CN103364022B - 编码器的输出信号监视系统和编码器的输出信号监视方法 - Google Patents

Abstract

本发明根据从由于动作速度、分辨率、移动方向而导致波形的周期、比率（占空比）、相位差、相位方向不同而难以判断且难以进行劣化的检测的编码器输出的数字脉冲信号来检测实际上产生了劣化的状况，进行必要的处置，从而消除维护的时间和经费的浪费。本发明为如下构成的编码器的输出信号监视系统和方法：将与在初始状态下设定的测定对象（20）的基本动作模式相对应地从编码器主体（1）输出的输出信号与前述基本动作模式赋予关联而存储于存储装置（30），随后，每隔一定期间，使测定对象（20）按照基本动作模式进行动作，比较此时从编码器主体（1）输出的输出信号与存储于前述存储装置（30）的初始状态的输出信号数据，在两者的信号的差成为一定的大小以上时输出警告。

Description

编码器的输出信号监视系统和编码器的输出信号监视方法

技术领域

本发明涉及检测编码器的劣化的编码器的输出信号监视系统和编码器的输出信号监视方法，其中编码器将旋转圆板或直线状的刻度尺的状态变换成电信号并计测测定对象物的位移量或移动量。

背景技术

编码器将例如旋转圆板或直线状的刻度尺的状态变换成电信号。例如，在光学式的旋转编码器中，由发光元件发出的光透射旋转圆板，用信号处理部将由受光元件接收的信号变换为矩形波状的数字脉冲输出信号。

另外，编码器也与其他电子设备、精密设备同样地由于经年变化而劣化，不能维持初始性能。编码器劣化的主要原因，在机械方面，可列举构成零件（轴承寿命等）的劣化、组装状态（零件的磨损）的变化等。另外，在电方面，可考虑构成零件（在光学式的情况下，LED寿命等）的劣化，其他在光学式的情况下，可考虑玻璃的污染等。

一般而言，如果编码器劣化，则编码器内部的模拟信号的电平和偏压变化。如果从编码器输出的信号是模拟信号，则容易监视其状态。例如，在波形电平成为一定值以下的情况下，进行发出警报等的对策即可，在很多电子设备中实行。可是，从编码器输出的信号，在作为矩形波的数字脉冲信号而输出的情况下，能够判断的信号形态只是H电平和L电平的信号，编码器的劣化难以作为信号电平显现，变得难以判断。此外，前述数字脉冲信号是处理从受光元件输出的模拟信号并进行波形整形等必要的信号处理而得到的信号，这样的数字信号现在占据主流。

另一方面，存在着以下的许多缺点：为了监视编码器内部的模拟信号而需要维护专用的输出线，还另外设置用于模拟信号监视的电路等，零件数增加或构成变得复杂而制造成本增大，反而变得容易出故障等。

因此，一直以来根据经验法则而在某种程度上预测编码器劣化的时期，每隔一定的期间进行维护或更换编码器设备，以能够维持可靠性。可是，在如前所述的每隔一定时期进行维护的方式中，有必要在某种程度上预计安全率而比实际性能劣化的时期提前进行维护。因此，即使是性能尚未劣化的设备，也大多废弃或更换，产生时间和经费的浪费。

在日本特开2004-138386号公报（专利文献1）中，公开了一种数字编码器的控制装置，其特征在于，以补偿墨雾等所导致的编码器的灵敏度劣化造成的性能下降为目的，在由发光部和受光部构成并具有产生与所驱动的被驱动体的驱动速度相应的频率的脉冲信号的频率信号产生装置的数字编码器中，具有检测前述频率信号的各周期的ON时间占空比（duty）的装置，根据前述检测占空比，控制发光部的光量。

另外，在该文献的段落0033中，记载了“搭载有记录头1的滑架2成为能够基于来自编码器14的频率信号而在ASIC 501内部检测其上升、下降并检知各周期的ON时间占空比的构成”。而且，在段落0038中，记载了“在步骤S704中算出各周期的ON时间占空比，在步骤S705中判定为占空比为55%以上，进而并且在步骤S706中，如果写入EEPROM 504的累积记录件数或累积吸引次数为既定值以上，则判断为由于墨雾而导致了编码器14的灵敏度劣化，实施通过提高LED 101的光量来补偿灵敏度的劣化的控制”。在段落0033中，记载了“搭载有记录头1的滑架2成为能够基于来自编码器14的频率信号而在ASIC 501内部检测其上升、下降并检知各周期的ON时间占空比的构成”。

可是，在该文献中，其目的在于，将编码器用于搭载有喷墨记录装置的记录头的滑架的控制，检测从前述记录头吐出的墨雾所导致的光电二极管的灵敏度劣化。因此，并未预定检测编码器的机械零件的劣化所导致的信号变化。而且，前述滑架的移动速度原则上一定，因此，如该文献的0008所记载，关于编码器的输出信号，占空比50%也成为基准。而且，仅是单纯地如果占空比为既定值以上则使发光部的光量增加。所以，难以将该文献的检测方式应用于编码器的动作复杂且占空比从初始状态发生变化的用途。

专利文献1：日本特开2004－138386号公报。

要解决的问题点为，来自编码器的输出信号由于经年变化等而劣化，但在输出对模拟信号进行波形整形而得到的矩形波状的数字脉冲信号的编码器的情况下，由于动作速度、分辨率、移动方向而导致波形的周期、比率（占空比）、相位差、相位方向不同，难以判断，难以进行劣化的检测。本发明的目的为，根据从编码器输出的数字脉冲信号来检测实际上产生了劣化的状况，并进行必要的处置，从而消除维护时间和经费的浪费。

发明内容

本发明利用以下的构成而达成上述目的。

（1）一种编码器的输出信号监视系统，具有：

测定对象，进行旋转或移动动作；

编码器主体，输出与测定对象的位移量或移动量相应的输出信号；

控制装置，比较来自所述编码器主体的输出信号与存储于存储装置的输出信号数据，判断警告输出；以及

存储装置，存储所述测定对象的基本动作模式和从编码器主体输出的信号，

所述控制装置将在初始状态下设定的测定对象的基本动作模式与此时从编码器主体输出的输出信号赋予关联而存储于存储装置，随后比较进行基本动作而得到的来自编码器主体的输出信号与存储于所述存储装置的初始状态的基本动作时的输出信号数据，

输出该比较数据或所述测定数据，或者在两者的信号的差成为比一定的基准值更大时，作为警告而输出。

（2）上述（1）的编码器的输出信号监视系统，从所述编码器主体输出的信号为2个以上，利用时钟信号对从信号波形的周期、相位差、比率、信号电平选择的2个以上进行计测或进行模拟/数字转换而得到输出信号数据。

（3）一种编码器的输出信号监视方法，

在初始状态下设定测定对象的基本动作模式而使其动作，将与所述基本动作相对应地从编码器主体输出的输出信号与所述基本动作模式赋予关联而存储于存储装置，

随后，根据需要而使测定对象按照基本动作模式进行动作，

测定此时从编码器主体输出的输出信号，

比较所得到的测定数据与存储于所述存储装置的初始状态的输出信号数据，输出该比较数据或所述测定数据，或者在两者的信号的差成为一定的大小以上时输出警告。

（4）上述（3）的编码器的输出信号监视系统，从所述编码器主体输出的信号为2个以上，利用时钟信号对从信号波形的周期、相位差、比率、信号电平选择的2个以上进行计测或进行模拟/数字转换而得到输出信号数据。

发明的效果

本发明存在这样的优点：根据从编码器输出的数字脉冲信号而检测实际上产生了劣化的状况，进行必要的处置，从而能够消除维护的时间和经费的浪费。

附图说明

图1是示出本发明的编码器的输出信号监视系统的基本构成的框图（实施例1）；

图2是示出信号的计测方法的时钟和输出波形的图（实施例1）；

图3是示出本发明的编码器的输出信号监视方法的各处理步骤的流程图（实施例2）；

图4是示出现有的编码器的输出信号的模拟和数字波形图；

图5是示出现有的编码器的输出信号劣化的状态的第1模拟和数字波形图；

图6是示出现有的编码器的输出信号劣化的状态的第2模拟和数字波形图。

具体实施方式

本发明，在编码器安装时或维护结束后等的初始状态下，设定成为评价作为矩形状的数字信号的检测信号的基准的编码器的基本动作状态（动作速度、移动方向等）。然后，计测与该基本动作时的输出信号波形的周期、比率、相位差等必要的参数有关的数据，与前述基本动作赋予关联而作为基本值储存于存储装置。随后，根据需要而进行基本动作状态下的计测，与所存储的基本值进行比较，监视计测值是否产生差，在得到与前述基本值相差一定以上的计测值时输出警告。由此，能够在实际上超过容许值而产生了编码器的劣化时进行维护，能够将维护的时间和费用抑制为必要的最小限度。

在此，为了容易理解地说明发明的内容，以将本发明适用于光学式旋转编码器的情况为例而进行说明。能够将在编码器安装时、维护结束后等的初始状态下，例如如图4所示，从光检测元件得到的模拟波形不紊乱的正常波形，或即使稍微紊乱，作为初始状态下的信号而定义。所以，能够将此作为经波形处理的矩形波状的数字信号比率也正常或初始状态的信号而特别规定。可是，如果由于经年劣化而产生轴摇动或偏芯，则透射符号板而被检测到的光摇动或强度变化而从受光元件输出的模拟波形，例如如图5、6所示，从初始状态变化。然后，对该模拟波形进行波形整形等信号处理而得到的数字脉冲波形的比率（占空比）也产生变化。

于是，对前述波形比率存储初始状态时的测定值，比较该测定值与任意的时间的测定值。然后，在比较而得到的波形比率的变化超过某个范围时，使警告信号、警告数据等输出。或者，能够每次测定都输出或在特定的条件下输出输出信号本身的数据或变动数据等。然后，能够利用前述警告数据或比较数据等来监视编码器的状态，能够效率良好地进行维护。此外，在上述事例中，对监视1个信号中的信号的波形比率的方法进行了说明，但即使是2个信号以上，也能够通过同样的方法来监视。另外，监视的部分也不限于波形比率，也能够通过单独地或多个地监视波形的周期、相位差、信号电平等而掌握更详细的状况。而且，在2个信号或2个以上的输出信号中，对从波形的周期、相位差、比率、信号电平选择的1个以上，优选2个以上分别赋予关联并进行监视，由此，能够更详细地掌握编码器的状态。

这样，计测在基本动作时所计测的输出信号，将其结果与基本动作赋予关联而作为基本值存储，在必要时进行同样的基本动作而计测输出信号，将各动作部分的计测值与前述基本值进行比较，由此，得知输出信号从基本值变化的比例。然后，将前述比较数据或变化的比例作为数据而输出，或者，在变化的比例成为一定以上时输出警告，由此，能够掌握实际上产生了劣化的状况。作为前述输出信号的计测数据与基本动作的关联赋予，对基本动作中的各动作部分、例如作为至少1个基本动作单位而设定的既定速度下的正转动作或逆转动作中的周期、比率、相位差、信号电平等各测定项目进行计测。另外，也能够将多个模式的基本动作单位组合而作为基本动作。然后，存储该基本动作中的信号的测定值即可。

进行警告的解析和显示的装置，也可以利用例如安装有编码器的工作设备等控制装置或外部的其他装置来进行，也可以利用位于编码器内部的处理器或逻辑电路等来进行。另外，关于警告的输出方法，也可以显示于其他装置的显示器，或进一步通过通信而发送至远程的装置，也可以将显示装置搭载于编码器本身来显示。

作为警告方法，也能够由数值数据等表示警告内容，也可以如前所述地使警告内容显示于显示器。或者，也能够由LED等简单的发光显示设备单独或组合地利用颜色和亮灭次数等，即使是简单的构成，也能够容易地掌握状态。

本发明的编码器，不限定于如上述所说明的将取决于符号图案的光的强弱变换成电信号的光学式，即使是磁式等其他检测方式的编码器也能够适用。本发明未对检测原理或机械的构造（轴的有无或编码器形状）特别规定。能够应用于能够适用于处理检测信号之后的矩形波状的数字输出信号的监视的全部的编码器。

[实施例1]

接着，示出实施例而更具体地说明本发明。图1是示出作为本发明的1个实施例的编码器系统的构成例的模式图。在图中，具有对测定对象的位移、移动距离等进行计测的编码器主体1、成为测定对象的工作设备等的驱动装置20、以来自前述编码器主体的计测数据为基础而控制前述驱动装置20的动作的控制装置10以及将作为前述驱动装置20所进行的动作而设定的基本动作与此时的编码器的输出数据赋予关联而存储的存储装置30。

编码器主体1具有与驱动装置20的旋转轴21连接并追随驱动装置的旋转动作而转动的编码器轴2、安装于该编码器轴2的圆盘状的符号板3、固定符号板（未图示）、配置于编码器主体的基体（未图示）内部的LED等发光元件5、配置于夹着前述发光元件5和符号板而对置的位置的受光元件6以及搭载有该受光元件6的电路基板4。

简单地说明该编码器主体的动作，如果驱动装置20的旋转轴21旋转，则与该旋转轴21连接的编码器轴2也追随而同样地进行动作。此时，安装于编码器轴2的符号板3也同样地进行动作。在一般由玻璃等透明部件形成的符号板3，形成有伴随着旋转而变化并产生既定的信号的符号图案。从前述发光元件5发出的光透射该符号板3上的符号图案而入射至受光元件6时，则产生与前述符号图案相对应的信号。然后，根据符号板的动作，输出信号变化。

从受光元件产生的信号是模拟信号，由搭载于电路基板4上的元件或电路进行波形整形等必要的信号处理，转换成矩形波状的数字脉冲信号。此时，设置多个受光元件6，调整它们的位置，由此，能够产生出例如偏移90°相位的信号。这些信号一般作为A相、B相的相位差2信号而输出，成为增量信号。由于A相、B相的相位差2信号取决于旋转方向而相位反转，因而能够计测旋转的位移量和旋转方向，进一步通过对这些信号进行电累计计数或通过另外输出旋转一周信号，还能够计测转速。

从前述编码器主体输出的信号，除了上述增量信号以外，还存在原点信号、用于计测旋转一周的信号、精度提高或装置管理等所需要的信号等各种信号。另外，编码器主体不一定限定于旋转类型，也可以是检测器滑动于直线状的玻璃刻度尺的所谓线性编码器。另外，检测方式也不限定于上述光学式，也可以是磁式，也可以是电磁感应方式。

从编码器主体1输出的信号输入至控制装置10。该控制装置10具有根据预先设定的程序或所输入的参数来控制驱动装置20的功能。此时，控制装置10输入编码器主体1的输出信号，从该数据掌握驱动装置20所导致的装置的动作状态。然后，控制驱动装置20，使得从编码器主体1得到的移动量和驱动装置20应该运动的移动量一致。

在工作设备、安装设备、产业用机器人等中，为了施加必要的动力，使用驱动装置20。例如，在工作设备中，使用于加工器具的移动或定位等。在这种情况下，关于所控制的位置坐标，如果通常是1轴控制，则驱动装置20和编码器主体1通常各1个，如果是2轴控制则各2个，如果是三维则进一步各增加1个。关于驱动装置20，只要将动力施加至前述设备，则其方式未特别地限定，也可以是感应电动机、步进电动机、DC电动机等电动机，也可以是空气压、油压设备等。

控制装置10在编码器安装时或维护后等的初始设定时，使驱动装置20进行预先决定的基本动作。该基本动作是在计测编码器的输出信号而检测劣化之后必要的动作，由于装置的使用目的或使用状态不同，因而由编码器的制造者、使用者或管理者等任意地决定。基本动作关于1个或2个以上的动作，对移动速度、移动方向进行规定。此外，可以使控制装置自动地进行基本动作，也可以操作员手动地逐次进行。

如果进行前述基本动作，则从编码器主体输出与驱动装置的动作相应的输出信号。控制装置计测前述输出信号并将其数据与基本动作赋予关联而存储于存储装置30。此时，作为计测的数据，是波形的周期、比率、信号电平的任1个或2个以上，在2个信号输出中，也可以进一步计测相位差。

作为计测方法，通过使用从编码器内部、控制装置内部或外部导入的时钟信号或软件产生的时钟，能够容易地计测波形的周期、比率、相位差。具体而言，如图2所示，利用输出信号的上升和/或下降信号来对时钟信号进行计数并以该计数值作为输出信号的计测数据即可。在图示示例中，对矩形波状脉冲的L电平进行12次时钟计数，对H电平进行18次时钟计数，这成为计测数据。在信号电平中，也可以进行A/D转换而将信号电平数据化，也可以使用以既定的电压电平产生信号的众所周知的电路。

这样得到的初始设定时的输出信号的计测数据与基本动作模式赋予关联而存储于存储装置。作为赋予关联的方法，并未特别地限定，只要针对所设定的基本动作模式中的各动作状态或每个时间序列的动作的计测数据成为知道在怎样的动作时是数据的状态或能够区别的样态即可。即，在不同的时间使相同的基本动作模式进行动作时测定的数据能够作为彼此能够比较的数据而保存即可。具体而言，可列举（a）与来自驱动装置的数据赋予关联的方法、（b）与来自控制装置的数据赋予关联的方法、（c）仅利用运转模式（号码等）来管理的方法等。

然后，例如存储正转的速度X m/s下的A相输出信号的波形的周期为m个时钟、比率为个n时钟；B相输出信号的波形的周期为o个时钟、比率为p个时钟；A相信号和B相信号的相位差为与4个现象相对应的情况q1、q2、q3、q4个时钟等。另外，根据需要而存储速度Y m/s下的上述参数、逆转时的上述参数等。

在实际的存储元件上，将例如特定的地址作为针对各动作的上述参数的存储区域而分配，在比较信号时始终读出与其动作相对应的地址的数据即可。或者，也可以从特定的地址连续地存储在基本动作时计测的数据，在比较时，从前述特定地址读出并比较。在存储元件装置的内部怎样地存储并比较数据是任意的，利用系统的控制软件能够效率良好地进行动作的方法来进行即可。

随后，每隔一定期间或根据需要而在任意之时进行与上述同样的操作，测定基本动作模式中的输出信号的数据。此时，控制装置比较所得到的测定数据与对应的基本动作的初始设定时的测定数据。然后，在所比较的测定数据的差为一定以上的情况下，判断为编码器劣化，输出警告。或者，也可以在每次测定时、每次比较时输出其数据。警告也可以如前所述地作为具体的数据而输出，也可以显示于显示器。另外，也可以使配备于编码器主体或控制装置的简单的发光元件发光等而简易地显示。

此外，在上述示例中，将驱动装置20的控制装置和编码器主体的控制装置作为一体地将控制装置10作为系统整体的控制装置而说明，但也可以将驱动装置20的控制装置作为另外一个而使编码器的控制装置进行编码器的输出信号的测定和监视。在这种情况下，驱动装置的控制装置进行基本动作，但如果能够认识到编码器的控制装置进行基本动作，则能够将此时的编码器的输出信号作为根据所决定的基本动作模式而输出的信号处理。

而且，也可以设置测定编码器的输出信号并输出其数据或输出警告的数据或信号的装置，即监视系统专用的控制装置。在这种情况下，也可以不装入驱动装置的控制装置10或驱动装置20本身，而是连接配置于编码器的输出和控制装置10的中间或作为与驱动装置的控制装置10另外设置而串联或并联地输入编码器的输出信号。

[实施例2]

接着，沿着图3所示的流程图，对本发明的方法进行说明。

首先，在安装于装置时或维护时等初始设定时，设定测定对象的基本动作模式。也可以使该设定存储于驱动装置或编码器的控制装置、存储装置等，也可以预先只作为用于今后重复地进行动作的基本动作模式而决定（S1）。接下来，根据所设定的基本动作模式，使测定对象进行动作（S2）。此时，对从编码器主体输出的输出信号的必要的参数进行计测（S3）。接下来，将所得到的各测定数据与前述基本动作模式赋予关联而存储于存储装置（S4）。

随后，根据需要，使测定对象按照基本动作模式进行动作（S5），与步骤（S3）同样地对从编码器主体输出的输出信号的必要的参数进行计测（S6）。比较此时计测的输出信号与存储于前述存储装置的初始状态的输出信号数据（S7），随时或根据需要而输出该数据本身，或者，根据需要，在两者的信号的差成为一定的大小以上时（S8），输出警告信号或警告数据（S9）。此外，在如上所述地随时输出测定数据的情况下，前述警告信号或警告数据也可以不输出。

本发明的方法能够由上述实施例1所图示的装置实现，但不限定于此，只要是具有作为输出信号而输出矩形波状的数字脉冲信号的编码器的装置，就能够实现。另外，也可以特别地设置存储装置或进行信号计测、数据处理的控制装置，也可以使用内置于编码器的运算装置或安装有编码器的装置的控制装置。

以上，示出各实施例而说明了本发明，但本发明不限定于这些实施例。另外，编码器的输出信号，不限定于作为所谓增量信号的相位差2信号，能够适用于从各种编码器输出的各种形态的信号。例如，除了前述相位差2信号之外，也可以包括原点信号（Z相）、每120°的相位差的CS信号等的任1个以上，而且，也可以是仅1个信号的简单的信号构成。通过将这样自由地测定的项目等与各编码器相对应地变更，从而能够针对各个信号或将这些信号统一而输出警告输出。

[产业上的可利用性]

本发明的编码器的输出信号监视系统和监视方法，能够适用于计测测定对象的位移量、移动量、旋转方向、移动方向、旋转或移动速度等的编码器。尤其是，只要是作为输出信号而输出矩形波状的数字信号脉冲的类型的编码器，旋转式、线性方式也能够适用，检测方式，不论光学式、磁式、电磁感应式，都能够适用。另外，通过使用内置于编码器的电路的运算装置或时钟等，从而不设置新的电路或外部装置就能够实现，能够以少的成本使维护最佳化。

附图标记说明

1 编码器主体；2 轴；3 符号板；4 电路基板；5 发光元件；6 受光元件；10 控制装置；20 驱动装置；30 存储装置。

Claims (4)

1.一种编码器的输出信号监视系统，具有：

测定对象，进行旋转或移动动作；

编码器主体，输出与测定对象的位移量或移动量相应的输出信号；

控制装置，比较来自所述编码器主体的输出信号与存储于存储装置的输出信号数据，判断警告输出；以及

存储装置，存储所述测定对象的基本动作模式和从编码器主体输出的信号，

所述控制装置将在初始状态下设定的测定对象的基本动作模式与此时从编码器主体输出的输出信号赋予关联而存储于存储装置，随后比较进行基本动作而得到的来自编码器主体的输出信号与存储于所述存储装置的初始状态的基本动作时的输出信号数据，

输出该比较数据或测定数据，或者在两者的信号的差成为比一定的基准值更大时，作为警告而输出。

2.如权利要求1所述的编码器的输出信号监视系统，其中，

从所述编码器主体输出的信号为2个以上，利用时钟信号对从信号波形的周期、相位差、比率、信号电平选择的2个以上进行计测或进行模拟/数字转换而得到输出信号数据。

3.一种编码器的输出信号监视方法，

在初始状态下设定测定对象的基本动作模式而进行动作，将与所述基本动作相对应地从编码器主体输出的输出信号与所述基本动作模式赋予关联而存储于存储装置，

随后，根据需要而使测定对象按照基本动作模式进行动作，

测定此时从编码器主体输出的输出信号，

比较所得到的测定数据与存储于所述存储装置的初始状态的输出信号数据，输出该比较数据或所述测定数据，或者在两者的信号的差成为一定的大小以上时输出警告。

4.如权利要求3所述的编码器的输出信号监视方法，其中，

从所述编码器主体输出的信号为2个以上，利用时钟信号对从信号波形的周期、相位差、比率、信号电平选择的2个以上进行计测或进行模拟/数字转换而得到输出信号数据。