CN106706012A - 编码盘、应用该编码盘的光电测角编码器及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种编码盘、应用该编码盘的光电测角编码器及其工作方法，包括光栅盘，该光栅盘的盘面上同轴设置相对编码和绝对编码，所述相对编码所处的第一码道与所述光栅盘的中心同心设置，所述绝对编码所处的第二码道与所述光栅盘的中心同心设置；相对编码和绝对编码同轴设置在同一光栅盘上，使得光电测角编码器可根据转速的不同选取相对编码或绝对编码作为测量依据；在绝对式测角的支持下，相对式测角无需过零信号就能计算出绝对角度；在相对测角的支持下，绝对式测角可以极大程度的提高条码识别的正确率和识别速度，通过错误码剔除，在提高测量速度的同时提高了正确性和精度。

Description

编码盘、应用该编码盘的光电测角编码器及其工作方法
技术领域
本发明涉及光电测量设备技术领域，特别是一种编码盘、应用该编码盘的光电测角编码器及其工作方法。
背景技术
测量旋转角度的方法主要有两种，一种是相对式测角，另外一种是绝对式测角。在测量旋转角的过程中，光电编码器是极其重要的工具；光电编码器是一种集光、机、电为一体的数字化检测装置，它具有分辨力高、精度高、结构简单、体积小、使用可靠、易于维护、性价比高等优点，近十多年来，已发展为一种成熟的多规格、高性能的系列工业化产品，在数控机床、机器人、雷达、光电经纬仪、地面指挥仪、高精度闭环调速系统、伺服系统等诸多领域中得到了广泛的应用。
光电编码器按照工作原理可分为增量式和绝对式两类，分别应用在相对式测角和绝对式测角领域。增量式编码器(简称增量编码器)是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器(简称绝对编码器)的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。
目前我国采用绝对式测角方法的系统一般都使用CCD或CMOS作为图像采集器件，受限于这些图像传感器需要一定的曝光时间，而且无论是一维还是二维的图像其数据量巨大，读取和存储这些数据需要一定的时间，分析数据也需要消耗一定的时间，所以采用这些图形传感器的编码盘虽然可以达到很高的精度，但无法实现高转速下的实时角度测量。而许多采用相对式测角方法的系统其使用的传感器是光敏二极管，光敏二极管的响应速度非常快可认为是实时响应，数据量很小，处理这些数据的方法也很简单快捷，所以这样的编码盘测量速度极快，可以实现高转速下的实时角度测量，但其对增量编码光栅的精度，系统的机械装配尺寸的控制以及机械稳定性要求很高，越高精度的系统对这些标准的要求就越高，其难达到较高的测角精度。
随着测量技术的发展，测绘的精度和速率要求越来越高，为适应此需求，全站仪得到了更为广泛的应用；例如中国专利授权公告号CN204718602U公布的一种可自动识别目标的伺服全站仪，上述设备配备了两套绝对编码盘测角系统，实现了遥控或无人自助操作；由于绝对编码盘测角系统自身的特点，使得设备在高速运动状态下无法获得目标物的准确坐标，因此不能跟踪移动中的目标，造成测量效率较低；因此设置一种可适应全站仪在高速运动状态、低速运动状态、静止状态同时适用的光电测角编码器是本领域技术人员急需解决的技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种低成本且高速度、高精度的编码盘、应用该编码盘的光电测角编码器及其工作方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的编码盘，包括：光栅盘，该光栅盘的盘面上同轴设置相对编码和绝对编码，所述相对编码所处的第一码道与所述光栅盘的中心同心设置，所述绝对编码所处的第二码道与所述光栅盘的中心同心设置。
进一步，所述相对编码为等间隔依次交替设置的透光码和不透光码，便于检测和识别。
进一步，所述绝对编码为单圈一维绝对编码，一维编码方案其对图像传感器要求低，数据量较少，信号解算的复杂度较低，硬件成本较低。
进一步，所述相对编码所处的第一码道紧邻所述光栅盘的圆周边缘设置，所述单圈一维绝对编码所处的第二码道紧邻所述相对编码所处的第一码道内侧设置；或所述单圈一维绝对编码所处的第二码道紧邻所述光栅盘的圆周边缘设置，所述相对编码所处的第一码道紧邻所述单圈一维绝对编码所处的第二码道内侧设置。
进一步，所述绝对编码为多码道二维绝对编码，所述相对编码所处的第一码道紧邻所述光栅盘的圆周边缘设置，所述多码道二维绝对编码所处的码道紧邻所述相对编码所处的第一码道内侧设置，信息容量大，可以获得更高的精度。
一种光电测角编码器，包括上述的编码盘，该编码盘的中心设置旋转轴，还包括中央数据处理系统、用于采集相对编码信号的增量信号采集系统、用于采集绝对编码信号的图像采集系统，所述中央数据处理系统与所述增量信号采集系统、图像采集系统电连接，用于处理增量信号采集系统、图像采集系统采集到的信息。
进一步，所述增量信号采集系统为反射式光电编码器，所述反射式光电编码器装配在所述旋转轴的轴承上，该反射式光电编码器平行于所述光栅盘设置，并且与光栅盘的条码刻画面同侧，以使反射式光电编码器正对所述相对编码所处的第一码道的中心，易于读取光栅盘上的相对编码。
进一步，所述图像采集系统包括CCD传感器单元和LED照明单元，所述CCD传感器单元装配在所述旋转轴的轴承上，该CCD传感器单元与光栅盘的条码刻画面同侧，以使CCD传感器单元正对所述绝对编码所处的码道的中心，所述LED照明单元对称设置在所述旋转轴的轴承的相对另一侧，便于读取光栅盘上的绝对编码。
进一步，所述增量信号采集系统和图像采集系统设置在光栅盘的不同径线上，避免图像采集系统的LED照明单元影响增量信号采集系统的编码器的信号采集。
上述光电测角编码器的工作方法，包括如下步骤：
A、打开光电测角编码器，初始化光电信号，读取绝对码盘位置，以此角度值作为相对测角的起始位。
B、旋转轴旋转后，由增量信号采集系统读取增量编码信号，并由中央数据处理系统计算当前的位置、转速和转动方向，将计算所得的转速与预设转速进行比对，高于预设转速时由中央数据处理系统控制图像采集系统停止工作，关闭绝对测角，仅使用增量信号采集系统进行相对测角；计算所得的转速低于预设转速时，由中央数据处理系统控制图像采集系统开始工作，开启绝对测角，图像采集系统读取绝对码盘的信号进行图像分析，由中央数据处理系统计算绝对角度，相对测角与绝对测角同步工作；由中央数据处理系统根据绝对测角和相对测角系统对获得的角度值进行修正，绝对测角获得的绝对码盘信号出现误差时，依据相对码盘测得的相对角度剔除误差条码，对绝对角度值进行修正。
发明的技术效果：（1）本发明的编码盘，相对于现有技术，相对编码和绝对编码同轴设置在同一光栅盘上，使得光电测角编码器可根据转速的不同选取相对编码或绝对编码作为测量依据；（2）在绝对式测角的支持下，相对式测角无需过零信号就能计算出绝对角度；（3）在相对测角的支持下，绝对式测角可以极大程度的提高条码识别的正确率和识别速度，通过错误码剔除，在提高测量速度的同时提高了正确性和精度；（4）因为绝对式测角系统所测速较慢，因此当旋转轴的转速大于一定值，绝对式测角系统就无法正常工作，而此时，相对式测角系统能够正常工作，中央数据处理系统和控制系统可以直接关闭绝对式测角系统，降低系统的功耗，当旋转轴的速度小于设定值时，马上开启绝对式测角系统，因此可适应全站仪在高速运动状态、低速运动状态、静止状态的不同需求；（5）因为该系统包含了两套测角系统，因此其可以向外提供两套测角系统的角度值。
附图说明
下面结合说明书附图对本发明作进一步详细说明：
图1是本发明实施例1的编码盘的结构示意图；
图2是图1中A区域的局部放大图；
图3是本发明实施例1的编码盘的结构示意图。
图中：光栅盘1，中心2，第一码道3，第二码道4，相对编码5，透光码51，不透光码52，单圈一维绝对编码6，二维绝对编码7。
具体实施方式
实施例1
本实施例的编码盘，包括条码光栅盘1，如图1所示，该条码光栅盘上面是双码道盘（码道内的透光码和不透光码未示出），第一码道3紧邻光栅盘1的圆周边缘设置，第二码道4紧邻第一码道3内侧设置；如图2所示，第一码道3内是2500线的一维增量相对编码5，由2500条等间隔依次交替设置的透光码51和不透光码52构成；第二码道4内是1080线的单圈一维绝对编码6，条码光栅盘1的中心2固定装配旋转轴，确保旋转轴的转动中心和光栅盘码道的旋转中心同心。
实施例2
本实施例的编码盘，同样包括条码光栅盘1，该条码光栅盘1上面是双码道盘，第二码道4紧邻光栅盘1的圆周边缘设置，第一码道3紧邻第二码道4内侧设置；第一码道3内是2500线的一维增量相对编码5，由2500条等间隔依次交替设置的透光码51和不透光码52构成；第二码道4内是1080线的单圈一维绝对编码6，条码光栅盘1的中心2固定装配旋转轴，确保旋转轴的转动中心和光栅盘码道的旋转中心同心。
实施例3
如图3所示，本实施例的编码盘包括设置一维增量相对编码5和二维绝对编码7的条码光栅盘1，该条码光栅盘1的圆周边缘设置一维增量相对编码5，该一维增量相对编码5由等间隔依次交替设置的透光码51和不透光码52构成；二维绝对编码7设置在一维增量相对编码5的内侧，一维增量相对编码5和二维绝对编码7同心设置。
实施例4
一种光电测角编码器，包括上述实施例的编码盘，该编码盘的中心设置旋转轴，中央数据处理系统、用于采集相对编码信号的增量信号采集系统、用于采集绝对编码信号的图像采集系统，所述中央数据处理系统与所述增量信号采集系统、图像采集系统电连接，用于处理增量信号采集系统、图像采集系统采集到的信息。增量信号采集系统为反射式光电编码器，反射式光电编码器装配在旋转轴的轴承上，该反射式光电编码器平行于光栅盘设置，并且与光栅盘的条码刻画面同侧，以使反射式光电编码器正对相对编码所处的第一码道的中心。图像采集系统包括CCD传感器单元和LED照明单元，CCD传感器单元装配在旋转轴的轴承上，该CCD传感器单元与光栅盘的条码刻画面同侧，以使CCD传感器单元正对绝对编码所处的码道的中心，LED照明单元对称设置在旋转轴的轴承的相对另一侧，便于读取光栅盘上的绝对编码。增量信号采集系统和图像采集系统设置在光栅盘的不同径线上，避免图像采集系统的LED照明单元影响增量信号采集系统的编码器的信号采集。中央数据处理系统可以采用单片机或者DSP模块来实现，例如DSP2812。
该增量信号采集系统所使用的模拟式光电编码器包含三路信号，第一路是数字的过零（基准线）信号，第二路是模拟的正弦信号，第三路是模拟的余弦信号。过零信号的主要是确定基准线位置、防止漏码和防止累积误差。第二和第三路的正弦和余弦信号是我们直接装配调试信号，利用其特性，可按照双踪示波器的李萨如图形调试增量信号采集系统的装配调试。第一步，该两路信号经过滤波，放大等模拟处理后送给ADC芯片进行数字化处理。中央数据处理系统和控制系统对编码器的ADC芯片送来的两路数字正余弦信号相除得到其正切值，然后按查表法或者直接计算反正切，求出相位角a’。同时对数字正余弦信号进行二值化处理，可以确定当前所处的象限，对a’进行修正，可求当前的象位角a。另外，通过对两路数字正余弦信号的二值化处理后还可以求出旋转轴系的转动方向和对条码计数，可判定于已知位置M相距多少个条码，假设该值为N，则最终的角度C为：
C = M+N×P+a×P÷360°（P = 360°÷2500）。
图像采集系统对CCD信号经过滤波，放大等模拟处理后送给ADC芯片进行数字化处理后送出，中央数据处理系统和控制系统接收到该组数字信号后，通过对信号亚像素级的边沿检测处理，可求出每个条码的两个精细边沿。每个条码边沿到边沿的距离即是该条码的宽度，条码的宽度对应条码的码值。一组条码值对应了该种绝对码编码方式的一个位置，其是唯一的位置。另外，因为我们的编码系统里增量码和绝对码存在位置关系，所以此时依据增量码测角系统测的测量值可以检验该组绝对码值得正确性，它们之间可以互相纠错。最终可以求出该组绝对码值，该码值对应到一个角度值L。每个条码的两个边沿的中心即是该条码的中心位置，依据该组条码中每个条码中心的相互关系，结合其理论的每个条码的中心于中心的关系，可以求出当前位置与该组条码值位置的偏离量e，则可以求出当前位置精确的角度A为：A = L+e。
由于本系统的增量式测角方案测量速度远高于绝对式测角方案，但其测量精度低于绝对式测角，因此，在旋转轴系高速转动时，本测角系统会关掉绝对式测角系统，起到降低功耗的作用；当旋转轴系缓慢转动时，启动绝对式测角系统，提高测角精度。
实施例5
上述电测角编码器的工作方法，包括如下步骤：
A、打开光电测角编码器，初始化光电信号，读取绝对码盘位置，以此角度值作为相对测角的起始位。
B、旋转轴旋转后，由增量信号采集系统读取增量编码信号，并由中央数据处理系统计算当前的位置、转速和转动方向，将计算所得的转速与预设转速进行比对，高于预设转速时由中央数据处理系统控制图像采集系统停止工作，关闭绝对测角，仅使用增量信号采集系统进行相对测角；计算所得的转速低于预设转速时，由中央数据处理系统控制图像采集系统开始工作，开启绝对测角，图像采集系统读取绝对码盘的信号进行图像分析，由中央数据处理系统计算绝对角度，相对测角与绝对测角同步工作；由中央数据处理系统根据绝对测角和相对测角系统对获得的角度值进行修正，绝对测角获得的绝对码盘信号出现误差时，依据相对码盘测得的相对角度剔除误差条码，对绝对角度值进行修正。
预设速度需要根据绝对码盘、相对码盘的精度、图像采集系统、中央数据处理系统的运算能力等参数进行调整，以实施例1中的双码道条码光栅盘的应用为例，旋转轴以转速超过400转/分的高速状态进行旋转时，中央数据处理系统控制图像采集系统停止工作，关闭绝对测角，仅使用增量信号采集系统进行相对测角；旋转轴的转速低于400转/分时，由中央数据处理系统控制图像采集系统开始工作，开启绝对测角，相对测角与绝对测角同步工作，以同时获得两个角度值。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种编码盘，其特征在于，包括：光栅盘（1），该光栅盘（1）的盘面上同轴设置相对编码（5）和绝对编码，所述相对编码（5）所处的第一码道（3）与所述光栅盘（1）的中心（2）同心设置，所述绝对编码所处的第二码道（4）与所述光栅盘（1）的中心（2）同心设置。
2.根据权利要求1所述的编码盘，其特征在于，所述相对编码（5）为等间隔依次交替设置的透光码（51）和不透光码（52）。
3.根据权利要求2所述的编码盘，其特征在于，所述绝对编码为单圈一维绝对编码（6）。
4.根据权利要求3所述的编码盘，其特征在于，所述相对编码（5）所处的的第一码道（3）紧邻所述光栅盘（1）的圆周边缘设置，所述单圈一维绝对编码（6）所处的的第二码道（4）紧邻所述相对编码（5）所处的第一码道（3）内侧设置；或所述单圈一维绝对编码（6）所处的第二码道（4）紧邻所述光栅盘（1）的圆周边缘设置，所述相对编码（5）所处的第一码道（3）紧邻所述单圈一维绝对编码（6）所处的第二码道（4）内侧设置。
5.根据权利要求2所述的编码盘，其特征在于，所述绝对编码为多码道二维绝对编码（7），所述相对编码（5）所处的第一码道（3）紧邻所述光栅盘（1）的圆周边缘设置，所述多码道二维绝对编码（7）所处的码道紧邻所述相对编码（5）所处的第一码道（3）内侧设置。
6.一种光电测角编码器，其特征在于，包括上述权利要求1至5之一所述的编码盘，该编码盘的中心（2）设置旋转轴，还包括中央数据处理系统、用于采集相对编码信号的增量信号采集系统、用于采集绝对编码信号的图像采集系统，所述中央数据处理系统与所述增量信号采集系统、图像采集系统电连接。
7.根据权利要求6所述的光电测角编码器，其特征在于，所述增量信号采集系统为反射式光电编码器，所述反射式光电编码器装配在所述旋转轴的轴承上，该反射式光电编码器平行于所述光栅盘（1）设置，并且与光栅盘（1）的条码刻画面同侧，以使反射式光电编码器正对所述相对编码所处的第一码道（3）的中心。
8.根据权利要求7所述的光电测角编码器，其特征在于，所述图像采集系统包括CCD传感器单元和LED照明单元，所述CCD传感器单元装配在所述旋转轴的轴承上，该CCD传感器单元与光栅盘（1）的条码刻画面同侧，以使CCD传感器单元正对所述绝对编码所处的第二码道（4）的中心，所述LED照明单元对称设置在所述旋转轴的轴承的相对另一侧。
9.根据权利要求8所述的光电测角编码器，其特征在于，所述增量信号采集系统和图像采集系统设置在光栅盘（1）的不同径线上。
10.如权利要求6所述的光电测角编码器的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、打开光电测角编码器，初始化光电信号，读取绝对码盘位置，以此角度值作为相对测角的起始位；
B、旋转轴旋转后，由增量信号采集系统读取增量编码信号，并由中央数据处理系统计算当前的位置、转速和转动方向，将计算所得的转速与预设转速进行比对，高于预设转速时由中央数据处理系统控制图像采集系统停止工作，关闭绝对测角，仅使用增量信号采集系统进行相对测角；计算所得的转速低于预设转速时，由中央数据处理系统控制图像采集系统开始工作，开启绝对测角，图像采集系统读取绝对码盘的信号进行图像分析，由中央数据处理系统计算绝对角度，相对测角与绝对测角同步工作；由中央数据处理系统根据绝对测角和相对测角系统对获得的角度值进行修正，绝对测角获得的绝对码盘信号出现误差时，依据相对码盘测得的相对角度剔除误差条码，对绝对角度值进行修正。
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