CN114838742B - 一种容许大偏差的精确行程定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种容许大偏差的精确行程定位系统，包括码板和两个检测窗，所述码板设置有用于触发检测窗一和检测窗二的两个相同宽度的缺口，缺口宽度为L5，两个缺口之间码板部分的宽度为L2；所述检测窗一最外侧与检测窗二最外侧之间的距离为L1，即两个检测窗的最大信号边界值；通过码板和两个检测窗之间的位置形成不同的编码信号，通过编码信号判断待检测设备的行程定位信息；码板和两个检测窗之间需满足：L1＜L2，L1＞L5。本发明对于信号检测开关和码板的设计，结构简单，实现成本较低，且对安装调试要求低。

Description

一种容许大偏差的精确行程定位系统

技术领域

本发明涉及需要使用行程开关实现运动部件位置定位的应用技术，具体是一种容许大偏差的精确行程定位系统。

背景技术

目前，行程开关用于设备位置定位的应用非常常见，在各种类型的自动化设备上都能见到。无论是机械式、光电式、电感式、电容式、霍尔感应式等类型的行程开关，在用于设备行程位置定位时都无法在容许大的控制位置偏差以及获取精确的位置定位两方面兼得。

如图1所示，采用双路信号输出的正交编码器，可获取到相应的信号。正交编码器的输出编码信号为两路相位相差90°的信号。一个完整的输出信号包含4个状态00信号、10信号、11信号、01信号，但是00信号为无效的位置定位信号，实际只有三个有效信号，11信号可为精确位置定位信号，10信号和01信号为允许偏差信号。可知，正交编码信号只能获取到3个有效编码信号，正交编码信号的11状态的精细度与10或01状态的精细度相同，而要提高11状态的可定位精度则会同步降低10或01状态的容差范围。

虽然现在有使用绝对位置编码器结合软件算法能够等效实现上述功能，但是该方法成本较高且对传感器的安装调试要求较高，并且不能同时满足信号识别精度足够高的同时还可无限提高位置可定位精度，且会影响容差范围。

再采用单路信号行程开关，无论是机械式、光电式、电感式、电容式、霍尔感应式等类型，其输出的编码信号都是如图2所示的信号1或信号2。信号1和信号2对比常见单路信号行程开关的常开式或常闭式。由于只有三种状态信号，断路信号，上升沿或下降沿信号，闭合信号。且位置精确定位信号和容差范围信号为同一个信号源，因此提高定位精度和扩大容差范围不可能同时获取。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种容许大偏差的精确行程定位系统，该系统通过检测窗和码板通过位置定位状态输出编码信号，从输出的编码信号中获取到有效的定位位置信号，能从编码信号中区别出精确定位状态的位置信号，精确行程定位，还能实现同时扩展容许定位偏差的范围。

本发明的技术方案如下：

一种容许大偏差的精确行程定位系统，包括码板、检测窗一和检测窗二；所述码板设置有用于触发检测窗一和检测窗二的两个相同宽度的缺口，缺口宽度为L5，两个缺口之间码板部分的宽度为L2；所述检测窗一最外侧与检测窗二最外侧之间的距离为L1，即两个检测窗的最大信号边界值；

通过码板和两个检测窗之间的位置形成不同的编码信号，通过编码信号判断待检测设备的行程定位信息；码板和两个检测窗之间的位置满足的条件为：（1）L1＜L2；（2）L1＞L5。

对检测窗和码板要求：最高定位精度M = L2 – L1，最高定位精度偏差范围为[-M/2，+ M/2]。

采用所述信号检测开关与码板的相对位移状态获取高定位精度信号时，可通过对两个缺口之间码板部分的宽度L2进行调整，但是L2-L1必须大于信号可识别宽度（即可识别的信号切换阀值，例如，为光电开关信号时，通过检测窗的光照强度必须大于一定阀值，所述光照强度和码板的遮挡量相关）。因为信号检测容差的范围值只需要调整L1、L4，因此，提高定位精度和调整最大容差范围没有直接关联，可同时进行。

对检测窗和码板设计为：定位容许偏差的范围为[-E，+E]，E = L3，L3 = 3 * L1 +L4；其中，L3为两个缺口之间码板部分的中心线到两个检测窗之间中心线的水平距离；L4为信号检测窗的宽度。

基于上述容许大偏差的精确行程定位系统，根据所述检测窗一和/或检测窗二被触发的不同情况，可以输出码板与检测窗一、检测窗二之间的位置组合对应形成的编码信号。

所判断的行程定位信息包括定位位置状态，所述定位位置状态包括精确定位状态、定位偏差状态和最大容许定位偏差范围的极限状态；其中：根据所述精确定位状态对应的编号信号数据，确定所述精确定位状态的精确定位位置信号；根据所述定位偏差状态对应的编码信号数据，确定所述定位偏差状态的可识别范围位置信号。

基于上述定位位置状态，可以设定：

所述精确定位状态对应的编号信号为11，代表检测窗信号均被触发；

所述定位偏差状态对应的编码信号为10或01，10代表检测窗一的信号被触发且检测窗二的信号未被触发，01代表检测窗一的信号未被触发且检测窗二的信号被触发；

所述最大容许定位偏差范围的极限状态对应的编号信号为00，代表检测窗信号均未被触发，无法获取到有效的检测编码信号。

对于上述容许大偏差的精确行程定位系统，所述两个检测窗从码板的左侧往右侧移动，或者所述两个检测窗从码板的右侧往左侧移动，两个方向输出的编码信号是对称的。

为适合多种待测设备，可以将码板设计为可伸缩结构，通过可伸缩结构调整缺口的宽度和两个缺口之间码板部分的宽度。

进一步为实现本发明，该系统设置有信号检测开关和码板；

所述信号检测开关，可以包括信号检测开关一和信号检测开关二，信号检测开关一和信号检测开关二上分别对应设置有检测窗一和检测窗二；

或者，所述信号检测开关上设置有两路信号，对应两路信号分别对应设置有检测窗一和检测窗二。

进一步地，所述信号检测开关一或检测窗一连接有信号检测模块一和信号驱动模块一，信号检测开关二或检测窗二连接有信号检测模块二和信号驱动模块二；

所述信号检测模块一、二和信号驱动模块一、二均连接至信号处理单元，所述信号驱动模块一、二用于驱动信号检测开关工作，信号检测模块一、二用于检测信号检测开关获得输出的编码信号并将编码信号发送给信号处理单元，信号处理单元根据收到的编码信号得出精确定位位置信号。

所述信号检测开关可以采用光电检测开关，但不限于光电检测开关，也可以采用霍尔开关等。当采用光电检测开关时，码板采用不透光材质。

本发明的技术方案，具有以下有益效果：

本发明设计了信号检测开关和码板，通过信号检测开关和码板的相对位移状态能输出编码信号，从而能输出的编码信号中获取到有效的定位位置信号，区别出精确定位位置信号，还能有效实现同时扩展容许定位偏差的范围；本发明对于信号检测开关和码板的设计，结构简单，实现成本较低，且对安装调试要求低。

附图说明

图1为背景技术中正交编码器的输出编码信号示意图。

图2为背景技术中单路信号行程开关的输出编码信号示意图。

图3为本发明的部件组成示意图。

图4-7为本发明的信号检测开关与码板之间相对位置变化的示意图。

图8为本发明的信号检测开关与码板的初始位置与图4相反方向的示意图。

图9为本发明的信号检测开关配合码板的运动状态输出脉冲信号示意图。

图10为本发明对码板和检测窗的最大容差定位设计的示意图。

图11为本发明的系统框架示意图。

其中，附图标记为：1-信号检测开关一，2-信号检测开关二，3-码板，4-检测窗一，5-检测窗二，6-缺口，7-信号检测模块一，8-信号检测模块二，9-信号驱动模块一，10-信号驱动模块二，11-信号处理单元，12-电源。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明的技术方案作进一步详细地阐述。

实施例1

如图3所示，本实施例提供了一种容许大偏差的精确行程定位系统，包括码板3、检测窗一4和检测窗二5；所述码板3设置有用于触发检测窗一4和检测窗二5的两个相同宽度的缺口6，缺口6的宽度为L5，两个缺口6之间码板部分的宽度为L2；所述检测窗一4最外侧与检测窗二5最外侧之间的距离为L1，即两个检测窗的最大信号边界值。

通过码板3和两个检测窗之间的位置形成不同的编码信号，通过编码信号判断待检测设备的行程定位信息。

为了有效触发检测窗，码板3和两个检测窗之间的位置必须满足：（1）L1＜L2；（2）L1＞L5。

通过调整两个缺口6之间码板部分的宽度L2，调整两个检测窗与码板3的相对位移，实现获取高定位精度信号。在实施例1或2的基础上，对码板3和检测窗的具体设计如下：

如图4、8、10所示，最高定位精度M = L2 – L1，最高定位精度偏差范围为[-M/2，+M/2]。

如图10所示，定位容差范围为[-E，+E]，E = L3，L3 = 3 * L1 + L4；其中，L3为两个缺口6之间码板部分的中心线到信号检测开关的中心线之间的水平距离；L4 为信号检测窗的宽度。

采用所述信号检测开关与码板3的相对位移状态获取高定位精度信号时，可通过对两个缺口6之间码板部分的宽度L2进行调整，但是L2-L1必须大于信号可识别宽度。因为信号检测容差的范围值只需要调整L1、L4，因此，提高定位精度和调整最大容差范围没有直接关联，可同时进行。

实施例2

在实施例1的基础上，基于上述容许大偏差的精确行程定位系统，可以根据通过所述检测窗一4和/或检测窗二5被触发的不同情况，输出所述信号检测开关与码板3之间的位置组合对应形成的编码信号。

对应的，所述行程定位信息包括定位位置状态，所述定位位置状态包括精确定位状态、定位偏差状态和最大容许定位偏差范围的极限状态。其中：

根据所述精确定位状态对应的编号信号数据，确定所述精确定位状态的精确定位位置信号；

根据所述定位偏差状态对应的编码信号数据，确定所述定位偏差状态的可识别范围位置信号。

进一步的，可以设计：

所述精确定位状态对应的编号信号为11，代表检测窗信号均被触发；

所述定位偏差状态对应的编码信号为10或01，10代表检测窗一4的信号被触发且检测窗二5的信号未被触发，01代表检测窗一4的信号未被触发且检测窗二5的信号被触发；

所述最大容许定位偏差范围的极限状态对应的编号信号为00，代表检测窗信号均未被触发，无法获取到有效的检测编码信号。

为了消除在识别区域（所述识别区域指信号输出不为00信号的区域，即信号检测开关的检测窗至少有一个检测到码板3的信号状态）内出现00的信号，所以最大信号边界值L1必须大于单个缺口6的宽度L5，且留有一定的误差余量，可保证避免00信号的出现。

如图9所示，图中的1-11分别表示信号检测开关和码板3之间的十一个不同位置状态。其中，状态6的11信号为需要的精确定位位置信号，状态2、状态4、状态8、状态10的11信号是为避免出现00信号以及码板3加工误差和检测窗间距存在误差而做的冗余几何尺寸调整。因此，在行程定位识别中需要将其过滤。具体实现的方法为：无论码板3和检测窗之间的相对位移是从A向B方向移动还是B向A方向移动，都需要过滤两个11信号而获取第三个11信号。则可通过在信号1为1信号下判断信号2为上升沿的个数，在经过了2个上升沿后的11信号则为精确定位位置信号，同理，在信号2为1信号下判断信号1为上升沿的个数，在经过了2个上升沿后的11信号则为精确定位位置信号。

对容许偏差的识别判断可通过在00状态下的信号重入至01信号和10信号状态下的上升沿计数获取到具体的偏差大小。且只要在检测区域内，都可获取到明确的反馈信号。

对于如上设计的编号信号，如图4、8所示，所述两个检测窗从码板3的左侧往右侧移动，和两个检测窗从码板3的右侧往左侧移动，输出的编码信号输出的信号是对称的。

实施例3

所述容许大偏差的精确行程定位系统实现的定位步骤如下：

首先，当两个检测窗均位于码板3左侧或码板3右侧时，设定为初始状态，即检测窗均未被触发的信号状态，如图4所示；

当两个检测窗和码板3相对移动，一个检测窗被遮挡，另一个检测窗未被遮挡且位于缺口6处时，此时的状态作为行程检测信号的一种定位偏差状态；该定位偏差状态下，输出的编码信号中能获取到有效的定位位置信号，也能区别出精确定位状态的位置信号，同时扩展了容许定位偏差的范围，如图5所示；

当两个检测窗和码板3相对移动，两个检测窗均被2个缺口之间的挡板部分遮挡的状态，作为行程检测信号的一种精确定位状态；该精确定位状态下，输出的编码信号中能获取到有效的定位位置信号，如图6所示；

当两个检测窗和码板3相对移动，两个检测窗均完全未被遮挡且均未处于缺口6处时，此时的状态作为临界信号状态，检测窗无法检测到信号，无法输出有效的编码信号；所述临界信号状态则是最大容许偏差范围的极限状态，如图7所示。

进一步的，在实施例2的基础上，为适合多种待测设备，可以将码板3设计为可伸缩结构，通过可伸缩结构调整缺口6的宽度L5和两个缺口6之间码板部分的宽度L2。

实施例5

在实施例1-4的任一设计，本实施例对整体系统的框架设计为：

所述系统设置有信号检测开关和码板3；所述信号检测开关，可以包括信号检测开关一1和信号检测开关二2，信号检测开关一1和信号检测开关二2上分别对应设置有检测窗一4和检测窗二5。

或者，所述信号检测开关上设置有两路信号，对应两路信号分别对应设置有检测窗一4和检测窗二5。

所述信号检测开关可以采用光电检测开关，但不限于光电检测开关，也可以采用霍尔开关等。当采用光电检测开关时，码板3采用不透光材质。

如图11所示，两个信号检测开关可以是双路行程开关，匹配信号检测开关间距的码板3、电源12、信号驱动模块、信号检测模块以及对信号进行处理和运算的信号处理单元11。其中：

所述信号检测开关一1或检测窗一4连接有信号检测模块一7和信号驱动模块一9，信号检测开关二2或检测窗二5连接有信号检测模块二8和信号驱动模块二10；

所述信号检测模块一7、二和信号驱动模块一9、二均连接至信号处理单元1，所述信号驱动模块一9、二用于驱动信号检测开关工作，信号检测模块一7、二用于检测信号检测开关获得输出的编码信号并将编码信号发送给信号处理单元11，信号处理单元11根据收到的编码信号得出精确定位位置信号。

Claims (8)

1.一种容许大偏差的精确行程定位系统，其特征在于：包括码板、检测窗一和检测窗二；

所述码板设置有用于触发检测窗一和检测窗二的两个相同宽度的缺口，缺口宽度为L5，两个缺口之间码板部分的宽度为L2；

所述检测窗一最外侧与检测窗二最外侧之间的距离为L1，即两个检测窗的最大信号边界值；

通过码板和两个检测窗之间的位置形成不同的编码信号，通过编码信号判断待检测设备的行程定位信息；码板和两个检测窗之间的位置满足的条件为：（1）L1＜L2；（2）L1＞L5；

所述行程定位信息包括定位位置状态，所述定位位置状态包括精确定位状态、定位偏差状态和最大容许定位偏差范围的极限状态；根据所述精确定位状态对应的编号信号数据，确定所述精确定位状态的精确定位位置信号；根据所述定位偏差状态对应的编码信号数据，确定所述定位偏差状态的可识别范围位置信号；

所述精确定位状态对应的编号信号为11，代表检测窗信号均被触发；所述定位偏差状态对应的编码信号为10或01，10代表检测窗一的信号被触发且检测窗二的信号未被触发，01代表检测窗一的信号未被触发且检测窗二的信号被触发；所述最大容许定位偏差范围的极限状态对应的编号信号为00，代表检测窗信号均未被触发，无法获取到有效的检测编码信号。

2.如权利要求1所述的容许大偏差的精确行程定位系统，其特征在于：通过调整两个缺口之间码板部分的宽度L2，调整两个检测窗与码板的相对位移，实现获取高定位精度信号；对检测窗和码板要求的最高定位精度M = L2 – L1，最高定位精度偏差范围为[-M/2，+ M/2]。

3.如权利要求2所述的容许大偏差的精确行程定位系统，其特征在于，对检测窗和码板设计为，定位容许偏差的范围为[-E，+E]，E = L3，L3 = 3 * L1 + L4；其中，L3为两个缺口之间码板部分的中心线到两个检测窗之间中心线的水平距离；L4 为信号检测窗的宽度。

4.如权利要求1所述的容许大偏差的精确行程定位系统，其特征在于：根据通过检测窗一和/或检测窗二被触发的不同情况，输出码板和两个检测窗之间的位置组合对应形成的编码信号。

5.如权利要求1所述的容许大偏差的精确行程定位系统，其特征在于：所述两个检测窗从码板的左侧往右侧移动，和所述两个检测窗从码板的右侧往左侧移动，两个方向输出的编码信号是对称的。

6.如权利要求1所述的容许大偏差的精确行程定位系统，其特征在于：所述码板设计为可伸缩结构，通过可伸缩结构调整缺口的宽度和两个缺口之间码板部分的宽度。

7.如权利要求1所述的容许大偏差的精确行程定位系统，其特征在于：包括信号检测开关和码板；

所述信号检测开关，包括信号检测开关一和信号检测开关二，信号检测开关一和信号检测开关二上分别对应设置有检测窗一和检测窗二；或者，所述信号检测开关上设置有两路信号，对应两路信号分别对应设置有检测窗一和检测窗二。

8.如权利要求7所述的容许大偏差的精确行程定位系统，其特征在于：所述信号检测开关一或检测窗一连接有信号检测模块一和信号驱动模块一，信号检测开关二或检测窗二连接有信号检测模块二和信号驱动模块二；

所述信号检测模块一、二和信号驱动模块一、二均连接至信号处理单元，所述信号驱动模块一、二用于驱动信号检测开关工作，信号检测模块一、二用于检测信号检测开关获得输出的编码信号并将编码信号发送给信号处理单元，信号处理单元根据收到的编码信号得出精确定位位置信号。