一种柱状码盘接触式轴角多圈编码器的制作方法

本发明属于传感器技术领域，涉及一种多圈编码器，尤其涉及一种柱状码盘接触式轴角多圈编码器。

背景技术：

编码器是一种用于测量物体的机械位移(角位移或直线位移)的传感器，它可将物体的机械运动信号或数据进行编制，转换为可用以通讯、传输和存储的电脉冲信号或数据串。许多伺服电机均需配备有编码器以供马达控制器作为换相、速度及位置的检出。柱状码盘式编码器可通过码盘将待测物体的角位移转换成电信号。柱状码盘接触式编码器采用电刷输出，以电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“1”还是“0”。多圈绝对式编码器运用钟表齿轮机械的原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘(或多组齿轮，多组码盘)，在单圈编码的基础上再增加圈数的编码，以扩大编码器的测量范围，由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。

目前，在特殊场合使用的柱状码盘轴角接触式多圈编码器，体积小，重量轻，低位码盘128码，配合高位码盘有连续64圈，共计8192个码值的量程；工作时，低位码盘和高位码盘的转动方向是相反的方向转动，调试困难。

现有的柱状码盘接触式绝对编码器信号采集装置，包括编码鼓轮(亦称码盘)和电刷(铂铱丝制成的刷丝或刷头)，电刷的刷丝或刷头接点搭接在编码鼓轮上；所述的编码鼓轮为圆柱体，中心有轴，为多片编码片叠合而成；圆柱体表面为光滑表面，在圆柱体的外壁工作区上有按照编码规律排布的导电部分和非导电部分；所述的圆柱体表面有“v”形槽，“v”形槽分布在圆柱体的外壁上，每一条“v”形槽首尾相接，“v”形槽的位置与刷丝间隔的接点位置相对应。

上述编码鼓轮采用叠片法(多片编码片叠合的方法)制造而成的接触式绝对编码器，在使用过程中(进行信号采集时)产生的错码多；而且，其两组电刷刷头分别位于鼓轮的侧面，相差180°排布在鼓轮的侧面位置上，使用过程中误差大。

技术实现要素：

本发明的目的是：提供一种调试简单、错码少、误差小的柱状码盘接触式轴角多圈编码器，以解决现有多圈编码器调试困难以及使用过程中误码的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明一种柱状码盘接触式轴角多圈编码器，它包括机架、总线板、总线束、高位柱状码轮(高位柱状编码鼓轮)、减速齿轮组、低位柱状码轮(低位柱状编码鼓轮)、高位区两个pcb板支架及固定在其上的两排电刷、低位区两个pcb板支架及固定在其上的两排电刷；每个pcb板支架上设有可接收柱状码盘上的编码信号，并将编码信号转换成角度位移电信号的电路板及编码器芯片；每个电路板通过电信号线与编码器总线连接；机架一端连接有总线板，编码器总线通过总线板转接总线束；

所述的高位柱状码轮包括高位柱状码盘及其码盘轴；所述的低位柱状码轮包括低位柱状码盘及其码盘轴；在高位柱状码盘和低位柱状码盘的中心两端均有码盘轴，其中，靠里侧一端为输入轴，靠外侧一端为输出轴；高位柱状码盘及其输入轴、输出轴为一体结构；低位柱状码盘及其输入轴、输出轴为一体结构；在高位柱状码盘和低位柱状码盘表面均设有按二进制格雷码编码规律雕琢的导电体部分，其余部分为填充绝缘物的绝缘体部分；

高位区pcb板支架上两排电刷的刷头(触头、接触导电头)分别搭接在高位柱状码盘上的导电体部分和绝缘体部分；低位区pcb板支架上两排电刷的刷头(触头、接触导电头)分别搭接在低位柱状码盘上的导电体部分和绝缘体部分；

高位柱状码盘和低位柱状码盘的码盘轴通过轴承连接在机架上；在高位柱状码盘和低位柱状码盘之间的机架上安装有减速齿轮组，高位柱状码盘的输入轴通过减速齿轮组与低位柱状码盘的输入轴相连接；低位柱状码盘的输入轴与驱动电机连接；低位柱状码盘的输出轴穿出机架，露在机架外面，可与待测物体连接；减速齿轮组的齿轮采用了两次啮合，经过两次反方向后，高位柱状码盘的输入轴转向与低位柱状码盘的输入轴转向为同方向。

进一步地，高位区两个pcb板支架，同向相对设置在高位柱状码盘的外部两侧；这两个pcb板支架固定安装在机架上高位区；每个pcb板支架上各设有一排(一组)l形片状金属电刷，这两排l形片状金属电刷同向相对设置(面对面)，交错排列；每个l形片状金属电刷，其尾端固定在高位区的pcb板支架上，其前端设有l形刷头即弯钩形触头(接触导电头)；这两排l形片状金属电刷的弯钩形触头分别搭接在高位柱状码盘上的金属导电体部分和非金属绝缘体部分；

低位区两个pcb板支架，同向相对设置在低位柱状码盘的外部两侧；这两个pcb板支架固定安装在机架上低位区；每个pcb板支架上各设有一排(一组)l形片状金属电刷，这两排l形片状金属电刷同向相对设置(面对面)，交错排列；每个l形片状金属电刷，其尾端固定在低位区的pcb板支架上，其前端设有l形刷头即弯钩形触头(接触导电头)；这两排l形片状金属电刷的弯钩形触头分别搭接在低位柱状码盘上的金属导电体部分和非金属绝缘体部分；

进一步地，所述的l形片状金属电刷有弹性，它包括：l形刷头、刷臂和固定燕尾；固定燕尾处有u形凹槽；l形刷头通过刷臂与固定燕尾连接并构成一体；l形刷头为并排的两根，每根l形刷头的前端有一个弯钩形触头(接触导电头)；每个l形片状金属电刷有两个弯钩形触头(两个l形刷头，两个与码盘表面接触的接触点)；l形片状金属电刷的固定燕尾通过将螺丝插入固定燕尾的u形凹槽和电刷固定孔中并拧紧，固定在pcb板支架上。

进一步地，在高位区和低位区的每一排多个l形片状金属电刷的前端l形刷头与柱状码盘的搭接点同一条直线上(可通过调节固定燕尾处的螺丝调节至位于同一条直线上)。

进一步地，所述的pcb板支架包括：支架固定孔和电刷固定孔；pcb板支架为台阶状，在低阶的平面上设有支架固定孔，在高阶的平面上设有电刷固定孔。

进一步地，pcb板支架通过支架固定孔(用螺丝)固定连接在机架上；l形片状金属电刷的固定燕尾通过电刷固定孔用螺丝固定在pcb板支架上(亦即，通过将螺丝插入的l形片状金属电刷的固定燕尾的u形凹槽和pcb板支架上的电刷固定孔中并拧紧，可将l形片状金属电刷固定在pcb板支架上)。

进一步地，所述的减速齿轮组包括：低位轴齿轮、过渡齿轮和高位齿轮；在低位轴齿轮与高位齿轮之间设有过渡齿轮；低位轴齿轮与过渡齿轮啮合，过渡齿轮与高位齿轮啮合，低位轴齿轮通过过渡齿轮与高位齿轮连接。

进一步地，所述的减速齿轮组的总速比为64:1。

进一步地，低位轴齿轮的轴与低位柱状码盘的输入轴(即低位柱状码轮的码盘轴)通过连接件固定连接，并位于同一轴线上；高位齿轮的轴与高位柱状码盘的输入轴(即高位柱状码轮的码盘轴)通过连接件固定连接，并位于同一轴线上。

进一步地，高位柱状码盘和低位柱状码盘的高度不同。

本发明的有益效果：

由于采用了上述技术方案，该接触式多圈编码器，柱状码盘上搭接l形金属刷头，刷头固定在pcb板的支架上，高位码盘、低位码盘之间有总速比64:1的齿轮连接。低位柱状码盘的输入轴转动，带动低位码盘转动，通过两级减速齿轮后，高位轴作速差1/64的相同方向转动。低位码盘、高位码盘上搭接的两组片状金属弹性刷头，分别滑动接触到了码盘上的金属导电体部分和非金属绝缘体部分，形成了与低位码盘、高位码盘上的格雷码相对应的按格雷码输出的电信号。连接齿轮组(即减速齿轮组)的齿轮采用了两次啮合，经过两次反方向后，高位柱状码盘的输入轴转向与低位柱状码盘的输入轴转向为同方向。

本发明中，编码器的低位区的电刷刷丝或刷头、高位区的电刷刷丝或刷头不再是原来的分配在相差180o角度的两个不同方向的侧面上，调试困难，而是分配在柱状码盘两侧同向相对的两个pcb板支架上，调试容易；l形片状金属电刷及其刷头，制作简单，且可以在pcb支架上作位置调动，更方便正确码值的调出；总速比64:1的低、高位连接齿轮采用两级，每级速比8:1，使齿轮回差比原来减少了1/3，实现了低、高位码盘不同转速的同方向转动。

本发明中，柱状码盘的金属部分是采用cnc(计算机数控)一次加工成形的，精度高。l形片状金属电刷制造简易，安装方便，使用固定螺丝即可紧固在pcb板支架上，并可根据需要作位置调节，且排列成一字形，误码机会少，调试方便。高位码盘、低位码盘之间的连接齿轮更是三级改为两级，使高位码盘、低位码轮之间为同方向转动，减少了一级齿轮，回差间隙减小1/3。

本发明的柱状码盘接触式轴角多圈编码器，具有以下优点：该设计组合，具有制造这种接触式多圈编码器方便的可调节、可操作性，柱状码盘一次cnc加工成型，精度高；高位区的两排l形片状金属电刷(金属刷头片)设置在同侧的高位区pcb板支架上，低位区的两排l形片状金属电刷(金属刷头片)也设置在同侧的低位区pcb板支架上，方便观察、调整出正确的码值；低位码盘、高位码盘之间的连接齿轮采用两级，减小了总齿轮回差，实现了低位码盘、高位码盘不同转速的同方向转动，能够减少错码，方便调节。

附图说明

图1是本发明一种柱状码盘接触式轴角多圈编码器的结构示意图。

图2是本发明中的柱状码轮的结构示意图。

图3是本发明中的l形片状金属电刷的结构示意图。

图4是本发明中的pcb板支架的结构示意图。

图5是本发明中的减速齿轮组的结构示意图。

图中：1、总线板；2、机架；3、l形片状金属电刷；4、pcb板支架；4a、第一pcb板支架；4b、第二pcb板支架；4c、第三pcb板支架；4d、第四pcb板支架；5、高位柱状码轮；6、减速齿轮组；7、低位柱状码轮；8、总线束；9、转接套；10、低位柱状码盘的输出轴；

1-1、码盘轴；1-2、柱状码盘；1-3、导电体部份；1-4、绝缘体部份；

2-1、l形刷头；2-2、刷臂；2-3、固定燕尾；2-4、u形凹槽

3-1、支架固定孔；3-2、电刷固定孔；

4-1、低位轴齿轮；4-2、过渡齿轮；4-3、高位齿轮。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

如图1所示，本发明一种柱状码盘接触式轴角多圈编码器，用于测量待测物体的多圈角位移；该编码器包括：机架2、高位柱状码轮5、减速齿轮组6、低位柱状码轮7、转接套9、高位区两个pcb板支架4及其上的两排电刷(l形片状金属电刷3)、低位区两个pcb板支架4及其上的两排电刷(l形片状金属电刷3)、总线板1、总线束8；高位柱状码轮5和低位柱状码轮7的码盘轴通过轴承连接在机架2上，在高位柱状码轮5和低位柱状码轮7之间的机架上有减速齿轮组6，高位柱状码轮5的输入轴通过减速齿轮组6与低位柱状码轮7的输入轴相连接；低位柱状码盘的输入轴与驱动电机连接；低位柱状码盘的输出轴10穿出机架2，露在机架2外面(可与待测物体连接)。

高位区两个pcb板支架(即第一pcb板支架4a、第二pcb板支架4b)同向相对设置在高位柱状码轮5的柱状码盘旁两侧；低位区两个pcb板支架(即第三pcb板支架4c、第四pcb板支架4d)同向相对设置在低位柱状码轮7的柱状码盘旁两侧。每个pcb板支架上设有可接收柱状码盘上的编码信号，并将编码信号转换成角度位移电信号的电路板，电路板上有编码器芯片(即传感器芯片)；每个电路板通过电信号线与编码器总线连接。在机架2的一端连接有总线板1，编码器总线通过总线板1转接总线束8。

如图2所示，所述的高位柱状码轮5和低位柱状码轮7均包括：码盘轴1-1、柱状码盘1-2、码盘导电体1-3和码盘绝缘体1-4；柱状码盘1-2的中心两端均有码盘轴1-1(其中，靠里侧一端为输入轴，靠外侧一端为输出轴)；柱状码盘1-2为一体结构，在柱状码盘1-2表面有按二进制格雷码(gray-codemethod格雷编码法、葛瑞编码法，或graycycliccode格雷循环码、葛瑞循环码)规律雕琢的导电体部分1-3，其余部分填充绝缘物，即其余为绝缘体部分1-4，最后经机械加工成柱状码盘。

亦即，在高位柱状码盘和低位柱状码盘的中心两端均有码盘轴(其中，靠里侧一端为输入轴，靠外侧一端为输出轴)；高位柱状码轮5包括高位柱状码盘及其码盘轴(输入轴、输出轴)；低位柱状码轮7包括低位柱状码盘及其码盘轴(输入轴、输出轴)；高位柱状码盘及其输入轴、输出轴为一体结构；低位柱状码盘及其输入轴、输出轴为一体结构；在高位柱状码盘和低位柱状码盘表面均设有按二进制格雷码编码规律雕琢的导电体部分，其余部分为填充绝缘物的绝缘体部分。

高位柱状码轮5与低位柱状码轮7的柱状码盘1-2的高度不同，亦即，高位柱状码盘与低位柱状码盘的高度不同。

如图1所示，在高位柱状码盘的外部两侧，同向相对设置有两个pcb板支架4(即第一pcb板支架4a、第二pcb板支架4b)，这两个pcb板支架固定安装在机架2上高位区；在高位区的两个pcb板支架(即第一pcb板支架4a、第二pcb板支架4b)上各设有一排(一组)l形片状金属电刷，这两排l形片状金属电刷同向相对设置(面对面)，交错排列；每个l形片状金属电刷，其尾端固定在高位区的pcb板支架上，其前端有两个l形刷头即弯钩形触头(接触导电头)；这两排l形片状金属电刷3的弯钩形触头分别搭接在高位柱状码盘上的金属导电体部分1-3和非金属绝缘体部分1-4；每一排多个l形片状金属电刷3的前端l形刷头与高位柱状码盘的搭接点位于同一条直线上。

如图1所示，在低位柱状码盘的外部两侧，也同向相对设置有两个pcb板支架4(即第三pcb板支架4c、第四pcb板支架4d)，这两个pcb板支架固定安装在机架2上低位区；在低位区的两个pcb板支架(即第三pcb板支架4c、第四pcb板支架4d)上各设有一排(一组)l形片状金属电刷，这两排l形片状金属电刷同向相对设置(面对面)，交错排列；每个l形片状金属电刷，其尾端固定在低位区的pcb板支架上，其前端有两个l形刷头即弯钩形触头(接触导电头)；这两排l形片状金属电刷的弯钩形触头分别搭接在低位柱状码盘上的金属导电体部分1-3和非金属绝缘体部分1-4；每一排多个l形片状金属电刷3的前端l形刷头与低位柱状码盘的搭接点位于同一条直线上。

如图3所示，所述的l形片状金属电刷3包括：l形刷头2-1、刷臂2-2和固定燕尾2-3；固定燕尾2-3处有u形凹槽2-4。l形刷头2-1通过刷臂2-2与固定燕尾2-3连接并构成一体；l形刷头2-1为并排的两根，每个l形刷头2-1的前端有一个弯钩形触头(接触导电头)。

如图4所示，所述的pcb板支架4(第一pcb板支架4a、第二pcb板支架4b、第三pcb板支架4c、第四pcb板支架4d)包括：支架固定孔3-1和电刷固定孔3-2；pcb板支架为台阶状，在低阶的平面上设有支架固定孔3-1，在高阶的平面上设有电刷固定孔3-2。l形片状金属电刷3的固定燕尾2-3通过螺丝固定在pcb板支架4上(亦即，通过将螺丝插入l形片状金属电刷3的固定燕尾2-3的u形凹槽2-4和pcb板支架4上的电刷固定孔3-2中并拧紧，可将l形片状金属电刷3固定在pcb板支架4上)。pcb板支架4通过支架固定孔3-1(用螺丝)固定连接在机架2上。

如图5所示，所述的减速齿轮组6包括：低位轴齿轮4-1、过渡齿轮4-2和高位齿轮4-3；在低位轴齿轮4-1与高位齿轮4-3之间设有过渡齿轮4-2；低位轴齿轮4-1与过渡齿轮4-2啮合，过渡齿轮4-2与高位齿轮4-3啮合，低位轴齿轮4-1通过过渡齿轮4-2与高位齿轮4-3连接。所述的减速齿轮组6的总速比为64:1。

如图1所示，低位轴齿轮4-1的轴与低位柱状码盘的输入轴(即低位柱状码轮7的码盘轴1-1)通过连接件(转接套9或轴套)固定连接，并位于同一轴线上；高位齿轮4-3的轴与高位柱状码盘的输入轴(即高位柱状码轮5的的码盘轴1-1)通过连接件(转接套9或轴套)固定连接，并位于同一轴线上。

本发明的工作原理如下：

高位柱状码轮5的柱状码盘(即高位柱状码盘)和低位柱状码轮7的柱状码盘(即低位柱状码盘)上，有按二进制格雷码编排的金属接触部分(即导电体部分1-3)和非金属接触部分(即绝缘体部分1-4)。l形片状金属电刷3前端有两个触头，并有弹性，搭接在柱状码盘上；l形片状金属电刷3后端用螺丝固定在pcb板支架4(即pcb板刷架)上；pcb板支架4用于固定l形片状金属电刷3尾端；l形片状金属电刷3用于传输柱状码盘上的编码信号；pcb板支架4上设有可接收柱状码盘上的编码信号，并将编码信号转换成角度位移电信号的电路板，电路板上有编码器芯片(即传感器芯片)。

工作时，电机驱动低位柱状码盘的输入轴转动，带动减速齿轮组6的低位轴齿轮4-1转动；低位轴齿轮4-1转动，带动过渡齿轮4-2转动；过渡齿轮4-2转动，再带动高位齿轮4-3转动；高位齿轮4-3转动，再带动高位柱状码轮5的输入轴转动；在电机驱动下，低位柱状码盘的输出轴与连接在其上的待测物体随着低位柱状码盘的输入轴一起转动；同时，高位柱状码盘和低位柱状码盘上编排的由金属接触部分(即导电体部分1-3)和非金属接触部分(即绝缘体部分1-4)组成的编码信号也跟随着码盘一起转动；高位区的l形片状金属电刷3将高位柱状码盘上的编码信号传输给高位区的pcb板支架4上的电路板及编码器芯片；低位区的l形片状金属电刷3将低位柱状码盘上的编码信号传输给低位区的pcb板支架4上的电路板及编码器芯片；由此，设置于pcb板支架4上的电路板及编码器芯片(即传感器芯片)可实时检测柱状码盘上的编码信号，并将编码信号转换成角度位移电信号，从而实现对待测物体的多圈角位移的测量。

高位区和低位区的每一排多个l形片状金属电刷3的前端l形刷头与柱状码盘的搭接点(即与码盘表面的导电区或非导电区接触的接触点)排列成一条直线，通过松动固定燕尾2-3与pcb板支架4紧固连接处的固定螺丝，可以对l形片状金属电刷3的前端l形刷头与柱状码盘的搭接点作位置调节。

高位柱状码轮5和低位柱状码轮7之间有总速比为64:1的连接齿轮组(即减速齿轮组6)，过渡齿轮的速比为8:1。亦即，高位柱状码盘与低位柱状码盘之间(即高位柱状码轮5的码盘轴与低位柱状码轮7的码盘轴之间)通过减速齿轮组6连接，总速比64:1，过渡齿轮速比8:1。连接齿轮组(即减速齿轮组6)的齿轮采用了两次啮合，经过两次反方向后，高位柱状码盘的输入轴(码盘轴)转向与低位柱状码盘的输入轴(码盘轴)转向为同方向。

本发明的柱状码盘接触式轴角多圈编码器，柱状码盘精度高，电刷片的触头位于同一条直线上，且位置可调节；高位柱状码盘、低位柱状码盘之间齿轮连接回差小，低位柱状码盘与高位柱状码盘转向相同，提高了编码器的可靠性。