CN209961237U - 一种分度式光电角度编码器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种分度式光电角度编码器。在有较高旋转定位精度要求的应用场合时，光电角度编码器技术难以在短时间内突破。本实用新型包括编码器支架、双轴光电角度编码器、限位套筒、滚针盘、螺旋弹簧、滚针、滚珠、滚珠盘、电磁铁、圆柱销、轴心圆柱筒、轴心定位圆锥销和轴心定位铁芯。本实用新型采用n对滚针和m颗滚珠配合形成分度结构圆周上的旋转定位，通过轴心定位圆锥销与轴心定位铁芯的配合结合电磁铁的通断电形成同轴对心定位，通过两种配合形式结合实现分度式光电角度编码器的可重复同轴对心旋转定位；经过标定后，标定角度值作为每个分度位置的标准输出角度信息，因此在每个分度位置可输出高精度角度值。

Description

一种分度式光电角度编码器

技术领域

本实用新型属于精密测量技术领域，具体涉及一种分度式光电角度编码器。

背景技术

光电角度编码器是一种用于高精密旋转角度检测的传感器，高精密的角度编码器广泛用于伺服电机反馈、高精密转台、主轴定位等场合。其工作原理是利用反射或者透射光源经过编码器码盘，在接收传感器上形成莫尔条纹，进而产生正弦波信息，并输出到系统处理器上，用于反馈角度编码器的位置信息。光电角度编码器核心部件包含编码器码盘和接收传感器，其误差来源主要包括码盘刻划工艺的误差、码盘的安装误差、莫尔条纹信息质量引起的细分误差等等，这些工艺、装配、信息上产生的误差影响，使得光电角度编码器精度存在一定的局限性。目前常见的解决办法包括：码盘刻划工艺的误差可以通过增大码盘直径以降低码盘刻划工艺误差，码盘的安装误差可以通过多读数头安装或后期误差补偿算法进行补偿以消除安装误差，莫尔条纹信息质量引起的细分误差可以通过硬件电路改进和细分补偿算法来减少细分误差。但是，对于许多要求有较高的旋转定位精度的应用场合，由于空间限制无法通过增大码盘直径来提高编码器精度，采用多读数头、改进硬件电路的方式会大幅增加编码器成本，关于细分误差和安装误差补偿算法的程序复杂。因此，现有的光电角度编码器技术难以在短时间内突破，所以在部分对旋转范围无硬性要求的应用场合如关节式坐标测量机等，可通过提升光电角度编码器有限位置点的测角精度以实现实际应用上测角精度的提高。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种分度式光电角度编码器，该编码器是基于普通低精度光电角度编码器的基础上，设计一种可重复同轴对心旋转的转动部件，提高测角精度。

本实用新型解决技术问题采取的技术方案是：

本实用新型包括编码器支架、双轴光电角度编码器、限位套筒、滚针盘、螺旋弹簧、滚针、滚珠、滚珠盘、电磁铁、圆柱销、轴心圆柱筒、轴心定位圆锥销和轴心定位铁芯；所述的轴心圆柱筒和轴心定位圆锥销均为磁化材料；所述的双轴光电角度编码器的外壳与编码器支架固定；双轴光电角度编码器含有两个伸出轴；所述限位套筒的一端套置在双轴光电角度编码器的外壳外，并与双轴光电角度编码器的外壳通过胶粘接；所述的套筒底座包括一体成型的底板和侧板；限位套筒另一端侧壁开设的沿周向均布的两个螺纹孔与侧板开设的两个通孔分别通过螺钉连接；底板开设有中心孔；滚针盘整体设置在限位套筒内，一端端面与双轴光电角度编码器的壳体通过胶粘接，另一端端面开设有圆环形槽一和n个沿周向均布的径向槽组，n≥4；所述的径向槽组包括沿周向间距排布的两个径向槽，径向槽的深度等于滚针半径；每个径向槽与一根滚针的侧壁通过胶粘接；滚珠盘的大轴径段圆柱面与限位套筒内壁构成滑动副，小轴径段伸出底板的中心孔外；滚珠盘的小轴径段直径小于套筒底座的底板的中心孔孔径；滚珠盘的大轴径段与滚针盘相对的端面开设有圆环形槽二和沿周向均布的m个球窝，m≥12，且m是n的整数倍；圆环形槽二与滚针盘的圆环形槽一在沿滚珠盘的径向上对齐设置，球窝与滚针盘的径向槽在沿滚珠盘的径向上对齐设置；球窝半径等于滚珠半径，并大于径向槽组中两个径向槽的周向间距；每个球窝通过胶粘接一个滚珠；螺旋弹簧一端嵌入滚针盘的圆环形槽一内，另一端嵌入滚珠盘的圆环形槽二内；且螺旋弹簧嵌入滚针盘的圆环形槽一内的那端与滚针盘的圆环形槽一通过胶粘接；螺旋弹簧设有预压力；限位套筒与套筒底座的底板的轴向间距大于或等于滚针盘厚度、滚针半径、滚珠半径和滚珠盘大轴径段长度之和；轴心定位铁芯套置在滚针盘的中心孔内，并与滚针盘通过胶粘接；轴心定位铁芯的中心孔包括圆柱孔段和锥形孔段，锥形孔段的锥度与轴心定位圆锥销的外圆锥面锥度相等；轴心定位铁芯的中心孔最大孔径介于轴心定位圆锥销外圆锥面最大直径和最小直径之间；轴心定位圆锥销的大轴径端与轴心圆柱筒的一端通过胶粘接；轴心圆柱筒的另一端与电磁铁通过胶粘接；轴心圆柱筒的外侧壁和电磁铁均与滚珠盘的中心孔通过胶粘接；电磁铁通过一个外部开关控制通断电；双轴光电角度编码器的一根伸出轴依次穿过轴心定位铁芯的中心孔和轴心定位圆锥销的中心孔，并嵌入轴心圆柱筒的中心孔内；轴心圆柱筒的侧壁开设销孔，圆柱销通过胶粘接在销孔内，并与双轴光电角度编码器嵌入轴心圆柱筒的中心孔内的那根伸出轴的台阶面构成滚动摩擦副；所述圆柱销的轴线与台阶面所在平面平行。双轴光电角度编码器的伸出轴、电磁铁、轴心圆柱筒、轴心定位圆锥销和轴心定位铁芯的中心轴线同轴设置。

所述的编码器支架开设有沿周向分布的k个弧形槽，k≥3，所有弧形槽的内侧圆弧位于同一个圆周上；所述双轴光电角度编码器的外壳开设有沿周向分布的k个螺纹孔，每个螺纹孔与编码器支架对应位置的一个弧形槽通过螺钉连接。

所述限位套筒的侧壁在轴向上位于滚针位置处开设有沿周向均布的两个通气孔。

所述轴心定位圆锥销的大轴径端开设有沉口槽，与轴心圆柱筒一体成型的定位凸环一嵌入轴心定位圆锥销的沉口槽内；与轴心圆柱筒一体成型的定位凸环二嵌入电磁铁端面开设的圆形定位槽内。

所述的滚珠、滚珠盘、电磁铁、圆柱销、轴心圆柱筒和轴心定位圆锥销组成转动部件。

本实用新型具有的有益效果：

1.本实用新型分度式光电角度编码器采用n对滚针呈圆周等间隔分布，当滚珠盘转动至每个标定位置时，m颗滚珠中均有n颗滚珠与n对滚针配合进行限位，每对配合产生一份限位效果，编码器转至每个标定位置均有n份配合限位效果，n份配合限位效果叠加可起到误差均化的作用，有效地提高编码器分度结构锁紧时圆周上的可重复旋转定位精度。

2.本实用新型分度式光电角度编码器转动至每个标定位置时，只需m颗滚珠中的n颗滚珠与n对滚针配合进行定位，因此当滚珠数量m为滚针对数n的整数倍时，均能实现有限位置的定位，此时分度式光电角度编码器分度位置数目等于滚珠数量m。因此，本实用新型分度式光电角度编码器可通过替换装配有不同数量滚珠的滚珠盘来实现编码器不同分度值的测角需求。

3.本实用新型分度式光电角度编码器采用n对滚针和m颗滚珠配合形成分度结构圆周上的旋转定位，通过轴心定位圆锥销与轴心定位铁芯的配合结合电磁铁的通断电形成同轴对心定位，通过两种配合形式结合实现分度式光电角度编码器的可重复同轴对心旋转定位。

4.本实用新型分度式光电角度编码器是基于普通低精度编码器的基础上结合分度结构实现有限位置的高精度测角功能，优点一：由于该编码器输出的角度信息直接是输出光电自准直仪标定值，因此测角位置可达到高于普通光电角度编码器的精度；优点二：在空间大小受限制的应用场合，可采用小尺寸码盘，有效减小高精度光电角度编码器的体积；优点三：降低了高精度光电角度编码器的制造成本。

5.本实用新型分度式光电角度编码器经过标定后，标定角度值作为每个分度位置的标准输出角度信息，因此编码器在每个分度位置可输出高精度角度值，所以该编码器不仅能应用于对旋转范围无硬性要求的角度测量，也能作为高精度标定设备代替光电自准直仪对旋转关节、角度编码器等旋转器件进行角度标定，有效地降低了角度标定成本，并具有更高的便携性。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构剖视图；

图2为本实用新型的整体结构立体图；

图3为本实用新型中滚针盘的结构示意图；

图4为本实用新型中滚珠盘的结构示意图；

图5为本实用新型中转动部件与轴心定位铁芯的装配立体图。

图中：1、编码器支架，2、双轴光电角度编码器，3、限位套筒，4、滚针盘，5、螺旋弹簧，6、滚针，7、滚珠，8、滚珠盘，9、套筒底座、10、电磁铁，11、圆柱销，12、轴心圆柱筒，13、轴心定位圆锥销，14、轴心定位铁芯。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图1、2和5所示，一种分度式光电角度编码器，包括编码器支架1、双轴光电角度编码器2、限位套筒3、滚针盘4、螺旋弹簧5、滚针6、滚珠7、滚珠盘8、电磁铁10、圆柱销11、轴心圆柱筒12、轴心定位圆锥销13和轴心定位铁芯14；轴心圆柱筒12和轴心定位圆锥销13均为磁化材料；编码器支架1开设有沿周向分布的四个弧形槽，四个弧形槽的内侧圆弧位于同一个圆周上；双轴光电角度编码器2的外壳开设有沿周向分布的四个螺纹孔，每个螺纹孔与编码器支架1对应位置的一个弧形槽通过螺钉连接；双轴光电角度编码器2为含有两个伸出轴的普通低精度编码器；限位套筒3一端套置在双轴光电角度编码器2的外壳外，并与双轴光电角度编码器2的外壳通过胶粘接；套筒底座9包括一体成型的底板和侧板；限位套筒3另一端侧壁开设的沿周向均布的两个螺纹孔与侧板开设的两个通孔分别通过螺钉连接；底板开设有中心孔；滚针盘4整体设置在限位套筒3内，一端端面与双轴光电角度编码器2的壳体通过胶粘接，另一端端面开设有圆环形槽一和n个沿周向均布的径向槽组，n≥4，如图3所示；径向槽组包括沿周向间距排布的两个径向槽，径向槽的深度等于滚针6半径；每个径向槽与一根滚针6的侧壁通过胶粘接；限位套筒3侧壁在轴向上位于滚针6位置处开设有沿周向均布的两个通气孔3-1，保证滚珠盘8的正常滑动，避免气塞；滚珠盘8的大轴径段圆柱面与限位套筒3内壁构成滑动副，小轴径段伸出底板的中心孔外；滚珠盘8的小轴径段直径小于套筒底座9的底板的中心孔孔径；如图4所示，滚珠盘8的大轴径段与滚针盘4相对的端面开设有圆环形槽二和沿周向均布的m个球窝，m≥12，且m是n的整数倍；圆环形槽二与滚针盘4的圆环形槽一在沿滚珠盘8的径向上对齐设置，球窝与滚针盘4的径向槽在沿滚珠盘8的径向上对齐设置；球窝半径等于滚珠7半径，并大于径向槽组中两个径向槽的周向间距；每个球窝通过胶粘接一个滚珠7；螺旋弹簧5一端嵌入滚针盘4的圆环形槽一内，另一端嵌入滚珠盘8的圆环形槽二内；且螺旋弹簧5嵌入滚针盘4的圆环形槽一内的那端与滚针盘4的圆环形槽一通过胶粘接；螺旋弹簧5设有预压力；限位套筒3与套筒底座9的底板的轴向间距大于或等于滚针盘4厚度、滚针6半径、滚珠7半径和滚珠盘8大轴径段长度之和；如此，滚珠7嵌入两根滚针6之间时，滚珠盘8大轴径段与套筒底座9的底板之间留有间隙，该间隙保证电磁铁10断电时滚珠7与滚针6能顺利分离；轴心定位铁芯14套置在滚针盘4的中心孔内，并与滚针盘4通过胶粘接；轴心定位铁芯14的中心孔包括圆柱孔段和锥形孔段，锥形孔段的锥度与轴心定位圆锥销13的外圆锥面锥度相等；轴心定位铁芯14的中心孔最大孔径介于轴心定位圆锥销13外圆锥面最大直径和最小直径之间；轴心定位圆锥销13的大轴径端与轴心圆柱筒12的一端通过胶粘接；轴心圆柱筒12的另一端与电磁铁10通过胶粘接；轴心圆柱筒12的外侧壁和电磁铁10均与滚珠盘8的中心孔通过胶粘接；电磁铁10通过一个外部开关控制通断电；双轴光电角度编码器2的一根伸出轴依次穿过轴心定位铁芯14的中心孔和轴心定位圆锥销13的中心孔，并嵌入轴心圆柱筒12的中心孔内；轴心圆柱筒12的侧壁开设销孔，圆柱销11通过胶粘接在销孔内，并与双轴光电角度编码器2嵌入轴心圆柱筒12的中心孔内的那根伸出轴的台阶面构成滚动摩擦副；圆柱销11的轴线与台阶面所在平面平行，保证轴心圆柱筒12与双轴光电角度编码器2伸出轴同步转动，同时还能让轴心圆柱筒12相对双轴光电角度编码器2伸出轴的台阶面滑动。双轴光电角度编码器2的伸出轴、电磁铁10、轴心圆柱筒12、轴心定位圆锥销13和轴心定位铁芯14的中心轴线同轴设置。当其中n颗滚珠7与n对滚针6在周向上处于嵌合位置时，双轴光电角度编码器2处在对应的一个低精度标定位上。

轴心定位圆锥销13的大轴径端开设有沉口槽，与轴心圆柱筒12一体成型的定位凸环一嵌入轴心定位圆锥销13的沉口槽内，保证轴心圆柱筒12与轴心定位圆锥销13同轴线粘接；与轴心圆柱筒12一体成型的定位凸环二嵌入电磁铁10端面开设的圆形定位槽内，保证轴心圆柱筒12与电磁铁10同轴线粘接。

滚珠7、滚珠盘8、电磁铁10、圆柱销11、轴心圆柱筒12和轴心定位圆锥销13组成转动部件。

可根据测量角度需要更换开设有不同球窝数量的滚珠盘8；更换过程如下：拆除连接限位套筒3的螺纹孔与套筒底座9的侧板上通孔的螺钉，将滚珠盘8连同转动部件一起取下，换上新的滚珠盘8和与滚珠盘8粘接的新转动部件，使得螺旋弹簧5嵌入新滚珠盘8的圆环形槽二内，新转动部件的轴心定位圆锥销13嵌入轴心定位铁芯14的中心孔内，然后螺钉连接限位套筒3的螺纹孔与套筒底座9的侧板上的通孔。

下面举例给出该分度式光电角度编码器的一个标定过程，但不限于这种方式，标定过程也不是本实用新型要求保护的范围。

该分度式光电角度编码器的标定过程如下：

步骤一、首先，给双轴光电角度编码器2预存m个低精度标定位，在每个低精度标定位处，有n颗滚珠7与n对滚针6在周向上分别对齐；每个低精度标定位对应双轴光电角度编码器2伸出轴的一个角度值，但由于双轴光电角度编码器2精度较低，双轴光电角度编码器2只能测得一个低精度的角度范围；然后固定编码器支架1，通过夹具将金属多面体棱镜固定在电磁铁10上，使得金属多面体棱镜的中心轴线与双轴光电角度编码器2的伸出轴中心轴线同轴设置；其中，金属多面体棱镜的侧面设有m个镜面；双轴光电角度编码器2未嵌入轴心圆柱筒12中心孔内的那根伸出轴与电机通过联轴器连接；初始时电磁铁10处于断电状态，螺旋弹簧5伸张推动滚珠盘8滑动至与套筒底座9的底板接触，此时，滚珠7与滚针6分离，双轴光电角度编码器2的伸出轴可由电机带动正反转到任意位置。通过电机带动双轴光电角度编码器2的伸出轴转动，从而带动转动部件转动，使双轴光电角度编码器2处在第i个低精度标定位上，i＝1，在第i个低精度标定位处，有n颗滚珠7与n对滚针6在周向上分别对齐；转动部件转动时，金属多面体棱镜也随转动部件转动。

步骤二、外部开关控制电磁铁10通电，因轴心圆柱筒12和轴心定位圆锥销13均为磁化材料，被电磁铁10磁化，轴心定位圆锥销13与轴心定位铁芯14相互吸合，圆柱销11在双轴光电角度编码器2的伸出轴的台阶面上滚动，从而带动转动部件沿着双轴光电角度编码器2的伸出轴轴向滑动，滚珠盘8便沿着限位套筒3向滚针盘4靠拢，使得n颗滚珠7与n对滚针6相嵌合形成圆周上的限位，螺旋弹簧5被压缩；轴心定位圆锥销13的外圆锥面嵌入轴心定位铁芯14的中心孔锥形孔段内，与轴心定位铁芯14的中心孔锥形孔段完全贴合，保证同轴对心定位可靠；其中，限位套筒3用于限制滚珠盘8滑动时的径向移动。

步骤三、调整自准直仪高度至激光管内显示的十字刻线中心与金属多面体棱镜镜面中心对齐；通过自准直仪和金属多面体棱镜将步骤二中n颗滚珠7与n对滚针6相嵌合的位置标定为第i个高精度标定位，即高精度标定位零位，并记录第i个高精度标定位所对应的双轴光电角度编码器2低精度标定位信息。

步骤四、外部开关控制电磁铁10断电，螺旋弹簧5伸张推动滚珠盘8滑动至与套筒底座9的底板接触，此时，滚珠7与滚针6分离；电机带动双轴光电角度编码器2的伸出轴转动至第i+1个低精度标定位，此时，仍有n颗滚珠7与n对滚针6在周向上分别对齐。

步骤五、重复步骤二，然后通过自准直仪和金属多面体棱镜将n颗滚珠7与n对滚针6相嵌合的位置标定为第i+1个高精度标定位，并记录第i+1个高精度标定位所对应的双轴光电角度编码器2低精度标定位信息。

步骤六、i依次增大1，重复步骤四和步骤五，直到i＝m，进入步骤七；

步骤七、将各个高精度标定位以及其对应的双轴光电角度编码器2低精度标定位信息设计成标准输出角度表。

步骤八、将夹具和金属多面体棱镜从电磁铁10上取下，并解除编码器支架1的约束。

该分度式光电角度编码器标定后实际使用时，首先通过双轴光电角度编码器2内置程序判断双轴光电角度编码器2的伸出轴角度范围，进而根据低精度标定位与双轴光电角度编码器2伸出轴的角度对应关系判断出转动部件所处的低精度标定位；然后双轴光电角度编码器2调用标准输出角度表，输出标准输出角度表上与该低精度标定位对应的高精度标定位，从而得到精度较高的转动部件角度信息。

Claims (5)

1.一种分度式光电角度编码器，包括编码器支架和双轴光电角度编码器，其特征在于：还包括限位套筒、滚针盘、螺旋弹簧、滚针、滚珠、滚珠盘、电磁铁、圆柱销、轴心圆柱筒、轴心定位圆锥销和轴心定位铁芯；所述的轴心圆柱筒和轴心定位圆锥销均为磁化材料；所述的双轴光电角度编码器的外壳与编码器支架固定；双轴光电角度编码器含有两个伸出轴；所述限位套筒的一端套置在双轴光电角度编码器的外壳外，并与双轴光电角度编码器的外壳通过胶粘接；套筒底座包括一体成型的底板和侧板；限位套筒另一端侧壁开设的沿周向均布的两个螺纹孔与侧板开设的两个通孔分别通过螺钉连接；底板开设有中心孔；滚针盘整体设置在限位套筒内，一端端面与双轴光电角度编码器的壳体通过胶粘接，另一端端面开设有圆环形槽一和n个沿周向均布的径向槽组，n≥4；所述的径向槽组包括沿周向间距排布的两个径向槽，径向槽的深度等于滚针半径；每个径向槽与一根滚针的侧壁通过胶粘接；滚珠盘的大轴径段圆柱面与限位套筒内壁构成滑动副，小轴径段伸出底板的中心孔外；滚珠盘的小轴径段直径小于套筒底座的底板的中心孔孔径；滚珠盘的大轴径段与滚针盘相对的端面开设有圆环形槽二和沿周向均布的m个球窝，m≥12，且m是n的整数倍；圆环形槽二与滚针盘的圆环形槽一在沿滚珠盘的径向上对齐设置，球窝与滚针盘的径向槽在沿滚珠盘的径向上对齐设置；球窝半径等于滚珠半径，并大于径向槽组中两个径向槽的周向间距；每个球窝通过胶粘接一个滚珠；螺旋弹簧一端嵌入滚针盘的圆环形槽一内，另一端嵌入滚珠盘的圆环形槽二内；且螺旋弹簧嵌入滚针盘的圆环形槽一内的那端与滚针盘的圆环形槽一通过胶粘接；螺旋弹簧设有预压力；限位套筒与套筒底座的底板的轴向间距大于或等于滚针盘厚度、滚针半径、滚珠半径和滚珠盘大轴径段长度之和；轴心定位铁芯套置在滚针盘的中心孔内，并与滚针盘通过胶粘接；轴心定位铁芯的中心孔包括圆柱孔段和锥形孔段，锥形孔段的锥度与轴心定位圆锥销的外圆锥面锥度相等；轴心定位铁芯的中心孔最大孔径介于轴心定位圆锥销外圆锥面最大直径和最小直径之间；轴心定位圆锥销的大轴径端与轴心圆柱筒的一端通过胶粘接；轴心圆柱筒的另一端与电磁铁通过胶粘接；轴心圆柱筒的外侧壁和电磁铁均与滚珠盘的中心孔通过胶粘接；电磁铁通过一个外部开关控制通断电；双轴光电角度编码器的一根伸出轴依次穿过轴心定位铁芯的中心孔和轴心定位圆锥销的中心孔，并嵌入轴心圆柱筒的中心孔内；轴心圆柱筒的侧壁开设销孔，圆柱销通过胶粘接在销孔内，并与双轴光电角度编码器嵌入轴心圆柱筒的中心孔内的那根伸出轴的台阶面构成滚动摩擦副；所述圆柱销的轴线与台阶面所在平面平行；双轴光电角度编码器的伸出轴、电磁铁、轴心圆柱筒、轴心定位圆锥销和轴心定位铁芯的中心轴线同轴设置。

2.根据权利要求1所述的一种分度式光电角度编码器，其特征在于：所述的编码器支架开设有沿周向分布的k个弧形槽，k≥3，所有弧形槽的内侧圆弧位于同一个圆周上；所述双轴光电角度编码器的外壳开设有沿周向分布的k个螺纹孔，每个螺纹孔与编码器支架对应位置的一个弧形槽通过螺钉连接。

3.根据权利要求1所述的一种分度式光电角度编码器，其特征在于：所述限位套筒的侧壁在轴向上位于滚针位置处开设有沿周向均布的两个通气孔。

4.根据权利要求1所述的一种分度式光电角度编码器，其特征在于：所述轴心定位圆锥销的大轴径端开设有沉口槽，与轴心圆柱筒一体成型的定位凸环一嵌入轴心定位圆锥销的沉口槽内；与轴心圆柱筒一体成型的定位凸环二嵌入电磁铁端面开设的圆形定位槽内。

5.根据权利要求1所述的一种分度式光电角度编码器，其特征在于：所述的滚珠、滚珠盘、电磁铁、圆柱销、轴心圆柱筒和轴心定位圆锥销组成转动部件。

Images