CN117367466A - 一种用于位移测量的磁性编码器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及位移测量技术领域，提供了一种用于位移测量的磁性编码器及其制作方法，所述磁性编码器包括高精度准正弦磁盘、传感组件和调节电路；高精度准正弦磁盘包括基座、主码道和游标码道；主码道和游标码道均为多个磁条以N极和S极相互交替沿圆周排列形成的环状结构，使主码道和游标码道上表面呈沿圆周方向的正弦状起伏结构。本发明中磁性编码器的磁盘主码道和游标码道分别设计成正弦波形的曲面，将充磁后的磁盘的极宽精度提高一倍，从0.1度提高到0.05度，将磁盘的表磁提高15%以上，进一步提高了磁性编码器的精度稳定性，且制作工艺简单，精确度高，降低了磁性编码器的制作成本，且扩大了磁性编码器在高精度领域的应用空间。

Description

一种用于位移测量的磁性编码器及其制作方法

技术领域

本发明涉及位移测量技术领域，具体涉及一种用于位移测量的磁性编码器及其制作方法。

背景技术

编码器是一种用来进行位移测量的传感器，它能够测量机械部件在旋转或直线运动时的位移位置信息，并将其转换成一系列电信号。常见的编码器包括光电编码器和磁性编码器。

磁性编码器是以磁电原理技术生产的编码器，其通过霍尔元件检测旋转运动中的磁场分布变化，根据磁场变化得出旋转位置信息，并将其转换成电气信号输出。

相较于传统的光学编码器，磁性编码器不需要有复杂的码盘和光源，元器件数量更少，检测结构更加简单；同时，霍尔元件本身也具有结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、耐震动、不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀等许多优点。因此，磁性编码器在使用时有着相对比较高的可靠性，结实、耐用，适合应用在一些比较恶劣的设备环境中，如风电、工程机械领域等。因此，磁性编码器的使用范围越来越广。

磁性编码器的精度主要受磁盘精度的影响，磁性编码器要输出理想信号需要满足两个条件：一是输出的信号为正弦波，或接近正弦波（准正弦波）的磁场信号，目前市场上的磁盘只能输出类正弦波；二是磁码上磁极的极宽一致性要好，这样每个磁极输出的正弦波的周期性和正弦性就会一致。

目前，市场上磁性编码器通用的磁盘是采用平面设计的充磁面，通过提高磁盘的充磁精度来提高磁性编码器的测量精度。但是，由于磁盘充磁时磁盘上每个磁极间的磁场相互影响，导致磁盘的极间距精度控制有限，现有技术中最好的极间距精度控制在0.1度，在现有技术的框架下再提高极间距精度已经非常有难度，只能通过软件计算修正由此产生的误差。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于位移测量的磁性编码器及其制作方法，通过提供一种高精度准正弦磁盘，从磁盘的硬件设计上提高磁性编码器的精度。

第一方面，一种用于位移测量的磁性编码器，所述磁性编码器包括高精度准正弦磁盘和传感组件，其中。

所述高精度准正弦磁盘，用于通过旋转产生变化的磁场。

所述传感组件，用于采集变化的磁场信号，输出标准正弦波电信号。

在一种可能的实现方式中，所述磁性编码器还包括调节电路，用于对所述标准正弦波电信号进行倍增、分频或内插以产生所需的输出信号。

所述高精度准正弦磁盘固定连接于电机的主轴末端，随着电机的转动而转动。

所述传感组件包括传感器、电路板和数据线，所述传感器安装在电路板上。

所述调节电路设置于电路板上，且调节电路的输入端连接于所述传感器的输出端，调节电路的输出端与数据线连接。

在一种可能的实现方式中，所述高精度准正弦磁盘包括基座和主码道；所述主码道为由多个磁条以N极和S极相互交替的形式沿圆周排列形成的环状结构；所述磁条为条状突起结构，使得所述主码道上表面为沿圆周方向的正弦状起伏结构；所述主码道与基座同轴心设置于基座上表面。

在一种可能的实现方式中，所述磁盘还包括游标码道。

所述游标码道为由多个磁条以N极和S极相互交替的形式沿圆周排列形成的环状结构，且游标码道上表面为沿圆周方向的正弦状起伏结构。

所述游标码道在基座上表面与所述主码道同轴心设置于主码道内部，且游标码道与主码道不接触。

在一种可能的实现方式中，所述游标码道与主码道的磁条个数不同。

在一种可能的实现方式中，所述基座包括自上而下依次设置的上底板、下底板和定位装置。

在一种可能的实现方式中，所述上底板为环状结构，所述游标码道和主码道设置于上底板的上表面，所述上底板的内径与游标码道的内径相等，外径与主码道的外径相等。

所述下底板为设置于上底板底部的环状结构，其内径与上底板的内径相等，外径略小于上底板的外径，使得在下底板外缘与上底板形成保护套卡扣。

所述定位装置为设置于下底板底部的环状结构，其内径小于下底板的内径，外径小于下底板的外径，使得所述定位装置的内径部分伸出于所述下底板、上底板和游标码道的内径中。

在一种可能的实现方式中，所述磁性编码器还包括保护罩，所述保护罩固定连接于电机末端，以保护高精度准正弦磁盘和传感组件。

第二方面，一种用于位移测量的磁性编码器的制作方法，包括。

制作高精度准正弦磁盘。

将所述高精度准正弦磁盘固定连接于电机的主轴末端。

组装传感组件和调节电路。

将所述高精度准正弦磁盘、传感组件和调节电路组装为磁性编码器。

所述制作高精度准正弦磁盘，具体包括。

利用数控加工方法制作基座，所述基座材质为无磁不锈钢。

将橡胶磁铁制作成一定厚度的圆环形磁片，所述圆环形磁片为平面环。

采用树脂胶通过热压工艺将所述圆环形磁片下表面粘接在基座上表面，所述圆环形磁片与基座同轴心设置。

通过热压模具热压所述圆环形磁片上表面，在所述圆环形磁片上表面形成沿圆周排列多个条状突起，使所述圆环形磁片上表面沿圆周方向呈正弦状起伏结构，得到主码道。

对所述主码道上的磁条进行充磁，使磁条以N极和S极相互交替的形式排列，得到高精度准正弦磁盘。

在一种可能的实现方式中，所述圆环形磁片包括第一圆环形磁片和第二圆环形磁片，第一圆环形磁片的内径大于第二圆环形磁片的外径，第一圆环形磁片和第二圆环形磁片的下表面分别通过热压工艺粘接在基座上表面，第一圆环形磁片、第二圆环形磁片与基座同轴心设置，且第一圆环形磁片和第二圆环形磁片互不接触。

通过热压模具分别热压第一圆环形磁片和第二圆环形磁片上表面，在第一圆环形磁片上表面形成沿圆周排列多个条状突起，使所述第一圆环形磁片上表面沿圆周方向呈正弦状起伏结构，得到主码道；在第二圆环形磁片上表面也形成沿圆周排列多个条状突起，使所述第二圆环形磁片上表面沿圆周方向呈正弦状起伏结构，得到游标码道。

分别对所述主码道和游标码道上的磁条进行充磁，使所述主码道和游标码道上的磁条分别以N极和S极相互交替的形式排列，得到高精度准正弦磁盘。

基于以上发明内容，相较于现有技术，本发明具有以下技术效果。

（1）本发明磁性编码器中磁盘主码道和游标码道分别设计成正弦波形的曲面，由于每个磁极的极宽和波形主要与曲面的加工精度相关，和充磁精度关系不密切，利用当前的充磁精度就可以将充磁后的磁盘的极宽精度提高一倍，从0.1度提高到0.05度，相较现有技术取得了显著的进步，为扩大实现磁性编码器在高精度领域使用场景提供了更广阔的应用空间。

（2）本发明磁性编码器的磁盘主码道和游标码道的正弦波结构设计，可以提高磁盘的表磁，经过模拟软件的分析，本申请的技术方案能够将表磁提高15%以上，进一步提高了磁盘的精度稳定性。

（3）本发明磁性编码器的磁盘通过热压工艺制成，工艺简单，且磁盘波形由模具形状定型，将每个极对的角宽度控制精度转化到曲面加工精度，曲面的加工精度取决于热压模具的加工精度，而目前的机械加工的精度非常高，模具加工的角度精度可以达到0.036度以上，从而保证磁盘的测试精度达到0.05度或者更高。

（4）本发明磁性编码器的磁盘通过设置保护套卡扣和定位结构，在先后对主码道和游标码道进行充磁时，能够根据图纸设计精确定位主码道和游标码道上N极和S极的位置，以确保充磁以后的磁极分别与图纸设计保持一致。

附图说明

为了更清楚说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种用于位移测量的磁性编码器使用场景的侧视图。

图2为本发明实施例提供的一种用于位移测量的磁性编码器使用场景的主视图。

图3为本发明实施例提供的一种用于位移测量的磁性编码器的高精度准正弦磁盘的主视图。

图4为本发明实施例提供的一种用于位移测量的磁性编码器的高精度准正弦磁盘的俯视图。

图5为本发明实施例提供的一种用于位移测量的磁性编码器的高精度准正弦磁盘的侧视图。

图6为图5所示的一种用于位移测量的磁性编码器的高精度准正弦磁盘的侧视图中A部分的放大图。

其中，1-电机，2-高精度准正弦磁盘，3-传感器，4-保护罩，11-主轴，12-供电线，13-承托件，31-电路板，32-数据线，21-磁环，22-基座，211-主码道，212-游标码道，221-上底板，222-下底板，223-定位装置，224-保护套卡扣，2111-磁条。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参见图1-2，为本发明实施例提供的一种用于位移测量的磁性编码器使用场景的侧视图和主视图。如图所示，一种用于位移测量的磁性编码器，所述磁性编码器装配在电机1的主轴11末端，检测电机的旋转方向和位置。

所述磁性编码器，包括高精度准正弦磁盘2和传感组件，其中.

所述高精度准正弦磁盘2，用于通过旋转产生变化的磁场。

所述传感组件，用于采集变化的磁场信号，输出标准正弦波电信号。

所述高精度准正弦磁盘2通过承托件13固定连接于主轴11末端，随着电机1的转动而转动。

所述传感组件包括传感器3、电路板31和数据线32，所述传感器3安装在电路板31上，所述电路板31通过数据线32实现数据传输。

优选的，所述传感器3为感应电压变化的霍尔效应器件或感应磁场变化的磁阻器件。

进一步的，所述磁性编码器还包括调节电路，用于对所述标准正弦波电信号进行倍增、分频或内插以产生所需的输出信号。所述调节电路设置于电路板31上，且调节电路的输入端连接于所述传感器3的输出端，调节电路的输出端与数据线32连接。

进一步的，所述磁性编码器还包括保护罩4，所述保护罩4固定连接于电机末端，以保护高精度准正弦磁盘2和传感组件。

优选的，所述传感组件与调节电路固定于保护罩上。

需要说明的是，所述电机1通过供电线12实现供电。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上，进一步对高精度准正弦磁盘的结构进行说明。具体的，参见图3-6，为本发明实施例提供的一种用于位移测量的磁性编码器的高精度准正弦磁盘的各视图。如图所示，所述磁盘包括基座22和主码道211。

所述基座22为注塑工艺制成的无磁结构。

所述主码道211为由多个磁条2111以N极和S极相互交替的形式沿圆周排列形成的环状结构；所述磁条2111为条状突起结构，使得所述主码道211上表面为沿圆周方向的正弦状起伏结构。

所述主码道211与基座22同轴心设置于基座22上表面。

进一步的，所述磁盘还包括游标码道212。

所述游标码道212为由多个磁条2111以N极和S极相互交替的形式沿圆周排列形成的环状结构，且游标码道212上表面为沿圆周方向的正弦状起伏结构。

所述游标码道212在基座22上表面与所述主码道211同轴心设置于主码道211内部，且游标码道212与主码道211不接触。

所述游标码道212与主码道211共同构成磁环21，且所述游标码道212与主码道211的磁条2111个数不同，确保在磁环21的每一个径向方向上，游标码道212与主码道211的磁感应强度差都是不同的。

所述基座22包括自上而下依次设置的上底板221、下底板222和定位装置223。

所述正弦状起伏结构的表达式为0.15*sin(x)。

参见图3，所述上底板221为环状结构，所述游标码道212和主码道211设置于上底板221的上表面，所述上底板221的内径与游标码道212的内径相等，外径与主码道211的外径相等。

所述下底板222为设置于上底板221底部的环状结构，其内径与上底板221的内径相等，外径略小于上底板221的外径，使得在下底板222外缘与上底板221形成保护套卡扣224。

所述保护套卡扣224用于在磁盘充磁过程中对所述主码道211的充磁磁极进行定位，以确保主码道211充磁后的磁极分布与设计图纸一致。

优选的，所述保护套卡扣上设置有主码道磁极定位标识。

进一步的，所述主码道磁极定位标识包括：色块、图形、文字。

所述定位装置223为设置于下底板222底部的环状结构，其内径略小于下底板222的内径，外径小于下底板222的外径，使得所述定位装置223的内径部分伸出于所述下底板222、上底板221和游标码道212的内径中。

所述定位装置223用于主码道211充磁完成后，对游标码道212进行充磁时，对所述游标码道212的充磁磁极进行定位，以确保游标码道212充磁后的磁极分布与设计图纸一致。

在一种可能的实施方式中，所述定位装置223的底部设置有定位卡扣，以实现定位功能。

在一种可能得实施方式中，所述定位装置223内径部分中伸出于所述下底板222、上底板221和游标码道212内径内的部分的上表面设置有游标码道磁极定位标识。

进一步的，所述游标码道磁极定位标识包括：色块、图形、文字。

实施例3

本实施例是在实施例1-2的基础上，进一步提出一种用于位移测量的磁性编码器的制作方法，包括。

制作高精度准正弦磁盘。

将所述高精度准正弦磁盘固定连接于电机的主轴末端。

组装传感组件和调节电路，将传感组件和调节电路固定在保护罩上。

将所述保护罩固定在电机末端，使得所述传感组件和调节电路、传感组件和调节电路保护于保护罩内。

进一步的，所述制作高精度准正弦磁盘，具体包括。

利用数控加工工艺制作基座，所述基座材质为无磁不锈钢。

所述利用数控加工工艺制作基座，具体为：将无磁不锈钢板经线切割加工基座的上底板、下底板和定位结构，并在上底板和下底板之间形成保护套卡扣，以保证精度；将上底板上表面进行喷砂处理，以提高后续步骤中磁片与基座的粘结牢固度。

将橡胶磁铁制作成一定厚度的圆环形磁片，所述圆环形磁片为平面环。

将所述圆环形磁片采用树脂胶通过热压工艺粘接在基座上表面。

通过热压模具热压所述圆环形磁片上表面，热压后的圆环形磁片上表面形成由多个磁条沿圆周排列形成的环状结构，使圆环形磁片上表面呈沿圆周方向的正弦状起伏，得到主码道。

根据所述保护套卡扣的定位，对所述主码道上的磁极进行相应的充磁。

进一步的，所述圆环形磁片包括第一圆环形磁片和第二圆环形磁片，第一圆环形磁片的内径大于第二圆环形磁片的外径，第一圆环形磁片和第二圆环形磁片的下表面分别通过热压工艺粘接在基座上表面，第一圆环形磁片、第二圆环形磁片与基座同轴心设置，且第一圆环形磁片和第二圆环形磁片互不接触。

通过热压模具分别热压第一圆环形磁片和第二圆环形磁片上表面，在第一圆环形磁片上表面形成沿圆周排列多个条状突起，使所述第一圆环形磁片上表面沿圆周方向呈正弦状起伏结构，得到主码道；在第二圆环形磁片上表面也形成沿圆周排列多个条状突起，使所述第二圆环形磁片上表面沿圆周方向呈正弦状起伏结构，得到游标码道。

在所述主码道充磁结束后，再根据所述定位结构的定位，对所述游标码道上的磁极进行相应的充磁。

综上所述，本发明的磁性编码器通过设计高精度准正弦磁盘，能够从物理尺寸上控制波形，增加测量精度，本发明利用磁场强度随着材料厚度不同，从而产生不同的磁场波形来实现控制输出信号的波形，不仅可以控制输出信号的一致性，也可以控制波形的正弦型和每个正弦波的周期一致。将磁盘的主码和游标码轨道分别设计成正弦波浪形的曲面，通过模拟软件分析，得到准正弦信号，并且每个极的极宽和波形主要与曲面的加工精度相关，和充磁的精度关系不密切，按照目前的充磁精度就可以实现将充磁后磁盘的极宽精度提高一倍，从0.1度提高到0.05度，实现了超出预期的效果，为扩大实现磁性编码器在高精度领域使用场景提供了更广阔的应用空间。本发明的磁性编码器的磁环采用正谐波的物理结构设计，可以提高编码器磁盘的表磁，经过模拟软件的分析，本设计可以将表磁提高15%以上，从另一方面提高了磁盘的精度稳定性。本发明的磁性编码器的高精度准正弦磁盘的制作方法中，先将橡胶磁铁制作成一定厚度的圆环形磁片，将磁片和基座采用树脂胶通过热压工艺粘接在一起，热压模具采用设计的正弦波曲面方式，再热压橡胶成型后制造出所需产品。由于该工艺可以按照模具形状定型，所以能制作出符合设计要求的产品。本发明中的磁盘通过设置保护套卡扣和定位结构，在先后对主码道和游标码道进行充磁时，能够根据图纸设计精确定位主码道和游标码道上N极和S极的位置，以确保充磁以后的磁极分别与图纸设计保持一致。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种用于位移测量的磁性编码器，其特征在于，所述磁性编码器包括高精度准正弦磁盘（2）和传感组件，其中，

所述高精度准正弦磁盘（2），用于通过旋转产生变化的磁场；

所述传感组件，用于采集变化的磁场信号，输出标准正弦波电信号；

所述磁性编码器还包括调节电路，用于对所述标准正弦波电信号进行倍增、分频或内插以产生所需的输出信号；

所述高精度准正弦磁盘（2）固定连接于电机（1）的主轴（11）末端，随着电机（1）的转动而转动；

所述传感组件包括传感器（3）、电路板（31）和数据线（32），所述传感器（3）安装在电路板（31）上；

所述调节电路设置于电路板（31）上，且调节电路的输入端连接于所述传感器（3）的输出端，调节电路的输出端与数据线（32）连接；

所述高精度准正弦磁盘（2）包括基座（22）和主码道（211）；所述主码道（211）为由多个磁条（2111）以N极和S极相互交替的形式沿圆周排列形成的环状结构；所述磁条（2111）为条状突起结构，使得所述主码道（211）上表面为沿圆周方向的正弦状起伏结构；所述主码道（211）与基座（22）同轴心设置于基座（22）上表面。

2.根据权利要求1所述的一种用于位移测量的磁性编码器，其特征在于，所述磁盘还包括游标码道（212）；

所述游标码道（212）为由多个磁条（2111）以N极和S极相互交替的形式沿圆周排列形成的环状结构，且游标码道（212）上表面为沿圆周方向的正弦状起伏结构；

所述游标码道（212）在基座（22）上表面与所述主码道（211）同轴心设置于主码道（211）内部，且游标码道（212）与主码道（211）不接触。

3.根据权利要求2所述的一种用于位移测量的磁性编码器，其特征在于，所述游标码道（212）与主码道（211）的磁条（2111）个数不同。

4.根据权利要求2所述的一种用于位移测量的磁性编码器，其特征在于，所述基座（22）包括自上而下依次设置的上底板（221）、下底板（222）和定位装置（223）。

5.根据权利要求4所述的一种用于位移测量的磁性编码器，其特征在于，所述上底板（221）为环状结构，所述游标码道（212）和主码道（211）设置于上底板（221）的上表面，所述上底板（221）的内径与游标码道（212）的内径相等，外径与主码道（211）的外径相等；

所述下底板（222）为设置于上底板（221）底部的环状结构，其内径与上底板（221）的内径相等，外径略小于上底板（221）的外径，使得在下底板（222）外缘与上底板（221）形成保护套卡扣（224）；

所述定位装置（223）为设置于下底板（222）底部的环状结构，其内径小于下底板（222）的内径，外径小于下底板（222）的外径，使得所述定位装置（223）的内径部分伸出于所述下底板（222）、上底板（221）和游标码道（212）的内径中。

6.根据权利要求1所述的一种用于位移测量的磁性编码器，其特征在于，所述磁性编码器还包括保护罩（4），所述保护罩（4）固定连接于电机末端，以保护高精度准正弦磁盘（2）和传感组件。

7.一种用于位移测量的磁性编码器的制作方法，其特征在于，包括：

制作高精度准正弦磁盘；

将所述高精度准正弦磁盘固定连接于电机的主轴末端；

组装传感组件和调节电路；

将所述高精度准正弦磁盘、传感组件和调节电路组装为磁性编码器；

所述制作高精度准正弦磁盘，具体包括：

利用数控加工方法制作基座，所述基座材质为无磁不锈钢；

将橡胶磁铁制作成圆环形磁片，所述圆环形磁片为平面环；

采用树脂胶通过热压工艺将所述圆环形磁片下表面粘接在基座上表面，所述圆环形磁片与基座同轴心设置；

通过热压模具热压所述圆环形磁片上表面，在所述圆环形磁片上表面形成沿圆周排列多个条状突起，使所述圆环形磁片上表面沿圆周方向呈正弦状起伏结构，得到主码道；

对所述主码道上的磁条进行充磁，使磁条以N极和S极相互交替的形式排列，得到高精度准正弦磁盘。

8.根据权利要求7所述的一种用于位移测量的磁性编码器的制作方法，其特征在于，所述圆环形磁片包括第一圆环形磁片和第二圆环形磁片，第一圆环形磁片的内径大于第二圆环形磁片的外径，第一圆环形磁片和第二圆环形磁片的下表面分别通过热压工艺粘接在基座上表面，第一圆环形磁片、第二圆环形磁片与基座同轴心设置，且第一圆环形磁片和第二圆环形磁片互不接触；

通过热压模具分别热压第一圆环形磁片和第二圆环形磁片上表面，在第一圆环形磁片上表面形成沿圆周排列多个条状突起，使所述第一圆环形磁片上表面沿圆周方向呈正弦状起伏结构，得到主码道；在第二圆环形磁片上表面也形成沿圆周排列多个条状突起，使所述第二圆环形磁片上表面沿圆周方向呈正弦状起伏结构，得到游标码道；

分别对所述主码道和游标码道上的磁条进行充磁，使所述主码道和游标码道上的磁条分别以N极和S极相互交替的形式排列，得到高精度准正弦磁盘。