CN117589210B - 一种拉绳编码器的测量装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业自动化技术领域，公开一种拉绳编码器的测量装置和系统，拉绳编码器的测量装置包括：直线进给机构，包括导线组件和滑台，导线组件在滑台上移动；旋转机构，包括旋转轮；拉绳编码器，包括拉绳，拉绳的出线端经过导线组件后环绕在旋转轮上，拉绳在直线进给机构和旋转机构的配合下无交叉无重叠地顺序环绕在旋转轮上，拉绳编码器的测量系统包括拉绳编码器的测量装置、操作台和人机界面。本发明可以实现对拉绳拉出长度是大量程时的有效测量、提高拉绳编码器的测量精度。

Description

一种拉绳编码器的测量装置和系统

技术领域

本发明涉及工业自动化技术领域，尤其是指一种拉绳编码器的测量装置和系统。

背景技术

拉绳编码器是一种能精确测量直线运动的传感器，可以在机械设备、化工设备、电解铝设备、河道堤坝测量、工业生产线等领域中实现测量。拉绳编码器的基本结构如图1所示，拉绳时的拉绳状态示意图如图2所示，拉绳编码器包括编码器组件101、拉绳组件102、拉绳挂钩103和拉绳104。在拉绳编码器工作时，拉绳104通过拉绳挂钩103连接到被测物体105上，拉绳104随着被测物体105的运动而发生拉伸或缩短，这种拉伸或缩短的运动被通过拉绳组件102传递给编码器组件101，编码器组件101通过将运动转化为电信号实现对被测物体105的速度、位置、位移等参数的监测。

在实际测量中，拉绳编码器的拉绳距离从几百毫米至几十米不等，随着现代化工业精密度越来越高，对于拉绳编码器的精度越来越高要求也越来越高。但是在测量过程中，拉绳104因重力等外力影响会出现拉绳长度的误差，特别是在进行如图2所示的大量程拉绳时，被测物体105能把拉绳104拉到30米乃至40米以外的距离。如果按照传统的直拉式测试方法，由于拉绳104的受到弹性、重力等影响，被测物体105与拉绳挂钩103间的实际距离为L，但拉绳104的实际拉伸长度却为L0，误差非常大。同时，实际测量中的场地空间限制、场地的平面度和直线度都会对测量带来很大影响，进而影响测量的效果。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中的不足，提供一种拉绳编码器的测量装置和系统，可以在有限的空间场地内实现对大量程的有效测量、提高拉绳编码器的测量精度。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种拉绳编码器的测量装置，包括：

直线进给机构，包括导线组件和滑台，所述导线组件在所述滑台上移动；

旋转机构，包括旋转轮；

拉绳编码器，包括拉绳，所述拉绳的出线端经过所述导线组件后环绕在所述旋转轮上，所述拉绳在所述直线进给机构和旋转机构的配合下无交叉无重叠地顺序环绕在所述旋转轮上。

优选的，所述直线进给机构还包括进给基座和滑块，所述滑台设于所述进给基座上，所述导线组件固定在所述滑块上，所述滑块和所述滑台配合，所述导线组件通过所述滑块在所述滑台上移动。

优选的，所述导线组件包括导线件和进给通孔，所述进给通孔设置在所述导线件上，所述拉绳的出线端穿过所述进给通孔后环绕在所述旋转轮上，所述导线件固定在所述滑块上。

优选的，所述直线进给机构还包括进给归零组件和进给伺服电机，所述滑块分别与所述进给归零组件、所述进给伺服电机连接。

优选的，所述旋转机构还包括旋转底座、旋转支撑座和旋转轴，所述旋转支撑座固定在所述旋转底座上，所述旋转支撑座上设有旋转通孔，所述旋转轴设于所述旋转通孔内，所述旋转轮固定在所述旋转轴上。

优选的，所述旋转机构还包括旋转伺服电机，所述旋转轴与所述旋转伺服电机连接。

优选的，所述旋转伺服电机和所述旋转轮分别位于所述旋转通孔的两侧。

优选的，所述旋转机构还包括轴向力传感器和控制单元，所述轴向力传感器设置在所述旋转轮上并实时监测所述旋转轮表面在与所述旋转轴平行的方向上受到的作用力，所述控制单元和所述轴向力传感器连接，所述控制单元和所述旋转伺服电机、进给伺服电机中的至少一个伺服电机连接。

优选的，所述旋转机构还包括线光源、光源接收器和光源支架，所述旋转轮为透光材质，所述线光源设置在所述旋转轮内部，所述光源接收器设置在所述旋转轮外部，所述光源接收器实时接收线光源发出的光线，所述光源接收器和所述控制单元连接；

所述光源支架一端固定在所述滑块上，另一端设置在所述旋转轮的一侧；所述旋转轮靠近所述光源支架的一侧为中空结构，所述线光源通过所述光源支架伸入并固定在所述旋转轮内部，所述光源接收器通过光源支架固定在所述旋转轮外部；所述线光源和所述光源接收器的连线和所述旋转轮表面垂直，所述线光源、光源接收器和旋转轴的轴心位于一个平面，所述平面和所述旋转轮表面垂直，所述线光源发出的线性光的直径小于拉绳的直径。

本发明还提供了一种拉绳编码器的测量系统，包括所述的拉绳编码器的测量装置、操作台和人机界面，所述拉绳编码器的测量装置和人机界面设置在所述操作台上，所述拉绳编码器的测量装置和所述人机界面连接。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下有益效果：

本发明通过设置直线进给机构和旋转机构，拉绳编码器的拉绳在旋转机构和直线进给机构的配合下可以无交叉无重叠地顺序环绕在旋转轮上，在此基础上根据旋转轮上拉绳的总圈数计算出拉出的总绳长，根据计算出的总绳长和拉绳编码器测量时自身测到的拉出绳长修正被测物体的速度、位置、位移等参数。拉绳无交叉无重叠地顺序环绕在旋转轮上，有效避免了拉绳因弹性、重力等影响而导致的拉出长度与实际距离不符的情况，提高了测量精度，实现对拉绳拉出长度是大量程时的有效测量。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1是拉绳编码器的结构示意图。

图2是拉绳编码器进行大量程拉绳时的示意图。

图3是本发明中拉绳编码器的测量装置的结构示意图。

图4是本发明中夹紧台的结构示意图。

图5是本发明中旋转机构的结构示意图。

图6是本发明中旋转机构上环绕有拉绳时的正视图。

图7是本发明中直线进给机构的结构示意图。

图8是本发明中旋转机构和直线进给机构配合工作的示意图。

图9是本发明中拉绳编码器的测量系统的结构示意图。

图10是本发明中拉绳在旋转轮上环绕时出现交叉或重叠时的旋转轮的截面示意图。

图11是本发明中拉绳在旋转轮上环绕时出现环绕不紧密时的旋转轮的截面示意图。

说明书附图标记说明：1、拉绳编码器；101、编码器组件；102、拉绳组件；103、拉绳挂钩；104、拉绳；105、被测物体；2、夹紧台；201、夹紧底座；202、夹持组件；3、直线进给机构；301、进给基座；302、导线组件；3021、导线件；3022、进给通孔；303、滑块；304、滑台；305、进给归零组件；306、进给伺服电机；4、旋转机构；401、旋转底座；402、旋转支撑座；403、旋转轮；404、旋转轴；405、旋转伺服电机；406、旋转通孔；407、轴向力传感器；408、控制单元；409、线光源；410、光源接收器；411、光源支架；5、拉绳编码器的测量装置；6、人机界面；7、操作台；8、发生交叉或叠加的拉绳；9、环绕不紧密的拉绳。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例一

参照图3-图8所示，本发明公开一种拉绳编码器的测量装置5，包括直线进给机构3、旋转机构4和拉绳编码器1。直线进给机构3包括导线组件302和滑台304，所述导线组件302在所述滑台304上移动，旋转机构4包括旋转轮403；拉绳编码器1包括拉绳104，所述拉绳104的出线端经过所述导线组件302后环绕在所述旋转轮403上，所述拉绳104在所述直线进给机构3和旋转机构4的配合下无交叉无重叠地顺序环绕在所述旋转轮403上。拉绳编码器1先通过自身正常测量被测物体105的运动速度、位置、位移等参数，测量结束后记录拉绳编码器1自身测量得到的拉绳拉出的长度L。在此之后，拉绳编码器1的拉绳104在旋转机构4和直线进给机构3的配合下无交叉无重叠地顺序环绕在旋转轮403上直到拉绳104拉出的长度达到拉绳编码器1自身测量得到的长度L后停止环绕，在此基础上根据旋转轮403上环绕的拉绳104的总圈数计算出拉出的总绳长L1’，根据总绳长L1’和L修正拉绳编码器1自身测得的被测物体105的运动速度、位置、位移等参数。拉绳104无交叉无重叠地顺序环绕在旋转轮403上，有效避免了拉绳104因弹性、重力等影响而导致的拉出长度与实际距离不符的情况，提高了测量精度，实现对拉绳拉出长度是大量程时的有效测量。

如图8所示，单向箭头表示拉绳104的环绕时的旋转方向，双向箭头表示导线组件302在所述滑台304上可以移动的方向，所述拉绳104的运动方向与所述导线组件302在所述滑台304上的移动方向垂直，可以使拉绳104更均匀地环绕在旋转轮403上。

如图4所示，拉绳编码器的测量装置5还包括夹紧台2，所述拉绳编码器1设于所述夹紧台2上，通过夹紧台2固定拉绳编码器1。所述夹紧台2包括夹紧底座201和夹持组件202，所述拉绳编码器1设置在所述夹紧底座201内，所述夹持组件202位于所述拉绳编码器1远离所述夹紧底座201的一侧并压向所述拉绳编码器1，从而将拉绳编码器1固定在所述夹紧底座201内。

如图7所示，所述直线进给机构3还包括进给基座301和滑块303，所述滑台304设于所述进给基座301上，所述导线组件302固定在所述滑块303上，所述滑块303和所述滑台304配合，所述导线组件302通过所述滑块303在所述滑台304上移动。如图8所示，所述导线组件302包括导线件3021和连接件，所述导线件3021上设有进给通孔3022，所述拉绳104的出线端穿过所述进给通孔3022后环绕在所述旋转轮403上；所述导线件3021通过所述连接件固定在所述滑块303上。所述直线进给机构3还包括进给归零组件305和进给伺服电机306，所述滑块303分别与所述进给归零组件305、所述进给伺服电机306连接。滑块303在进给伺服电机306的驱动下，带动导线组件302在滑台304上移动；当测量结束后，滑块303在进给归零组件305的作用下回到拉绳104在旋转轮403上的初始环绕位置对应的滑台304上的位置，从而实现对导线组件302位置的归位，方便下一次测量。进给归零组件305通过设置初始参考点或通过设置传感器、使用传感器的反馈信号将滑块303移动到初始位置，使用的结构和原理与机床归零原理相同，不再赘述。

如图5-图6所示，所述旋转机构4还包括旋转底座401、旋转支撑座402和旋转轴404，所述旋转支撑座402固定在所述旋转底座401上，所述旋转支撑座402上设有旋转通孔406，所述旋转轴404设于所述旋转通孔406内并在旋转通孔406中旋转，所述旋转轮403固定在所述旋转轴404上并在所述旋转轴404的带动下旋转。所述旋转机构4还包括旋转伺服电机405，所述旋转轴404与旋转伺服电机405连接，旋转轴404在旋转伺服电机405的驱动下带动旋转轮403旋转。所述旋转伺服电机405和所述旋转轮403分别位于所述旋转通孔406的两侧，可以提高旋转机构4在工作时的稳定性。

在拉绳104的制造过程中，由于制造公差的原因，拉绳104的直径在不能做到每处完全一致，因此根据拉绳104的标准直径设置的旋转轮403转速、滑块303移动速度等预先参数能大致使拉绳104无交叉无重叠地环绕在旋转轮403上，但是不能完全规避拉绳104环绕交叉、叠加或者环绕稀疏的情况。因此本实施例中增加了轴向力传感器407和线光源409、光源接收器410。轴向力传感器407用于在发生环绕交叉、叠加的情况时，调整旋转轮403转速或滑块303移动速度以使拉绳104无交叉无重叠地顺序环绕在旋转轮403上；线光源409和光源接收器410的配合用于在发生环绕稀疏的情况时，调整旋转轮403转速或滑块303移动速度以使拉绳104无交叉无重叠地顺序环绕在旋转轮403上。

本实施例中，所述旋转机构4还包括轴向力传感器407和控制单元408，控制单元408可以是PID控制器等智能控制器。所述轴向力传感器407设置在所述旋转轮403的轴端上并实时监测所述旋转轮403表面在与所述旋转轴404平行的方向上受到的作用力。如图10所示是当拉绳104在环绕时发生交叉或叠加时的旋转轮403的截面图，发生交叉或叠加的拉绳8（图中圆形表示拉绳的截面）会在旋转轮403表面产生作用力F，作用力F可以分解成和旋转轴404平行的作用力F1、和旋转轴404垂直的作用力F2，若拉绳104在环绕时不发生交叉或叠加就不会产生和旋转轴404平行的作用力F1。因此轴向力传感器407实时监测作用力F1，若监测到有作用力F1产生则表示拉绳104在环绕时发生了交叉或叠加。

控制单元408和所述轴向力传感器407连接并接收轴向力传感器407是否监测到有作用力F1的信号，所述控制单元408和所述旋转伺服电机405、进给伺服电机306中的至少一个伺服电机连接。在监测到有作用力F1产生时，控制单元408给进给伺服电机306发出控制信号，使进给伺服电机306加快对滑块303的进给速度；或控制单元408给旋转伺服电机405发出控制信号，使旋转伺服电机405加快对旋转轮403的旋转速度；或控制单元408同时给进给伺服电机306、旋转伺服电机405发出控制信号，在使进给伺服电机306加快对滑块303的进给速度的同时使旋转伺服电机405加快对旋转轮403的旋转速度，从而使拉绳104无交叉无重叠地顺序环绕在旋转轮403上。当轴向力传感器407没有监测到作用力F1的时候，进给伺服电机306、旋转伺服电机405再使速度恢复到初始设定值。

本实施例中，所述旋转机构4还包括线光源409、光源接收器410和光源支架411。所述旋转轮403为透光材质，为了更好地使光源接收器410接收线性光，旋转轮403的材质可以选取为透明材质。所述线光源409设置在所述旋转轮403内部，所述光源接收器410设置在所述旋转轮403外部，所述光源接收器410实时接收线光源409发出的光线，所述光源接收器410和所述控制单元408连接。所述光源支架411一端固定在所述滑块303上，另一端设置在所述旋转轮403的一侧；所述旋转轮403靠近所述光源支架411的一侧为中空结构，所述线光源409通过所述光源支架411伸入并固定在所述旋转轮403内部，所述光源接收器410通过光源支架411固定在所述旋转轮403外部；所述线光源409和所述光源接收器410的连线和所述旋转轮403表面垂直，所述线光源409、光源接收器410和旋转轴404的轴心位于一个平面，所述平面和所述旋转轮403表面垂直。导线组件302和线光源409、光源接收器410都通过滑块303实现移动，在滑块303的作用下导线组件302、线光源409、光源接收器410同步进给。

所述光源接收器410实时接收线光源409发出的光线，所述光源接收器410和所述控制单元408连接，控制单元408接收光源接收器410是否接收到线性光的信号。如图11所示是当拉绳104在环绕时发生太稀疏情况时的旋转轮403的截面图，图11中带箭头的直线表示线性光。当拉绳104在旋转轮403上环绕时出现太稀疏的情况，线光源409发出的光线就会从环绕不紧密的拉绳9中透出，此时光源接收器410就会接收到线性光，此时控制单元408给进给伺服电机306发出控制信号，使进给伺服电机306减慢对滑块303的进给速度；或控制单元408给旋转伺服电机405发出控制信号，使旋转伺服电机405减慢对旋转轮403的旋转速度；或控制单元408同时给进给伺服电机306、旋转伺服电机405发出控制信号，在使进给伺服电机306减慢对滑块303的进给速度的同时使旋转伺服电机405减慢对旋转轮403的旋转速度，从而使拉绳104无交叉无重叠地顺序环绕在旋转轮403上。

线光源409发出的线性光的直径小于拉绳104的直径，可以避免线性光从其余部分漏出，提高精度。当光源接收器410没有接收到线性光的时候，进给伺服电机306、旋转伺服电机405再使速度恢复到初始设定值。

本发明的工作流程为：

第一步，将拉绳104的拉出端固定在被测物体105上，被测物体105运动完后，拉绳编码器1得到被测物体105的运动位移L（即拉绳编码器1自身测量到的拉绳的拉出距离L）、速度、位置等参数。

第二步，通过夹紧台2固定拉绳编码器1，获取拉绳编码器1使用的拉绳104的直径为d，拉绳104的出线端穿过直线进给机构3中的进给通孔3022后固定在旋转轮403上的一侧，获取旋转轮403的直径D。

第三步，旋转伺服电机405启动带动旋转轮403旋转，同时进给伺服电机306启动带动导线件3021在滑台304上移动。旋转轮403的旋转速度通过旋转伺服电机405根据实际情况设置，导线件3021移动的速度通过进给伺服电机306根据实际情况设置，在旋转伺服电机405和进给伺服电机306的配合下拉绳104无交叉、无重叠、单排紧密地顺序环绕在旋转轮403上。直到拉绳编码器1再次自身测量到拉绳的拉出距离为L时，旋转伺服电机405和进给伺服电机306停止工作，记录此时旋转轮403上的拉绳的总圈数n1和不满一圈的角度a1。

第四步，根据拉绳104的直径d、旋转轮403的直径D计算拉绳104在旋转轮403上旋转一周的长度。根据旋转体旋转的总圈数n1和不满一圈的角度a1，计算拉绳104拉出的总长度/>，x1是拉绳的出线端到旋转轮403的距离。根据长度L1’和拉绳编码器1自身测量到的拉绳的拉出距离L，对拉绳编码器1测得的被测物体105的位移、位置、速度等参数进行校正，可以是使用L和L1’间的比例关系修正位移、位置、速度等参数。

在拉绳编码器1的基础上增加直线进给机构3和旋转机构4，不管拉绳104的尺寸、长度、重量如何变化都能使拉伸无交叉无重叠地顺序环绕在旋转轮403上，从而提高了拉绳104拉出长度的计算准确性，使测量精度得到有效提高。同时，在使用本发明的拉绳编码器的测量装置5进行测量时，还可以将测量结果和只使用拉绳编码器1进行测量的结果进行对比，从而得到在没有直线进给机构3和旋转机构4的情况下的拉绳编码器1的测量误差，从而实现对拉绳编码器1的精度的校准。

实施例二

如图9所示，本发明还公开了一种拉绳编码器的测量系统，包括实施例一中所述的拉绳编码器的测量装置5、操作台7和人机界面6，所述拉绳编码器的测量装置5和人机界面6设置在所述操作台7上，所述拉绳编码器的测量装置5和所述人机界面6连接。拉绳编码器的测量装置5可以通过控制电路或控制系统和人机界面6连接，操作人员通过操作人机界面6对拉绳编码器的测量装置5进行控制，测量结果通过显示在人机界面6上实时反馈给操作人员，实现方便快速地测量。

本发明中的拉绳在直线进给机构和旋转机构的配合下无交叉无重叠地顺序环绕在旋转轮上，在此基础上根据旋转轮上拉绳环绕的总圈数计算出拉绳拉出的总绳长，根据计算出的总绳长对只有拉绳编码器自身测得的被测物体的位移、速度、位置等参数进行校正。现有技术中环绕拉绳时使用的通常螺杆螺母组合的结构，由于螺杆的螺距固定，当螺距与拉绳直径不同就会导致环绕圈时出现叠圈或者空缺，造成拉绳拉出长度的计算精度低。而本发明创造性地将旋转机构和直线进给机构配合使用，不管拉绳的尺寸如何变化都能形成单圈、紧密的螺旋线，从而提高了拉绳拉出长度的计算准确性，实现高精度地测量。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种拉绳编码器的测量装置，其特征在于，包括：

直线进给机构，包括导线组件和滑台，所述导线组件在所述滑台上移动；

旋转机构，包括旋转轮；

拉绳编码器，包括拉绳，所述拉绳的出线端经过所述导线组件后环绕在所述旋转轮上，所述拉绳在所述直线进给机构和旋转机构的配合下无交叉无重叠地顺序环绕在所述旋转轮上；

根据旋转轮上拉绳的总圈数计算出拉绳拉出的总绳长，根据计算出的总绳长和拉绳编码器自身测量到的拉出绳长修正拉绳编码器自身测量到的被测物体的参数。

2.根据权利要求1所述的一种拉绳编码器的测量装置，其特征在于：所述直线进给机构还包括进给基座和滑块，所述滑台设于所述进给基座上，所述导线组件固定在所述滑块上，所述滑块和所述滑台配合，所述导线组件通过所述滑块在所述滑台上移动。

3.根据权利要求2所述的一种拉绳编码器的测量装置，其特征在于：所述导线组件包括导线件和进给通孔，所述进给通孔设置在所述导线件上，所述拉绳的出线端穿过所述进给通孔后环绕在所述旋转轮上，所述导线件固定在所述滑块上。

4.根据权利要求2所述的一种拉绳编码器的测量装置，其特征在于：所述直线进给机构还包括进给归零组件和进给伺服电机，所述滑块分别与所述进给归零组件、所述进给伺服电机连接。

5.根据权利要求4所述的一种拉绳编码器的测量装置，其特征在于：所述旋转机构还包括旋转底座、旋转支撑座和旋转轴，所述旋转支撑座固定在所述旋转底座上，所述旋转支撑座上设有旋转通孔，所述旋转轴设于所述旋转通孔内，所述旋转轮固定在所述旋转轴上。

6.根据权利要求5所述的一种拉绳编码器的测量装置，其特征在于：所述旋转机构还包括旋转伺服电机，所述旋转轴与所述旋转伺服电机连接。

7.根据权利要求6所述的一种拉绳编码器的测量装置，其特征在于：所述旋转伺服电机和所述旋转轮分别位于所述旋转通孔的两侧。

8.根据权利要求6所述的一种拉绳编码器的测量装置，其特征在于：所述旋转机构还包括轴向力传感器和控制单元，所述轴向力传感器设置在所述旋转轮上并实时监测所述旋转轮表面在与所述旋转轴平行的方向上受到的作用力，所述控制单元和所述轴向力传感器连接，所述控制单元和所述旋转伺服电机、进给伺服电机中的至少一个伺服电机连接。

9.根据权利要求8所述的一种拉绳编码器的测量装置，其特征在于：所述旋转机构还包括线光源、光源接收器和光源支架，所述旋转轮为透光材质，所述线光源设置在所述旋转轮内部，所述光源接收器设置在所述旋转轮外部，所述光源接收器实时接收线光源发出的光线，所述光源接收器和所述控制单元连接；

所述光源支架一端固定在所述滑块上，另一端设置在所述旋转轮的一侧；所述旋转轮靠近所述光源支架的一侧为中空结构，所述线光源通过所述光源支架伸入并固定在所述旋转轮内部，所述光源接收器通过光源支架固定在所述旋转轮外部；所述线光源和所述光源接收器的连线和所述旋转轮表面垂直，所述线光源、光源接收器和旋转轴的轴心位于一个平面，所述平面和所述旋转轮表面垂直，所述线光源发出的线性光的直径小于拉绳的直径。

10.一种拉绳编码器的测量系统，其特征在于：包括如权利要求1-9任一项所述的拉绳编码器的测量装置、操作台和人机界面，所述拉绳编码器的测量装置和人机界面设置在所述操作台上，所述拉绳编码器的测量装置和所述人机界面连接。