CN113639771A - 一种基于透射与反射式方案的编码器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于透射与反射式方案的编码器，包括：标尺光栅、指示光栅、光电接收器、光源和反射开关组；标尺光栅设有用于单圈计数的游标码道组和用于多圈计数的格雷码道组，游标码道组位于标尺光栅的透射区域，格雷码道组位于标尺光栅的透射区域和反射区域，格雷码道组包括至少二条格雷码道；本发明的反射区域位于标尺光栅与转轴的安装位置，该位置在现有编码器中未得到应用，通过应用该位置增加码道的总数量，可用于编码器的小型化；本发明通过增加格雷码道的数量提高编码器的标定余量，进而提高编码器的容错能力；本发明将反射开关应用至编码器的多圈计数，避免光源的管压降对多圈计数的限制。
Description
技术领域
本发明涉及编码器领域，特别涉及一种基于透射与反射式方案的编码器。
背景技术
光电编码器是一种集光、机、电为一体的数字检验装置，它是一种通过光电转换电路将输至轴上的机械、几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，它主要用于速度或位置的检测。具有精度高、响应快、性能稳定可靠等优点。
现有光电编码器没有透射和反射相结合的方案。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供一种基于透射与反射式方案的编码器。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
一种基于透射与反射式方案的编码器，包括：标尺光栅、指示光栅、光电接收器、光源和反射开关组；标尺光栅设有用于单圈计数的游标码道组和用于多圈计数的格雷码道组；
游标码道组包括M码道、N码道和S码道，M码道、N码道和S码道均刻划有沿码道规则分布的多个透光区域，格雷码道组包括至少二条格雷码道，格雷码道均为规律分布的明暗相间条纹；指示光栅设有与游标码道组和格雷码道组对应的至少五条码道，指示光栅的每条码道均刻划有沿码道规则分布的多个透光区域；
游标码道组位于标尺光栅的透射区域，格雷码道组位于标尺光栅的透射区域和反射区域；
反射区域位于标尺光栅与转轴的安装位置。
优选地，N码道、M码道和S码道从外至内顺序排布，至少二条格雷码道分别置于M码道与N码道之间、M码道与S码道之间、N码道的外侧或S码道的内侧。
优选地，还包括用于将光源发出的光转换为平行光的光学系统，光学系统置于光源和标尺光栅之间。
优选地，通过吸光性粘结剂将标尺光栅安装在转轴上。
优选地，对转轴的安装位置进行氧化发黑处理。
优选地，还包括吸光板，吸光板位于转轴的安装位置。
本发明能够取得以下技术效果：
(1)反射区域位于标尺光栅与转轴的安装位置，该位置在现有光电编码器中未得到应用，且现有光电编码器无透射与反射相结合方案，通过应用该位置增加码道的总数量，可用于编码器的小型化；
(2)通过增加格雷码道的数量提高编码器的标定余量，进而提高编码器的容错能力，保证不同工况下编码器均可正常工作；
(3)透射光源管压降大，无法进行多圈计数，将反射开关应用至编码器的多圈计数，避免透射光源的管压降对多圈计数的限制；
(4)未使用磁编码方式进行多圈计数，提高了编码器的抗干扰、静电、磁电能力。
附图说明
图1是根据本发明实施例的基于透射与反射式方案的编码器的结构示意图；
图2是根据本发明实施例的标尺光栅的结构示意图；
图3是根据本发明实施例的光电接收器的结构示意图；
图4是根据本发明实施例的反射开关的结构示意图。
其中的附图标记包括：标尺光栅1、指示光栅2、光电接收器3、光源4、转轴6、M码道1-1、N码道1-2、S码道1-3、第一格雷码道1-4、第二格雷码道1-5、第三格雷码道1-6、第四格雷码道1-7、透射区域1-8、反射区域1-9、M码道光信号接收窗口3-1、N码道光信号接收窗口3-2、S码道光信号接收窗口3-3、第一格雷码道光信号接收窗口3-4、第二格雷码道光信号接收窗口3-5、第一反射开关5-1、第二反射开关5-2、第一反射开关光源5-1-1、第一反射开关光电转换芯片5-1-2。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
如图1所示，本发明实施例提供的基于透射与反射式方案的编码器，包括：标尺光栅1、指示光栅2、光电接收器3、光源4和反射开关组；标尺光栅1设有用于单圈计数的游标码道组和用于多圈计数的格雷码道组；
光源4发出的光依次透过标尺光栅1的透光区域和指示光栅2的透光区域被光电接收器3接收，并经过放大、整形、滤波等处理转换为电信号进行输出；
如图3所示，光电接收器3的下表面设有多个光信号接收窗口，分别对应游标码道组和格雷码道组，包括M码道光信号接收窗口3-1、N码道光信号接收窗口3-2、S码道光信号接收窗口3-3、第一格雷码道光信号接收窗口3-4、第二格雷码道光信号接收窗口3-5。
如图1所示，本实施例的反射开关组包括第一反射开关5-1和第二反射开关5-2，第一反射开关5-1和第二反射开关5-2发出的光被标尺光栅1的反光区域反射，分别返回至第一反射开关5-1和第二反射开关5-2被第一反射开关5-1和第二反射开关5-2接收，并转换为电信号进行输出，根据光电接收器3和反射开关组输出的电信号，得到安装编码器的转轴6的转动角度；光源4管压降大，无法进行多圈计数，将反射开关应用至编码器的多圈计数，避免光源4的管压降对多圈计数的限制。
反射开关组包含的反射开关具有同样的结构，包括反射开关光源和光电转换芯片，如图4所示，以第一反射开关5-1为例，第一反射开关5-1包括第一反射开关光源5-1-1和第一反射开关光电转换芯片5-1-2。
当标尺光栅1进行旋转时，游标码道组和格雷码道组对光源4的遮挡情况发生改变，将入射的光信号切割成强弱变化的信号，使光电接收器3接收到的光的强度发生变化，进而使光电接收器3输出的电信号发生变化。
如图2所示，游标码道组包括M码道1-1、N码道1-2和S码道1-3，M码道1-1、N码道1-2和S码道1-3均刻划有沿码道规则分布的多个透光区域，使M码道1-1、N码道1-2和S码道1-3均为明暗相间的条纹，其中，透光区域位置为明条纹，不透光位置为暗条纹；格雷码道组包括至少二条格雷码道格雷码道均为规律分布的明暗相间条纹，在本实施例中，格雷码道组包括四条格雷码道，分别为第一格雷码道1-4、第二格雷码道1-5、第三格雷码道1-6、第四格雷码道1-7，第一格雷码道1-4和第二格雷码道1-5位于透射区域1-8，第三格雷码道1-6和第四格雷码道1-7位于反射区域1-9；指示光栅2设有与游标码道组和格雷码道组对应的至少五条码道，指示光栅2的每条码道均刻划有沿码道规则分布的多个透光区域，使指示光栅2的每条码道同样为明暗相间的条纹，其中，透光区域位置为明条纹，不透光位置为暗条纹；
游标码道组位于标尺光栅1的透射区域1-8，格雷码道组位于标尺光栅1的透射区域1-8和反射区域1-9，反射开关组包含的反射开关的数量与位于反射区域1-9的格雷码道的数量相同；反射区域1-9的码道的表面光反射率≥50％，为避免杂散光影响信号质量，标尺光栅1的反射区域1-9的光透过率≥90％；反射区域1-9位于标尺光栅1与转轴6的安装位置，该位置在现有编码器中未得到应用，通过应用该位置增加码道的总数量。
当根据M码道1-1、N码道1-2和S码道1-3进行游标运算，共同得到编码器输出时，编码器为绝对式编码器，当根据M码道1-1、N码道1-2和S码道1-3中的任一码道得到编码器输出时，编码器为增量式编码器。
在本发明的一个实施例中，N码道1-2、M码道1-1和S码道1-3从外至内顺序排布，至少二条格雷码道置于M码道1-1与N码道1-2之间、M码道1-1与S码道1-3之间、N码道1-2的外侧或S码道1-3的内侧；格雷码道的位置对格雷码的作用无影响，可根据标尺光栅1的实际情况进行设置。
在本发明的一个实施例中，还包括用于将光源4发出的光转换为平行光的光学系统，光学系统置于光源4和标尺光栅1之间；通过将光转换为平行光进行匀光，使照射至标尺光栅1的光的光强均匀。
在本发明的一个实施例中，通过吸光性粘结剂将标尺光栅1安装在转轴6上，提高反射区域1-9的反光区域与不反光区域之间的对比度。
在本发明的一个实施例中，对转轴6的安装位置进行氧化发黑处理，避免光电转换芯片受到环境以及标尺光栅1反射的杂散光的影响。
在本发明的一个实施例中，还包括吸光板，吸光板位于转轴6的安装位置，吸光板置于转轴6与标尺光栅1之间，吸收杂散光，进一步提高反射区域1-9的反光区域与不反光区域之间的对比度。
下面对本发明的优点进行详细说明：
根据S码道1-3和N码道1-2相对于M码道1-1的相位偏差通过游标计算得到编码器的标定值，S码道1-3和N码道1-2相对于M码道1-1的位置相位偏差越大，标定值越大；在编码器整体结构不变的前提下，在温度变化时，材料出现热胀冷缩，即标尺光栅1与光电接收器3的相对位置出现偏移，导致编码器的标定值增大，当标定值≥标定允差时，编码器报警即不能正常运行，因此编码器的标定余量的提高可以提高编码器的温度适应性。
在编码器单圈计数时，N码道1-2和S码道1-3需要与M码道1-1同步，因此需要设置同步位，同步位越多，越容易进行同步，但编码器精度随着同步位增多而降低，在本发明中，取同步位数c＝4。
M码道1-1的所需物理刻划数为2a，即编码器输出的物理位数为a位，每个电气周期内M码道1-1的脉冲数为2n+s，N码道1-2的脉冲数为2n+s-1，S码道1-3的脉冲数为2n+s-2s，根据编码器原理可得到等式(1)：
a＝n+s+b (1)
其中，n为输出的电信号中N码道1-2的使用位数，s为输出的电信号中S码道1-3的使用位数，b为格雷码道组包含的格雷码道的数量；由于N码道1-2的使用位为编码器高位，为了降低编码器读数出错的概率，通常有n＝s或n＝s+1。
编码器的标定余量的计算公式如公式(2)：
K＝±7(360°/2n+c) (2)
其中，K为编码器的标定余量；
由式(1)和式(2)可知，在M码道1-1、N码道1-2和S码道1-3的刻划数不变的情况下，提高格雷码道的数量可有效提高编码器的标定余量。
本发明可应用于高分辨力、高精度编码器开发，在本发明的一个实施例中，标尺光栅1的M码道1-1的刻划数为2048P/r，即编码器输出的电信号位数a＝11bit。
选取n＝s＝4，在标尺光栅1的每个电气周期内，M码道1-1的脉冲数为24+4，N码道1-2的脉冲数为24+4-1、S码道1-3的脉冲数分别为24+4-24，根据计算格雷码道的数量b＝3。
通过计算编码器标定余量K＝±9.84°，是目前透射式方案的编码器的标定余量的2倍。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于透射与反射式方案的编码器，其特征在于，包括：标尺光栅、指示光栅、光电接收器、光源和反射开关组；所述标尺光栅设有用于单圈计数的游标码道组和用于多圈计数的格雷码道组；
所述游标码道组包括M码道、N码道和S码道，所述M码道、所述N码道和所述S码道均刻划有沿码道规则分布的多个透光区域，所述格雷码道组包括至少二条格雷码道，所述格雷码道均为规律分布的明暗相间条纹；所述指示光栅设有与所述游标码道组和所述格雷码道组对应的至少五条码道，所述指示光栅的每条码道均刻划有沿码道规则分布的多个透光区域；
所述游标码道组位于所述标尺光栅的透射区域，所述格雷码道组位于所述标尺光栅的透射区域和反射区域；
所述反射区域位于所述标尺光栅与转轴的安装位置。
2.如权利要求1所述的基于透射与反射式方案的编码器，其特征在于，所述N码道、所述M码道和所述S码道从外至内顺序排布，所述至少二条格雷码道分别置于所述M码道与所述N码道之间、所述M码道与所述S码道之间、所述N码道的外侧或所述S码道的内侧。
3.如权利要求1所述的基于透射与反射式方案的编码器，其特征在于，还包括用于将所述光源发出的光转换为平行光的光学系统，所述光学系统置于所述光源和所述标尺光栅之间。
4.如权利要求1所述的基于透射与反射式方案的编码器，其特征在于，通过吸光性粘结剂将所述标尺光栅安装在所述转轴上。
5.如权利要求1所述的基于透射与反射式方案的编码器，其特征在于，对所述转轴的安装位置进行氧化发黑处理。
6.如权利要求1所述的基于透射与反射式方案的编码器，其特征在于，还包括吸光板，所述吸光板位于所述转轴的安装位置。
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