一种应用于直线位移台的绝对零位传感器及定位方法与流程

本发明涉及机械运行定位控制技术领域，更具体的说，是涉及一种应用于直线位移台的绝对零位传感器及定位方法。

背景技术：

随着社会的发展，制造业对加工精度的提高，要求对位移有更加精确的测量，一些新型的测量器具和测量技术应运而生。目前，精密的位移测量广泛采用光栅，磁栅等技术制成的传感器进行测量。其中磁栅位移传感器是一种采用电磁方法记录磁波数目的位置检测元件，可用于直线和转角的测量，其优点是安装方便，在油污、粉尘较多的场合使用具有较好的稳定性。但是磁栅位移传感器的精度不够高，难以实现绝对位移输出。光栅位移传感器具有精度高、稳定性好、响应速度快、抗干扰能力强等优点，广泛用于测量仪、数控机床等高精度位置测量领域，但目前的精密光栅线位移测量系统普遍采用增量式光栅，因为存在累积误差现象，从而影响工件加工或测量的精度，因此这种光栅尺在开启或复位时需要回到零点位置。

保证装置中零点定位系统装置的高效性和准确性，就可以通过零点定位消除各种累积误差，保证工作的准确性、连续性，零点定位装置在现代工业生产的很多领域中都有重要应用，现有的位移装置零点定位技术大部分使用复位弹簧或者带螺纹的驱动轴来消除复位时可能存在的轴向间隙，还有一部分使用外接的定位传感器，如光电开关等位置传感器，将传感器放置在零点附近作为装置回零点的定位基准，具体地为，将运动块以某一速度向着某方向运行，行进过程中如果位置传感器检测到运动块到达指定位置，就控制驱动机构停止运动，此时就认为运动块所处位置为零点位置。

上述回零点方法的零点位置都是相对的，零点位置会因加工装配误差，结构磨合程度，机械使用磨损等问题，造成零点位置发生改变，本发明提出的这种应用于直线位移台的绝对零位传感器可以有效的解决这些问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，针对现有的零点定位装置系统的不足，提出一种应用于直线位移台的绝对零位传感器及定位方法，能让运动块迅速准确的进行零点定位，绝对零点位置不会因机械磨损而改变，可有效的减少定位误差。

本发明的目的可通过以下技术方案实现。

本发明应用于直线位移台的绝对零位传感器，由一个永磁体、两个线性磁场传感器和信号处理电路组成，所述永磁体安装在直线位移台的移动板，所述两个线性磁场传感器沿位移台运动方向以一定的距离安装在直线位移台固定板；所述信号处理电路输入端分别与两个线性磁场传感器电连接，输出端与直线位移台的控制器电连接，在直线位移台移动时，所述信号处理电路对两个线性磁场传感器的输出信号进行差分放大，差分放大后的输出结果表征绝对位移，用于判断直线位移台是否回到绝对零点。

所述两个线性磁场传感器安装位置的中点即为绝对零点位置，所述永磁体和两个线性磁场传感器安装位置在竖直方向上保持一定距离且三者安装位置在同一平面内。

所述永磁体随直线位移台移动板移动到绝对零点位置正上方时，两个线性磁场传感器处的磁感应强度相等，信号处理电路输出电压为零，此时所述直线位移台位于绝对零点位置。

所述线性磁场传感器采用线性霍尔传感器，两个线性霍尔传感器输出感应电压大小与永磁体距离绝对零点的位置有关。

所述信号处理电路包括差分放大电路和a/d转换模块，所述差分放大电路输入端分别与两个线性磁场传感器连接，输出端与a/d转换模块输入端连接，所述a/d转换模块输出端与直线位移台控制器连接。

本发明的目的还可通过以下技术方案实现。

本发明应用于直线位移台的绝对零点定位方法，包括以下过程：

第一步：将永磁体安装在直线位移台的移动板，两个线性磁场传感器安装在直线位移台固定板；其中，永磁体和两个线性磁场传感器的安装位置在同一平面内，两个线性磁场传感器安装位置的中点即为绝对零点位置；

第二步：永磁体跟随移动板在向绝对零点位置移动过程中，永磁体附近的磁场强度发生变化，两个线性磁场传感器将磁感应强度的变化转换为相应的实时电压u1、u2输出，当移动板移动到绝对零点位置正上方时，两个线性磁场传感器感应到的磁场强度相等，则输出的感应电压相等u1＝u2；

第三步：差分放大电路对两个线性磁场传感器的输出电压u1、u2求差值，对此差值结果放大后输出，差分放大后的输出电压记为vout；

第四步：差分放大结果vout经过a/d转换模块转换为数字信号输入到直线位移台的控制器，控制器通过检测输入电压vout是否为0，判断直线位移台是否到达绝对零点；

第五步：差分放大结果vout不为0时，控制器控制驱动电机继续驱动移动板向绝对零点位置移动，当检测到差分放大结果vout为0时，此时移动板回到绝对零点位置，驱动电机对移动板停止驱动，绝对零点定位完成。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明所设计的绝对零位传感器的体积和质量都很小，对位移装置的附加质量小，可适用于设备空间有限制的环境，此外本发明还有精度高、抗干扰能力强等优点。本发明的绝对零位传感器具有无机械磨损、体积小、对位移装置的附加质量小、抗干扰能力强等优点。

本发明所提供的新的绝对零点定位方法能让运动块迅速准确的进行零点定位，与目前常见的零点定位方法相比，本方法的绝对零点位置不会因机械磨损而改变，可有效的减少定位误差。

附图说明

图1是本发明应用于直线位移台的绝对零位传感器的结构示意图；

图2是差分放大电路图；

图3是霍尔传感器磁场强度与输出电压关系图。

附图标记：1-移动板，2-固定板，3-永磁体，4-线性磁场传感器；

u3运算放大器，d1稳压二极管，r1一号电阻，r2二号电阻，r3三号电阻，r4四号电阻，c1一号电容，c2二号电容，c3三号电容，c4四号电容。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图予以说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明适用的直线位移台主要由固定板2、移动板3、驱动导向机构、控制器和驱动电机组成。驱动电机输出端与驱动导向机构相连，主要控制流程为：控制器发出指令，驱动电机转动，驱动导向机构将驱动电机的旋转位移转换为移动板的直线位移。其中，驱动电机采用步进电机，为减少累积误差对位移精度的影响，每次开始工作前都要经本发明提出的应用于直线位移台的绝对零位传感器进行零点定位，绝对零位传感器如图1所示，由一个永磁体3、两个线性磁场传感器4和信号处理电路组成。

所述永磁体3安装在直线位移台的移动板1，所述两个线性磁场传感器4沿位移台运动方向以一定的距离安装在直线位移台固定板2。所述两个线性磁场传感器4安装位置的中点即为绝对零点位置，所述永磁体3和两个线性磁场传感器4安装位置在竖直方向上保持一定距离且三者安装位置在同一平面内。其中，永磁体3和两个线性磁场传感器4安装位置在竖直方向上保持40-60mm，若竖直方向距离小于40mm可能会导致线性磁场传感器4处的磁场强度过大，进入磁饱和转状态，若竖直方向距离大于60mm，线性磁场传感器4处的磁感应强度会降低到一个较小的值，磁场强度的变化不明显。两个线性磁场传感器4水平方向安装距离在20-60mm之间，若安装距离小于20mm，两个线性磁场传感器4距离太近可能在接近绝对零点位置时，两个线性磁场传感器4处的磁感应强度大小相近，引发误判，若安装距离大于60mm，两个线性磁场传感器4处的磁感应强度会降低到一个较小的值，从而引发误判。

所述信号处理电路输入端分别与两个线性磁场传感器4电连接，输出端与直线位移台的控制器电连接。具体地，所述信号处理电路包括差分放大电路和a/d转换模块，所述差分放大电路输入端分别与两个线性磁场传感器4连接，输出端与a/d转换模块输入端连接，所述a/d转换模块输出端与直线位移台控制器连接。

本发明由运算放大器实现差分放大功能，同时对信号的输入和输出端接有滤波电路消除噪声，因差分放大后信号为连续的模拟信号，再将此信号经a/d转换模块转换为控制器可以识别的数字信号输出。因此信号处理电路输出信号值即可表征绝对位移。

因为移动板1和固定板2之间空间较小，难以直接安装传感器和相关线路，在本实施例中，先将两个线性磁场传感器4焊接在定制电路板上指定位置，再将此电路板固定在直线位移台固定板2上预留的安装位置，另外，此电路板上还有对两个线性磁场传感器4输出电压的差分放大电路。

所述差分放大电路如图2所示，包括运算放大器u3、稳压二极管d1、一号电阻r1、二号电阻r2、三号电阻r3、四号电阻r4、一号电容c1、二号电容c2、三号电容c3、四号电容c4。其中，所述一号电阻r1一端与运算放大器u3的反相输入端连接，另一端与其中一个线性磁场传感器4连接；所述三号电阻r3一端与运算放大器u3的同相输入端连接，另一端与另一个线性磁场传感器4连接；所述二号电阻r2连接于运算放大器u3的反相输入端和输出端之间；所述四号电阻r4一端与运算放大器u3的同相输入端连接，另一端接地；所述运算放大器u3的输出端与a/d转换模块输入端连接；所述一号电容c1一端与一号电阻r1所连接的线性磁场传感器4输出端连接，另一端接地；所述二号电容c2一端与三号电阻r3所连接的线性磁场传感器4输出端连接，另一端接地；所述三号电容c3一端与运算放大器u3输出端连接，另一端接地；所述稳压二极管d1正极接地，负极接运算放大器u3输出端。

两个线性磁场传感器4输出的感应电压u1、u2为本差分放大电路的输入电压，其中一号电容c1、二号电容c2和三号电容c3是输入信号u1、u2和输出信号vout的旁路电容，可以减少高频信号干扰，提高输入输出信号的稳定性，输出的差分放大电压vout经过a/d转换模块转换为可由控制器识别的数字信号输出，稳压二极管d1防止输出的电压过高，对后面a/d转换模块造成损坏。

该运算放大器的传递函数为：

本实施例所选电阻阻值大小关系为r1＝r3，r2＝r4，则最终输出电压与两输入电压关系可化简为：

在直线位移台移动时，所述信号处理电路对两个线性磁场传感器4的输出信号进行差分放大，差分放大后的输出结果表征绝对位移，用于判断直线位移台是否回到绝对零点。

直线位移台移动时，所述永磁体随直线位移台移动板移动到绝对零点位置正上方时，两个线性磁场传感器处的磁感应强度相等，信号处理电路输出电压为零，此时所述直线位移台位于绝对零点位置。

对两个线性磁场传感器4的实时输出信号先经信号处理电路进行差分放大，消除环境中共模和高频噪声对输出电压产生的影响，对输出电压进行适当放大可以更准确的判断出直线位移台移动板1所处位置。

直线位移台控制移动板1带动安装在上面的永磁体3向绝对零点位置移动的过程中，两个线性磁场传感器4附近的磁场强度发生变化。所述线性磁场传感器4采用线性霍尔传感器，直线位移台控制移动板1带动永磁体3向绝对零点位置移动的过程中，两个线性霍尔传感器输出感应电压大小与永磁体3距离绝对零点的位置有关。本发明中选用线性霍尔传感器来感应h1、h2处的磁场变化，线性霍尔传感器的特性输出电压与外加磁场在一定的磁感应强度内有良好的线性关系，两个线性霍尔传感器可以产生与穿过它们的磁场强度匹配的实时感应电压信号输出。

本实施例中磁场传感器可选择由德州仪器公司生产的drv5055型霍尔传感器，该霍尔传感器磁场强度与输出电压关系如图3所示，在b1～b2的磁感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。本实施例中永磁体3可选用直径为10mm厚度为6mm的圆形磁铁，将此永磁体3的n极朝下s极朝上进行安装。

本发明应用于直线位移台的绝对零点定位方法，包括以下过程：

第一步：将永磁体3安装在直线位移台的移动板1上s点位置处，两个线性磁场传感器4沿位移台运动方向以一定的距离安装在直线位移台的固定板2上h1、h2处。

第二步：永磁体3跟随移动板1在向绝对零点位置移动过程中，永磁体3附近的磁场强度发生变化，两个线性磁场传感器4将磁感应强度的变化转换为相应的实时电压u1、u2输出，当移动板1移动到绝对零点位置正上方时，两个线性磁场传感器4感应到的磁场强度相等，则输出的感应电压相等u1＝u2。

第三步：差分放大电路对两个线性磁场传感器4的输出电压u1、u2求差值，对此差值结果放大后输出，差分放大后的输出电压记为vout。

第四步：差分放大结果vout经过a/d转换模块转换为数字信号输入到直线位移台的控制器，控制器通过检测输入电压vout是否为0，判断直线位移台是否到达绝对零点。

第五步：差分放大结果vout不为0时，控制器控制驱动电机继续驱动移动板1向绝对零点位置移动，当检测到差分放大结果vout为0时，此时移动板1回到绝对零点位置，驱动电机对移动板1停止驱动，绝对零点定位完成。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。