CN2515873Y - 绝对值型光电开关旋转编码器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种新型绝对值光电开关旋转编码器。它由壳体支架、主轴、低位和高位码盘组件、光电开关组件、减速齿轮组、十进制机械计数器、电输出插座、RS－485接口、相关轴承、紧固件等组成。它通过码盘组件随主轴旋转,由光电开关组件读取编码数据,得到与旋转角度相对应的编码。本实用新型不仅展宽了绝对值型光电旋转编码器的编码位数,改进了光电码盘的制作材料和工艺,并且增加了一体化机械计数显示器和RS－485通信接口,拓宽了其应用领域。

Description

绝对值型光电开关旋转编码器

本实用新型涉及一种绝对值型光电开关旋转编码器，其编码方式为格雷码或其它形式的循环码，它的工作方式是码盘随角变量输入主轴旋转带动码盘旋转，由光电开关读出编码数据，该编码数据与输入角变量(角位移)成一一对应关系。本实用新型与现有技术不同，它具有现有光电读出编码器的启动转矩低，转速高的优点，又具备编码范围宽、机械和温度性能好、结构和功能新颖、实用性强等特点。

在现有技术里，绝对值型光电开关旋转编码器是单级码盘、二进制循环码编码，码道是在码盘上呈同心环方式排列，低位码道在外圈，高位码道在内圈，最大编码范围只有256组8位格雷码，其码盘材料为玻璃材基，以照相制版方法在基材上制作码道。码盘安装于角变量输入主轴上，主轴通过轴承安装于壳体之上。它的光源是直线型线光源，在码盘径向呈“一”字型安装，读出元件是光电接收管，在透射码盘的另一侧与线光源平行排列。当码盘随主轴旋转时，即可由光电接收器件读出相应的角位移编码数据。它的工作环境温为-10℃～+55℃。

现有技术存在以下缺陷：

1、编码范围小，仅有256组8位格雷码。

2、码盘为玻璃基材，抗震性能差，易碎裂。

3、环境温度适应性较差，使用环境低温仅为-10℃，高温为55℃。

4、光源与光电接收管分体，安装调整不便。

5、无现场编码显示装置，使用、调整不方便。

6、不具有通信接口，与通信机、计算机直接连接使用困难。

本实用新型的目的是克服上述现有技术的不足之处，而设计成一种既有现有技术启动转矩低，转速高的优点，又能克服其缺陷与不足，同时具有现场数字显示，具备一体化RS-485接口，能与通信机、计算机直接联网使用的新型绝对值光电开关式旋转编码器。

本实用新型的任务是用如下方式来实施的：

一种绝对值型光电开关旋转编码器，它包括：壳体、主轴、低位和高位码盘组件、光电开关组件、同步减速齿轮组、十进制机械计器、RS-485接口及相关轴承、轴套紧固件等。它的主轴通过轴承安装在壳体上，其一端伸出壳体之外，作为角度量输入轴。它的高、低位码盘组件均是由多个码盘、轴套组成的循环码码盘组。低位码盘组通过轴套和锁紧螺钉固定在主轴上，高位码盘组件通过轴套和轴套内的一对轴承安装于主轴上，高位码盘组通过同步减速齿轮组与低位码盘组连接。当低位码盘组件随主轴转动时，其高位码盘组亦随之作减速转动。各码盘组上的单个码盘的外缘设置码道，每个码道都被有规律分割成透光区、遮光区。安装在同一个轴套上的码盘共同组成一个循环码编码组件，低位和高位编码组件共同组合成编码范围更宽的完整循环码编码器；它的读码装置是光电开关组件，该组件由呈“一”字型排列的多个(一体化发射——接收式)光电开关件焊接在印刷电路板上构成，对应每个光电开关可以设置整形放大电路。本编码器的各个码盘与光电开关的相对位置均为一一对应关系，安装方式为：每一个码盘的外缘均从光电开关的“发射——接收”缺口正中间穿过，当低位码盘组随主轴转动并带动最高位盘旋转一周时，光电开关组即可读出全部循环码数字编码。

本实用新型的码盘以性能稳定的薄金属片或工程塑料等制作，在其外缘制作码道。每个码盘均有中心孔，中心孔的大小正好与轴套外径适配。将码盘按顺序装进轴套并使盘间距离等于光电开关组件上相邻的两个光电开关“发射——接收缺口”中心距，组合安装码盘时，使之符合循环编码规律，再旋紧轴套压盖，即可组成一个完整的码盘组。

本实用新型采用了一体化的新型光电开关器件作为发射——接收元件，不仅安装调整方便，而且具有温度性能好(-25℃～+85℃)，光点直径小，读出分辨力高的优点，使单级编码可以达到1024组甚至更高，优于原有技术。

本实用新型在码道设计及组合安装上采取了特别措施，将低位码盘组的最高位码道，设计、制作在与其相邻的高位码盘组的最低位码道上，合理的实现了多级组合编码，展宽了编码范围；同时消除进位传动误差，也省略了对外引线。

本实用新型的十进制机械计数器为细轴低转矩计数器。它是通过一组齿轮与低位码盘组啮合同步转动，以其字轮显示编码数据。

本实用新型的RS-485接口是由单片计算机和相关电子元器件组成的标准接口板。它安装于光电开关板组件与输出插座之间，其输入端与光电开关板相连、输出端与输出插座相连接，也可将光电开关板组件的输出端直接连接到输出插座；使编码器可同时输出并行循环码，又可由RS-485用二线制电缆输出串行码编码信号或用于接受外部指令。

本实用新型的电源可由输出插座直接引入。在RS-485接口板上，装有受控电源开关，可使本编码器工作于最佳节能状态。

本实用新型的外壳可选用铝合金压铸成型，密封性好；轴承选用精密微型轴承，使其具有高速旋转性能；主轴选用工具钢制作，钢性好，耐腐蚀。

本实用新型与现有技术相比较，具有如下优点：

1、改进了传统的单级绝对值型光电编码器为多级编码器，展宽了编码范围，可由原来单级256组编码拓展为8192组或65536组等更宽范围的编码。

2、使用一体化的光电开关作为读出元件，其发射——接收光点直径小，单级分辨力提高至1/1024甚至更高。

3、改进了码盘材料和加工工艺：用金属片或工程塑料片代替玻璃片，使编码器的抗震性能得到极大改进。

4、用一体化“发射——接收”型光电开关代替分离式光源发射——接收光电元件，便于安装调整，而且温度特性好。其温度特性为-25℃～+85℃，优于原技术。

5、增添了机内机械十进制显示同步计数器，在现场可以直接观察编码数据，给安装、使用编码器带来极大方便。

6、增添了一体化的RS-485接口板，使本实用新型不仅可以直接作为测量——A/D转换仪表使用，而且可以与通信机、计算机直接连网。

7、本实用新型的电源是内部受控电源，其工作方式是睡眠或瞬间工作状态，使光电编码器的平均功耗降低。

综上所述，本实用新型保留了原有技术中低启动转矩、高转速的优点，又改进了其机械、温度性能差、功耗大的缺陷与不足，并且拓宽了编码范围，增添了新的功能，具有更广泛的用途。

附图说明：

图1是本实用新型的结构图

图2是本实用新型的侧视图

图3是本实用新型的低位码盘组的结构图

图4是本实用新型的高位码盘组的结构图

图5是本实用新型的光电开关组件的结构图

图6是本实用新型的十进制机械计数器的安装图

图7是本实用新型的RS-485接口板的结构图

图8是本实用新型的2¹位码盘的结构图

图9是本实用新型的2²位码盘的结构图

图10是本实用新型的2³位码盘的结构图

图11是本实用新型的2⁴位码盘的结构图

图12是本实用新型的2⁵位码盘的结构图

图13是本实用新型的2⁶位码盘的结构图

图14是本实用新型的2⁷位码盘的结构图

图15是本实用新型的2⁸位码盘的结构图

下面将结合附图对本实用新型的实施例作进一步的描述：

如图1、2所示，本实施例为16位格雷码编码器，可表示65536组编码，它的低位码盘组设计为9位即(2⁹)，次高位码盘组设计为4位即(2⁴)，高位码盘组设计为3位即(2³)。它是由壳体1，主轴2，低位码盘组件3，高位码盘组件4、5，光电开关组件6，传动齿轮组7、8、16，十进制机械计数器9，输出插座10，RS-485接口11，锁紧螺钉12，轴套13、14、15，轴套端盖17、18、19，轴承21、22、23、24、25、26等组成，主轴2通过轴承21、22和轴承盖27、28固定在壳体上，其一端从轴承盖中心孔处伸出到壳体之外，作为角位移变量输入轴。低位码盘组3通过锁紧螺钉12固定在主轴2上，高位码盘组4、5通过各自轴承23、24和轴承25、26安装在主轴2上，低位码盘组3通过齿轮组7减速，与次高位码盘组4连接。次高位码盘组4通过齿轮组8减速与高位码盘组5连接，当低位码盘组3随主轴转动时，次高位和高位码轮组4、5亦随之作减速同步转动。

本实例的减速齿轮组7、8的减速比均为16，当最高位码盘组5转动完一周时，次高位码盘组4转动了16圈，低位码轮组3转动256圈，即可完成全部编码，即2⁹+2⁴+2³＝2¹⁶。

如图3、4所示，低位码盘组3是由8个单片码盘2⁸、2⁷、2⁶、2⁵、2⁴、2³、2²、2¹组成；次高位和高位码盘组由4个单片码盘2⁴、2³、2²、2¹组成，按照格雷码规律组装成码盘组。

如图5所示，它的光电开关组件由呈“一”字形排列的16个光电开关器件焊接在印刷电路板上构成，安装在支架20上，将每一个光电开关的“发射——接收”窗口正好安置于每一片码盘的外缘码道上，使其一一对应。当码盘组随角变量输入轴旋转，对应每个不同的角位移变量，都将读出一组与之对应的16位编码数据。光电开关组件可设置放大、整形电路，以增强其传输、驱动能力。该编码数据直接连接到输出插座10上，同时并联到RS-485接口板11的输入端。

图6是十进制机械计数器9的安装图，它是细轴、低转矩计数器，它安装于机壳上，靠传动齿轮组16与低位码盘组同步旋转，以其5个十进制字轮同步显示编码数据00000～65535。

图7是RS-485接口板11的结构图，它由单片计算机和相关电子元器件组成，其功能是将多路并行循环码转换成二线制串行通信数据，以便与通信机、计算机连接；在RS-485接口板上设置电源自动开关，它受控于内部微处理机和外部计算机，使编码器处于受控“睡眠”状态或“瞬间工作”状态，以降低能耗。

图8至图15是2¹位至2⁸位码盘的平面图，每个码盘有中心孔，用于固定安装码盘。它是以金属薄片切割或冲压成形或以工程塑料注塑成形，具有良好的机械和温度特性。

插座10安装固定于壳体侧面，可约定不同的脚号插针，连接循环码输出，RS-485接口及电源，地线。

该编码器的安装、使用方法为：

1、将编码器的壳体1用螺钉与安装基板固定。

2、编码器的主轴通过联轴节或规定周长的测轮，与被检测运动物体联接。

3、将编码器的输出插座10与相应的电显示器或通信机、计算机连接，并接通电源，即进入工作状态。

4、校准方法：先将测轮或联轴节与主轴2间的紧固螺钉12拧松，旋转主轴，使编码器的电显示数和机械计数器显示数与物体位置相对应的数值相同，即可拧紧锁紧螺钉12，即完成了校准工作。

该编码器的工作过程为：当外部物位变化，即带动编码器输入轴2转动，驱动低位码盘组3和高位码盘组4、5转动，即可由读出元件光电开关板6形成编码信号，经放大、整形，由输出插座10输出并行格雷码(或其它形式的循环码)信号，或者经RS-485接口11与通信机、计算机联网使用。编码数据可由同步十进制机械计数器9的字轮上读出。

Claims (6)

1、一种新型的绝对值型光电开关旋转编码器，它包括：壳体1，主轴2、低位码盘组3，次高位和高位码盘组4、5，光电开关组件6，传动齿轮组7、8，十进制机械计数器9，电输出插座10，RS-485接口板11和相关轴承、紧固件等。它的主轴2通过轴承21、22安装于壳体1上，其前端伸出壳体之外，作为角位移变量的输入轴；它的低位码盘组3由多个单片码盘和轴套13、轴套端盖17组成，码盘片按照设计的间隔和角度顺序安装在轴套13上，并以端盖17压紧，用锁紧螺钉12安装在主轴2上；次高位码盘组4和高位码盘组5分别由轴套14、15，端盖18、19及多个单片码盘组成，次高位码盘组4通过轴承23、24安装在主轴2上；码盘组3、4间安装有减速传动齿轮组7；高位码盘组5通过轴承25、26安装在主轴2上，码盘组4、5间安装有减速传动齿轮组8；码盘组3、4、5都是格雷码或其它形式的循环码编码；光电开关组件6是一个呈“一”字形排列的多个光电开关焊接在印刷电路板上的整件，安装于码盘组3、4、5与壳体1之间的支架20上，使每一个码盘的边缘正好垂直穿过对应的光电开关的“发射——接收”窗口；十进制计数器9固定于壳体1上，它通过变速齿轮组16与低位码盘组3啮合；输出插座10通过紧固件安装于壳体1上；RS-485接口板11安装在壳体1内，其输入端与光电开关组件6相连，输出端与输出插座10相连。其特征在于：所述的绝对值型光电开关旋转编码器的编码元件是由多个在外缘上制作码道的单片码盘按一定角度、一定顺序、一定间隔，按循环码规律安装在轴套上的码盘组；读码装置是呈“一”字形排列的焊接在印刷电路板上的多个光电开关器件组件；它的每个码盘外缘上的码道，都是从与之一一对应的光电开关的透射窗口隙中垂直穿过。

2、根据权利要求1所述的绝对值型光电开关旋转编码器，其特征在于：低位码盘组3直接固定在主轴2上，次高位码盘组4和高位码盘组5通过轴承安装于主轴2上，码盘组之间通过减速齿轮组7、8变速实现同步转动；高、低位码盘组可以是同轴结构，也可以是非同轴结构；传动齿轮组7、8是连续传动齿轮隙系也可以是步进式断续传动齿轮系。

3、根据权利要求1、2所述的绝对值型光电开关旋转编码器，其特征在于：它的低位码盘组的最高位码盘的码道是设计、制作在与其相邻的高位码盘组的最低位码盘上，或者在高位码盘组上制作、安装纠错码盘，以消除低位向高位进位时产生错误编码。

4、根据权利要求1、2所述的绝对值型光电开关旋转编码器，其特征在于：它的单片码盘制作材料是机械性能良好的薄金属圆片或工程塑料片，在其外缘上切割有规律的透射缺口或者制作有规律的吸收——反射区段。

5、根据权利要求1所述的绝对值型光电开关旋转编码器，其特征在于：光电开关板组件6的每个光电开关管是一体化的“发射——接收”器件；也可以是发射、接收分体光电器件或发射——反射——接收式光电器件，并可以在每个光电开关之后，加装放大整形电路，增强传输、驱动能力。

6、根据权利要求1所述的绝对值型光电开关旋转编码器，其特征在于：RS-485接口板组件11是由单片机和相关电子元器件组成，它的输入端与光电开关板组件6连接，输出端与电输出插座连接10连接，使本实用新型既有并行循环码编码数据输出，又能与通信机、计算机直接联网使用；同时RS-485接口板11上装有可控电源开关，用于执行内部微处理器指令或者接受其它外部指令，使编码器供电处于受控“睡眠”状态，或瞬间工作状态，降低能耗。

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