本发明涉及混合式编码器领域，具体涉及一种混合式编码器的码盘及其设计方法。
背景技术：
随着“工业4.0”、“中国制造2025”的提出，工业机器人的需求与日俱增，其中平面关节型机械臂，因其具有的结构简单、重复精度高、动态响应快等优点，在机械加工、物品搬运、pcb焊接等领域拥有很大的市场需求。其中电机和驱控系统高度集成设计的方案，因电机、驱动器、编码器、减速机、电缆和机械构架高度集成在机械臂本体之中，不需要设计单独的控制柜，从而使整机占用的空间较小、成本也较低，较适合应用在对成本较敏感的点胶、码垛等场合。但采用该方案设计的机械臂，其关节专用伺服驱动系统需要提供更高响应、更高精度等的高端性能指标要求，其中关节位置信息的高精度检测是该驱动系统高性能控制得以实现的一个必备前提。而且事实上，在机械臂的初始上电时刻一般需要完成机械归零位操作，若不知道机械臂关节的初始位置而直接启动运行，可能会导致机械臂的工作不正常或工件损坏等后果；且机械臂关节专用伺服驱动系统往往采用位置、速度、电流的三环串行结构进行闭环控制，在机械臂的整个运行过程，关节定位驱动的速度和精度与闭环控制需要的关节位置信息的检测速度和精度密切相关，理论上位置信息的检测精度和速度越高，关节的定位精度和速度也就越高，但这个位置检测方法的设计会受到关节空间、重量、环境、成本等的限制。
目前，国内外学者对此已进行了部分研究；
如专利号：201511017711.0公开了一种增量式光电编码器精度检测系统，包括固定支架、直流电机、基准编码器、数据采集及控制电路、电机驱动电路和具有显示设备的计算机，直流电机带动基准编码器和被检增量式光电编码器同步转动。检测系统通过数据采集及控制电路采集基准编码器在被检增量式光电编码器输出的两个方波信号的各转换沿位置的角度数据，并将该角度数据按照预设要求计算得到被检增量式光电编码器正交性和均匀性，实现对被检增量式光电编码器的精度检测。由于，实现对被检增量式光电编码器的角位置误差的直接检测，避免了因电机转速不均匀或转速变化大而带来的检测误差。但机械臂的实际应用中，关节实时位置的检测精度与设计的编码器线数相关，理论上线数越高，位置检测的精度和成本也会越高，具体设计时需要对成本和精度进行综合考虑。
专利号：201510865997.1阐述了一种绝对式光电码盘及光电编码器，其特征是码盘上设有若干个同心码道，并按角度平均分为m个区，m>＝2，至少一个码道于各个区中被按照设定编码规则设置为不同精度的编码格栅，因此解决了传统的绝对式光电码盘体积大、分辨率低，不适于高精度测量、小空间安装使用需求的问题，在初始上电和整个运行过程中，编码器对关节的位置都有记忆功能，可以在任意时刻有效的获得关节的初始位置和实时运行位置信息。且检测的精度同样与编码器的设计精度相关，但同样的检测精度，采用绝对式方式设计的位置检测方法的成本相比采用增量式方式的会高出很多。而且这些高精度的绝对式编码器的体积一般较大，安装在机械臂关节减速器的后端，同样会受到机械臂关节空间和成本的限制，不适合应用在需要小型轻量化且对成本和空间较敏感的四轴scara机械臂上。
专利号：201310040970.x提供了一种绝对式磁旋转编码器，包括旋转轴，多个可随所述旋转轴旋转的转轮，与所述多个转轮一一对应的多个编码单元，和为所述多个编码单元提供磁场偏置的一个或多个永磁体组件。每个编码单元包括其上的结构设置可使其磁导率随相对于所述旋转轴的位置的不同而不同的导磁性编码器圆盘，和包括多个磁传感器的传感器单元。传感器单元用于感应导磁性编码器圆盘的导磁率，输出表征所述导磁性编码器圆盘相对位置的感应信号。根据所述传感器单元的感应信号，每个编码单元输出表征所对应转轮选定的旋转位置的数值，从而成本更低，结构更简单，精度更高。但磁编码器对软硬件及支撑机构的设计与装配，都有较高要求，且在运行过程中容易引入干扰，从而导致分辨率的降低，目前现有的技术还需要做些改进。
专利号：201210440651.3公开了一种使用灵活、范围广的一种机器视觉系统，其包括图像处理单元、图像采集单元、通信接口单元、人机界面单元、pc机控制单元，其结构要点图像处理单元分别与图像采集单元、通信接口单元、人机界面单元相连，pc机控制单元分别与通信接口单元、人机界面单元相连，采用机器视觉的方法对捕获的机械臂姿态进行图像处理与运算，从而获得机械臂的位置信息，采用这种方法可以获得一定精度的位置信息，但位置信息的检测精度与算法的运算精度和速度密切相关，一般需要较高的软硬件条件来支持，在scara机械臂关节的定位上应用比较困难，目前现有采用这种方法获得的位置信息，其响应速度和精度都较低，主要应用在机械臂组成的生产线上，用于主控系统获得机械臂关节末端加工对象位置或轮廓的定位或辨识。
综上，现今需要结合成本、精度及通用性对现有技术进行改进。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提出一种成本低、能够进行机械归零操作的混合式编码器的码盘及其设计方法。
为解决上述技术问题，本发明提出一种混合式编码器的码盘，包括外圈和内圈；
在外圈上设有lim条沿周向均匀分布的刻度线，在内圈上设置lin条index刻度线；
所述lin条index刻度线将码盘分割为lin个区域，每个区域对应外圈刻度线数均不相同。
为解决上述技术问题，本发明还提出一种混合式编码器的码盘的设计方法：
所述lin条index刻度线在内圈上按照以下规律进行分布：
设内圈第一条index刻度线对应的位置为机械零位，以机械零位起按顺时针方向依次对每个被index刻度线分割的区域进行编号；
设第一个奇数区域对应外圈的刻度线数为a，之后每个奇数区域沿着顺时针方向依次增加1条刻度线数(即，第n个奇数区域对应外圈的刻度线数为a+n-1)；
设第一个偶数区域对应外圈的刻度线数为b，之后每个偶数区域沿着顺时针方向依次减少1条刻度线数(即，第n个偶数区域对应外圈的刻度线数为b-n+1)；
所述a＝le+1，b＝le-1；
其中le＝lim/lin；
上述所有区域对应外圈的刻度线数之和为lim。
作为本发明混合式编码器的码盘的设计方法的改进：
设index(n)为内圈第n个index刻度线对应的码盘位置角度，每条index刻度线对应码盘位置角度计算公式如下：
当n等于奇数时：
index(n+2)＝index(n)+le2(1)
当n等于偶数时：
index(n)＝index(n-1)+le1+180n/lim(2)
式中，1≤n≤lin，
根据公式(1)和(2)得出每条index刻度线对应码盘位置角度值如表1所示：
表1、不同index对应码盘的角度值
其中，1≤n≤lin；
相邻两条index刻度线之间的脉冲差值及此时两条index刻度线各自对应外圈的角度值如表2所示：
表2、不同脉冲差值下两个index所在位置分别对应码盘的角度值
其中，δl表示脉冲差值，1≤n≤lin/2，le＝lim/lin。
与现有技术相比，本发明的技术优势在于：
本发明在具有低成本优势的普通增量式编码器上进行改进，设计了一种能够对机械臂进行机械归零位操作的混合式编码器的码盘，其成本低、检测精度高、还具有通用性。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1为本发明混合式编码器的码盘的刻度分布示意图；
图2为本发明实施例1中码盘的刻度分布示意图；
图3为图2中码盘进行机械归零位操作的原理图；
图4为图3中码盘寻找机械零位的运行模式示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1、混合式编码器的码盘，如图1-4所示，该码盘由外圈和内圈组成，具体设计方法如下：
定义lim为混合式编码器码盘的外圈刻度线数；lin为混合式编码器码盘的内圈index刻度线数；如图1所示index(1)为内圈第一条index刻度线对应的码盘位置角度，且其为机械零位位置，即index(1)＝0；index(n)为内圈第n条index刻度线对应的码盘位置角度。
其中，外圈上lim条刻度线沿周向均匀分布；内圈上lin条index刻度线则按照特定的规律进行分布，该特定规律为：
lin条index刻度线将码盘分割为lin个区域，每个区域对应外圈刻度线数都不相同，以机械零位起按顺时针方向依次对每个区域进行编号，本实施例中采用罗马数字进行标号，即，lin个区域分别为图1中i至lin所对应的区域。
设第一个奇数区域对应外圈的刻度线数为a(区域ⅰ对应外圈的刻度线数为a)，之后每个奇数区域沿着顺时针方向依次增加1条刻度线数，即，第n个奇数区域对应外圈的刻度线数为a+n-1(区域ⅲ对应外圈的刻度线数为a+1、区域ⅴ对应外圈的刻度线数为a+2，依次类推)。
同理，设第一个偶数区域对应外圈的刻度线数为b(区域ⅱ对应外圈的刻度线数为b)，之后每个偶数区域沿着顺时针方向依次减少1条刻度线数，即，第n个偶数区域对应外圈的刻度线数为b-n+1(区域ⅳ对应外圈的刻度线数为b-1、区域ⅵ对应外圈的刻度线数为b-2，依次类推)。
注：a＝le+1，b＝le-1；
其中，le＝lim/lin。
上述所有区域对应外圈的刻度线数之和即为lim。
本实施例中提供一种外圈由2000条均匀的刻度线组成，内圈由16条按照特定规律设计的index刻度线组成的码盘，该码盘的刻度布局示意图如图2所示。
内圈16条index刻度线分别命名为index1～index16，这16条index刻度线将码盘分成16个区域，从机械零位起沿顺时针方向按照罗马数字进行编号；如图2所示，罗马数字下的数据为该区域对应外圈的刻度线数，奇数区域i的刻度线数为126，之后奇数区域沿着顺时针方向依次增加1条刻度线数，至区域xv的133截止。偶数区域ii的刻度线数为124，之后偶数区域沿着顺时针方向依次减少1条刻度线数，至区域xvi的117截止。
为了便于分析，定义图2中机械零位顺时针旋转360°对应的角度为0-360°(其中0°和360°重合)，则每条index刻度线在码盘外圈上对应的角度值是唯一的，具体角度值如表3所示：
表3、不同index刻度线对应的码盘角度值
根据上述对内圈刻度线设计提出的特殊规律，相邻两条index刻度线之间的差值(即，脉冲差值)及此时两条index刻度线各自对应外圈的角度值也是唯一的，脉冲差值及其对应角度值如表4所示：
表4、不同脉冲差值、两条index位置分别对应的码盘角度值
基于该编码器的特殊设计方法，控制机械臂的关节按照一定角度一定速度一定方向运行，以满足在运行过程中产生并获取两个index，结合表4的数据经计算就可以方便的获得关节的当前位置并进行机械归零位操作。该角度可根据实际工作所需要的精度进行设计，即，该角度与减速机的减速比及机械臂的定位精度指标相关。
本文提出的码盘设计方案，其最大区域的刻度线数为133(如图2所示)，经计算对应的码盘角度大小约为24°，因此控制机械臂关节运行的角度至少在24度以上。
为了便于分析，根据图2所示的码盘布局图，本文设计了图3的初始位置检测原理框图，并定义如下变量：x0为机械臂初始上电时刻所在的初始位置，且此位置对应的码盘角度值为θ(x0)；firstindex为机械臂顺时针转动过程由混合式编码器反馈的第一条index；secondindex为机械臂逆时针转动过程由混合式编码器反馈的第一条index；xsn为机械臂运行的当前位置；xe为机械臂关节的机械零位，其对应的码盘角度值为0；l1为机械臂关节经过firstindex时混合式编码器反馈的脉冲数；l2为机械臂关节经过secondindex时混合式编码器反馈的脉冲数，δl为l2与l1之间的脉冲差值；θ(xsn)为当前位置xsn与机械零位xe之间的码盘角度值；θ(x0)初始位置x0与机械零位xe之间的码盘角度值。基于此，下面对初始位置检测的具体实现方法进行阐述。
在初始上电时，机械臂关节所在的初始位置是任意的，为了使机械臂关节进行机械归零，首先需获取当前位置所对应的码盘角度。本文根据前面的检测原理分析及变量定义，提出了如图4所示的机械零位寻找运行模式，其具体操作方式如下：
首先，主控制器发送机械臂顺时针转动25°(即，超过最大区域所所对应的码盘角度)码盘角度的指令给驱动器，带动机械臂关节顺时针运行，当驱动器捕捉到firstindex时，机械臂关节立马停止运行，记录此时混合式编码器的反馈脉冲数l1；然后，主控制器发送机械臂逆时针转动25°码盘角度的指令给驱动器，带动机械臂关节逆时针方向运行，当驱动器捕捉到secondindex时，机械臂停止运行，记录此时对应的混合式编码器的反馈脉冲数l2，从而获取脉冲差值δl，并定义此时所在位置为当前位置xsn。
基于此，机械臂关节的当前位置对应码盘的角度就可以由这些反馈数据，根据公式(3)计算而得。
θ(xsn)＝θ2(δl)(3)
其中，θ2(δl)代表表4中，与δl相对应的secondindex位置的码盘角度值。
当机械臂关节获得当前位置角度后，就可以进行机械归零位操作，具体操作时，主控制器发送转动角度为θ(xsn)的运行指令给驱动器，驱动器带动机械臂关节运行到机械零位xe停机，并将此时混合式编码器反馈的脉冲数复位清零。
本发明所设计的混合式编码器的码盘中index(n)对应的码盘位置角度计算公式如下：
当n等于奇数时：
index(n+2)＝index(n)+le2(1)
当n等于偶数时：
index(n)＝index(n-1)+le1+180n/lim(2)
式中，1≤n≤lin，
根据公式(1)和(2)，可获得不同index对应码盘的通用角度值，具体角度值如上述表1所示，不同脉冲差值下两条index所在位置分别对应码盘的通用角度值如上述表2所示。
基于此，计算最小运行角度，即，最大区域所对应的角度值，即最大脉冲差值为le+n(n＝lin/2)时firstindex与secondindex的角度差值，从而得出最小运行角度为(le1+180/le)，结合提出的机械零位寻找运行模式，对机械臂关节进行操作，并按照上述的公式(1)计算可得机械臂关节的当前位置，并基于此进行机械归零位操作使得机械臂关节移动至机械零位位置。
综上，本发明对普通增量式码盘的基础上进行改进(普通增量式码盘内圈仅有一条刻度线)，与现有的增量式码盘比，该发明能以较小的摆动幅度使机械臂关节进行机械归零位操作。与现有的绝对式编码器比，该发明的成本大大降低。与通过机械视觉进行定位的方法相比，本发明结构简单、响应速度快、精度高。在使用过程中，可按照本发明提出的设计方法针对实际工作的需要对码盘内圈、外圈的刻度线进行设计，使其达到所需精确度，且所设计的码盘无需指定大小，对其硬软件定条件无更多的要求，从而证明本发明具有通用性。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。