“位置数和”等分定位方法及装置

本发明涉及一种运动的物体在任意封闭路程上等分定位的检测装 置及方法。

本发明所指的等分是对任意封闭路程理论上无误差的等分；且起始 等分点可为封闭路程上任一点，任意封闭路程既可是平面的，也可是空 间的；既可以是圆、椭圆、多边形，也可以是由直线、抛物线或其它曲 线组成的封闭图形。在工程实际当中，常见的封闭路程有各种封闭的链 式，带式生产线，加工中心刀库的传送带及旋转圆盘等运动的路程。

本发明的定位是指在封闭路程上运动的物体在此路程上理论上无误 差的定位，其位置是通过对安装于其上的感受目标的位置点的测量而确 定的。感受目标的位置点是指在感受目标之上并代表其所在位置的点， 此点可按需选择，如可为感受目标的边缘端点、几何中心等。各感受目 标位置的确定，也就是在封闭路程上运动的物体位置的确定。

通常对封闭路程等分定位地方法，是在确切知道路程全长或封闭角 度后除以等分数，再用每一等分段的长度或角度去确定路程的等分点； 此种方法有两方面问题无法解决：一是当不知路程全长准确值时，无法 精确等分；二是在已知路程全长，但与等分数相除，不能刚好整除时，存 在理论上的误差。此外，现有技术中的等分定位装置，都是采用一个感 受器分别一个一个地去感测多个感受目标的位置点，并只以一个感受目 标对应的感受器输出值确定等分点的位置；装置等分定位精度的提高， 主要取决于各感受目标位置点的均布位置精度，当等分定位精度有较高 要求时，感受目标势必要有更高的均布位置精度，而实现高均布位置精 度难度很大，往往成本很高，对环境要求也苛刻。

本发明的目的是提供一种能够实现理论上无误差的任意等分封闭路 程并保证在此封闭路程上运动的物体理论上无误差定位的方法及装置， 从根本上解决现有技术前述的两方面问题；此种方法易实现高精度且装 置结构简单，对环境也无苛刻要求，有广阔的应用前景。

本发明是以特定的装置和方法来实现上述功能的。

本发明的装置由传感器系统及附属设施构成。传感器系统由两部 分组成：第一部分包含n个感受目标G1,…,Gn(n为大于1的有限自然数)， 把它们设置于可在封闭路程上运动的物体上，且要求在测量时各感受目 标均布于封闭路程之上(即按各感受目标的位置点均布于封闭路程之上)， 感受目标可随运动物体往返运动。第二部分包含n个感受器F1,F2,…, Fn，它们都设置于封闭路程附近，各感受器在封闭路程上的量程分别为 R1,R2,…,Rn(感受器在封闭路程上的量程是指感受器所能够感知的感 受目标位置点在封闭路程上位置的路程范围)，也要求在测量时R1,R2, …,Rn均布于封闭路程之上(即按R1,R2,…,Rn的位置点均布于封闭路程 之上)；感受器在封闭路程上的量程R的位置点是指在R之上并代表其所 在位置的点，此点可按需选择，如可为R的端点、中心点等。量程R1,R2, …,Rn最好相等。

本发明在完成所需的等分定位过程中，可包括多次感受器对感受目 标的测量，每次测量时，均要求各感受目标位置点之间及R1,R2,…,Rn位 置点之间的排列顺序和间隔路程不改变。将各感受目标固置于一整体 式的物体上，是满足上述要求的最好途径，如将各感受目标按其位置点 均布安装于一个始终在封闭路程上运动的传动链上，各感受器安装于传 动链附近的支架上，使其R1,R2,…,Rn，的位置点也均布于封闭路程上，则 无论何时测量，均可保证前述要求。但对某些特殊情况，各感受目标要 求分别设置于多个相互独立的物体上，那幺也只要在完成所需等分定位 过程中保证每次测量时，满足上述要求，依然可实现对封闭路程理论上 无误差的等分定位；至于非测量时，各感受目标位置点之间及R1,R2,…, Rn位置点之间的相互位置，以及它们是否同步运动等不作要求。

各感受目标间及各感受器的R1,R2,…,Rn间的均布，无高均布位置 精度要求，以|Δfmax|+|Δgmax|≤Rmin为原则，其中Δgmax为n个感受 目标中任意2个感受目标位置点间路程的最大间隔误差；Δfmax为n个感 受器中任意2个感受器在封闭路程上的量程位置点间路程的最大间隔误 差，Δfmax,Δgmax的确切值不必一定知道，只要令Δfmax,Δgmax在某 一设定的较大且易实现的范围内即可；Rmin为R1,…,Rn中的最小量程。 各感受器的安装位置以及感受目标在运动物体上的安装方位无特殊要 求，以感受器可准确测出感受目标在封闭路程上的位置(即有“位置数” 输出)为原则。

感受器(或感受目标)的直接输出值或经适当处理后的间接输出值， 其变化增量与所测感受目标移动前后，其位量点在封闭路程上所处位置 间的相应路程长成线性关系。将上述感受器(或感受目标)的直接输出 值及间接输出值统称为“位置数”。在一个等分定位装置中，各感受目标 所对应的“位置数”的变化增量应与相应的路程长成等线性关系。本发 明的传感器系统可为各种形式的传感器系统，不论直接反应感受目标在 封闭路程上的准确位置，还是经计算转换间接反应感受目标在封闭路程 上准确位置的传感器均可为本发明的传感器系统。当感受器量程内的 路程为直线段时，则各种位移式传感器均可很方便地用作本装置的传感 器系统，当路程长与角位移间的函数关系为线性时，可用各种角位移传 感器作为本装置的传感器系统。所应注意的是有些传感器系统其感受 器与感受目标互相感测，它们互为感受器和感受目标，这时，可根据需要 将其中之一作为感受器，另一个为感受目标。

若上述感受器还具有一个感受器可感测输出同一状态下多个感受 目标的“位置数”的功能，则可以用一个感受器代替多个感受器；其实质 仍相当于n个感受器对n个感受目标。

本发明的附属设施主要包括感受器、感受目标的支承部分，整个装 置的动力源和传动部分以及“位置数”求和比较及控制部分。

本发明实现等分定位的方法是：在某起始位置，任选封闭路程上一 点作为初始等分点，使n个感受器感测相应的均布在封闭路程上的n个感 受目标，得到n个“位置数”A1,A2,…,An，求和 $M_0=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{A}_i,$ 在感受目标由初 始位置移动到封闭路程全长L的n等分中某一等分路程长Lj=(L/n)*j位 置后，n个感受器再进行感测，得到n个新“位置数”A1’,A2’,…,An’，求和 $M_j=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{A}_i,$ 只要Mj=M0(即Mj-M0=0)，则感受目标所移动到的位置离初始位 置的路程长Lj=(L/n)*j便理论上无误差。此时封闭路程上第j个等分点 也随之而确定。若M0≠Mj，则感受目标移动到的位置离初始位置的路程 长必不是Lj=(L/n)*j，此时，感受目标实际所处位置离初始位置的路程 长与等分理想路程(L/n)*j的差值为ΔL=(Mj-M0)/(k*n)，k为“位置数” 的变化增量与相应的路程长所成线性关系式：ΔA=k*ΔL之斜率；则再调 整ΔL，即可实现Mj=M0。

实际应用时，在完成所需等分定位过程中，每次感受器对感受目标 的测量，均要求各感受器在封闭路程上的量程内有相应的感受目标，所 以，在开始测量时，应使各感受目标移入R1,R2,…,Rn的公共量程w内，此 公共量程也即前述ΔL的可调整范围。

若把路程上所有点分为两类，一类是把封闭路程全长L进行n等分 后，距起始等分点路程为Lj=(L/n)*j(n为大于1的有限自然数)的各等分 点，这是有限的一些点。另一类是相邻等分点间的连续点，若这些等分 点间的连续各点也能理论上无误差定位，则全路程L上各点皆可实现理 论上无误差定位。

实施连续等分定位，要求n个感受器中，每相邻两个感受器在封闭路 程上的量程相互精接或重叠，从而使封闭路程L上所有点与初始等分点 间的路程Lj均可用Lj=(L/n)*j+(Mj-M0)/(k*n)来表示，即可实现封闭 路程全程理论上无误差连续等分定位。由于任一封闭路程上的点与其 相似形路程上的点为一一对应关系，故对此路程的等分定位，也就是对 其相似形路程的等分定位。

由于感受器在封闭路程上的量程和感受目标各自均布误差的存在， 以及各感受器R1,R2,…,Rn的差异，会出现如下情况：

第j-1个感受目标已进入每j个感受器在封闭路程上的量程Rj内，而 第j个感受目标还未脱离Rj进入第j+1个感受器的Rj+1之内，但第j+1个 感受目标已进入Rj+2，此时，Rj内有两个感受目标，而Rj+1内无感受目标； 这就需要将第j个感受目标在Rj内的“位置数”换算到Rj+1内，使每个感 受器都能对应一个感受目标，以便应用“位置数和”等分定位方法中的公 式Lj=(L/n)*j+(Mj-M0)/(k*n)来实现封闭路程全程理论上无误差连续 等分定位。

本发明的优点如下

第一，本发明装置中各感受器的R1,R2,…,Rn及各感受目标无高均 布位置精度要求，其各自的均布位置精度与感受器的R1,R2,…,Rn有关 (|Δfmax|+|Δgmax|≤Rmin)，而一般传感器的量程较之均布要求大很 多，所以，Δfmax,Δgmax的允许值可较大，且不影响装置的等分定位精 度；感受器和感受目标的安装方式、方位也无苛刻要求，故与现有技术 以提高各感受目标的均布位置精度来提高等分定位精度的方法相比，有 极大的优势。

第二，本发明的等分定位是理论上无误差的等分定位。

第三，起始等分点是按需任选的，故无原点复归的问题。

第四，本发明进行等分定位过程时间较短，在此期间，温度等环境因 素对传感器的影响较小，而本发明的等分定位精度只与此短对间内的传 感器的输出值有关，故温度等环境因素对本发明的影响较小。

第五，本发明可实现理论上无误差的素数等分定位。

第六，本发明的在前述条件下可对任意封闭路程全程进行理论上无 误差的真正数学意义上的连续等分定位，而不是现有技术那种以细分方 法所实现的实质上乃是一系列间断点的“连续”等分定位。

第七，本发明可按需进行动态，静态测量。

第八，在现有技术中，可作为本发明装置传感器系统的传感器多种 多样，从而提供了较宽的选择范围。

第十，对于平面封闭路程且此路程构成关于X,Y轴对称的图形，则该 路程在平面内的微小移动对测量精度理论上无影响。

下面结合附图和借助于有关实例，对本发明作进一步详细说明：

图1是本发明“位置数和”等分定位装置对任意封闭路程进行等分 定位的初始位置的原理图。

图2是本发明“位置数和”等分定位装置对任意封闭路程进行等分 定位时，感受目标随运动物体移动到距初始位置(L/n)*j处的原理图。

图3为一种皮带二等分定位装置的俯视图。

图4为一种皮带二等分定位装置的正视图。

图5是滑线位移式传感器系统的示意图。

图6是线绕电位器式位移传感器系统的示意图。

图7是差动电感式位移传感器系统的示意图。

图8是磁敏电阻式位移传感器系统的示意图。

图9是电容式位移传感器系统的示意图。

图10是激光-CCD传感器系统的示意图。

图11是激光干涉仪传感器系统的示意图。

图12是发电机式位移传感器系统的示意图。

图13是光栅式位移传感器系统的示意图。

图14是霍尔效应式位移传感器系统的示意图。

图15是感应同步器式位移传感器系统的示意图。

图16是探头式位移传感器系统的示意图。

图17为一种滑线式分层连续等分定位装置的正视图。

图18为一种滑线式分层连续等分定位装置的俯视图。

图19为一种磁栅式连续等分定位装置的正视图。

图20为一种磁栅式连续等分定位装置的A-A剖视图。

图21为一种磁栅式连续等分定位装置的量程转换示意图。

图1中，在任意封闭路程上运动的运动体(如链、弦、齿带、皮带等) 上面，固置n个感受目标G1,G2,…,Gn，它们的位置点n等分均布于封闭路 程之上；在运动体附近，固置n个感受器F1,F2,…,Fn，它们在封闭路程上 的量程R1,R2,…,Rn的位置点也均布于封闭路程之上；各感受目标间与 各感受器R间的位置点均布皆无高位置精度要求，只要保证|Δfmax|+ |Δgmax|≤Rmin即可。n个感受器感测n个感受目标得到A1,A2,…,An, 共n个“位置数”，并求和 $M_0=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{A}_i$ 。

图2表示设置于运动体上的各感受目标在封闭路程上都移动一个 (L/n)*j的路程(L为封闭路程全长，j为1至n间的任一自然数)。每个感 受目标随着运动体一起移动，各感受器相对封闭路程固定不动。此状态 下，n个感受器再对n个感受目标进行感测，得n个新“位置数”A1’,A2’,…, An’，求和 $M_j=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{A}_i^{\prime }$ 。 只要它们的和在移动前、后一样，即Mj=M0，则感受 目标随运动体运动到(L/n)*j处理论上无误差，即实现了理论上无误差 的等分定位。若Mj≠M0时，则必不在路程(L/n)*j的真值处，这时可用公 式ΔL=(Mj-M0)/(k*n)，进行微动调整，从而使运动体达到路程真值处； 至于j具体是几，其确定方法可通过计取出现与M0相等的Mj值的次数实 现。本例为第j次，即在(L/n)*j处；若感受器在封闭路程上的量程相接 或部分重叠，则可实施连续等分定位。

图3，图4中，电机5经轴6驱动带轮3转动，使皮带2在带轮3与从动轮4 带动下沿封闭路程运动(既可以正向也可反向)，2个感受目标G1与G2均 布固定在皮带上，感受器F1与F2固置在支架1上，F1与F2在封闭路程上的 量程R1,R2均布于封闭路程全长上，但G1与G2之位置点间以及R1,R2间的 均布位置精度都要求不高，只要满足条件|Δfmax|+|Δgmax|≤Rmin即 可。式中Δgmax为两感受目标G1与G2位置点之间路程的最大间隔误差。 Δfmax为两感受器在封闭路程上量程位置点间路程的最大间隔误差。 感受目标G1,G2和感受器F1,F2组成的传感器系统，可选用各类位移传感 器。此装置二等分定位的程序是：选择一起始位，并任意设定一初始等 分点，F1感测G1的“位置数”为A1,F2感测G2的“位置数”为A2，求和 $\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{A}_i,$ 开动电机，皮带移动到L/2处(L为带长)，F1感测G2的“位置数”得 A1′,F2感测G1的“位置数”得A2′，求和 $M_1=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{A}_i^{\prime },$ 只要M1=M0，即理论 上无误差进行了二等分定位。若M1≠M0则可用ΔL=(M1-M0)/(k*2)式进 行调整，直至M1=M0。也可利用各种角位移传感器进行对路程的测量， 只需将F1,F2设置位置改变，如设于带轮外或其上。

图5到图16，这12个图(还有如光电位移传感器以及各种角位移传感 器等，这里不再例举)，它们都是图3中的感受目标G和感受器F的具体化 传感器类型，均为检测路程长(直接或间接)的传感器。虽然各型传感器 原理不同，但每个传感器系统中，各感受器(或感受目标)的输出值均应 准确反应感受目标在封闭路程上的位置，且输出相应的“位置数”A。 图5中1为电阻丝，可选为感受目标；2为电刷，可选为感受器；3为运动体。 图6中1为电位器，可选为感受器；2为电刷，可选为感受目标；3为运动体。

图7中1为衔铁，可选为感受目标；2为电感位移传感器，可选为感受 器；3为运动体。

图8中1为磁敏电阻元件，可选为感受目标；2为磁铁，可选为感受器； 3为运动体；4为感受目标的支承装置；5为感受器的支承装置。

图9中1为电容传感器的动极板，可选为感受目标；2为静极板，可选 为感受器；电为运动体，4为静极板的支承装置。

图10中1为线阵(或面阵)CCD，可选为感受目标；2为激光器，可选为 感受器；3为运动体。

图11中1为反射镜，可选为感受目标；2为激光干涉仪，可选为感受器； 3为运动体。

图12中1为感受目标及运动体，可沿图示箭头方向运动；2为磁铁，作 感受器，利用发电机原理测量。

图13中1为指示光栅，可选为感受目标；2为主光栅，可选为感受器；3 为运动体，可沿图示箭头方向运动；。

图14中1为感受目标及运动体，可沿图示箭头方向运动；2为磁铁，可 选为感受器，利用霍尔效应原理测量。

图15中1为感应同步器滑尺，可选为感受目标；2为感应同步器定尺， 可选为感受器；3为运动体，可沿图示箭头方向运动。

图16中1为感受目标；2为探头式位移传感器，可选为感受器；3为支 架；其中探头式位移传感器可为机械式、光栅式、电涡流式、弦振式、 光纤式、力敏式、电感螺线管式，气动式，液压式，磁敏式，电位器式、 电感式等各种探头传感器。

图17，图18系用上、下两层各5个滑线电位器式传感器选为传感器 系统的封闭传动带连续等分定位装置。

封闭的传动带1安放于支架2上面的可绕各自轴回转的Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ 带轮上，其中Ⅳ轮与电机3同轴作为主传动轮，其他各轮为从动轮。电刷 在其上滑动的上、下两层各5根等电阻导线分别按导线段中点均布装于 传动带上，作为感受目标；10个电刷分5组，每2个一组分上、下安装在 一竖直线上，分别与不同层导线接触，各组间也要求均布于传动带上。 电压Us对应的路程长为感受器在封闭路程上的量程，上层5根导线中每 一根两端与下层5根导线中与之相邻的两根导线在图17,18所示z方向都 有小段重叠。由于量程很大，故导线段及电刷的均布安装要求很低，只 要保证测量时各电刷与相应导线段接触即可。实施等分定位时，可把上 层作为主层，下层作为辅助层。进行传动带全长5等分定位时，首先，选 定传动带某一适当位置，作为初始位置，F1,…,F5在G1,…,G5上感测相 应的“位置数”A1,…,A5，求和 $M_0=\underset{i=1}{\overset{5}{\Sigma }}{A}_i,$ 而后使G1,…,G5随传动带移动到 下一位置时，F1,…,F5再读取相应的“位置数”A1,…,A5求和 $M_j=\underset{i=1}{\overset{5}{\Sigma }}{A}_i^{\prime }$ 。 若Mj≠M0，则用公式ΔL=(Mj-M0)/(5*k)进行调整，调整至Mj=M0后，则传 动带移动的路程必为(L/n)*j。至于j是几，则通过计数器计取与M0相等 的Mj值的次数而定，如若出现过3次，则j=3。即传动带移动了(L/5)*3 的路程，理论上无误差。

当不知L的确切值时，将导线、电刷大致均布于传动带上。由于导 线较长，容易保证|Δfmax|+|Δgmax|小于导线段长Rmin，即每次测量时， 均有电刷在导线上，则仍可理论上无误差的5等分此路程。

对于上层公共量程w(即上层电刷始终与上层导线接触时所对应的 路程范围)之内那部分连续路程各点的定位，仍用上层5根导线G1,…,G5 及其对应的电刷F1,…,F5，并用公式Lj=(L/n)*j+(Mj-M0)/(5*k)实现。 对于上层公共量程之外各点的等分定位，要用到下层5根导线及其对应 的电刷。

由于上层任一导线段与下层相邻两导线段均有Z向投影的边缘部分 的重叠。所以，当上层5个电刷中，任一个电刷Fi在即将滑离相应上层导 线段时，Fi′已滑入相应的下层导线段。同理，Fi′在即将滑离相应下 层导线段时，Fi已滑入下一个相应的上层导线段。所以，若上层导线段 的边缘及导线段外的各点的“位置数”可由下层电刷对下层导线段的感 测值转换得到，这就可求得相应的Mj的值。仍用Lj=(L/n)*j+(Mj-M0)/ (5*k)实现全程理论上无误差定位。

实现上述上、下层对应值转换的方法很多，本例采用如下方法：

上层F1输出值Y与路程X呈Y=k*X+b线性关系，下层Fi’输出值Y’与 路程X呈Y’=k’*X+b’线性关系(b,b’为初始位置Y,Y’的值)，导线移过 相同的路程后，则有关系式ΔY=ΔY’*(k/k’)，电刷在Z向投影重叠部 分，任取一位置作为转换位置，此时Fi输出值为Fjm,Fi’输出值为Fas’， 此后，上层导线上及导线外各点的“位置数”均由Y=(k/k’)*(Y’-Fas’) +Fjs表示。若上、下两层的感受器均与路程呈相同的线性关系，即 k=k’，则上式变为Y=Y’+(Fjs-Fes’)，转换直至上层又一导线段滑入Fi, Fi又开始有新的输出值为止。(把下层作为主层，上层作为辅层，与上 同理)；当然也可采用测前标定对应值实现转换。

图19，图20，图21中，磁栅整圆周布于转台2的小圆柱外侧面上，共16 个NS磁栅，磁头F1,…,F8均布于支架4上；电机7带动齿轮5转动，齿轮5 将运动传递给齿轮轴3，齿轮轴3下端通过轴承9安装于支承座6上，固定 在齿轮轴上端的转台2随齿轮轴3一起转动。

将16个NS磁栅分为8组，每2个NS磁栅一组，每组磁极呈S-N-N-S状， 作为8个感受器，量程为8个S-N-N-S区域R1,…,R8，位置点为量程中点S -S磁极相接处，磁头作为感受目标，此时，封闭路程随磁栅一同转动，本 例中，“位置数”由感受目标输出。

选取量程中点附近某一位置作为起始位置，磁头测得8个输出值，即 磁头相对圆周路程上的“位置数”A1,…,A8，求和 $M_0=\underset{i=1}{\overset{8}{\Sigma }}{A}_i;$ 转动转台，至 下一位置时，磁头又测得8个输出值A1’,…,A8’，再求和得Mj，若Mj=M0 时，则磁头相对转台转到(L/8)*j处(j为小于等于8的自然数)，j由Mj=M0 的次数而定，如出现了4次Mj=M0的情况，则j=4，即磁头相对转台转到了 (L/8)*4处。若Mj≠M0，可用ΔL=(Mj-M0)/(k*8)进行调整直至Mj=M0。

在公共范围W内，利用公式ΔL=(Mj-M0)/(k*8)，可实现W范围内各点 的连续等分定位。如能将W范围外各点也能实现连续等分定位，则可对 路程全程进行连续等分定位。本例8个量程首尾相接，量程布满路程全 程，可实现全程连续分度定位。

当磁头处于磁栅量程边缘时，由于Δfmax,Δgmax的存在，会出 现说明书中所述情况，即有的磁栅量程内有两个磁头，而有的磁栅量程 内没有磁头。本例采用如下方法来进行转换。

设磁头Gi-1在第i-1个磁栅量程Ri-1内，磁头G1应在第i个磁栅量 程R1内，却进入了第i+1个磁栅量程Ri+1，第i+1个磁头在第i+1个磁栅 量程R1+1内，此时R1+1内有2个磁头，而R1内没有磁头。转换如图21所示， 图(a)为磁头在磁栅量程内位置的示意图；磁头输出的电感值与路程关 系为图21(b)所示三角函数关系，可转换为图21(c)所示的线性关系。磁 头G1在Ri+1内的位置点为a，此时，应将a点的值转换到Fi的量程Ri内，利 用公式Ya=Ymax+k*[(Ya’-Ymin’)/k’]Ymin即可求得、其中Ya为经转 换后磁头在R1内的“位置数”，Ymax为R1右边界值；k,k’分别为Ri,Ri+1 内磁头输出“位置数”与路程间线性关系式的斜率，Ymin,Ymin’为磁头 在Ri及Ri+1量程左边界输出的位置数。由于本发明的前述要求，k要等 于k’；这样，就可用通式Lj=(L/n)*j+(Mj-M0)/(8*k)实现圆周连续等分 定位。此装置可用于动态，静态测量。