CN107091655B - 一种绝对式光电编码器码盘及绝对式光电编码器 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种绝对式光电编码器码盘及绝对式光电编码器，在传统格雷码金属码盘的基础上减少码盘的镂空部分，增加码盘的机械强度，减少码盘的结构变形，进一步提高编码器的精度，适合应用在振动强度大，环境比较恶劣的场合。

Description

一种绝对式光电编码器码盘及绝对式光电编码器
技术领域
本发明涉及光电编码器技术领域，具体涉及一种绝对式光电编码器码盘及绝对式光电编码器。
背景技术
光电轴角编码器，又称光电角位置传感器，是一种集光、机、电为一体的精密数字测角装置。绝对式编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干条同心码道，每条码道上由透光和不透光的扇形区间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数。在码盘的一侧是光源，另—侧对应每一码道有一光敏元件，每一个光源和光敏元件配对称为一个读数头。当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的高低电平信号，形成相应的输出码，高电平记为1，低电平记为0。这种编码器的特点是在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。
码盘是绝对式光电轴角编码器进行数据采集的核心元件，常用的码盘材料为玻璃，但是玻璃码盘无法适应振动、冲击较大的恶劣环境，在振动、冲击较大的恶劣环境中常采用不锈钢作为制作金属码盘的基片。
现在常用的编码器码盘为格雷码码盘，当编码器位数为N时，则码盘的码道数也为N。10位格雷码金属码盘图案如图1所示，图中黑色实体部分为金属码盘的镂空部分，即码盘的透光部分。每一码道都对应一个读数头，一共10个读数头，10个读数头排成一条直线，从最内圈到最外圈读数头分别计作A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10，10个读数头的排列位置如图2所示。当码盘转动时，根据10个读数头输出的0、1信号，即可以确定转轴的位置信息。
由于图1所示金属码盘镂空部分太多，在编码器工作时，或者使用一段时间后，容易导致码盘变形，或者产生颤动，致使光电轴角编码器的精度下降，甚至导致编码器不能正常工作。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种绝对式光电编码器码盘及绝对式光电编码器，在传统格雷码金属码盘的基础上减少码盘的镂空部分，增加码盘的机械强度，减少码盘的结构变形。
第一方面，本发明提供的绝对式光电编码器码盘，所述码盘为金属码盘，所述金属码盘具有编码区和非编码区，所述编码区和所述非编码区在圆周方向上等间隔设置，所述编码区中采用镂空设置格雷码，且所述格雷码在每个编码区上设置两个读数头，所述非编码区为不镂空区域。
可选地，所述编码区和非编码区的角度均为22.5度。
可选地，所述码盘为10位金属格雷码码盘，由内到外分别为第一码道、第二码道、第三码道、第四码道、第五码道、第六码道、第七码道、第八码道、第九码道及第十码道，以第一码道不镂空的起点记为第一码道的0°位置，逆时针旋转角度增加。
可选地，所述码盘采用第一关系计算非编码区，所述第一关系为：
(-11.25+N×22.5°)～(11.25+N×22.5°)，N＝0，2，4，6，8，10，12，14；
得到所述码盘的非编码区分别为：-11.25°～11.25°、33.75°～56.25°、78.75°～101.25°、123.75°～146.25°、168.75°～191.25°、213.75°～236.25°、258.75°～281.25°、303.75°～326.25°区域。
可选地，第五码道的11.25°～33.75°、56.25°～78.75°、101.25°～123.75°、146.25°～168.75°、191.25°～213.75°、236.25°～258.75°、281.25°～303.75°、326.25°～348.75°部分为镂空部分作为编码区，其余不镂空作为非编码区。
可选地，当检测到第五码道的第一读数头读到的信号为“0”时，则第二读数头读到的信号则为“1”，此时第一读数头处于码盘信号的盲区，所读取的信号无效，第二读数头处于码盘信号的有效区域，可以正确读取码盘的第一角度信息，将所述第一角度信息减去22.5°后作为编码器的角度值输出；
第一读数头读到的信号为“1”时，则第二读数头读到的信号则为“0”，第一读数头处于码盘信号的有效区域，可以正确读取码盘的第二角度信息，而第一读数头则处于码盘信号的盲区，所读取的信号无效，将所述第二角度信息作为编码器的角度值。
可选地，所述第一码道在191.25°～213.75°、236.25°～258.75°、281.25°～303.75°、326.25°～348.75°范围内的部分需要镂空作为编码区；
所述第二码道在90度至270度之间将非编码区外全部作为编码区；
所述第三码道根据第二关系进行刻画，所述第二关系为：
(360°/8+N×360°/2)～(360°×3/8+N×360°/2)N＝0，1；
所述第四码道根据第三关系进行刻画，所述第三关系为：
(360°/16+N×360°/4)～(360°×3/16+N×360°/4)N＝0，1，2，3；
所述第五码道根据第四关系进行刻画，所述第四关系为：
(360°/32+N×360°/8)～(360°×3/32+N×360°/8)N＝0，1，2，…，7；
所述第六码道根据第五关系进行刻画，所述第五关系为：
(360°/64+N×360°/16)～(360°×3/64+N×360°/16)N＝0，1，2，…，15；
所述第七码道根据第六关系进行刻画，所述第六关系为：
(360°/128+N×360°/32)～(360°×3/128+N×360°/32)N＝0，1，2，…，31；
所述第八码道根据第七关系进行刻画，所述第七关系为：
(360°/256+N×360°/64)～(360°×3/256+N×360°/64)N＝0，1，2，…，63；
所述第九码道根据第八关系进行刻画，所述第八关系为：
(360°/512+N×360°/128)～(360°×3/512+N×360°/128)N＝0，1，2，…，127；
所述第十码道根据第九关系进行刻画，所述第九关系为：
(360°/1024+N×360°/256)～(360°×3/1024+N×360°/256)N＝0，1，2，…，255。
可选地，所述码盘的厚度为0.05mm、0.08mm、0.1mm、0.15mm或0.2mm。
可选地，所述码盘的材料为304不锈钢。
第二方面，本发明提供的绝对式光电编码器，包括上述的码盘。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明是在传统格雷码金属码盘的基础上减少码盘的镂空部分，增加码盘的机械强度，减少码盘的结构变形，进一步提高编码器的精度。该码盘适合应用在振动强度大，环境比较恶劣的场合。
附图说明
图1为现有技术中的金属格雷码盘刻画方式的示意图；
图2为现有技术中的金属格雷码盘读数头排列位置的示意图；
图3为本发明实施例中绝对式光电编码器码盘的码盘刻画方式的示意图；
图4为本发明实施例中绝对式光电编码器码盘的读数头排列位置的示意图；
图5为本发明实施例中绝对式光电编码器码盘的格雷码与二进制码的转换关系图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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本发明一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
结合图3所示，本发明提供的绝对式光电编码器码盘，所述码盘为金属码盘，所述金属码盘具有编码区和非编码区，所述编码区和所述非编码区在圆周方向上等间隔设置，所述编码区中采用镂空设置格雷码，且所述格雷码在每个编码区上设置两个读数头，所述非编码区为不镂空区域。
可选地，所述编码区和非编码区的角度均为22.5度。
可选地，所述码盘为10位金属格雷码码盘，由内到外分别为第一码道、第二码道、第三码道、第四码道、第五码道、第六码道、第七码道、第八码道、第九码道及第十码道，以第一码道不镂空的起点记为第一码道的0°位置，逆时针旋转角度增加。
可选地，所述码盘采用第一关系计算非编码区，所述第一关系为：
(-11.25+N×22.5°)～(11.25+N×22.5°)，N＝0，2，4，6，8，10，12，14；
得到所述码盘的非编码区分别为：-11.25°～11.25°、33.75°～56.25°、78.75°～101.25°、123.75°～146.25°、168.75°～191.25°、213.75°～236.25°、258.75°～281.25°、303.75°～326.25°区域。
可选地，第五码道的11.25°～33.75°、56.25°～78.75°、101.25°～123.75°、146.25°～168.75°、191.25°～213.75°、236.25°～258.75°、281.25°～303.75°、326.25°～348.75°部分为镂空部分作为编码区，其余不镂空作为非编码区。
可选地，当检测到第五码道的第一读数头读到的信号为“0”时，则第二读数头读到的信号则为“1”，此时第一读数头处于码盘信号的盲区，所读取的信号无效，第二读数头处于码盘信号的有效区域，可以正确读取码盘的第一角度信息，将所述第一角度信息减去22.5°后作为编码器的角度值输出；
第一读数头读到的信号为“1”时，则第二读数头读到的信号则为“0，第一读数头处于码盘信号的有效区域，可以正确读取码盘的第二角度信息，而第一读数头则处于码盘信号的盲区，所读取的信号无效，将所述第二角度信息作为编码器的角度值。
可选地，所述第一码道在191.25°～213.75°、236.25°～258.75°、281.25°～303.75°、326.25°～348.75°范围内的部分需要镂空作为编码区；
所述第二码道在90度至270度之间将非编码区外全部作为编码区；
所述第三码道根据第二关系进行刻画，所述第二关系为：
(360°/8+N×360°/2)～(360°×3/8+N×360°/2)N＝0，1；
所述第四码道根据第三关系进行刻画，所述第三关系为：
(360°/16+N×360°/4)～(360°×3/16+N×360°/4)N＝0，1，2，3；
所述第五码道根据第四关系进行刻画，所述第四关系为：
(360°/32+N×360°/8)～(360°×3/32+N×360°/8)N＝0，1，2，…，7；
所述第六码道根据第五关系进行刻画，所述第五关系为：
(360°/64+N×360°/16)～(360°×3/64+N×360°/16)N＝0，1，2，…，15；
所述第七码道根据第六关系进行刻画，所述第六关系为：
(360°/128+N×360°/32)～(360°×3/128+N×360°/32)N＝0，1，2，…，31；
所述第八码道根据第七关系进行刻画，所述第七关系为：
(360°/256+N×360°/64)～(360°×3/256+N×360°/64)N＝0，1，2，…，63；
所述第九码道根据第八关系进行刻画，所述第八关系为：
(360°/512+N×360°/128)～(360°×3/512+N×360°/128)N＝0，1，2，…，127；
所述第十码道根据第九关系进行刻画，所述第九关系为：
(360°/1024+N×360°/256)～(360°×3/1024+N×360°/256)N＝0，1，2，…，255。
可选地，所述码盘的厚度为0.05mm、0.08mm、0.1mm、0.15mm或0.2mm。
可选地，所述码盘的材料为304不锈钢。
下面以10位格雷码码盘对本发明的技术方案进行具体介绍：
本发明提供的10位格雷码码盘图案如图3所示，图中黑色实体部分为码盘的镂空部分，其余部分不镂空。本发明的码盘是以传统的格雷码盘为基础，减少金属码盘的镂空部分，以增加码盘的机械强度。减少码盘镂空的同时，每一码道增加一对读数头以正确读取码盘的位置信息。
该码盘从最内圈到最外圈的码道分别计作A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10，以A1码道不镂空的起点记为该码道的0°位置，逆时针旋转角度增加。A5码道的11.25°～33.75°、56.25°～78.75°、101.25°～123.75°、146.25°～168.75°、191.25°～213.75°、236.25°～258.75°、281.25°～303.75°、326.25°～348.75°部分为镂空部分，其余不镂空。本发明的码盘A5码道与传统的格雷码盘A5码道一样，其余码道与传统的格雷码码道不一样，本发明的所***道的-11.25°～11.25°、33.75°～56.25°、78.75°～101.25°、123.75°～146.25°、168.75°～191.25°、213.75°～236.25°、258.75°～281.25°、303.75°～326.25°部分均不镂空，其余镂空部分与传统的格雷码码盘镂空部分一样。
结合图4所示，所示本发明的码盘进行信号提取时，每一码道增加的一对读数头与原来的读数头相差22.5°，新增加的读数头计作A1′、A2′、A3′、A4′、A5′、A6′、A7′、A8′、A9′、A10′作读数头。
编码器在对码盘进行信号读取时，读数头A5和A5′读取到的信号总是相反的。即如果A5读到的信号为“0”时，则A5′读到的信号则为“1”，此时读数头A1～A10则处于码盘信号的盲区，所读取的信号无效，此时读数头A1′～A10′处于码盘信号的有效区域，可以正确读取码盘的角度信息。如果A5读到的信号为“1”时，则A5′读到的信号则为“0”，此时读数头A1～A10处于码盘信号的有效区域，可以正确读取码盘的角度信息，而读数头A1′～A10′则处于码盘信号的盲区，所读取的信号无效。
编码器在对码盘的角度位置进行信号读取时，首先读取读数头A5和A5′的值。如果读数头A5的值为“1”，则此时将读数头A1～A10读取到的值进行格雷码-二进制译码后，即为编码器码盘此时的角度值；如果读数头A5′的值为“1”，则此时将读数头A1′～A10′读取到的值进行格雷码-二进制译码后，需要再减去22.5°，减之后的值即为编码器码盘此时的角度值，用二进制表示则是转换结果减去64个码值后作为编码器的二进制角度值输出。
如图5所示，格雷码与二进制码的转换关系图，其中A1～A10为格雷码，Bit9～Bit0为二进制码，Bit9为二进制码的高位，Bit0为二进制码的低位。转换时高位先转换，二进制码的高位Bit9直接等于格雷码的A1值，二进制码的次高位Bit8等于A2与Bit9进行位异或后的数值，依次类推，直至所有位转换完成，本领域普通技术人员应当了解，对此不再赘述。
第二方面，本发明提供的绝对式光电编码器，包括上述的码盘。绝对编码器码盘上有许多道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线、……编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的二进制编码(格雷码)，编码器是由码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。
本发明是在传统格雷码金属码盘的基础上减少码盘的镂空部分，增加码盘的机械强度，减少码盘的结构变形，进一步提高编码器的精度。该码盘适合应用在振动强度大，环境比较恶劣的场合。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的***，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的***，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。
以上对本发明所提供的一种绝对式光电编码器码盘及绝对式光电编码器进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种绝对式光电编码器码盘，其特征在于，所述码盘为金属码盘，所述金属码盘具有编码区和非编码区，所述编码区和所述非编码区在圆周方向上等间隔设置，所述编码区中采用镂空设置格雷码，且所述格雷码在每个编码区上设置两个读数头，所述非编码区为不镂空区域；
所述编码区和非编码区的角度均为22.5度；
所述码盘采用第一关系计算非编码区，所述第一关系为：
(-11.25+N×22.5°)～(11.25+N×22.5°)，N＝0，2，4，6，8，10，12，14；
得到所述码盘的非编码区分别为：-11.25°～11.25°、33.75°～56.25°、78.75°～101.25°、123.75°～146.25°、168.75°～191.25°、213.75°～236.25°、258.75°～281.25°、303.75°～326.25°区域。
2.根据权利要求1所述的绝对式光电编码器码盘，其特征在于，所述码盘为10位金属格雷码码盘，由内到外分别为第一码道、第二码道、第三码道、第四码道、第五码道、第六码道、第七码道、第八码道、第九码道及第十码道，以第一码道不镂空的起点记为第一码道的0°位置，逆时针旋转角度增加。
3.根据权利要求2所述的绝对式光电编码器码盘，其特征在于，第五码道的11.25°～33.75°、56.25°～78.75°、101.25°～123.75°、146.25°～168.75°、191.25°～213.75°、236.25°～258.75°、281.25°～303.75°、326.25°～348.75°部分为镂空部分作为编码区，其余不镂空作为非编码区。
4.根据权利要求3所述的绝对式光电编码器码盘，其特征在于，当检测到第五码道的第一读数头读到的信号为“0”时，则第二读数头读到的信号则为“1”，此时第一读数头处于码盘信号的盲区，所读取的信号无效，第二读数头处于码盘信号的有效区域，可以正确读取码盘的第一角度信息，将所述第一角度信息减去22.5°后作为编码器的角度值输出；
第一读数头读到的信号为“1”时，则第二读数头读到的信号则为“0”，第一读数头处于码盘信号的有效区域，可以正确读取码盘的第二角度信息，而第二读数头则处于码盘信号的盲区，所读取的信号无效，将所述第二角度信息作为编码器的角度值。
5.根据权利要求4所述的绝对式光电编码器码盘，其特征在于，所述第一码道在191.25°～213.75°、236.25°～258.75°、281.25°～303.75°、326.25°～348.75°范围内的部分需要镂空作为编码区；
所述第二码道在90度至270度之间将非编码区外全部作为编码区；
所述第三码道根据第二关系进行刻画，所述第二关系为：
(360°/8+N×360°/2)～(360°×3/8+N×360°/2)， N＝0，1；
所述第四码道根据第三关系进行刻画，所述第三关系为：
(360°/16+N×360°/4)～(360°×3/16+N×360°/4)， N＝0，1，2，3；
所述第五码道根据第四关系进行刻画，所述第四关系为：
(360°/32+N×360°/8)～(360°×3/32+N×360°/8)， N＝0，1，2，…，7；
所述第六码道根据第五关系进行刻画，所述第五关系为：
(360°/64+N×360°/16)～(360°×3/64+N×360°/16)， N＝0，1，2，…，15；
所述第七码道根据第六关系进行刻画，所述第六关系为：
(360°/128+N×360°/32)～(360°×3/128+N×360°/32)， N＝0，1，2，…，31；
所述第八码道根据第七关系进行刻画，所述第七关系为：
(360°/256+N×360°/64)～(360°×3/256+N×360°/64)， N＝0，1，2，…，63；
所述第九码道根据第八关系进行刻画，所述第八关系为：
(360°/512+N×360°/128)～(360°×3/512+N×360°/128)， N＝0，1，2，…，127；
所述第十码道根据第九关系进行刻画，所述第九关系为：
(360°/1024+N×360°/256)～(360°×3/1024+N×360°/256)， N＝0，1，2，…，255。
6.根据权利要求1所述的绝对式光电编码器码盘，其特征在于，所述码盘的厚度为0.05mm、0.08mm、0.1mm、0.15mm或0.2mm。
7.根据权利要求1或6所述的绝对式光电编码器码盘，其特征在于，所述码盘的材料为304不锈钢。
8.一种绝对式光电编码器，其特征在于，包括如权利要求1至7中任一项所述的码盘。
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