CN101975592A - 空心轴重载旋变编码器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种空心轴重载旋变编码器，属于工业检测技术领域。主要包括编码器轴套、锁紧环、旋转变压器、旋变转子、旋变定子、旋变机座、旋变机盖、RD接线盒、智能R/D解码器电路板、输出接插件、胀套和机座轴承盖，所述的旋变转子通过胀套安装在编码器轴套上，旋变定子被旋变机座和旋变机盖固定在旋变机座内部，编码器轴套套在旋变编码器绝缘适配轴上，用锁紧环锁紧编码器轴套，RD接线盒连接在旋变机盖和旋变机座上，或者仅与旋变机座固接，RD接线盒内部装有智能R/D解码电路板，外部装有输出接插件。本发明结构简单、便于安装，宽应用范围，在同时需要高可靠性高精度的位置、速度反馈系统中会明显优于光电编码器。

Description

空心轴重载旋变编码器

技术领域

本发明涉及工业检测技术领域，确切地说，是指一种空心轴重载旋变编码器。

技术背景

目前，高精度重载光电编码器被广泛的应用在各种大功率主传动电机的角位测量和速度测量的工业现场中。光电编码器是通过光电转换将输入的轴角位置信息转换成相应的数字代码。光电编码器主要由光电码盘、光栅、光电转换管以及转换电路组成。而光电码盘的材料主要有三种：玻璃，塑料，金属。玻璃质的码盘温度特性好，不变形，随着光刻技术的发展可做到高精度，但易碎；塑料质的码盘各方面性能都比较差，但价格便宜；金属质的码盘温度特性较差易变形，因不能应用光刻技术而只能做到中等或低精度，但坚固耐用；光电转换管长时间连续工作会产生老化，发射率下降，使光电编码器可靠性变差。尽管工程师们在高精度光电编码器使用方面做了重载设计，但由于光电编码器中的玻璃码盘和光电转换管自有的缺陷，在实际应用中，大功率电机转子轴端可能会产生轴电流而损坏光电编码器，随着时间的推移光电转换管也会老化，其可靠性会大大下降，随着自动化系统对可靠性高精度方面的要求越来越高，当今，被广泛应用的光电编码器已经发展到一个平顶阶段，尤其已不能满足同时要求高可靠性和高精度的工业现场。高精度的自动化控制系统紧迫期待替代产品的问世。

旋转变压器是一种将转子转角变换成与之成某-函数关系的微电机信号的元件。原理上相当于一个可以转动的变压器，结构上相当于一个两极两相线绕式的异步电动机，旋转变压器的工作原理和结构决定了它具有自身独特的优点：

1、适合在恶劣的环境下工作，如震动，灰尘，冲击，高温，腐蚀等环境；

2、在很宽的温度范围内具备高可靠性，高精度以及高机械特性，可以在-50℃-155℃之间稳定工作。

3、由于没有轴承，适合在高转速及高加速度的情况下工作，可以经受高达500g(10ms)的冲击，在震动频率为10-500HZ的情况下可以承受20g的震动。

4、绝对不存在老化问题。

5、具备将模拟信号传输较长距离的特性。

以上特点决定了旋转变压器具有很广泛的应用范围，可应用在高可靠性及高精度和环境非常恶劣的场合。

而以前除了在军用方面和特殊领域使用外，而在工业领域没有得到推广，主要是因为必须经过复杂的高频励磁电路和解码电路，才能把角位信号转换成数字量，而实现这种复杂的励磁电路和解码电路，技术难度大，成本也高。如今，随着微电子技术及微处理器专用芯片的发展，国际上已经开发出RD微处理器专用芯片，其制造成本与光电编码器相比并不高，因此使基于旋转变压器的轴角测量装置在实现重载设计一体化、小型化、高精度、并输出可靠的数字信号成为可能。目前国际上只有分体式旋变编码器的应用，尚无一体化的空心轴重载旋变编码器。

发明内容

本发明的目的是向各种重载设备大功率电机提供一种结构简单、便于安装、技术新颖、高可靠、高精度、宽应用范围、带有高端接口的小型化、一体化、网络化的轴角位置和速度测量的新型空心轴重载旋变编码器。本发明在设计上，把旋转变压器与微处理器解码芯片以及重载结构完美的结合在一起，它完全克服了光电编码器存在的所有缺陷，构成了小型一体化的高可靠性、高精度的重载旋变编码器产品。与光电编码器相比，尤其在同时需要高可靠性高精度的位置、速度反馈系统中会明显优于光电编码器。本发明经试验，已经获得了满意的效果，在不久将来会得到更广泛的应用。

本发明提供了一种的空心轴重载旋变编码器，所述的空心轴重载旋变编码器以旋转变压器为轴角发送器，通过旋转变压器的RS连接线与智能R/D解码电路板连接，再通过输出接插件将转换后的角位数据输出。所述的空心轴重载旋变编码器主要包括编码器轴套、锁紧环、旋转变压器、旋变转子、旋变定子、旋变机座、旋变机盖、RD接线盒、智能R/D解码器电路板、输出接插件、胀套和机座轴承盖，所述的旋变转子通过胀套安装在编码器轴套上而形成胀紧连接，不松动打滑。旋变定子被旋变机座和旋变机盖牢固的固定在旋变机座内部，旋变机座和旋变机盖螺栓密封连接。安装时，通过编码器轴套直接套在旋变编码器绝缘适配轴的右端，然后用锁紧环锁紧编码器轴套。所述的空心轴重载旋变编码器可以通过一个编码器力矩支架进行支撑，保证编码器具有一个稳定的基准面。在不需要使用编码器力矩支架和编码器绝缘适配轴的情况下，空心轴重载旋变编码器可直接使用客制化法兰组件安装在大电机转子轴端的设备轴上。RD接线盒螺丝连接在旋变机盖和旋变机座上，或者仅与旋变机座固接。RD接线盒内部装有智能R/D解码电路板，外部装有输出接插件，上述的所有部件组装完成后，就成为完整的一体化空心轴重载旋变编码器。所述空心轴重载旋变编码器与编码器绝缘适配轴合用，在安装时可免除对同心度的要求，可免除轴电流对编码器的损坏。

本发明克服了光电编码器存在的所有缺陷，可完全替代现有的各种空心轴光电编码器的使用，与旋变编码器绝缘适配轴(申请号2010102433697，发明名称为：旋变编码器绝缘适配轴)合用，更适用于重载设备大电机主传动编码器测速和位置检测，适用于高温、高湿、高密度粉尘、高压腐气以及大的震动和冲击的恶劣环境，并带有高端接口。

本发明用于轴角位置和速度测量的优点在于：

1.使用单一直流电源工作方式；

2.适应恶劣的使用环境、高温、高湿、大的震动和冲击；

3.解决了依赖外加复杂的励磁电源和多路直流电源问题；

4.实现了一体化小型化网络化的设计；

5.可有效防止电源反接而引起的模块损坏；

6.结构简单、新颖，采用旋转编码器绝缘适配轴，免除了安装时对同心度的要求；

7.所述编码器即可作为绝对编码器使用，也可作为增量式编码器使用，还可作为轴角变送器使用，可完全替代光电编码器。

8.与旋变编码器绝缘适配轴合用，并采用坚固的重载金属外壳，可完全适用于正反转起动频繁的各种重载设备的大功率主传动电机的旋转轴上，可抗击大的冲击和震动；可完全克服轴电流、电磁辐射对编码器的损坏和干扰。

附图说明

图1为本发明提供的空心轴重载旋变编码器的安装结构示意图；

图1a为本发明中编码器轴套的结构示意图；

图1b为图1a的侧视图；

图1c本发明中胀套的结构示意图；

图2为本发明中所用的智能R/D解码电路板的工作原理示意图。

图中：

1.旋变机座 2.旋转变压器   3.旋变转子        4.旋变定子 5.RS连接线

6.智能RD解码器电路板      7.RD接线盒        8.旋变机盖

9.旋变编码器绝缘适配轴    10.大电机转子轴端 11.胀套    12.机座轴承盖

13.编码器轴套  14.锁紧环  15.高速轴承       16.编码器力矩支架

17.客制化法兰组件         18.盲孔           19.输出接插件

20.止推轴环    21.沟槽    22.弹性挡圈       23.缩口    24.锁紧螺栓

25.圆柱沉孔    26.螺纹孔  27.开环           28.小圆孔

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

请参见图1所示，本发明提供的空心轴重载旋变编码器包括旋变机座1、旋转变压器2、旋变转子3、旋变定子4、RS连接线5、智能R/D解码器电路板6、RD接线盒7、旋变机盖8、胀套11、轴承盖12、编码器轴套13、锁紧环14、输出接插件19，还包括旋变编码器绝缘适配轴9、编码器力矩支架16，该空心轴重载旋变编码器以旋转变压器2为轴角发送器，通过旋转变压器2的RS连接线5与智能R/D解码器电路板6连接进行信号转换，再通过输出接插件19将转换后的角位数据输出。其中，旋变机座1的左端止口上连接旋转变压器2，旋变转子3通过胀套11安装在编码器轴套13上而形成胀紧连接，旋变定子4被旋变机座1和旋变机盖8牢固的固定在旋变机座1内部，旋变机盖8与旋变机座左端螺栓连接；旋变机座1的右端两个止口镶入高速轴承15和轴承盖12，轴承盖12与旋变机座1螺钉连接；所述的编码器轴套13套在旋变编码器绝缘适配轴9上或者直接套在大电机转子轴端10的设备轴上；

如图1和图1a所示，所述的编码器轴套13外形为长形圆管，材料选用优质不锈钢，经热处理后具有很高的刚度。编码器轴套13右侧为轴向开环结构，并且具有向外突起结构的止推轴环20，止推轴环20的左侧平面紧靠高速轴承15，止推轴环20可有效的克服来自安装过程不规范的操作而对编码器轴套13右侧产生较大轴向力。编码器轴套13左侧加工有环形沟槽21，轴用弹性挡圈22卡在沟槽21内，用以克服编码器轴套13产生左向位移。上述的编码器轴套13的止推轴环20与环形沟槽21之间的部分安装在旋变机盖8和轴承盖12之间，编码器轴套13的两端端口部的外缘加工成缩口23，锁紧环14套装在缩口23上。当所述编码器轴套13套装在旋变编码器绝缘适配轴9上后，调整锁紧环14的锁紧螺栓24，编码器轴套13被紧紧的锁死在旋变编码器绝缘适配轴9上。所述编码器轴套13与旋变机盖8、轴承盖12在旋转吻接处分别设计为轴向迷宫式密封结构，有效防止灰尘、水淋、腐气的侵入。在不需要使用旋变编码器绝缘适配轴9的情况下，编码器轴套13可直接套装在大电机转子轴端10的设备轴上。

上述锁紧环14的机构如图1b所示，锁紧环14外形为有一定厚度的开环圆环，内径套装在缩口23上。锁紧环14上部开环27位置径向中心处的一侧为圆柱沉孔25，一侧为螺纹孔26，锁紧螺栓24旋在圆柱沉孔25和螺纹孔26内。锁紧环14下部与开环27相对的一侧，沿轴向加工有小圆孔28并与锁紧环14的内径相通，从而使锁紧环14具有弹性。所述的小圆孔28的数量优选为三个，并且其中一个小圆孔28的圆心与开环27位于同一条直线上。当所述编码器轴套13套装在旋变编码器绝缘适配轴9上后，调整锁紧环14的锁紧螺栓24，编码器轴套13被紧紧的锁死在旋变编码器绝缘适配轴9上。

旋变转子3通过胀套11安装在编码器轴套13上，胀套11材料选用优质不锈钢，如图1c，胀套11分成三段A、B、C，中间B段较长，外形为开环，内径两端为锥口。两侧A、C段稍短，外形为开环，A、C段的一侧带止口用以卡住旋变转子3，另一侧外径为锥口，并与中间B段的内径两端的锥口吻接。当旋变机座1和旋变机盖8组装连接时，产生的轴向力通过高速轴承15，使中间的B段外环胀大，两侧A、C段内环缩小，从而使胀套11、旋变转子3、编码器轴套13形成胀紧连接，而不松动打滑。旋变转子3也可直接胶固在编码器轴套13上。

旋变机座1外形为圆环形，材料选用优质不锈钢或轻型合金铝，中心为通孔，如图1所示，旋变机座1的右侧有两阶止口，用以镶入高速轴承15和轴承盖12，左侧止口镶入旋变定子4，左侧止口外圆平面钻有均匀分布的六个螺栓盲孔，盲孔的外圆加工有密封圈沟槽，六个螺栓盲孔用以连接旋变机盖8，当旋变机座1和旋变机盖8合装时应在沟槽内安放密封圈。旋变机座1径向钻有过线孔，用以把旋转变压器2的RS连接线5连接到智能RD解码器电路板6上。

旋变机盖8外形为圆环形，材料选用优质不锈钢或轻型合金铝，中心为通孔，右侧有两阶止口，用以镶入高速轴承15和旋变定子4，左侧外圆止口可嵌入客制化法兰组件17，左侧止口外圆平面钻有均匀分布的六个螺栓盲孔18和六个圆柱沉孔，六个螺栓盲孔18用以连接客制化法兰组件17，六个圆柱沉孔用以连接旋变机座1，使得旋变机座1与旋变机盖8螺栓连接。

RD接线盒7，材料选用优质不锈钢或轻型合金铝，外形为带有上盖的长方体，上盖的相对面加工成为弧形面，与旋变机座1和旋变机盖8的外径圆弧相一致，RD接线盒7的弧形面与旋变机座1和旋变机盖8螺丝连接，或与旋变机座1固接。输出接插件19固接在RD接线盒7上并且与旋变编码器绝缘适配轴轴线垂直或平行。智能RD解码器电路板6被牢固的安装在RD接线盒7的内部，并与RD接线盒7绝缘。

所有部件组装完成后便构成了小型一体化的高可靠性、高精度的空心轴重载旋变编码器产品。把空心轴重载旋变编码器套装在编码器绝缘适配轴9上，然后用锁紧环14锁紧编码器轴套13。编码器绝缘适配轴9的左端法兰与大电机转子轴端10连接。而编码器力矩支架16仅起到对空心轴旋变编码器的支撑作用。在不需要使用编码器力矩支架16和编码器绝缘适配轴9的情况下，空心轴重载旋变编码器可直接安装在大电机转子轴端10设备轴上，然后使用客制化法兰组件17右端面与空心轴重载旋变编码器连接，左端与设备轴止口端面连接。

所述智能R/D解码电路板6给旋转变压器2提供正弦励磁电源，旋转变压器2在励磁电源的作用下，旋变定子4形成定子磁场，旋变转子3上有两套相互正交的绕组，这两套绕组结构完全相同，在这两个相互正交的绕组上分别感应出与转角成正余弦关系的角度信号。该正余弦信号通过旋转变压器2的RS连接线5传给智能R/D解码电路板6，由智能R/D解码电路板6将该正余弦信号转换为数字量并行、串行输出、模拟量4-20mA输出、现场总线接口及工业以太网输出，以满足工业控制的各种需要。

请参见图2所示，智能R/D解码电路板6上设有R/D(轴角-数字)解码芯片601、D/A转换芯片602、电源管理电路603、长线传输驱动芯片604、DSP芯片608、工业以太网模块609、ProfiBus-DP模块610、CAN总线模块611和SSI模块612，此外还设有抗干扰电路607、电气隔离芯片605和反接保护电路606。智能R/D解码电路板6的功能包括：高倍位(10、12、14、16位)轴角-数字解码并行输出、串行输出、模拟量4-20mA输出、现场总线接口以及工业以太网输出。上述的所有芯片均为专用的集成芯片。R/D解码芯片601为旋转变压器2提供励磁电源，所述R/D解码芯片601将来自旋转变压器2的正余弦信号转换为数字信号；D/A转换芯片602将该数字信号转换成4-20mA的模拟量输出；长线传输驱动芯片604可实现信号的长距离传输问题，并用于输出数字量为D0-D15并口输出和串口输出；电气隔离芯片605则是为了防止电源和外界对电路的干扰；所述长线传输驱动芯片604输出为数字量并口输出和串口输出；电源管理电路603为各集成芯片提供其所需的电源；反接保护电路606及抗干扰电路607则是为电源管理电路603提供反接保护和抗干扰的功能；DSP芯片608通过长线传输驱动芯片604的串口输出接收数字信号；DSP芯片608通过其外扩总线与工业以太网模块609和ProfiBus-DP模块610相连接，实现现场总线与工业以太网的接口输出；DSP芯片608与CAN总线模块611和SSI模块612相连，实现CAN总线输出及同步串行接口的功能。从而实现一体化小型化网络化的设计，满足现代化工业控制和通讯的需要。

Claims (10)

1.空心轴重载旋变编码器，其特征在于：主要包括编码器轴套、锁紧环、旋转变压器、旋变转子、旋变定子、旋变机座、旋变机盖、RD接线盒、智能R/D解码器电路板、输出接插件、胀套、高速轴承和轴承盖，所述的旋变机座的左端止口上连接旋转变压器，旋变转子安装在编码器轴套上；旋变定子被旋变机座和旋变机盖牢固的固定在旋变机座内部，旋变机座和旋变机盖螺栓密封连接；旋变机座的右端两阶止口镶入高速轴承和轴承盖，轴承盖与旋变机座螺钉连接；编码器轴套套装在旋变编码器绝缘适配轴的右端，然后用锁紧环锁紧，旋变编码器绝缘适配轴的左端法兰与大电机转子轴端10连接；RD接线盒螺丝连接在旋变机盖和旋变机座上，或者仅与旋变机座固接，RD接线盒内部装有智能R/D解码电路板，外部装有输出接插件，旋转变压器通过RS连接线与智能R/D解码电路板连接。

2.根据权利要求1所述的空心轴重载旋变编码器，其特征在于：所述的空心轴重载旋变编码器通过一个编码器力矩支架进行支撑，保证编码器具有一个稳定的基准面。

3.根据权利要求1所述的空心轴重载旋变编码器，其特征在于：所述的编码器轴套外形为长形圆管，编码器轴套右侧有向外突起结构的止推轴环，止推轴环的左侧平面紧靠高速轴承；编码器轴套左侧加工有环形沟槽，轴用弹性挡圈卡在沟槽内；编码器轴套的两端端口部的外缘加工成缩口，锁紧环套装在缩口上。

4.根据权利要求1所述的空心轴重载旋变编码器，其特征在于：所述编码器轴套与旋变机盖、轴承盖在旋转吻接处分别设计为轴向迷宫式密封结构。

5.根据权利要求1所述的空心轴重载旋变编码器，其特征在于：所述锁紧环外形为有一定厚度的开环圆环，内径套装在编码器轴套的缩口上；锁紧环上部开环位置径向中心处的一侧为圆柱沉孔，一侧为螺纹孔，锁紧螺栓旋在圆柱沉孔和螺纹孔内；锁紧环下部沿轴向加工有小圆孔并与内径相通。

6.根据权利要求1所述的空心轴重载旋变编码器，其特征在于：所述旋变转子通过胀套固定在编码器轴套上，所述胀套分成三段，中间段较长，外形为开环，内径两端为锥口，两侧段稍短，外形为开环，两侧段的一侧带止口用以卡住旋变转子，另一侧外径为锥口，并与中间段的内径两端的锥口吻接。所述旋变转子也可直接胶固在编码器轴套上。

7.根据权利要求1所述的空心轴重载旋变编码器，其特征在于：旋变机座外形为圆环形，中心为通孔，旋变机座的右侧有两阶止口，左侧止口外圆平面钻有均匀分布的螺纹盲孔，螺纹盲孔的外圆加工有密封圈沟槽，螺纹盲孔用以连接旋变机盖，旋变机座径向钻有过线孔。

8.根据权利要求7所述的空心轴重载旋变编码器，其特征在于：旋变机座和旋变机盖合装时，在沟槽内安放密封圈。

9.根据权利要求1所述的空心轴重载旋变编码器，其特征在于：RD接线盒外形为带有上盖的长方体，上盖的相对面加工成为弧形面，与旋变机座和旋变机盖的外径圆弧相一致，RD接线盒的弧形面与旋变机座固接，或者用螺钉连接在旋变机座与旋变机盖上。

10.根据权利要求1所述的空心轴重载旋变编码器，其特征在于：输出接插件安装方位与旋变编码器绝缘适配轴轴线垂直或平行。

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