CN206556674U - 一种高响应高分辨率双编码系统绝对值编码器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高响应高分辨率双编码系统绝对值编码器，包括由码盘的外双渐变螺线刻道组、内双渐变螺线刻道组、CCD图像传感器和CCD图像传感器安装座组成了绝对式编码系统，以及由码盘的等间距条纹刻道组、反射型传感器和反射型传感器座组成了增量式编码系统；码盘上设有中心孔和定位孔，码盘通过中心孔和定位孔与输出轴定位固定，输出轴与输出轴轴承的内圈紧配合，输出轴轴承的外圈与固定支架紧配合，CCD图像传感器通过CCD图像传感器安装座与固定支架固定，反射型传感器通过反射型传感器安装座与固定支架固定。本实用新型解决了传统编码器需要复位动作或者响应速度慢等问题，具有高速、高分辨率、高信赖性等优点。

Description

一种高响应高分辨率双编码系统绝对值编码器

技术领域

本实用新型涉及编码器技术领域，尤其涉及一种高响应高分辨率双编码系统绝对值编码器。

背景技术

目前，市场上的编码器类型主要分为增量式编码器和绝对式编码器两大类。

增量式编码器的位置是从零位标记开始计算的脉冲数量确定的，其优点是运行时有高的分辨率和高精度的同时也可以有较快的响应速度,但其缺点是每次开机必须要寻找零位标记，故机器必须有复位的动作。

而绝对型编码器的位置是由输出代码的读数确定的。在一圈里，每个位置的输出代码的读数是唯一的。因此，当电源断开时，绝对型编码器并不与实际的位置分离。如果电源再次接通，那么位置读数仍是当前的，有效的，不像增量编码器那样，必须去寻找零位标记。因此增量式编码器断电重新启动无法知道绝对位置，每次需要复位，而绝对式编码器在断电重启后也可以知道准确的绝对位置，不需要重新复位，尤其在机器人的行业应用方面，适应性更强。但目前的绝对式编码器由于运算的数据量庞大，系统复杂，而存在高速运行过程中响应较慢的情况，进而仍然满足不了高速运行条件下越来越高的分辨率的应用需求。

实用新型内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提供高响应高分辨率双编码系统绝对值编码器，对传统编码器做了创新性的设计，充分利用了增量式编码器和绝对式编码器的各自的优点和特点，解决了传统增量式编码器需要复位动作或者绝对式编码器在高分辨率情况下响应速度慢等问题，同时本设计具有高速(高响应性)、高分辨率、高信赖性、体积小、成本低等优点。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种高响应高分辨率双编码系统绝对值编码器，其特征在于：包括码盘、CCD图像传感器、CCD图像传感器安装座、反射型传感器、反射型传感器座、固定支架、输出轴、输出轴轴承；所述码盘上有三组刻道，分别是外双渐变螺线刻道组、内双渐变螺线刻道组和等间距条纹刻道组，其中码盘的外双渐变螺线刻道组、内双渐变螺线刻道组、CCD图像传感器和CCD图像传感器安装座组成了绝对式编码系统，码盘的等间距条纹刻道组、反射型传感器和反射型传感器座组成了增量式编码系统；所述码盘上设有中心孔和定位孔，所述码盘通过中心孔和定位孔与输出轴定位固定，输出轴与输出轴轴承的内圈紧配合，输出轴轴承的外圈与固定支架紧配合，CCD图像传感器通过CCD图像传感器安装座与固定支架固定，反射型传感器通过反射型传感器安装座与固定支架固定。

进一步地，所述CCD图像传感器上设置有一个直线状的检测感应窗口，检测感应窗口从码盘的圆周外向圆周内的方向分别检测扫描着外双渐变螺线刻道组、等间距条纹刻道组和内双渐变螺线刻道组。

进一步地，所述CCD图像传感器安装座上设有CCD图像传感器定位孔和CCD图像传感器安装孔，通过定位孔可以使CCD图像传感器的直线状检测感应窗口的方向与码盘的直径方向成一个小夹角。

进一步地，所述码盘上的外双渐变螺线刻道组由两条螺线形的反光刻道带组成，两刻道带任意一个圆周位置的径向宽度相加之和是相等的。

进一步地，所述内双渐变螺线刻道组与外双渐变螺线刻道组相似，也是由两条渐变的螺线形的反光刻道带组成且两刻道带任意一个圆周位置的径向宽度相加之和也是相等的。

进一步地，所述等间距条纹刻道组则是由周向等间距阵列的反光条纹刻道组成。

进一步地，所述反射型传感器座上设有反射型传感器定位孔和反射型传感器安装孔，反射型传感器的感光面和接收面正对着码盘上的等间距条纹刻道组，径向方向是对齐的。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型结合了增量式编码器和绝对式编码器的各自的优点和特点，核心是设计了双编码器系统，即具有绝对式编码器特点的系统和具有增量式编码器设计特点的系统，双系统相融合协同工作来达到优势互补的目的。从而使编码器在每次断电开机时也不需要复位动作，在工业应用中尤其是在机器人的应用中，即使断电重启也能使机器人手臂继续保持原工位原姿态，重启后可以按照原设定路径由原工位直接运动到下一个工位，大大地免除了重启复位带来的工位变化等麻烦，也适合某些工况下也不允许机器人复位的应用。

2、本实用新型可以达到高精度和高分辨率，并且在高速运行的条件下也可以有快的响应速度，从而在闭环或半闭环控制的系统中大大提高了移动轴的移动精度和重复定位精度。

3、本实用新型具有双重智能校正系统，可以大大提高了编码器的可信赖性，因此具有高速(高响应性)、高分辨率、高信赖性、体积小、成本低等优点。

以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图。

图2是图1的D-D剖面图。

图3是本实用新型的码盘结构示意图。

图4是本实用新型的码盘放大结构示意图。

图5是本实用新型的CCD图像传感器检测码盘时的放大结构示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，本编码器主要由码盘1，CCD图像传感器2，CCD图像传感器安装座3，反射型传感器4，反射型传感器座5，固定支架6，输出轴7，输出轴轴承8组成。码盘1上设有尺寸精准的中心孔11和定位孔12，码盘1通过中心孔11和定位孔12与输出轴7定位固定，输出轴7与输出轴轴承8的内圈紧配合，输出轴轴承8的外圈与固定支架6紧配合，CCD图像传感器2通过CCD图像传感器安装座3与固定支架6固定，反射型传感器4通过反射型传感器安装座5与固定支架6固定。如图3所示，码盘1上主要有三组刻道，分别是外双渐变螺线刻道组13、内双渐变螺线刻道组15和等间距条纹刻道组14。其中码盘1的外双渐变螺线刻道组13、内双渐变螺线刻道组15、CCD图像传感器2和CCD图像传感器安装座3组成了绝对式编码系统。而码盘1的等间距条纹刻道组14、反射型传感器4和反射型传感器座5组成了增量式编码系统。

如图4所示，码盘1上的外双渐变螺线刻道组13由两条螺线形的反光刻道带组成，两刻道带任意一个圆周位置的径向宽度相加之和是相等的，L1<L3，L2>L4，同时L1+L2＝L3+L4。内双渐变螺线刻道组15与外双渐变螺线刻道组13相似，也是由两条渐变的螺线形的反光刻道带组成且两刻道带任意一个圆周位置的径向宽度相加之和也是相等的。而等间距条纹刻道组14则是由周向等间距阵列的反光条纹刻道组成。

如图5所示，CCD图像传感器2有一个直线状的检测感应窗口21，从圆周外向圆周内的方向分别检测扫描着码盘1上的外双渐变螺线刻道组13、等间距条纹刻道组14和内双渐变螺线刻道组15。如图1所示，CCD图像传感器安装座3上设有CCD图像传感器定位孔31和CCD图像传感器安装孔32，通过CCD图像传感器定位孔31可以使CCD图像传感器21的直线状检测感应窗口21的方向与码盘1的直径方向成一个小夹角a，因此条纹刻道线与该CCD图像传感器2的直线状检测感应窗口21的扫描线在径向方向是成一个小夹角a的，CCD图像传感器2径向至外向内扫描等间距条纹刻道组14区域时能够扫描到不止一条条纹刻道线，而是几条条纹刻道线，当CCD图像传感器2扫描窗口的宽窄一定时，具体的扫描到的条纹数主要由条纹刻道组的直径、条纹的长短和间距大小等因素决定的。

另外，反射型传感器座5上也设有定位孔51和安装孔52，反射型传感器的4感光面和接收面正对着码盘1上的等间距条纹刻道组14，径向方向是对齐的。当输出轴7旋转，固定于其上的码盘1会旋转相同的角度，而此时CCD图像传感器2和反射型传感器4均固定于固定支架6上不动的，故CCD图像传感器2和反射型传感器4对应码盘1的刻道组均有相对运动，通过CCD图像传感器2和反射型传感器4的检测以及处理器的分析计算，从而得到输出轴7的旋转角度。

本编码器的设计主要是结合了增量式编码器和绝对式编码器的各自的优点和特点，分为绝对式编码系统和增量式编码系统，由两组系统协同工作得到较高的响应速度的和较高的检测精度。以下针对此两个系统的工作原理展开详细的说明：

1)绝对式编码系统由码盘的外双渐变螺线刻道组13、内双渐变螺线刻道组15、CCD图像传感器2和CCD图像传感器安装座3组成。CCD图像传感器具有高解析度、高敏感度等优点，像点的大小为μm级，可感测及识别精细物体，故可以提供很好的图像质量和抗噪能力。本实例中的CCD图像传感器2具有直线状的检测感应窗口21，可以在任意一个圆周位置检测码盘1的刻道组，扫描到的像点径向至外向内分别来自外双渐变螺线刻道组13的反光区域、等间距条纹刻道组14的反光区域和内双渐变螺线刻道组15的反光区域。

在外双渐变螺线刻道组13区域，由于外双渐变螺线刻道组13的反光区域由两条渐变螺线分成上下两片，绕圆周方向渐变一周，故在圆周方向的任何两个位置作径向扫描获取到的反光区域的位置信息都是不相同的，如图4中，A处与B处的反光区域(L1<L3，L2>L4)，且处于每一个圆周位置能获取到的像点的位置图像均是不一样的，每一个圆周位置都具有唯一的图像对应性。同时，由于本设计中两反光刻道带任意一个圆周位置的径向宽度相加之和是相等的，因此作径向扫描获取到的反光区域的总长度是相等的(如图4中，L1<L3，L2>L4，同时L1+L2＝L3+L4)，通过对比分析可以用此图像位置数据的互补性来校准CCD图像传感器的位置。因此，使用CCD图像传感器2扫描外双渐变螺线刻道组13获取的图像信息已经可以用于判断CCD图像传感器2和码盘1的相对位置，即是输出轴7在固定支架6上的周向的位置，也即是在固定支架6固定的情况下输出轴7的绝对位置。

在等间距条纹刻道组14的区域，由于该CCD图像传感器2的直线状检测感应窗口21的扫描线与条纹刻道线在径向方向是成一个小夹角a的，作径向扫描获取到像点的将会是多条等间距条纹线的反光区域，随着输出轴7的旋转，即码盘1的转动，其获取到的图像信息将会变化，其变化周期则是由码盘1上阵列的总等间距条纹数N计算得到的，有如下公式：

变化周期(角度)C＝360度/总等间距条纹数N

如实例中码盘1的总等间距条纹数是1000条，那么变化周期便是360度/1000＝0.36度，也即是输出轴7每旋转0.36度后，CCD图像传感器2在此等间距条纹刻道组的区域内能获取到的图像信息才会重复，而在相对旋转0度～0.36度的旋转范围内，图像信息都是不同的，也即可以根据获取到的相对应的图像信息对0.36度的旋转范围内的旋转位置信息进行细分，细分的位置解析度是由CCD图像传感器2的直线状检测感应窗口21在此等间距条纹刻道组14的区域内径向获得图像的像素大小P决定的，位置解析度R有如下公式：

位置解析度(角度)R＝变化周期(角度)C/该区域图像的像素大小P

在本实例中，CCD图像传感器2在此等间距条纹刻道组14的区域内径向获得图像的像素大小P是1024pixel，那么位置解析度(角度)R＝0.36度/1024＝0.00035度，所以本实例中本绝对编码系统能检测到的输出轴7旋转位置的角度精度是0.00035度。

在内双渐变螺线刻道组15的区域，由于内双渐变螺线刻道组15的反光区域设计跟外双渐变螺线刻道组13相似，反光区域的宽度也相同，只是所处位置不同，内双渐变螺线刻道组15是靠近码盘1的内圆处而不是靠近外圆处。故CCD图像传感器2扫描该区域获取的图像信息或者在不同位置的获取的图像对比信息的方法也是相同的，也同样地能获取到输出轴的绝对位置，因此该区域获得的图像信息可以用于校准和校验，同时当外双渐变螺线刻道组13失效的情况下也可以有双重保障的作用，因此在任意一个位置CCD图像传感器2同时获取外双渐变螺线刻道组13和内双渐变螺线刻道组15的图像信息并作相应的分析处理就构成了双重智能校正系统，可以大大提高了编码器的可信赖性。

工作的过程是，当输出轴7断电重启时，绝对式编码系统会同时启动，CCD图像传感器2同时获得对应的图像信息，如上所述，一个圆周内的任意两个位置的图像信息都是不同的，相当于任意位置都有对应的图像信息编码，因此，此时的输出轴7位置可以准确地得出，不需要回零点，也即是可以获得输出轴的绝对位置，且其位置解析度(角度)可以非常小(如本实例是0.00035度)，也就是编码器的可检测的角度位置精度可以相当的高。

2)增量式编码系统由码盘的等间距条纹刻道组14、反射型传感器4和反射型传感器座5组成。在输出轴7旋转的过程当中，反射型传感器4不断地检测着码盘1上的等间距条纹刻道组14的区域，随着码盘1的旋转，反射型传感器4会接收到相应的光暗变化的信号，从而将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小，便可以得到输出轴的相对位置信息。其解析度是由码盘1上阵列的总等间距条纹数N决定的。

增量式编码系统解析度(角度)＝360度/N。利用90度相位差的A、B两路信号进行倍频可以获得更高的分辨率。

由于在输出轴7高速运动的过程中，通常需要编码器的响应速度非常高，而按绝对式编码的方法运算相对复杂，响应速度相对较慢些，因此，本设计的结合了此增量式编码系统解决了这个问题。在输出轴7断电重启时，先同时启动绝对式编码系统，不需要移动复位便可以得到输出轴7的准确的绝对位置，在得到绝对位置之后，在输出轴7运动的过程中则使用增量式编码系统，得到相对于开启时的位置点的相对位置值，此两个位置通过系统的运算(相加或者相减)便可以得到输出轴7在运动过程中的绝对位置，而此时的绝对系统是暂时闲置的，从而大大地提高了整个编码器的响应速度，同时也能获得较高的检测位置精度。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种高响应高分辨率双编码系统绝对值编码器，其特征在于：包括码盘(1)、CCD图像传感器(2)、CCD图像传感器安装座(3)、反射型传感器(4)、反射型传感器座(5)、固定支架(6)、输出轴(7)、输出轴轴承(8)；所述码盘(1)上有三组刻道，分别是外双渐变螺线刻道组(13)、内双渐变螺线刻道组(15)和等间距条纹刻道组(14)，其中码盘(1)的外双渐变螺线刻道组(13)、内双渐变螺线刻道组(15)、CCD图像传感器(2)和CCD图像传感器安装座(3)组成了绝对式编码系统，码盘(1)的等间距条纹刻道组(14)、反射型传感器(4)和反射型传感器座(5)组成了增量式编码系统；所述码盘(1)上设有中心孔(11)和定位孔(12)，所述码盘(1)通过中心孔(11)和定位孔(12)与输出轴(7)定位固定，输出轴(7)与输出轴轴承(8)的内圈紧配合，输出轴轴承(8)的外圈与固定支架(6)紧配合，CCD图像传感器(2)通过CCD图像传感器安装座(3)与固定支架(6)固定，反射型传感器(4)通过反射型传感器安装座(5)与固定支架(6)固定。

2.如权利要求1所述的一种高响应高分辨率双编码系统绝对值编码器，其特征在于：所述CCD图像传感器(2)上设置有一个直线状的检测感应窗口(21)，检测感应窗口(21)从码盘(1)的圆周外向圆周内的方向分别检测扫描着外双渐变螺线刻道组(13)、等间距条纹刻道组(14)和内双渐变螺线刻道组(15)。

3.如权利要求1所述的一种高响应高分辨率双编码系统绝对值编码器，其特征在于：所述CCD图像传感器安装座(3)上设有CCD图像传感器定位孔(31)和CCD图像传感器安装孔(32)，通过CCD图像传感器定位孔(31)可以使CCD图像传感器(2)的直线状检测感应窗口(21)的方向与码盘(1)的直径方向成一个小夹角。

4.如权利要求1所述的一种高响应高分辨率双编码系统绝对值编码器，其特征在于：所述码盘(1)上的外双渐变螺线刻道组(13)由两条螺线形的反光刻道带组成，两刻道带任意一个圆周位置的径向宽度相加之和是相等的。

5.如权利要求1所述的一种高响应高分辨率双编码系统绝对值编码器，其特征在于：所述内双渐变螺线刻道组(15)与外双渐变螺线刻道组(13)相似，也是由两条渐变的螺线形的反光刻道带组成且两刻道带任意一个圆周位置的径向宽度相加之和也是相等的。

6.如权利要求1所述的一种高响应高分辨率双编码系统绝对值编码器，其特征在于：所述等间距条纹刻道组(14)则是由周向等间距阵列的反光条纹刻道组成。

7.如权利要求1所述的一种高响应高分辨率双编码系统绝对值编码器，其特征在于：所述反射型传感器座(5)上设有反射型传感器定位孔(51)和反射型传感器安装孔(52)，反射型传感器(4)的感光面和接收面正对着码盘(1)上的等间距条纹刻道组(14)，径向方向是对齐的。