專利名稱：一種具有十三位碼輸出的空心軸絕對式矩陣編碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電測試技術(shù)領(lǐng)域中涉及的角位移、角速度測試用一種具有十三位碼輸出的空心軸絕對式矩陣編碼器。
二、技術(shù)背景絕對式矩陣編碼器屬于光電軸角編碼器的一種類型，是角位移、角速度測量的有代表性的光電傳感器件，隨著工業(yè)化和高科技的發(fā)展和需要，對絕對式矩陣編碼器小型化的要求，越來越迫切。對絕對式矩陣編碼器小型化的要求，最直接的解決辦法就是縮小碼盤和狹縫盤的徑向尺寸，碼盤和狹縫盤的徑向尺寸縮小以后，刻劃的圈數(shù)就會減少，這會直接影響到測角分辨率的降低，然而，在碼盤和狹縫盤的徑向尺寸縮小的情況下，對碼盤碼道的設(shè)計和對狹縫盤的狹縫布局的設(shè)計以及對編碼器某些部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計，采取巧妙的設(shè)計措施也會進(jìn)一步提高編碼器的輸出位數(shù)，進(jìn)而提高測角分辨率。
與本發(fā)明最為接近的已有技術(shù)，是中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所研制開發(fā)的小型絕對式矩陣編碼器(長春光機(jī)所主編的“光學(xué)機(jī)械”期刊第5期P65～P70頁曹振夫著)如圖1所示是由軸系、光電讀數(shù)系統(tǒng)、殼體以及對外機(jī)械連接部件組成的。軸系包括主軸7、軸套8、軸承9；光電讀數(shù)系統(tǒng)包括接收元件1、光電系統(tǒng)支架2、狹縫盤3、螺釘4、碼盤5、隔環(huán)6、發(fā)光元件11、殼體及對外機(jī)械連接部件包括螺釘10、法蘭盤12、殼體13。該小型絕對式矩陣編碼器，只能輸出8位碼，測角分辨率只達(dá)到1.40625°。編碼器的最小外形徑向尺寸只能做到φ65mm，這些參量預(yù)示著該編碼器測角分辨率低、外形徑向尺寸偏大，在應(yīng)用范圍上受到一定的限制。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于縮小編碼器的外形徑向尺寸、提高編碼器的測角分辨率，擴(kuò)大編碼器的應(yīng)用和適用范圍，特設(shè)計一種具有十三位碼輸出的空心軸絕對式矩陣編碼器。
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種具有十三位碼輸出的空心軸絕對式矩陣編碼器。解決技術(shù)問題的技術(shù)方案如圖2所示包括軸系、光電讀數(shù)系統(tǒng)、殼體以及對外機(jī)械連接部件。
軸系包括空心主軸15、軸套22、軸承24；光電讀數(shù)系統(tǒng)包括接收元件14、光電系統(tǒng)支架16、螺釘18、隔環(huán)19、狹縫盤20、碼盤21、發(fā)光元件26；殼體及對外機(jī)械連接部件包括殼體17、螺釘23、法蘭盤25。
該編碼器的整體結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的絕對式矩陣編碼器的結(jié)構(gòu)，沒有特殊的區(qū)別，最大的特點(diǎn)是編碼盤采用三圈碼道與狹縫相匹配能輸出十三位碼以及主軸采用空心軸結(jié)構(gòu)能縮小編碼器的徑向尺寸。
該編碼器的整體結(jié)構(gòu)是以空心主軸15為中心，軸承24套裝在空心主軸15上，軸承24的外側(cè)套裝著軸套22，三者之間靠軸承24滾動接觸，碼盤21的面與空心主軸15軸心線垂直，安裝在空心主軸15的臺肩上，隨空心主軸15轉(zhuǎn)動，狹縫盤20裝在光電系統(tǒng)支架16下面凸臺的內(nèi)圓里，兩者固連，空心主軸15穿過光電系統(tǒng)支架16的中心孔，兩者無接觸，裝在光電系統(tǒng)支架16下面凸臺的內(nèi)圓里的狹縫盤20的面與碼盤21的面平行并保持一定的間隙，當(dāng)空心主軸15帶動碼盤順時針轉(zhuǎn)動時，碼盤和狹縫盤之間產(chǎn)生相對角位移，光電系統(tǒng)支架16和軸套22之間是隔環(huán)19，能調(diào)節(jié)碼盤21與狹縫盤20之間間隙的大小，光電系統(tǒng)支架16、隔環(huán)19、軸套22三者通過螺釘18固定，發(fā)光元件26裝在軸套22的孔里，該孔位于空心主軸15的臺肩外側(cè)，碼盤21的通光區(qū)的下面，接收元件14裝在光電系統(tǒng)支架16的孔里，該孔位于狹縫盤20通光區(qū)的上面，發(fā)光元件26和接收元件14在編碼器的徑向尺寸上等距離相對安裝，空心主軸15的下端穿過法蘭盤25的中心孔，兩者之間無接觸，法蘭盤25通過螺釘23與軸套22固連，殼體17在光電系統(tǒng)支架16、隔環(huán)19、軸套22以及法蘭盤25凸臺的外側(cè)罩上，用螺釘與法蘭盤25的凸臺固定。
編碼盤是由碼盤和狹縫盤匹配構(gòu)成的，碼盤的碼道布局如圖3所示在碼盤上刻劃有三圈碼道，第一圈碼道分為兩個區(qū)域，0°～180°為不通光區(qū)域，180°～360°為通光區(qū)域；第二圈碼道分為0°～45°、45°～90°、90°～135°、135°～180°、180°～225°、225°～270°、270°～315°、315°～360°八個扇形區(qū)域中，每個區(qū)域的通光區(qū)段和不通光區(qū)段的設(shè)置是不同的。在0°～45°的區(qū)域中，有一個通光區(qū)段，設(shè)在該區(qū)域的中間，兩側(cè)是不通光區(qū)段，通光區(qū)段和不通光區(qū)段的寬度相等，所以通光區(qū)段兩側(cè)的不通光區(qū)段的寬度，剛好等于通光區(qū)段寬度的一半，該寬度為45°/4＝11.25°，通光區(qū)段的寬度為11.25°×2＝22.5°；在45°～90°的區(qū)域內(nèi)，有兩個通光區(qū)段，通光區(qū)段和不通光區(qū)段的寬度相等且相間分布，靠近45°和靠近90°的各有一個不通光區(qū)，其寬度為不通光區(qū)段寬度的一半，寬度為(90°～45°)/8＝5.625°通光區(qū)段和不通光區(qū)段的寬度都為5.625°×2＝11.25°，在90°～135°的區(qū)域內(nèi)，有四個通光區(qū)段。通光區(qū)段和不通光區(qū)段的寬度相等且相間分布，靠近90°和靠近135°的各有一個不通光區(qū)，其寬度為不通光區(qū)段寬度的一半，寬度為(135°～90°)/16＝2.8125°，通光區(qū)段和不通光區(qū)段的寬度都為2.8125°×2＝5.625°；在135°～180°的區(qū)域內(nèi)，有八個通光區(qū)段，通光區(qū)段和不通光區(qū)段的寬度相等且相間分布，靠近135°和靠近180°的各有一個不通光區(qū)，其寬度為不通光區(qū)段寬度的一半，寬度為(180°～135°)/32＝1.40625°，通光區(qū)段和不通光區(qū)段的寬度都為1.40625°×2＝2.8125°；在180°～225°的區(qū)域內(nèi)，有十六個通光區(qū)段，通光區(qū)段和不通光區(qū)段的寬度相等且相間分布，靠近180°和靠近225°的各有一個不通光區(qū)，其寬度為不通光區(qū)段寬度的一半，寬度為(225°～180°)/64＝0.703125°，通光區(qū)段和不通光區(qū)段的寬度都為0.703125°×2＝1.40625°；在225°～270°的區(qū)域內(nèi)，有三十二個通光區(qū)段，通光區(qū)段和不通光區(qū)段的寬度相等且相間分布，靠近225°和靠近270°的各有一個不通光區(qū)，其寬度為不通光區(qū)段寬度的一半，寬度為(270°～225°)/128＝0.3515625°，通光區(qū)段和不通光區(qū)段的寬度都為0.3515625°×2＝0.703125°；在270°～315°的區(qū)域內(nèi)，有六十四個通光區(qū)段，通光區(qū)段和不通光區(qū)段的寬度相等且相間分布，靠近270°和靠近315°的各有一個不通光區(qū)，其寬度為不通光區(qū)段寬度的一半，寬度為(315°～270°)/256＝0.17578125°，通光區(qū)段和不通光區(qū)段的寬度都為0.17578125°×2＝0.3515625°；在315°～360°的區(qū)域內(nèi)，有一百二十八個通光區(qū)段，通光區(qū)段和不通光區(qū)段的寬度相等且相間分布，靠近315°和靠近360°的各有一個不通光區(qū)，其寬度為不通光區(qū)段寬度的一半，寬度為(360°～315°)/512＝0.087890625°，通光區(qū)段和不通光區(qū)段的寬度都為0.087890625°×2＝0.17578125°。
第三圈碼道為精碼道，是在整個圓周上等間距設(shè)有二千零四十八個通光區(qū)段，通光區(qū)段和不通光區(qū)段的寬度相等且相間分布，靠近0°(360°)兩側(cè)各有一個不通光區(qū)，其寬度為不通光區(qū)寬度的一半，寬度360°/2048×2/2＝0.087890625°，也就是0°(360°)線穿過一個不通光區(qū)段的中心，通光區(qū)段和不通光區(qū)段的寬度都為0.087890625°×2＝0.17578125°。
狹縫盤的狹縫布局如圖4所示在狹縫盤上設(shè)有三圈狹縫，第一圈設(shè)有a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8八個狹縫，a1在0°位置、a2在45°位置、a3在90°位置、a4在135°位置、a5在202.5°位置、a6在247.5°位置、a7在292.5°位置、a8在337.5°位置；第二圈設(shè)有b1、b2、b3、b4、b5、b6、b7、b8、八個狹縫，它們每隔45°均布在圓周上，b1在0°位置、b2在45°位置、b3在90°位置、b4在135°位置、b5在180°位置、b6在225°位置、b7在270°位置、b8在315°位置；第三圈設(shè)有c1、c2、c3、c4四個狹縫，c1和c2分布在90°線的兩側(cè)，c1與90°線的夾角為4°，c2與90°線的夾角為4.087890625°，c3與c4分布在270°線的兩側(cè)，c3與270°線的夾角為4.17578125°，c4與270°線的夾角為4.263671875°。
工作原理說明同軸安裝的碼盤與狹縫盤在空心主軸順時針轉(zhuǎn)動時，碼盤隨空心主軸轉(zhuǎn)動。碼盤與狹縫盤之間產(chǎn)生相對角位移。碼盤的第一圈碼道與狹縫盤的第一圈狹縫相匹配，第二圈碼道與第二圈狹縫匹配，第三圈碼道與第三圈狹縫匹配，發(fā)光元件發(fā)出光信號經(jīng)過碼盤與狹縫盤的通光區(qū)時，接收元件接收到光信號呈現(xiàn)出高電平狀態(tài)，有信號輸出；發(fā)光元件發(fā)出的光信號在碼盤與狹縫盤的不通光區(qū)，接收元件沒有接收到光的信號，呈現(xiàn)出低電平狀態(tài)，沒有信號輸出，也就是編碼盤輸出的代碼記錄著編碼器空心主軸轉(zhuǎn)動的角位移位置。
第一圈狹縫a1、a2、a3、a4、a6、a7、a8接收到的光信號如圖5所示A1代表通光區(qū)高電平信號，空格代表不通光低電平信號，這些信號處理成傳統(tǒng)的周期二進(jìn)制碼的關(guān)系式為A1＝a1A2＝a3A3＝a2a4A4＝(a5a6)+(a7a8)第二圈狹縫b1、b2、b3、b4、b5、b6、b7、b8、接收到的光信號如圖6所示這些處理成傳統(tǒng)的周期二進(jìn)制碼的關(guān)系式為A5＝b1123+b812A3+b71A23+b61A23+b5A1A23+b4A1A2A3+b3A12A3+b2A123A6＝b2123+b112A3+b81A23+b71A23+b6A1A23+b5A1A2A3+b4、A12A3+b3A123A7＝b3123+b212A3+b11A23+b81A23+b7A1A23+b6A1A2A3+b5A12A3+b4、A123A8＝b4、123+b312A3+b21A23+b11A23+b8A1A23+b7A1A2A3+b6A12A3+b5A123A9＝b5123+b4、12A3+b31A23+b21A23+b1A1A23+b8A1A2A3+b7A12A3+b6A123A10＝b6123+b512A3+b4、1A23+b31A23+b2A1A23+b1A1A2A3+b8A12A3+b7A123
A11＝b7123+b612A3+b51A23+b4、1A23+b3A1A23+b2A1A2A3+b1A12A3+b8A123A12＝b8123+b712A3+b61A23+b51A23+b4、A1A23+b3A1A2A3+b2A12A3+b1A123第三圈狹縫c1、c2、c3、c4接收到的光信號相位差為1/4周期的四路信號，c1與c3、c2與c4分別進(jìn)入放大器進(jìn)行差分處理，得到兩路相位差為1/2周期的正弦波信號，這兩路信號對A1～A12各位碼進(jìn)行校正處理，其中c1與c3進(jìn)入放大器差分后，得到的信號為傳統(tǒng)的周期二進(jìn)制碼A13，c2與c4進(jìn)入放大器差分后，得到的信號碼為校正控制碼，不做碼位輸出。
本發(fā)明的積極效果由于編碼盤采用非常規(guī)的精心結(jié)構(gòu)設(shè)計僅用三圈碼道就能輸出十三位碼，測角分辨率與常規(guī)同類絕對式矩陣編碼器相比，提高三個量數(shù)級。達(dá)到0.087890625°，主軸采用空心軸結(jié)構(gòu)，使編碼器外形徑向尺寸比常規(guī)同類絕對式矩陣編碼器的外形徑向尺寸減小近10mm，該編碼器的應(yīng)用范圍大大地擴(kuò)大了。
四

圖1是已有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明的碼盤碼道的布局結(jié)構(gòu)示意圖，圖4是本發(fā)明的狹縫盤上狹縫布局結(jié)構(gòu)示意圖，圖5是本發(fā)明的第一圈碼道與第一圈狹縫a1、a2、…a8相匹配，在不同角度通光區(qū)接收到的高電平信號顯示表格，圖6是本發(fā)明的第二圈碼道與第二圈狹縫b1、b2…b8相匹配，在不同角度通光區(qū)接收到的信號，處理成傳統(tǒng)二進(jìn)制碼的顯示表格。
五具體實施例方式本發(fā)明按圖2所示的結(jié)構(gòu)實施。碼盤和狹縫盤的材質(zhì)采用k9光學(xué)波璃，表面鍍鉻，碼盤上碼道的布局結(jié)構(gòu)按圖3所示的結(jié)構(gòu)實施。狹縫盤上狹縫的布局結(jié)構(gòu)按圖4所示的結(jié)構(gòu)實施，空心主軸15、光電系統(tǒng)支架16的材質(zhì)采用45#鋼。殼體17、法蘭盤25的材質(zhì)采用鑄鋁。發(fā)光元件26采用德國TELEFUNKEN公司生產(chǎn)的TSIP440型發(fā)光管，接收元件14采用德國TELEFUNKEN公司生產(chǎn)的BPW16N型接收管，隔環(huán)19采用45#鋼。
權(quán)利要求
1.一種具有十三位碼輸出的空心軸絕對式矩陣編碼器，包括軸系、光電讀數(shù)系統(tǒng)、殼體及對外機(jī)械連接部件，其特征在于軸系中的主軸采用空心主軸(15)，光電讀數(shù)系統(tǒng)中的碼盤(21)采用三圈碼道和狹縫盤(20)采用三圈狹縫相匹配的結(jié)構(gòu)，輸出十三位碼。
2.按權(quán)利要求書1所述的一種具有十三位碼輸出的空心軸絕對式矩陣編碼器，其特征在于編碼盤中的碼盤(21)的三圈碼道布局結(jié)構(gòu)如下第一圈碼道分為兩個區(qū)域，0°～180°為不通光區(qū)域，180°～360°為通光區(qū)域；第二圈碼道分為0°～45°、45°～90°、90°～135°、135°～180°、180°～225°、225°～270°、270°～315°、315°～360°八個扇形區(qū)域中，每個區(qū)域的通光區(qū)段和不通光區(qū)段的設(shè)置是不同的。在0°～45°的區(qū)域中，有一個通光區(qū)段，設(shè)在該區(qū)域的中間，兩側(cè)是不通光區(qū)段，通光區(qū)段和不通光區(qū)段的寬度相等，所以通光區(qū)段兩側(cè)的不通光區(qū)段的寬度，剛好等于通光區(qū)段寬度的一半，該寬度為45°/4＝11.25°，通光區(qū)段的寬度為11.25°×2＝22.5°；在45°～90°的區(qū)域內(nèi)，有兩個通光區(qū)段，通光區(qū)段和不通光區(qū)段的寬度相等且相間分布，靠近45°和靠近90°的各有一個不通光區(qū)，其寬度為不通光區(qū)段寬度的一半，寬度為(90°～45°)/8＝5.625°通光區(qū)段和不通光區(qū)段的寬度都為5.625°×2＝11.25°，在90°～135°的區(qū)域內(nèi)，有四個通光區(qū)段。通光區(qū)段和不通光區(qū)段的寬度相等且相間分布，靠近90°和靠近135°的各有一個不通光區(qū)，其寬度為不通光區(qū)段寬度的一半，寬度為(135°～90°)/16＝2.8125°，通光區(qū)段和不通光區(qū)段的寬度都為2.8125°×2＝5.625°；在135°～180°的區(qū)域內(nèi)，有八個通光區(qū)段，通光區(qū)段和不通光區(qū)段的寬度相等且相間分布，靠近135°和靠近180°的各有一個不通光區(qū)，其寬度為不通光區(qū)段寬度的一半，寬度為(180°～135°)/32＝1.40625°，通光區(qū)段和不通光區(qū)段的寬度都為1.40625°×2＝2.8125°；在180°～225°的區(qū)域內(nèi)，有十六個通光區(qū)段，通光區(qū)段和不通光區(qū)段的寬度相等且相間分布，靠近180°和靠近225°的各有一個不通光區(qū)，其寬度為不通光區(qū)段寬度的一半，寬度為(225°～180°)/64＝0.703125°，通光區(qū)段和不通光區(qū)段的寬度都為0.703125°×2＝1.40625°；在225°～270°的區(qū)域內(nèi)，有三十二個通光區(qū)段，通光區(qū)段和不通光區(qū)段的寬度相等且相間分布，靠近225°和靠近270°的各有一個不通光區(qū)，其寬度為不通光區(qū)段寬度的一半，寬度為(270°～225°)/128＝0.3515625°，通光區(qū)段和不通光區(qū)段的寬度都為0.3515625°×2＝0.703125°；在270°～315°的區(qū)域內(nèi)，有六十四個通光區(qū)段，通光區(qū)段和不通光區(qū)段的寬度相等且相間分布，靠近270°和靠近315°的各有一個不通光區(qū)，其寬度為不通光區(qū)段寬度的一半，寬度為(315°～270°)/256＝0.17578125°，通光區(qū)段和不通光區(qū)段的寬度都為0.17578125°×2＝0.3515625°；在315°～360°的區(qū)域內(nèi)，有一百二十八個通光區(qū)段，通光區(qū)段和不通光區(qū)段的寬度相等且相間分布，靠近315°和靠近360°的各有一個不通光區(qū)，其寬度為不通光區(qū)段寬度的一半，寬度為(360°～315°)/512＝0.087890625°，通光區(qū)段和不通光區(qū)段的寬度都為0.087890625°×2＝0.17578125°；第三圈碼道為精碼道，是在整個圓周上等間距設(shè)有二千零四十八個通光區(qū)段，通光區(qū)段和不通光區(qū)段的寬度相等且相間分布，靠近0°(360°)兩側(cè)各有一個不通光區(qū)，其寬度為不通光區(qū)寬度的一半，寬度360°/2048×2/2＝0.087890625°，也就是0°(360°)線穿過一個不通光區(qū)段的中心，通光區(qū)段和不通光區(qū)段的寬度都為0.087890625°×2＝0.17578125°；編碼盤中的狹縫盤(20)的三圈狹縫布局如下第一圈設(shè)有a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8八個狹縫，a1在0°位置、a2在45°位置、a3在90°位置、a4在135°位置、a5在202.5°位置、a6在247.5°位置、a7在292.5°位置、a8在337.5°位置；第二圈設(shè)有b1、b2、b3、b4、b5、b6、b7、b8、八個狹縫，它們每隔45°均布在圓周上，b1在0°位置、b2在45°位置、b3在90°位置、b4在135°位置、b5在180°位置、、b6在225°位置、b7在270°位置、b8在315°位置；第三圈設(shè)有c1、c2、c3、c4四個狹縫，c1和c2分布在90°線的兩側(cè)，c1與90°線的夾角為4°，c2與90°線的夾角為4.087890625°，c3與c4分布在270°線的兩側(cè)，c3與270°線的夾角為4.17578125°，c4與270°線的夾角為4.263671875°。
全文摘要
一種具有十三位碼輸出的空心軸絕對式矩陣編碼器，屬于光電測試技術(shù)領(lǐng)域中涉及的角位移、角速度測試用一種編碼器，要解決的技術(shù)問題是提供一種具有十三位碼輸出的空心軸絕對式矩陣編碼器。解決的技術(shù)方案是本發(fā)明包括軸系、光電讀數(shù)系統(tǒng)、殼體及對外機(jī)械連接部件。軸系中的主軸采用空心軸，光電讀數(shù)系統(tǒng)中由碼盤和狹縫盤構(gòu)成的編碼盤采用三圈碼道和三圈狹縫相匹配結(jié)構(gòu)。它們同軸平行并保持一定的間隙安裝在空心主軸上，當(dāng)空心主軸帶動碼盤轉(zhuǎn)動時，碼盤與狹縫之間產(chǎn)生相對位移，在通光區(qū)段，接收器件接收到的高電平信號，有代碼輸出，該編碼器比同類常規(guī)三圈碼道的編碼器在測角分辨率上提高三個量級，外形徑向尺寸小，擴(kuò)大了適用范圍。
文檔編號G01B11/00GK1542532SQ0312765
公開日2004年11月3日 申請日期2003年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月28日
發(fā)明者于萍, 趙志巍, 于 萍 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所, 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研