PL224595B1

PL224595B1 - Method for measuring absolute linear position in machines and the system for measuring absolute linear position in the machines

Info

Publication number: PL224595B1
Application number: PL407340A
Authority: PL
Inventors: Michał Szydłowski; Bartosz Powałka; Stefan Berczyński
Original assignee: Zachodniopomorski Univ Tech W Szczecinie
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2017-01-31
Also published as: PL407340A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru pozycji absolutnej liniowej w maszynach o długim wymiarze roboczym i układ do pomiaru pozycji absolutnej liniowej w maszynach o długim wymiarze roboczym. Sposób i urządzenie mogą znaleźć zastosowanie w obrabiarkach wielkogabarytowych, suwnicach czy dźwigach.The present invention relates to a method for measuring the absolute linear position in machines with a long working dimension and a system for measuring the absolute linear position in machines with a long working dimension. The method and device can be used in large-size machine tools, overhead traveling cranes or cranes.

Sposób uzyskania informacji o pozycji absolutnej elementu wykonawczego maszyny, lub zespołu maszyn, np. stołu obrabiarki jest realizowany za pomocą urządzeń pomiarowych takich jak liniały. Na wzorcu naniesiona jest podziałka, która odczytywana jest przez zależny od rozwią zania czujnik. Czujnik porusza się razem z elementem wykonawczym maszyny, natomiast wzorzec pozostaje nieruchomy. Rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje liniałów pomiarowych stosowanych w maszynach są to: liniały inkrementalne i absolutne. Dotychczas stosowane rozwiązania takie jak np. zaproponowane w opisie wynalazku US4414746, polegały na zastosowaniu wzorca szklanego z precyzyjnie naniesioną podziałką. Wzorzec znajdował się w obudowie, która służyła dzięki swojemu kształtowi za bieżnię dla wózka z czujnikiem wyposażonym w transoptory. Obudowa łączona była z korpusem maszyny lub zespołu maszyn, natomiast wózek z czujnikiem mocowany był do elementu wykonawczego. Rozwiązanie takie jaki i podobne wymagają jednak bardzo precyzyjnego wykonania samego wzorca z p odziałką, jak i bieżni po której porusza się wózek z czujnikiem. Wózek musi zapewnić stałą odległość czujnika od wzorca i musi się poruszać po bieżni w sposób ciągły z prędkością i przyspieszeniem takim jak element wykonawczy maszyny. W opisie wynalazku US6772078 ujawniono wzorzec magnetyczny, wraz ze specjalnym układem do odczytu. Wzorzec posiadał specjalnie zakodowane znaczniki dzięki odczytowi, których układ z czujnikiem mógł precyzyjniej odczytywać aktualną pozycję. Dalej jednak wymagane jest precyzyjne naniesienie skomplikowanego sygnału na wzorzec magnetyczny. W opisie patentowym US4114035 ujawniono nieruchomy czujnik CCD w obudowie, natomiast do wózka przymocowany był emiter światła. Takie rozwiązanie pozwala na zmniejszenie wózka, natomiast wykonanie tak długiego rzędu czujników CCD jest dużym utrudnieniem.The method of obtaining information about the absolute position of a machine's actuator, or a set of machines, e.g. a machine table, is carried out by means of measuring devices such as rulers. The pattern is graduated with a scale that is read by a solution-dependent sensor. The sensor moves with the actuator of the machine, while the pattern remains stationary. There are two basic types of measuring rulers used in machines: incremental and absolute rulers. The solutions used so far, such as for example proposed in the description of the invention US4414746, consisted in the use of a glass pattern with a precisely applied scale. The standard was located in a housing which, thanks to its shape, served as a track for a trolley with a sensor equipped with optocouplers. The housing was connected to the body of the machine or a set of machines, while the trolley with the sensor was attached to the actuator. Such a solution, however, requires a very precise execution of the pattern with a scale, as well as the treadmill on which the trolley with the sensor moves. The trolley must ensure a constant distance of the sensor from the pattern and must move along the treadmill in a continuous manner at the speed and acceleration of the machine actuator. The description of the invention US6772078 discloses a magnetic pattern, along with a special reading system. The pattern had specially coded markers thanks to the reading, the system with the sensor could read the current position more precisely. Further, however, it is required to precisely plot the complicated signal on the magnetic pattern. US4114035 disclosed a fixed CCD sensor in a housing and a light emitter was attached to the carriage. This solution allows for the reduction of the trolley, while the production of such a long row of CCD sensors is a great difficulty.

Sposób pomiaru pozycji absolutnej liniowej w maszynach, według wynalazku, polegający na odczytaniu absolutnej pozycji elementu maszyny względem wzorca przez czujnik i przekazaniu tego odczytu do układu sterowania maszyny, charakteryzuje się tym, że ze skalibrowanego względem punktu referencyjnego maszyny wzorca, oświetlonego źródłem światła, odczytuje się co najmniej dwa sygnały położenia, zgrubny i dokładny, za pomocą dwóch czujników, liniowego i obszarowego. Oba czujniki to kamery wyposażone w optykę. Tak odczytane sygnały przekazuje się do mikroprocesora, w którym dekoduje się sygnały położenia a uzyskaną informację o położeniu przekazuje się do m aszyny. Liniowy czujnik z matrycą o wymiarach 1 x n pikseli ustawia się tak, że ma w polu widzenia wycinek wzorca z sygnałami położenia. Obszarowy czujnik z matrycą o wymiarach m x n pikseli ust awia się tak, że w środku swojego pola widzenia ma wycinek wzorca z sygnałami położenia, czyli obraz, który „widzi” liniowy czujnik. Liniowy czujnik odpowiedzialny jest za dokładny odczyt położenia, natomiast obszarowy czujnik pozwala na określenie pozycji, która będzie za chwilę osiągnięta. Sygn ały położenia stosuje się w postaci graficznej reprezentacji kodu Gray'a. W zależności od długości wzorca konieczne może być dodanie dodatkowych sygnałów poza podstawowymi dwoma. Korzystnie kalibracja wzorca polega na tym, że dla stolika maszyny umieszczonego w punkcie referencyjnym maszyny oznacza się w mikroprocesorze punkt zerowy dla wzorca, zaś zewnętrznym urządzeniem pomiarowym mierzy się pozycję stolika. Następnie przesuwa się stolik w pozycję, w której liniowy czujnik ma w polu widzenia początek zgrubnego sygnału położenia i mierzy się zewnętrznym urządzeniem pomiarowym przemieszczenie stolika względem poprzedniej pozycji. Przesuwanie stolika i pomiar jego przemieszczenia prowadzi się aż do zakończenia zakresu ruchu stolika. Sygnały poł ożenia są ciągłe, ale mają zakodowane konkretne położenia (dyskretne). Przesuwanie stolika przy kalibracji na celu przesunięcie go o co najmniej jedno dyskretne położenie (jeden znacznik) i zarejestrowanie tego położenia również na niezależnym, zewnętrznym urządzeniu. Punkty pomiarowe rejestruje się w mikrokontrolerze łączeni z powiązaniami ze wzorcem i sygnałami zgrubnym oraz dokładnym. Położenie pozostałych punktów sygnałów i na wzorcu aproksymuje się na podstawie zmierzonych uprzednio punktów za pomocą mikrokontrolera.The method of measuring the absolute linear position in machines, according to the invention, consisting in reading the absolute position of a machine element in relation to the pattern by a sensor and transmitting this reading to the machine control system, characterized by the fact that the pattern calibrated in relation to the reference point of the machine, illuminated by a light source, reads at least two position signals, coarse and fine, using two sensors, linear and area. Both sensors are cameras with optics. The signals read in this way are transmitted to a microprocessor in which position signals are decoded and the obtained position information is sent to the machine. A 1 x n pixel linear sensor array is positioned such that it has a pattern slice with position signals in its field of view. An area sensor with an array of m x n pixels is positioned such that in the center of its field of view it has a pattern slice with position signals, that is, the image that the linear sensor "sees". The linear sensor is responsible for the accurate reading of the position, while the area sensor allows you to determine the position that will be reached in a moment. Location signals are used as a graphical representation of the Gray code. Depending on the pattern length, it may be necessary to add additional signals beyond the basic two. Preferably, the calibration of the standard consists in determining the zero point for the standard in the microprocessor for the machine table placed at the reference point of the machine, and the position of the table is measured by an external measuring device. The stage is then moved to a position where the linear sensor has the beginning of the coarse position signal in its field of view and the stage displacement relative to the previous position is measured with an external measuring device. Moving the table and measuring its displacement is carried out until the end of the table's range of motion. The position signals are continuous but coded to specific positions (discrete). Moving the stage during calibration in order to move it by at least one discrete position (one marker) and recording this position also on an independent, external device. Measurement points are registered in the microcontroller and connected with connections with the pattern and coarse and precise signals. The position of the remaining points of signals and on the pattern is approximated on the basis of previously measured points with the use of a microcontroller.

Korzystnie podczas kalibracji jako zewnętrzne urządzenie pomiarowe stosuje się interferometr laserowy lub inne urządzenie o podobnej dokładności.Preferably, a laser interferometer or other device of similar accuracy is used as an external measuring device during calibration.

PL 224 595 B1PL 224 595 B1

Korzystnie liniowy czujnik i obszarowy czujnik pracują asynchronicznie z tą samą częstotliwością próbkowania, ale z przesunięciem fazy co pozwala na dwukrotne zwiększenie częstotliwości próbkowania.Preferably, the linear sensor and the area sensor operate asynchronously at the same sampling rate but with a phase shift which allows the sampling rate to be doubled.

Korzystnie jako źródło światła stosuje się lampy LED. Źródło światła zapewnia pokrycie światłem emitowanym pól widzenia obu czujników.Preferably, LED lamps are used as the light source. The light source covers the fields of view of both sensors with the emitted light.

Czujniki poruszają się wraz z elementem ruchomym maszyny (łoże, stolik obrabiarki). Wzorzec jest stacjonarny, przytwierdzony do korpusu maszyny. Długość wzorca jest taka jaki jest całkowity zakres ruchu elementu maszyny (czyli np. zakres roboczy + wymiar stolika).The sensors move with the moving element of the machine (bed, machine table). The pattern is stationary, attached to the body of the machine. The length of the pattern is the same as the total range of motion of the machine element (e.g. working range + table size).

Układ do pomiaru pozycji absolutnej liniowej w maszynach, według wynalazku, zawierający wzorzec i czujnik, charakteryzuje się tym, że zawiera wzorzec z co najmniej dwoma sygnałami poł ożenia, zgrubnym i dokładnym, oba w postaci graficznej reprezentacji kodu Gray'a, źródło światła i mikroprocesor połączony z dwoma czujnikami (zgrubnym i dokładnym). Czujniki to kamery wyposażone w optykę. Liniowy czujnik ma matrycę o wymiarach 1 x n pikseli i ustawiony jest tak, że ma w polu widzenia wycinek wzorca z sygnałami położenia. Obszarowy czujnik ma matrycę o wymiarach m x n pikseli i ustawiony jest tak, że w środku swojego pola widzenia ma wycinek wzorca z sygnałami położenia, czyli obraz, który „widzi” liniowy czujnik.The system for measuring the absolute linear position in machines according to the invention, comprising a standard and a sensor, is characterized in that it comprises a pattern with at least two position signals, coarse and fine, both in the form of a graphical representation of the Gray code, a light source and a microprocessor. combined with two sensors (coarse and fine). The sensors are cameras equipped with optics. The linear sensor has a matrix of 1 x n pixels and is positioned to have a pattern slice with the position signals in the field of view. The area sensor has a matrix with dimensions of m x n pixels and is positioned such that it has a pattern slice with position signals in the center of its field of view, that is, the image that the linear sensor "sees".

Korzystnie źródło światła ma postać lampy LED. Źródło światła zapewnia pokrycie światłem emitowanym pól widzenia obu czujników. Liniowy czujnik odpowiedzialny jest za dokładny odczyt położenia, natomiast obszarowy czujnik pozwala na określenie pozycji, która będzie za chwilę osiągnięta. W zależności od długości wzorca konieczne może być dodanie dodatkowych sygnałów poza podstawowymi dwoma.Preferably, the light source is in the form of an LED lamp. The light source covers the fields of view of both sensors with the emitted light. The linear sensor is responsible for the accurate reading of the position, while the area sensor allows you to determine the position that will be reached in a moment. Depending on the pattern length, it may be necessary to add additional signals beyond the basic two.

Zaletą rozwiązania jest to, że nie wymaga ona dokładnego wzorca gdyż jego niedokładność jest kompensowana poprzez kalibrację, może być stosowany dla bardzo długich odcinków roboczych, można zwiększać dokładność pozycjonowania poprzez zwiększanie n (liczby bitów) w kodzie Gray'a. Metoda pozwala na aproksymację pozycji między interwałami odczytu liniowego czujnika.The advantage of the solution is that it does not require an exact pattern as its inaccuracy is compensated by calibration, it can be used for very long operating lengths, positioning accuracy can be increased by increasing n (number of bits) in the Gray code. The method approximates the position between the sensor's linear reading intervals.

Wynalazek jest bliżej przedstawiony w poniższym przykładzie wykonania i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat układu do pomiaru pozycji absolutnej liniowej w maszynach, fig. 2 przedstawia wzorzec- kod Gray'a dla n=6.The invention is further illustrated in the following embodiment and in the drawing, in which Fig. 1 shows a diagram of a system for measuring absolute linear position in machines, Fig. 2 shows a Gray code pattern for n = 6.

P r z y k ł a d IP r z k ł a d I

Układ do pomiaru pozycji absolutnej liniowej w maszynach ma wzorzec 1 z dwoma sygnałami położenia, zgrubnym 2 i dokładnym 3, źródło światła 4 w postaci dwóch lamp LED oraz mikroprocesor połączony z dwoma czujnikami- liniowym 6 i obszarowym 7- w postaci kamer wyposażonych w optykę. Oba sygnały 2, 3 są w postaci graficznej reprezentacji kodu Gray'a. Liniowy czujnik 6 ma matrycę o wymiarach 1 x n pikseli. Obszarowy czujnik 7 ma matrycę o wymiarach m x n pikseli.The system for measuring the absolute linear position in machines has a pattern 1 with two position signals, coarse 2 and precise 3, a light source 4 in the form of two LED lamps and a microprocessor connected with two sensors - linear 6 and area 7- in the form of cameras equipped with optics. Both signals 2,3 are in the form of a graphical representation of a Gray code. The linear sensor 6 has a matrix of 1 x n pixels. Area sensor 7 has a matrix of m x n pixels.

Przed przystąpieniem do korzystania z układu według wynalazku należy go skalibrować wzorzec 1 względem punktu referencyjnego maszyny. Wzorzec 1, z sygnałami zgrubnym 2 i dokładnym 3 umieszcza się na korpusie wewnątrz maszyny w taki sposób aby wzdłuż całego wzorca mógł się przemieszczać element wykonawczy maszyny (stolik, łoże, itp.) w całym zakresie ruchu. Kalibracja polega na tym, że dla stolika maszyny umieszczonego w punkcie referencyjnym maszyny oznacza się w mikroprocesorze 5 punkt zerowy dla wzorca 1. Zewnętrznym urządzeniem pomiarowym (interferometr laserowy) mierzy się pozycję stolika. Następnie przesuwa się stolik w pozycję, w której liniowy czujnik 6 ma w polu widzenia początek zgrubnego 2 sygnału położenia i mierzy się interferometr laserowy przemieszczenie stolika względem poprzedniej pozycji. Równocześnie rejestruje się w mikroprocesorze powiązanie pomiędzy pozycją stolika odczytanym z interferometru laserowego a konkretnym sygnałem 2 odczytanym z wzorca 1. Czynności powyższe prowadzi się aż do zakończenia zakresu ruchu stolika. Następnie dokonuje się aproksymacji dla pozostałych punktów w dokładnym 3 sygnale położenia z wzorca 1.Before using the system according to the invention, it is necessary to calibrate the standard 1 in relation to the reference point of the machine. The pattern 1, with coarse 2 and precise 3 signals, is placed on the body inside the machine in such a way that the machine's actuator (table, bed, etc.) can move along the entire pattern in the entire range of motion. The calibration consists in determining the zero point for the standard 1 in the microprocessor 5 for the machine table placed at the reference point of the machine. An external measuring device (laser interferometer) measures the position of the table. The stage is then moved to a position where the line sensor 6 has the onset of the coarse position signal 2 in its field of view and the laser interferometer measures the stage displacement relative to the previous position. At the same time, the relationship between the position of the stage read from the laser interferometer and the specific signal 2 read from the pattern 1 is recorded in the microprocessor. The above activities are carried out until the end of the stage of motion of the stage. Then an approximation is made for the remaining points in the exact 3rd position signal from pattern 1.

Po kalibracji z układu korzysta się w ten sposób, że czujniki 6 i 7 zamocowane są do części ruchomej maszyny-wózka (nieuwidocznionego na rysunku). Obiema lampami LED 4 i 4' zamontowanymi razem z czujnikami 6 i 7 oświetla się pole widzenia 8 i 9 obu czujników 6 i 7. Z wzorca 1 odczytuje się dwa sygnały położenia, zgrubny 2 i dokładny 3, za pomocą dwóch czujników, liniowego 6 i obsz arowego 7. Tak odczytane sygnały 2 i 3 przekazuje się do mikroprocesora 5, w którym dekoduje się sygnały 2 i 3 położenia. Uzyskaną informację o położeniu przekazuje się do maszyny. Liniowy czujnik i ustawiony jest tak, że ma w polu widzenia wycinek 8 wzorca 1 z sygnałami 2, 3. Obszarowy czujnik i ustawiony jest tak, że w środku swojego pola widzenia 9 ma wycinek 8 wzorca 1 z sygnałami 2, 3.After calibration, the system is used in such a way that the sensors 6 and 7 are attached to the moving part of the machine-trolley (not shown in the figure). Both LED lamps 4 and 4 'mounted together with sensors 6 and 7 illuminate the field of view 8 and 9 of both sensors 6 and 7. From the standard 1 two position signals are read, coarse 2 and fine 3, using two sensors, linear 6 and area 7. The signals 2 and 3 read in this way are transferred to the microprocessor 5, in which the signals 2 and 3 of the position are decoded. The obtained position information is transmitted to the machine. Linear sensor i is positioned to have slice 8 of pattern 1 with signals 2, 3 in its field of view. Area sensor i is positioned such that in the center of its field of view 9 has slice 8 of pattern 1 with signals 2, 3.

Claims

Patent claims

1. The method of measuring the absolute linear position in machines by reading the absolute position of the machine element in relation to the pattern by a sensor and transmitting this reading to the machine control system, characterized by the fact that from a pattern calibrated in relation to the reference point of the machine (1), illuminated by a light source (4) , at least two position signals are read, coarse (2) and fine (3), using two sensors, linear (6) and area (7), in the form of cameras equipped with optics, and the signals read in this way are transmitted to a microprocessor ( 5), in which the position signals (2, 3) are decoded and the obtained position information is transmitted to the machine, where the linear sensor (6) with a matrix with dimensions of 1 xn pixels is set in such a way that it has a segment (8) in the field of view ) of the pattern with signals (2, 3), and the area sensor (7) with a matrix with dimensions of mxn pixels is set so that in the center of the field of view (9) there is a section (8) of the pattern with signals (2, 3), while the signals positions (2, 3) is used as a graphical representation of Gray code.

2. The method according to p. 1, characterized in that the calibration of the standard consists in marking the zero point for the standard (1) in the microprocessor (5) for the machine table placed at the reference point of the machine, and with an external measuring device the position of the table is measured, then the table is moved in the position in which the linear sensor (6) has the beginning of the coarse (2) position signal in the field of view and the displacement of the table from the previous position is measured with an external measuring device, while the movement of the table and the measurement of its displacement are carried out until the end of the table's range of movement, where the measuring points are registered in the microcontroller (5) connected with the connections with the pattern (1) and coarse (2) and precise (3) signals.

3. The method according to p. The method of claim 2, wherein the external measuring device is a laser interferometer.

4. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that the line sensor (6) and the area sensor (7) operate asynchronously at the same sampling rate but with a phase shift.

5. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that LED lamps are used as the light source (4).

6. An absolute linear position measuring system in machines comprising a standard and a sensor, characterized in that it comprises a pattern (1) with at least two position signals, coarse (2) and fine (3), both in the form of a graphical representation of the Gray code , a light source (4), a microprocessor (5) connected to two sensors in the form of cameras equipped with optics, the linear sensor (6) having a matrix with dimensions of 1 xn pixels and positioned so that it has a segment (8) in the field of view of the pattern with the signals (2, 3), and the area sensor (7) has a matrix with dimensions of mxn pixels and is positioned so that in the center of the field of view (9) there is a slice (9) of the pattern with the signals (2, 3).

7. The system according to p. 6. The method of claim 6, characterized in that the light source (4) is in the form of an LED lamp.