CN1731099A - 一种绝对式三轴联动测角测圈编码器 - Google Patents

Abstract

一种绝对式三轴联动测角测圈编码器，属于光电测量技术领域中涉及的一种测角测圈编码器。本发明要解决的技术问题是：提供一种绝对式三轴联动测角测圈编码器，解决的技术方案是：它由一级编码器系统、二级编码器系统、三级编码器系统和壳体组成。一级编码器主轴顶端固连有主轴齿轮，从一级编码器主轴齿轮到二级编码器主轴齿轮，要经过三个过渡轴上的大小齿轮的相互啮合传递，从二级编码器主轴齿轮到三级编码器主轴齿轮，还要经过另外三个过渡轴上的大小齿轮的相互啮合传递，才能实现测角测圈功能。该仪器可测量转轴的圈数在3位数以上，通过测量转轴的圈数，来测量转轴转动量所代表的直线位移量，应用领域很广。

Description

一种绝对式三轴联动测角测圈编码器

一、技术领域

本发明属于光电测量技术领域中涉及的一种测角测圈编码器。

二、技术背景

光电轴角编码器是测量角位移的光电传感器件，在通常情况下，光电轴角编码器都是测角的，在现代的科学试验和工业应用中，有的需要把转动变为直线位移，由于工作环境的限制，比如很深的井下或屏蔽环境，无法直接获得直线位移，常常把转动转变为直线平移，例如一个丝杆转动一圈，丝杆的直线平移距离就是它的一个螺距，丝杆转动n圈，它的直线移动距离就是它的n个螺距的长度。因此，在无法直接获得直线位移的情况下，就用测量转动的角度或转动的圈数来计算它的直线位移，测角测圈编码器就是这样问世并被应用的。

与本发明最为接近的已有技术，是中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制开发的“一种绝对式二轴联动测角测圈编码器”如图1所示，包括一级编码器系统和二级编码器系统以及壳体。一级编码器系统，包括：一级主轴1、法兰轴套2、轴承3、隔环4、螺母5、轴承压环6、一级发光管座7、发光管8、一级码盘9、一级狭缝盘10、基板11、接收管12、螺钉13、一级接收管座14、螺钉33、螺钉35、一级主轴小齿轮38；二级编码器系统包括：二级支座15、支柱16、螺钉17、第一过渡轴大齿轮18、第一过渡轴19、第一过渡轴小齿轮20、二级发光管座22、发光管23、二级轴套24、二级码盘25、二级狭缝盘26、接收管27、二级接收管座28、轴承29、二级主轴30、螺母31、二级主轴大齿轮32、第二过渡轴大齿轮34、第二过渡轴小齿轮36、第二过渡轴37。

该二轴联动测角测圈编码器，两个主轴的转动传动是通过位于二级支座15上边的安装在二级编码器系统内的第二过渡轴37上的大齿轮34与固定在一级主轴1顶端上的小齿轮38的齿啮合、第二过渡轴37上的小齿轮36与第一过渡轴19上的大齿轮18的齿啮合、第一过渡轴19上的小齿轮20与固定在二级主轴未端的大齿轮32的齿啮合实现的。一级主轴输出的光电信号，代表一级主轴在一圈内转角的位置，二级主轴输出的光电信号代表了一级主轴计数的圈数。

该编码器存在的主要问题是：最多计数16圈，计的圈数太少，这样记录转轴的直线位移就短，只有作特定的应用，对于要求测量转轴直线位移大的场合就不适用。

三、发明内容

为了克服已有技术存在的缺陷，本发明的目的在于能够记录转轴的长距离直线位移，特设计三轴联动编码器。

本发明要解决的技技术问题是：提供一种绝对式三轴联动测角测圈编码器。解决技术问题的技术方案如图3所示：包括一级编码器系统、二级编码器系统、三级编码器系统和壳体。

一级编码器系统包括：法兰39、支撑座45、一级主轴齿轮75、螺钉77、基板78、螺钉79、一级狭缝盘80、一级码盘81、轴承压圈82、螺钉83、一级轴套84、轴承隔环85、轴承86、一级主轴87、螺母88、一级发光管座89、发光管90、接收管91、螺钉92、一级接收管座93；

二级编码器系统包括：支撑座45、二级发光管座59、发光管60、二级狭缝盘61、接收管62、二级接收管座63、支柱64、二级码盘65、轴承66、螺母67、二级轴套68、过渡轴三69、过渡轴三小齿轮70、过渡轴三大齿轮71、过渡轴二小齿轮72、过渡轴一73、过渡轴一小齿轮74、过渡轴一大齿轮76、过渡轴二94、过渡轴二大齿轮95、二级主轴小齿轮96、二级主轴97、二级主轴大齿轮98；

三级编码器系统包括：过渡轴六大齿轮42、三级主轴43、三级主轴齿轮44、支撑座45、支柱46、三级接收管座47、接收管48、三级轴套49、三级狭缝盘50、三级码盘51、发光管52、三级发光管座53、轴承54、螺母55、过渡轴六小齿轮56、过渡轴六57、过渡轴五小齿轮58、过渡轴四99、过渡轴四齿轮100、过渡轴五101、过渡轴五大齿轮102；

壳体包括螺钉40、壳体41。

一级编码器系统安装在法兰39和支撑座45所形成的空间内，一级主轴87的下部直径较粗的部位垂直穿过法兰39的轴孔伸向其外部，上部直径较细的部位垂直穿过支撑座45的轴孔伸向其上部，顶端固定着一级主轴齿轮75并随主轴转动；两个轴承86套装在一级主轴87上，中间置有轴承隔环85，下边的轴承与主轴的下台肩接触，上边的轴承被与一级主轴87用螺纹匹配的螺母88和轴承压圈82压住，在两个轴承86的外侧装有一级轴套84，轴套84的底面与法兰39接触，并用螺钉92固定，在一级轴套84的上面置有轴承压圈82并用螺钉83固定，压在轴承86上；一级码盘81套装在一级主轴87上部直径较细部位的台肩上，并与其固连随主轴转动，一级狭缝盘80的边缘固定在基板78的圆环内径上，与一级码盘81同轴线平行并留有一定的间隙安装，一级狭缝盘80相对于一级主轴87固定不动，相对于一级码盘81相对转动；基板78通过轴孔套装在一级主轴87上部直径较细的部位上，基板78的圆环下面与一级轴套84圆环上面接触，两者用螺钉79固定；在轴承压圈82的上边，在一级轴套84圆环壁上安装一级发光管座89，在其上装有发光管90；在基板78的上面装有一级接收管座93，在其上并穿过基板78的孔装有接收管91；使发光管90和接收管91的光轴重合，发光管90发出的光穿过一级码盘81的通光码道和一级狭缝盘80的狭缝，被接收管91接收。

在二级编码器系统中，过渡轴一73、过渡轴二94、过渡轴三69、在支撑座45的上面通过轴孔，垂直固定在支撑座45上，都平行于一级主轴87，支撑座45的工作面平行于法兰39的内外工作面；过渡轴一大齿轮76与一级主轴齿轮75之间是齿啮合，过渡轴一小齿轮74与过渡轴一大齿轮76之间固连，两个齿轮的轴孔与过渡轴一73之间是转动配合；过渡轴二大齿轮95与过渡轴一小齿轮74之间是齿啮合，过渡轴二小齿轮72与过渡轴二大齿轮95之间固连，两个齿轮的轴孔与过渡轴二94之间是转动配合；过渡轴三大齿轮71与过渡轴二小齿轮72之间是齿啮合，过渡轴三小齿轮70与过渡轴三大齿轮71之间固连，两个齿轮的轴孔与过渡轴三69之间是转动配合；二级主轴97平行于过渡轴三69，同轴套装固定在二主轴97上的二级主轴大齿轮98与过渡轴三小齿轮70之间齿啮合，在二级主轴97的下端部位固定装有二级主轴小齿轮96；在二级主轴97上端的平台上固完整有二级码盘65，并随二级主轴转动，平台下面套装有轴承66，轴承66的下面与二级主轴97螺纹配合的螺母67压在轴承66上，轴承66的外侧装有二级轴套68，在二级码盘65下边的二级轴套68的台阶上，与二级码盘65平行并保持一定的间隙装有二级狭缝盘61，二级轴套68的台阶上开有孔，台阶底面装有二级接收管座63，上面装有的接收管62伸进台阶开孔朝向二级码盘65，在二级轴套68延伸到二级码盘65上边的平架上开有孔，在平架上装有二级发光管座59，上面装有的发光管60伸进平架开孔朝向二级狭缝盘61，发光管60与接收管62的光轴线重合，发光管60发出的光通过二级码盘65的通光码道和二级狭缝盘61的狭缝后，被接收管62接收；支柱64的下端垂直固定在支撑座45上，上端支撑在二级轴套68的台阶底面上。

在三级编码器系统中，过渡轴四99，过渡轴五101、过渡轴六57在支撑座45的上面通过轴孔，垂直固定在支撑座45上；过渡轴四齿轮100与二级主轴小齿轮96齿啮合，过渡轴四齿轮100的轴孔与过渡轴四99之间是转动配合，过渡轴五大齿轮102与过渡轴四齿轮100之间是齿啮合，过渡轴五小齿轮58与过渡轴五大齿轮102两者固连，两个齿轮的轴孔与过渡轴五之间是转动配合；过渡轴六大齿轮42与过渡轴五小齿轮58之间是齿啮合，过渡轴六小齿轮56和过渡轴六大齿轮42之间固连，两个齿轮的轴孔与过渡轴六之间是转动配合；三级主轴43平行与过渡轴六57，固定在三级主轴43下端的三级主轴齿轮44与过渡轴六小齿轮58之间是齿啮合，在三级主轴43上端的平台上固连装有三级码盘51，随三级主轴转动，平台下面装有轴承54，轴承54的下面与三级主轴43螺纹配合的螺母55压在轴承54上，在轴承54的外侧装有三级轴套49，在三级码盘51下边的三级轴套49的台阶上，与三级码盘51平行并保持一定的间隙装有三级狭缝盘50，三级轴套49的台阶上开有孔，台阶底面装有三级接收管座47，上面装有的接收管48伸进台阶开孔朝向三级码盘51，在三级轴套49延伸到三级码盘51上边的平架上开有孔，在平架上装有三级发光管座53，上面装有的发光管52伸进平架开孔朝向三级狭缝盘50，发光管52与接收管48的光轴线重合，发光管52发出的光通过三级码盘51的通光码道和三级狭缝盘50的狭缝后被接收管48接收；支柱46的下端垂直固定在支撑座45上，上端支撑在三级轴套49的台阶底面上。壳体41将一级、二级、三级编码器系统全部套装在壳体内，并用螺钉40与法兰39固连。

工作原理说明：一级码盘随一级主轴同轴转动，发光管发出的连续光线经过码盘与狭缝盘后被调制成有规律变化的断续光线，这些有规律的断续光线被接收管接收，这些光电信号经放大、整形、细分等电处理后以用户所需要的代码形式输出，这些代码代表了一级主轴在0°～360°范围内的任意绝对角度值。

二级码盘与三级码盘同样输出二、三级主轴的角度的绝对值，同时，一级主轴与二级主轴之间通过一些传动齿轮连接，使一级主轴转过一周时，二级码盘输出一位码，二级主轴转过一周时三级码盘输出一位码，这样二级码盘输出的光电信号记录了一级主轴转过的圈数，三级码盘输出的光电信号记录了二级主轴转过的圈数。一、二、三级码盘均选用绝对式码盘。这三级联动的编码器输出的光电信号就是一级主轴转过的圈数及单圈角度值的单值函数。

本发明的积极效果：具有测角测圈双功能，而且能测比较多的圈数，可达到三位数以上，使轴的转动转变为较长的直线位移量，这种编码器可广泛应用在工业和科学试验中，特别使在人为无法接触的特定场合，能发挥它的特定作用。

四、附图说明

图1是已有技术的结构示意图，图2是已有技术中一级主轴至二级主轴传动系统结构示意图，图3是本发明的结构示意图，摘要附图亦选用图3。

五、具体实施方式

本发明按图3所示的结构实施，其中一级主轴87、二级主轴97、三级主轴43、过渡轴一73、过渡轴二94、过渡轴三69、过渡轴四99、过渡轴五101、过渡轴六57、一级轴套84、二级轴套68、三级轴套49、支撑座45等件的材质均采用45#钢；一级轴承86采用W687ZZ型号，二、三级轴承66和54均采用WMLF4008ZZ型号；所有传动齿轮的材质均采用黄铜H62，模数m＝0.5，压力角α＝20°，其中，过渡轴一大齿轮76、过渡轴二大齿轮95、过渡轴三大齿轮71、过渡轴五大齿轮102、过渡轴六大齿轮42、二级主轴大齿轮98、三级主轴齿轮44均采用36个齿，一级主轴齿轮75、过渡轴一小齿轮74、过渡轴二小齿轮72、过渡轴三小齿轮70、过渡轴四齿轮100、过渡轴五小齿轮58、过渡轴六小齿轮56、二级主轴小齿轮96均采用18个齿，大小齿轮的传动比为2∶1；码盘和狭缝盘的材质均采用K9光学玻璃，精加工后镀铬，其中一级码盘81，直径φ50mm，中心孔φ12mm，厚2mm，一级狭缝盘80，直径φ52mm，中心孔φ20mm，厚2mm，码盘采用绝对式矩阵码盘图案，可输出14位码；二级码盘65和三级码盘51的直径φ37mm，中心孔φ5mm，厚1.5mm，二级狭缝盘61和三级狭缝盘50采用厚1.5mm的45°扇形(外径φ37mm，内孔φ10mm)采用5位绝对式码盘图案，可输出5位二进制码，其中有一位作为校正码用，目的是使测圈准确，二级码盘可测圈数为2⁴＝16圈，三级码盘可测圈数为2⁴＝16圈，二、三级组合测圈数为16×16＝256圈。法兰39和壳体41的材质采用铸铝ZL。所有的发光管座和接收管座的材质采用酚醛板。

Claims (1)

1、一种绝对式三轴联动测角测圈编码器，包括一级编码器系统，二级编码器系统和壳体，其特征在于还包括三级编码器系统，一级编码器系统安装在法兰(39)和支撑座(45)所形成的空间内，一级主轴(87)的下部直径较粗的部位垂直穿过法兰(39)的轴孔伸向其外部，上部直径较细的部位垂直穿过支撑座(45)的轴孔伸向其上部，顶端固定着一级主轴齿轮(75)并随主轴转动；两个轴承(86)套装在一级主轴(87)上，中间置有轴承隔环(85)，下边的轴承与主轴的下台肩接触，上边的轴承被与一级主轴(87)用螺纹匹配的螺母(88)和轴承压圈(82)压住，在两个轴承(86)的外侧装有一级轴套(84)，轴套84的底面与法兰(39)接触，并用螺钉(92)固定，在一级轴套(84)的上面置有轴承压圈(82)并用螺钉(83)固定，压在轴承(86)上；一级码盘(81)套装在一级主轴(87)上部直径较细部位的台肩上，并与其固连随主轴转动，一级狭缝盘(80)的边缘固定在基板(78)的圆环内径上，与一级码盘(81)同轴线平行并留有一定的间隙安装，一级狭缝盘(80)相对于一级主轴(87)固定不动，相对于一级码盘81相对转动；基板(78)通过轴孔套装在一级主轴(87)上部直径较细的部位上，基板(78)的圆环下面与一级轴套(84)圆环上面接触，两者用螺钉(79)固定；在轴承压圈(82)的上边，在一级轴套(84)圆环壁上安装一级发光管座(89)，在其上装有发光管(90)；在基板(78)的上面装有一级接收管座(93)，在其上并穿过基板(78)的孔装有接收管(91)；使发光管(90)和接收管(91)的光轴重合，发光管(90)发出的光穿过一级码盘(81)的通光码道和一级狭缝盘(80)的狭缝，被接收管(91)接收；

在二级编码器系统中，过渡轴一(73)、过渡轴二(94)、过渡轴三(69)、在支撑座(45)的上面通过轴孔，垂直固定在支撑座(45)上，都平行于一级主轴(87)，支撑座(45)的工作面平行于法兰(39)的内外工作面；过渡轴一大齿轮(76)与一级主轴齿轮(75)之间是齿啮合，过渡轴一小齿轮(74)与过渡轴一大齿轮(76)之间固连，两个齿轮的轴孔与过渡轴一(73)之间是转动配合；过渡轴二大齿轮(95)与过渡轴一小齿轮(74)之间是齿啮合，过渡轴二小齿轮(72)与过渡轴二大齿轮(95)之间固连，两个齿轮的轴孔与过渡轴二(94)之间是转动配合；过渡轴三大齿轮(71)与过渡轴二小齿轮(72)之间是齿啮合，过渡轴三小齿轮(70)与过渡轴三大齿轮(71)之间固连，两个齿轮的轴孔与过渡轴三(69)之间是转动配合；二级主轴(97)平行于过渡轴三(69)，同轴套装固定在二主轴(97)上的二级主轴大齿轮(98)与过渡轴三小齿轮(70)之间齿啮合，在二级主轴(97)的下端部位固定装有二级主轴小齿轮(96)；在二级主轴(97)上端的平台上固定装有二级码盘(65)，并随二级主轴转动，平台下面套装有轴承(66)，轴承(66)的下面与二级主轴(97)螺纹配合的螺母(67)压在轴承66上，轴承(66)的外侧装有二级轴套(68)，在二级码盘(65)下边的二级轴套(68)的台阶上，与二级码盘(65)平行并保持一定的间隙装有二级狭缝盘(61)，二级轴套(68)的台阶上开有孔，台阶底面装有二级接收管座(63)，上面装有的接收管(62)伸进台阶开孔朝向二级码盘(65)，在二级轴套(68)延伸到二级码盘(65)上边的平架上开有孔，在平架上装有二级发光管座(59)，上面装有的发光管(60)伸进平架开孔朝向二级狭缝盘(61)，发光管(60)与接收管(62)的光轴线重合，发光管(60)发出的光通过二级码盘(65)的通光码道和二级狭缝盘(61)的狭缝后，被接收管(62)接收；支柱(64)的下端垂直固定在支撑座(45)上，上端支撑在二级轴套(68)的台阶底面上。

在三级编码器系统中，过渡轴四(99)，过渡轴五(101)、过渡轴六(57)在支撑座(45)的上面通过轴孔，垂直固定在支撑座(45)上；过渡轴四齿轮(100)与二级主轴小齿轮(96)齿啮合，过渡轴四齿轮(100)的轴孔与过渡轴四(99)之间是转动配合，过渡轴五大齿轮(102)与过渡轴四齿轮(100)之间是齿啮合，过渡轴五小齿轮(58)与过渡轴五大齿轮(102)两者固连，两个齿轮的轴孔与过渡轴五之间是转动配合；过渡轴六大齿轮(42)与过渡轴五小齿轮(58)之间是齿啮合，过渡轴六小齿轮(56)和过渡轴六大齿轮(42)之间固连，两个齿轮的轴孔与过渡轴六之间是转动配合；三级主轴(43)平行与过渡轴六(57)，固定在三级主轴(43)下端的三级主轴齿轮(44)与过渡轴六小齿轮(58)之间是齿啮合，在三级主轴(43)上端的平台上固连装有三级码盘(51)，随三级主轴转动，平台下面装有轴承(54)，轴承(54)的下面与三级主轴(43)螺纹配合的螺母(55)压在轴承(54)上，在轴承(54)的外侧装有三级轴套(49)，在三级码盘(51)下边的三级轴套(49)的台阶上，与三级码盘(51)平行并保持一定的间隙装有三级狭缝盘(50)，三级轴套(49)的台阶上开有孔，台阶底面装有三级接收管座(47)，上面装有的接收管(48)伸进台阶开孔朝向三级码盘(51)，在三级轴套(49)延伸到三级码盘(51)上边的平架上开有孔，在平架上装有三级发光管座(53)，上面装有的发光管(52)伸进平架开孔朝向三级狭缝盘(50)，发光管(52)与接收管(48)的光轴线重合，发光管(52)发出的光通过三级码盘(51)的通光码道和三级狭缝盘(50)的狭缝后被接收管(48)接收；支柱(46)的下端垂直固定在支撑座(45)上，上端支撑在三级轴套(49)的台阶底面上。壳体(41)将一级、二级、三级编码器系统全部套装在壳体内，并用螺钉(40)与法兰(39)固连。

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