专利名称：绝对式编码器的单道编码方法和编码器的制作方法
技术领域：
本发明涉及绝对式编码器的单道编码方法和编码器。
背景技术：
位置编码器是测量位置和位移的传感器。按被测量可分为直线编码器和轴角编码器。分别测量长度和角度地几何量。编码器又有增量式和绝对式之分。增量式的编码器多以光栅为核心，把位移量变为电脉冲。位移产生时，则产生脉冲序列。用可逆计数器累计脉冲个数。切换计数器的加减方式，表示不同方向的位移。计数器的累计结果可换算成位移量。增量式编码器响应迅速、结构简单、易小型化。由于其相对测量的方式，初上电时不能获得绝对基准位置。因而一旦测量中途掉电则会丢失测量数据。另外干扰脉冲产生的误差也无法剔除。绝对式编码器的核心是编码盘。它是将位置信息以二进制编码的形式刻制在编码盘上，因而其输出是一个表示唯一几何量的代码。码盘上有多条码道，每条码道表示二进制编码的某一位。码盘的分辨力取决于最外道上刻线的条数。条数越多则分辨力越高。码盘的编码范围取决于码道的多少。码道多者，码盘的编码范围就大。从而编码器的测量范围也大。由于码盘的多码道结构，使得码盘的制造变得复杂。首先码道上的编码图像必须制造得十分精确，特别是高位码道。另外码道与码道之间的位置关系也有非常严格的要求。码道越多，码盘的几何尺寸也就越大，最终导致使用的不方便。绝对式编码器的最终问题是在于如何进行位置信息的编码，使码道尽量地少。与增量式编码器相比它具有零点固定、抗干扰能力强、不怕掉电等优点。其缺点是制造工艺复杂、不易小型化。尽管从理论上说，绝对式的编码器比增量式有诸多优点，但由于制造上的困难使得绝对式编码器远没有增量式编码器应用得普遍。
由于多码道的问题，将位置编码直接制作在编码尺上是很困难的。主要因为高位码道上的编码图象要做得很长。如1米的编码尺，其最高位码道上的编码图象要有半米长。所以，直线编码器一般有两种，一是以光栅尺为核心，也是一种增量式的编码器，所谓绝对式直线编码器则是用丝杆将直线的距离转变为角度的变化，再用多圈的编码盘进行计量。但后者由于多一个机械转换，则使精度降低。而且也并非真正意义的直线编码。
发明内容
本发明的目的是研制一种采用位移连续编码的绝对式编码器的单道编码方法和编码器。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下
绝对式编码器的单道编码方法采用一种位数相等的且由0/1组成的位移连续编码，在位移连续编码集合中编码之间存在顺序关系，即除第一个编码外每一个编码都有一个前趋编码，或除最后一个编码外每一个编码都有一个后继编码，任何一个n位编码的高n-1位都与其前趋编码中低n-1位相同，在同一编码集合内不存在相同的编码，构造编码的具体步骤如下
(1)任取一个由0、1组成的n位编码为所求编码序列的第一个编码，并将当前编码计入编码序列；
(2)检测编码序列中的编码个数，如果已达到2n个编码则结束编码工作；
(3)去掉当前编码序列的最高位，并在其最低位之后补0；
(4)以此编码作为新的当前编码计入编码序列；
(5)检查编码序列中是否存在相同的编码，如果没有，转第2步；
(6)将当前编码的最低位改为1；
(7)检查编码序列中是否存在相同的编码，如果没有，转第2步；
(8)删除当前编码，将编码序列的最后一个编码作为当前编码；
(9)测试当前编码的末位是否为0；是则转第6步，否则转第8步。
2.本发明采用的一种绝对式编码器的单道编码方法的编码器，它包括
(1)直线编码尺，沿直线编码尺轴线方向刻有表示长度的刻线，刻线形状为直线，刻线的轴线与直线编码尺的轴线垂直且相邻刻线间距相等或不相等；
(2)光电读数头，光电读数头包括CCD电荷耦合器件与平行光源两部分，分别位于直线编码尺两侧，平行光源将刻线影像投射于CCD之上；
3.本发明采用的另一种绝对式编码器的单道编码方法的编码器，它包括
(1)分度编码盘(12)，在分度编码盘表面上沿圆周方向刻有表示角度的刻线(8)，刻线(8)形状为渐开线，该渐开线的基圆与分度编码盘的回转中心同心，相邻刻线间公法线长度相等或不相等；
(2)光电读数头，光电读数头包括CCD电荷耦合器件(11)与平行光源两部分，分别位于分度编码盘两侧，平行光源将刻线影像投射于CCD之上。CCD电荷耦合器件的光敏单元沿刻线(8)公法线方向排列。
照明系统将刻线影像投影到CCD器件上，CCD就获得一幅编码图像。经过光电转换和计算处理，系统就可识别编码的数值。进而获得这个编码的位置信息。
本发明具有的有益效果是
由于采用单道编码方法不用考虑码道间的相互关系，使得编码尺和编码盘的刻制精度要求大大降低，采用同样刻制精度的单道编码尺(编码盘)，可使单道编码器比多道编码器精度要高得多。另外多道编码实际上无法用于较长距离(超过1米)的直线编码器上，单道编码可轻易实现。单道编码器保持了多道编码器的所有优点外，它工艺简单，易小型化。可替代目前广泛使用的各种增量式和绝对式编码器。
图1是本发明的编码方法流程图2是本发明的编码器结构原理示意图3是本发明的另一种编码器结构原理示意图。
具体实施例方式
如图1所示，是本发明的编码方法流程图。它采用一种位数相等的且由0/1组成的位移连续编码，在位移连续编码集合中编码之间存在顺序关系，即除第一个编码外每一个编码都有一个前趋编码，或除最后一个编码外每一个编码都有一个后继编码，任何一个n位编码的高n-1位都与其前趋编码中低n-1位相同，在同一编码集合内不存在相同的编码，构造编码的具体步骤如下
(1)任取一个由0、1组成的n位编码为所求编码序列的第一个编码，并将当前编码计入编码序列；
(2)检测编码序列中的编码个数，如果已达到2n个编码则结束编码工作；
(3)去掉当前编码序列的最高位，并在其最低位之后补0；
(4)以此编码作为新的当前编码计入编码序列；
(5)检查编码序列中是否存在相同的编码，如果没有，转第2步；
(6)将当前编码的最低位改为1；
(7)检查编码序列中是否存在相同的编码，如果没有，转第2步；
(8)删除当前编码，将编码序列的最后一个编码作为当前编码；
(9)测试当前编码的末位是否为0；是则转第6步，否则转第8步。
使用上述编码方法，可产生最大编码的序列，即编码序列中的编码个数可达2n。
如图2(a)、图2(b)所示，是本发明的编码器结构原理示意图。它包括以下两个部件
(1)直线编码尺1，沿直线编码尺1轴线方向刻有表示长度的刻线6，刻线6形状为直线，刻线6的轴线与直线编码尺1的轴线垂直且相邻刻线间距相等或不相等；
(2)光电读数头，光电读数头包括CCD电荷耦合器件2与平行光源两部分，分别位于直线编码尺1两侧，平行光源将刻线影像投射于CCD之上。
图2(b)中5为编码位，图2(c)中7为编码含义。
如图3所示，是本发明的另一种编码器结构原理示意图。它包括以下两个部件
(1)分度编码盘12，在分度编码盘表面上沿圆周方向刻有表示角度的刻线8，刻线8形状为渐开线，该渐开线的基圆与分度编码盘的回转中心同心，相邻刻线间公法线长度相等或不相等；
(2)光电读数头，光电读数头包括CCD电荷耦合器件11与平行光源两部分，分别位于分度编码盘两侧，平行光源将刻线影像投射于CCD之上。CCD电荷耦合器件的光敏单元沿刻线8公法线方向排列。
渐开线距离转盘圆心最近的点称为渐开线的根；开线距离转盘圆心最远的点称为渐开线的顶。
CCD的感光单元在编码转盘渐开线的法线方向上依次排列。光学系统将渐开线的影像放大并投射到CCD的感光单元上。光编码盘转动时，渐开线影像沿CCD感光单元的排列方向平移。若以CCD感光单元间距为测量单位，测量这个交点的位移量，就可求得编码转盘的偏转角。一条渐开线所能表示的偏转角范围是很小的，必须在编码盘360°圆周范围内所有相应的位置上都刻有渐开线，才能测量任意的偏转角度。
图中9为编码含义，10为编码位置。
现以一个4位编码的实例进一步说明编码方法(n＝4)
1.按上述方法的第1步取4个0作为编码序列的第一个编码，将0000计入编码序列表1，并将其作为当前编码。
2.按上述方法第2步检测得知编码个数＜16，继续编码。
3.执行上述方法第3、4步得表2。表中最后的编码为当前编码。出现重码0000。
4.执行上述方法第5、6步，将当前编码最低位由0改为1，得表3。
5.执行上述方法第7步。无重码，转上述方法第2步。
6.连续执行上述方法第2、3、4、5、步4次得表4。出现重码0000。
7.执行上述方法第6步，得表5。
8.执行上述方法第7步，出现重码0001。
9.执行上述方法第8步，删除当前编码0001，将1000作为当前编码，得表6。
10.执行上述方法第9步，因当前编码最低位为0，转上述方法第6步。
11.执行上述方法第6步，得表7。
12.执行上述方法第7步，转上述方法第2步。
13.执行上述方法第2、3、4步得表8。
14.执行上述方法第5、6步得表9。
15.执行上述方法第7步，转上述方法第2步。
16.连续执行上述方法第2、3、4、5步4次，得表10。出现重码0000。
17.执行上述方法第6步得表11。
18.执行上述方法第7步，出现重码0001。
19.执行上述方法第8步得表12。
20.执行上述方法第9步后转上述方法第6步。
21.执行上述方法第6步得表13。
22.执行上述方法第7步，出现重码0001。
23.执行上述方法第8步得表14。
24.执行上述方法第9步后转执行上述方法第6步。
25.执行上述方法第6步，得表1 5。
26.执行上述方法第7步后转执行上述方法第2步。
27.连续执行上述方法第2、3、4、5步2次得表16。出现重码0100。
28.执行上述方法第6步得表17。
29.执行上述方法第7步后转执行上述方法第2步。
30.连续执行上述方法第2、3、4、5步得表17，出现重码1010。
31.执行上述方法第6步得表19。
32.上述方法第7步后转执行上述方法第2步。
33.连续执行上述方法第2、3、4、5步得表20。出现重码0110
34.执行上述方法第6步得表21。
35.执行上述方法第7步后转执行上述方法第2步。
36.连续执行上述方法第2、3、4、5步4次得表22，出现重码0000。
37.执行上述方法第6步得表23。
38.执行上述方法第7步，出现重码0001。
39.执行上述方法第8步得表24。
40.执行上述方法第9步后转执行上述方法第6步。
41.执行上述方法第6步得表25。
42.执行上述方法第7步，出现重码1001。
43.执行上述方法第8步得表26。
44.执行上述方法第9步后转执行上述方法第6步。
45.执行上述方法第6步得表27。
46.执行上述方法第7步，出现重码1101。
47.执行上述方法第8步得表28。
48.执行上述方法第9步后转执行上述方法第6步。
49.执行上述方法第6步得表29。
50.执行上述方法第7步后转执行上述方法第2步
51.连续执行上述方法第2、3、4、5、步3次得表30。此时编码个数已达16，编码结束。
将表30中的16个编码重叠排列，就可得到下述编码形式
0000100110101111000表1 表2 表3 表4 表5表6 表7 表8 表9 表10表11 表12 表13 表14表15表16 表17 表18 表19表20表21表22 表23 表24表25表26 表27表28 表29 表30
权利要求
1.绝对式编码器的单道编码方法，其特征在于采用一种位数相等的且由0/1组成的位移连续编码，在位移连续编码集合中编码之间存在顺序关系，即除第一个编码外每一个编码都有一个前趋编码，或除最后一个编码外每一个编码都有一个后继编码，任何一个n位编码的高n-1位都与其前趋编码中低n-1位相同，在同一编码集合内不存在相同的编码，构造编码的具体步骤如下
(1)任取一个由0、1组成的n位编码为所求编码序列的第一个编码，并将当前编码计入编码序列；
(2)检测编码序列中的编码个数，如果已达到2n个编码则结束编码工作；
(3)去掉当前编码序列的最高位，并在其最低位之后补0；
(4)以此编码作为新的当前编码计入编码序列；
(5)检查编码序列中是否存在相同的编码，如果没有，转第2步；
(6)将当前编码的最低位改为1；
(7)检查编码序列中是否存在相同的编码，如果没有，转第2步；
(8)删除当前编码，将编码序列的最后一个编码作为当前编码；
(9)测试当前编码的末位是否为0；是则转第6步，否则转第8步。
2.根据权利要求1所述的绝对式编码器的单道编码方法的编码器，其特征包括
(1)直线编码尺(1)，沿直线编码尺(1)轴线方向刻有表示长度的刻线(6)，刻线(6)形状为直线，刻线(6)的轴线与直线编码尺(1)的轴线垂直且相邻刻线间距相等或不相等；
(2)光电读数头，光电读数头包括CCD电荷耦合器件(2)与平行光源两部分，分别位于直线编码尺(1)两侧，平行光源将刻线影像投射于CCD之上。
3.根据权利要求1所述的绝对式编码器的单道编码方法的编码器，其特征包括
(1)分度编码盘(12)，在分度编码盘表面上沿圆周方向刻有表示角度的刻线(8)，刻线(8)形状为渐开线，该渐开线的基圆与分度编码盘的回转中心同心，相邻刻线间公法线长度相等或不相等；
(2)光电读数头，光电读数头包括CCD电荷耦合器件(11)与平行光源两部分，分别位于分度编码盘两侧，平行光源将刻线影像投射于CCD之上。CCD电荷耦合器件的光敏单元沿刻线(8)公法线方向排列。
全文摘要
本发明公开了一种绝对式编码器的单道编码方法和编码器。采用一种位数相等的且由0/1组成的位移连续编码，在位移连续编码集合中编码之间存在顺序关系，即除第一个编码外每一个编码都有一个前趋编码，或除最后一个编码外每一个编码都有一个后继编码，任何一个n位编码的高n－1位都与其前趋编码中低n－1位相同，在同一编码集合内不存在相同的编码，用上述方法可制成直线编码器和轴角编码器。本发明使编码尺和编码盘的刻制工艺大大简化，从而使编码器的制造工艺也大大简化。并保持了绝对编码器的所有优点，易小型化，可替代目前广泛使用的各种增量式和绝对式编码器。
文档编号G01B11/00GK1420635SQ0215307
公开日2003年5月28日 申请日期2002年12月3日 优先权日2002年12月3日
发明者郑洪 申请人:浙江大学