CN103644864B - 一种提高角度编码器分辨率及测量精度的机械装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种提高角度编码器分辨率及测量精度的机械装置。包括连编码盘转轴轴承座（1）、连编码盘转轴轴承（3）、连编码盘转轴（4）、编码盘（5）、从动齿轮（6）、角度编码器基座（7）、输入轴轴承（8）、输入轴（9）、主动齿轮（10），其中输入轴（9）通过两个输入轴轴承（8）安装在角度编码器基座（7）上，连编码盘转轴（4）通过两个连编码盘转轴轴承（3）安装在连编码盘转轴轴承座（1）上，连编码盘转轴轴承座（1）安装在角度编码器基座（7）上，主动齿轮（10）装设在输入轴（9）上，从动齿轮（6）装设在连编码盘转轴（4）上，从动齿轮（6）与主动齿轮（10）啮合，且输入轴（9）与被检测的对象连接，编码盘（5）装设在连编码盘转轴（4）上。本发明通过增加变速齿轮传动装置，大大提高了分辨率以及测量精度。

Description

一种提高角度编码器分辨率及测量精度的机械装置

技术领域

本发明是一种提高角度编码器分辨率及测量精度的机械装置，特别是一种利用宏微复合思想来增加角度编码器的光栅条数及提高其测量精度的机械装置，属于高冗余性角度编码器的创新技术。

背景技术

在现代机加行业中，大多采用光栅传感器来进行位置反馈装置。由于光栅尺能够对系统实行全闭环控制，降低滚珠丝杠热变形等原因引起的误差，提高加工精度，角度编码器是光栅尺的其中一种，所以目前中高档数控系统越来越多地采用角度编码器作为角度反馈元件^[1]。其高精度和高分辨率结合相对较低的价格，使其不仅在机床领域，而且在坐标测量机、机器人技术、每个位置和速度测量以及位置和运动控制应用领域得到了广泛的应用^[2]。

角度编码器是编码器其中的一种类型，其精度受编码盘平面度，光栅线的刻蚀技术，旋转时的圆心度，整体刚度，振动和温度的影响很大，如何提高角度编码器的测量精度是一个综合技术问题。在其机械结构的设计以及信号电路都相当成熟的前提条件下，提高编码器的刻蚀技术是至关重要的。当在给定编码盘半径的条件下，光栅线刻蚀的条数越多，则其能测量的精度则越高。由于光栅的刻蚀技术有限，愈增加光栅线数，只有增大编码盘的半径。然而随着产品尺寸要求微型化，编码盘的半径不仅不可增大，反而要减小，这将必然使得角度编码器去测量精度。细分是提高角度编码分辨率及测量精度一种有效办法，虽然测量精度与信号的细分存在着密切的关系，如果只是一味的在电路上对采集信号进行细分，即使再细分得再小，只是提高了其分辨率，由于物理上最初产生的信号没有得到根本的细分，其精度是受到限制的，这将迫切寻求方法以提高角度编码器的精度。

传统的角度编码器的编码盘与输入旋转轴直接相连，两者同步转动，当编码盘的半径已经确定时，只有通过提高光栅的刻蚀精度，即只能将光栅刻蚀的更细，才能增加光栅的条数。然而刻蚀技术有限，给定半径的编码盘，只能另寻其他的办法来解决此问题。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种可以提高角度编码器上的编码盘的光栅条数，从而达到提高角度编码器的分辨率和测量精度的提高角度编码器分辨率及测量精度的机械装置。

本发明的技术方案：本发明的提高角度编码器分辨率及测量精度的机械装置，包括连编码盘转轴轴承座、连编码盘转轴轴承、连编码盘转轴、编码盘、从动齿轮、角度编码器基座、输入轴轴承、输入轴、主动齿轮，其中输入轴通过两个输入轴轴承安装在角度编码器基座上，连编码盘转轴通过两个连编码盘转轴轴承安装在连编码盘转轴轴承座上，连编码盘转轴轴承座安装在角度编码器基座上，主动齿轮装设在输入轴上，从动齿轮装设在连编码盘转轴上，从动齿轮与主动齿轮啮合，且输入轴与被检测的对象连接，编码盘装设在连编码盘转轴上。

上述从动齿轮为外啮合齿轮，主动齿轮为内啮合齿轮，从动齿轮装设在主动齿轮的内侧。

上述输入轴的轴心与连编码盘转轴的轴心共线。

上述连编码盘转轴所在的连编码盘转轴轴承座的轴承座孔的轴心与连编码盘转轴轴承座的轴心共线。

上述连编码盘转轴轴承座的轴心与角度编码器基座的轴心共线。

上述连编码盘转轴轴承的外径和内孔分别与连编码盘转轴轴承座及连编码盘转轴采用过盈配合，且连编码盘转轴轴承的轴心与连编码盘转轴轴承座及连编码盘转轴的轴心共线；上述输入轴轴承的外径和内孔分别与角度编码器基座和输入轴采用过盈配合。

本发明通过添加中间传动装置，从机械结构上对角度编码的转动量进行放大，同时可减小编码盘的设计尺寸，从而达到在物理上对测量信号进行细分，具有从根本上提高测量精度。另外，由于本发明是通过机械结构来改变传动比，从而达到提高角度编码器的分辨率和测量精度，所以对齿轮传动装置的工艺要求比较高，一定要避免在此环节上会成过多的精度丢失。

本发明与其他现有技术相比，其优点如下：

1）本发明利用宏微复合技术思想，在角度编码器产品微型化的生产模式以及光栅的刻蚀技术限制下，在其结构的中间添加变速齿轮传递装置，提高角度编码器的分辨率以及测量精度。

2）在达到同样的分辨率及测量精度情况下，本发明可以让角度编码器的整体尺寸缩减更小。

本发明是一种在角度编码器编码盘尺寸相同的情况下，通过添加变速齿轮传递装置从而可以大大提高原有角度编码器的分辨率和测量精度的机械装置。

附图说明

图1为本发明角度编码器的结构装配示意图；

图2为本发明角度编码器机械结构5的外形示意图；

图3为本发明角度编码器的机械结构的仰视图。

具体实施方式

实施例：

本发明的结构示意图如图1、2、3所示，本发明的提高角度编码器分辨率及测量精度的机械装置，包括连编码盘转轴轴承座1、连编码盘转轴轴承3、连编码盘转轴4、编码盘5、从动齿轮6、角度编码器基座7、输入轴轴承8、输入轴9、主动齿轮10，其中输入轴9通过两个输入轴轴承8安装在角度编码器基座7上，连编码盘转轴4通过两个连编码盘转轴轴承3安装在连编码盘转轴轴承座1上，连编码盘转轴轴承座1安装在角度编码器基座7上，主动齿轮10装设在输入轴9上，从动齿轮6装设在连编码盘转轴4上，从动齿轮6与主动齿轮10啮合，且输入轴9与被检测的对象连接，编码盘5装设在连编码盘转轴4上。上述编码盘5与连编码盘转轴4的连接要有足够的刚度，保证其具有相应的抗振能力，并且编码盘5与连编码盘转轴4的轴心的同轴度要达到要求，以确保角度编码器的精度。

为便于安装，上述连编码盘转轴承座1通过螺栓2拧紧固定安装在角度编码器基座7上。本实施例中，用四个螺栓2将连编码盘转轴承座1拧紧固定在角度编码器基座7上。在零件设计及加工和装配工艺上都要保证二者的同轴度。

本实施例中，上述从动齿轮6为外啮合齿轮，主动齿轮10为内啮合齿轮，从动齿轮6装设在主动齿轮10的内侧。

为进一步提高测量精度，上述输入轴9的轴心与连编码盘转轴4的轴心共线。上述连编码盘转轴轴承3及输入轴轴承8都是高精度轴承。上述连编码盘转轴4所在的连编码盘转轴轴承座1的轴承座孔的轴心与连编码盘转轴轴承座1的轴心共线。

此外，上述连编码盘转轴轴承座1的轴心与角度编码器基座7的轴心共线。上述连编码盘转轴轴承座1与角度编码器基座7之间通过定位设计保证其在装配后的同轴度达到应有的要求，以此保证主动齿轮10与从动齿轮6之间的啮合度，避免此中间结构造成精度的丢失。

另外，上述连编码盘转轴轴承3的径向尺寸比输入轴轴承8的径向尺寸小。

本实施例中，上述连编码盘转轴轴承3的外径和内孔分别与连编码盘转轴轴承座1及连编码盘转轴4采用过盈配合，且连编码盘转轴轴承3的轴心与连编码盘转轴轴承座1及连编码盘转轴4的轴心共线，在零件设计及加工工艺及装配要求上都要保证三者的同轴度。

本实施例中，上述输入轴轴承8的外径和内孔分别与角度编码器基座7和输入轴9采用过盈配合。上述输入轴9和两高精度的输入轴轴承8与角度编码器基座7的轴心并不是在同一轴上，根据齿轮传动比的要求，使输入轴9和两高精度的输入轴轴承8所在的轴孔的轴心与角度编码器基座7的轴心偏离一定的距离，最终以保证编码盘5的轴心落在角度编码器基座7的轴心上，避免角度编码器的整体尺寸的不必要增大。

为减少装配工序，提高零部件的精度，上述从动齿轮6与连编码盘转轴4 做成一体，主动齿轮10与输入轴9做成一体，即连编码盘转轴4及输入轴9都是齿轮轴结构。

本发明的工作原理为：角度编码器工作时，输入轴9与被检测的对象连接，经过主动齿轮10和从动齿轮6变速，将其转动量放大，将放大后的转动量经过连编码盘转轴4传递给编码盘5，实现对信号的进一步细分。

设主动齿轮10和从动齿轮6的齿数分别为：Z1，Z2（Z1>Z2），那么其对转动量的放大倍数为i= Z1/Z2 ;编码盘上的光栅条数为X；光学放大系数为G; 电路的细分倍数为P;未添加变速齿轮装置与添加变速齿轮装置的角度编码器的精度分别为J1,J2 ；分辨率分别为F1,F2。则有：

1.分辨率为：

F1=360°/(X*G*P);F2=360°/（X*G*P*i） =F1/i.

2.其精度关系为：

J2≈J1/i;

-----说明：F和P之值越小，则分别说明其分辨率和精度越高。

理论上两精度的关系为J2=J1/i，由于变速齿轮装置本身在进行运动传递的过程中会造成误差的损失，因此对主动齿轮（10）和从动齿轮（6）的精度要求比较高，因此其精度关系只能接近J2≈J1/i。

由于角度编码器的整体尺寸，编码盘（5）的直径也跟随减小，又因为光栅的刻蚀技术有限，故导致在编码盘（5）上所刻蚀的光栅条数减少，直接致使了角度编码器在物理上的对检测信号的分辨率的降低，因此角度编码器的测量精度有所下降。本发明在角度编码器编码盘尺寸相同的情况下，通过添加变速齿轮传递装置从而可以大大提高原有角度编码器的分辨率和测量精度的机械装置。

本发明是利用宏微复合的思想，间接实现增加角度编码器的编码盘5光栅刻线条数的目的，即若齿轮传动比为N,那么可间接实现将光栅刻线条数增为原数的N倍,从而达到提高角度编码器的测量分辨率及测量精度。在编码盘上直接刻蚀光栅是在微观上对测量信号进行细分，因编码盘的空间和刻蚀技术的限制，这种微观上的细分技术已经达到瓶颈。作为辅助功能，使测量信号得到进一步细分的变速齿轮传动装置，属于宏观上的细分。此两宏微的结合，能使角度编码器的测量信号能的到进一步的细分，大大提高了其分辨率以及测量精度。

Claims (9)

1.一种提高角度编码器分辨率及测量精度的机械装置，其特征在于包括连编码盘转轴轴承座（1）、连编码盘转轴轴承（3）、连编码盘转轴（4）、编码盘（5）、从动齿轮（6）、角度编码器基座（7）、输入轴轴承（8）、输入轴（9）、主动齿轮（10），其中输入轴（9）通过两个输入轴轴承（8）安装在角度编码器基座（7）上，连编码盘转轴（4）通过两个连编码盘转轴轴承（3）安装在连编码盘转轴轴承座（1）上，连编码盘转轴轴承座（1）安装在角度编码器基座（7）上，主动齿轮（10）装设在输入轴（9）上，从动齿轮（6）装设在连编码盘转轴（4）上，从动齿轮（6）与主动齿轮（10）啮合，且输入轴（9）与被检测的对象连接，编码盘（5）装设在连编码盘转轴（4）上；上述连编码盘转轴轴承（3）的外径和内孔分别与连编码盘转轴轴承座（1）及连编码盘转轴（4）采用过盈配合，且连编码盘转轴轴承（3）的轴心与连编码盘转轴轴承座（1）及连编码盘转轴（4）的轴心共线；上述输入轴轴承（8）的外径和内孔分别与角度编码器基座（7）和输入轴（9）采用过盈配合。

2.根据权利要求1所述的提高角度编码器分辨率及测量精度的机械装置，其特征在于上述连编码盘转轴轴承座（1）通过螺栓（2）拧紧固定安装在角度编码器基座（7）上。

3.根据权利要求1所述的提高角度编码器分辨率及测量精度的机械装置，其特征在于上述从动齿轮（6）为外啮合齿轮，主动齿轮（10）为内啮合齿轮，从动齿轮（6）装设在主动齿轮（10）的内侧。

4.根据权利要求1所述的提高角度编码器分辨率及测量精度的机械装置，其特征在于上述输入轴（9）的轴心与连编码盘转轴（4）的轴心共线。

5.根据权利要求1所述的提高角度编码器分辨率及测量精度的机械装置，其特征在于上述连编码盘转轴轴承（3）及输入轴轴承（8）都是高精度轴承。

6.根据权利要求1所述的提高角度编码器分辨率及测量精度的机械装置，其特征在于上述连编码盘转轴（4）所在的连编码盘转轴轴承座（1）的轴承座孔的轴心与连编码盘转轴轴承座（1）的轴心共线。

7.根据权利要求1所述的提高角度编码器分辨率及测量精度的机械装置，其特征在于上述连编码盘转轴轴承座（1）的轴心与角度编码器基座（7）的轴心共线。

8.根据权利要求1所述的提高角度编码器分辨率及测量精度的机械装置，其特征在于上述连编码盘转轴轴承（3）的径向尺寸比输入轴轴承（8）的径向尺寸小。

9.根据权利要求1至8任一项所述的提高角度编码器分辨率及测量精度的机械装置，其特征在于上述从动齿轮（6）与连编码盘转轴(4) 做成一体，主动齿轮（10）与输入轴（9）做成一体，即连编码盘转轴(4)及输入轴（9）都是齿轮轴结构。