TWI451066B - Displacement sensor and displacement detection method - Google Patents

Description

位移感測器及位移檢測方法

本發明係關於一種檢測機床之頭部、工件、傳送裝置、搬送台車等移動體之位移之位移感測器及位移檢測方法。

本發明者等人開發了一種測定機床之頭部、傳送裝置、搬送裝置、搬送台車等之位移的位移感測器(專利文獻1：JP2003-139563A，專利文獻2：JP2009-2660A)。於專利文獻1中，於吸附搬送裝置等之軸上交替地設置有磁性部與非磁性部，以1個磁性部與1個非磁性部作為1個標記，且沿軸設置複數個標記。其被施加交流電流作為例如，包含4個線圈朝向1次側線圈之輸入信號。若求出來自與1次側線圈並列地配置之例如，4個2次側線圈之輸出信號與輸入之交流電壓之相位差，則相位差表示標記基準之位移。於專利文獻2中，1次側之線圈與2次側之線圈無區別，向由串聯地連接之線圈所構成之線圈陣列施加交流電流作為1次側之信號，並將線圈間之連接點之電位作為2次側之信號。而且，同樣地根據1次側與2次側之信號之相位差求出標記基準之位移(移動體之位置)。

專利文獻2係詳細地說明相位差之檢測。若將交流電壓之波形設為sinωt，則自線圈取出之信號為a‧cosθ‧sinωt及a‧sinθ‧sinωt之2組，θ為相位差，且以0～2π之範圍表示相對於標記之相對位置。若使a‧sinθ‧sinωt之信號之相位前進90度而成為a‧sinθ‧cosωt，並與a‧cosθ‧sinωt相加，則藉由加法定理，可獲得信號a‧sin(θ+ωt)。若於輸入信號sinωt與0交叉之時間點重置計數器，於信號a‧sin(θ+ωt)與0交叉之時間點鎖存計數器，則可獲得θ，θ表示位移。於首先信號a‧sin(θ+ωt)與0交叉之情形時，求出其後至信號sinωt與0交叉為止之時間差。

如上述般，藉由0交叉而求出θ，故而於所輸入之交流信號之1個週期內僅可求出1次或2次位移。於不使用0交叉之情形時，為了檢測相位差，亦限定每1週期之檢測次數。於每單位時間內求出位移之次數較少，係對於機床之頭部或工件之移動、物品之移行、搬送裝置、搬送台車之控制等而言存在問題。於該等系統中，頭部之移動、搬送裝置之移動等之伺服系統自位移感測器接受位移，根據與目標位移，即，與作為目標之位置之誤差而進行控制。因此，必須以較短之時間週期求出位移，尤其是相較於配合位移感測器側之狀況定期地求出位移，更需要配合伺服系統中之控制週期而求出位移。

[專利文獻]

專利文獻1：JP2003-139563A

專利文獻2：JP2009-2660A

本發明之課題在於當自外部求出位移之輸出的情況下，可不產生由位移感測器側之檢測週期所引起之延遲而輸出位移。

本發明之另一課題在於可更高速地，尤其不產生由運算所引起之延遲而可輸出位移。

本發明係一種位移感測器，其藉由輸入信號波形與輸出信號波形之相位差而檢測位移，其特徵在於包括：計時器，當感測器檢測位移，則輸出檢測時刻；儲存部，將至少過去2次之所檢測出之位移與檢測時刻共同儲存；運算部，當自外部求出輸出的情況下，則根據至少過去2次之位移、檢測時刻及上述所求出輸出之時刻，將至少過去2次之位移外插至當前之位移並輸出。

又，本發明係一種位移檢測方法，其係藉由輸入信號波形與輸出信號波形之相位差，利用位移感測器而檢測位移之方法，其特徵在於包括如下步驟：當感測器檢測位移時，則藉由計時器求出檢測時刻；將至少過去2次之所檢測出之位移與檢測時刻共同儲存；當自外部求出輸出的情況下，則根據至少過去2次之位移、檢測時刻及上述所求出輸出之時刻，將至少過去2次之位移外插至當前之位移並輸出。

於藉由輸入信號波形與輸出信號波形之相位差而檢測位移之位移感測器中，由於使用相位差，故而輸入信號之每1週期僅可檢測例如1次位移。相對於此，於藉由位移感測器之信號而進行控制之外部之伺服系統等中，於對應於伺服系統內之控制週期之時間點需要當前位置，並且控制週期一般比位移感測器中之週期短。因此，並非縮短位移感測器之檢測週期、或於位移感測器內始終對當前位置進行內插，而是將自外部求出輸出作為觸發，根據過去2次之位移、檢測時刻及上述所求出輸出之時刻，將當前之位移外插並輸出。如此，可對來自外部之伺服系統之要求即時地輸出位移。又，由於無需縮短位移感測器內之檢測週期，且並非於要求始終對於當前之位移進行外插時輸出，故而外插亦可藉由簡單之電路進行。

較佳為上述運算部將過去2次之位移設為Di、Di-1，將過去2次之檢測時刻設為ti、ti-1，將上述所求出輸出之時刻設為r，將當前之位移設為Dr，並藉由

Dr=Di+(Di－Di-1)×(r－ti)/(ti－ti-1)

而進行運算。由於上述之運算較為簡單，故而可高速地進行，且與使用較過去更長之範圍內之資料之情形相比，不存在由平均化所引起之延遲。

尤佳為將運算部中之運算延遲設為τ，運算部求出於時刻r+τ下之位移作為上述當前之位移。若如此，則可使運算延遲之影響實質上為0。自外部之伺服系統等看來，雖然於時刻r要求位移，於時刻r+τ接受位移，但可接收與時刻r+τ下之實際之位移極其接近之資料。

以下表示用以實施本發明之最佳實施例。本發明之範圍應基於申請專利之範圍之記載，參考說明書之記載及該領域中之眾所周知之技術，並根據本領域從業人員之理解而定。

[實施例]

將實施例之線性感測器2示於圖1～圖4。線性感測器2包含線性感測器本體4與運算部6，以檢測外部之磁性標記8基準之位移。10係伺服系統，且係機床之頭部之驅動、工件之驅動、傳送裝置之驅動部、吸附搬送裝置之驅動部、搬送台車之移動控制部等。伺服系統10針對線性感測器2，於時刻r要求當前位置，由於存在延遲τ，故而於時刻r+τ接收當前位置Dr而進行位置控制、速度控制等。於伺服系統10側，於每個內部之控制週期比較當前位置與目標位置，並以消除位置誤差之方式產生速度指令等。因此，要求當前位置之時刻r係以伺服系統10側之狀況而定，並非以線性感測器2側之狀況而定。

此處，磁性標記8係沿軸9之長度方向交替地排列非磁性標記12與磁性標記13而成者，且以檢測軸9之位移之方式構成。然而，亦可沿轉盤等之圓周配置標記、或者亦可沿移動軌道等配置標記。線性感測器本體4包含線圈陣列14與1次側之交流電源18，以sinωt來表示交流電源之輸出電壓波形。自線圈陣列14取出例如4個信號，將其中2個信號輸入至運算放大器20，將其他2個信號輸入至運算放大器21。於信號處理部22對來自運算放大器20、21之輸出信號進行信號處理，藉此求出標記基準之位移。

將信號處理部22之構成示於圖2。於線圈陣列14中，將例如4個1次側線圈16串聯地連接，交流電源18輸入頻率例如為10 kHz～20k Hz左右之交流電流。又，於信號處理部22中，交流電源18之輸出成為0之時間點，即成為ωt=nπ(n為自然數)之時間點較為重要，故而於ωt=nπ時輸出重置信號。與1次側線圈16並列地配置有例如4個2次側線圈17，將利用標記12、13對由流過1次側線圈16之電流所引起之感應電動勢進行調變而成者作為信號而取出，並向運算放大器20、21輸入。自運算放大器20可獲得例如a‧sinθ‧sinωt之信號，自運算放大器21可獲得a‧cosθ‧sinωt之信號。此處，將1次側線圈16與2次側線圈17設為不同體，但如專利文獻2所示般，亦能夠以相同之線圈兼用兩者。

轉換部23將a‧sinθ‧sinωt之信號轉換為a‧sinθ‧cosωt之信號。例如藉由包含記憶體之延遲電路構成轉換部23，對於sinωt延遲1/4週期之信號，進而使符號反轉。並不限於此種方法，亦可使運算放大器20之信號與cotωt相乘。加法器24將a‧cosθ‧sinωt之信號與a‧sinθ‧cosωt之信號相加，並藉由加法定理而輸出a‧sin(ωt+θ)之信號。亦可形成a‧sin(ωt－θ)來代替a‧sin(ωt+θ)。時鐘電路25產生時鐘信號，計數器26統計時鐘信號，並根據來自交流電源18之重置信號而重置統計值。而且，於來自加法器24之信號為0之時間點進行鎖存。由於重置信號於sinωt=0時產生，鎖存信號於sin(ωt+θ)=0時產生，故而該等間之時差表示θ，θ係將標記作為基準之位移。如上述般，可於交流信號之1個週期之間檢測例如1次或2次位移。

27為計時器，其統計來自時鐘電路25之時脈而求出時刻，並藉由來自加法器24之鎖存信號而鎖存計時器27內之輸出緩衝之時刻。位移θ係於每組標記12、13中所產生之資料，藉由修正部29而以標記之位置(偏移)修正θ，且根據標記求出獨立之位移Di。28係記憶體，其成對儲存位移Di與檢測出第i號之θ之時間點的時刻ti。

將運算部6之構成示於圖3。31係感測器介面，且為與線性感測器本體4之介面，32係伺服介面，且為與伺服系統之介面。33係運算單元，34係記憶體，其儲存自伺服系統側具有位移之輸出要求之時刻r。35係記憶體，其儲存過去至少2次之位移與時刻之成對資料(Di、ti)、(Di-1、ti-1)。記憶體36儲存當前位置之運算所必需之中間資料，具體而言，儲存(Di－Di-1)/(ti-ti-1)。

假設自伺服系統側對伺服介面32要求位移之輸出。記憶體34自線性感測器本體之計時器始終接收當前時刻r，並利用來自伺服介面32之信號鎖存當前時刻r。感測器介面31根據來自線性感測器本體之加法器之鎖存信號(0交叉信號)，自線性感測器本體之記憶體接收最新之位移、及其檢測時刻之成對(Di、ti)，並將其儲存於記憶體35中。記憶體35係例如2組資料之環形記憶體，每產生0交叉時將舊資料替換為新資料。於記憶體36中，儲存根據記憶體35之資料並利用運算單元33所求出之中間資料。

運算單元33係藉由Dr=Di+(Di－Di-1)(r－ti)/(ti－ti-1)而求出時刻r之位移Dr，並將位移Dr自伺服介面32輸出。如此，若伺服系統要求當前之位移，則利用運算單元33運算Dr，以延遲時間τ來回答。運算所必需之資料亦可隨時自線性感測器本體取得，於實施例中係預先儲存於記憶體35、36來縮短處理時間。尤其，儲存(Di－Di-1)/(ti－ti-1)而將處理高速化。

於運算單元33中，為了運算當前之位移Dr，必須進行例如1次乘法，1次加法。由此產生微小之時間延遲τ。為了解決該問題，利用記憶體34，儲存r+τ來代替實際之時刻r，求出時刻r+τ之位移來代替時刻r之位移Dr，並作為位移Dr輸出。又，記憶體35、36之資料之更新等，係於處理來自伺服系統側之位移之要求後的閒置時間進行。運算部6可藉由數位信號處理器或現場可程式閘陣列、或者單晶片微處理機等而實現。

將實施例中之時刻與指示值(所輸出之當前之位移)示於圖4。例如於時刻ti-1求出位移Di-1，於時刻ti求出位移Di。若於時刻ti與下一信號之間之時刻r要求當前之位移Dr，則將時刻ti-1與時刻ti之信號外插而作為位移Dr輸出。於如上述般，將運算部6中之運算延遲作為問題之情形時，由於與運算延遲相當之時間τ大致固定，故而輸出時刻r+τ下之位移來代替當前之時刻r。

於實施例中，將過去2次之位移與時刻外插而求出當前之位移。作為替代，亦可儲存例如過去3次之位移與時刻，並利用二次曲線外插至當前之位移。例如，當根據位移Di、Di-1、Di-2與時刻ti、ti-1、ti-2而利用二次曲線推斷當前之位移時，進行以下之處理。將加速度a設為(Di－Di-1)/(ti－ti-1)－(Di-1－Di-2)/(ti-1－ti-2)。將基於加速度之位移之變化部分h設為h=a/2‧(r－ti)₂ 。繼而，將基於加速度之修正h，與如上述般利用一次函數進行外插之當前之位移之推斷值相加。

於實施例中，對由磁性標記與線圈之組合所構成之線性感測器進行了說明。然而，作為替代，亦可將利用交流對光強度進行調變而成之雷射信號作為1次側信號，檢測反射光之相位與1次側之相位的相位差。又，亦可藉由正弦波對超音波信號進行調變，檢測1次側之超音波信號與反射波之超音波信號的相位差。

藉由實施例可獲得以下之效果。

(1)於伺服系統等外部之系統所要求之時間點，可不產生由位移感測器之輸入信號週期所引起之延遲，而輸出當前之位移。

(2)若藉由一次之運算求出當前之位移，則可藉由微小之計算量迅速地求出當前之位移。

(3)若修正運算部之延遲τ，則以時刻r+τ來替換時刻r，藉此可簡單地修正運算延遲之影響。

2．．．線性感測器

4．．．線性感測器本體

6．．．運算部

8．．．磁性標記

9．．．軸

10．．．伺服系統

12．．．非磁性標記

13．．．磁性標記

14．．．線圈陣列

16．．．1次側線圈

17．．．2次側線圈

18．．．交流電源

20、21．．．運算放大器

22．．．信號處理部

23．．．轉換部

24．．．加法器

25．．．時鐘電路

26．．．計數器

27．．．計時器

28．．．記憶體

29．．．修正部

31．．．感測器介面

32．．．伺服介面

33．．．運算單元

34～36．．．記憶體

圖1係實施例之線性感測器及其周圍之方塊圖。

圖2係自實施例之線性感測器之線圈陣列至信號處理部為止之方塊圖。

圖3係實施例之線性感測器之運算部的方塊圖。

圖4係表示實施例之線性感測器中之位置信號之外插的圖。

6．．．運算部

31．．．感測器介面

32．．．伺服介面

33．．．運算單元

34～36．．．記憶體

Claims (4)

1. 一種位移感測器，其藉由輸入信號波形與輸出信號波形之相位差而檢測位移，其特徵在於包括：計時器，當感測器檢測到位移時，則輸出檢測時刻；儲存部，將至少過去2次之所檢測出之位移與檢測時刻共同儲存；運算部，當自外部求出輸出的情況下，則根據至少過去2次之位移、檢測時刻及上述所求出輸出之時刻，將至少過去2次之位移外插至當前之位移並輸出。
2. 如申請專利範圍第1項之位移感測器，其中，上述運算部係將過去2次之位移設為Di、Di-1，將過去2次之檢測時刻設為ti、ti-1，將上述所求出輸出之時刻設為r，將當前之位移設為Dr，藉由下式進行運算：Dr=Di+(Di－Di-1)×(r－ti)/(ti－ti-1)。
3. 如申請專利範圍第2項之位移感測器，其中，將運算部中之運算延遲設為τ，運算部係求出時刻r+τ下之位移作為上述當前之位移。
4. 一種位移檢測方法，其係藉由輸入信號波形與輸出信號波形之相位差，利用位移感測器而檢測位移之方法，其特徵在於包括如下步驟：當感測器檢測到位移，則藉由計時器求出檢測時刻；將至少過去2次之所檢測出之位移與檢測時刻共同儲存；當自外部求出輸出的情況下，則根據至少過去2次之位移、檢測時刻及上述所求出輸出之時刻，將至少過去2次之位移外插至當前之位移並輸出。