專利名稱：一種多圈絕對式雙組讀數組合光電軸角編碼器的制作方法
技術領域：
本發明涉及光電測量技術領域，具體涉及一種多圈絕對式雙組讀數組合光電軸角編碼器。
背景技術：
光電軸角編碼器是測量角位移的具有代表性的光電位移傳感器，被廣泛應用于國防、工業和科技領域中。光電軸角編碼器根據計數原理的不同，可分為絕對式編碼器和增量式編碼器；增量式編碼器采用均勻刻畫的圓光柵碼盤，通過對圓光柵輸出脈沖進行計數來實現角度或位移量測量，其特點是結構簡單，易于實現高精度測量，但下電后若有角度或位移變化則上電后需要尋零并重新開始計數。絕對式編碼器采用刻畫有特殊圖案的碼盤，這些特殊圖案將碼盤360°分為若干個均勻的具有不同編碼的區域，每個區域代表絕對式編碼器的一個分辨率，每個分辨率都具有不同的編碼，通過識別這些編碼即可實現角度或位移量的測量，其特點是上電即獲得絕對位置，但結構較復雜。根據測量角度范圍的不同，絕對式編碼器又可分為單圈絕對式編碼器和多圈絕對式編碼器。單圈絕對式編碼器只能對0° 360°范圍內的角度進行測量，而多圈絕對式編碼器則不僅能測量360°范圍內的角度，還能對NX 360°范圍內的角度進行測量，其中N為圈數。相對于單圈絕對式編碼器，多圈絕對式編碼器的結構及處理電路更加復雜。在現有技術中，為測量多圈角度位置信息，必須在單圈絕對式編碼器軸系外部添加記圈裝置或采用齒輪結構將兩臺單圈絕對式編碼器軸系互聯分別進行測角和記圈，這樣不僅增加了成本而且分離的部件對測角精度和記圈精度都有影響。如果能在一個編碼器中實現測角和記圈的兩套絕對式組合編碼器結構，配合外部的處理電路就能夠消除分離部件對測角精度和記圈精度的影響，提高系統的可靠性。另一方面，通常的多圈絕對式編碼器都采用單組讀數，即一套光柵碼盤對應一套發光接收電路。在空間技術環境或其他對傳感器可靠性要求非常高的場合，對光電軸角編碼器的發光接收電路均要求冷備份，一般的解決辦法是同時安裝兩臺單組讀數的光電軸角編碼器互為備份。采用雙組讀數可以在保證系統可靠性的基礎上有效地減小系統體積和重量。與本發明最為接近的已有技術是無錫市瑞普科技有限公司開發的模塊化高位多圈絕對式光電編碼器。如圖I、圖2所示包括主軸I、光柵盤2、光電組件讀數機構3、電路板4、記圈齒輪5、齒軸頭6等組成。其工作過程為光柵盤2上有用光刻法刻制的，按照一定規律排列的、透光或不透光的圖案代碼。當用戶軸轉動帶動主軸I同步轉動時，光柵盤2 也隨之同步轉動并通過光電組件讀數機構3的凹槽，這時光電組件讀數機構3就會將光柵盤2上透光或不透光的信號接收并轉變為電信號，信號再通過光電組件讀數機構3及電路板4上的電子器件組成的邏輯電路，處理成為反映光柵盤2上的代碼的矩形波；同時，主軸 I (即光柵盤2)和主軸端頭齒輪6結合(或制成)為一整體，當用戶軸轉動時，主軸(光柵盤2)、主軸端頭齒輪6也隨之同步轉動，帶動記圈光電組件讀數機構的記圈齒輪5轉動；通過記圈讀數機構內設的3-50組齒輪間按一定規律排列轉動并光電讀數，即實現主軸I旋轉每圈(360° )內由基本位光電組件讀數機構3讀數并以矩形波代碼輸出。輸出的矩形波為反映光柵盤的360°以內的位置以及主軸I旋轉的圈數，并以格雷碼(Gray碼)或二進制碼等絕對位置碼，采用SSI串行、并行或總線的電路輸出方式輸出，以實現信號的可靠傳輸。 此電信號輸出即包含了用戶軸運動狀態位置的信息，完成了由機械運動物理量，如位置、速度、加速度，向電量的轉換。已有技術的不足I、已有技術通過記圈讀數機構內設的3-50組齒輪進行記圈，記圈精度完全依靠齒輪加工和裝調精度。2、當光柵盤2刻畫的分辨率高于記圈齒輪的分辨率時，在每個記圈跳變沿會出現錯碼。3、只有一套光電組件讀數機構，若出現發光、接收管老化或損壞則影響系統可靠性。
發明內容
為了解決現有技術中存在的問題，本發明提供了一種多圈絕對式雙組讀數組合光電軸角編碼器，其采用兩套絕對式碼盤測量系統，每套碼盤測量系統均采用雙讀數，通過高精度齒輪機構聯接一、二級主軸，兩套測試系統共四組發光與接收電路分別輸出一、二級碼盤的位置信號，一、二級碼盤分別用于測量角度與圈數，由一套處理電路處理這些位置信號，在軟件中對記圈跳變沿進行校正。本發明解決技術問題所采用的技術方案如下一種多圈絕對式雙組讀數組合光電軸角編碼器，該編碼器包括主軸、一級發光板、一級碼盤、一級狹縫、一級接收板、放大電路、整形與鎖存電路、模數轉換電路和數據處理電路，該編碼器還包括二級主軸、二級發光板、二級碼盤、二級狹縫和二級接收板；主軸的前端依次與一級發光板、一級碼盤、一級狹縫和一級接收板連接；二級主軸前端依次與二級發光板、二級碼盤、二級狹縫和二級接收板連接；主軸的前端與二級主軸的末端連接；一級接收板和二級接收板分別與放大電路連接；放大電路分別與鎖存電路和模數轉換電路連接；鎖存電路和模數轉換電路分別與數據處理電路連接。本發明的有益效果是I、本發明相對于傳統的單圈絕對式編碼器，增加了一套碼盤測量系統，使用高精度齒輪機構將兩套碼盤測量系統互聯，結構緊湊，體積小，可靠性高。2、本發明采用一套處理電路處理兩套碼盤測量系統數據，并通過適當的軟件修正保證兩套測量系統的無縫連接，提高了記圈精度，降低了齒輪加工及裝調難度。3、本發明在兩套碼盤測量系統中均采用雙組讀數，提高了多圈絕對式編碼器的可靠性。4、本發明使用更高分辨率的記圈碼盤能夠提高分辨率，可擴展能力強。
圖I現有技術高位多圈絕對式光電編碼器的結構圖。圖2現有技術高位多圈絕對式光電編碼器的電路原理圖。圖3本發明一種多圈絕對式雙組讀數組合光電軸角編碼器的結構圖。圖4本發明一種多圈絕對式雙組讀數組合光電軸角編碼器的一級碼盤與狹縫圖。圖5本發明一種多圈絕對式雙組讀數組合光電軸角編碼器電路原理圖二級碼盤與狹縫圖。圖6本發明一種多圈絕對式雙組讀數組合光電軸角編碼器電路原理。圖中1、主軸，7、一級發光板，8、一級碼盤，9、一級狹縫，10、一級接收板，11、齒輪副支撐板，12、二級主軸，13、二級發光板，14、二級碼盤，15、二級狹縫，16、二級接收板，17、 放大電路，18、整形與鎖存電路，19、模數轉換電路，20、數據處理電路和21、連接法蘭。
具體實施例方式下面結合附圖和實施實例對本發明做進一步詳細說明。如圖3和圖6所示，一種多圈絕對式雙組讀數組合光電軸角編碼器，該編碼器包括主軸I、一級發光板7、一級碼盤8、一級狹縫9、一級接收板10、放大電路17、整形與鎖存電路18、模數轉換電路19和數據處理電路20，該編碼器還包括二級主軸12、二級發光板
13、二級碼盤14、二級狹縫15和二級接收板16;主軸I的前端依次與一級發光板7、一級碼盤8、一級狹縫9和一級接收板10連接；二級主軸12前端依次與二級發光板13、二級碼盤
14、二級狹縫15和二級接收板16連接；主軸I的前端與二級主軸12的末端連接；一級接收板10和二級接收板16分別與放大電路17連接；放大電路17分別與鎖存電路18和模數轉換電路19連接；鎖存電路18和模數轉換電路19分別與數據處理電路20連接。該編碼器還包括連接法蘭21，連接法蘭21和直徑為8_的主軸I作為接口與外部設備互聯。—級發光板7按一定規律排列26支發光二極管,其中主份發光二級管13支,備份發光二級管13支,一級接收板10按照一級發光板7的發光二極管相應位置排列26支光電接收二極管(或三極管)。如圖4所示，一級碼盤8是一個刻有矩陣碼的16位光電絕對式碼盤，一級狹縫9與一級碼盤8大小一致，狹縫圈數與碼盤圈數相同，碼盤和狹縫的基底材料均采用K9光學玻璃，圖案均采用鍍鉻、光刻、復制的方法制備。狹縫盤上刻有兩組互成固定角度的狹縫，兩組狹縫分別對應主份發光管和接收管、備份發光管和接收管，由于狹縫盤上各圈狹縫與碼盤上各圈碼道分別對齊，當一級狹縫9固定，一級碼盤8隨軸轉動時，光信號經過一級碼盤8和一級狹縫9的調制后，通過一級接收板10轉換為具有位置信息的電信號，其中主備各9路信號經過放大電路17、整形與鎖存電路18后變換為TTL電平信號讀入數據處理電路20，其余主備各4路信號經過放大電路17和模數轉換電路19的變換處理后， 讀入數據處理電路20，這些數據經過矩陣碼變換、軟件細分等處理后得到二進制表示的16 位單圈角度位置信息，角度位置信息各位分別表示為A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、B1、B2、 B3、B4、B5、B6、B7、B8。其中，Al A8為一級碼盤8刻畫的矩陣碼轉換而來，BI B8為軟件對矩陣碼細分所得。主軸I與二級主軸13通過齒輪嚙合并固定在齒輪副支撐板11上， 當主軸I轉動360°時，二級主軸轉動二級碼盤9的一個分辨率，如圖5所示，二級碼盤9和二級狹縫10均采用不銹鋼基底材料，二級碼盤9上刻有5位矩陣碼，二級狹縫10與一級狹縫6類似，刻畫有兩組互成固定角度的狹縫，當二級主軸13轉動時，二級接收板11輸出主備各5路具有圈數信息的電信號，這些信號經過放大電路14和整形與鎖存電路15后變換為TTL電平信號讀入數據處理電路17，經過矩陣碼變換和校正運算后，輸出二進制表示的5 位圈數信息。當主軸I轉動并即將進入第N圈時，由于齒輪精度或裝調等原因，二級主軸12可能未到N圈或已進入N圈計數，此時，通過對一級接收板10輸出信號的處理和判斷，能夠對二級接收板16輸出的圈數信息進行軟件校正，這樣能夠降低加工及裝調的復雜程度。如圖6所示，放大電路17的作用是將一級接收板10和二級接收板16輸出的微弱信號轉換為具有一定幅值的電壓信號，其輸入端一般采用精密電阻將電流信號變換為電壓信號，放大后的電壓信號經過整形與鎖存電路18或模數轉換電路19變換為具有‘0’或‘I’ 特征的數字信號，數據處理電路20的CPU讀取和處理這些數字信號，經過碼制變換以及細分校正運算等，能夠還原信號中攜帶的角度位置信息。在具體實施中，放大電路17可采用集成運算放大器，通過一級或兩級串聯將微弱電壓信號放大至模數轉換電路18的輸入量程范圍。模數轉換電路19可采用8位或12位4 通道高速模數轉換器。整形與鎖存電路18可采用多路施密特觸發器和74系列鎖存器，數據處理電路20采用高速單片機或DSP。該編碼器所有部件及所有齒輪嚙合面、齒輪與齒輪軸的配合面均采用固體潤滑處理適合空間環境使用。
權利要求
1.一種多圈絕對式雙組讀數組合光電軸角編碼器，該編碼器包括主軸(I)、一級發光板(7)、一級碼盤(8)、一級狹縫(9)、一級接收板(10)、放大電路(17)、整形與鎖存電路(18)、模數轉換電路(19)和數據處理電路(20)，其特征在于，該編碼器還包括二級主軸(12)、二級發光板(13)、二級碼盤(14)、二級狹縫(15)和二級接收板(16);所述主軸(I)的前端依次與一級發光板(7)、一級碼盤(8)、一級狹縫(9)和一級接收板(10)連接；二級主軸(12)前端依次與二級發光板(13)、二級碼盤(14)、二級狹縫(15)和二級接收板(16)連接；所述主軸(I)與二級主軸(12)連接；所述一級接收板(10)和二級接收板(16)分別與放大電路(17)連接；放大電路(17)分別與鎖存電路(18)和模數轉換電路(19)連接；鎖存電路(18)和模數轉換電路(19)分別與數據處理電路(20)連接。
2.如權利要求I所述的一種多圈絕對式雙組讀數組合光電軸角編碼器，其特征在于， 該編碼器還包括齒輪副支撐板(11)，所述主軸(I)與二級主軸(12)通過齒輪副支撐板(11)連接。
3.如權利要求I所述的一種多圈絕對式雙組讀數組合光電軸角編碼器，其特征在于， 該編碼器在權利要求I中所述的所有部件的配合面均采用固體潤滑處理。
4.如權利要求I所述的一種多圈絕對式雙組讀數組合光電軸角編碼器，其特征在于， 所述一級狹縫(9)和二級狹縫(15)上分別刻有兩組互成固定角度的狹縫。
5.如權利要求I所述的一種多圈絕對式雙組讀數組合光電軸角編碼器，其特征在于， 該編碼器的兩組絕對式碼盤測量系統中，每組測量系統各有兩組發光接收電路。
6.如權利要求I所述的一種多圈絕對式雙組讀數組合光電軸角編碼器，其特征在于， 所述一級碼盤(8)、一級狹縫(9)采用玻璃碼盤，二級碼盤(14)、二級狹縫(15)采用金屬碼盤。
7.如權利要求I所述的一種多圈絕對式雙組讀數組合光電軸角編碼器，其特征在于， 所述二級碼盤(14)是一個刻有五位矩陣碼的絕對式碼盤。
8.如權利要求I所述的一種多圈絕對式雙組讀數組合光電軸角編碼器，其特征在于， 該編碼器還包括連接法蘭(2)，所述連接法蘭(2)和主軸(I)作為接口與外部設備互聯。
全文摘要
一種多圈絕對式雙組讀數組合光電軸角編碼器屬于光電測量技術領域，該編碼器包括主軸、一級發光板、一級碼盤、一級狹縫、一級接收板、放大電路、整形與鎖存電路、模數轉換電路和數據處理電路，二級主軸、二級發光板、二級碼盤、二級狹縫和二級接收板；主軸的前端與一級發光板、一級碼盤、一級狹縫和一級接收板連接；二級主軸前端與二級發光板、二級碼盤、二級狹縫和二級接收板連接；主軸的前端與二級主軸的末端連接；一級接收板和二級接收板與放大電路連接；放大電路與鎖存電路和模數轉換電路連接；鎖存電路和模數轉換電路與數據處理電路連接。本發明結構緊湊，體積小，可靠性高。提高了記圈精度和可靠性。提高分辨率，可擴展能力強。
文檔編號G01D5/347GK102607617SQ20121009280
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月31日 優先權日2012年3月31日
發明者喬克, 周磊, 龍科慧 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所