专利名称：线性位置测量系统和确定车厢相对于导轨的位置的方法
技术领域：
本发明涉及一种线性位置测量系统，并且涉及一种确定车厢相对于导轨的位置的方法。
背景技术：
例如，确定车厢相对于前面提到的类型的导轨的位置的系统与引导系统——例如线性引导——联合使用，该系统包括第一主体和第二主体，在所述第一主体上引导第二主体，第二主体能够相对于第一主体移动，并且在此具有一个工作，该工作使确定第二主体相对于第一主体的位置变得可能。为此，例如，用于确定位置的各个设备的量尺能够相对于第一主体进行合适地固定，例如，各个扫描仪能够相对于第二主体合适地进行固定。例如，现有技术中已知用于确定绝对位置的线性位置测量系统，该系统包括标有 测量点的量尺，和扫描仪，该扫描仪能够相对量尺移动来扫描各个测量点。例如，这些测量点构成一个或多个可获取的标记来分辨位置。例如，标记能够通过光学或磁性的方式获取。在光学扫描的情况下，扫描仪包括一个传感器，该传感器用于获取测量点的图像，并且提供信号，使其能够确定相对于量尺的扫描仪的位置。在磁性扫描的情况下，扫描仪包括一个磁场传感器，其用于获取单体永磁体的磁场的级数，以这种方式来排列量尺的测量点。依靠各个量尺(光学/磁性)，能够使用这些类型的系统，例如测量扫描仪相对于原始位置的位置相对变化。为了达到这些类型的系统能够测量扫描仪相对于量尺的位置相对变化的意图，例如，各个量尺能够被设计为增量标尺，因此获得一系列相同的周期性排列的标记，该标记沿着指定的线或量尺以相等的距离间隔开。例如为了能够光学扫描这样一种增量量尺，扫描仪能够将各个标记的光学图像投射到光电探测器形式的传感器上。为了测量扫描仪相对于量尺的位置变化，扫描仪沿着记的轨迹移动。这里扫描仪的移动引起一个信号周期性地变化，例如，提供关于在一段预定的时间内扫描仪通过了多少标记的信息。综上所述，在扫描仪的相对位置上的各个变化能够通过扫描增量量尺的测量点或增量标记进行确定。为此目的，使用了具有相当简单的设计和高分辨率的所谓的增量位置编码器。对熟知的线性位置测量系统中的扫描仪必须持续地供给外部的电能，以防止存储的关于扫描仪的各个位置信息的丢失。甚至只是一个没有任何电力缓冲的简单的电力中断都将会导致关于扫描仪的各个位置的信息丢失。其结果是即使在外部电源被恢复之后，扫描仪将会输出错误的关于位置的信息，或者根本无输出。为了从这个状态返回到无缝操作，车厢将会不得不经历相对于导轨的时间密集型再校准。如所知道的那样，扫描仪装备有移动(内部的)电源，例如电池或蓄电池，该移动电源至少间歇地为扫描仪的数据存储装置提供电力，以便假设外部电源中断时存储关于位置的信息。外部电源的中断在此能够被桥接，从而在外部电源中断持续期间甚至更长的时间保证无缝操作。电源能够被桥接的最长时间依赖于移动电源的容量。随着移动电源的容量增加(保持电力消耗常数)，能够被桥接的外部电源中断的最长时间也增加。此处的缺点是提高移动电源的容量会伴随着成本的增加。此外，使用具有提高容量的移动电源也与重量增加和空间增加的需求相关联。特别是两个最后提到的因素对于线性位置测量系统的操作具有整体的负面影响。例如，移动电源重量的增加会减弱车厢的整体加速。
发明内容
本发明的目的就是创造一种线性位置测量系统以及确定车厢相对于导轨的位置的方法，其能够将电源桥接到扫描仪的时间最大化同时保持位置测量系统稳定、可靠的操作。发明目的通过下述特征来实现。 一种线性位置测量系统，用于确定车厢相对于导轨的位置，其包括沿着导轨标记的增量标尺和固定到车厢上的扫描仪，所述扫描仪被设计用于沿着增量标尺扫描多个增量标记，其中所述增量标记能够被扫描为实质的模拟信号级数，所述扫描仪被设计用于以可变扫描频率来扫描增量标记，根据本发明，所述扫描频率能够根据模拟信号级数的当前获得的频率相应地变化，其中可变扫描频率为模拟信号级数的当前获得的频率的至少两倍。线性位置测量系统能够执行扫描程序，以一个暂时可变的扫描频率。所得的好处是能够尽可能地降低扫描频率，同时仍然保持最大限度地符合扫描法则(奈奎斯特速率)。这种降低的扫描频率伴随的是减少扫描仪的电耗。关键的优点是扫描仪的电源现在能够通过设置在车厢或扫描仪上的电池或者蓄电池，在外部电源中断的情况下进行桥接，其中与电源桥接的时间远长于传统已知的线性位置测量系统。这就保证了扫描仪将不间断地继续操作，甚至在延长的电力中断或更长的期间，即，在电力中断结束并且外部电源再次对扫描仪进行供电。此处的这个优点并不是对位置确定的稳定和精确方面折中而得到的。即使车厢突然加速到相对于之前的速度很高的速度，例如由于在线性位置测量系统和/或扫描仪上的冲击，还是能够以高水平的精度来确定位置。在这种情况下，确定模拟信号级数的当前获得的频率快速升高，则作为响应，扫描频率根据这个升高而立即升高。这就保证了位置确定的稳定性。扫描仪优选被设计用于通过使用第二扫描频率来确定模拟信号级数的当前频率，所述第二扫描频率高于可变的扫描频率。这个方法使得能够持续并可靠地确定车厢速度的增加，并且因此相应地提高可变扫描频率。言外之意就是，车厢速度的减小能够被确定出来,并且可变的扫描频率也相应地因此而降低。例如,可变扫描频率和第二扫描频率之间的比例可为I到10。扫描仪优选被设计用于在以可变扫描频率进行的各个扫描结束之后，执行第二扫描程序。作为结果，车厢速度的变化能够被立即确定出来，这就能够直接根据变化的速度调整可变扫描频率。由于这个短的反应时间，即使在例如由线性位置测量系统上的冲击所引起的突然的速度改变之后，也能够可靠地获得车厢的位置。扫描频率优选地能够线性地或者增量地变化。这保证了在线性位置测量系统的那些操作模式下保持低的可变扫描频率，其中车厢以相对低的速度移动。由于扫描仪的电力消耗与扫描仪的频率相关联，在这些模式中的电力消耗也是远低于现有技术中的线性位置测量系统中的电力消耗。然而，一旦模拟信号级数的频率提高，例如响应于车厢的速度(加速度)增加，扫描频率就会线性地或增量地提升。虽然这确实增加了扫描仪的电力消耗，但完整保留了要求可信地获得所有增量标记的可靠性。如果车厢的速度从这个状态(延迟)降低，扫描频率也再次减小。这导致扫描仪的电力消耗全面减小。要注意的是，响应于各个模拟信号级数的当前获得的频率的可变扫描频率中线性或增量的变化必须总是使得各个扫描频率对应于至少两倍的模拟信号级数的当前获得的频率。这确保了遵从作为可靠位置确定的担保的扫描法则(奈奎斯特速率)。扫描仪优选地包括比较器，其将等于两倍扫描频率的频率值对应于模拟信号级数的当前获得的频率的频率值进行比较，其中，扫描仪被设计成，受到增加的预定安全间隙值的影响，如果比较器发现了当前频率增加，则提高可变扫描频率，以及如果比较器发现当前频率减�。蚪档涂杀渖杵德�。这使得扫描仪能够总是以模拟信号级数的频率两倍高的频率扫描线性位置测量系统。遵守这个标准时，相对于模拟信号级数的频率，并且因此相对于车厢的速度，同时将 扫描频率设置得尽量低。通过将线性位置测量系统与现有技术比较，其中扫描频率被静态地调整到这样的(高)水平，这种水平总是涉及车厢的最大速度，这就提供了至今为止空前的节省能量的方法。这使得假设外部电源中断，也能可靠地以比现有技术能持续更长时间的方式从移动电源(例如至少一个电池或蓄电池)为扫描仪提供电源成为可能。这种移动电源能够直接地包含在扫描仪中。安全间隙值优选等于5%到25%范围内的一个值。这使得在位置确定的准确性方面，能够相应地调整设置在线性位置测量系统上的扫描仪到高质量的要求。当安全间隙值变得更高时，扫描仪的相对于导轨的位置确定的准确性提高是有效的。同时，扫描仪的电力消耗也增加了。平衡位置确定的准确性和电力消耗的过程能够针对应用线性位置测量系统的各个区域而被相应地适当调整。增量标记优选地被设计为单体永磁体，它们的各自磁场强度级数能够被扫描仪所扫描。这使得能够进行特别精确的扫描，这是由于磁场扫描与其他扫描方法相比不会被其他干扰所影响。此外，能够以特别精细的分辨率进行扫描，这是由于永磁体能够具有与其他增量标记的结构相比特别狭窄的宽度。增量标记优选地被设计为光学标记，其能够被扫描仪以光学方式扫描。在这种方法中，应用到增量标尺的光学可检测标记通过扫描仪的光学读取头进行扫描。这种扫描的方法与其他扫描方法相比实现起来特别划算。上面所述的目的还能够通过确定车厢相对于导轨的位置的方法来实现。在这个方法中，固定在车厢上的扫描仪扫描多个增量标记。这些增量标记沿着增量标尺放置，其中该增量标尺沿着导轨设置。增量标记在此被扫描为实质的模拟信号级数。增量标记以可变扫描频率被扫描。根据本发明，扫描频率根据当前获得的模拟信号级数的频率响应而变化，其中至少以可变扫描频率为模拟信号级数的当前获得的频率的两倍的方式进行调整。以可变扫描频率进行扫描的一个优点在于扫描频率能够尽可能地减小。扫描频率在此遵循扫描法则(奈奎斯特速率)减小。因此，扫描速率频率总是将要被扫描的信号级数的频率的两倍高。减小扫描频率也就降低了扫描仪的电力消耗。因此一旦外部电源中断，扫描仪的电源现在能够通过设置在车厢或扫描仪上的电池或蓄电池来桥接。模拟信号级数的当前频率优选通过以第二扫描频率扫描来确定，该第二扫描频率高于可变扫描频率。结果车厢速度的增加或减小被可靠地确定出来，使得能够相应地增加或减小可变扫描频率。线性位置测量系统的扫描准确性因此被保留到了相同的高水平上，从而即使车厢突然以很高的速度(加速度)开始移动，也能够以高精确的方式连续地确定位置。例如，这种突然的加速可由从线性位置测量系统和/或扫描仪本身的冲击引起。这种情况下，以第二扫描频率进行扫描来确定模拟信号级数的当前获得的频率的迅速升高。响应于这种确定，直接根据这种升高而提升扫描频率。第二扫描程序优选地在以可变扫描频率的各次扫描结束之后执行。一个优点在于能够因此立即获取车厢速度的变化，使得能够直接根据车厢变化的速度调整可变扫描频率。得益于这种短的响应时间，即使突然加速，也能够可靠地获取车厢的位置。
可变扫描频率优选线性地或增量地变化。如果以模拟信号级数的频率来获取变化，例如由车厢的突然加速引起，扫描频率线性地或增量地增加。从而在遵循扫描法则的同时能够连续获得全部增量标记。如果车厢速度从这个状态改变行进，那么扫描频率也直接线性地或增量地减小。结果，扫描仪全部的电力消耗也减少。这证明了特殊的优点，如果外部电源中断，则通过设置在车厢或扫描仪上的电源，例如电池或蓄电池，将电源桥接度过这段时间。电源桥接过程最大持续时间与已知的位置测量系统相比被延长了。在增加了预定安全间隙值的影响下，比较器优选地用于将对应于两倍扫描频率的频率值与对应于模拟信号级数的当前获得的频率的频率值相比较。该方法还包括如果发现当前频率增加则提高可变扫描频率的步骤，以及一旦发现当前频率减小则降低可变扫描频率的步骤。比较器执行的比较步骤允许线性位置测量系统的扫描仪总是以模拟信号级数的频率至少两倍频率的测量频率来扫描与速度相关的模拟信号级数。当继续保持遵循该标准时，相应地尽可能轻微地调节扫描频率至模拟信号级数的频率，并且车厢的速度也是这样。安全间隙值优选地设置在5%到25%之间的范围。将安全间隙值设置为这个范围中的一个数字，能够在位置确定所要求的准确性和相对于线性位置测量系统应用的各个领域所要求的电力消耗之间进行适当的调节。逐渐提高的安全间隙值还提高了扫描仪确定位置的准确性和可靠性。然而，扫描仪的电力消耗也在过程中提高了，因此也暗示着减少了通过设置在车厢上的电源进行电力桥接的最大持续时间。增量标记优选地设计为单体永磁体，扫描仪扫描其各自的磁场强度级数。使用相邻设置的永磁体作为增量标记保证了特别准确的扫描，这是由于与其他扫描方法相比，它们的磁场扫描特别不容易被干扰所影响。此外，扫描在特别精细的分辨率下进行，这是由于永磁体与其他用于增量标记的结构相比，具有特别狭窄的宽度。增量标记优选地被设计为光学标记，其通过扫描仪以光学方式扫描。在这种方法中，被应用到增量标尺上的光学可检测标记通过扫描仪的光学读取头扫描。这种扫描的方法与其他扫描方法相比在实现上特别划算。
本发明将基于后面的示意性的实施例进行更加详细地解释。所示为图I为线性位置测量系统的详细视图，以及图2为解释扫描时间的时间间隔的示意图。
具体实施例方式图I为线性位置测量系 统10的详细视图，其描述了线性位置测量系统10的导轨12的放大的侧面部分。导轨12用于引导车厢，扫描仪被牢固地固定在车厢上(未示出)。增量标尺14应用到导轨12的侧面。增量标尺14由几个相邻的永磁体16构成，其以N-S，N-S等方向交替排列。通过图示，示意性地描述得到的磁场级数。为了能够测量扫描仪关于增量标尺14(以及导轨12)在位置上的相对变化，固定有扫描仪的车厢沿着永磁体的轨迹移动。扫描仪在此的移动导致获得响应于单体永磁体16的磁场级数的测量信号的周期变化。通过扫描仪在一个已知的时间段内经过永磁体旁边移动，这种测量信号的周期变化提供了关于永磁体16的数量的信息。这轮流给出了车厢相对于导轨12行进的距离和时间的指示。在此必须以一种特别可靠的方式扫描单体永磁体16，这是由于误解将会导致车厢相对于导轨12的不正确的位置信息。图2所示为解释如何设置扫描时间的示意图。根据本发明，以可变扫描频率适应性地扫描增量标记，所述可变扫描频率能够根据模拟信号级数的当前获得的频率改变。可变扫描频率在此必须为模拟信号级数的当前获得的频率的至少两倍。在附图所示的例子中，车厢相对于导轨行进的距离和速度通过同时扫描永磁体的sin和cos信号而进行测量。根据扫描法则，扫描频率(1/T1)在此必须至少为模拟信号级数的所测量的频率的两倍高。就如图2所示的示意图而言，这意味着Tl表示的角度必须具有小于180度的值。如果这个角度超过180度，则扫描仪将认为放大到360度，作为车厢在相反方向的移动。传统的线性位置测量系统与扫描仪一起操作，通过电线对扫描仪提供电力。如果外部电源中断，例如由外部电源系统的失灵所引起的，电源线中断，或者外部供电系统停止工作，就要提供移动电源例如电池或蓄电池，其安装在车厢上或直接安装在扫描仪上。然后，包括外部电源系统的电源输出就直接通过移动电源供应的电力桥接。这防止了关于车厢的当前获得的各个位置信息的丢失。如上所述的节省的能量显著地增加了移动电源被评估为扫描仪提供足够的电力的最大时间。因此，为了节省所要求量的能源，建议扫描仪的扫描频率1/T1尽量减小。为此，扫描间隔Tl根据移动的速度进行变化。当在时间间隔Tl内转过的角度接近180度的一个值的时候，时间间隔Tl相应地减�。蛘呱杵德�1/T1增大。能够使用安全间隙值，其在达到180度的角度之前，以可调节的值固定。结果，扫描频率更早地增大，从而在这样做时，能可靠地维持遵循扫描法则。这种扫描频率可增量地(反复地)或线性地产生。在高加速度时，可能发生当前扫描周期的角度超过了 180的值，即使这个限制在前面的周期内还没有被超过。为了同样能实施这种情况的检测，每个扫描过程Al和A3之后以相当短的时间间隔T2跟随一个扫描过程A2和A4，如图2描述的实例所述的那样。以高扫描频率1/T2的这种方式的扫描允许获得相应更高速度的移动(sin和cos信号的频率)。
在图2表示的实例中，时间间隔Tl对应于10倍的时间间隔T2(T2 = Τ1/10)。在保持这种Τ2和Tl之间所选择的比例时，在时间间隔Τ2 (扫描过程A3和Α4之间的时间间隔)中行进的距离只能假设为对应于限制的1/10的值。如果这个值更高，由于违反了扫描法则，则在时间间隔Tl中测量的距离已经被不正确地确定。然而，这种错误能够被方便地检测到，并且这种不正确的测量距离可被舍弃。这样，能够识别并避免测量错误，而不需要不得不以高扫描频率1/Τ2持续地进行扫描。这就收获了很实质的能量节约，从而相对于现有的位置测量系统，即使在外部电源中断时，也能够延长扫描仪中的电池或蓄电池的使用。·
权利要求
1.一种线性位置测量系统(10)，用于确定车厢相对于导轨(12)的位置，具有沿着导轨(12)设置的增量标尺(14)和固定在车厢上的扫描仪，其中所述扫描仪被设计用于沿着所述增量标尺(14)扫描多个增量标记，其中所述增量标记能够被扫描为实质的模拟信号级数，其中所述扫描仪被设计用于以可变扫描频率来扫描增量标记，其特征在于 所述扫描频率能够根据模拟信号级数的当前获得的频率相应地变化，其中可变扫描频率为模拟信号级数的当前获得的频率的至少两倍。
2.根据权利要求I的线性位置测量系统(10)，其中所述扫描仪被设计用于通过以第二扫描频率进行扫描来确定模拟信号级数的当前频率，所述第二扫描频率高于所述可变扫描频率。
3.根据权利要求2的线性位置测量系统(10)，其中所述扫描仪被设计用于在以可变扫描频率进行的各次扫描结束后执行第二扫描程序。
4.根据前述权利要求中的一项所述的线性位置测量系统(10)，其中所述可变扫描频率能够线性地或增量地变化。
5.根据前述权利要求中的一项所述的线性位置测量系统(10)，其中所述扫描仪包括一个比较器，其将等于两倍的扫描频率的频率值与对应于所述模拟信号级数的当前获得的频率的频率值进行比较，并且所述扫描仪被设计为受到增加的预定的安全间隙值影响，具体为 如果比较器发现当前频率增加，则提高可变扫描频率，以及 如果比较器发现当前频率减�。蚪档涂杀渖杵德省�
6.根据权利要求5的线性位置测量系统(10)，其中所述安全间隙值为从5%到25%范围的值。
7.根据前述权利要求中的一项所述的线性位置测量系统(10)，其中所述增量标记被设计为单体永磁体(16)，其各自磁场强度级数能够被扫描仪所扫描。
8.根据权利要求I 6中的一项的线性位置测量系统(10)，其中所述增量标记被设计为光学标记，其能够被扫描仪光学扫描。
9.一种用于确定车厢相对于导轨(12)的位置的方法，使用沿导轨(12)设置的增量标尺(14)和固定在车厢上的扫描仪，其中所述扫描仪沿着所述增量标尺(14)扫描多个增量标记，其中所述增量标记被扫描为实质的模拟信号级数，其中以可变扫描频率来扫描所述增量标记， 其特征在于所述扫描频率能够根据模拟信号级数的当前获得的频率相应地变化，其中可变扫描频率被设置为至少两倍于模拟信号级数的当前获得的频率。
10.根据权利要求9的方法，其中所述模拟信号级数的当前频率通过以第二扫描频率进行扫描而确定，所述第二扫描频率高于可变扫描频率。
11.根据权利要求10的方法，其中在以可变扫描频率进行的各次扫描结束后执行所述第二扫描程序。
12.根据权利要求9到11中的一项的方法，其中所述可变扫描频率线性地或增量地变化。
13.根据权利要求9到12中的一项的方法，其中所述扫描仪包括一个比较器，受到增加的预定的安全间隙值的影响，该比较器以下面的步骤将等于两倍的扫描频率的频率值与对应于所述模拟信号级数的当前获得的频率的频率值进行比较 如果发现当前频率增加，则提高可变扫描频率，以及 如果发现当前频率减�。蚪档涂杀渖杵德�。
14.根据权利要求13的方法，其中所述安全间隙值设置在5%到25%的范围。
15.根据权利要求9到14中的一项的方法，其中所述增量标记被设计为单体永磁体(16),扫描仪扫描其各自的磁场强度级数。
16.根据权利要求9到15中的一项的方法，其中所述增量标记被设计为光学标记，扫描仪以光学方式扫描该光学标记。
全文摘要
本发明涉及一种线性位置测量系统(10)和用于确定车厢相对于导轨(12)的位置的方法，其具有沿着导轨(12)设置的增量标尺(14)和固定在滑动标尺上的扫描仪。所述扫描仪被设计用于沿着增量标尺(14)扫描多个增量标记，其中所述增量标记能够被扫描为实质的模拟信号级数。所述扫描仪被设计用于以可变扫描频率来扫描所述增量标记。所述扫描频率能够根据所述模拟信号级数的当前获得的频率相应地变化，其中所述可变扫描频率为所述模拟信号级数的当前获得的频率的至少两倍。
文档编号G01B11/00GK102840818SQ201210195638
公开日2012年12月26日 申请日期2012年6月8日 优先权日2011年6月10日
发明者克劳斯-迪特尔·戈茨 申请人:施内贝格尔控股公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
