一种具有十三位码输出的空心轴绝对式矩阵编码器的制作方法

专利名称：一种具有十三位码输出的空心轴绝对式矩阵编码器的制作方法
技术领域：
本发明属于光电测试技术领域中涉及的角位移、角速度测试用一种具有十三位码输出的空心轴绝对式矩阵编码器。
二、技术背景绝对式矩阵编码器属于光电轴角编码器的一种类型，是角位移、角速度测量的有代表性的光电传感器件，随着工业化和高科技的发展和需要，对绝对式矩阵编码器小型化的要求，越来越迫切。对绝对式矩阵编码器小型化的要求，最直接的解决办法就是缩小码盘和狭缝盘的径向尺寸，码盘和狭缝盘的径向尺寸缩小以后，刻划的圈数就会减少，这会直接影响到测角分辨率的降低，然而，在码盘和狭缝盘的径向尺寸缩小的情况下，对码盘码道的设计和对狭缝盘的狭缝布局的设计以及对编码器某些部位的结构设计，采取巧妙的设计措施也会进一步提高编码器的输出位数，进而提高测角分辨率。
与本发明最为接近的已有技术，是中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制开发的小型绝对式矩阵编码器(长春光机所主编的“光学机械”期刊第5期P65～P70页曹振夫著)如图1所示是由轴系、光电读数系统、壳体以及对外机械连接部件组成的。轴系包括主轴7、轴套8、轴承9；光电读数系统包括接收元件1、光电系统支架2、狭缝盘3、螺钉4、码盘5、隔环6、发光元件11、壳体及对外机械连接部件包括螺钉10、法兰盘12、壳体13。该小型绝对式矩阵编码器，只能输出8位码，测角分辨率只达到1.40625°。编码器的最小外形径向尺寸只能做到φ65mm，这些参量预示着该编码器测角分辨率低、外形径向尺寸偏大，在应用范围上受到一定的限制。

发明内容
为了克服已有技术存在的缺点，本发明的目的在于缩小编码器的外形径向尺寸、提高编码器的测角分辨率，扩大编码器的应用和适用范围，特设计一种具有十三位码输出的空心轴绝对式矩阵编码器。
本发明要解决的技术问题是提供一种具有十三位码输出的空心轴绝对式矩阵编码器。解决技术问题的技术方案如图2所示包括轴系、光电读数系统、壳体以及对外机械连接部件。
轴系包括空心主轴15、轴套22、轴承24；光电读数系统包括接收元件14、光电系统支架16、螺钉18、隔环19、狭缝盘20、码盘21、发光元件26；壳体及对外机械连接部件包括壳体17、螺钉23、法兰盘25。
该编码器的整体结构与传统的绝对式矩阵编码器的结构，没有特殊的区别，最大的特点是编码盘采用三圈码道与狭缝相匹配能输出十三位码以及主轴采用空心轴结构能缩小编码器的径向尺寸。
该编码器的整体结构是以空心主轴15为中心，轴承24套装在空心主轴15上，轴承24的外侧套装着轴套22，三者之间靠轴承24滚动接触，码盘21的面与空心主轴15轴心线垂直，安装在空心主轴15的台肩上，随空心主轴15转动，狭缝盘20装在光电系统支架16下面凸台的内圆里，两者固连，空心主轴15穿过光电系统支架16的中心孔，两者无接触，装在光电系统支架16下面凸台的内圆里的狭缝盘20的面与码盘21的面平行并保持一定的间隙，当空心主轴15带动码盘顺时针转动时，码盘和狭缝盘之间产生相对角位移，光电系统支架16和轴套22之间是隔环19，能调节码盘21与狭缝盘20之间间隙的大小，光电系统支架16、隔环19、轴套22三者通过螺钉18固定，发光元件26装在轴套22的孔里，该孔位于空心主轴15的台肩外侧，码盘21的通光区的下面，接收元件14装在光电系统支架16的孔里，该孔位于狭缝盘20通光区的上面，发光元件26和接收元件14在编码器的径向尺寸上等距离相对安装，空心主轴15的下端穿过法兰盘25的中心孔，两者之间无接触，法兰盘25通过螺钉23与轴套22固连，壳体17在光电系统支架16、隔环19、轴套22以及法兰盘25凸台的外侧罩上，用螺钉与法兰盘25的凸台固定。
编码盘是由码盘和狭缝盘匹配构成的，码盘的码道布局如图3所示在码盘上刻划有三圈码道，第一圈码道分为两个区域，0°～180°为不通光区域，180°～360°为通光区域；第二圈码道分为0°～45°、45°～90°、90°～135°、135°～180°、180°～225°、225°～270°、270°～315°、315°～360°八个扇形区域中，每个区域的通光区段和不通光区段的设置是不同的。在0°～45°的区域中，有一个通光区段，设在该区域的中间，两侧是不通光区段，通光区段和不通光区段的宽度相等，所以通光区段两侧的不通光区段的宽度，刚好等于通光区段宽度的一半，该宽度为45°/4＝11.25°，通光区段的宽度为11.25°×2＝22.5°；在45°～90°的区域内，有两个通光区段，通光区段和不通光区段的宽度相等且相间分布，靠近45°和靠近90°的各有一个不通光区，其宽度为不通光区段宽度的一半，宽度为(90°～45°)/8＝5.625°通光区段和不通光区段的宽度都为5.625°×2＝11.25°，在90°～135°的区域内，有四个通光区段。通光区段和不通光区段的宽度相等且相间分布，靠近90°和靠近135°的各有一个不通光区，其宽度为不通光区段宽度的一半，宽度为(135°～90°)/16＝2.8125°，通光区段和不通光区段的宽度都为2.8125°×2＝5.625°；在135°～180°的区域内，有八个通光区段，通光区段和不通光区段的宽度相等且相间分布，靠近135°和靠近180°的各有一个不通光区，其宽度为不通光区段宽度的一半，宽度为(180°～135°)/32＝1.40625°，通光区段和不通光区段的宽度都为1.40625°×2＝2.8125°；在180°～225°的区域内，有十六个通光区段，通光区段和不通光区段的宽度相等且相间分布，靠近180°和靠近225°的各有一个不通光区，其宽度为不通光区段宽度的一半，宽度为(225°～180°)/64＝0.703125°，通光区段和不通光区段的宽度都为0.703125°×2＝1.40625°；在225°～270°的区域内，有三十二个通光区段，通光区段和不通光区段的宽度相等且相间分布，靠近225°和靠近270°的各有一个不通光区，其宽度为不通光区段宽度的一半，宽度为(270°～225°)/128＝0.3515625°，通光区段和不通光区段的宽度都为0.3515625°×2＝0.703125°；在270°～315°的区域内，有六十四个通光区段，通光区段和不通光区段的宽度相等且相间分布，靠近270°和靠近315°的各有一个不通光区，其宽度为不通光区段宽度的一半，宽度为(315°～270°)/256＝0.17578125°，通光区段和不通光区段的宽度都为0.17578125°×2＝0.3515625°；在315°～360°的区域内，有一百二十八个通光区段，通光区段和不通光区段的宽度相等且相间分布，靠近315°和靠近360°的各有一个不通光区，其宽度为不通光区段宽度的一半，宽度为(360°～315°)/512＝0.087890625°，通光区段和不通光区段的宽度都为0.087890625°×2＝0.17578125°。
第三圈码道为精码道，是在整个圆周上等间距设有二千零四十八个通光区段，通光区段和不通光区段的宽度相等且相间分布，靠近0°(360°)两侧各有一个不通光区，其宽度为不通光区宽度的一半，宽度360°/2048×2/2＝0.087890625°，也就是0°(360°)线穿过一个不通光区段的中心，通光区段和不通光区段的宽度都为0.087890625°×2＝0.17578125°。
狭缝盘的狭缝布局如图4所示在狭缝盘上设有三圈狭缝，第一圈设有a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8八个狭缝，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；第二圈设有b1、b2、b3、b4、b5、b6、b7、b8、八个狭缝，它们每隔45°均布在圆周上，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；第三圈设有c1、c2、c3、c4四个狭缝，c1和c2分布在90°线的两侧，c1与90°线的夹角为4°，c2与90°线的夹角为4.087890625°，c3与c4分布在270°线的两侧，c3与270°线的夹角为4.17578125°，c4与270°线的夹角为4.263671875°。
工作原理说明同轴安装的码盘与狭缝盘在空心主轴顺时针转动时，码盘随空心主轴转动。码盘与狭缝盘之间产生相对角位移。码盘的第一圈码道与狭缝盘的第一圈狭缝相匹配，第二圈码道与第二圈狭缝匹配，第三圈码道与第三圈狭缝匹配，发光元件发出光信号经过码盘与狭缝盘的通光区时，接收元件接收到光信号呈现出高电平状态，有信号输出；发光元件发出的光信号在码盘与狭缝盘的不通光区，接收元件没有接收到光的信号，呈现出低电平状态，没有信号输出，也就是编码盘输出的代码记录着编码器空心主轴转动的角位移位置。
第一圈狭缝a1、a2、a3、a4、a6、a7、a8接收到的光信号如图5所示A1代表通光区高电平信号，空格代表不通光低电平信号，这些信号处理成传统的周期二进制码的关系式为A1＝a1A2＝a3A3＝a2a4A4＝(a5a6)+(a7a8)第二圈狭缝b1、b2、b3、b4、b5、b6、b7、b8、接收到的光信号如图6所示这些处理成传统的周期二进制码的关系式为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第三圈狭缝c1、c2、c3、c4接收到的光信号相位差为1/4周期的四路信号，c1与c3、c2与c4分别进入放大器进行差分处理，得到两路相位差为1/2周期的正弦波信号，这两路信号对A1～A12各位码进行校正处理，其中c1与c3进入放大器差分后，得到的信号为传统的周期二进制码A13，c2与c4进入放大器差分后，得到的信号码为校正控制码，不做码位输出。
本发明的积极效果由于编码盘采用非常规的精心结构设计仅用三圈码道就能输出十三位码，测角分辨率与常规同类绝对式矩阵编码器相比，提高三个量数级。达到0.087890625°，主轴采用空心轴结构，使编码器外形径向尺寸比常规同类绝对式矩阵编码器的外形径向尺寸减小近10mm，该编码器的应用范围大大地扩大了。
四

图1是已有技术的结构示意图，图2是本发明的结构示意图。图3是本发明的码盘码道的布局结构示意图，图4是本发明的狭缝盘上狭缝布局结构示意图，图5是本发明的第一圈码道与第一圈狭缝a1、a2、…a8相匹配，在不同角度通光区接收到的高电平信号显示表格，图6是本发明的第二圈码道与第二圈狭缝b1、b2…b8相匹配，在不同角度通光区接收到的信号，处理成传统二进制码的显示表格。
五具体实施例方式本发明按图2所示的结构实施。码盘和狭缝盘的材质采用k9光学波璃，表面镀铬，码盘上码道的布局结构按图3所示的结构实施。狭缝盘上狭缝的布局结构按图4所示的结构实施，空心主轴15、光电系统支架16的材质采用45#钢。壳体17、法兰盘25的材质采用铸铝。发光元件26采用德国TELEFUNKEN公司生产的TSIP440型发光管，接收元件14采用德国TELEFUNKEN公司生产的BPW16N型接收管，隔环19采用45#钢。
权利要求
1.一种具有十三位码输出的空心轴绝对式矩阵编码器，包括轴系、光电读数系统、壳体及对外机械连接部件，其特征在于轴系中的主轴采用空心主轴(15)，光电读数系统中的码盘(21)采用三圈码道和狭缝盘(20)采用三圈狭缝相匹配的结构，输出十三位码。
2.按权利要求书1所述的一种具有十三位码输出的空心轴绝对式矩阵编码器，其特征在于编码盘中的码盘(21)的三圈码道布局结构如下第一圈码道分为两个区域，0°～180°为不通光区域，180°～360°为通光区域；第二圈码道分为0°～45°、45°～90°、90°～135°、135°～180°、180°～225°、225°～270°、270°～315°、315°～360°八个扇形区域中，每个区域的通光区段和不通光区段的设置是不同的。在0°～45°的区域中，有一个通光区段，设在该区域的中间，两侧是不通光区段，通光区段和不通光区段的宽度相等，所以通光区段两侧的不通光区段的宽度，刚好等于通光区段宽度的一半，该宽度为45°/4＝11.25°，通光区段的宽度为11.25°×2＝22.5°；在45°～90°的区域内，有两个通光区段，通光区段和不通光区段的宽度相等且相间分布，靠近45°和靠近90°的各有一个不通光区，其宽度为不通光区段宽度的一半，宽度为(90°～45°)/8＝5.625°通光区段和不通光区段的宽度都为5.625°×2＝11.25°，在90°～135°的区域内，有四个通光区段。通光区段和不通光区段的宽度相等且相间分布，靠近90°和靠近135°的各有一个不通光区，其宽度为不通光区段宽度的一半，宽度为(135°～90°)/16＝2.8125°，通光区段和不通光区段的宽度都为2.8125°×2＝5.625°；在135°～180°的区域内，有八个通光区段，通光区段和不通光区段的宽度相等且相间分布，靠近135°和靠近180°的各有一个不通光区，其宽度为不通光区段宽度的一半，宽度为(180°～135°)/32＝1.40625°，通光区段和不通光区段的宽度都为1.40625°×2＝2.8125°；在180°～225°的区域内，有十六个通光区段，通光区段和不通光区段的宽度相等且相间分布，靠近180°和靠近225°的各有一个不通光区，其宽度为不通光区段宽度的一半，宽度为(225°～180°)/64＝0.703125°，通光区段和不通光区段的宽度都为0.703125°×2＝1.40625°；在225°～270°的区域内，有三十二个通光区段，通光区段和不通光区段的宽度相等且相间分布，靠近225°和靠近270°的各有一个不通光区，其宽度为不通光区段宽度的一半，宽度为(270°～225°)/128＝0.3515625°，通光区段和不通光区段的宽度都为0.3515625°×2＝0.703125°；在270°～315°的区域内，有六十四个通光区段，通光区段和不通光区段的宽度相等且相间分布，靠近270°和靠近315°的各有一个不通光区，其宽度为不通光区段宽度的一半，宽度为(315°～270°)/256＝0.17578125°，通光区段和不通光区段的宽度都为0.17578125°×2＝0.3515625°；在315°～360°的区域内，有一百二十八个通光区段，通光区段和不通光区段的宽度相等且相间分布，靠近315°和靠近360°的各有一个不通光区，其宽度为不通光区段宽度的一半，宽度为(360°～315°)/512＝0.087890625°，通光区段和不通光区段的宽度都为0.087890625°×2＝0.17578125°；第三圈码道为精码道，是在整个圆周上等间距设有二千零四十八个通光区段，通光区段和不通光区段的宽度相等且相间分布，靠近0°(360°)两侧各有一个不通光区，其宽度为不通光区宽度的一半，宽度360°/2048×2/2＝0.087890625°，也就是0°(360°)线穿过一个不通光区段的中心，通光区段和不通光区段的宽度都为0.087890625°×2＝0.17578125°；编码盘中的狭缝盘(20)的三圈狭缝布局如下第一圈设有a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8八个狭缝，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；第二圈设有b1、b2、b3、b4、b5、b6、b7、b8、八个狭缝，它们每隔45°均布在圆周上，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；第三圈设有c1、c2、c3、c4四个狭缝，c1和c2分布在90°线的两侧，c1与90°线的夹角为4°，c2与90°线的夹角为4.087890625°，c3与c4分布在270°线的两侧，c3与270°线的夹角为4.17578125°，c4与270°线的夹角为4.263671875°。
全文摘要
一种具有十三位码输出的空心轴绝对式矩阵编码器，属于光电测试技术领域中涉及的角位移、角速度测试用一种编码器，要解决的技术问题是提供一种具有十三位码输出的空心轴绝对式矩阵编码器。解决的技术方案是本发明包括轴系、光电读数系统、壳体及对外机械连接部件。轴系中的主轴采用空心轴，光电读数系统中由码盘和狭缝盘构成的编码盘采用三圈码道和三圈狭缝相匹配结构。它们同轴平行并保持一定的间隙安装在空心主轴上，当空心主轴带动码盘转动时，码盘与狭缝之间产生相对位移，在通光区段，接收器件接收到的高电平信号，有代码输出，该编码器比同类常规三圈码道的编码器在测角分辨率上提高三个量级，外形径向尺寸小，扩大了适用范围。
文档编号G01B11/00GK1542532SQ0312765
公开日2004年11月3日 申请日期2003年7月28日 优先权日2003年7月28日
发明者于萍, 赵志巍, 于 萍 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 中国科学院长春光学精密机械与物理研