CN113639772A - 一种高标定余量编码器 - Google Patents

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马春玲
王庆贺
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Abstract

本发明提供一种高标定余量编码器，包括：标尺光栅、指示光栅、光电接收器和光源；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，格雷码道组包括至少二条格雷码道；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，保证不同工况下编码器均可正常工作；本发明还采用蓝光光源，增大光源的有效发光半径，提高发光效率，提高编码器的可靠性。

Description

一种高标定余量编码器
技术领域
本发明涉及编码器领域，特别涉及一种高标定余量编码器。
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。
光电编码器可采用游标式编码，游标式编码是依据游标卡尺的原理进行编码的，即在标尺光栅上刻有3圈码道，分别标记为N(游标码道)、M(主码道)、S(段码道)，码道之间依次错开一定的相位。
采用游标编码方式时，理论上M、S、N三条码道的零位在同一固定位置，在标尺光栅旋转过程中，三条码道零位一起开始、一起结束，但是由于零件加工误差、安装误差以及温度导致的标尺光栅形变的存在使三条码道无法保证在同一位置，因此需要对三条码道进行同步运算，同步运算的过程即标定过程，标定允许最大的范围为标定允差，随着编码器位数的提高，标定允差的范围会减小，标定余量越大，编码器性能越可靠。
因此随着编码器小型化、高精度编码器的市场需求，如何提高标定余量范围是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
现有的基于透射式原理的编码器，它们的LED光源都为红外光或红光，此类光源的发光波长较长，发光效率较低，当光栅上刻划的窗口宽度＜0.025mm时，会因光电转换效率低而导致信号不稳定。
现有的小型封装LED采用的管壳，标准尺寸都为φ4.7mm，当内部发光芯片为红外光或红光时，发出光的有效半径仅为φ2.9mm至3mm，限制了光栅的有效刻划区的面积。
现有的高分辨率光学系统都是通过双发光系统、大封装LED(φ6mm，φ7mm等)来解决，这样导致产品的尺寸变大，无法实现小型化。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供一种高标定余量编码器。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
一种高标定余量编码器，包括：标尺光栅、指示光栅、光电接收器和光源；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，每条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；
编码器的标定余量与N码道在编码器输出的二进制信号中的使用位成反比，通过增加格雷码道的数量来减少N码道在编码器输出的二进制信号中的使用位，进而提高编码器的标定余量。
优选地，光源为蓝光光源。
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，标尺光栅上的M码道、N码道、S码道和全部格雷码道的几何中心重合；指示光栅上的全部码道的几何中心重合。
优选地，指示光栅的全部码道的最小外接圆的几何中心与M码道的几何中心重合。
优选地，最小外接圆的直径小于光源的有效发光直径。
优选地，指示光栅的每条码道的径向尺寸均小于标尺光栅上的对应码道的径向尺寸。
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。
本发明能够取得以下技术效果：
(1)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；
(2)采用蓝光光源，增大光源的有效发光半径，提高发光效率，提高编码器的可靠性。
附图说明
图1是根据本发明实施例的高标定余量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指示光栅的结构示意图；
图4是根据本发明实施例的光电接收器的结构示意图。
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5、M码道101、N码道102、S码道103、第一格雷码道104、第二格雷码道105、第三格雷码道106、第四格雷码道107、指示光栅M码道201、指示光栅N码道202、指示光栅S码道203、指示光栅第一格雷码道204、指示光栅第二格雷码道205、指示光栅第三格雷码道206、指示光栅第四格雷码道207、M码道光信号接收窗口301、N码道光信号接收窗口302、S码道光信号接收窗口303、第一格雷码道光信号接收窗口304、第二格雷码道光信号接收窗口305、第三格雷码道光信号接收窗口306、第四格雷码道光信号接收窗口307、最小外接圆6、有效发光直径7。
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高标定余量编码器，包括：标尺光栅1、指示光栅2、光电接收器3和光源4；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，根据输出的电信号得到安装编码器的转轴5的转动角度；
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301、N码道光信号接收窗口302、S码道光信号接收窗口303、第一格雷码道光信号接收窗口304、第二格雷码道光信号接收窗口305、第三格雷码道光信号接收窗口306、第四格雷码道光信号接收窗口307。
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接受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101、N码道102和S码道103，M码道101、N码道102和S码道103均刻划有沿码道规则分布的多个透光区域，使M码道101、N码道102和S码道103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，每条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104、第二格雷码道105、第三格雷码道106、第四格雷码道107；
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；
如图3所示，在本实施例中，指示光栅2设有七条码道，分别为指示光栅M码道201、指示光栅N码道202、指示光栅S码道203、指示光栅第一格雷码道204、指示光栅第二格雷码道205、指示光栅第三格雷码道206、指示光栅第四格雷码道207；
编码器的标定余量与N码道102在编码器输出的二进制信号中的使用位成反比，即N码道102在编码器输出的二进制信号中的使用位越少，编码器的标定余量越大；通过增加格雷码道的数量来减少N码道102在编码器输出的二进制信号中的使用位，进而提高编码器的标定余量。
当根据M码道101、N码道102和S码道103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101、N码道102和S码道103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，光源4为蓝光光源，蓝光光源相比红外光或红光，发光效率提高10-15％，且发光半径增大至3.3-3.4mm。
在本发明的一个实施例中，N码道102、M码道101和S码道103从外至内顺序排布，至少二条格雷码道置于M码道101与N码道102之间、M码道101与S码道103之间、N码道102的外侧或S码道103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，标尺光栅1上的M码道101、N码道102、S码道103和全部格雷码道的几何中心重合，指示光栅2上的全部码道的几何中心重合；每条码道均为环形码道，环形码道的几何中心为圆心，即标尺光栅1上的所有码道的圆心重合，指示光栅2上的所有码道的圆心重合。
在本发明的一个实施例中，指示光栅2的全部码道的最小外接圆6的几何中心与M码道101的几何中心重合，即标尺光栅1上的所有码道的圆心与指示光栅2上的所有码道的圆心重合。
在本发明的一个实施例中，最小外接圆6的直径小于光源4的有效发光直径7；确保指示光栅2上的所有码道均在光源4的照射范围内。
在本发明的一个实施例中，指示光栅2的每条码道的径向尺寸均小于标尺光栅1上的对应码道的径向尺寸。
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。
下面对本发明的优点进行详细说明：
根据S码道103和N码道102相对于M码道101的相位偏差通过游标计算得到编码器的标定值，S码道103和N码道102相对于M码道101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102和S码道103需要与M码道101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101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101的脉冲数为2n+s，N码道102的脉冲数为2n+s-1，S码道103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102的使用位数，s为输出的电信号中S码道103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102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101、N码道102和S码道103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101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101的脉冲数为24+4，N码道102的脉冲数为24+4-1、S码道103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 (8)

1.一种高标定余量编码器，其特征在于，包括：标尺光栅、指示光栅、光电接收器和光源；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，每条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；
编码器的标定余量与所述N码道在编码器输出的二进制信号中的使用位成反比，通过增加所述格雷码道的数量来减少所述N码道在编码器输出的二进制信号中的使用位，进而提高编码器的标定余量。
2.如权利要求1所述的高标定余量编码器，其特征在于，所述光源为蓝光光源。
3.如权利要求1所述的高标定余量编码器，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。
4.如权利要求1所述的高标定余量编码器，其特征在于，所述标尺光栅上的M码道、N码道、S码道和全部格雷码道的几何中心重合；所述指示光栅上的全部码道的几何中心重合。
5.如权利要求1所述的高标定余量编码器，其特征在于，所述指示光栅的全部码道的最小外接圆的几何中心与所述M码道的几何中心重合。
6.如权利要求5所述的高标定余量编码器，其特征在于，所述最小外接圆的直径小于所述光源的有效发光直径。
7.如权利要求1所述的高标定余量编码器，其特征在于，所述指示光栅的每条码道的径向尺寸均小于所述标尺光栅上的对应码道的径向尺寸。
8.如权利要求1所述的高标定余量编码器，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。
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