индукционный детектор положения

Формула изобретения

1. Индукционный детектор положения, содержащий первую деталь, имеющую продольную ось и элемент из магнитного материала, протягивающийся в направлении продольной оси и имеющий периодически изменяющийся размер в направлении, перпендикулярном продольной оси, и вторую деталь, выполненную с возможностью перемещения относительно первой детали вдоль продольной оси и содержащую средство для индуцирования магнитного поля в элементе, при этом на первой детали обеспечивается детектируемый опорный маркер, отличный от элемента.

2. Детектор положения по п.1, который содержит множество маркеров.

3. Детектор положения по п.2, в котором маркеры располагаются с неравномерным разнесением между смежными маркерами.

4. Детектор положения по п.3, в котором каждый интервал между смежными маркерами кратен числу фиксированного значения.

5. Детектор положения по п.4, в котором фиксированное значение равно периоду периодически изменяющегося размера элемента.

6. Детектор положения по одному из пп.2-5, в котором маркеры формируют характеристические сигналы, отличающиеся друг от друга.

7. Детектор положения по п.6, в котором маркеры являются магнитными и располагаются таким образом, чтобы для некоторых маркеров мог детектироваться северный полюс, тогда как для других мог детектироваться южный полюс.

8. Детектор положения по п.6, в котором каждым из маркеров, расположенных на различных местоположениях вокруг продольной оси элемента, обеспечивается характеристический сигнал, отличный от других.

9. Детектор положения по п.1, в котором положение маркера или каждого маркера соответствует минимальному размеру элемента, имеющего изменяющийся размер.

10. Детектор положения по п.1, содержащий некоторое число аксиально разнесенных маркерных детекторов.

11. Детектор положения по п.5, содержащий некоторое число аксиально разнесенных маркерных детекторов, в котором маркерные детекторы разносятся на равные интервалы, равные периоду периодически изменяющегося размера элемента.

12. Детектор положения по п.10, в котором каждый маркер формирует сигнал, который может детектироваться маркерным детектором, при аксиальном смещении маркера от маркерного детектора.

13. Детектор положения по п.2, в котором маркеры располагаются в последовательности, содержащей ряд сегментов заданной длины, причем в каждом из этих сегментов компоновка маркеров является уникальной.

14. Детектор положения по п.13, в котором для детектирования компоновки из маркеров в любом одном сегменте без относительного перемещения между детекторами и маркерами обеспечивается достаточное число детекторов.

15. Детектор положения по п.14, в котором число детекторов больше, чем максимальное число маркеров в сегменте.

16. Детектор положения по п.15, который дополнительно содержит средство для определения того, какой из множества детекторов располагается ближе всего к маркерам в сегменте.

17. Детектор положения по п.1, в котором элемент из магнитного материала содержит цепочку, по существу, идентичных сферических шариков, расположенных бок о бок на линии в точечном контакте и ограниченных в относительном перемещении друг к другу.

18. Детектор положения по п.17, в котором каждый маркер размещается в кольце, вложенном между смежными шариками.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к индукционным детекторам положения, в частности к детекторам типа того, который описан в патенте GB 1513567, а также его усовершенствованиям. Указанные устройства обычно прикрепляются к металлорежущим станкам и могут быть использованы для определения положения головки станка по отношению к заготовке.

Детекторы такого типа содержат удлиненный магнитный элемент, который имеет периодически варьирующийся размер в направлении, перпендикулярном продольной оси элемента. Элемент обычно представляет собой последовательность стальных шариков, расположенных по линии с точечным контактом. Для индуцирования магнитного поля в элементе используется преобразователь, окружающий магнитный элемент и протягивающийся по его длине. Периодические изменения размера элемента приводят к детектируемым периодическим вариациям магнитного поля и, таким образом, обеспечивают периодически варьирующуюся сигнализацию, которая может быть использована для определения относительного положения элемента по отношению к преобразователю. На практике элемент и преобразователь обеспечиваются на металлорежущем станке для измерения, например, положения головки станка по отношению к заготовке.

В настоящее время фактическое положение определяется по отношению к единой точке отсчета, которая является внешней к детектору положения и отдельной от него. Местоположение точки отсчета также вручную программируется в детектор следующим образом. Перед программированием точки отсчета пользователь металлорежущего станка идентифицирует точку отсчета, обычно на самом станке, и перемещает детектор в указанную точку отсчета. В указанной точке такая же сигнализация, используемая для определения относительного положения между элементом и преобразователем, анализируется и регистрируется. Поскольку сигнализация варьируется периодически с положением, детектор должен записывать, через сколько периодов он прошел, а также где он находится в конкретный период.

Всякий раз, когда детектор положения выключается, например, в конце каждого рабочего дня, точку отсчета необходимо переустанавливать. Указанное обстоятельство может быть неудобным, приводить к ошибкам и занимать много времени, особенно если станок осуществил только часть обработки заготовки.

Соответственно, настоящее изобретение обеспечивает индукционный детектор положения, содержащий первую деталь, имеющую продольную ось и элемент из магнитного материала, проходящий в направлении продольной оси и имеющий периодически изменяющийся размер в направлении, перпендикулярном продольной оси, и вторую деталь, выполненную с возможностью перемещения относительно первой детали вдоль продольной оси и содержащую средство для индуцирования магнитного поля в элементе, в котором на первой детали обеспечивается детектируемый опорный маркер, отличающийся от элемента.

Поскольку положение точки отсчета фиксируется в детекторе, пользователю больше не нужно выбирать конкретную точку отсчета и осуществлять ручную процедуру программирования точки отсчета. Следовательно, возможность ошибки человека в программировании точки отсчета снижается. Кроме того, программирование точки отсчета может быть автоматизированным процессом, не требующим вмешательства пользователя. Следовательно, задание может выполняться быстрее.

Устройства, известные из уровня техники, основаны на записи дифференциальных изменений в положении для определения фактического положения относительно точки отсчета. Таким образом, если какое-либо считывание пропущено, это приведет к ошибке. Когда преобразователь перемещается на значительное расстояние, указанные ошибки будут прибавляться и становиться значительными.

В частности, когда в качестве магнитных элементов используются стальные шарики, конечное значение положения определяется путем подсчета числа шариков, пройденных от точки отсчета, упоминаемое здесь как подсчет шагов, а также положения вдоль каждого шарика, упоминаемого здесь как подсчет битов. Следовательно, подсчет шагов является измерением относительно низкой точности, а подсчет битов является измерением высокой точности. Однако в подсчете шагов может возникать ошибка, если элемент перемещается слишком быстро для того, чтобы зарегистрировать изменение детектором, что может приводить к значительным ошибкам в измеренном действительном (фактическом) положении.

Более того, обычно на одном конце прохода преобразователя вдоль элемента располагается одна точка отсчета. Следовательно, необходимо перемещать преобразователь из его местоположения в положение точки отсчета, которое может быть на расстоянии нескольких метров, до того, как установлена точка отсчета и преобразователь перемещен обратно в свое местоположение. Чем дальше перемещается преобразователь, тем больше шанс возникновения вышеупомянутых ошибок.

Предпочтительно, детектор положения может быть обеспечен с множеством аксиально разнесенных маркеров. Указанное обстоятельство позволяет детектору положения определять свою точку отсчета без необходимости возвращаться к единому однозначно определяемому положению, чтобы переустановить точку отсчета.

Для того, чтобы была возможность осуществлять указанную процедуру, детектору требуется некоторая дополнительная информация, чтобы обеспечить возможность определения того, какой маркер детектируется.

Один из способов осуществления указанной процедуры состоит в том, чтобы размещать маркеры на различных угловых положениях вокруг окружности магнитного элемента, тем самым обеспечивая различные характеристические сигналы.

В другом примере маркеры могут быть расположены с неравномерным разнесением (с различными интервалами) между смежными маркерами. Зная осевое положение каждого неравномерного разнесения маркера вдоль длины первой детали, детектор способен распознавать конкретное разнесение или комбинацию разнесений смежных деталей как характеристику конкретного местоположения вдоль элемента. Следовательно, местоположение может быть определено без необходимости проходить большое расстояние, чтобы найти точку отсчета.

Неравномерное разнесение может быть случайным или нерегулярным при условии, что оно известно детектору. Однако предпочтительно каждый интервал между смежными маркерами является кратным числом фиксированного значения. Таким образом, на каждом интервале, равном фиксированному значению, детектор либо будет детектировать наличие маркера, либо будет замечать отсутствие маркера. По существу такая процедура осуществляет двоичный код. При подходящем расположении маркеров сегмент двоичного кода для каждого сектора элемента может быть сделан уникальным. Число цифр, требуемых для того, чтобы сделать каждый сегмент двоичного кода уникальным, будет зависеть от длины элемента и разнесения маркеров. Однако детектору для определения указанного уникального кода необходимо продетектировать всего несколько маркеров. Метод также обеспечивает сигнализацию, которая особенно подходит для цифровой схемотехники.

Если фиксированное значение равно периоду периодически изменяющегося размера элемента, то обработка сигнала для определения положения детектора становится проще.

Предпочтительно, длина каждого маркера меньше, чем размер периода изменяющегося элемента. Таким образом, когда детектируется маркер, необязательно давать точную информацию о положении маркера. Вместо этого можно обеспечить "окно", в котором появляется минимальный размер. Затем точное положение может быть определено из сигнала, обеспеченного индукционным элементом.

При использовании множества маркеров маркеры могут производить характеристические сигналы, отличные друг от друга. Способность различать маркеры позволяет с помощью одного маркера обеспечить больше позиционной информации, что, тем самым, увеличивает гибкость детектора, по сравнению со случаем, когда ограничиваются детектированием разнесения между маркерами. Следовательно, на заданной длине вдоль элемента можно обеспечить больше позиционной информации.

Особенно удобный способ обеспечения различных характеристических сигналов состоит в том, чтобы маркеры были магнитными и располагались так, чтобы для некоторых маркеров мог детектироваться северный полюс, тогда как для других мог детектироваться южный полюс. При разнесении маркеров на кратные числа фиксированного значения, такие магнитные маркеры могут с успехом использоваться для обеспечения базового сигнала с тремя состояниями, следовательно, уменьшая число маркеров, требуемых для обеспечения однозначно определяемого сигнала.

Один из способов, которым могут детектироваться маркеры, состоит в том, чтобы проводить их под одним детектором. При условии, что скорость относительного движения или расстояние, проходимое между первой и второй деталями, известны, затем может быть определено положение каждого маркера. Предпочтительно, однако, обеспечивать некоторое число аксиально разнесенных маркерных детекторов. Последнее позволяет детектировать наличие нескольких маркеров одновременно с исключительно коротким относительным перемещением между первой и второй деталями.

В ситуации, когда маркеры разнесены на кратное число фиксированного значения, равное периоду периодически варьирующегося размера элемента, преимущественно равномерно разносить детекторы через интервал, равный периоду периодически варьирующегося размера. При такой компоновке максимальное относительное перемещение одного периода будет гарантировать, что каждый маркер детектируется маркерным детектором.

В усовершенствовании такой компоновки было бы предпочтительно, чтобы каждый маркер формировал сигнал, который детектируется маркерным детектором, при аксиальном смещении маркера от маркерного детектора. Таким образом, было бы возможно определять, находится ли маркер между двумя детекторами без какого-либо относительного перемещения между маркерами и детекторами. Последнее обеспечивает истинное определение абсолютного положения, так как, когда детектор выключается, он может сразу определить свое абсолютное положение без относительного перемещения между деталями. Детектирование маркеров маркерными детекторами позволяет детекторам устанавливать их абсолютный подсчет шагов, тогда как индукционный сигнал, производимый элементом, позволяет ему определять подсчет битов внутри шага. Таким образом, детектор может устанавливать точную абсолютную точку отсчета.

В предпочтительном варианте реализации маркеры располагаются в последовательности, содержащей ряд сегментов заданной длины, причем в каждом из указанных сегментов компоновка маркеров является уникальной. В данном способе, как только компоновка маркеров в одном сегменте детектирована, уникальный сигнал, показывающий положение, становится доступным.

Предпочтительно, когда обеспечивается достаточное число детекторов для детектирования компоновки маркеров в каком-либо сегменте без относительного перемещения между детекторами и маркерами. Тем самым гарантируется детектирование абсолютного положения, когда детекторы могут детектировать уникальный сигнал положения даже в неподвижном состоянии. Для достижения указанного число детекторов обеспечивается большим, чем максимальное число маркеров в сегменте. В данном способе детектор всегда находится достаточно близко к каждому маркеру в сегменте для гарантирования, что достаточно сильный сигнал может быть детектирован.

Предпочтительно, детектор положения также включает средство для определения того, какой из множества детекторов располагается ближе всего к маркерам в сегменте, так что для генерации положения используются только расположенные наилучшим образом детекторы для считывания самых сильных сигналов. Один из таких вариантов реализации изобретения использует классификацию подсчетов битов, выведенных из индукционного элемента для отбора оптимального поднабора детекторов из множества детекторов.

Элемент из магнитного материала может содержать цепочку по существу идентичных сферических шариков, расположенных бок о бок с точечным контактом и ограниченных в относительном перемещении друг к другу. При такой компоновке, каждый маркер может быть с успехом размещен в кольце, вложенном между смежными шариками.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его реализации со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1 иллюстрирует детектор положения, имеющий несколько маркеров и один маркерный детектор, согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения,

фиг.2 иллюстрирует детектор положения, имеющий несколько маркеров и несколько маркерных детекторов, согласно другому варианту реализации настоящего изобретения,

фиг.3 иллюстрирует детектор положения согласно третьему варианту реализации, который подобен фиг.2, но с альтернативной конфигурацией маркерных детекторов,

фиг.4 иллюстрирует детектор положения согласно четвертому варианту реализации с матрицей детекторов и маркерами, способными формировать сигналы, отличные друг от друга, и

фиг.5 изображает вид в разрезе шкалы для детектора положения, согласно пятому варианту реализации настоящего изобретения.

Детектор 10 положения, показанный на фиг.1, содержит шкалу 20, которая размещена в продольном направлении, и преобразователь 30. Преобразователь 30 охватывает шкалу 20 и способен перемещаться вдоль длины шкалы 20.

Шкала 20 содержит трубку 21 из немагнитного материала, которая вмещает цепочку 22 магнитных шариков, находящихся в точечном контакте и ограниченных в движении для предотвращения относительного их перемещения. Преобразователь 30 содержит передающие катушки (не показаны) и принимающие электроды (не показаны). Передающие катушки используются для индуцирования магнитного поля вдоль линии точечного контакта шариков 22, а принимающие электроды расположены таким образом, чтобы детектировать изменения магнитного поля по мере того, как шарики 22 перемещаются относительно принимающих электродов. Для того, чтобы анализировать сигнализацию, обеспечивая информацию о положении, используется электронная схема детектора (не показана). Такие устройства хорошо известны из уровня техники, и одно из них описано в патентной заявке GB 1513567. В частности, итоговое значение положения определяется путем подсчета числа шариков 22, пройденных от точки отсчета, известной как подсчет шагов, объединенным с положением вдоль каждого шарика 22, известным как подсчет битов. Подсчет шагов является измерением относительно низкой точности, а подсчет битов является измерением высокой точности, которое является абсолютным в пределах шага.

Как показано на фиг.1, в преобразователе 30 обеспечивается единственный маркерный детектор 31, такой как датчик, основанный на эффекте Холла. На аксиально разнесенных местоположениях вдоль шкалы 20 обеспечено множество магнитных маркеров 23. Каждый маркер 23 располагается на уровне осевого местоположения с точкой контакта между двумя смежными шариками 22. Из фиг.1 понятно, что для расположения маркеров 23 имеется достаточно места, причем они поддерживаются в пластмассовом кольце (не показано), которое вложено между магнитными шариками 22, но не мешает им.

Маркеры 23 обеспечиваются между некоторыми из шариков 22, но не между каждым шариком 22. Следовательно, маркеры 23 располагаются на интервалах, равных кратным числам шага шкалы 20, причем шаг равен диаметру шариков 22.

Отсутствие маркера 23 не дает сигнала (0) маркерному детектору 31, тогда как наличие маркера 23 обеспечивает сигнал (1). Таким образом, по мере того как преобразователь 30 сканирует по шкале 20, на каждом интервале, равном одному диаметру шарика (один шаг), маркерный детектор детектирует либо наличие, либо отсутствие маркера 23, формируя уникальный двоичный сигнал, который соответствует характеристической компоновке маркеров.

Маркеры располагаются так, что обеспечивается двоичная последовательность, которую можно рассматривать, как составленную из ряда перекрывающихся сегментов, каждый из которых имеет заданное число цифр. При этом может генерироваться двоичная последовательность, в которой сегмент не повторяется в пределах заданной максимально возможной длины. Если сегмент состоит из 8 цифр, то перед тем как произойдет повторение, может генерироваться двоичная последовательность из 2⁸ =256 сегментов.

Например, если последовательность начинается, скажем, с 101100111010..., то первые 8 цифр представляют собой 10110011. Перемещение на один шаг начинает следующий сегмент, и этот второй сегмент представляет собой 01100111. Перемещение на другой шаг дает третий сегмент 11001110 и т.д. Каждый из этих сегментов является уникальным в пределах длины шкалы 20.

Таким образом, зная, что двоичная последовательность располагается вдоль шкалы 20, как только детектор 31 детектировал любой сегмент из 8 цифр, он способен идентифицировать свое положение относительно шкалы 20 путем идентификации того, где появляется указанный характеристический сегмент в известной последовательности.

Усовершенствование изобретения показано на фиг.2. В данном случае обеспечивается несколько маркерных детекторов 31. Удобно, когда число маркерных детекторов 31 равно числу цифр в сегменте с двоичным кодом, который требуется для идентификации конкретной характеристической компоновки. В этом случае сегмент с двоичным кодом имеет длину 8 цифр и, таким образом, имеется 8 маркерных детекторов 31. Следовательно, для того чтобы можно было считывать весь сегмент и, исходя из этого, определять положение, необходимо перемещать преобразователь 30 всего лишь на максимальное расстояние длиной в один шаг (то есть один диаметр шарика).

В варианте реализации изобретения, показанном на фиг.3, обеспечивается множество аналоговых детекторов 31. Они размещены на расстоянии меньше одного шага магнитных шариков 22. Использование аналоговых детекторов 31 позволяет детектировать наличие маркера 23 даже тогда, когда он не является непосредственно центрированным с детектором 31. Также уровень сигнала, детектируемого детектором 31, будет варьироваться обратно пропорционально его аксиальному расстоянию от маркера 23. Следовательно, детекторы 31 всегда способны определять компоновку маркеров 23 в секции шкалы 20, с которой они являются смежными, не требуя относительного перемещения между преобразователем 30 и шкалой 20. Таким образом, данная компоновка предлагает истинное детектирование абсолютного положения.

В следующем варианте реализации изобретения, иллюстрируемом на фиг.4, используются маркеры 23, которые могут обеспечить характеристические сигналы, отличающиеся друг от друга. В данном примере используются магнитные маркеры 23, которые располагаются так, что может детектироваться либо северный полюс, либо южный полюс. Таким образом, детекторы 31 будут детектировать либо отсутствие маркера (0), либо северный полюс (1), либо южный полюс (2), даже когда детекторы не являются непосредственно центрированными с маркерами. Тем самым обеспечивается троичный код, а не двоичный код.

Как упоминалось выше, сегмент кода с заданным числом цифр должен быть выбран относительно конкретного местоположения. Для обеспечения детектирования абсолютного положения сегменты кода вдоль всей длины шкалы 20 не должны повторяться. Данное условие может быть удовлетворено, если используется подходящий математический алгоритм для осуществления псевдослучайной последовательности, которая, в свою очередь, задает положения маркеров. Преимущество троичного кода над двоичным кодом состоит в том, что для сегмента кода с заданным числом цифр, может генерироваться более длинная псевдослучайная последовательность до того, как произойдет повторение конкретного сегмента. Следовательно, может быть обеспечена более длинная шкала 20.

Однако нежелательно, чтобы сегмент кода имел слишком большое число цифр, поскольку по мере того, как увеличивается число цифр, требуется большее число детекторов 31, чтобы считывать сегмент без относительного перемещения детекторов 31 вдоль шкалы 20.

В предпочтительном варианте реализации изобретения выбранный сегмент кода имеет длину 6 цифр. Следовательно, может генерироваться троичная последовательность из 3⁶ =729 сегментов уникального кода.

Для обеспечения возможности детектирования сегмента кода с 6 цифрами в произвольной точке используется множество детекторов 31, плотно упакованных в матрицу 32, которое достаточно для охвата более шести магнитных шариков 22 в шкале 20. Кроме того, для более отчетливого детектирования маркера 23 (или отсутствие маркера), даже если детектор 31 не расположен точно центрированным с маркером 23, предпочтительно, если матрица 32 содержит число детекторов, которое намного больше, чем число цифр в сегменте кода, который должен детектироваться. Используя высокоточное измерение подсчета битов, которое показывает точное положение над шариком 22, могут быть выбраны те из детекторов 31 в матрице 32, которые лучше расположены для детектирования самых сильных сигналов из маркеров 23 в конкретном сегменте с тем, чтобы обеспечить сегмент кода, тогда как сигналы от остальных детекторов отфильтровываются. Обычно подсчет битов (т.е. показание положения над шариком) классифицируется на ряды групп, и специфический поднабор детекторов 31 ассоциируется с каждой группой. Таким образом, если подсчет битов падает в пределах данной группы, то для того, чтобы детектировать сигналы от маркеров 23, выбирается подходящий поднабор детекторов 31.

В предпочтительном варианте реализации изобретения матрица 32 содержит 16 детекторов 31 и является достаточно длинной для того, чтобы воспринимать сигналы на отрезках длиной 7 шагов. Следовательно, могут детектироваться два сегмента кода из 6 цифр. Снова, используя высокоточное измерение подсчета битов, чтобы показать точное положение над шариком 22, может быть установлено, к какому из двух последовательных сегментов кода из 6 цифр ближе всего матрица 32, и таким образом, лучше всего расположена для детектирования. Следовательно, переход от сегмента кода из 6 цифр к следующему является таким же точным, как измерение подсчета битов.

При наличии гарантии, что матрицей 32 можно считывать весь сегмент кода одновременно без необходимости перемещения преобразователя 30, данный вариант реализации обеспечивает детектирование абсолютного положения, то есть устройство способно определять свое точное положение все время, даже если питание отключается и восстанавливается при наличии перемещения, происходящего во время отсутствия питания.

Фиг.5 иллюстрирует другой вариант реализации изобретения, в котором в нескольких местоположениях по шкале 20 обеспечиваются один или более маркеров 23 в различных угловых положениях вокруг окружности. В данном примере показаны три маркера 23 на углах 0°, 45° и 90°. Однако меньшее или большее число маркеров можно было бы обеспечить на других угловых положениях. Согласно компоновке маркеров 23, обеспечиваются различные характеристические сигналы. Таким образом, каждый характеристический сигнал обеспечивает точку отсчета на шкале 20.

Маркеры 23 могут быть расположены на относительно немногочисленных аксиальных местоположениях вдоль шкалы 20, обеспечивая ряд точек отсчета, так что детектор 31 необходимо перемещать только на относительно короткое расстояние для идентифицирования точки отсчета. Такая процедура не обеспечивает детектирования абсолютного положения, но является сравнительно простой компоновкой.

Альтернативно могло бы быть использовано большее число маркеров 23 на каждом из большего числа местоположений так, чтобы в произвольной точке могли бы детектироваться характеристические сигналы, достаточные, чтобы показывать положение. Такая компоновка могла бы быть более сложной, но обеспечила бы детектирование абсолютного положения.

Следует отметить, что во всех вышеупомянутых случаях информация, обеспеченная детектированием положения детекторов 31, обеспечивает детектирование низкой точности, но дает информацию об уникальном положении. Таким образом, различая индуцированный сигнал от магнитных шариков 22 и уникальный сигнал, произведенный маркерами 23, детектор положения способен определять свое уникальное местоположение с высокой точностью.