的结构设计，将装置组成一个空间坐标系统并形成一个整体的检测装置进行空间位置的测量，采用高精度的一旋转编码器、第二旋转编码器和拉线编码器作为测量器件，避免摄像头的使用，测量的数据精度较高。

Description

一种基于编码器的机械装备位置检测装置及其系统、方法

技术领域

本公开属于机械装备测量的技术领域，涉及一种基于编码器的机械装备位置检测装置及其系统、方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

机械装备的位置检测装置是数控系统的重要组成部分，例如在闭环或半闭环控制的数控机床中，必须利用位置检测装置把机床运动部件的实际位移量实时检测出来，与给定的控制值(指令信号)进行比较，从而控制驱动元件正确运转，使工作台(或刀具)按规定的轨迹和坐标移动。又例如，在具有运动坐标系统的机械中，为了消除机械手臂由于关节太多造成多项误差的累积与传递导致机械手机精度低的问题，需要对机械手臂的空间位置进行矫正，此时需要对机械手臂的位置、速度和加速度进行检测。由此可见，对设备的位置定位方面，通过机械装备位置检测使得机械设备运动到准确的位置是其他控制的基础。

发明人了解到，目前主要的机械装备位置检测设备包括：球杆仪、激光跟踪仪、多激光位移测量设备和基于摄像头设备的机器视觉检测等。然而，激光跟踪仪的价格昂贵，现场实用性差，而其他设备虽然成本低，但是存在着易受空间限制，现场实用性差，实现难度大等问题。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本公开的一个或多个实施例提供了一种基于编码器的机械装备位置检测装置及其系统、方法，利用仅仅利用拉线编码器和旋转编码器的组合进行机械装备实时位置检测，有效节约成本，且使用不受空间限制，实用性强，易实现。

根据本公开的一个或多个实施例的一个方面，提供一种基于编码器的机械装备位置检测装置。

一种基于编码器的机械装备位置检测装置，该装置包括：装置基座、第一旋转编码器、第一法兰联轴器、拉线编码器固定架、拉线编码器、第二法兰联轴器、第二旋转编码器固定架、第二旋转编码器、数据采集卡和水平仪；

所述水平仪固定在所述基座的水平位置，所述基座上固定所述第一旋转编码器和数据采集卡，所述第二旋转编码器固定架通过所述第一法兰联轴器与所述第一旋转编码器连接，所述第二旋转编码器固定于所述第二旋转编码器固定架上，所述拉线编码器固定架通过所述第二法兰联轴器与所述第二旋转编码器连接，所述拉线编码器固定于所述拉线编码器固定架上；

所述第一旋转编码器、第二旋转编码器和拉线编码器分别与所述数据采集卡连接。

进一步地，所述第一旋转编码器通过螺钉固定在所述装置基座上。

进一步地，所述第二旋转编码器固定架通过所述第一法兰联轴器与所述第一旋转编码器的转轴连接，使所述第二旋转编码器固定架可以绕所述第一旋转编码器的转轴旋转。

进一步地，所述第二旋转编码器通过螺钉固定到所述第二旋转编码器固定架上。

进一步地，所述拉线编码器固定架通过所述第二法兰联轴器与所述第二旋转编码器的转轴连接，使所述拉线编码器可以绕所述第二旋转编码器的转轴旋转。

进一步地，所述第一旋转编码器、第二旋转编码器和拉线编码器分别通过数据线与所述数据采集卡连接。

进一步地，所述拉线编码器的出线口中心与所述第一旋转编码器的转轴中心线以及所述第二旋转编码器的转轴中心线位于同一平面内。

进一步地，所述拉线编码器的拉线所在直线在测量过程中与所述拉线编码器固定架所在平面始终保持平行。

根据本公开的一个或多个实施例的一个方面，提供一种基于编码器的机械装备位置检测系统。

一种基于编码器的机械装备位置检测系统，该系统包括：所述一种基于编码器的机械装备位置检测装置、连接适配器、数控装置和计算机终端；

所述基于编码器的机械装备位置检测装置分别与所述计算机终端连接以及通过所述连接适配器与所述数控装置连接。

进一步地，所述基于编码器的机械装备位置检测装置的拉线编码器的拉线端子与所述连接适配器连接，通过所述连接适配器与所述数控装置连接。

进一步地，所述基于编码器的机械装备位置检测装置通过数据线与所述计算机终端连接。

根据本公开的一个或多个实施例的一个方面，提供一种基于编码器的机械装备位置检测方法。

一种基于编码器的机械装备位置检测方法，基于所述一种基于编码器的机械装备位置检测系统，该方法包括：

通过观察所述水平仪将所述基于编码器的机械装备位置检测装置放置水平，并按照所述测量系统的连接关系将所述测量系统进行安装；

将所述数控装置运动到空间内的三个确定位置，并确定基于坐标系下这三个固定位置的坐标值，同时通过所述基于编码器的机械装备位置检测装置将在这三个位置处的第一旋转编码器、第二旋转编码器和拉线编码器的数据发送到计算机终端；

所述计算机终端接收所述基于编码器的机械装备位置检测装置采集的三个固定位置处的第一旋转编码器、第二旋转编码器和拉线编码器的数据；

计算三个固定位置下所述基于编码器的机械装备位置检测装置确定的坐标系下的坐标值，计算出其与数控装置基坐标系之间的变换矩阵；

接收所述基于编码器的机械装备位置检测装置采集的待测量位置处的第一旋转编码器、第二旋转编码器和拉线编码器的数据；

计算所述基于编码器的机械装备位置检测装置确定的坐标系下的待测量位置坐标值；根据变换矩阵计算待测量位置在数控装置基座标系下的坐标值。

进一步地，在该方法中，计算所述基于编码器的机械装备位置检测装置确定的坐标系下的坐标值的具体方法步骤包括：

根据第二旋转编码器的数据计算相应的旋转角度，即由拉线编码器的拉线在水平面内的投影线与坐标轴之间的夹角，得到第一角度值；

通过计算机终端处理第一旋转编码器的数据计算拉线编码器的拉线与水平面之间的夹角，得到第二角度值；

根据拉线编码器的数据得到拉线的长度值；

根据第一角度值、第二角度值和拉线的长度值计算所述基于编码器的机械装备位置检测装置确定的坐标系下的坐标值。

进一步地，在该方法中，所述基于编码器的机械装备位置检测装置确定的坐标系的建立原则为：以第二旋转编码器的转轴中心线与拉线编码器的出线口中心线的交点为坐标原点，以第二旋转编码器的转轴中心线为Zj轴，并规定向上为Zj轴正方向，以拉线编码器的出线口中心线为Xj轴，以出线口的朝向为Xj轴的正方向。

本公开的有益效果：

本公开提供的一种基于编码器的机械装备位置检测装置及其系统、方法，以第一旋转编码器、第二旋转编码器和拉线编码器为主要测量器件，通过合理的结构设计，将装置组成一个空间坐标系统并形成一个整体的检测装置进行空间位置的测量，通过第二旋转编码器获得的角度值、拉线编码器获得距离值以及第一旋转编码器获得的角度值，利用一定的数学定理，便可以确定空间一点的三维坐标位置，实现数控装置在空间内运动时的实时位置测量，且使用时，对机械装备空间位置实时采集装置的摆放位置没有严格要求，使得测量过程操作方便，，采用高精度的一旋转编码器、第二旋转编码器和拉线编码器作为测量器件，避免摄像头的使用，测量的数据精度较高；

本公开提供的一种基于编码器的机械装备位置检测装置及其系统、方法，以第一旋转编码器、第二旋转编码器和拉线编码器为主要测量器件，避免了计算机终端处理摄像头采集的复杂的图像数据，有效提交检测速度和准确度。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是根据一个或多个实施例的一种基于编码器的机械装备位置检测装置示意图；

图2是根据一个或多个实施例的一种基于编码器的机械装备位置检测装置在拉线编码器出线孔处的剖面示图；

图3是根据一个或多个实施例的一种基于编码器的机械装备位置检测系统图；

图4是根据一个或多个实施例的建立坐标系计算末端执行器位置示意图；

其中，1、基于编码器的机械装备位置检测装置，1.1、装置基座，1.2、第一旋转编码器，1.3、第一法兰联轴器，1.4、拉线编码器固定架，1.5、拉线编码器，1.6、第二法兰联轴器，1.7、第二旋转编码器固定架，1.8、第二旋转编码器，1.9、数据采集卡，1.10、水平仪，2、连接适配器，3、数控装置，4、计算机终端。

具体实施方式：

下面将结合本公开的一个或多个实施例中的附图，对本公开的一个或多个实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开的一个或多个实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本实施例使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要注意的是，附图中的流程图和框图示出了根据本公开的各种实施例的方法和系统的可能实现的体系架构、功能和操作。应当注意，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，所述模块、程序段、或代码的一部分可以包括一个或多个用于实现各个实施例中所规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为备选的实现中，方框中所标注的功能也可以按照不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，或者它们有时也可以按照相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。同样应当注意的是，流程图和/或框图中的每个方框、以及流程图和/或框图中的方框的组合，可以使用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以使用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

根据本公开的一个或多个实施例的一个方面，提供一种基于编码器的机械装备位置检测装置。

如图1和图2所示，一种基于编码器的机械装备位置检测装置，该装置由装置基座1.1、第一旋转编码器1.2、第一法兰联轴器1.3、拉线编码器固定架1.4、拉线编码器1.5、第二法兰联轴器1.6、第二旋转编码器固定架1.7、第二旋转编码器1.8、数据采集卡1.9和水平仪1.10组成的，所述水平仪1.10固定到所述装置基座1.1的合适位置处，用于调节整个装置的水平，所述第一旋转编码器1.2通过螺钉固定到所述装置基座1.1上，所述第二旋转编码器固定架1.7通过所述第一法兰联轴器1.3与所述第一旋转编码器1.2的转轴连接，使其可以绕所述第一旋转编码器1.2的转轴旋转，所述第二旋转编码器1.8通过螺钉固定到所述第二旋转编码器固定架1.7上，所述拉线编码器固定架1.4通过所述第二法兰联轴器1.6与所述第二旋转编码器1.8的转轴连接，所述拉线编码器1.5固定到所述拉线编码器固定架1.4上，所述数据采集卡1.9固定在所述装置基座1.1的固定位置，所述第一旋转编码器1.2、第二旋转编码器1.8和拉线编码器1.5都通过数据线与所述数据采集卡1.9连接，为所述数据采集卡1.9传输数据，并通过所述数据采集卡1.9提供电力。

作为一种优选方案，所述拉线编码器1.5的出线口中心与所述第一旋转编码器1.2的转轴中心线以及所述第二旋转编码器1.8的转轴中心线位于同一平面内。

作为一种优选方案，在测量过程中，所述拉线编码器1.5的拉线所在直线与所述拉线编码器固定架1.4所在平面始终保持平行。

根据本公开的一个或多个实施例的一个方面，提供一种基于编码器的机械装备位置检测系统。

如图3所示，一种基于编码器的机械装备位置检测系统，该系统由基于编码器的机械装备位置检测装置1、连接适配器2、数控装置3和计算机终端4组成的，所述基于编码器的机械装备位置检测装置1通过所述连接适配器2与所述数控装置3连接，所述基于编码器的机械装备位置检测装置1通过数据线与所述计算机终端4连接。

根据本公开的一个或多个实施例的一个方面，提供一种基于编码器的机械装备位置检测方法。

一种基于编码器的机械装备位置检测方法，基于所述一种基于编码器的机械装备位置检测系统，该方法包括：

a.将基于编码器的机械装备位置检测装置1放置在数控装置3周围不影响其工作的合理位置处，缓慢移动基于编码器的机械装备位置检测装置1，并不断通过观察水平仪1.10，将基于编码器的机械装备位置检测装置1放置水平，将连接适配器2固定到数控装置3的末端执行器上的合理位置处，将拉线编码器1.5的拉线端子与连接适配器2连接，通过数据线将基于编码器的机械装备位置检测装置1与计算机终端4连接；

b.操控数控装置3运动到空间内的三个确定的位置，分别测得在数控装置基坐标系O-XYZ下这三个固定位置的坐标值，同时通过基于编码器的机械装备位置检测装置1将在这三个位置处的第一旋转编码器1.2、第二旋转编码器1.8和拉线编码器1.5的数据发送到计算机终端4；

c.通过计算机终端4处理第二旋转编码器1.8的数据可以得到相应的旋转角度α，即由拉线编码器1.5的拉线在水平面内的投影线与坐标轴之间的夹角α可以求出；

d.通过计算机终端4处理第一旋转编码器1.2的数据可以得到拉线编码器1.5的拉线与水平面之间的夹角β，通过拉线编码器1.5我们又可以得到拉线的长度值L，则通过以上步骤可以得到不同平面内的两个角度值α、β和一个距离值L，便可以求出该位置在基于编码器的机械装备位置检测装置1确定的坐标系O_j-X_jY_jZ_j下的空间坐标值；如图4所示；

e.通过步骤a-d可以得到三个固定点在数控装置的基座标系O-XYZ和基于编码器的机械装备位置检测装置1确定的坐标系O_j-X_jY_jZ_j下的坐标值，然后计算出基于编码器的机械装备位置检测装置1确定的坐标系O_j-X_jY_jZ_j与数控装置基坐标系O-XYZ之间的变换矩阵；

f.操纵数控装置3在上述平面内运动，通过基于编码器的机械装备位置检测装置1实时采集第一旋转编码器1.2、第二旋转编码器1.8和拉线编码器1.5的数据，通过计算机终端4计算出末端执行器在基于编码器的机械装备位置检测装置1确定的坐标系O_j-X_jY_jZ_j下的坐标值；如图4所示；

g.利用步骤e得到的变换矩阵，通过计算机终端4求得末端执行器在数控装置基座标系O-XYZ下的坐标值。

所述基于编码器的机械装备位置检测装置1确定的坐标系O_j-X_jY_jZ_j的建立应该遵循以下原则：

以第二旋转编码器1.8的转轴中心线与拉线编码器1.5的出线口中心线的交点为坐标原点O_j，以第二旋转编码器1.8的转轴中心线为Z_j轴，并规定向上为Z_j轴正方向，以拉线编码器1.5的出线口中心线为X_j轴，以出线口的朝向为X_j轴的正方向。

在实际测量时，按照步骤a-d得到α、β和L后，利用三角定理可得：

L′＝L·cosβ(1)

Z_ja＝L·sinβ(2)

通过公式(1)和公式(2)我们可以得到A点Z坐标Z_ja，以及拉线编码器1.5的拉线在XOY平面内的投影线L′的值。再进一步通过三角定理可得：

X_ja＝L′·cosα＝L·cosβ·cosα(3)

Y_ja＝L′·sinα＝L·cosβ·sinα(4)

即通过公式(3)和(4)我们可以得到点A的X坐标X_ja和Y坐标Y_ja，则数控装置3末端执行器在基于编码器的机械装备位置检测装置1确定的坐标系O_j-X_jY_jZ_j下的坐标值已经求出，再通过步骤e得到的两坐标系之间的变换矩阵，便可以求出数控装置3末端执行器在数控装置3基座标系O-XYZ下的坐标值，即完成了对数控装置末端位置的实时测量。

本公开的有益效果：

本公开提供的一种基于编码器的机械装备位置检测装置及其系统、方法，以第一旋转编码器、第二旋转编码器和拉线编码器为主要测量器件，通过合理的结构设计，将装置组成一个空间坐标系统并形成一个整体的检测装置进行空间位置的测量，通过第二旋转编码器获得的角度值、拉线编码器获得距离值以及第一旋转编码器获得的角度值，利用一定的数学定理，便可以确定空间一点的三维坐标位置，实现数控装置在空间内运动时的实时位置测量，且使用时，对机械装备空间位置实时采集装置的摆放位置没有严格要求，使得测量过程操作方便，，采用高精度的一旋转编码器、第二旋转编码器和拉线编码器作为测量器件，避免摄像头的使用，测量的数据精度较高；

本公开提供的一种基于编码器的机械装备位置检测装置及其系统、方法，以第一旋转编码器、第二旋转编码器和拉线编码器为主要测量器件，避免了计算机终端处理摄像头采集的复杂的图像数据，有效提交检测速度和准确度。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于编码器的机械装备位置检测装置，其特征在于，该装置包括：装置基座、第一旋转编码器、第一法兰联轴器、拉线编码器固定架、拉线编码器、第二法兰联轴器、第二旋转编码器固定架、第二旋转编码器、数据采集卡和水平仪；

所述水平仪固定在所述基座的水平位置，所述基座上固定所述第一旋转编码器和数据采集卡，所述第二旋转编码器固定架通过所述第一法兰联轴器与所述第一旋转编码器连接，所述第二旋转编码器固定于所述第二旋转编码器固定架上，所述拉线编码器固定架通过所述第二法兰联轴器与所述第二旋转编码器连接，所述拉线编码器固定于所述拉线编码器固定架上；

所述第一旋转编码器、第二旋转编码器和拉线编码器分别与所述数据采集卡连接。

2.如权利要求1所述一种基于编码器的机械装备位置检测装置，其特征在于，所述第一旋转编码器通过螺钉固定在所述装置基座上。

3.如权利要求1所述一种基于编码器的机械装备位置检测装置，其特征在于，所述第二旋转编码器固定架通过所述第一法兰联轴器与所述第一旋转编码器的转轴连接，使所述第二旋转编码器固定架可以绕所述第一旋转编码器的转轴旋转。

4.如权利要求1所述一种基于编码器的机械装备位置检测装置，其特征在于，所述第二旋转编码器通过螺钉固定到所述第二旋转编码器固定架上。

5.如权利要求1所述一种基于编码器的机械装备位置检测装置，其特征在于，所述拉线编码器固定架通过所述第二法兰联轴器与所述第二旋转编码器的转轴连接，使所述拉线编码器可以绕所述第二旋转编码器的转轴旋转。

6.如权利要求1所述一种基于编码器的机械装备位置检测装置，其特征在于，所述第一旋转编码器、第二旋转编码器和拉线编码器分别通过数据线与所述数据采集卡连接。

进一步地，所述拉线编码器的出线口中心与所述第一旋转编码器的转轴中心线以及所述第二旋转编码器的转轴中心线位于同一平面内。

进一步地，所述拉线编码器的拉线所在直线在测量过程中与所述拉线编码器固定架所在平面始终保持平行。

7.一种基于编码器的机械装备位置检测系统，其特征在于，该系统包括：如权利要求1-6任一项所述一种基于编码器的机械装备位置检测装置、连接适配器、数控装置和计算机终端；

所述基于编码器的机械装备位置检测装置分别与所述计算机终端连接以及通过所述连接适配器与所述数控装置连接。

8.如权利要求7所述一种基于编码器的机械装备位置检测装置，其特征在于，所述基于编码器的机械装备位置检测装置的拉线编码器的拉线端子与所述连接适配器连接，通过所述连接适配器与所述数控装置连接。

进一步地，所述基于编码器的机械装备位置检测装置通过数据线与所述计算机终端连接。

9.一种基于编码器的机械装备位置检测方法，基于如权利要求7-8任一项所述一种基于编码器的机械装备位置检测系统，该方法包括：

通过观察所述水平仪将所述基于编码器的机械装备位置检测装置放置水平，并按照所述测量系统的连接关系将所述测量系统进行安装；

将所述数控装置运动到空间内的三个确定位置，并确定基于坐标系下这三个固定位置的坐标值，同时通过所述基于编码器的机械装备位置检测装置将在这三个位置处的第一旋转编码器、第二旋转编码器和拉线编码器的数据发送到计算机终端；

所述计算机终端接收所述基于编码器的机械装备位置检测装置采集的三个固定位置处的第一旋转编码器、第二旋转编码器和拉线编码器的数据；

计算三个固定位置下所述基于编码器的机械装备位置检测装置确定的坐标系下的坐标值，计算出其与数控装置基坐标系之间的变换矩阵；

接收所述基于编码器的机械装备位置检测装置采集的待测量位置处的第一旋转编码器、第二旋转编码器和拉线编码器的数据；

计算所述基于编码器的机械装备位置检测装置确定的坐标系下的待测量位置坐标值；根据变换矩阵计算待测量位置在数控装置基座标系下的坐标值。

10.如权利要求9所述一种基于编码器的机械装备位置检测方法，其特征在于，在该方法中，计算所述基于编码器的机械装备位置检测装置确定的坐标系下的坐标值的具体方法步骤包括：

根据第二旋转编码器的数据计算相应的旋转角度，即由拉线编码器的拉线在水平面内的投影线与坐标轴之间的夹角，得到第一角度值；

通过计算机终端处理第一旋转编码器的数据计算拉线编码器的拉线与水平面之间的夹角，得到第二角度值；

根据拉线编码器的数据得到拉线的长度值；

根据第一角度值、第二角度值和拉线的长度值计算所述基于编码器的机械装备位置检测装置确定的坐标系下的坐标值。

进一步地，在该方法中，所述基于编码器的机械装备位置检测装置确定的坐标系的建立原则为：以第二旋转编码器的转轴中心线与拉线编码器的出线口中心线的交点为坐标原点，以第二旋转编码器的转轴中心线为Zj轴，并规定向上为Zj轴正方向，以拉线编码器的出线口中心线为Xj轴，以出线口的朝向为Xj轴的正方向。