旋轉(zhuǎn)編碼器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種旋轉(zhuǎn)編碼器，用于檢測(cè)第一可旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度，旋轉(zhuǎn)編碼器包含耦接至第一軸的第一轉(zhuǎn)位標(biāo)記、耦接至第二可旋轉(zhuǎn)軸第二轉(zhuǎn)位標(biāo)記、耦接至第二軸的第三轉(zhuǎn)位標(biāo)記、靜止的第四轉(zhuǎn)位標(biāo)記、用于檢測(cè)第三轉(zhuǎn)位標(biāo)記通過(guò)第四轉(zhuǎn)位標(biāo)記的周?chē)耐ㄐ械难b置，以及用于檢測(cè)第一轉(zhuǎn)位標(biāo)記和第二轉(zhuǎn)位標(biāo)記的旋轉(zhuǎn)角度之間的重合。
【專利說(shuō)明】
旋轉(zhuǎn)編碼器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于旋轉(zhuǎn)編碼器的領(lǐng)域。旋轉(zhuǎn)編碼器非常廣泛地應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)技術(shù)，以便確 切地確定諸如驅(qū)動(dòng)軸或從動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)部件的角位置。
【背景技術(shù)】
[0002] 兩種類型的旋轉(zhuǎn)編碼器之間一般是有區(qū)別的。絕對(duì)編碼器供應(yīng)輸出信號(hào)，其中所 述輸出信號(hào)直接表示被監(jiān)測(cè)的部件的角位置、即部件相對(duì)于基準(zhǔn)位置的方位。增量編碼器 是簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)的，且在尺寸相同的情況下實(shí)現(xiàn)了比絕對(duì)編碼器顯著更好的分辨率，但增量 編碼器只響應(yīng)運(yùn)動(dòng)。因此，增量編碼器很容易適合于測(cè)量可旋轉(zhuǎn)部件的角度的變化;然而， 為了檢測(cè)角位置，部件必須首先在基準(zhǔn)位置被定向，且然后從基準(zhǔn)方向至所述角位置的角 度變化必須被記錄。
[0003] 如果例如像在專利申請(qǐng)US 6,791，219中所示被監(jiān)測(cè)的部件經(jīng)由減速齒輪裝置驅(qū) 動(dòng)，那么移動(dòng)至基準(zhǔn)位置是特別費(fèi)時(shí)的。因?yàn)槿绻X數(shù)比為i那么該基準(zhǔn)位置可對(duì)應(yīng)于被監(jiān) 測(cè)的部件的i個(gè)不同的位置，所以對(duì)于減速齒輪的輸入軸移動(dòng)至基準(zhǔn)位置是不能勝任的。為 了使監(jiān)測(cè)部件本身達(dá)到基準(zhǔn)位置，輸入軸的多達(dá)i次旋轉(zhuǎn)可能是必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的因此是提供結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)編碼器，其特別適合用于檢測(cè)經(jīng)由減速 齒輪裝置驅(qū)動(dòng)的部件的角位置且僅需要減速齒輪裝置的輸入軸的輕微旋轉(zhuǎn)以便能夠以絕 對(duì)的方式確定部件的角位置。
[0005] 該問(wèn)題通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器解決，旋轉(zhuǎn)編碼器用于檢測(cè)第一軸的角位置，具有能與第 一軸一起旋轉(zhuǎn)的第一標(biāo)記，具有相對(duì)第一軸以固定的比率旋轉(zhuǎn)的第二軸、能與第二軸一起 旋轉(zhuǎn)的第二標(biāo)記，具有用于檢測(cè)第二軸的角位置的裝置和用于檢測(cè)第一和第二標(biāo)記的旋轉(zhuǎn) 角度的重合的裝置。
[0006] 如果第一軸被布置在減速齒輪的輸出處且第二軸被布置在減速齒輪的輸入處，那 么在第一軸的每次旋轉(zhuǎn)中存在第一標(biāo)記和第二標(biāo)記的多次重合，且第一軸的每個(gè)可能的角 位置通過(guò)第一軸距第一和第二標(biāo)記的重合的角距離并且通過(guò)距第二軸位于已知的角位置 的減速齒輪的結(jié)構(gòu)的角距離被明確地識(shí)別。因此從第一軸的一個(gè)未知的角位置開(kāi)始足以旋 轉(zhuǎn)軸直到第二軸的重合以及角位置都已經(jīng)被檢測(cè)到以便能夠然后說(shuō)明第一軸的角位置。
[0007] 用于檢測(cè)第二軸的角位置的裝置可以包括絕對(duì)編碼器，絕對(duì)編碼器能直接確定角 位置。該絕對(duì)編碼器可以例如被設(shè)計(jì)為具有旋轉(zhuǎn)磁片的霍爾效應(yīng)傳感器，該傳感器確定軸 的自磁片和霍爾效應(yīng)傳感器之間產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向的角位置。因此沒(méi)有必要為了確定角位 置而轉(zhuǎn)動(dòng)軸。絕對(duì)編碼器的分辨率經(jīng)常是太低的而無(wú)法被直接于用于第一軸上以便檢測(cè)第 一軸的角位置，并且如果絕對(duì)編碼器本身被用于具有減速比i的減速齒輪的輸入軸上，那么 輸出軸有i個(gè)角位置對(duì)應(yīng)于輸入軸的相同角位置，并且不能彼此區(qū)分。然而，與用于檢測(cè)旋 轉(zhuǎn)角度的重合的裝置的組合使得有可能解決這種不確定性，且與在輸出軸上直接布置的絕 對(duì)編碼器相比以大i倍的精度來(lái)確定輸出軸的角度位置。
[0008] 然而，如果第二軸的角位置能在0至360°的值范圍內(nèi)被確定的話就足夠了。因此， 根據(jù)經(jīng)濟(jì)的和簡(jiǎn)單地可實(shí)現(xiàn)的替代方案，用于檢測(cè)第二軸的角位置的裝置包括能與第二軸 一起旋轉(zhuǎn)的第三標(biāo)記、固定的第四標(biāo)記、和用于檢測(cè)第三標(biāo)記通過(guò)第四個(gè)標(biāo)記的附近的通 行的裝置。
[0009] 能與它們關(guān)聯(lián)的軸一起旋轉(zhuǎn)的標(biāo)記能直接安裝在該軸上;然而，經(jīng)由任何種類的 輔助齒輪耦接至軸也可以想象。
[0010]如果第二和第三標(biāo)記耦接至同一軸，那么第二和第三標(biāo)記可以是相同的。
[0011]在提供的情況下，大體上固定的第四標(biāo)記通常是傳感器，所述傳感器適合用于檢 測(cè)第三標(biāo)記通過(guò)第四標(biāo)記附近的通行。同樣地，第一和第二標(biāo)記中的一個(gè)可以是傳感器且 另一個(gè)能被傳感器檢測(cè)。傳感器將然后能與其中的一個(gè)軸一起旋轉(zhuǎn)，且必須提供裝置用于 將傳感器的輸出信號(hào)從該軸發(fā)送至用于檢測(cè)重合的裝置。可替代地，用于檢測(cè)重合的裝置 也可以包括固定的傳感器，例如，擋光板，當(dāng)孔的形式的第一和第二標(biāo)記重疊時(shí)，擋光板僅 由光照射。
[0012] 有利的是，設(shè)計(jì)作為傳感器的標(biāo)記是磁場(chǎng)傳感器且將被檢測(cè)的標(biāo)記是磁體。
[0013] 如果第三標(biāo)記和第四標(biāo)記中的一個(gè)是傳感器且另一個(gè)能被傳感器檢測(cè)，那么傳感 器的輸出應(yīng)該是第二軸的旋轉(zhuǎn)角度的周期函數(shù)，籍此函數(shù)的基本周期應(yīng)對(duì)應(yīng)于第二軸的一 旋轉(zhuǎn)。這確保了第三標(biāo)記的通行以信號(hào)形式是明確可識(shí)別的，即使信號(hào)包含額外的信息或 受到噪聲的影響，或者說(shuō)，如果進(jìn)一步的標(biāo)記出現(xiàn)，它們通過(guò)第四標(biāo)記附近的通行能明確地 區(qū)別于第三個(gè)標(biāo)記的通行。
[0014] 上面已經(jīng)提到的將第一和第二軸耦接在一起的齒輪本身可以是旋轉(zhuǎn)編碼器的一 部分。
[0015] 優(yōu)選地，齒輪被設(shè)計(jì)為形狀配合的齒輪，其在第一和第二軸之間自由滑動(dòng)的傳輸 是可能的。
[0016] 優(yōu)選地，齒輪根據(jù)齒數(shù)比被設(shè)計(jì)為減速齒輪，使得齒輪的輸出軸比齒輪的輸入軸 旋轉(zhuǎn)更慢。
[0017] 齒輪能是任何結(jié)構(gòu)類型。例如，具有軸向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)的齒輪或齒圈優(yōu)選用于機(jī)器人 臂中的安裝。這些齒輪，例如行星齒輪或橢圓中心或HarmonicDrive?齒輪，具有如一個(gè)齒 輪元件的內(nèi)齒牙與另一齒輪元件的齒牙嚙合的布置。齒圈能被牢固地連接至齒輪的殼體 上，特別地，這允許在機(jī)器人臂中節(jié)省空間的安裝。
[0018] 行星或諧波傳動(dòng)齒輪優(yōu)選以兩軸模式起作用，藉此其兩個(gè)軸用作為旋轉(zhuǎn)編碼器的 第一和第二軸且第三軸是固定的。
[0019] 有利的是，第一和第二軸同軸布置。在這種情況下，兩個(gè)軸的端面可以彼此相對(duì)布 置，藉此第一標(biāo)記可以被布置在一個(gè)端面上且第二標(biāo)記可以被布置在其另一個(gè)端面上。以 這種方式，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)所需構(gòu)造空間方面特別優(yōu)化的布置結(jié)構(gòu)。因此可以省掉復(fù)雜的緊固 構(gòu)造。
[0020] 齒輪的傳動(dòng)比、即對(duì)于第一軸的一次旋轉(zhuǎn)第二軸所需的旋轉(zhuǎn)數(shù)被指定為i，藉此i 的正值代表兩個(gè)軸同向旋，負(fù)值代表反向旋轉(zhuǎn)。
[0021] 如果如已經(jīng)提到的第一標(biāo)記和第二標(biāo)記中的一個(gè)是傳感器且另一個(gè)能被傳感器 檢測(cè)，那么傳感器的輸出應(yīng)該是第一軸的旋轉(zhuǎn)角度的周期函數(shù)，藉此，以便允許一重合被明 確識(shí)別，該函數(shù)的I i-11次基本周期應(yīng)該對(duì)應(yīng)于第一軸的一旋轉(zhuǎn)。
[0022] 旋轉(zhuǎn)編碼器還有利地包含評(píng)估單元，所述評(píng)估單元用于來(lái)自用于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)角度的 重合的裝置的重合信號(hào)、和來(lái)自用于檢測(cè)通行的裝置的通行信號(hào)的接收，和用于確定基于 重合信號(hào)的和通行信號(hào)的接收之間覆蓋的旋轉(zhuǎn)角度的角度位置。
[0023] 為了確定第二軸的旋轉(zhuǎn)的相對(duì)角度，該旋轉(zhuǎn)編碼器包括相應(yīng)的傳感器。旋轉(zhuǎn)的相 對(duì)角能在第一軸上間接地檢測(cè)或優(yōu)選地在第二軸上直接檢測(cè)。增量編碼器能例如被用作傳 感器。在本發(fā)明的一個(gè)特別有利的實(shí)施例中，其中用于檢測(cè)第二軸的角位置的裝置包括絕 對(duì)編碼器，該編碼器也被用于確定旋轉(zhuǎn)的相對(duì)角度。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)編碼器優(yōu)選在機(jī)器人中使用。機(jī)器人可以包括至少兩個(gè)臂部 分，可以相對(duì)于彼此旋轉(zhuǎn)，其中一個(gè)以無(wú)法相對(duì)旋轉(zhuǎn)的方式被連接至第一軸且另一個(gè)以無(wú) 法相對(duì)旋轉(zhuǎn)的方式被連接至齒輪的殼體，使得機(jī)器人的位置能通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器準(zhǔn)確地確 定。
【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1示出了機(jī)器人，
[0026] 圖2示出的旋轉(zhuǎn)編碼器的示意性結(jié)構(gòu)，
[0027] 圖3示出了分解器的導(dǎo)電路徑的部分示圖，
[0028] 圖4示出了一個(gè)替代實(shí)施例中的旋轉(zhuǎn)編碼器的示意性結(jié)構(gòu)，
[0029] 圖5示出了具有諧波傳動(dòng)齒輪的旋轉(zhuǎn)編碼器的示意性結(jié)構(gòu)，
[0030] 圖6示出了旋轉(zhuǎn)編碼器的原理的草圖，
[0031] 圖7示出用于確定來(lái)自信號(hào)的旋轉(zhuǎn)角度的圖，
[0032]圖8示出了旋轉(zhuǎn)編碼器的操作方法的流程圖，
[0033] 圖9針對(duì)輸入和輸出軸同向旋轉(zhuǎn)的齒輪示出了在輸入軸的旋轉(zhuǎn)角度內(nèi)加入的重合 信號(hào)和通行信號(hào)的圖，
[0034] 圖10針對(duì)輸入和輸出軸反向旋轉(zhuǎn)的齒輪示出了在輸入軸的旋轉(zhuǎn)角度內(nèi)加入的重 合信號(hào)和通行信號(hào)的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 圖1示出了機(jī)器人100。機(jī)器人100包括彼此可旋轉(zhuǎn)連接的多個(gè)臂區(qū)段，在這種情況 下是底座101、下臂103、上臂105、儀器107和三個(gè)彎頭件102、104、106。每個(gè)彎頭件102、104、 106以圍繞彼此成直角布置的兩個(gè)軸線110旋轉(zhuǎn)的方式分別與兩個(gè)相鄰的臂區(qū)段101和103， 103和105或105和107相連。儀器107轉(zhuǎn)而可以包括以鉸接的方式連接軸與儀器107的終端執(zhí) 行器109的彎頭件108。在示出的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)中，三個(gè)軸線110的垂直于繪圖平面，其它的 軸線特別是在臂區(qū)段101、103、105的長(zhǎng)度方向上延伸。
[0036] 圖2示意性地示出了旋轉(zhuǎn)編碼器1及其周?chē)?。該旋轉(zhuǎn)編碼器1能被設(shè)置在機(jī)器人100 的每個(gè)單獨(dú)的軸線110上。在下文中，例如這樣一種情況被考慮，旋轉(zhuǎn)編碼器1被布置在底座 101和下彎頭件102之間以便監(jiān)測(cè)下臂103的方位方向。
[0037]電機(jī)23被牢固地連接到彎頭件102的殼體20上，以便驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)編碼器1的輸入軸 21。圓盤(pán)22被附接至輸入軸21。盤(pán)22載有兩個(gè)標(biāo)記2、3,在這種情況下所述標(biāo)記為兩個(gè)磁體 6、7的形式或者為單一磁體的形式，磁體的磁場(chǎng)在盤(pán)22的兩側(cè)上延伸。另一標(biāo)記4由傳感器8 形成，例如霍爾效應(yīng)傳感器，所述傳感器安裝在殼體20上的固定位置中以便在輸入軸21的 每一旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中檢測(cè)磁體6的通行一次。
[0038]增量編碼器10包括固定至殼體的傳感器11和多個(gè)能由傳感器11檢測(cè)的標(biāo)記12,所 述多個(gè)標(biāo)記圍繞盤(pán)22的圓周均勻分布。
[0039]只要傳感器8檢測(cè)磁體6的通行，輸入軸21的角位置就是已知的，并且輸入軸的進(jìn) 一步旋轉(zhuǎn)能基于由增量編碼器10提供的脈沖被定量地跟蹤。用于相同的目的，傳感器8和增 量編碼器10也能由單一的絕對(duì)編碼器替換。如果是絕對(duì)編碼器的輸出信號(hào)取為預(yù)定值、例 如經(jīng)過(guò)零的話，則這能等同于通行的檢測(cè)；軸21的進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)能基于輸出信號(hào)的進(jìn)一步發(fā) 展被監(jiān)測(cè)。
[0040]行星齒輪10的太陽(yáng)輪27位于輸入軸21的懸伸端上。行星齒輪10的齒圈30被牢固地 連接至殼體20。由支承件28保持的行星輪29與太陽(yáng)輪27和齒圈30嚙合。支承件28牢固地連 接至輸出軸24。輸入軸21旋轉(zhuǎn)i次驅(qū)動(dòng)輸出軸24旋轉(zhuǎn)一次。
[0041 ]支承件28具有多個(gè)軸頸，在每個(gè)軸頸上安裝一個(gè)行星輪29。這些軸頸中的一個(gè)在 其面向盤(pán)22的端頭上載有形式為另一傳感器9的標(biāo)記5,所述傳感器被構(gòu)造成當(dāng)其以較短距 離與磁體7相對(duì)地定位時(shí)檢測(cè)所述磁體。
[0042]在支承件28上圍繞周邊均勾分布的標(biāo)記13與固定至殼體上的傳感器14 一起形成 另一的增量編碼器15。
[0043]來(lái)自傳感器8、9、11、14的輸出由評(píng)估單元25接收。當(dāng)評(píng)估單元25能被永久地線接 至固定至殼體20的傳感器8、11、14時(shí)，滑環(huán)或諸如RFID接口裝置的無(wú)線接口裝置26能提供 用于與傳感器9的通信。RFID接口裝置不僅能夠?qū)?lái)自傳感器9的輸出發(fā)送至評(píng)估單元25還 能夠向傳感器9供應(yīng)操作能量。
[0044]在當(dāng)前情況下，評(píng)估單元25也連接至電機(jī)23并控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。因?yàn)樵u(píng)估單元25 由此"知道"電機(jī)23的旋轉(zhuǎn)方向，所以評(píng)估單元可以及時(shí)確定自任意限定的起點(diǎn)通過(guò)的旋轉(zhuǎn) 角，原因在于評(píng)估單元對(duì)自該起點(diǎn)由傳感器11、14中的一個(gè)提供的信號(hào)脈沖根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向 向上或向下計(jì)數(shù)。在這種情況下，兩個(gè)增量編碼器15、10中的一個(gè)是多余的，且能被省去而 不影響機(jī)器人100的功能。
[0045]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)有利的實(shí)施例，增量編碼器15和/或10被替換為分解器 (resolver)。這樣的分解器在圖3中示意性地被表示;分解器包括例如位于盤(pán)22上的導(dǎo)電路 徑16,所述導(dǎo)電路徑能與被監(jiān)測(cè)的軸一起旋轉(zhuǎn)且關(guān)于與軸21同軸的圓形路徑以整數(shù)η周期 振蕩，并且所述分解器包括兩個(gè)固定的導(dǎo)電路徑17、18,所述兩個(gè)固定的導(dǎo)電路徑以與導(dǎo)電 路徑16相同周期數(shù)η、但相對(duì)彼此相移四分之一個(gè)周期地振蕩。在導(dǎo)電路徑16上的交流電在 導(dǎo)電路徑17、18中感應(yīng)出的交變電壓，其中所述交變電壓的幅值取決于在導(dǎo)電路徑16、17和 18之間的相移。導(dǎo)電路徑16的每一個(gè)單獨(dú)的周期19與上述標(biāo)記13或12之一相等同，其中，如 果所述導(dǎo)電路徑16與用作為傳感器11或14的導(dǎo)電路徑17、18中的一個(gè)精確同相的話，那么 所述導(dǎo)電路徑在同相的那一個(gè)導(dǎo)電路徑中感應(yīng)出最大電壓。對(duì)于導(dǎo)電路徑16的每360°旋 轉(zhuǎn)，這種相位重合出現(xiàn)η次，從而像傳統(tǒng)的增量編碼器那樣，每次旋轉(zhuǎn)能得到η個(gè)脈沖。但是， 因?yàn)楦袘?yīng)的幅值隨著角位置是連續(xù)變化的，所以角位置也能在兩相位重合位置之間被定量 地評(píng)估。
[0046] 圖4示出具有第一和第二標(biāo)記3、5的可替換布置的旋轉(zhuǎn)編碼器1的示意性表示。如 果第一和第二軸21、24被布置為使得它們的端面彼此相對(duì)，那么該變型是特別合適的。在這 種情況下，標(biāo)記5能被安裝在第一軸24的端面上且標(biāo)記3能被安裝在第二軸21的端面上，這 允許實(shí)現(xiàn)更緊湊的設(shè)計(jì)。標(biāo)記3、5中的哪一個(gè)在這種情況下是傳感器和哪一個(gè)被傳感器檢 測(cè)是無(wú)關(guān)緊要的。該結(jié)構(gòu)的其余部分能類似于圖2被設(shè)計(jì)。
[0047] 圖5示出了在圖4中示出的旋轉(zhuǎn)編碼器1的一個(gè)有利的實(shí)施例，其中的行星齒輪已 經(jīng)被替換為HarmonicDrive1"齒輪。在第二軸21的端處有"波發(fā)生器"32,驅(qū)動(dòng)所謂的"柔輪 (flexspline)" 33。"柔輪"33的外齒輪33'與齒圈30的內(nèi)齒輪嚙合。支承件28在"柔輪"33和 第一軸24之間建立無(wú)法相對(duì)旋轉(zhuǎn)的連接。類似于圖4,傳感器7能再次被布置在第一軸24的 端面上，且磁體6能被布置在第二軸21的端面上或在支承件28上(或反之亦然）。
[0048] 圖6在示圖中示出了旋轉(zhuǎn)編碼器1，以便更詳細(xì)地解釋涉及通行以及旋轉(zhuǎn)角度的重 合的檢測(cè)的功能原理。該圖示出了同軸布置的第一和第二軸21、24的軸視圖。兩個(gè)軸21、24 的每個(gè)采取一角位置，在該角位置，標(biāo)記2和4重合且同時(shí)標(biāo)記3和5重合(參見(jiàn)以實(shí)線畫(huà)的標(biāo) 記），即通行和旋轉(zhuǎn)角度的重合同時(shí)發(fā)生。該位置限定第一軸24的基準(zhǔn)位置;第一軸24的旋 轉(zhuǎn)角度ω :能表示為自基準(zhǔn)位置的偏差。以相同的方式，第二軸21的旋轉(zhuǎn)角度ω 2能表示為自 基準(zhǔn)位置的偏差。
[0049] 示出作為基準(zhǔn)位置的選擇的位置純粹是任意的，且是為了便于識(shí)別的目的被做 出；原則上，軸21、24的任何其它角位置也能被限定為基準(zhǔn)位置。
[0050] 如果第二軸21圍繞旋轉(zhuǎn)軸線110旋轉(zhuǎn)，那么第一軸24根據(jù)齒數(shù)比i隨第二軸21旋 轉(zhuǎn)。根據(jù)齒輪10的結(jié)構(gòu)類型，第一軸24可以沿著與軸21相同的方向（即i是正的)或相反的方 向（即i是負(fù)的）旋轉(zhuǎn)。如果兩個(gè)軸沿同一方向旋轉(zhuǎn)、例如沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，那么當(dāng)?shù)诙S 21已完成了一次完整的旋轉(zhuǎn)時(shí)第三標(biāo)記2再次與第四標(biāo)記4對(duì)準(zhǔn)。第三標(biāo)記2通過(guò)第四標(biāo)記4 的附近的通行通過(guò)合適的裝置被檢測(cè)，例如第四標(biāo)記4被設(shè)計(jì)成傳感器8的形式，且通行信 號(hào)Sd被發(fā)送至評(píng)估單元25。對(duì)于每個(gè)另一完整的旋轉(zhuǎn)，通行信號(hào)Sd被再次檢測(cè)。
[0051 ]在第二軸21的一次完整旋轉(zhuǎn)之后，位于第一軸24的第一標(biāo)記5根據(jù)C02 = i · CO1B 經(jīng)進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)了完整旋轉(zhuǎn)的i分之一。因此，當(dāng)位于第二軸21第二標(biāo)記3追上位于第一軸24 的第一標(biāo)記5時(shí)，檢測(cè)到下一個(gè)重合信號(hào)S K(參見(jiàn)圖6中以虛線繪制的標(biāo)記）。標(biāo)記3、5的重合 通過(guò)適當(dāng)?shù)难b置被檢測(cè)、例如通過(guò)設(shè)計(jì)為以傳感器9形式的第一個(gè)標(biāo)記5被檢測(cè)，并且重合 信號(hào)Sk被發(fā)送至評(píng)估單元25。隨著兩個(gè)軸的進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)該原則相應(yīng)地繼續(xù)，直到再次達(dá)到 第一軸24的基準(zhǔn)位置。
[0052]如果這兩個(gè)軸21、24以相反方向旋轉(zhuǎn)，例如第一軸24以順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)且第二軸 21以逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，那么從基準(zhǔn)位置開(kāi)始旋轉(zhuǎn)角度的重合在第三標(biāo)記5與第四標(biāo)記4對(duì)準(zhǔn) 之前首先發(fā)生(標(biāo)記以虛線繪制）。
[0053]理想地，信號(hào)Sk、Sd是脈沖形式，即所述信號(hào)通過(guò)自靜態(tài)值的偏差來(lái)表示通行或重 合的角范圍是小到使得該角范圍可以被視為點(diǎn)式。在實(shí)踐中，往往不是這種情況;相反，信 號(hào)自靜態(tài)值偏差的角范圍可以是標(biāo)記12或13之間的角度距離的幾倍，使得在一通行或一重 合期間多個(gè)脈沖能來(lái)自增量編碼器11或15的傳感器11或14。
[0054]圖7通過(guò)舉例的方式示出了信號(hào)Sk作為軸21或24的旋轉(zhuǎn)角度ω的函數(shù)的這種曲 線，由此增量編碼器11或15的脈沖在cos處最大值Sk的兩側(cè)通過(guò)豎細(xì)線被表示。
[0055]在最簡(jiǎn)單的情況下，評(píng)估單元25限定了信號(hào)最大值的這個(gè)角度作為重合的角度。 [0056]可替代地，評(píng)估單元25能確定低于曲線Sk和高于能任意定義的直線So的區(qū)域的形 心。在這種情況下，角度ω s是明確地來(lái)自形心的角值；這可以大體上被計(jì)算為
_，藉此在每種情況下，積分從曲線Sk與直線So的交叉點(diǎn)中的一個(gè)點(diǎn)至另一 個(gè)交叉點(diǎn)運(yùn)行。因此，對(duì)于每個(gè)重合信號(hào)Sk和每個(gè)通行信號(hào)SD，角度cos可以被明確確定。
[0057] 說(shuō)明書(shū)的以下部分現(xiàn)在闡述了用于確定第一軸24相對(duì)于基準(zhǔn)位置的角位置的方 法。該方法的各個(gè)步驟如圖8所示。圖9示出了圖，其中來(lái)源于旋轉(zhuǎn)角度ω的旋轉(zhuǎn)角度的通行 和重合被代表用于具有通過(guò)示例的方式選擇i = 15的齒數(shù)比的旋轉(zhuǎn)編碼器。從基準(zhǔn)位置47 開(kāi)始時(shí)，第二軸21的完整的轉(zhuǎn)數(shù)j是圖的縱坐標(biāo)上的輸入。完整旋轉(zhuǎn)的角范圍ω被輸入橫坐 標(biāo)，且范圍從0°至360°。對(duì)于起始位置，j = 0, ω = 〇。如果從基準(zhǔn)位置47開(kāi)始，在j = l、ω = 〇 處，第二軸21已完成一完整的旋轉(zhuǎn)，則一通行信號(hào)又被檢測(cè)。軸進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)，藉此第二軸21 現(xiàn)在趕上第一軸24且旋轉(zhuǎn)角度的重合發(fā)生在」=1、《=360°/(卜1)=約25.7°處。通行信號(hào) 總是發(fā)生在ω =0處;旋轉(zhuǎn)角度的進(jìn)一步的重合發(fā)生在j=n，ω =n*360°/(i_l)處。
[0058] 該方法通過(guò)評(píng)估單元25被實(shí)現(xiàn)。在方法的起始處，第一軸24角位置Co1是未知的， 該角位置可以例如對(duì)應(yīng)于圖9中的點(diǎn)40或44;第二軸21的角位置ω 2也是未知的。該方法從 步驟Sl開(kāi)始。在步驟Sl檢查是否出現(xiàn)通行信號(hào)SD。如果不出現(xiàn)通行信號(hào)S D，則在步驟S2檢查 是否出現(xiàn)重合信號(hào)SK。如果也不出現(xiàn)重合信號(hào)SK，則第一軸24旋轉(zhuǎn)(步驟S3)，且重復(fù)步驟Sl 和S2中的查詢直到通行信號(hào)Sd(步驟SI)或重合信號(hào)Sk(步驟S2)被接收。
[0059]如果通行信號(hào)Sd在步驟Sl被接收，則在步驟S4檢查是否同時(shí)出現(xiàn)重合信號(hào)Sk。
[0060] 如果是這種情況，那么在第一軸24上第一標(biāo)記5的角位置O1與第四標(biāo)記4重合。第 一軸24因此在其基準(zhǔn)位置47中。在步驟S5,評(píng)估單元25因此確定第一軸24旋轉(zhuǎn)角度為零 (ω : = 〇)，且該方法結(jié)束。
[0061] 如果通行信號(hào)Sd，41在步驟Sl被接收但同時(shí)重合信號(hào)Sk在步驟S4未被接收，那么在 步驟S6計(jì)數(shù)器初始化。此后，評(píng)估單元25通過(guò)每次來(lái)自增量編碼器10的脈沖被接收就增加 計(jì)數(shù)器值來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)的第二軸21的旋轉(zhuǎn)角度(步驟S7)。只要重合信號(hào)S K，42被接收，評(píng)估單 元就結(jié)束測(cè)量(步驟8)。該計(jì)數(shù)器的值α然后對(duì)應(yīng)于第二軸21從通行信號(hào)Sd、41的接收開(kāi)始， 直到重合信號(hào)S K、42的接收已經(jīng)覆蓋的旋轉(zhuǎn)角度。
[0062] 基于此計(jì)數(shù)器的值α，評(píng)估單元25現(xiàn)在確定第一軸24的旋轉(zhuǎn)角度ω :(步驟S9)。令 人驚訝的是，該旋轉(zhuǎn)角度等于計(jì)數(shù)器的值，即CO1 = CU該方法然后結(jié)束。
[0063]如果在步驟Sl沒(méi)有通行信號(hào)Sd被最初接收但重合信號(hào)SK、45是在步驟S2被接收，那 么評(píng)估單元25也開(kāi)始在步驟SlO初始化計(jì)數(shù)器。當(dāng)?shù)诙S21旋轉(zhuǎn)時(shí)，評(píng)估單元25接收通過(guò)增 量編碼器10發(fā)送的脈沖(步驟S11)，并在每次接收脈沖時(shí)增加計(jì)數(shù)器值。只要通行信號(hào)S D、 46被接收(步驟12)，評(píng)估單元25就中斷測(cè)量。達(dá)到該點(diǎn)處的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)器值β說(shuō)明了第二 軸21從重合信號(hào)S K、45的接收開(kāi)始直到通行信號(hào)Sd，46的接收已經(jīng)覆蓋的旋轉(zhuǎn)角度。
[0064] 基于該計(jì)數(shù)器值β，評(píng)估單元25現(xiàn)在確定第一軸24的旋轉(zhuǎn)角度Co1(步驟S13)。為了 這樣做，評(píng)估單元25首先確定第一軸24在旋轉(zhuǎn)角度SK、45的重合時(shí)刻采取的旋轉(zhuǎn)角度。此旋 轉(zhuǎn)角度為360°減去計(jì)數(shù)器值β。
[0005]然而，從旋轉(zhuǎn)角度的重合Sk、45的位置開(kāi)始，第二軸21進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)經(jīng)過(guò)角度β。因?yàn)?齒輪的傳動(dòng)比為i，所以第一軸24從旋轉(zhuǎn)角度的重合進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)經(jīng)過(guò)β/i。數(shù)學(xué)上表示，旋轉(zhuǎn) 角度是如此
方法然后結(jié)束。
[0066]在第一軸的旋轉(zhuǎn)角度ω i使用上述方法已經(jīng)確定一次之后，旋轉(zhuǎn)角度能基于來(lái)自 增量編碼器15、10的脈沖保持連續(xù)地更新，
[0067]因?yàn)殛P(guān)系co2 = i · ωι不變，所以評(píng)估單元25還可以確定從第一軸24的最后的基準(zhǔn) 位置47測(cè)量的第二軸21已經(jīng)覆蓋的角度。
[0068] 該方法能利用軸21、24在同一方向旋轉(zhuǎn)（見(jiàn)圖9)的和軸21、24在相反的方向旋轉(zhuǎn) (見(jiàn)圖1 〇)的齒輪10被完成。上面闡述的方法涉及同向旋轉(zhuǎn)的軸的齒輪(i = 15)。因?yàn)樵摲椒?可以類似應(yīng)用于反向旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)編碼器，在這種情況下，只參考圖10,示出了齒數(shù)比i = _ 15的相應(yīng)的有效信號(hào)。
[0069] 附圖標(biāo)記列表
[0070] 1旋轉(zhuǎn)編碼器
[0071] 2 標(biāo)記
[0072] 3 標(biāo)記
[0073] 4 標(biāo)記
[0074] 5 標(biāo)記
[0075] 6 磁體
[0076] 7 磁體
[0077] 8傳感器
[0078] 9傳感器
[0079] 10增量編碼器
[0080] 11傳感器
[0081] 12 標(biāo)記
[0082] 13 標(biāo)記
[0083] 14傳感器
[0084] 15增量編碼器
[0085] 16導(dǎo)電路徑
[0086] 17導(dǎo)電路徑
[0087] 18導(dǎo)電路徑
[0088] 19 周期
[0089] 20 殼體
[0090] 21 軸
[0091] 22 盤(pán)
[0092] 23 電機(jī)
[0093] 24 軸
[0094] 25評(píng)估單元
[0095] 26接收器
[0096] 27太陽(yáng)輪
[0097] 28支承件
[0098] 29行星齒輪
[0099] 30 齒圈
[0100] 31 齒輪
[0101] 32波發(fā)生器
[0102] 33 柔輪
[0103] 40未知角位置
[0104] 41通行信號(hào)
[0105] 42重合信號(hào)
[0106] 44未知角位置
[0107] 45重合信號(hào)
[0108] 46通行信號(hào)
[0109] 47基準(zhǔn)位置
[0110] 100機(jī)器人
[0111] 101 底座
[0112] 102彎頭件
[0113] 103 下臂
[0114] 104彎頭件
[0115] 105 上臂
[0116] 106彎頭件
[0117] 107 儀器
[0118] 108彎頭件
[0119] 109末端執(zhí)行器
[0120] 110 軸線
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 旋轉(zhuǎn)編碼器（1)，用于檢測(cè)第一軸(24)的角位置，所述旋轉(zhuǎn)編碼器具有能與所述第一 軸(24)-起旋轉(zhuǎn)的第一標(biāo)記(5)、具有以固定的比率相對(duì)于所述第一軸(24)旋轉(zhuǎn)的第二軸 (21)、能與所述第二軸(21)-起旋轉(zhuǎn)的第二標(biāo)記(3)、具有用于檢測(cè)所述第二軸(21)的角位 置的裝置和用于檢測(cè)所述第一標(biāo)記(5)和所述第二標(biāo)記(3)的旋轉(zhuǎn)角度的重合的裝置。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)編碼器，其特征在于，所述第一標(biāo)記和所述第二標(biāo)記(5、 3) 中的一個(gè)(5)是傳感器(9)且另一個(gè)(3)能被所述傳感器(9)檢測(cè)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的旋轉(zhuǎn)編碼器，其特征在于，所述第一標(biāo)記和所述第二標(biāo)記 (5、3)中的一個(gè)是磁體(7)且另一個(gè)是磁場(chǎng)傳感器(9)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的旋轉(zhuǎn)編碼器，其特征在于，用于檢測(cè)所述第二軸（21)的 角位置的所述裝置包括能與所述第二軸(21)-起旋轉(zhuǎn)的第三標(biāo)記(2)、固定的第四標(biāo)記(4) 和用于檢測(cè)所述第三標(biāo)記(2)通過(guò)所述第四個(gè)標(biāo)記(4)的附近的通行的裝置(25)。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的旋轉(zhuǎn)編碼器，其特征在于，所述第三標(biāo)記和所述第四標(biāo)記（2、 4) 中的一個(gè)(4)是傳感器(8)且另一個(gè)(2)能被所述傳感器(8)檢測(cè)，且來(lái)自所述傳感器(8) 的輸出是所述第二軸(21)的旋轉(zhuǎn)角度的周期函數(shù)，其中所述函數(shù)的基本周期對(duì)應(yīng)于所述第 二軸(21)的一次旋轉(zhuǎn)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的旋轉(zhuǎn)編碼器，其特征在于，用于檢測(cè)所述第二軸的角位 置的所述裝置包括絕對(duì)編碼器。7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)編碼器，其特征在于，所述第一和所述第 二軸(24、21)經(jīng)由齒輪(31)被旋轉(zhuǎn)地耦接。8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)編碼器，其特征在于，所述齒輪(31)是形 狀配合的齒輪。9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的旋轉(zhuǎn)編碼器，其特征在于，所述齒輪(31)是減速齒輪。10. 根據(jù)權(quán)利要求7至9中任一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)編碼器，其特征在于，所述齒輪（31)是齒 圈。11. 根據(jù)權(quán)利要求7至10中任一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)編碼器，其特征在于，各所述軸(21，24)同 軸地對(duì)準(zhǔn)，且具有布置為彼此相對(duì)的端面，在所述端面上所述第一標(biāo)記和所述第二標(biāo)記(5、 3)被布置。12. 根據(jù)在回引權(quán)利要求2前提下的權(quán)利要求7至11中任一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)編碼器，其特 征在于，來(lái)自傳感器(9)的輸出是所述第一軸(21)的旋轉(zhuǎn)角度（ ωι)的周期函數(shù)，其中，所述 第一軸(21)的一次旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)于所述函數(shù)的| i-Ι |次基本周期。13. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)編碼器，其特征在于，還包括評(píng)估單元 (25)，所述評(píng)估單元用于來(lái)自用于檢測(cè)所述旋轉(zhuǎn)角度的重合的所述裝置的重合信號(hào)(S K)的 和來(lái)自用于檢測(cè)通行的所述裝置的通行信號(hào)（SD)的接收、和用于基于在所述重合信號(hào)（S K) 的接收和所述通行信號(hào)(Sd)的接收之間覆蓋的旋轉(zhuǎn)角度(α、β)確定角度位置。14. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的所述旋轉(zhuǎn)編碼器，其特征在于還包括用于檢測(cè)所述 第一和/或所述第二軸(21、24)的旋轉(zhuǎn)的相對(duì)角度的傳感器(11、14)。15. -種具有根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的旋轉(zhuǎn)編碼器（1)的機(jī)器人，其特征在 于，所述機(jī)器人（100)包括能相對(duì)于彼此轉(zhuǎn)動(dòng)的至少兩個(gè)臂區(qū)段（101-109)，其中的一個(gè)以 無(wú)法相對(duì)旋轉(zhuǎn)的方式被連接至所述第一軸(24)，且另一個(gè)以無(wú)法相對(duì)旋轉(zhuǎn)的方式被連接至 所述齒輪(31)的殼體(20)。16. -種用于第一軸（24)的角位置檢測(cè)方法，所述第一軸經(jīng)由齒輪(31)耦接至第二軸 (21 )，使得所述第一軸(24)的一次旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)于所述第二軸(21)的i次旋轉(zhuǎn)，所述方法包括以 下步驟： 旋轉(zhuǎn)各所述軸（21，24)以便檢測(cè)隨所述第二軸（21)旋轉(zhuǎn)的標(biāo)記(2)通過(guò)基準(zhǔn)位置的通 行、和隨所述第二軸(21)旋轉(zhuǎn)的標(biāo)記(3)與隨所述第一軸(24)旋轉(zhuǎn)的標(biāo)記(5)之間的旋轉(zhuǎn)角 度的重合； 確定通過(guò)所述基準(zhǔn)位置的通行和旋轉(zhuǎn)角度的重合之間覆蓋的旋轉(zhuǎn)角度(α、β); 基于所述覆蓋的旋轉(zhuǎn)角度(α、β)確定所述角位置。
【文檔編號(hào)】G01D5/36GK106062519SQ201580010696
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2015年2月26日
【發(fā)明人】M·紹特
【申請(qǐng)人】Abb高姆技術(shù)有限責(zé)任公司