专利名称：大口径旋转编码器的制作方法
技术领域：
本发明涉及编码器，特别是一种大口径旋转编码器，它适合任何外形和尺寸旋转部件的旋转角度测量，特别适合作为一种大口径、高精度的位置传感器。
背景技术：
在许多机电系统中，都应用了旋转运动，如轮盘，晶片处理，机床旋转轴，角度测试仪等等。由于在传动过程中会引入机械振动和噪声，这些都会影响到整个系统的精度，因此通常使用旋转编码器作为位置传感器，通过位置闭环引入旋转位置的反馈信息，不断修正被控量和输入量之间的偏差来提高系统精度。
光学编码器因其简单的构造成为一种最常用的位置传感器之一，主要有增量式和绝对式两种。增量式光学编码器的主要原理简述如下读数头底部发出的光，倾斜照在金属光栅标尺的刻线上，经刻线反射后进入读数头底部窗口，照射在光电探测器阵列上，光电探测器将光信号转化为多相电流。这些电流经过预放大后，由模拟整合电路转化为一对相位相差90°的正余弦电流。由细分电路进一步细分后产生一对相差1/4周期的脉冲信号。利用计数器对脉冲信号进行计数，再由相关软件将脉冲数换算成移动距离。该两路脉冲信号的相差保证了运动方向的检测。
在旋转型编码器尚未被开发之前，生产直线型编码器的厂商通常使用金属光栅标尺环绕粘贴的方法帮助用户解决角度测量的问题。安装示意图见图1。在手工粘贴金属光栅尺时不可避免的会产生接缝，读数头在接缝处无脉冲信号输出，最终会在整个圆周的测量中产生一段无法测量的“盲区”。
后来，厂商设计出圆形编码器，并形成了光栅标尺、读数头、以及参考标记和限位开关等一系列部件的成套产品，用以解决手工操作带来的接缝问题。但是对于直径大于400mm的大口径旋转编码器，国内外市场中尚无圆形编码器产品。只能采用早期环绕粘贴的方法，但对于一些高精度，尤其是需要测量连续旋转的情况而言，读数“盲区”所带来的误差是不能接受的。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明利用市场上常见的直线型编码器产品设计了一种大口径旋转编码器，它不但应保证在整个圆周范围内的连续测量，克服了上述的测量“盲区”，解决了大口径旋转编码器的应用问题。并且适用于各种外形和各种尺寸的旋转部件的测量，具有精度高，应用灵活，操作简单，造价低的特点。
本发明的技术解决方案如下1、一种大口径旋转编码器，包括光栅标尺、第一读数头、第二读数头和零点标记，其特征在于该旋转编码器的构成是一与待测的旋转部件尺寸相匹配的装配环，在该装配环)的外侧大于180°的圆周范围粘贴所述的光栅标尺，在该光栅标尺的一端将所述的零点标记安装在该装配环上，第一读数头和第二读数头关于该装配环相对地安装在固定部件上，所述的第一读数头和第二读数头的输出端经或门处理电路再接计数器。
所述的或门处理电路的作用是首先利用第一读数头和第二读数头的清零信号Va0、Vb0以及加计数信号+、减计数信号-，对第一读数头的一对脉冲信号Va1、Va2和第二读数头的另一对脉冲信号Vb1、Vb2进行选择，然后分别取或，得到最终的一对脉冲信号V1和V2。
本发明的技术效果和优点1、本发明对待测的旋转部件的口径大小不受限制，只要根据旋转部件的口径选择光栅标尺的长度即可2、由于本发明的或门处理电路的设计，不但保证在整个圆周范围内的连续测量，克服了现有技术的测量“盲区”；3、经试用证明，本发明解决了大口径旋转编码器的应用问题。并且适用于各种外形和各种尺寸的旋转部件的测量，具有精度高，应用灵活，操作简单，造价低的特点。
图1为已有大口径旋转编码器的安装示意图。
图2为已有技术可能造成的脉冲错位情况。
图3为已有技术可能造成的脉冲重叠情况。
图4为本发明大口径旋转编码器的正视图。
图5为本发明大口径旋转编码器的俯视图。
图6为旋转编码器中或门电路的逻辑电路图。
图中1-装配环；2-光栅标尺；3-第一读数头；4-第二读数头；5-安装接缝；6-安装第一读数头的固定部件；7-安装第二读数头的固定部件；8-零点标记；9-或门处理电路；10-计数器；11-用户终端；12-第一JK触发器；13-第二JK触发器；14-第三JK触发器；15-第四JK触发器。
具体实施例方式
下面就结合图和一种具体实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图4和图5，由图可见，本发明大口径旋转编码器，包括光栅标尺2、第一读数头3、第二读数头4和零点标记8，其特征在于该旋转编码器的构成是一与待测的旋转部件尺寸相匹配的装配环1，在该装配环1的外侧大于180°的圆周范围粘贴所述的光栅标尺2，在该光栅标尺2的一端将所述的零点标记8安装在该装配环1上，第一读数头3和第二读数头4关于该装配环1相对地安装在固定部件上，所述的第一读数头3和第二读数头4的输出端经或门处理电路9再接计数器10。
本发明主要构思阐述如下1、安装方法制作一个内孔与待测旋转部件的外型相匹配的装配环1。将光栅标尺2环绕装配环1外侧粘贴180°范围。第一读数头3，第二读数头4相对180°分别安装在固定部件上6、7上，也可根据实际情况将两个读数头安装在同一固定部件上。以测量圆柱型旋转轴为例，光栅标尺2、第一读数头3第二读数头4和零点标记8的安装示意图见图4和图5。将装配环1安装在旋转部件的外侧，在旋转部件运动时，第一读数头3、第二读数头4和光栅标尺2之间作相对运动，产生两组脉冲信号Va1、Va2和Vb1、Vb2。在旋转部件运动时，第一读数头3、第二读数头4在粘有光栅标尺2的180°范围内交替循环工作，通过或门处理电路9对两组脉冲信号Va1、Va2和Vb1、Vb2进行合并，得到最终测量结果的一对脉冲信号V1和V2。将脉冲信号V1和V2接至脉冲计数器10，由脉冲计数器10对这对脉冲的个数进行计数。脉冲计数器10输出的计数脉冲信号JSCP接至用户终端11，由配套软件转换得到待测部件的旋转参数，包括旋转方向和旋转角度。
2、或门处理电路由于光栅标尺2的长度不可能保证恰是其节距的整数倍，因此当第一读数头3进入光栅标尺2部分时，会和第二读数头4会造成或门结果有两种误差重叠和错位。重叠情况和错位情况分别如图2、图3所示。两列脉冲的重叠会造成或门的脉冲信号脉宽增大，在处理电路可以识辨的脉宽范围内，重叠情况是可以允许的。但错位现象是严重的，会造成倍频脉冲的现象，带来很大的读数误差。
第一读数头3和第二读数头4开始运动后，就会由脉冲计数器10产生的一对互补的方向信号加计数信号“+”和减计数信号标记“-”。在第一读数头3或第二读数头4经过零点标记8时，会在其内部感应产生相应的清零信号Va0和Vb0。本发明的或门处理电路9利用了上述的方向信号+、-和清零信号Va0、Vb0，对两个读数头输出的两组脉冲信号Va1、Va2和Vb1、Vb2进行选择。在一个读数头开始工作后，仅对这个读数头输出的脉冲进行计数，而锁死另一个读数头输出的脉冲，这样就始终保持只对一个读数头输出的脉冲进行计数。经过这样的选择后的脉冲V1和V2再送至计数器11进行计数，就不会造成上述两种错误。
或门处理电路9的逻辑电路图见图6。整个逻辑电路按其功能可以分为两部分首先利用两读数头的清零信号Va0、Vb0以及加计数信号+、减计数信号-，对第一读数头3的一对脉冲信号Va1、Va2和第二读数头4的另一对脉冲信号Vb1、Vb2进行选择，然后分别取或，得到最终的一对脉冲信号V1和V2。
电路具体构成说明如下第一读数头3和第二读数头4的清零信号Va0和Vb0分别与加计数信号+作为输入接至两个与门，两个与门的输出信号为D1和D2。D1作为第一JK12触发器的J触发信号，D2作为K触发信号，并将Vb0通过非门取非后作为第一JK触发器12的时钟脉冲信号，得到第一JK触发器的输出信号为D1′。类似的，D2作为第二JK触发器13的J触发信号，D1作为K触发信号，并将Va0取非后作为触发器的时钟脉冲信号，得到第二JK触发器的输出信号为D2′。将第一读数头的脉冲信号Vb1和Vb2与D1′经或门取或后得Va1′和Va2′。同样的，第二读数头(4)的脉冲信号Vb1和Vb2分别与D2′经或门取或后得Vb1′和Vb2′。将上述脉冲信号处理过程中的加计数信号+换作减计数信号-构成图6的下半部分电路，得到Va1″和Va2″、Vb1″和Vb2″。将选择后的信号Va1′、Vb1′、Va1″、Vb1″和Va2′、Vb2′、Va2″、Vb2″分别接至两个或门，得到最终的一组脉冲信号V1和V2。
以光栅标尺2顺时针旋转，第一读数头3和第二读数头4相对逆时针旋转为例，将或门处理电路9工作过程描述如下光栅标尺2顺时针旋转时，加计数信号“+”为高电平，减计数信号“-”为低电平。Va0、Vb0分别与减计数信号经或门产生的D3、D4均为低电平。D3作为第三触发器14J信号的同时也是第四JK触发器的K信号，D4作为第四触发器14J信号的同时也是第三JK触发器14的K信号，由JK触发器的原理可知第三JK触发器14和第四JK触发器15均被锁死，处于工作状态下的只有第一JK触发器12和第二JK触发器13。若第一读数头3经过零点标记8进入粘贴光栅标尺2的范围，则其清零信号Va0为高电平，与加计数信号经与门产生的信号D2也为高电平，而第二读数头的清零信号Vb0为低电平，它与加计数信号经与门产生的信号D1为低电平。与此同时，加计数信号取非后产生一个下降沿输入至JK触发器的时钟信号端，在这个下降沿的触发下，第二JK触发器13的输出信号D2′为高电平，而第一JK触发器12的输出信号D1′为低电平。第一读数头3产生的一组脉冲信号Va1和Va2与D1′取与后得到的Va1′和Va2′，即是Va1和Va2，而Vb1和Vb2分别与D2′取或后得到的Vb1′和Vb2′均为低电平，无脉冲输出，因此最终得到的一对脉冲信号V1和V2就是第一读数头3的一对脉冲信号Va1和Va2，即对第一读数头3输出的脉冲计数。
由上述过程可知，在光栅标尺2顺时针的运动时Va0信号作为第一读数头3输出脉冲Va1和Va2，的开信号和第二读数头输出脉冲Vb1和Vb2的关信号，同理可知Vb0信号作为第二读数头4输出脉冲Vb1和Vb2的开信号和第一读数头3输出脉冲Va1和Va2的关信号。对应实际旋转情况即为，在光栅标尺2顺时针旋转时，在第一读数头3进入粘贴光栅标尺2的范围后，对其脉冲信号Va1和Va2计数，在第二读数头4进入光栅标尺2后使用它的脉冲信号Vb1和Vb2。在光栅标尺2逆时针旋转时，恰好相反Va0为第一读数头3的关信号和第二读数头4的开信号，Vb0为第二读数头4的开信号和第一读数头3的关信号。综合可知，该或门处理电路9实现了“谁进入光栅标尺，对谁计数”。
整个逻辑电路的真值表如表1。
表1
选用英国Renishaw公司RGH22型号的增量式直线编码器，主要包括RGH20S型号的金属光栅标尺，RGH22Z型号读数头，以及参考标记和限位开关，还有一系列安装辅助工具。
参看图4所示的安装方法，制作一个与旋转部件尺寸相匹配的装配环(1)，在其外侧粘贴金属光栅标尺2，由于第一读数头3和第二读数头4自身有一定的长度，为了保证360°的读数范围，光栅标尺2应覆盖略大于180°的圆周范围。在光栅标尺2一端，将一个零点标记8安装在装配环1上。然后将第一读数头3、第二读数头4沿装配环1的直径方向相对180°安装在固定部件6、7上，和光栅标尺2之间的间隔为0.8mm。最后，从第一读数头3或第二读数头4中将清零信号Va0、Vb0以及计数电路产生的方向信号“+”、“-”引入到或门处理电路9。
以装配环1逆时针旋转、第一读数头3和第二读数头4相对顺时针旋转为例说明两个读数头是如何配合工作的。表示读数头旋转方向的加计数信号为高电平，减计数信号为低电平。假设第一读数头3和第二读数头4的初始位置为图3所示的位置偏左20°。在第一读数头3旋转到光栅标尺2的这20°范围，第二读数头4工作计数。在第一读数头即将旋转到光栅标尺2部分时，零点标记8在其内部感应生成清零信号Va0升为高电平。如真值表所示，Va0的上升沿关闭了第二读数头4的触发器和与门，同时打开第一读数头4的触发器和与门。这样，就避免了两个读数头在交接处的小范围内同时出现有脉冲输出的情况。第一读数头3进入光栅标尺2后，接下来的180°范围就通过对第一读数头3输出的脉冲计数。
在第一读数头3即将离开光栅标尺2时，第二读数头4经过零点标记8，该零点标记8产生的清零信号Vb0升为高电平。同样的，Vb0打开第二读数头4的触发器和与门，同时关闭第一触发器3的和与门，以解决同时输出脉冲问题。接下来的180°范围对第二读数头4输出的脉冲进行计数。
第一读数头3、第二读数头4如上述过程交替循环工作，即实现了对整个圆周范围的角度测量。对于其他初始位置和在运动过程中反向的情况，同理可以实现测量，在此不再赘述。
经试用证明，本发明解决了大口径旋转编码器的应用问题。并且适用于各种外形和各种尺寸的旋转部件的测量，具有精度高，应用灵活，操作简单，造价低的特点。
权利要求
1.一种大口径旋转编码器，包括光栅标尺(2)、第一读数头(3)、第二读数头(4)和零点标记(8)，其特征在于该旋转编码器的构成是一与待测的旋转部件尺寸相匹配的装配环(1)，在该装配环(1)的外侧大于180°的圆周范围粘贴所述的光栅标尺(2)，在该光栅标尺(2)的一端将所述的零点标记(8)安装在该装配环(1)上，第一读数头(3)和第二读数头(4)关于该装配环(1)相对地安装在固定部件上，所述的第一读数头(3)和第二读数头(4)的输出端经或门处理电路(9)再接计数器(10)。
2.根据权利要求1所述的基于直线光栅尺的大口径旋转编码器，其特征在于所述的或门处理电路(9)的作用是首先利用第一读数头(3)和第二读数头(4)的清零信号Va0、Vb0以及加计数信号+、减计数信号-，对第一读数头(3)的一对脉冲信号Va1、Va2和第二读数头(4)的另一对脉冲信号Vb1、Vb2进行选择，然后分别取或，得到最终的一对脉冲信号V1和V2。
全文摘要
一种大口径旋转编码器，其构成是一与待测的旋转部件尺寸相匹配的装配环，在该装配环的外侧大于180°的圆周范围粘贴所述的光栅标尺，在该光栅标尺的一端将所述的零点标记安装在该装配环上，第一读数头和第二读数头关于该装配环相对地安装在固定部件上，所述的第一读数头和第二读数头的输出端经或门处理电路再接计数器。经试用证明，本发明解决了大口径旋转编码器的应用问题。并且适用于各种外形和各种尺寸的旋转部件的测量，具有精度高，应用灵活，操作简单，造价低的特点。
文档编号G01D5/245GK1603756SQ20041008427
公开日2005年4月6日 申请日期2004年11月17日 优先权日2004年11月17日
发明者许楠, 孙建锋, 刘立人, 沈潜德 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所