CN204831336U - 一种与运动控制系统融为一体的绝对式光电编码器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种与运动控制系统融为一体的高精度绝对式光电编码器，包括主轴、轴承、轴套、准直光源LED A、准直光源LED B、码盘、分划板A、分划板B、光敏阵列A、光敏阵列B、线路板、光电编码器、紧固件及连接件、数字接口电路、模拟接口电路、运动控制器；码盘用胶接固联在轴套上；轴套通过顶丝锁紧安装在主轴上；准直LED A与准直LED B并列安装。本实用新型的优点：（1）缩小编码器径向尺寸；（2）减小密集排列码道间窜光影响；（3）放宽加工及装调允差；（4）提高光电信号的正弦性，减小谐波对细分精度的影响，利用运动控制器实现高插补系数的电子学细分，角度粗代码、精代码和细分代码组合构成单圈20位以上的绝对式光电编码器。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种数字化测角装置，尤其涉及风电、机器人关节等运动领域角速度和角位移实时准确地测量用的与系统融为一体的绝对式光电编码器。
背景技术
在运动控制领域中，光电编码器是实时测量转轴旋转角速度和角位移的重要传感器，是运动控制系统中的核心部件之一。绝对式光电编码器将角度信息以代码形式刻制存储在码盘上，经光电转换和电子学信号处理后输出的角位置代码是转角的单值函数，零点固定，抗干扰强，断电后再工作不用重新标定，广泛用于军用和工业自动化设备等运动控制系统中，是当今位移传感器发展的主流方向之一。
目前市场上能买到的精度较高的绝对式光电编码器几乎都是一台完整的设备，含有光电编码器、轴系、光电转换组件和多种信号处理电路（如光电信号调理，多路模拟开关，采样/保持，A/D转换器、微处理器）等。但由于微电子技术的发展，在运动控制领域已开发出品种繁多功能十分强大的运动控制器等技术平台，含有模拟信号和数字信号接口，12Bits或以上的高速A/D转换器，庞大的逻辑处理和运算能力，足以支持绝对式光电编码器在光电转换后的“译码”、“代码变换”、“校正”、“细分”等处理。由于编码器与运动部件转轴紧密相连或直接安装其上，因此体积受到严格限制，电子学部件的某些性能及功能的选择也因此受到一定制约。若编码器的电信号处理由公共的运动控制器平台接手处理，不仅可省去编码器中的诸多元器件，降低成本，缩小体积，而且因运动控制器比原编码器处理电路强大得多的功能，使编码器的性能指标有较大提升，并且可改变编码器整体设计思路，使整个运动控制系统设计更优化。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种与运动控制系统融为一体的绝对式光电编码器，采用与运动控制系统融为一体的绝对式光电编码器设计，可大幅度减小编码器体积、重量，降低成本，使系统更优化。
为实现上述目的本实用新型提供一种与运动控制系统融为一体的高精度绝对式光电编码器，包括主轴、轴承、轴套、准直LEDA、准直LEDB、码盘、分划板A、分划板B、光敏阵列A、光敏阵列B、线路板、光电编码器、紧固件及连接件、数字接口电路、模拟接口电路、运动控制器。所述主轴通过轴承支撑与主体做相对转动；所述码盘用胶接固连在轴套上；所述编码器主轴、轴承和主体与被测物主轴、轴承和主体共用；所述轴套安装在主轴上，通过顶丝锁紧并随主轴旋转；所述准直LEDA与所述准直LEDB并列安装，并发射出平行光束垂直照射在码盘上；所述准直LEDA、准直LEDB、分划板A、分划板B、光敏阵列A、光敏阵列B、线路板通过支撑结构、紧固件与编码器共用的主体机座固连，静止不动；
所述编码器光敏阵列读出的数据一部分经过比较器传递到数字接口电路、一部分经过信号调理电路传递到模拟接口电路；所述数字接口电路通过数据线连接到运动控制器的数字口；所述模拟接口电路通过数据线连接到运动控制器的模拟口。
所述码盘刻制了由15条同心圆环组成的15条码道，各码道由透光和不透光区间相等的扇形组成；码盘中各码道扇形区间大小各不相同，且按格雷码规则布置；所述分划板A与所述分划板B分别由透光的单狭缝、差分双狭缝及其反码和用于细分码道的多狭缝组成。
所述准直LEDA、准直LEDB发出的光束经码盘和分划板A、分划板B、调制后进入光敏阵列A、光敏阵列B，并转化成与各码盘透过的光强相对应的电信号。
所述光敏阵列A、光敏阵列B分别由10个光敏元件排列组合而成；所述光敏阵列A、B的光敏元件对应不同的码道。
本实用新型所述一种与运动控制系统融为一体的绝对式光电编码器在结构上，编码器与系统的主机共用主体、主轴和轴承；电子学上，在绝对式光电编码器各码道经光电转换后的电信号的“译码”、“代码变换”、“校正”、“细分”的处理都转由运动控制器技术平台进行，省去了相应的不必要元器件。所述一种与运动控制系统融为一体的绝对式光电编码器，所述码盘贮存角度代码信息，包括粗码道共八条（G1、G2、G3、G4、G5、G6、G7、G8）、精码道共六条（G9-1、`G9-1、G9-2、`G9-2、G10、`G10）、细分码道一条（G11）；釆用两块10元（每个阵列器件上布置了10个光敏元件）高集成度小尺寸的光敏阵列做绝对式光电编码器的光电转换器件，较大地缩小了编码器的径向尺寸；采用精粗校正，放宽加工及装调允差；采用指示光栅空间滤波技术，提高光电信号的正弦性，减小谐波对细分精度的影响，充分利用运动控制器的强大功能实现高插补系数（如细分超过1000份）的电子学细分。角度粗代码、精代码和细分代码组合可构成单圈20位以上的绝对式光电编码器。因编码器高度融入系统，使机械结构大大简化，电子学元器件大幅减少，体积和重量下降，成本降低。
附图说明
下面结合附图，通过对本实用新型的具体实施方式详细描述，将使本实用新型的技术方案及其它有益效果显而易见。
附图中，
图1为本实用新型结构示意图；
图2为本实用新型光敏阵列A结构示意图；
图3为本实用新型分划板A图样示意图；
图4为本实用新型分划板B图样示意图；
图5为本实用新型光电编码器信号处理示意框图；
图6为本实用新型码盘码道与光敏阵列A对应关系示意图；
图7为本实用新型码盘码道与光敏阵列B对应关系示意图；
图8为本实用新型光敏阵列A和B错开布示意图；
图9为本实用新型粗码盘平面展开图；
图10为本实用新型细码盘平面展开图。
附图标号：
1、主轴；2、轴套；3、准直LEDA；4、准直LEDB；5、码盘；6、分划板A；7、光敏阵列A；8、分划板B；9、光敏阵列B；10、线路板；11、基座；12、轴承；13、光电编码器；14、运动控制器。
具体实施方式
为更进一步阐述本实用新型所采取的技术手段及其效果，以机器人关节用高精度绝对式光电编码器及其附图为例进行详细描述。参阅图1-10，本实施例提供一种多于20位的高精度绝对式光电编码器，包括主轴1、轴承12、轴套2、准直LEDA3、准直LEDB4、码盘5、分划板A6、分划板B8、光敏阵列A7、光敏阵列B9、线路板10、光电编码器13、紧固件及连接件、数字接口电路、模拟接口电路、运动控制器14；所述主轴1通过轴承12支撑与被测主体做相对转动；所述码盘5用胶接固连在轴套2上；所述编码器主轴1、轴承12和所述编码器主体与被测物主轴1、轴承12和被测物主体共用；所述轴套2安装在主轴1上，通过顶丝锁紧并随主轴1旋转；所述准直LEDA3与所述准直LEDB4并列安装，并发射出平行光束垂直照射在码盘5上；所述准直LEDA3、准直LEDB4、分划板A6、分划板B8、光敏阵列A7、光敏阵列B9、线路板10通过支撑结构、紧固件与光电编码器13共用的主体机座11固连，静止不动；
所述光敏阵列A与光敏阵列B的结构相同，参阅图2；
所述分划板A6由十个光敏元件排列组合而成，为a、b、c……i、j，且分别对应不同码道5；
所述分划板B7由十个光敏元件排列组合而成，为a’、b’、c’……i’、j’，且分别对应不同码道5；所述光电编码器13中光电读数头读出码盘5中的数据后一部分经过比较器传递到数字接口电路、一部分经过放大器传递到模拟接口电路；所述数字接口电路通过数据线连接到运动控制器14的数字口；所述模拟接口电路通过数据线连接到运动控制器14的模拟口。
所述码盘5刻制了由15条同心圆环组成的15条码道，各码道由透光和不透光区间相等的扇形组成，码盘中各码道之间的扇形区间大小各不相同，按格雷码规则布置；分划板A6和分划板B8又称读数狭缝，分别由透光的单狭缝（G1、G2、G3、G4、G5、G6、G7、G8）、差分双狭缝（G9-1、G9-2、G10）及其反码（`G9-1、`G9-2、`G10）和用于细分码道的多狭缝【G11（0）、G11（90）、G11（180）、G11（270）】组成，多狭缝各路相差依次为90°；准直LEDA3和准直LEDB4发出的光束经码盘和分划板A6、分划板B8调制后进入与其位置相对应的光敏阵列A7、光敏阵列B9，并转化成与各码道透过的光强成比例的电信号，经数字接口电路和模拟接口电路分辨把11路格雷码的角度代码（数字信号）和4路Vpp=1V的正余弦信号分别送至运动控制器14的数字接口和模拟接口。运动控制器14采集两组信号后，经细分、译码、校正等逻辑处理和运算，由运动控制器14输出或直接参与系统的闭环控制。因细分份数可大于1000，与粗、精码组合后，本编码器的角分辨率将高于20位。因融入系统的运动控制器14中，机械结构简化，电子元器件大量减少，编码器自身的体积、重量、成本大幅降低。借助运动控制器14的强大处理、运算功能，编码器的分辨率、数据更新率和测角精度等指标有较大提升。
以上所述，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本实用新型的技术方案和技术构思作出其他各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应属于本实用新型权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种与运动控制系统融为一体的高精度绝对式光电编码器，包括主轴、轴承、轴套、准直LEDA、准直LEDB、码盘、分划板A、分划板B、光敏阵列A、光敏阵列B、线路板、光电编码器、紧固件及连接件、数字接口电路、模拟接口电路、运动控制器；其特征在于，结构上，编码器与被测物的主机共用主体、主轴和轴承；所述主轴通过轴承支撑与主体做相对转动；所述码盘通过胶接固连在轴套上；所述轴套安装在主轴上，通过顶丝锁紧并随主轴旋转；所述准直LEDA与所述准直LEDB并列安装，并发射出平行光束垂直照射在码盘上；所述准直LEDA、准直LEDB、分划板A、分划板B、光敏阵列A、光敏阵列B、线路板通过支撑结构、紧固件与编码器共用的主体机座固连；
所述编码器光敏阵列读出的数据一部分经过比较器和数字接口输出至系统公共平台运动控制器的数字口、另一部分经过放大器输送到运动控制器的模拟口。
2.根据权利要求1所述的一种与运动控制系统融为一体的高精度绝对式光电编码器，其特征是：所述码盘刻制了有15条同心圆环组成的15条码道，各码道由透光和不透光区间相等的扇形组成；码盘中各码道扇形区间大小各不相同，且按格雷码规则布置；所述分划板A与所述分划板B分别由透光的单狭缝、差分双狭缝及其反码和用于细分码道的多狭缝组成。
3.根据权利要求1所述的一种与运动控制系统融为一体的高精度绝对式光电编码器，其特征还包括：所述准直LEDA、准直LEDB发出的光束经码盘和分划板A、分划板B、调制后进入光敏阵列A、光敏阵列B，并转化成与各码盘透过的光强相对应的电信号。
4.根据权利要求1所述的一种与运动控制系统融为一体的高精度绝对式光电编码器，其特征还包括：所述光敏阵列A、光敏阵列B分别由10个光敏元件排列组合而成；所述光敏阵列A、B的光敏元件对应不同的码道。
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