CN104596557B - 一种绝对式编码器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绝对式编码器，属于编码器领域，该编码器包括主轴，所述主轴上安装有激光光源，所述电路***部件固定于所述主轴底端，所述光敏阵列传感器安装于所述外壳内壁，所述外壳安装于所述电路***部件上，同时本发明还公开了该编码器的测量方法，本发明以光敏阵列传感器代替码盘，解决现有技术编码器分辨率受码盘限制的技术问题，编码器的测量分辨率获得大幅度的提升，无需专用码盘，制造加工成本大大降低。

Description

一种绝对式编码器及其测量方法

技术领域

本发明涉及编码器领域，尤其涉及一种绝对式编码器及其测量方法。

背景技术

在现代制造业的生产中，对机械运转的精确度提出了越来越高的要求。编码器是影响机械运转精确度的一个关键器件，其在机械转轴运动过程中反馈轴位信息给控制***以达到精确控制转轴旋转运动位置和速度的目的。

编码器分为绝对式和相对式两种，绝对式编码器可以反映机械转轴相对于已预定原点的位置信息，而相对式编码器反映的则是当前轴位相对于之前轴位的位置信息。

目前很多绝对式编码器，采用的编码方式均为格雷码编码。即在码盘上刻上多道码道，每条码道上依次有2、4、8、16...道刻线。在编码器工作时，由光源发出的光照射码盘，通过读取每道刻线的亮暗，以此获得一组码值来唯一对应一个轴位。此种编码器虽然原理简单，工作可靠，抗干扰性强，但其码盘制造工艺复杂，所能刻的最大码道数和最大刻线数也有一定的限度，不能满足超高分辨率加工生产的要求。

中国专利CN200710006964.7公开了一种编码器，将该编码器安装于电机或通过电机驱动的机器上、检测出位置信息或速度信息的编码器，从表示各种各样内部的原因，外部原因或是长时间所引起的编码器信号特性值的时效变化的信息，从而获得对故障预测有价值的信息和对确定警报间断地发出的原因有价值的信息，从而提高编码器的可维护性；该技术方案主要对传统编码器输出的信号进行处理以提高编码的效果 ，但其并没有解决现有编码器分辨率受码盘限制的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术编码器编码器分辨率受码盘限制的技术问题，本发明提供一种绝对式编码器，该编码器可以摆脱码盘的限制，控制分辨率获得大幅度的提升。

为了达到上述目的，本发明提供如下的技术方案：

一种绝对式编码器，包括主轴、激光光源、光敏阵列传感器、电路***部件及外壳，所述主轴上安装有激光光源，所述电路***部件固定于所述主轴底端，所述光敏阵列传感器安装于所述外壳内壁，所述外壳安装于所述电路***部件上。

作为本技术方案的一种改进，所述光敏阵列传感器以所述主轴为轴线环形阵列分布于所述外壳内壁上，所述光敏阵列传感器由CMOS（Complementary Metal-OxideSemiconductor，互补性氧化金属半导体（以下简称为CMOS））光敏元件集成而成。

作为本技术方案的另一种改进，所述光敏阵列传感器用于接收所述激光光源射出的激光并转换为模拟电压信号输出到所述电路***部件中。

作为本技术方案的再一种改进，所述电路***部件通过电刷为所述激光光源提供电源，并用于将所述光敏阵列传感器输出的模拟电压信号转换为数字信号1或0。

优选地，所述电路***部件包括只读存储器，所述只读存储器存储记录有所述互补性氧化金属半导体光敏元件受激光照射时及光敏阵列传感器中其他互补性氧化金属半导体光敏元件未受激光照射时产生的的码值及其码值相对应轴位角度。

优选地，所述码值为二进制码值。

同时，本发明还提供了该绝对式编码器的测量方法，包括以下步骤：

S1、通过联轴器将编码器的主轴与待测量机械转轴相连，主轴与机械转轴做同步旋转运动，同时激光光源通电，发出直线激光；

S2、光敏阵列传感器上的互补性氧化金属半导体光敏元件接收到激光信号后将激光信号转换为一系列模拟电压信号，并将该模拟电压信号输出到步骤S3中的电路***部件；

S3、电路***部件将步骤S2中光敏阵列传感器输出的模拟电压信号转换为数字信号1或0，具体地为：将接收到激光信号的互补性氧化金属半导体光敏元件输出的模拟电压信号转换为数字信号1，将没接收到激光信号的互补性氧化金属半导体光敏元件输出输出的模拟电压信号转换为数字信号0，从而得出一具体的码值；

S4、将步骤S3得出的具体码值与所述电路***部件中只读存储器中存储记录的每一个所述互补性氧化金属半导体光敏元件的码值进行查找比对，查找得出步骤S3所得出的具体码值相对应的轴位角度，即得出被测轴此时实际的轴位角度；

S5、通过485协议将步骤S4得出的被测轴实际轴位角度输出到被测轴电机控制***进行反馈处理，实现精确控制转轴旋转运动位置和速度。

进一步，所述具体码值相对应的轴位角度由以下公式求得：

其中：为当前角度；n为光敏阵列传感器中互补性氧化金属半导体光敏元件的个数；m为当前的码值。

总之，本发明与现有技术相比，具有如下的技术优势：

本发明以光敏cmos阵列传感器代替码盘，按目前现有技术已有像元尺寸为2.2um*2.2um的CMOS光敏元件，如果外壳内径为42mm，则阵列绕圆周分布一共有42mm*3.14/2.2um=60000个CMOS像元，则该编码器分辨率至少为360/60000=20”（角度单位：角秒），进一步，随着外壳内径的增大，激光光源旋转一周能扫描到更多的像元，分辨率能达到更高水平，而现有技术普通的绝对式编码器一般有14位的分辨率，即为360/2^14=79”，由此可知本发明的编码器与现有技术的编码器相比，分辨率能过获得大幅度的提升，获得革命性地进步，无需专用码盘，制造加工成本大大降低。

附图说明

图1为本发明绝对式编码器的结构示意图；

图2为本发明绝对式编码器内部结构示意图；

图3为本发明绝对式编码器测量方法的流程款图；

图中：1主轴，2激光光源，3光敏阵列传感器，4电路***部件，5外壳，

31CMOS光敏元件。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1-2所示，为本发明较佳实施例的绝对式编码器的结构示意图，包括主轴1、激光光源2、光敏阵列传感器3、电路***部件4及外壳5，所述主轴1上安装有激光光源2，所述电路***部件4固定于所述主轴5底端，所述光敏阵列传感器3以所述主轴1为轴线环形阵列分布于所述外壳5内壁上，所述光敏阵列传感器3由CMOS光敏元件31集成而成，所述外壳5安装于所述电路***部件4上；其中，该光敏阵列传感器3用于接收所述激光光源2射出的激光并转换为一系列模拟电压信号输出到所述电路***部件4中，该电路***部件4通过电刷为该激光光源2提供电源，并用于将所述光敏阵列传感器3输出的模拟电压信号转换为数字信号1或0，该电路***部件4包括只读存储器，

所述只读存储器存储记录CMOS光敏元件31受激光照射时及光敏阵列传感器3中其他CMOS光敏元件31未受激光照射时产生的的码值及其码值相对应轴位角度。

实施例二

本实施例为实施例一中该绝对式编码器的测量方法，具体包括以下步骤：

S1、通过联轴器将编码器的主轴与待测量机械转轴相连，主轴与机械转轴做同步旋转运动，同时激光光源通电，发出直线激光；

S2、光敏阵列传感器上的CMOS光敏元件接收到激光信号后将激光信号转换为一系列模拟电压信号，并将该模拟电压信号输出到步骤S3中的电路***部件；

S3、电路***部件将步骤S2中光敏阵列传感器输出的模拟电压信号转换为数字信号1或0，具体地为：将接收到激光信号的CMOS光敏元件输出的模拟电压信号转换为数字信号1，将没接收到激光信号的互补性氧化金属半导体光敏元件输出的模拟电压信号转换为数字信号0，从而得出一具体的码值；

S4、将步骤S3得出的具体码值与所述电路***部件中只读存储器中存储记录的每一个所述CMOS光敏元件的码值进行查找比对，查找得出步骤S3所得出的具体码值相对应的轴位角度，即得出被测轴此时实际的轴位角度；

S5、通过485协议将步骤S4得出的被测轴实际轴位角度输出到被测轴电机控制***进行反馈处理，实现精确控制转轴旋转运动位置和速度。

其中，所述具体码值相对应的轴位角度由以下公式求得：

其中：为当前角度；n为光敏阵列传感器中互补性氧化金属半导体光敏元件的个数；m为当前的码值。

实施例三

本实施例将结合实施例一中的编码器及实施例二中的测量方法；

本实施例中，外壳内壁上的光敏阵列传感器由10个CMOS光敏元件组成，采用实施例二中的测量方法，则CMOS光敏元件输出的模拟电压信号经电路***部件A/D转换后数字信号1或0，形成具体的码值，具体地为：当第1个CMOS光敏元件接收到激光信号，其余的9个CMOS光敏元件没有接受到激光信号，则CMOS光敏元件输出的模拟电压信号经电路***部件A/D转换后数字信号后输出具体的码值为0000000001，同时将该具体码值与电路***部件中只读存储器中存储记录的每一个所述CMOS光敏元件的码值进行查找比对，如表1所示，从而得出该码值相对应的轴位角度为0度，同理可得出当第2个CMOS光敏元件接收到激光信号，其余的9个CMOS光敏元件没有接受到激光信号时，被测轴的实际轴位角度，在此就不在一一赘述。

表1为本实施例中只读存储器中存储记录的CMOS光敏元件受激光照射时及光敏阵列传感器中其他CMOS光敏元件未受激光照射时产生的的码值及其码值相对应轴位角度。

表1

Claims (4)

1.一种绝对式编码器，其特征在于，包括主轴、激光光源、光敏阵列传感器、电路***部件及外壳，所述主轴上安装有激光光源，所述电路***部件固定于所述主轴底端，所述光敏阵列传感器安装于所述外壳内壁，所述外壳安装于所述电路***部件上；所述光敏阵列传感器以所述主轴为轴线环形阵列分布于所述外壳内壁上，所述光敏阵列传感器由互补性氧化金属半导体光敏元件集成而成；所述光敏阵列传感器用于接收所述激光光源射出的激光并转换为一系列模拟电压信号输出到所述电路***部件中；所述电路***部件通过电刷为所述激光光源提供电源，并用于将所述光敏阵列传感器输出的模拟电压信号转换为数字信号1或0；所述电路***部件包括只读存储器，所述只读存储器存储记录有所述互补性氧化金属半导体光敏元件受激光照射时及光敏阵列传感器中其他互补性氧化金属半导体光敏元件未受激光照射时产生的的码值及其码值相对应轴位角度。

2.如权利要求1所述的一种绝对式编码器，其特征在于，所述码值为二进制码值。

3.如权利要求1所述的一种绝对式编码器的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过联轴器将编码器的主轴与待测量机械转轴相连，主轴与机械转轴做同步旋转运动，同时激光光源通电，发出直线激光；

S2、光敏阵列传感器上的互补性氧化金属半导体光敏元件接收到激光信号后将激光信号转换为模拟电压信号，并将该模拟电压信号输出到步骤S3中的电路***部件；

S3、电路***部件将步骤S2中光敏阵列传感器输出的模拟电压信号转换为数字信号1或0，具体地为：将接收到激光信号的互补性氧化金属半导体光敏元件输出的模拟电压信号转换为数字信号1，将没接收到激光信号的互补性氧化金属半导体光敏元件输出输出的模拟电压信号转换为数字信号0，从而得出一具体的码值；

S4、将步骤S3得出的具体码值与所述电路***部件中只读存储器中存储记录的每一个所述互补性氧化金属半导体光敏元件的码值进行查找比对，查找得出步骤S3所得出的具体码值相对应的轴位角度，即得出被测轴此时实际的轴位角度；

S5、通过485协议将步骤S4得出的被测轴实际轴位角度输出到被测轴电机控制***进行反馈处理，实现精确控制转轴旋转运动位置和速度。

4.如权利要求3所述的一种绝对式编码器的测量方法，其特征在于，所述具体码值相对应的轴位角度由下式求得：

$\mathrm{\θ}=\frac{360}{n}\×{\log }_{2}m$

其中：θ为当前角度；n为光敏阵列传感器中互补性氧化金属半导体光敏元件的个数；m为当前的码值。