CN1526066A - 感应式位置检测器 - Google Patents

Abstract

本文介绍了一种感应式位置检测器(10)，它包括具有一个纵轴并容纳着一系列的磁性珠(22)的标尺(20)和一个可相对于该标尺(20)移动的传感器(30)。该传感器(30)包括用于在标尺(20)中感生磁场的装置。沿着标尺(20)，在轴向间隔的多个位置上设置有多个磁性标志件(23)。当传感器(30)沿着标尺(20)移动时，所检测到的磁性标志件(23)的格局使得该传感器的位置能够得到确定。

Description

感应式位置检测器

技术领域

本发明涉及感应式位置检测器，特别是GB1513567中所介绍的那些类型的感应式位置检测器及其改进型。这样的装置典型地是安装在机床上的，并且能够用于判定机床头部相对于工件的位置。

背景技术

这种类型的检测器包括一个细长的磁性元件，在垂直于该元件的纵轴的方向上，该磁性元件存在周期性的尺寸变化。该元件典型地是一系列以点触方式排列成一条直线的钢珠。围绕着该磁性元件并沿着其长度方向行进的传感器用于感应该元件中的磁场。该磁性元件尺寸的周期变化导致能够检测到磁场的周期变化，并且同样地，提供了相应的周期性变化的信令，这些信令可以用于判定元件相对于传感器的相对位置。在使用中，将该元件和传感器设置在机床上，以测量，例如，机床头部相对于工件的位置。

目前，实际位置是参照单一基准点来确定的，该基准点位于位置检测器之外并与位置检测器分开。该基准点的位置还以下述的方式手工地编程到检测器中。在为基准点编程之前，机床操作者确定一个基准点，典型地是在机床自身上确定的，并将检测器移动到这个基准点上。在这个基准点上，对用于确定元件和传感器之间的相对位置的上述信令进行分析并对其进行记录。由于该信令随着位置周期性地变化，因此检测器需要记录它已经行进通过了多少个周期以及它处于哪一个具体的周期上。

每次关闭位置检测器都需要重新设置基准点，例如，在每个工作日结束时都要关闭检测器。这样是很不方便的，将会导致错误并且造成时间的浪费，尤其是如果机床正在中途对一个工件进行处理。

发明内容

因此，本发明给出了一种感应式位置检测器，该感应式位置检测器包括：一个具有纵轴的第一构件，第一构件具有一个由磁性材料制成的元件，该元件在该纵轴的方向上延伸且在垂直于该纵轴的方向上具有周期性变化的尺寸；以及一个可沿着该纵轴相对于该第一构件进行运动的第二构件，第二构件包含用于在所述元件中感生磁场的装置，其中在该第一构件上设置有一个可检测的参考标志件，该参考标志件与所述元件不同。

由于基准点位置是固定在检测器中的，用户不再需要选择一个特定的基准点并执行一遍为基准点进行手工编程的过程了。因此，降低了在为基准点编程的过程中出现人为错误的可能性。而且，可以将为基准点编程实现为一个自动过程，而不要求用户干预。因此，可以更加迅速地完成该项作业。

现有技术中的设备依靠对位置的递增量进行记录来确定相对于基准点的实际位置。因此，如果缺失了任何读取值，就将会导致误差的产生。当传感器移动了一个显著距离时，这些误差会累加并变得很严重。

具体讲，当使用多个钢珠作为磁性元件时，总位置值是通过计算从基准点进给的珠的数量以及沿着每个球上的位置来确定的，其中前者这里称为节距计数而后者这里称为位计数。因此该节距计数是相对较低精度的测量，而位计数是一个高精度的测量。不过，如果该元件移动得过于迅速以至于无法由检测器记录其变化的话，将会在节距计数中产生一个误差，并且该误差能够导致所测得的实际位置的严重误差。

而且，单一参考基准点通常定位在传感器沿着元件行进的一端处。因此，在基准点被设定且传感器返回原位之前，该传感器需要从原位移动到基准点位置上，这可能是数米远。该传感器移动得越远，上面所提到的误差发生的机会越大。

优选地，可以为该位置检测器设置多个轴向上间隔开的标志件。这使得该位置检测器无需回到专门的唯一位置去重置基准点就能够确定其基准点。

为了能够做到这一点，该检测器需要某些额外的信息以使其能够判定它正在检测哪个标志件。

实现这一目的的一种方式是将这些标志件定位在围绕磁性元件的圆周的不同的角坐标上，因此给出了不同的特征信号。

在另一个例子中，可以将这些标志件定位得在相邻的标志件之间具有不均匀的间隔。在知道了沿着第一构件的长度间隔开的每个非均匀标志件的轴向位置的前提下，检测器能够将相邻构件的特定的间隔或间隔的组合识别为沿着所述元件的特定位置的特征。因此，无需行进长距离去找到基准点就可以确定位置。

非均匀间隔可以是随机的或不规则的间隔，只要让检测器知道就可以了。不过，最好每个相邻标志件之间的间隔都是一个定值的倍数。这样，在每个等于该定值的间隔处，检测器将会检测到标志件的存在或者注意到标志件不存在。这实质上产生了一个二进制编码。通过适当排列这些标志件，对于元件的每一部分可以确定唯一的二进制编码段。使得每个二进制编码段唯一所需的位数将取决于元件的长度以及标志件之间的间隔。不过，该检测器将总是仅需要直接对相对较少的标志件进行检测来确定这个唯一编码。该技术还产生了非常适于数字电路的信令。

如果该定值等于元件的周期性变化尺寸的周期的话，可以使为确定检测器的位置而进行的信号处理变得简单。

每个标志件的长度最好小于变化的元件周期尺寸。这样，当对一个标志件进行检测时，不需要给出有关标志件位置的精确信息。如果不是这样，可以提供一个其中出现最小尺寸的“窗口”。于是可以根据由感应元件给出的信号确定精确位置。

当使用多个标志件时，这些标志件可以引发彼此不同的特征信号。并不是仅限于必须对标志件之间的间隔进行检测，在标志件之间进行辨别的能力使得单个标志件提供更多的位置信息成为可能，并因此提高了检测器的适应性。因此在元件上的一个给定长度范围内可以给出更多的位置信息。

提供不同的特征信号的一种非常简便的方法是：标志件是磁性的并且将它们定位得：对于某些标志件，北极是可检测的，而对于其它的标志件，南极是可检测的。当这些标志件以一定值的倍数间隔开时，这些磁性标志件可以方便地用于提供基数为三的信号(base three signal)，因此减少了提供唯一信号所需的标志件的数量。

能够对标志件进行检测的一种方法是使它们从单一的检测器下面通过。倘若第一和第二构件之间的相对运动速度或行进距离已知，那么就可以确定每一个标志件的位置了。不过，最好是，设置多个沿轴向间隔开的标志件检测器。这使得仅通过第一和第二构件之间的一次较短的相对运动就能够同时地检测到多个标志件的存在。

在标志件是以与周期性变化的元件尺寸的周期相等的定值的倍数的距离间隔开的情况下，最好将检测器以与周期性变化的尺寸的周期相等的间隔均匀地隔开。通过这样安排，最大为一个周期的相对运动就可以保证每个标志件都会被标志件检测器检测到。

在这种排列方式的一种改进方式中，当标志件沿轴向偏离标志件检测器时，每个标志件都产生一个可由标志件检测器检测到的信号是比较好的。这样，将能够判定标志件是否位于两个检测器之间，而无需标志件和检测器之间进行任何相对运动。这提供了一个真实绝对位置检测，是由于当检测器开启时，就能够立即确定出其绝对位置，而不用构件间进行相对运动。由标志件检测器所进行的标志件的检测使得检测器能够建立其绝对节距计数，同时由元件产生的感应信号使其能够在节距范围之内确定位计数。因此该检测器能够设置一个精密绝对基准点。

在一个优选实施例中，标志件是以包含一系列预定长度的段的序列的方式定位的，在每个段中，标志件的排列方式是唯一的。通过这种方式，一旦检测到了一个段中的标志件的排列方式，那么就可以得到一个代表位置的唯一信号。

如果所提供的检测器的数量足够用于检测任一段中的标志件的排列方式，而无需检测器和标志件之间进行相对运动，则这种情况是较好的。这保证了绝对位置检测，其中检测器即使在静止的情况下也能够检测到唯一位置信号。为了实现这一方案，较方便的做法是，使所提供的检测器的数量大于一个段中的标志件的最大数量。通过这种方法，总是存在一个检测器充分接近该段中的各个标志件，以确保能够检测到强信号。

最好，该位置检测器还包括用于以下操作的装置：即判断多个检测器中的哪一个定位得最接近一个段中的各个标志件，从而仅采用那些处于读取最强信号的最佳位置的检测器来产生位置。一个这样的实施例使用了位计数的分组(clasiffication)来从多个检测器中选取检测器的一个最佳子集，其中该分组是从感应元件得来的。

由磁性材料制成的元件可以包括以点触方式一个挨一个地布置的一系列基本上一样的球形珠，并且对这些球形珠加以约束以防止彼此之间的相对运动。在这样的排列方式中，各个标志件可方便地位于套在相邻珠之间的环中。

附图说明

现在将参照附图对本发明的优选实施例进行介绍，其中：

图1表示根据本发明的一个实施例的位置检测器，该位置检测器具有多个标志件和一个单个的标志件检测器；

图2表示根据本发明的另一个实施例的位置检测器，该位置检测器具有多个标志件和多个标志件检测器；

图3表示根据第三实施例的位置检测器，它与图2类似，只是具有标志件检测器的另一种结构；和

图4表示根据第四实施例的位置检测器，具有一个检测器阵列，并且标志件能够给出彼此不同的信号；和

图5是根据本发明的第五实施例的用于位置检测器的标尺的横截面图。

具体实施方式

如图1所示的位置检测器10包括一个沿纵向延伸的标尺20和一个传感器30。该传感器30围绕着标尺20并且可以沿着标尺20的长度方向移动。

标尺20包括一个由非磁性材料制成的管子21，该管子21容纳着一系列的磁性珠22，这些磁性珠22以点触方式容纳在该管子21中，并且它们被约束以防止这些珠22间的相对运动。传感器30包括多个发射线圈(未示出)和多个拾波线圈(未示出)。这些发射线圈用于沿着这些珠22的触点的连线感生一个磁场，而安排这些拾波线圈来检测随着这些珠22相对于这些拾波线圈的运动而发生的磁场变化。检测器电路(未示出)用于对信令进行分析，以给出位置信息。在本领域中，这样的装置是公知的，并且在GB1513567中已经介绍了一种这样的装置。具体来讲，总位置值是通过对从基准点横穿而过的珠22的数量进行计数再结合沿着每个珠22上的位置而求出的，其中前者称为节距计数，而后者称为位计数。节距计数是精度相对较低的测量而位计数是一个高精度测量，位计数在节距内是绝对的。

如图1所示，在传感器30中设置有一个诸如霍尔效应传感器这样的单标志件检测器31。沿着标尺20在轴向间隔位置上设置有多个磁性标志件23。每个标志件23是定位在与两个相邻的珠22间的触点相对齐的轴向位置上的。从图1中可以观察到，这里有足够的空间供这些标志件23进行定位，代表性的定位方式是将这些标志件封装在塑料环(未示出)中，这些塑料环套在磁性珠22之间，但并不与这些磁性珠22干涉。

标志件23仅设置在某些珠22之间，而并不是设置在每个珠22之间。因此，这些标志件23是按照等于标尺20节距的倍数的间隔进行定位的，该节距就是这些珠22的直径。

没有标志件23的情况下就不向标志件检测器31提供信号(0)，反之，有标志件23的情况下就提供信号(1)。因此在传感器30在标尺20上进行扫描时，在每个等于一个珠直径(一个节距)的间隔处，该标志件检测器31会检测到标志件23的存在与否，从而建立一个唯一的二进制信号，该信号对应于标志件23的特征排列。

这些标志件排列得能够给出一个二进制序列，该二进制序列可以看作是由一系列交迭的段组成的，每个段具有给定数量的数字。可以产生这样一个二进制序列：在给定的可能的最大长度之内，段不发生重复。如果一个段由8个数组成，那么在段发生重复之前，可以产生一个28＝256个段的二进制序列。

试举一例，如果序列由，比如，101100111010…起始，那么第一个8位数段是10110011。向前移动一个节距到下一段的起点，该第二个段是01100111。再向前移动一个节距，第三个段是11001110，依此类推。在标尺20的长度范围之内，这些段的每一个都是唯一的。

因此，在知道了沿着标尺20的二进制序列是什么的基础上，一旦检测器31检测到了任何一个8位段，通过确定该特征段出现在已知的序列中的什么位置，就能够确定出其相对于标尺20的位置了。

图2中示出了本发明的一个改进方案。在这个方案中，设置了数个标志件检测器31。为方便起见，标志件检测器31的数量等于确定特定的特征排列所需的二进制码段中的数字的数量。在这个方案中，二进制码段是8位长，因此有8个标志件检测器31。因此，为了能够读出一个完整的段并从中确定一个位置，传感器30最大仅需移动一个节距长度(即，一个珠直径)的距离。

在图3所示的实施例中，设置了多个类似检测器31。它们是以小于磁性珠22的节距的间隔进行定位的。类似检测器的使用使得即使当标志件23没有与检测器31完全对齐时也能够检测到该标志件23的存在。而且，检测器31所检测到的信号的强度与其距标志件23的轴向距离成反比变化。因此，这些检测器31总是能够判定出与它们相邻的那部分标尺20中的标志件23的排列方式，而无需传感器30与标尺20之间进行任何相对移动。因此，这个布置方式提供了真正的绝对位置检测。

在图4中所表示的另一个实施例中，使用了可以给出彼此区别的特征信号的多个标志件23。在这个例子中，使用了多个磁性标志件23，并且将这些磁性标志件23定位成，使得能够检测到北极或南极。这样，即使当检测器31没有与这些标志件完全对齐时，这些检测器31也能够检测到标志件不存在(0)、北极(1)或南极(2)。这给出了一个基数为3的编码，而不是二进制编码。

如上面所述，必须选择具有给定位数的编码段来代表一个具体的位置。为了实现绝对位置检测，在标尺20的整个长度范围内的编码段必须不重复。如果使用适当的数学算法来产生一个进而用于定义多个标志件位置的伪随机序列，就可以满足这一条件。较之二进制编码，基数为3的编码的优点是，对于具有给定位数的码段来讲，在特定的段出现重复之前，可以产生一个更长的伪随机序列。因此，可以使用更长的标尺20。

不过，对于码段来讲，具有太大的位数是不理想的，因为随着位数的增加，在检测器31不沿着标尺20进行相对运动的情况下，需要更多数量的检测器31来读取段。

在一个优选实施例中，所选择的码段长度是6位数。因此可以产生一个具有3⁶＝729个唯一码段的基数为3的序列。

为了能够在任意点处检测6位码段，使用了紧密封装在阵列32中的多个检测器31，该阵列32足够跨越标尺20中的磁性珠22中的至少六个。此外，为了在即使检测器31没有与标志件23完全对齐的情况下，最有效地检测到标志件23(或标志件不存在)，如果阵列32所包含的检测器31的个数比将要检测的码段的位数多将是比较好的选择。利用表示出一个珠22上的精确位置的高精度位计数测量值，可以选定阵列32中的那些被最佳定位得可以检测出来自一个特定段中的标志件23的最强信号的检测器31来给出码段，而将来自其余的检测器的信号滤除。典型地，将位计数(即，指出一个珠上的位置)分为一系列的组，且检测器31的一个特定子集与每个组相对应。这样，如果位计数落入一个给定组中的话，那么可以选择检测器31的适当子集来检测来自标志件23的信号。

在一个优选实施例中，该阵列32包括16个检测器31，并且足够地长，以致能够拾取到横跨7个节距长度的信号。因此，可以检测到两个6位码段。再一次，利用高精度位计数测量值来表示一个珠22上的精确位置，就能够确定阵列32最接近两个连续的6位码段中的哪一个，即哪一个码段处于最佳位置以进行检测。因此，从一个6位码段到下一个的转换与位计数测量值具有相同的精度。

通过确保整个码段可以由阵列32一次全部读出而无需移动传感器30，本实施例给出了绝对位置检测，即，该装置总是能够确定其准确位置，即使撤除并恢复了电源，同时在电源缺失期间发生了移动。

图5表示本发明的另一个实施例，其中，在沿着标尺20的一些位置上，围绕标尺20的圆周，在不同角坐标上设置有一个或多个标志件23。在这个例子中，在0°、45°和90°角处出现了3个标志件23。不过，可以在其它的角坐标上设置更少的或更多的标志件。按照标志件23的这种排布方式，提供了一种不同的特征信号。这样，每个特征信号给出了标尺20上的一个基准点。

可以在沿着标尺20的相对少的轴向位置上安排这样一些标志件23来提供一系列基准点，从而检测器3 1仅需移动相对短的距离就可以确定一个基准点。这不会提供绝对位置检测，但是这是一种比较简单的排列方式。

作为备选方案，在较大数量的位置中的每一个上都可以使用较大数量的标志件23，从而可以在任意点上检测到足以指示出位置的特征信号。这样的排列方式比较复杂，但是可以提供绝对位置检测。

应当注意的是，在所有上面所提到的情况中，通过检测检测器31的位置而给出的信息给出了较低精度的检测结果，但是却给出了有关唯一位置的信息。因此，通过对来自磁性珠22的感生信号和由标志件23产生的唯一信号进行分析，位置检测器能够高精度地确定其唯一位置。

Claims (18)

1.一种感应式位置检测器，包括：一个具有纵轴的第一构件，该第一构件具有一个由磁性材料制成的元件，该元件在该纵轴的方向上延伸且在垂直于该纵轴的方向上具有周期性变化的尺寸；以及一个可沿着该纵轴相对于该第一构件进行运动的第二构件，该第二构件包含用于在所述元件中感生磁场的装置，其中在该第一构件上设置有一个可检测的参考标志件，该参考标志件与所述元件不同。

2.根据权利要求1中所述的位置检测器，包括多个标志件。

3.根据权利要求2中所述的位置检测器，其中将这些标志件定位得在相邻的标志件之间具有不均匀的间隔。

4.根据权利要求3中所述的位置检测器，其中相邻的标志件之间的各个间隔是一个定值的倍数。

5.根据权利要求4中所述的位置检测器，其中该定值等于所述周期性变化的元件尺寸的周期。

6.根据权利要求2-5中任一项所述的位置检测器，其中这些标志件产生彼此不同的特征信号。

7.根据权利要求6中所述的位置检测器，其中这些标志件是磁性的并且将这些标志件如此定位：对于某些标志件来说，北极是可检测的，而对于其它标志件来说，南极是可检测的。

8.根据权利要求6中所述的位置检测器，其中不同的特征信号是由安排在围绕着所述元件的纵轴的不同位置上的各个标志件提供的。

9.根据前述任一项权利要求所述的位置检测器，其中所述或各个标志件的位置是与变化的元件尺寸的最小尺寸相对应的。

10.根据前述任一项权利要求所述的位置检测器，包括多个在轴向上隔开的标志件检测器。

11.根据权利要求10的在从属于权利要求5时的位置检测器，其中这些标志件检测器是以等于所述周期性变化的元件尺寸的周期的间隔均匀地隔开的。

12.根据权利要求10或11所述的位置检测器，其中当每个标志件沿轴向偏离一标志件检测器时，该标志件产生一个可由该标志件检测器检测到的信号。

13.根据权利要求2-12中任一项所述的位置检测器，其中这些标志件是以一个含有一系列具有预定长度的段的序列的方式定位的，在这些段的每一个中，标志件的排列方式是唯一的。

14.根据权利要求13中所述的位置检测器，其中所提供的检测器的数量足够用于在无需在检测器和标志件之间进行相对运动的情况下对任一个段中标志件的排列方式进行检测。

15.根据权利要求14中所述的位置检测器，其中检测器的数量大于一个段中的标志件的最大数量。

16.根据权利要求16中所述的位置检测器，还包括用于判断多个检测器中的哪一个的位置最接近一段中的标志件的装置。

17.根据前述任一项权利要求所述的位置检测器，其中由磁性材料制成的元件包括以点触方式在一条直线上一个挨一个地布置的一系列基本上一样的球形珠，并且对这些球形珠加以约束以防止彼此之间的相对运动。

18.根据权利要求17中所述的位置检测器，其中所述或各个标志件位于套在相邻珠之间的环中。

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