CN108896076B - 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通过联轴器与被测量机械转轴相连的转动主轴；与所述转动主轴连接，用于指示所述被测量机械转轴转动角度的编码滚筒；设置于固定轴上，用于检测预设角度对应的第一端面高度的第一位置传感器和用于检测预所述设角度对应的第二端面高度的第二位置传感器；分别与所述第一位置传感器和所述第二位置传感器连接，用于根据所述第一端面高度和所述第二端面高度确定所述编码滚筒角度位置信息的角度识别装置。本申请能够提高增量式编码器的抗干扰性能，能够在恶劣工作环境中准确的实现角度的测量。

Description

一种绝对式编码器
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。
现有技术中的绝对式编码器技术往往是利用光学特性，通过摩尔条纹原理，对旋转角度进行测量。但是，现有技术中这种编码器往往需要在比较洁净的工作环境，在粉尘较多或者油污较多的条件下，往往会干扰到检测的精准度，造成较大的测量误差。另外增量式旋转编码器若为了实现高精密级的测量，往往对于光源、码盘的要求很高，造成生成成本较高。
因此，如何提高增量式编码器的抗干扰性能，能够在恶劣工作环境中准确的实现角度的测量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，能够提高增量式编码器的抗干扰性能，能够在恶劣工作环境中准确的实现角度的测量。
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：
通过联轴器与被测量机械转轴相连的转动主轴；
与所述转动主轴连接，用于指示所述被测量机械转轴转动角度的编码滚筒；其中，所述编码滚筒的轴线与所述被测量机械转轴的轴线重合，所述编码滚筒包括沿转动方向阶梯状分布的预设数量个第一端面和沿转动方向周期函数状分布的第二端面，所述周期函数的二分之一个周期对应的长度大于或等于任一所述第一端面对应的弧长；
设置于固定轴上，用于检测预设角度对应的第一端面高度的第一位置传感器和用于检测预所述设角度对应的第二端面高度的第二位置传感器；其中，所述第一位置传感器与所述第二位置传感器的连线与所述转动主轴平行；
分别与所述第一位置传感器和所述第二位置传感器连接，用于根据所述第一端面高度和所述第二端面高度确定所述编码滚筒角度位置信息的角度识别装置。
可选的，将所述编码滚筒沿转动方向上的长度被所有所述第一端面平均划分为预设数量份。
可选的，所述周期函数具体为周期三角波函数；其中，所述周期三角波函数的一个周期对应的长度为所述第一端面对应弧长的两倍。
可选的，所述周期函数具体为正弦函数；其中，所述正弦函数的一个周期对应的长度为所述第一端面对应弧长的两倍。
可选的，所述角度识别装置包括：
与所述第一位置传感器和所述第二位置传感器连接，用于将所述第一端面高度和所述第二端面高度进行模数转换得到数字信号的A/D转化器；
与所述A/D转化器连接，用于根据所述数字信号和数据存储器中的数据进行比对确定所述编码滚筒角度位置信息的数字信号处理器。
可选的，还包括：
与所述角度识别装置连接，用于在预设时间内根据所述编码滚筒角度位置信息的变化量生成转动角度的处理器。
本发明提供了一种绝对式编码器，包括通过联轴器与被测量机械转轴相连的转动主轴；与所述转动主轴连接，用于指示所述被测量机械转轴转动角度的编码滚筒；其中，所述编码滚筒包括沿转动方向阶梯状分布的预设数量个第一端面和沿转动方向周期函数状分布的第二端面，所述周期函数的二分之一个周期对应的长度大于或等于任一所述第一端面对应的弧长；设置于固定轴上，用于检测预设角度对应的第一端面高度的第一位置传感器和用于检测预所述设角度对应的第二端面高度的第二位置传感器；其中，所述第一位置传感器与所述第二位置传感器的连线与所述转动主轴平行；分别与所述第一位置传感器和所述第二位置传感器连接，用于根据所述第一端面高度和所述第二端面高度确定所述编码滚筒角度位置信息的角度识别装置。
由于现有技术使用码盘来指示编码器转动角度，而码盘上划有精密的码道，当码盘在粉尘较多或油污较多的环境中工作时，码道往往会被粉尘和油污污染，使得编码器度数不够准确。本发明将现有技术中的码盘替换为编码滚筒，通过编码滚筒的两个端面到位置传感器的距离来确定编码滚筒的转动角度。本发明中的编码滚筒上并没有划码道，而是将编码滚筒的第一端面设置为沿转动方向阶梯状分布形状以便将编码滚筒转动的一周划分为预设数量个角度区间，并将第二端面设置为沿转动方向分布周期函数形状，使得每一角度区间的编码滚筒外侧壁都能有与其唯一对应的第二端面的高度。本发明通过设置第一位置传感器检测预设角度第一端面的高度来确定编角度转动的大致区间，在通过第二位置传感器检测第二端面的高度来确定编码滚筒具体的转动角度。本申请将现有技术中通过识别码道的图像进而确定转动角度的方案，转变为通过识别目标区间编码滚筒的第一端面的形状和第二端面的形状进而确定转动角度。由于编码滚筒的第一端面而第二端面不会受到粉尘和有油污的影响而改变形状因此。本方案能够提高增量式编码器的抗干扰性能，能够在恶劣工作环境中准确的实现角度的测量。
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编码滚筒的外侧壁展开示意图。
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，图中k为第一端面高度，i-j为第二端面高度。
具体结构可以包括：
通过联轴器与被测量机械转轴相连的转动主轴100；
其中，本实施例中的转动主轴100通过联轴器与被测量机械的转轴相连，即被测量机械带动转动主轴转动，且转动主轴的轴线与被测量机械的轴线重合，因此转动主轴100转动的角度就是被测量机械转动的角度。联轴器(图中未示出)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。
与所述转动主轴100连接，用于指示被测量机械转轴转动角度的编码滚筒200；其中，所述编码滚筒200包括沿转动方向阶梯状分布的预设数量个第一端面201和沿转动方向周期函数状分布的第二端面202，所述周期函数的二分之一个周期对应的长度大于或等于任一所述第一端面对应的弧长；
其中，本实施例中的编码滚筒200的外侧壁沿轴线方向投影为圆形，编码滚筒200与转动主轴100相连，即转动主轴100带动编码滚筒200转动，且编码滚筒200的轴线与被测量机械转轴的轴线重合，因此编码滚筒200转动的角度就是被测量机械转动的角度。
本实施例中编码滚筒200的作用就是指示被测量机械转轴转动角度，而由于编码滚筒200的第一端面201和第二端面202的形状不同就会使得编码滚筒沿母线方向的外侧壁展开面，任一母线与第一端面和第二端面之间的交点都不同，即当编码滚筒200转过任一角度都有与其对应的沿母线方向的第一端面的高度和第二端面的高度的组合。
请参见图2，图2为本申请实施例所提供的一种绝对式编码器的编码滚筒的外侧壁展开示意图。图中的第一端面201和第二端面202的形状具体是指，当编码滚筒200的外侧壁沿母线方向展开时垂直于母线方向的投影会存在平行母线的两条边，除了这两条平行于母线的边以外，位于第一端面侧的边为第一端面201的投影，位于第二端面侧的边为第二端面202的投影。第一端面201的投影为阶梯状分布，第二端面202的投影为周期函数形状，需要说明的是该周期函数的形状为连续的周期函数，不存在断点。而周期函数的一个周期对应的长度大于或等于任一所述第一端面对应的弧长的作用在于，在同一个周期对应的外侧壁上不会出现同一高度的第二端面的投影，以便区分编码滚筒转动的各个角度。第二端面就相当于一个齿面。
设置于固定轴(图中未示出)上，用于检测预设角度对应的第一端面高度的第一位置传感器301和用于检测预所述设角度对应的第二端面高度的第二位置传感器302；其中，所述第一位置传感器与所述第二位置传感器的连线与所述转动主轴平行；
固定轴是绝对式编码器中不随转动主轴或被测机械转轴转动的固定的装置，其上设置有第一位置传感器和第二位置传感器，第一位置传感器与第二位置传感器的连线与编码滚筒的轴线平行，第一位置传感器实际上是测量的预设角度的第一端面与自身的距离，该距离由第一端面在母线方向上的距离和垂直于母线方向上的距离共同影响，而事实上垂直于母线方向上的距离是不随编码滚筒转动而发生变化的，因此可以根据实际设置的参数确定第一位置传感器确定其自身与第一端面在母线方向上的高度差(即第一端面高度)。由于第一位置传感器是固定于固定轴的某个位置的，因此，当编码滚筒转动时，第一位置传感器与预设角度的第一端面的母线方向上的高度差是会发生变化的，可以根据该高度差的具体值来确定预设角度对应编码滚筒的具体的角度区间。前面的论述同样适用于第二位置传感器，可以根据第二位置传感器与第二端面的在母线方向上的高度差(即第二端面高度)确定预设角度对应的角度区间的具体角度值。需要说明的是，第一位置传感器301所采集的预设角度在编码滚筒上的区域与第二位置传感器302所采集的预设角度在编码滚筒上的区域在编码滚筒的同一条母线上，即第一位置传感器301与第二位置传感器相当于一把尺子用于测量任一母线上第一端面高度与第二端面高度，在不同母线上具有不同的第一端面高度和第二端面高度的组合，因此可以根据第一端面高度和第二端面高度确定编码滚筒的位置信息。可以理解的是，由于第一位置传感器和第二位置传感器所检测的是同一母线方向上的位置信息，因此就相当于检测目标区域内第一端面高度和第二端面高度，由于编码滚筒在转动过程中第一端面高度与第二端面高度的组合会发生变化，因此可以确定在目标时间内编码滚筒转动的角度。
分别与第一位置传感器301和第二位置传感器302连接，用于根据第一端面高度和第二端面高度确定编码滚筒角度位置信息的角度识别装置。由于不同第一端面的之间高度是不同的，因此可以根据第一位置传感器检测到的第一端面的高度确定第一位置传感器所对的位置的外侧壁所在角度区间，每一个第一端面对应的外侧壁对应的第二端面都具有不同的高度，因此可以根据第二位置传感器302检测到的第二端面高度确定第二位置传感器所对的位置的外侧壁所在的具体角度。
作为一种优选的实施方式，编码滚筒若存在8个第一端面，且每个第一端面对应的弧长相等，因此每个第一端面将编码滚筒的一周划分为8个相等的角度区间，并对每个第一端面进行编号，按照编号顺序每个第一端面对应的角度依次为0°～45°，45°～90°，90°～135°，135°～180°，180°～225°，225°～270°，270°～315°，315°～360°；而第二端面的形状为周期三角波函数，该周期三角波函数一周期对应的弧长恰好为两个第一端面对应的弧长。角度位置的计算公式：奇数扇数的角度位置计算公式为
Figure GDA0002545680570000061
而偶数扇数角度位置的计算公式为
Figure GDA0002545680570000062
其中，S扇区总数(即第一端面的数量)，P表示为第P扇区，d表示编码滚筒的柱面直径，k表示第一扇区斜线的斜率，a＝i-j。
分别与所述第一位置传感器和所述第二位置传感器连接，用于根据所述第一端面高度和所述第二端面高度确定所述编码滚筒角度位置信息的角度识别装置。
角度识别装置(图中未示出)根据第一端面高度和第二端面高度能够确定编码滚筒的位置信息，可以根据当前时刻与上一时刻的位置信息的变化确定编码滚筒转动的角度，进而确定被测机械转轴转动的角度。进一步的，还可以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。
进一步的，将所述编码滚筒沿转动方向上的长度被所有所述第一端面平均划分为预设数量份。
进一步的，所述周期函数具体为周期三角波函数；其中，所述周期三角波函数的一个周期对应的长度为所述第一端面对应弧长的两倍。
进一步的，周期函数具体为正弦函数；其中，所述正弦函数的一个周期对应的长度为所述第一端面对应弧长的两倍。
进一步的，角度识别装置包括：
与第一位置传感器和第二位置传感器连接，用于将所述第一端面高度和第二端面高度进行模数转换得到数字信号的A/D转化器；
与所述A/D转化器连接，用于根据数字信号和数据存储器中的数据进行比对确定编码滚筒角度位置信息的数字信号处理器。
进一步的，还包括：
与角度识别装置连接，用于在预设时间内根据所述编码滚筒角度位置信息的变化量生成转动角度的处理器。
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：
通过联轴器与被测量机械转轴相连的转动主轴；
与所述转动主轴连接，用于指示所述被测量机械转轴转动角度的编码滚筒；其中，所述编码滚筒的轴线与所述被测量机械转轴的轴线重合，所述编码滚筒包括沿转动方向阶梯状分布的预设数量个第一端面和沿转动方向周期函数状分布的第二端面，所述周期函数的二分之一个周期对应的长度大于或等于任一所述第一端面对应的弧长；
设置于固定轴上，用于检测预设角度对应的第一端面高度的第一位置传感器和用于检测预所述设角度对应的第二端面高度的第二位置传感器；其中，所述第一位置传感器与所述第二位置传感器的连线与所述转动主轴平行；
分别与所述第一位置传感器和所述第二位置传感器连接，用于根据所述第一端面高度和所述第二端面高度确定所述编码滚筒角度位置信息的角度识别装置。
2.根据权利要求1所述绝对式编码器，其特征在于，将所述编码滚筒沿转动方向上的长度被所有所述第一端面平均划分为预设数量份。
3.根据权利要求2所述绝对式编码器，其特征在于，所述周期函数具体为周期三角波函数；其中，所述周期三角波函数的一个周期对应的长度为所述第一端面对应弧长的两倍。
4.根据权利要求2所述绝对式编码器，其特征在于，所述周期函数具体为正弦函数；其中，所述正弦函数的一个周期对应的长度为所述第一端面对应弧长的两倍。
5.根据权利要求1所述绝对式编码器，其特征在于，所述角度识别装置包括：
与所述第一位置传感器和所述第二位置传感器连接，用于将所述第一端面高度和所述第二端面高度进行模数转换得到数字信号的A/D转化器；
与所述A/D转化器连接，用于根据所述数字信号和数据存储器中的数据进行比对确定所述编码滚筒角度位置信息的数字信号处理器。
6.根据权利要求1所述绝对式编码器，其特征在于，还包括：
与所述角度识别装置连接，用于在预设时间内根据所述编码滚筒角度位置信息的变化量生成转动角度的处理器。
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