CN111912440A - 一种轨道重机设备绝对位置检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种轨道重机设备绝对位置检测系统及方法。本发明系统，包括：码带、阅读头、解码器；所述码带固定安装在轨道上方且与轨道平行；所述阅读头通过支架与所述轨道重机设备固定连接，且骑跨在所述码带上，随轨道重机设备在码带上走行；所述解码器通过光纤连接所述阅读头。本发明主要利用基于串行循环编码规则制作的码带，阅读头随重机设备骑跨在平行于轨道安装的码带上走行，通过光纤发射接收传感器读取码带上当前位置的编码，再由解码器将当前位置的码带物理编码转换为连续的绝对位置值，输出给PLC上位机。本发明检测系统所读取的位置信息不受轮轨打滑、烟雾粉尘和电磁干扰等情况的影响。

Description

一种轨道重机设备绝对位置检测系统及方法

技术领域

本发明涉及自动化控制技术领域，具体而言，尤其涉及一种轨道重机设备绝对位置检测系统及方法。

背景技术

国内外市场上重机轮轨设备移动走行位置检测主要采用如下几种：旋转编码器、编码电缆、激光测距等产品。但是，上述的检测产品存在一定的缺陷，例如：编码器对于轮轨打滑情况需要补偿校准；编码电缆造价成本较高且易受外界电磁波干扰；激光测距无法满足现场粉尘烟雾等恶劣环境。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种轨道重机设备绝对位置检测系统及方法。本发明主要利用基于串行循环编码规则制作的码带，阅读头随重机设备骑跨在平行于轨道安装的码带上走行，通过光纤发射接收传感器读取码带上当前位置的编码，再由解码器将当前位置的码带物理编码转换为连续的绝对位置值，输出给PLC上位机。

本发明采用的技术手段如下：

一种轨道重机设备绝对位置检测系统，包括：码带、阅读头、解码器；所述码带固定安装在轨道上方且与轨道平行；所述阅读头通过支架与所述轨道重机设备固定连接，且骑跨在所述码带上，随轨道重机设备在码带上走行；所述解码器通过光纤连接所述阅读头。

进一步地，所述码带为钢带，码带上的编码为串行循环编码，编码1个位的宽度为5mm。

进一步地，所述阅读头内与所述的码带平行的一个侧面上分别设置有等间距的N个光纤发射装置，在N个光纤发射装置沿发射光轴对向的阅读头内的另一个侧面上设置有等间距的N个光纤接收装置。

进一步地，所述N个光纤发射装置之间的间距和所述N个光纤接收装置之间的间距均与所述码带编码1个位的宽度相同。

进一步地，所述光纤发射装置和光纤接收装置的数量N与所述码带上的串行循环编码位数相同。

进一步地，所述解码器包括M个光电收发装置、本地显示单元、嵌入式CPU以及以太网通讯接口；

每个所述光电收发装置分别连接一个所述光纤发射装置和一个所述光纤接收装置；

所述本地显示单元连接所述阅读头，用于显示所述阅读头当前位置对应码带的串行编码和转换后的绝对位置值；

所述嵌入式CPU连接光电收发装置，用于采集每个所述光电收发装置输出的电平信号，组成当前子序列编码；

所述以太网通讯接口连接上位机。

进一步地，所述光电收发装置的数量M与所述码带上的串行循环编码位数相同。

本发明还提供了一种轨道重机设备绝对位置检测方法，该检测方法利用上述的轨道重机设备绝对位置检测系统实现，且包括如下步骤：

S1、阅读头通过支架与轨道重机设备固定连接，且骑跨在码带上随轨道重机设备在码带上走行；

S2、解码器通过光纤将发射信号传送至阅读头；

S3、阅读头采集码带上当前位置的物理编码，并将采集到的物理编码通过光纤回传给解码器；

S4、解码器将阅读头采集的码带上当前位置的物理编码转换为轨道重机设备连续的绝对位置值，并通过以太网通讯接口上传到PLC上位机。

进一步地，所述步骤S3中阅读头采集码带上当前位置的物理编码包括：

光纤发射装置发射可见红光经过码带到光纤接收装置；光纤接收装置接收的光信息代表阅读头位置码带的子序列编码值；即若发射的可见红光被码带遮住，该位光纤接收装置不能接收到可见红光，则代表该位的编码值为1；若发射的可见红光透过码带，该位光纤接收装置接收到可见红光，则代表该位的编码值为0。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的轨道重机设备绝对位置检测系统，其阅读头相对码带非接触安装，不存在打滑丢步情况，同时由于阅读头是无源装置，不受电磁干扰。

2、本发明提供的轨道重机设备绝对位置检测系统，其码带采用串行循环编码，如果测量范围超出码带全量程，可首尾续接码带，转换的绝对位置值仍然可以循环连续，扩大了测量范围，测量长度可达到10千米以上，能满足焦炉车辆、桥式起重机、堆取料机等工况下重机设备的位置检测。

3、本发明提供的轨道重机设备绝对位置检测系统，其解码器可以在设备达到4m/s的高速运行时准确识别绝对位置且精度达到5mm，如果码带出现异常，阅读头走出错误位置后可快速恢复识别正确位置。

基于上述理由本发明可在自动化控制等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明检测系统结构示意图。

图2为本发明检测系统码带示意图。

图3为本发明检测系统阅读头示意图。

图4为本发明检测系统解码器硬件结构图。

图5为本发明检测方法流程图

图中：1、码带；2、阅读头；3、解码器；4、轨道重机设备；5、支架；6、光纤发射装置；7、光纤接收装置；8、光电收发装置；9、本地显示单元；10、嵌入式CPU；11、以太网通讯接口。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，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。

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发明的示例性实施方式。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。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

为了适用多种恶劣工况的轮轨走行设备定位检测，本发明提供了一种轨道重机设备绝对位置检测系统，如图1所示，包括：码带1、阅读头2、解码器3；所述码带1固定安装在轨道上方且与轨道平行；所述阅读头2通过支架5与所述轨道重机设备4固定连接，且骑跨在所述码带1上，随轨道重机设备4在码带1上走行；所述解码器3通过光纤连接所述阅读头2。

具体实施时，优选的，码带1为钢带，如图2所示，为9位串行循环编码的码带1示意图，在钢带上按照一串二进制编码序列刻录出0或1，其中的孔代表0。按照设计精度，编码1个位的宽度是5mm，即一个0代表5mm宽的孔，9个0代表45mm宽的孔。码带上的编码为串行循环编码，以3位串行循环编码为例，其完整的串行循环编码序列为11101000，长度为23＝8bit。从首个子序列“111”开始，每移1位形成一个新的子序列，每个子序列编码都是唯一的。下面为右移形成的8个子序列：

第1个编码子序列为111，代表绝对位置1，第2个编码子序列为110，代表绝对位置2，第3个编码子序列为101，代表绝对位置3，第4个编码子序列为010，代表绝对位置4，第5个编码子序列为100，代表绝对位置5，第6个编码子序列为000，代表绝对位置6，第7个编码子序列为001，代表绝对位置7，第8个编码子序列为011，代表绝对位置8，编码位宽5mm，码带长度为40mm，单独一条码带可获取的位置有6个，既绝对位置1→6，当两个码带串接后就可获取的绝对位置1→8→1→6，绝对位置循环。按上述编码规则，9位串行循环编码序列如下：

1111111110000000001000000011000000101000000111000001001000001011；

0000011010000011110000100010000100110000101010000101110000110010；

0001101100001110100001111100010001100010010100010011100010100100；

0101011000101101000101111000110011000110101000110111000111001000；

1110110001111010001111110010010010110010011010010011110010100110；

0101010100101011100101101100101110100101111100110011100110101100；

1101101001101111001110101001110111001111011001111101001111111010；

1010110101011110101101110101110110101111110110110111110111011110；

第1个编码子序列为111111111，代表绝对位置1，第2个编码子序列为111111110，代表绝对位置2，第3个编码子序列为111111100，代表绝对位置3，…，第503个编码子序列为011101111，代表绝对位置503，第504个编码子序列为111011110，代表绝对位置504，…，第512个编码子序列为011111111，代表绝对位置512，有2⁹＝512个编码子序列，每个子序列都是唯一存在的，码带长度512*5＝2560mm，单个码带可获取绝对位置值1→503，两个码带串接后可获取的绝对位置1→512→1→503，绝对位置循环。以此编码规则，根据工程需测量范围，选择相应位数的串行循环编码。16位串行循环编码码带长度2¹⁶*5＝327680mm，绝对位置1→65520；20位串行循环编码码带长度2²⁰*5＝5242880mm，绝对位置1→1048556。

具体实施时，优选的，如图3所示，所述阅读头2内与所述的码带1平行的一个侧面上分别设置有等间距的N个光纤发射装置6，在N个光纤发射装置6沿发射光轴对向的阅读头2内的另一个侧面上设置有等间距的N个光纤接收装置7。光纤发射装置6和光纤接收装置7的数量N与所述码带1上的串行循环编码位数相同。既9bit串行循环编码的码带，阅读头2内需安装9个光纤发射装置6和9个光纤接收装置7。N个光纤发射装置6之间的间距和N个光纤接收装置7之间的间距均与码带1编码1个位的宽度相同。

具体实施时，优选的，如图4所示，所述解码器3包括M个光电收发装置8、本地显示单元9、嵌入式CPU10以及以太网通讯接口11；

每个所述光电收发装置8分别连接一个所述光纤发射装置6和一个所述光纤接收装置7；因此，光电收发装置8的数量M与码带1的串行循环编码位数相同。光电收发装置8调制光纤发射装置6发射红光给阅读头2，并接收光纤接收装置7返馈回来的光信号。根据返馈回来的光信号解调出0或1，将其转换为TTL电平输出至嵌入式CPU10。

本地显示单元9连接所述阅读头2，用于显示阅读头2当前位置对应码带的串行编码和转换后的绝对位置值；如9bit串行循环编码的绝对位置检测系统中，解码器3第一行显示1FC，第二行显示3，表示当前阅读头2所在位置的串行编码是0x1FC(111111100)，绝对位置值是3。

嵌入式CPU10连接光电收发装置8，用于快速采集每个所述光电收发装置8输出的电平信号，组成当前子序列编码；并将子序列编码转换为轨道重机设备连续的绝对位置值。

所述以太网通讯接口连接PLC上位机。通过PLC上位机设置解码器网络参数，将绝对位置值上传给PLC上位机。

实施例2

如图5所示，(在实施例1的基础上，)本发明还提供了一种轨道重机设备绝对位置检测方法，包括如下步骤：

S1、阅读头2通过支架5与轨道重机设备4固定连接，且骑跨在码带1上随轨道重机设备4在码带1上走行；

S2、解码器3通过光纤将发射信号传送至阅读头2；

S3、阅读头2采集码带1上当前位置的物理编码，并将采集到的物理编码通过光纤回传给解码器3；

阅读头2采集码带1上当前位置的物理编码包括：光纤发射装置6发射可见红光经过码带1到光纤接收装置7；光纤接收装置7接收的光信息代表阅读头2位置码带1的子序列编码值；即若发射的可见红光被码带遮住，该位光纤接收装置7不能接收到可见红光，则代表该位的编码值为1；若发射的可见红光透过码带1，该位光纤接收装置7接收到可见红光，则代表该位的编码值为0。

S4、解码器3将阅读头2采集的码带1上当前位置的物理编码转换为轨道重机设备4连续的绝对位置值，并通过以太网通讯接口11上传到PLC上位机。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种轨道重机设备绝对位置检测系统，其特征在于，包括：码带、阅读头、解码器；所述码带固定安装在轨道上方且与轨道平行；所述阅读头通过支架与所述轨道重机设备固定连接，且骑跨在所述码带上，随轨道重机设备在码带上走行；所述解码器通过光纤连接所述阅读头。

2.根据权利要求1所述的轨道重机设备绝对位置检测系统，其特征在于，所述码带为钢带，码带上的编码为串行循环编码，编码1个位的宽度为5mm。

3.根据权利要求1所述的轨道重机设备绝对位置检测系统，其特征在于，所述阅读头内与所述的码带平行的一个侧面上分别设置有等间距的N个光纤发射装置，在N个光纤发射装置沿发射光轴对向的阅读头内的另一个侧面上设置有等间距的N个光纤接收装置。

4.根据权利要求3所述的轨道重机设备绝对位置检测系统，其特征在于，所述N个光纤发射装置之间的间距和所述N个光纤接收装置之间的间距均与所述码带编码1个位的宽度相同。

5.根据权利要求4所述的轨道重机设备绝对位置检测系统，其特征在于，所述光纤发射装置和光纤接收装置的数量N与所述码带上的串行循环编码位数相同。

6.根据权利要求1所述的轨道重机设备绝对位置检测系统，其特征在于，所述解码器包括M个光电收发装置、本地显示单元、嵌入式CPU以及以太网通讯接口；

每个所述光电收发装置分别连接一个所述光纤发射装置和一个所述光纤接收装置；

所述本地显示单元连接所述阅读头，用于显示所述阅读头当前位置对应码带的串行编码和转换后的绝对位置值；

所述嵌入式CPU连接光电收发装置，用于采集每个所述光电收发装置输出的电平信号，组成当前子序列编码；

所述以太网通讯接口连接PLC上位机。

7.根据权利要求1所述的轨道重机设备绝对位置检测系统，其特征在于，所述光电收发装置的数量M与所述码带上的串行循环编码位数相同。

8.一种轨道重机设备绝对位置检测方法，其特征在于，所述检测方法利用权利要求1-7任意一项权利要求所述的轨道重机设备绝对位置检测系统实现，且包括如下步骤：

S1、阅读头通过支架与轨道重机设备固定连接，且骑跨在码带上随轨道重机设备在码带上走行；

S2、解码器通过光纤将发射信号传送至阅读头；

S3、阅读头采集码带上当前位置的物理编码，并将采集到的物理编码通过光纤回传给解码器；

S4、解码器将阅读头采集的码带上当前位置的物理编码转换为轨道重机设备连续的绝对位置值，并通过以太网通讯接口上传到PLC上位机。

9.根据权利要求8所述的轨道重机设备绝对位置检测方法，其特征在于，所述步骤S3中阅读头采集码带上当前位置的物理编码包括：

光纤发射装置发射可见红光经过码带到光纤接收装置；光纤接收装置接收的光信息代表阅读头位置码带的子序列编码值；即若发射的可见红光被码带遮住，该位光纤接收装置不能接收到可见红光，则代表该位的编码值为1；若发射的可见红光透过码带，该位光纤接收装置接收到可见红光，则代表该位的编码值为0。

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