专利名称：一种多圈绝对式双组读数组合光电轴角编码器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电测量技术领域，具体涉及一种多圈绝对式双组读数组合光电轴角编码器。
背景技术：
光电轴角编码器是测量角位移的具有代表性的光电位移传感器，被广泛应用于国防、工业和科技领域中。光电轴角编码器根据计数原理的不同，可分为绝对式编码器和增量式编码器；增量式编码器采用均匀刻画的圆光栅码盘，通过对圆光栅输出脉冲进行计数来实现角度或位移量测量，其特点是结构简单，易于实现高精度测量，但下电后若有角度或位移变化则上电后需要寻零并重新开始计数。绝对式编码器采用刻画有特殊图案的码盘，这些特殊图案将码盘360°分为若干个均匀的具有不同编码的区域，每个区域代表绝对式编码器的一个分辨率，每个分辨率都具有不同的编码，通过识别这些编码即可实现角度或位移量的测量，其特点是上电即获得绝对位置，但结构较复杂。根据测量角度范围的不同，绝对式编码器又可分为单圈绝对式编码器和多圈绝对式编码器。单圈绝对式编码器只能对0° 360°范围内的角度进行测量，而多圈绝对式编码器则不仅能测量360°范围内的角度，还能对NX 360°范围内的角度进行测量，其中N为圈数。相对于单圈绝对式编码器，多圈绝对式编码器的结构及处理电路更加复杂。在现有技术中，为测量多圈角度位置信息，必须在单圈绝对式编码器轴系外部添加记圈装置或采用齿轮结构将两台单圈绝对式编码器轴系互联分别进行测角和记圈，这样不仅增加了成本而且分离的部件对测角精度和记圈精度都有影响。如果能在一个编码器中实现测角和记圈的两套绝对式组合编码器结构，配合外部的处理电路就能够消除分离部件对测角精度和记圈精度的影响，提高系统的可靠性。另一方面，通常的多圈绝对式编码器都采用单组读数，即一套光栅码盘对应一套发光接收电路。在空间技术环境或其他对传感器可靠性要求非常高的场合，对光电轴角编码器的发光接收电路均要求冷备份，一般的解决办法是同时安装两台单组读数的光电轴角编码器互为备份。采用双组读数可以在保证系统可靠性的基础上有效地减小系统体积和重量。与本发明最为接近的已有技术是无锡市瑞普科技有限公司开发的模块化高位多圈绝对式光电编码器。如图I、图2所示包括主轴I、光栅盘2、光电组件读数机构3、电路板4、记圈齿轮5、齿轴头6等组成。其工作过程为光栅盘2上有用光刻法刻制的，按照一定规律排列的、透光或不透光的图案代码。当用户轴转动带动主轴I同步转动时，光栅盘2 也随之同步转动并通过光电组件读数机构3的凹槽，这时光电组件读数机构3就会将光栅盘2上透光或不透光的信号接收并转变为电信号，信号再通过光电组件读数机构3及电路板4上的电子器件组成的逻辑电路，处理成为反映光栅盘2上的代码的矩形波；同时，主轴 I (即光栅盘2)和主轴端头齿轮6结合(或制成)为一整体，当用户轴转动时，主轴(光栅盘2)、主轴端头齿轮6也随之同步转动，带动记圈光电组件读数机构的记圈齿轮5转动；通过记圈读数机构内设的3-50组齿轮间按一定规律排列转动并光电读数，即实现主轴I旋转每圈(360° )内由基本位光电组件读数机构3读数并以矩形波代码输出。输出的矩形波为反映光栅盘的360°以内的位置以及主轴I旋转的圈数，并以格雷码(Gray码)或二进制码等绝对位置码，采用SSI串行、并行或总线的电路输出方式输出，以实现信号的可靠传输。 此电信号输出即包含了用户轴运动状态位置的信息，完成了由机械运动物理量，如位置、速度、加速度，向电量的转换。已有技术的不足I、已有技术通过记圈读数机构内设的3-50组齿轮进行记圈，记圈精度完全依靠齿轮加工和装调精度。2、当光栅盘2刻画的分辨率高于记圈齿轮的分辨率时，在每个记圈跳变沿会出现错码。3、只有一套光电组件读数机构，若出现发光、接收管老化或损坏则影响系统可靠性。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种多圈绝对式双组读数组合光电轴角编码器，其采用两套绝对式码盘测量系统，每套码盘测量系统均采用双读数，通过高精度齿轮机构联接一、二级主轴，两套测试系统共四组发光与接收电路分别输出一、二级码盘的位置信号，一、二级码盘分别用于测量角度与圈数，由一套处理电路处理这些位置信号，在软件中对记圈跳变沿进行校正。本发明解决技术问题所采用的技术方案如下一种多圈绝对式双组读数组合光电轴角编码器，该编码器包括主轴、一级发光板、一级码盘、一级狭缝、一级接收板、放大电路、整形与锁存电路、模数转换电路和数据处理电路，该编码器还包括二级主轴、二级发光板、二级码盘、二级狭缝和二级接收板；主轴的前端依次与一级发光板、一级码盘、一级狭缝和一级接收板连接；二级主轴前端依次与二级发光板、二级码盘、二级狭缝和二级接收板连接；主轴的前端与二级主轴的末端连接；一级接收板和二级接收板分别与放大电路连接；放大电路分别与锁存电路和模数转换电路连接；锁存电路和模数转换电路分别与数据处理电路连接。本发明的有益效果是I、本发明相对于传统的单圈绝对式编码器，增加了一套码盘测量系统，使用高精度齿轮机构将两套码盘测量系统互联，结构紧凑，体积小，可靠性高。2、本发明采用一套处理电路处理两套码盘测量系统数据，并通过适当的软件修正保证两套测量系统的无缝连接，提高了记圈精度，降低了齿轮加工及装调难度。3、本发明在两套码盘测量系统中均采用双组读数，提高了多圈绝对式编码器的可靠性。4、本发明使用更高分辨率的记圈码盘能够提高分辨率，可扩展能力强。
图I现有技术高位多圈绝对式光电编码器的结构图。图2现有技术高位多圈绝对式光电编码器的电路原理图。图3本发明一种多圈绝对式双组读数组合光电轴角编码器的结构图。图4本发明一种多圈绝对式双组读数组合光电轴角编码器的一级码盘与狭缝图。图5本发明一种多圈绝对式双组读数组合光电轴角编码器电路原理图二级码盘与狭缝图。图6本发明一种多圈绝对式双组读数组合光电轴角编码器电路原理。图中1、主轴，7、一级发光板，8、一级码盘，9、一级狭缝，10、一级接收板，11、齿轮副支撑板，12、二级主轴，13、二级发光板，14、二级码盘，15、二级狭缝，16、二级接收板，17、 放大电路，18、整形与锁存电路，19、模数转换电路，20、数据处理电路和21、连接法兰。
具体实施例方式下面结合附图和实施实例对本发明做进一步详细说明。如图3和图6所示，一种多圈绝对式双组读数组合光电轴角编码器，该编码器包括主轴I、一级发光板7、一级码盘8、一级狭缝9、一级接收板10、放大电路17、整形与锁存电路18、模数转换电路19和数据处理电路20，该编码器还包括二级主轴12、二级发光板
13、二级码盘14、二级狭缝15和二级接收板16;主轴I的前端依次与一级发光板7、一级码盘8、一级狭缝9和一级接收板10连接；二级主轴12前端依次与二级发光板13、二级码盘
14、二级狭缝15和二级接收板16连接；主轴I的前端与二级主轴12的末端连接；一级接收板10和二级接收板16分别与放大电路17连接；放大电路17分别与锁存电路18和模数转换电路19连接；锁存电路18和模数转换电路19分别与数据处理电路20连接。该编码器还包括连接法兰21，连接法兰21和直径为8_的主轴I作为接口与外部设备互联。—级发光板7按一定规律排列26支发光二极管,其中主份发光二级管13支,备份发光二级管13支,一级接收板10按照一级发光板7的发光二极管相应位置排列26支光电接收二极管(或三极管)。如图4所示，一级码盘8是一个刻有矩阵码的16位光电绝对式码盘，一级狭缝9与一级码盘8大小一致，狭缝圈数与码盘圈数相同，码盘和狭缝的基底材料均采用K9光学玻璃，图案均采用镀铬、光刻、复制的方法制备。狭缝盘上刻有两组互成固定角度的狭缝，两组狭缝分别对应主份发光管和接收管、备份发光管和接收管，由于狭缝盘上各圈狭缝与码盘上各圈码道分别对齐，当一级狭缝9固定，一级码盘8随轴转动时，光信号经过一级码盘8和一级狭缝9的调制后，通过一级接收板10转换为具有位置信息的电信号，其中主备各9路信号经过放大电路17、整形与锁存电路18后变换为TTL电平信号读入数据处理电路20，其余主备各4路信号经过放大电路17和模数转换电路19的变换处理后， 读入数据处理电路20，这些数据经过矩阵码变换、软件细分等处理后得到二进制表示的16 位单圈角度位置信息，角度位置信息各位分别表示为A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、B1、B2、 B3、B4、B5、B6、B7、B8。其中，Al A8为一级码盘8刻画的矩阵码转换而来，BI B8为软件对矩阵码细分所得。主轴I与二级主轴13通过齿轮啮合并固定在齿轮副支撑板11上， 当主轴I转动360°时，二级主轴转动二级码盘9的一个分辨率，如图5所示，二级码盘9和二级狭缝10均采用不锈钢基底材料，二级码盘9上刻有5位矩阵码，二级狭缝10与一级狭缝6类似，刻画有两组互成固定角度的狭缝，当二级主轴13转动时，二级接收板11输出主备各5路具有圈数信息的电信号，这些信号经过放大电路14和整形与锁存电路15后变换为TTL电平信号读入数据处理电路17，经过矩阵码变换和校正运算后，输出二进制表示的5 位圈数信息。当主轴I转动并即将进入第N圈时，由于齿轮精度或装调等原因，二级主轴12可能未到N圈或已进入N圈计数，此时，通过对一级接收板10输出信号的处理和判断，能够对二级接收板16输出的圈数信息进行软件校正，这样能够降低加工及装调的复杂程度。如图6所示，放大电路17的作用是将一级接收板10和二级接收板16输出的微弱信号转换为具有一定幅值的电压信号，其输入端一般采用精密电阻将电流信号变换为电压信号，放大后的电压信号经过整形与锁存电路18或模数转换电路19变换为具有‘0’或‘I’ 特征的数字信号，数据处理电路20的CPU读取和处理这些数字信号，经过码制变换以及细分校正运算等，能够还原信号中携带的角度位置信息。在具体实施中，放大电路17可采用集成运算放大器，通过一级或两级串联将微弱电压信号放大至模数转换电路18的输入量程范围。模数转换电路19可采用8位或12位4 通道高速模数转换器。整形与锁存电路18可采用多路施密特触发器和74系列锁存器，数据处理电路20采用高速单片机或DSP。该编码器所有部件及所有齿轮啮合面、齿轮与齿轮轴的配合面均采用固体润滑处理适合空间环境使用。
权利要求
1.一种多圈绝对式双组读数组合光电轴角编码器，该编码器包括主轴(I)、一级发光板(7)、一级码盘(8)、一级狭缝(9)、一级接收板(10)、放大电路(17)、整形与锁存电路(18)、模数转换电路(19)和数据处理电路(20)，其特征在于，该编码器还包括二级主轴(12)、二级发光板(13)、二级码盘(14)、二级狭缝(15)和二级接收板(16);所述主轴(I)的前端依次与一级发光板(7)、一级码盘(8)、一级狭缝(9)和一级接收板(10)连接；二级主轴(12)前端依次与二级发光板(13)、二级码盘(14)、二级狭缝(15)和二级接收板(16)连接；所述主轴(I)与二级主轴(12)连接；所述一级接收板(10)和二级接收板(16)分别与放大电路(17)连接；放大电路(17)分别与锁存电路(18)和模数转换电路(19)连接；锁存电路(18)和模数转换电路(19)分别与数据处理电路(20)连接。
2.如权利要求I所述的一种多圈绝对式双组读数组合光电轴角编码器，其特征在于， 该编码器还包括齿轮副支撑板(11)，所述主轴(I)与二级主轴(12)通过齿轮副支撑板(11)连接。
3.如权利要求I所述的一种多圈绝对式双组读数组合光电轴角编码器，其特征在于， 该编码器在权利要求I中所述的所有部件的配合面均采用固体润滑处理。
4.如权利要求I所述的一种多圈绝对式双组读数组合光电轴角编码器，其特征在于， 所述一级狭缝(9)和二级狭缝(15)上分别刻有两组互成固定角度的狭缝。
5.如权利要求I所述的一种多圈绝对式双组读数组合光电轴角编码器，其特征在于， 该编码器的两组绝对式码盘测量系统中，每组测量系统各有两组发光接收电路。
6.如权利要求I所述的一种多圈绝对式双组读数组合光电轴角编码器，其特征在于， 所述一级码盘(8)、一级狭缝(9)采用玻璃码盘，二级码盘(14)、二级狭缝(15)采用金属码盘。
7.如权利要求I所述的一种多圈绝对式双组读数组合光电轴角编码器，其特征在于， 所述二级码盘(14)是一个刻有五位矩阵码的绝对式码盘。
8.如权利要求I所述的一种多圈绝对式双组读数组合光电轴角编码器，其特征在于， 该编码器还包括连接法兰(2)，所述连接法兰(2)和主轴(I)作为接口与外部设备互联。
全文摘要
一种多圈绝对式双组读数组合光电轴角编码器属于光电测量技术领域，该编码器包括主轴、一级发光板、一级码盘、一级狭缝、一级接收板、放大电路、整形与锁存电路、模数转换电路和数据处理电路，二级主轴、二级发光板、二级码盘、二级狭缝和二级接收板；主轴的前端与一级发光板、一级码盘、一级狭缝和一级接收板连接；二级主轴前端与二级发光板、二级码盘、二级狭缝和二级接收板连接；主轴的前端与二级主轴的末端连接；一级接收板和二级接收板与放大电路连接；放大电路与锁存电路和模数转换电路连接；锁存电路和模数转换电路与数据处理电路连接。本发明结构紧凑，体积小，可靠性高。提高了记圈精度和可靠性。提高分辨率，可扩展能力强。
文档编号G01D5/347GK102607617SQ20121009280
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月31日 优先权日2012年3月31日
发明者乔克, 周磊, 龙科慧 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所