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TWI548960B - 線性位置測量系統 - Google Patents

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TWI548960B
TWI548960B TW101120581A TW101120581A TWI548960B TW I548960 B TWI548960 B TW I548960B TW 101120581 A TW101120581 A TW 101120581A TW 101120581 A TW101120581 A TW 101120581A TW I548960 B TWI548960 B TW I548960B
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track
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linear position
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克勞斯迪特 哥茲
Original Assignee
史區尼堡控股公司
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Description

線性位置測量系統
本發明係關於一種線性位置測量系統。
上述用於確定車廂相對於導軌位置的系統可以與如線性導軌(linear guides)的引導系統一起使用。線性導軌包括第一主體和第二主體，第二主體由第一主體引導並相對於第一主體移動，並能確定第二主體相對於第一主體的位置。為此目的，用於確定位置的各自的設備的尺規可以固定於相對第一主體的位置，各自的掃描器可以固定於相對第二主體的位置。
例如，在現有技術中，可以用於確定絕對位置的線性位置測量系統包括：測量尺規和掃描器，所述測量尺規標記有測量點，所述掃描器能相對所述測量尺規移動，用於掃描各自的測量點。這些測量點可由一個或多個獲得的位置標記構成，用於識別位置，這些位置標記例如可以藉由光學或磁性等獲得。
在進行光學掃描的情況下，掃描器包括用於獲得測量點圖像的感測器，並提供信號以確定掃描器相對於測量尺規的位置。在進行磁性掃描的情況下，掃描器包括磁場感測器，用於獲得永久磁鐵單體的磁場級數(magnetic field progression)，以構成測量尺規的測量點。
這些類型的系統依靠各自的測量尺規(光/磁)，用於測量相對於原始位置，掃描器的位置的相對變化。
為使這些類型的系統能夠達到測量掃描器相對於測 量尺規的位置的相對變化，各自的測量尺規可以設計為具有增量刻度，由此獲得沿規定的直線或測量尺規以等距間隔開的一系列相同的、週期(periodically)設置的增量標記。為使所述的增量測量刻度可進行光學掃描，掃描器可將各自標記的光學圖像以光電檢測器的形式投射於感測器上。為了測量掃描器相對於測量尺規的位置的相對變化，掃描器沿標記的軌跡(track)移動，掃描器的移動會引起信號的週期性變化，可提供在預定的時間內，藉由掃描器的增量標記的數量的資訊。
總而言之，掃描器相對位置的各自變化可以藉由掃描增量測量尺規的測量點或增量標記來確定。所謂的增量位置編碼器用於此目的，其具有相對簡單的設計和較高的解析度。
除了在導軌和有軌車廂(track carriage)或掃描器之間獲得相對移動以外，所述系統也可以設計用於確定掃描器相對於另一測量尺規，特別是絕對測量尺規的絕對位置，該絕對測量尺規具有絕對標記。掃描器的各自絕對位置可在沿導軌的任意位置，藉由測量掃描器相對於某一特定對照刻度的相對位置變化而確定。所述絕對標記必須以特別可靠的方式進行掃描，因為任何的誤解都會導致相對於導軌，車廂位置的完全錯誤的資訊。
為此目的，對照刻度可以顯示為沿預定線的絕對標記，每個刻度具體指明某個特定的絕對位置。為了確定所述位置，上述掃描器可以沿預定線移動以便藉由掃描器對各自的絕對標記進行光學或磁性掃描。
總之，這些所謂的絕對編碼器通常將位置相關的資訊進行全面傳送，使其更好適於確定和控制位置。傳統的方法包括讀取一段二進位資訊，其中對於每一個二進位數字字，均需要進行各自的光學或磁性掃描。所有這些掃描必須相互進行調整以便在任何操作條件下，均不會發生讀取錯誤。
由於製造相關的原因，例如，機械磨削，軌道僅能以規定的最大長度進行製造。目前一個軌道的最大長度約為6m。如果需要更長的軌道，公知的技術為將幾個軌道單體進行連續排列的組裝。
在幾個連續排列的具有統一刻度尺的軌道單體的拼接處，經由測量工具以機械方式進行定標，採取這樣的方式使刻度的編碼所發生的錯誤盡可能少。車廂的絕對位置透過採用一個外部連接的開關凸輪來進行檢測，然後從此對照刻度開始計算車廂當前的位置。然而，當線性位置測量系統失效時，就不能對車廂的當前位置進行儲存。因此，一個缺點是當啟動線性位置測量系統時，為了校準的目的，車廂必須運行較長一段的距離以到達一個對照刻度，特別是假設在長的導軌情況下，這會產生較高的工時消耗。
另一種透過由幾個軌道單體組成的導軌的絕對標記進行標記位置的公知的方法包括從一個軌道單體到另一個軌道單體邏輯連續的絕對標記。為此目的，絕對標記反映各自獨立的編碼，例如，合併連續計數的編碼，一段獨立的位置相關資訊等。問題是由於軌道單體數目的 增加，各自的編碼必須由甚至更多的符號(位元)組成。因此必須增加各自的編碼之間的距離，其不利之處在於，由於較低的解析度，相應降低了與位置相關的資訊的準確性。
假設在藉由對具有相同數量的符號的編碼得出的絕對標記(其通常用於進行誤差檢測等)的情況下，非必要地通過增加更多的軌道單體來延伸導軌的長度會產生問題。因為這些增加的軌道單體必須具有規定數量的符號的編碼，而這些規定數量的符號不足以進行明確的編碼。在此情況下，導軌的整個編碼設計只能由具有較多規定數量的符號的新編碼所代替，這種情況會使成本升高。
現有技術中存在的另一個問題是，從構成整個導軌的多個軌道單體的組合中替換至少一個軌道單體。這種替換由於某一特定的軌道單體經過磨損而變得必要。當對一個軌道單體進行替換時，就必須使用一個與被替換軌道單體具有完全相同的絕對標記的新的軌道單體。為此目的，首先需確定該絕對標記，然後再將其複製於絕對測量尺規上。以這種方式複製的絕對測量尺規然後固定於新的軌道單體上。由於缺乏適於上述目的的設備，使線性位置測量系統在其所處的位置實質上不可能完成這些步驟。因此，對於各自的複製絕對測量尺規的必要的資訊，以及新的軌道單體，實際上是由外部的專業公司來完成此目的(例如線性位置檢測系統的製造商)。由後者製備具有各自相應複製測量尺規的新的軌道單體。 然後將此新的軌道運送到線性位置測量系統的各自位置並進行最終整合。目前的這種方法是昂貴的，需要對操作進行冗長的暫停。如果某一軌道單體由於突然的缺陷而不可避免地需要馬上進行更換時，則該軌道單體不能被及時的更換。因此，線性位置檢測系統不得不通常一次關閉數日，而由於線性位置檢測系統的關閉而產生的費用是非常高的。
本發明的目的在於提供一種線性位置檢測系統，用於解決現有技術中存在的問題。特別是提供一種藉由至少一個軌道單體而使導軌能夠快速、容易地延伸，及/或使至少一個軌道單體能夠快速、容易地更換的線性位置檢測系統。
上述目的是藉由下述特徵實現的。在本發明的一個實施例中，用於確定車廂相對於導軌的線性位置檢測系統，該導軌線性地包括對車廂進行導引的多個軌道單體，所述線性位置測量系統包括多個測量尺規以及至少一個掃描器，所述測量尺規分別沿軌道單體設置，並支承各自的位置標記；所述掃描器固定在車廂上並設計用於掃描位置標記，使得能確定車廂相對於引導車廂的各自軌道單體的各自位置。在所有的軌道單體中，位置標記相同地設置於各自的多個測量尺規上，設置於軌道單體上的獨立的編碼單體能藉由掃描器進行掃描，因此獨立的片段資訊能透過引導車廂的各自軌道單體進行收集。
一個非常重要的優勢是軌道單體相互之間可以使用相同的測量尺規。為了能更精確地確定相對於導軌的位置，例如，在幾個軌道單體中，每個軌道單體提供一個獨立的編碼單體。這種獨立的編碼單體能夠藉由掃描器進行掃描，載有關於車廂移動於多個軌道單體中的當前軌道單體的資訊。任何用於確定相對於該獲得的軌道單體的位置的進一步資訊，可以藉由常規掃描位於至少一個測量尺規上的位置標記而獲得。
基於從上述編碼單體和至少一個位置標記所收集的資訊的彙集，就可確定相對於整個導軌的車廂的位置。編碼單體可以快速和容易地使用，例如可直接位於線性位置檢測系統所處的位置來使用，此項工作不需要專門人才。線性位置檢測系統的操作人員可以快速和容易地應用編碼單體，以確定線性位置檢測系統的位置。如果導軌藉由至少一個軌道單體延伸，該軌道單體所需的編碼單體可由製造商提供的說明書得到，用於實施編碼單體的必要的元件可以容易地保存於現場庫存，其結果是導軌可以藉由至少一個軌道單體快速和容易地延伸。
另一個優勢是在進行絕對位置檢測時，車廂現在僅需運行有限的距離。從原始狀態開始，測定線性位置檢測系統的時間也因此縮短。
更換至少一個軌道單體也可順利進行。保存於線性位置檢測系統位置處的現場庫存的軌道單體(替換品)可以被拿來，同時提供被替換的軌道單體的編碼單體。這種替換可以消除通常持續數日的線性位置檢測系統的停 工，所述停工是由於需要專業公司複製絕對標記以及將其運回線性位置檢測系統所在位置處而需要延長的時間造成的，從而縮短時間並節約成本。
編碼單體較佳係以從一個軌道單體至另一個軌道單體的連續計數的方式攜帶資訊，車廂相對於整個導軌的整體位置可以藉由如下資訊的結合確定，即車廂在位於多個軌道單體中的當前軌道單體移動的資訊，以及車廂相對於該當前軌道單體的位置的資訊。
連續計數較佳係使用格雷碼方法進行編碼。格雷碼作為一種編碼方法，在類比信號通道上穩定地傳輸數位變數。該編碼是恒定的，其中編碼單體中相鄰編碼字僅以單雙位數(single dual digit)相區別。對於在準確確定車廂處於當前軌道單體進行移動時出現的錯誤，會導致完全錯誤的位置確定。使用格雷碼能在最大程度上使該誤差源最小化，或至少能進行再次確認。通道編碼領域中的其他編碼可用於錯誤的檢測和修正。總體而言，這將增加正確獲得軌道單體的可靠性，以及正確確定車廂位置的可靠性。
各自軌道單體的編碼單體較佳的係藉由多個密封塞來實施，所述密封塞被導入到軌道單體的各自鑽孔中，密封後者。在該特別有益的實施例中，已用於密封鑽孔的密封塞還可用於實施或轉換編碼單體。密封塞的編碼設計使將編碼導入每個應用的軌道單體中成為可能。在車廂由一定數量的密封塞引導後，就能獲得相對於整個導軌的軌道單體的位置。密封塞的數量取決於需要編碼 的長度。在獲得相對於整個導軌的軌道單體的位置後或過程中，掃描器的感測器被切換到掃描各自軌道單體上的各自測量尺規的位置標記。
每一個密封塞較佳的係載有一段離散資訊。至於離散資訊或離散狀態如何印上沒有限定，只要確保每個離散狀態能進行清晰掃描即可。
離散資訊較佳的係經由密封塞中所含的材料的各自材料特性獲得。現在具有不同材料特性的各種材料的密封塞已得到廣泛應用，其可能會影響到掃描器的感測器對編碼單體進行掃描的轉換狀態。例如，目前常用的密封塞由鋼、黃銅或塑膠製成，或含有這些材料。為了增加編碼單體的符號的數量(密封塞的數量)，除了用於導入安裝螺栓以固定軌道單體的鑽孔外，還提供相應編碼的導入了密封塞的鑽孔。
離散資訊較佳的係經由密封塞表面的各自的幾何形狀(geometry)獲得，這裡密封塞表面是指與軌道表面形成齊平密封(flush seal)的表面。在本實施例中，例如，編碼單體由不同的幾何形狀構成，每一個表示不同的離散狀態。表面載有一段n位元(bit)資訊(n=1、2、...)的密封塞能使編碼資訊更加緊湊設置。例如，一個單一的密封塞當n=4時可以顯示16種狀態。在該實施例中，由16個或更少的軌道單體構成的導軌的每個軌道單體使用一個單一的密封塞以充分區別的方式進行編碼。密封塞表面上的4位元(bit)編碼經由材料配對，如鋼、黃銅、塑膠等，或透過幾何進行壓印。
離散資訊較佳的係藉由與密封塞一體形成或與密封塞表面連接的開關元件獲得。開關元件在這裡為無源或有源元件。提升的範圍增加了獲得的可靠性。
開關元件較佳為RFID資料載體，該RFID資料載體允許對於物體的自動識別和定位，從而極大地促進了資料的獲得。在本實施例中，各自的RFID讀取器安裝於有軌拖車上用於獲得和讀取RFID資料載體。RFID技術能使獲得的離散資訊特別可靠。
位置標記較佳係含有增量標記及/或絕對標記。增量標記是指一系列幾個週期性設置的標記，大部分以相同間隔沿規定的軌道設置。藉由掃描這些增量標記的壓印，即可測定相對於軌道，掃描器的位置在預定時間內的相對變化。另一方面，相對於每個軌道單體，掃描器的絕對位置透過掃描絕對標記而確定。為此目的，每個絕對標記限定了特定的絕對位置。
較佳將每個增量標記及/或絕對標記設計為永久磁鐵單體，該磁場強度的級數可以藉由至少一個掃描器進行掃描。由於磁場掃描與其他掃描方法相比，特別不易受干擾的影響，因此能進行更精確的掃描。另外，由於永久磁鐵與其他標記結構相比，在相同的掃描精確度的情況下，具有特別窄的寬度，因此掃描可以在非常精細的解析度下進行，可以進行非常緊湊的編碼。
較佳的係將每個增量標記及/或絕對標記設計為光學標記，藉由至少一個掃描器以光學方式掃描。在該方法中，固定於或用於各自測量尺規的光學檢測標記藉由 掃描器的光學讀取頭進行掃描。與其他掃描方法相比，這種掃描方法更具有經濟效益。
本發明將結合以下具體實施例進行詳細說明。
圖1表示線性位置檢測系統的導軌10的示意圖。導軌10包括幾個軌道單體12’、12”、12'''，圖中顯示為三個軌道單體。
軌道單體的長度通常受限於製造過程相關的考慮。隨著軌道單體的長度增加，其製造成本會顯著增加。因此，通常導軌包括幾個軌道單體，軌道單體相互之間直線排列。
為了安裝目的，每個軌道單體12’、12”、12'''均設有幾個鑽孔14，以使螺栓(圖中未示出)插入其中，當擰緊時，螺栓的螺紋與位於軌道單體12’、12”、12'''下的安裝板(圖中未示出)的各自收納螺紋連接。
導軌10以這樣的方式組裝後，用於引導車廂(圖中未示出)。所述方式為藉由位於軌道單體12’、12”、12'''表面部分上的至少一個滾動軸承或滾珠軸承來引導車廂。兩個測量尺規16、18設置於每個軌道單體12’、12”、12'''的側面，這樣就可檢測車廂相對於整個導軌10的準確位置。這些測量尺規16、18包括增量尺規16和絕對尺規18，增量尺規16具有增量標記20，絕對尺規18具有絕對標記22。
增量標記20由沿增量尺規16等距間隔設置的一系列的相同標記組成，這些增量標記20可以透過掃描器的 感測器進行掃描，所述掃描器沿增量尺規16進行引導。掃描器的移動引起信號的週期性變化，藉由掃描器在規定時間內的移動，這種週期性變化提供有關增量標記20的資訊。
絕對標記22除了在軌道10與有軌拖車或掃描器之間獲得相對移動外，絕對尺規18上的絕對標記22還用於獲得掃描器相對於每個軌道單體12’、12”、12'''的絕對位置。藉由測定相對於某一特定的對照刻度掃描器的相對位置的變化，掃描器的各自絕對位置可以在沿每個軌道單體12’、12”、12'''所希望的任一位置進行測定。絕對標記22也是透過掃描器的感測器進行掃描，所述掃描器沿絕對尺規18進行引導。由於任何錯誤都會導致車廂位置相對於任何軌道單體12’、12”、12'''的錯誤資訊，因此，這種掃描必須以特別可靠的方式進行。
增量標記20及/或絕對標記22分別由永久磁鐵單體構成，磁場強度的級數可以透過各自的掃描器的感測器進行掃描。或者，增量標記20及/或絕對標記22也可分別設計成光學標記，透過各自的掃描器的感測器以光學方式掃描。
位置標記，如增量尺規16的增量標記20和絕對尺規18的絕對標記22，從一個軌道單體到另一個軌道單體以完全相同的方式進行重複，換言之，每個軌道單體12’、12”、12'''的尺規16、18使用相同的編碼進行設置，如相對於軌道單體的起始端。這種設置的優勢是導軌10能夠與至少一個額外的軌道單體進行平滑延伸。另一個 優勢是任何軌道可以容易地用新的軌道進行替換，所述新軌道已配備有測量尺規16、18。與現有技術相反，由於僅需要一種軌道單體保持在庫存中，簡化了物流和庫存，從而節省了整體時間並節約了成本。
為了能精確的測定車廂沿整個導軌10的位置，每個軌道單體12’、12”、12'''還設有單獨掃描的編碼單體24’、24”、24'''，載有從一個軌道單體至另一個軌道單體的不同的信息。這樣就能檢測到當前引導車廂的各自的軌道單體。在如圖所示的實例中，各自編碼單體24’、24”、24'''藉由密封塞26’、26”、26'''、26''''的表面進行實施或製備，每個都形成編碼字的各自的離散符號，這些密封塞26’、26”、26'''、26''''通常用於密封前述鑽孔14，密封塞26’、26”、26'''、26''''的表面與軌道單體12’、12”、12'''的各自表面形成齊平密封。
密封塞表面或密封塞本身反映一種離散狀態，例如，離散狀態可以藉由構成密封塞表面或密封塞本身的材料的(離散)材料特性來進行檢測，所述材料可以為鋼、黃銅、塑膠等。因此，在本實施例中可以藉由掃描器的感應式測量感測器對各自的編碼單體24’、24”、24'''進行掃描。
在圖1所示的另一實施例中，編碼單體24’、24”、24'''由各自的密封塞26’、26”、26'''、26''''的表面顏色(白/黑)的二進位狀態形成。假設將二進位值為“0”時，分配為“白色”，二進位值為“1”時，分配為“黑色”，軌道單體12’、12”、12'''以二進位編碼(編碼單體)進行連續排序為 0000、0001、0010、0011、...。代替這種連續編碼，軌道單體12’、12”、12'''也可以使用其他或額外的資訊進行獨立和清楚的編碼，只要各自軌道單體能從這些資訊中推測出即可。
例如，現在如果使用掃描器用二進位碼數“0010”掃描編碼24'''，線性位置檢測系統可從此得出車廂在第三軌道單體12'''上移動。基於對第三軌道單體12'''上的增量尺規16和絕對尺規18進一步掃描收集到的資訊，掃描器還能進一步確定車廂相對於第三軌道單體12'''的起始點的位置(如距離起始點1.5m)，或將該資訊傳送到線性位置檢測系統。因此，在得知各自軌道單體12’、12”的長度(如，各為3m)後，藉由計算導軌10的起始點(0點N)與車廂的距離，就可確定相對於整個導軌10的車廂的位置。在本實施例中，距離測量為：D=2*3m+1.5m=7.5m如圖所示的實施例，編碼24’、24”、24'''由四個26’、26”、26'''、26''''(四個符號)或其表面形成。例如，給出一個連續數位的二進位編碼，16個軌道單體可以清楚地進行分配，繼續上述實施例，由此得出多達16*3m=48m長的導軌10。
10‧‧‧導軌
12’、12”、12'''‧‧‧軌道單體
14‧‧‧鑽孔
16、18‧‧‧尺規
20、22‧‧‧位置標記
24’、24”、24'''‧‧‧編碼單體
26’、26”、26'''‧‧‧密封塞
圖1為導軌的示意圖。
10‧‧‧導軌
12’、12”、12'''‧‧‧軌道單體
14‧‧‧鑽孔
16、18‧‧‧尺規
20、22‧‧‧位置標記
24’、24”、24'''‧‧‧編碼單體

Claims (12)

  1. 一種線性位置測量系統，用於確定車廂相對於導軌(10)的位置，所述導軌(10)由多個軌道單體(12’、12”、12’’’)線性構成，車廂可沿著導軌受到引導，所述線性位置測量系統具有多個測量尺規(16、18)和至少一個掃描器，所述尺規(16、18)分別沿軌道單體(12’、12”、12’’’)設置，並支承各自的位置標記(20、22)；所述掃描器固定在車廂上並被設計用於掃描位置標記(20、22)，使得能確定車廂相對於引導車廂的各自軌道單體的各自位置，其中：在所有的軌道單體(12’、12”、12’’’)中，位置標記(20、22)相同地設置於各自的多個測量尺規(16、18)上，並且分離的編碼單體(24’、24”、24’’’)設置於軌道單體(12’、12”、12’’’)上，並能藉由掃描器進行掃描，因此獨立的片段資訊能藉由引導車廂的各自軌道單體進行收集。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之線性位置測量系統，其中編碼單體(24’、24”、24’’’)載有從一個軌道單體至另一個軌道單體的連續計數的資訊。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之線性位置測量系統，其中連續計數是透過格雷碼進行編碼的。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之線性位置測量系統，其中相應軌道單體(12’、12”、12’’’)的編碼單體透過多個密封塞(26’、26”、26’’’、26’’’’)而實 現，將上述多個密封塞導入至軌道單體(12’、12”、12’’’)的各自的鑽孔(14)中，並密封後者。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之線性位置測量系統，其中每一個密封塞(26’、26”、26’’’、26’’’’)載有一段離散資訊。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之線性位置測量系統，其中所述離散資訊能透過密封塞(26’、26”、26’’’、26’’’’)所含材料的各自的材料特性獲得。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之線性位置測量系統，其中所述離散資訊能透過密封塞(26’、26”、26’’’、26’’’’)表面的相應幾何形狀獲得。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之線性位置測量系統，其中所述離散資訊能透過一體形成於密封塞(26’、26”、26’’’、26’’’’)或與密封塞(26’、26”、26’’’、26’’’’)表面固定的開關元件獲得。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之線性位置測量系統，其中所述開關元件是RFID資料載體。
  10. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之線性位置測量系統，其中所述位置標記包括增量標記(20)及/或絕對標記(22)。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之線性位置測量系統，其中上述增量標記(20)及/或絕對標記(22)中的每一個被設計為永久磁鐵單體，它們的磁場強度級數能被所述的至少一個掃描器掃描。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之線性位置測量系統， 其中上述增量標記(20)及/或絕對標記(22)中的每一個被設計為光學標記，能被所述的至少一個掃描器以光學方式掃描。
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