CN108444507B - 一种绝对式编码器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种绝对式编码器，所述绝对式编码器包括圆柱状固定支架；设置于所述圆柱状固定支架上且与所述圆柱状固定支架的外侧壁贴合、环形阵列分布的N条光纤；通过联轴器与被测量机械转轴相连的转动轴；其中，所述所述转动轴的轴线与所述圆柱状固定支架的轴线重合；固定于所述转动轴上，用于将目标区域所述光纤的光信号转化为数字电压信号的光信号检测器；与所述光信号检测器连接，根据所述数字电压信号计算为转动角度的处理电路。本申请能够在保证编码器的测量精度的前提下降低制造工艺难度。
Description
技术领域
本发明涉及工控技术领域，特别涉及一种绝对式编码器。
背景技术
编码器主要应用在工控领域的角度位置测量。伴随着工控脚步的跨越式前进，机械手臂、大行程位移测控装置等相应的工厂设备对旋转设备的要求更加苛刻。伺服驱动系统中大都使用编码器作为检测位置的传感器，因此编码器的精度决定了伺服系统的静态指标。在编码器的生产研发过程中，不仅要提高编码器的性能，也要控制成本关注产品的经济性。目前，使用最多的编码器种类为光电编码器。光电编码器分为增量式和绝对式两种，其中，绝对式编码器得到越来越广泛地应用。
现有技术中的编码器的码盘上划分有N个等角的扇形区间，每一所述扇形区间进一步沿径向划分为用于指示该扇形区间在N个扇形区间中排列次序n的位置标定区间以及用于进一步指示精确角度的码道区间。现有技术中这种采用编码盘作为编码器计数部件的方案需要在圆盘上按一定编码方式刻制有很多栅距不等或相等的同心分布码道(每一圈成为一个码道)，而圈与圈之间是以一定规律编排的用于测量角位移的圆盘。但是，这种编码盘的刻制的精度要求很高，制造工艺复杂，制造成本比较高，不易实现小型化
因此，如何在保证编码器的测量精度的前提下降低制造工艺难度是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
发明内容
本申请的目的是提供一种绝对式编码器，能够在保证编码器的测量精度的前提下降低制造工艺难度。
为解决上述技术问题，本申请提供一种绝对式编码器，该绝对式编码器包括：
圆柱状固定支架；
设置于所述圆柱状固定支架上且与所述圆柱状固定支架的外侧壁贴合、环形阵列分布的N条光纤；其中，相邻的所述光纤的外侧壁相互接触，每条所述光纤内通有唯一对应的光信号；
通过联轴器与被测量机械转轴相连的转动轴；其中，所述所述转动轴的轴线与所述圆柱状固定支架的轴线重合；
固定于所述转动轴上，用于将目标区域所述光纤的光信号转化为数字电压信号的光信号检测器；
与所述光信号检测器连接，根据所述数字电压信号计算为转动角度的处理电路。
可选的，还包括：
外壳与所述转动轴固定连接，主轴与所述圆柱状固定支架固定连接的发电机；其中，所述发电机为所述处理电路供电。
可选的，所述光信号检测器设置于固定在所述转动轴上的圆盘上；其中，所述光信号检测器包括多个沿圆周方向分布的光信号接收头。
可选的，所有所述光纤与所述圆柱状固定支架的轴线平行。
可选的，所述处理电路包括：
与所述光信号检测器连接，将所述光信号检测器采集的光信号转化为电压信号的第一转换电路；
与所述第一转换电路连接，根据所述电压信号的变化量转换为所述转动角度的第二转换电路。
可选的，所有所述光纤的型号、规格均相同。
可选的，所述处理电路具体为通过可充电电池供电的处理电路。
本发明提供了一种绝对式编码器，包括：圆柱状固定支架；设置于所述圆柱状固定支架上且与所述圆柱状固定支架的外侧壁贴合、环形阵列分布的N条光纤；其中，相邻的所述光纤的外侧壁相互接触，每条所述光纤内通有唯一对应的光信号；通过联轴器与被测量机械转轴相连的转动轴；其中，所述所述转动轴的轴线与所述圆柱状固定支架的轴线重合；固定于所述转动轴上，用于将目标区域所述光纤的光信号转化为数字电压信号的光信号检测器；与所述光信号检测器连接，根据所述数字电压信号计算为转动角度的处理电路。
本发明通过光纤贴合于圆柱状固定支架外侧壁的结构替代现有技术中编码器的编码盘，多条光纤贴合于圆柱状固定支架的外侧壁，且所有光纤在外侧壁呈环形列阵状分布，即可以理解为在圆柱状固定支架的外侧壁上设置有由多条光纤构成的光纤筒，“筒壁”由光纤构成。本申请还设有与被测量转轴同轴运动的转动轴，转动轴上设置有能够采集目标区域的光信号的光信号检测器，当光信号检测器随被测量转轴转动时，光信号检测器所监测的目标区域对应的光纤就会发生变化，光信号检测器能够检测目标区域进一步的由于每条所述光纤内通有唯一对应的光信号，可以根据目标区域的光信号变化情况确定的转动的角度。本申请的通过光纤替代码盘，解决了现有技术编码器分辨率受码盘限制的技术问题，能够在保证编码器的测量精度的前提下降低制造工艺难度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例所提供的一种绝对式编码器的结构示意图；
图2为本申请实施例所提供的一种绝对式编码器的剖面图；
图3为光纤与圆柱状固定支架安装示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
下面请参见图1、图2，图1为本申请实施例所提供的一种绝对式编码器的结构示意图，图2为本申请实施例所提供的一种绝对式编码器的剖面图；
具体结构可以包括：
圆柱状固定支架100；
其中，本实施例中的圆柱状固定支架100是固定于某个不随被测量机械转轴转动的装置。在绝对式编码器的工作过程中，圆柱状固定支架100不发生转动现象。需要说明的是，圆柱状固定支架100的外侧壁与圆柱的外侧壁相同，而圆柱状固定支架100内部可以存在允许转轴转动的孔，但圆柱状固定支架100整体或者说圆柱状固定支架100的外侧壁是不会随绝对式编码器内任何装置的转动而转动的。
圆柱状固定支架100上设有与圆柱状固定支架100的外侧壁贴合、环形阵列分布的N条光纤200；其中，相邻的所述光纤的外侧壁相互接触，每条光纤200内通有唯一对应的光信号；
其中，本实施的关键在于使用光纤200替代了码盘，光纤是光导纤维的简写，光纤的外形尺寸很小，适用于编码器这种精密仪器的角度测量。需要说明的是，本实施例中的所有光纤都是贴合于圆柱状固定支架100的，“环形阵列分布”具体是指当圆柱状固定支架100上所有的光纤200都固定好后，圆柱状固定支架100的的垂直于轴线方向的截面包括多个光纤的圆形截面(或椭圆形截面)以圆柱状固定支架100截面的圆心为中心环形分布，且任何一个光纤的截面与相邻的两个光纤的截面相接触。当然，作为一种优选的实施方案，每条光纤200均与圆柱状固定支架100的轴线相平行。需要说明的是，虽然本实施例并不限定每条光纤的长度，但是每条光纤第一端面与圆柱状固定支架的第一端面的相平齐，以便光信号检测器采集各条光纤的光信号。可以理解的是，请参见图3，图3为光纤与圆柱状固定支架安装示意图，上面提到的与圆柱状固定支架的第一端面相平齐的所有光纤的第一端面就是以圆柱状固定支架第一端面的圆心为中心点环形阵列分布的。
可以理解的是，本实施例中每条所述光纤内通有唯一对应的光信号，就是说每条光纤中的光信号与其他光纤中的光信号均不相同，可以根据每条光纤的光信号确定光纤的具体编号。本实施例默认在绝对式编码器工作时，每条光纤中均通有相应的光信号。
通过联轴器与被测量机械转轴相连的转动轴300；其中，所述转动轴300的轴线与所述圆柱状固定支架100的轴线重合；
其中，本实施例中转动轴300与被测量机械的转轴相连，即被测量机械带动转动轴300转动，且转动轴300的轴线与被测量机械的轴线重合，因此转动轴300转动的角度就是被测量机械转轴转动的角度。联轴器指联接两轴或轴与回转件，使其在传递运动和动力过程中一同回转不脱开的一种装置。
转动轴300上固定有随转动轴300转动，用于将目标区域光纤200的光信号转化为数字电压信号的光信号检测器400；
其中，本实施例中作为“码盘”的光纤是不随被测量机械转轴转动的，而固定在转动轴300的光信号检测器400会随被测量机械转轴转动，因此光信号检测器的转动角度就是被测量机械转轴转动的角度。需要说明的是，本实施例的光信号检测器400是一种能够采集目标区域的光纤200的光信号的装置，因此本实施例默认光信号检测器400的可以设置在一个半径与圆柱状滚筒第一端面的中心到光纤光纤第一端面的中心的距离相等的圆盘上，且该圆盘与转动轴相垂直并跟随转动轴转动。
与所述光信号检测器400连接，根据所述数字电压信号计算为转动角度的处理电路。
其中，所述处理电路(图中未示出)可以把光信号检测器400接收到数字电压信号转换为代表具体单位角度的码值，本实施例中默认存在每一种数字电压信号对应一个具体的单位角度的码值。可以通过记录第一时刻数字电压信号对应的码值和第二时刻数字电压信号每一个光纤编码的码值计算连个时刻之间的码值的差值，进而得到关于第一时刻和第二时刻之间被测机械转轴转动的角度。进一步的，还可以通过RS-485通讯协议把测量到的转轴的实际角度位置输出到被测量电机的控制系统进行反馈处理，实现精确控制转轴转动位置与速度。优选的，处理电路可以为通过可充电电池供电的处理电路，通过发电机500为该可充电电池供电。
本实施例通过固定在圆柱状固定支架100的光纤200的每一根光纤都发出不同的光信号；沿着圆周方向分布的光信号检测器400随着转动轴300的转动会依照次序接收到每一根光纤都发出不同的光信号；把光信号检测器接收到的光信号后将光信号转化为数字电压信号，再将数字电压信号发送(例如可以通过无线传输技术发送)到处理电路，最终实现对转动轴的角度位置的检测。
举例说明本实施例中关于根据光信号检测器将光信号转化为数字电压信号，处理电路根据数字电压信号计算转动角度的过程：
假设该绝对式编码器上假定有一千根光纤，并确定某一根为第一根，依照逆时针方向给每一根光纤进行编码；而光信号检测器上假定有十五个光信号接收头，依照逆时针方向给每一个光信号接收头编码。角度位置的计算方法为360*(m-1)/i+360*n/(i*j)；其中，m为第m根光纤，n为第n个光信号接收头，i代表光纤的总根数，j为光信号接收头的总数。例如，当编码器转到某一位置时，第7个光信号接收头接收到第301根光纤发出的光信号的角度位置为360*(301-1)/1000+360*7/(15*1000)＝108.168°。本发明以光纤束代替码盘，按照目前现有技术，单根单模光纤的纤核直径为8μm，包层直径为125μm；因此，多个光信号接收头可以在两根光纤之间的角度范围实现机械细分的目的，其个数为125/8＝15个。如果光纤束的固定支架外径为42mm，则沿着圆周分布的光纤根数为42mm*3.1415926/125μm＝1055；而光信号接收头的个数为125μm/8μm＝15。因此，该编码器的分辨率至少为360/(1055*15)＝82″(角度单位：角秒)。进一步而言，随着光纤束的固定支架外径的增大，编码器的分辨率也会相应提高。然而，现有技术中普通的绝对式编码器一般由13位的分辨率，就是360/(2^13)＝158″(角度单位：角秒)，由此可知本发明的编码器与现有技术的编码器相比，分辨率可以大幅度提升，不需要编码盘，大大地降低了制造成本，从而体现跨越性的进步。
在上述实施例的基础上，还可以进行以下改进：
请参见图1，进一步的，该绝对式编码器还可以包括：
外壳与转动轴300固定连接，主轴与圆柱状固定支架100固定连接的发电机500；其中，所述发电机500为所述处理电路供电。
由于转动轴能够随被测量机械转轴转动，而圆柱状固定支架不随被测量机械转轴，因此该发电机500的外壳与主轴发生相对转动进而产生电能，利用发电机产生的电能为处理电路供电。
进一步的，所述光信号检测器400设置于固定在所述转动轴上的圆盘上；其中，所述光信号检测器400包括多个沿圆周方向分布的光信号接收头。该圆盘固定于转动轴上，光信号检测器设置于圆盘上，光信号检测器随转动轴转动的过程中光信号检测器400所监测的目标区域的光信号发生变化，进而可以根据光信号的变化确定转动角度。
进一步的，所有光纤200与所述圆柱状固定支架100的轴线平行。
进一步的，处理电路包括：
与所述光信号检测器连接，将所述光信号检测器采集的光信号转化为电压信号的第一转换电路；
与所述第一转换电路连接，根据所述电压信号的变化量转换为所述转动角度的第二转换电路。
进一步的，所有光纤200的型号、规格均相同。
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
Claims (6)
1.一种绝对式编码器，其特征在于，包括：
圆柱状固定支架；
设置于所述圆柱状固定支架上且与所述圆柱状固定支架的外侧壁贴合、环形阵列分布的N条光纤；其中，相邻的所述光纤的外侧壁相互接触，每条所述光纤内通有唯一对应的光信号；
通过联轴器与被测量机械转轴相连的转动轴；其中，所述转动轴的轴线与所述圆柱状固定支架的轴线重合；
固定于所述转动轴上，用于将目标区域所述光纤的光信号转化为数字电压信号的光信号检测器；
与所述光信号检测器连接，根据所述数字电压信号计算转动角度的处理电路；
其中，所述处理电路包括：
与所述光信号检测器连接，将所述光信号检测器采集的光信号转化为电压信号的第一转换电路；
与所述第一转换电路连接，根据所述电压信号的变化量转换为所述转动角度的第二转换电路。
2.根据权利要求1所述绝对式编码器，其特征在于，还包括：
外壳与所述转动轴固定连接，主轴与所述圆柱状固定支架固定连接的发电机；其中，所述发电机为所述处理电路供电。
3.根据权利要求1所述绝对式编码器，其特征在于，所述光信号检测器设置于固定在所述转动轴上的圆盘上；其中，所述光信号检测器包括多个沿圆周方向分布的光信号接收头。
4.根据权利要求1所述绝对式编码器，其特征在于，所有所述光纤与所述圆柱状固定支架的轴线平行。
5.根据权利要求1所述绝对式编码器，其特征在于，所有所述光纤的型号、规格均相同。
6.根据权利要求1所述绝对式编码器，其特征在于，所述处理电路具体为通过可充电电池供电的处理电路。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20201023 Termination date: 20210607 |