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CN105637319B - 用于测量物体位置的测量装置和方法 - Google Patents

用于测量物体位置的测量装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于测定第一物体(2)相对于第二物体(3)的位置的测量装置(1)，包括：固定于第一物体(2)上且具有标记的标尺带(4)，以及两个固定于所述第二物体(3)上的标记检测传感器(5，6)；所述标记由标记条带(7)的图案形成，所述标记条带(7)间的过渡线(8)在所述标尺带(4)的第一位置(9)和第二位置(10)之间相对于所述标尺带(4)的横向方向(12)分别倾斜一预设倾角(13)，每个所述倾角(13)的值均不同于其他倾角的值；所述标尺带(4)在横向方向上分为第一轨迹区(17)和第二轨迹区(18)；所述标记检测传感器中的一个(5)与第一轨迹区(17)相邻设置，所述标记检测传感器中的另一个(6)与第二轨迹区(18)相邻设置；所述标记检测传感器(5，6)在沿所述标尺带(4)的横向方向(12)看时相邻设置于所述第一位置(9)和第二位置(10)之间，从而在所述第一位置(9)和第二位置(10)之间可以通过检测所述倾角(13)来测定所述第一物体(2)相对于所述第二物体(3)的位置。根据一种方法，利用所检测出的倾角(13)测定所述物体(2，3)的位置。

Description

用于测量物体位置的测量装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于测量第一物体相对于与该第一物体邻近且可相对于该第一物体移动的第二物体的位置的测量装置和方法。
背景技术
在机床制造行业中，使用磁性线性标尺等测定刀架滑台的位置为一种已知方法。所述位置测定既可以为相对位置测定，也可以为绝对位置测定。在相对位置测定中，对由交替的等长南北磁极组成的不可区分的尺节图案进行检测。由于各尺节之间没有区别，仅可在相对意义上实现不同位置的区分，而且所述位置一般根据已通过尺节数获得。在绝对位置测定中，既可使用第二轨迹区对尺节图案进行标示，也可使用可区分的尺节图案。在上述第一种情形中，通过使用另一轨迹区标示各个尺节的方式达到区分不同尺节的目的。在上述第二种情形中，可使用例如可区分的尺节图案，其中使用的各刻度单元具有不同的宽度，例如，自绝对起点开始宽度逐渐增大。其中，为了明确识别绝对位置，各刻度单元的宽度必须分别为不同唯一值。然而，由于此方式需要测定各宽度处的具体长度并将其对应至绝对位置，因此具有最大测量距离有限的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于测定第一物体相对于与该第一物体相邻且可相对于该第一物体移动的第二物体的位置的测量装置和方法，其中，所述位置可处于一个大的距离范围内。
所述目的由独立权利要求的特征实现。优选实施方式见于其他专利权利要求。
所述用于测定第一物体相对于与该第一物体相邻且可相对于该第一物体移动的第二物体的位置的本发明测量装置包括可固定于第一物体上且具有标记的一标尺带，其中，所述测量装置包括两个可固定于所述第二物体上的标记检测传感器；所述标记由标记条带形成的图案而形成，标记条带与标记条带间的过渡线在所述标尺带的第一位置和第二位置之间相对于所述标尺带的一横向方向分别倾斜一预设倾角，每个所述倾角的值均不同于其他倾角的值，其中，所述第二位置在所述标尺带的纵向方向上与所述第一位置相隔一距离；所述标尺带在所述横向方向上分为两个轨迹区；所述标记检测传感器中的一个与第一轨迹区相邻设置，所述标记检测传感器中的另一个与第二轨迹区相邻设置；在沿所述标尺带的所述横向方向看时，所述标记检测传感器相邻设置于所述第一位置和第二位置之间，从而在所述第一和第二位置之间能够通过检测所述倾角来测定所述第一物体相对于所述第二物体的位置。
由于所述两轨迹区相邻设置，因此通过将所述标记检测传感器有益地在所述标尺带的横向方向上相邻设置，可使得所述标记检测传感器可捕获所述第一位置和第二位置之间的整个范围。如此，所述第一物体相对于第二物体的位置可以为所述第一位置和第二位置之间的任意位置。例如，如此可无需获知所述标记检测传感器在所述标尺带纵向方向上的位移，该位移将导致所述第一位置和第二位置之间测量距离缩短的不利影响。
所述标记条带的过渡线从所述第一轨迹区无间断地延伸至所述第二轨迹区。其中，所述标记条带过渡线可由其倾角明确标示。如此，本发明测量装置便可有益地在所述第一位置和第二位置所定义的测量距离内实现所述物体相对于对方的位置的精确测定。
优选地，所述标尺带分为位于其中心线一侧的第一轨迹区，以及位于其中心线另一侧的第二轨迹区。优选地，所述标记条带为梯形形状。优选地，所述图案为交替图案，或者由物性的任意变化生成。优选地，所述标记条带通过在所述标尺带的表面上着色而形成，而且所述标记检测传感器为光学传感器或摄像头。优选地，所述标记条带形成亮暗条纹图案，例如白黑条纹图案。或者，优选地，所述标记由白-黑-白图案形成。或者，优选地，所述标记条带由所述标尺带的永磁磁极形成，而且所述标记检测传感器为磁传感器。优选地，所述磁传感器为磁阻传感器或霍尔传感器。
优选地，在测定所述第一物体于所述第一和第二位置之间相对于所述第二物体的位置的过程中处理所测得的倾角，以实现所述标记检测传感器信号极性相移的测定。
优选地，位于所述第一和第二位置处的标记条带的过渡线均以一最小角度作为其倾角，而且所述标记条带的过渡线的其中一个处于上述两位置之间的所述标尺带的第三位置上，其中，此标记条带的过渡线设置为相对于所述标尺带的所述横向方向以一最大角度倾斜；所述第一位置和第三位置之间以及所述第二位置和第三位置之间的所述标记条带的过渡线的倾角在朝向第三位置的方向上从所述最小角度单调递增至所述最大角度。优选地，在所述标尺带的横向方向上看时，所述标记条带在所述标尺带的中心线上分别具有相同宽度。此外，优选地，所述最小角度为0°。优选地，所述最大角度为90°，尤其为60°。
优选地，所述第一位置和第三位置之间的标记条带与相邻标记条带间的标记条带的过渡线的数量与所述第二位置和第三位置之间的标记条带与相邻标记条带间的标记条带的过渡线的数量相等。此外，所述第一位置和第三位置之间以及所述第二位置和第三位置之间的标记条带的倾角在朝向第三位置的方向上从所述最小角度严格单调递增至所述最大角度。
在所述标尺带具有所述磁性标记条带的优选实施方式中，可通过在该标尺带的制造过程中沿所述标尺带恒速平移并旋转(例如绕所述标尺带中心线)写磁工具的方式将该标尺带磁化，从而形成相邻的倾斜梯形标记条带。其中，所述写磁工具的极性在相通时间间隔内依次反转，从而使得所述标记条带在标尺带边缘上的宽度被拉伸或压缩。例如，当所述标尺带的宽度为10毫米时，20毫米宽的写磁工具可实现60°的最大角度。因此，在所述标尺带的制造过程中，通过旋转所述写磁工具，所述倾角自最小的0°开始增加至最大的60°，然后再逐渐减小至0°。如此，仅需一个工作步骤，便可有益地同时实现所述两个轨迹区的生成。此外，由于所述两个标记检测传感器可同时测出以标记条带的过渡线倾角具体位置为形式的两套信息，因此还可在所述第一位置和第二位置之间实现所述标记条带的全波长调制。
所述用于测定所述第一物体相对于所述第二物体的本发明方法包括如下步骤：提供本发明测量装置；捕获所述标记检测传感器的信号振幅；按照所述标记检测传感器测出的所述倾角，测定所述物体于所述第一位置和第二位置之间相对于对方的位置。
此外，优选地，在测定所述物体于所述第一位置和第二位置之间相对于对方的位置中考虑所述倾角的渐变。
附图说明
以下，通过示意图对本发明测量装置的实施方式进行说明。
图1为本发明测量装置优选实施方式的俯视图。
图2为图1的详细视图。
附图标记列表
1 测量装置
2 第一物体
3 第二物体
4 标尺带
5 第一标记检测传感器
6 第二标记检测传感器
7 标记条带
8 过渡线
9 第一位置
10 第二位置
11 第三位置
12 横向方向
13 倾角
14 最小角度
15 最大角度
16 标尺带的中心线
17 第一轨迹区
18 第二轨迹区
具体实施方式
从图1和图2可以看出，所提供的测量装置1用于测量第一物体2相对于第二物体3的位置。第一物体2例如为轨道，而第二物体3例如为滑块。第二物体3可相对于第一物体2移动，其中，通过测量装置1，可测定第二物体3相对于第一物体2的绝对位置。
测量装置1包括设置于第一物体2上的标尺带4。可以想到的是，标尺带4既可以以独立标尺带的形式设置于第一物体2上，标尺带4也可以直接形成于第一物体2的表面上。可以想到的是，第一物体2可为圆柱体，在此情况下，标尺带4环状闭合。此外，第二物体3包括第一标记检测传感器5和第二标记检测传感器6，其中，第二物体3设定为相对于第一物体2移动，从而使标记检测传感器5和6沿标尺带4移动。标记检测传感器5和6为磁阻传感器或霍尔传感器。
标尺带4由高能量密度铁磁物质或硬磁材料制成。通过沿标尺带4移动与标尺带4横向对齐的磁化头，可将标尺带4磁化，在该过程中，所述磁化头绕标尺带4的横向方向交替旋转。如此，使得标尺带4获得多条标记条带7，其中，每条标记条带7均由北磁极或南磁极形成。由于标记条带7由南北两磁极交替磁化，因此可形成与磁极过渡形状一致且在标记条带7之间依次过渡的过渡线8。还可以想到的是，可通过直接磁化第一物体2表面形成标尺带4，在此情况下，第一物体2相应具有可磁化材料。
标尺带4上定义有第一位置9，而且在标尺带4的一纵向距离处定义有第二位置10。第一位置9和第二位置10的中点处为第三位置11。横向方向12定义为处于标尺带4所在平面且沿标尺带4的法向。每条过渡线8均与横向方向12形成倾角13。过渡线8中的一条位于第一位置9处且倾角13为0°。过渡线8中的另一条位于第二位置10处且倾角也为0°。第一位置9和第二位置10之间的过渡线8的倾角大于第一位置9和第二位置10处的过渡线8的倾角，因此第一位置9和第二位置10处的过渡线8具有大小为0°的最小角度14。第一位置9和第二位置10之间具有多条过渡线8，其中，过渡线8的倾角13沿第一位置9至第三位置11的方向递增，并沿第三位置11至第二位置10的方向递减。具有最大的倾角13的过渡线8位于第三位置11处，因此该倾角成为最大角度15。所述最大角度15为60°。
在标尺带4的中心线16上，各过渡线8之间的纵向距离均相等。如图1和图2所示，中心线16的上方定义有第一轨迹区17，而且该中心线的下方定义有第二轨迹区18。因此，过渡线8的上半部分位于第一轨迹区17内，而过渡线8的下半部分位于第二轨迹区18内。标记检测传感器5和6在横向方向12上相邻设置于第二物体3上，其中，第一标记检测传感器5设置于标尺带4上方紧邻第一轨迹区17处，而且垂直于图1的绘图平面。类似地，第二标记检测传感器6设置于标尺带4上方紧邻第二轨迹区18处，而且垂直于图1的绘图平面。如图1中箭头所示，当第二物体3相对于第一物体2移动时，标记检测传感器5和6沿标尺带4移动，其中，标记检测传感器5沿第一轨迹区17移动，而第二标记检测传感器6沿第二轨迹区18移动。
当标记检测传感器5和6位于第一位置9和第二位置10之间时，标记检测传感器5和6分别捕获紧邻标记检测传感器5和6的相应过渡线的倾角13。通过所述标记检测传感器分别测出的倾角渐变，再结合第一位置9和第二位置10之间的倾角13的已知分布以及所述标记检测传感器测出的紧邻过渡线8的倾角，可明确测定第二物体3的绝对位置。
由于标记检测传感器5和6在沿标尺带4的横向方向12看时形成一排，而在沿标尺带4的纵向方向看时为相邻设置，因此标记检测传感器5和6可同时移动至第一位置9和所述第二位置，其中，第一位置9和第二位置10之间的所有过渡线8均可由标记检测传感器5和6捕获，因此当位于第一位置9和第二位置10之间时，第二物体3的每一位置均可检测。例如，可以在标尺带4的第一位置9和第二位置10处分别设置凸出部分。

Claims (14)

1.一种测量装置(1)，用于测定第一物体(2)相对于与该第一物体(2)相邻且可相对于该第一物体(2)移动的第二物体(3)的位置，其特征在于，所述测量装置(1)包括固定于所述第一物体(2)上的一标尺带(4)，该标尺带包括标记；所述测量装置(1)包括两个固定于所述第二物体(3)上的标记检测传感器(5，6)；所述标记由标记条带(7)形成的图案而形成，标记条带(7)与标记条带(7)间的过渡线(8)在所述标尺带(4)的第一位置(9)和第二位置(10)之间相对于所述标尺带(4)的一横向方向(12)分别倾斜一预设倾角(13)，每个所述倾角(13)的值均不同于其他倾角的值，其中，所述第二位置(10)在所述标尺带(4)的纵向方向上与所述第一位置(9)相隔一距离；所述标尺带(4)在所述横向方向上分为两个轨迹区(17，18)；所述标记检测传感器中的一个(5)与第一轨迹区(17)相邻设置，以对处于所述标记条带的过渡线(8)的其中一个的一半上的某一位置处的倾角(13)进行检测，所述标记检测传感器中的另一个(6)与第二轨迹区(18)相邻设置，以对所述标记条带的过渡线(8)的其中一个的另一位置处的倾角(13)进行检测；在沿所述标尺带(4)的所述纵向方向看时，所述标记检测传感器(5，6)相邻设置于所述第一位置(9)和第二位置(10)之间，从而在所述第一和第二位置(9，10)之间能够通过检测所述倾角(13)来测定所述第一物体(2)相对于所述第二物体(3)的位置。
2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述标记条带(7)为梯形形状。
3.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述标记条带(7)通过在所述标尺带(4)的表面上着色而形成，所述标记检测传感器(5，6)为光学传感器或摄像头。
4.如权利要求3所述的测量装置，其特征在于，所述标记条带(7)形成亮暗条纹图案。
5.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述标记条带(7)由所述标尺带(4)的永磁磁极形成，所述标记检测传感器(5，6)为磁传感器。
6.如权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述磁传感器为磁阻传感器或霍尔传感器。
7.如权利要求1至6中任一项所述的测量装置，其特征在于，位于所述第一和第二位置(9，10)处的标记条带的过渡线(8)均以一最小角度(14)作为其倾角，所述标记条带的过渡线(8)的其中一个处于上述两位置之间的所述标尺带(4)的第三位置(11)上；此标记条带的过渡线(8)设置为相对于所述标尺带(4)的所述横向方向(12)以一最大角度(15)倾斜；所述第一位置(9)和第三位置(11)之间以及所述第二位置(10)和第三位置(11)之间的所述标记条带的过渡线(8)的倾角在朝向第三位置(11)的方向上从所述最小角度(14)单调递增至所述最大角度(15)。
8.如权利要求7所述的测量装置，其特征在于，在所述标尺带(4)的横向方向上看时，所述标记条带(7)在所述标尺带(4)的中心线(16)上分别具有相同宽度。
9.如权利要求7所述的测量装置，其特征在于，所述最小角度(14)为0°。
10.如权利要求7所述的测量装置，其特征在于，所述最大角度(15)为90°。
11.如权利要求10所述的测量装置，其特征在于，所述最大角度(15)为60°。
12.如权利要求7所述的测量装置，其特征在于，所述第一位置(9)和第三位置(11)之间的标记条带与相邻标记条带间的标记条带的过渡线(8)的数量与第二位置(10)和第三位置(11)之间的标记条带与相邻标记条带间的标记条带的过渡线(8)的数量相等。
13.一种用于测定第一物体(2)相对于与该第一物体(2)相邻且可相对于该第一物体(2)移动的第二物体(3)的位置的方法，其特征在于，包括如下步骤：
-向所述物体(2，3)提供如权利要求1至12中任一项所述的测量装置(1)；
-捕获所述标记检测传感器(5，6)的信号振幅；
-按照所述标记检测传感器(5，6)测出的所述倾角(13)，测定所述物体(2，3)于所述第一位置(9)和第二位置(10)之间相对于对方的位置。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，在测定所述物体(2，3)于所述第一位置(9)和第二位置(10)之间相对于对方的位置中考虑所述倾角(13)的渐变。
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