CN1283980C - 一体式光电轴角编码器 - Google Patents
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Abstract
一种一体式光电轴角编码器，它有一个筒状壳体，壳体两端装有密封板，在壳体轴心位置通过滚珠轴承安装有可旋转的主轴，主轴中部装着码盘，与码盘相配合在壳体上装有光电开关组件，在光电开关组件外装有一个橡胶套置于壳体上，在主轴的一端装有重锤。码盘既可以采用多码道二进制码或格雷码码盘，也可以采用特别设计的单码道码盘。本发明采用一体式的结构，零部件全部密封在壳体内，将传感元件与外部环境隔离开来，可以经受高温、高湿、高压、腐蚀等各种恶劣条件。本发明只需固定在旋转轴上即可实现测量，可安装在机械转轴的内部，特别适合转轴尺寸较大且无法提供固定平台场合下的轴角编码测量，如地下定向钻进钻具转角的检测。
Description
技术领域
本发明涉及自动化测控技术领域，具体涉及一种用于测量旋转轴的旋转角度并以编码形式输出的轴角编码器。
背景技术
光电轴角编码器是用来测量轴旋转角度的传感器，它作为光、机、电一体化设备的重要组成部件，被广泛地用于数控机床、计量测试、电子工业设备、机器人等自动化测控领域。传统的光电轴角编码器一般由固定在主轴上的码盘和光电开关组成，主轴通过轴承安装在壳体上，一段伸出壳体之外，作为角度量输入轴。这样，码盘随主轴一起转动，光电开关作为不动件输出与输入角位移对应的编码数据。这种装置虽然可以做到很高的精度，但体积大、制作工艺复杂，特别是码盘与光电开关组件之间有相对转动，须分别进行安装，不能满足一些转轴尺寸较大，无法提供固定平台的特殊场合。
例如在非开挖地下定向钻进中，经常需要测量钻头的旋转方位，以便司钻人员实时对钻头进行调整，实现可控向钻进。定向钻进中的钻头以及钻杆在钻进时都是联动的，无法提供固定的平台，要对其转角进行测量，必须将传感器安装在其内部的空腔内，测得的数据通过无线的方式发射到地面上。而且，由于地下钻进时工作状态和条件非常恶劣，这就要求传感器工作时能耐高压、高温、高湿、高冲击、高振动、高摩擦、高腐蚀等。在这样的环境下，要实现转轴的转角检测，传统的光电轴角编码器就无法胜任。
发明内容
本发明的任务，就是对传统的光电轴角编码器进行改进，提供一种可以安装在转轴内部且能在高压、高温、高湿等恶劣环境下工作的一体式光电轴角编码器。
本发明的技术方案是：包括一个筒状壳体，壳体两端装有密封板，在壳体轴心位置通过滚珠轴承安装有可旋转的主轴。主轴中部装着码盘，与码盘相配合，在壳体上装有光电开关组件，在光电开关组件外装有一个橡胶套置于壳体上。在主轴的一端装有重锤置于密封板与壳体端部形成的空腔里。所述壳体安装于待测的旋转轴上，主轴通过其一侧所设的重锤相对壳体旋转。所述码盘可为多码道二进制码或格雷码码盘，光电开关组件连接有引线，按“一字形”沿码盘径向排列，其上设有与码盘上码道相对应的发光元件和接收元件；所述码盘也可为其圆周盘面上设有2n个透光或不透光区域且其任何相邻的n个区域不重复之单码道码盘，光电开关组件上连接有引线，沿码盘圆周排列，与码盘上相邻区域对应，其上设有发光元件和接收元件。
本发明采用一体式的结构，只要将其固定在旋转轴上即可实现转角位置的测量，无需被测装置提供专门的固定平台；整个装置采用密封的结构，将传感元件与外部环境隔离开来，可以经受高温、高湿、高压、腐蚀等各种恶劣条件。本发明结构紧凑，体积可以做得很小，在采用四码道码盘及配套的微型光电开关时，编码器直径可做到4厘米范围；采用的单码道码盘不仅可以大大缩小编码器的体积，而且可以采用金属或塑料等非玻璃材料，大大提高编码器抗振性和抗冲击性。
附图说明
图1为本发明具体实施例结构示意图；
图2为本发明采用的四码道码盘与光电开关组件的安装结构示意图；
图3.1为本发明采用二进制码编码的四码道码盘结构示意图；
图3.2为本发明采用二进制码编码的四码道码盘结构对应的编码输出表；
图4.1为本发明采用格雷码编码的四码道码盘结构示意图；
图4.2为本发明采用格雷码编码的四码道码盘结构对应的编码输出表；
图5为本发明采用单码道码盘实现4-16编码的装置壳体外形图；
图6为本发明采用的一个典型光电开关实施例结构示意图；
图7.1为本发明实现4-16编码的单码道码盘与光电开关组件的安装结构示意图；
图7.2为本发明实现4-16编码的单码道码盘与光电开关组件结构对应的编码输出表；
图8为本发明可实现4-16编码的所有单码道码盘结构示意图；
图9为本发明可实现4-12编码的所有单码道码盘结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例介绍本发明。
参照图1，本发明装置包括一圆筒状壳体2，在其一端装有前密封板8，另一端装有后密封板9。在壳体轴心位置通过前后两滚珠轴承3安装主轴1，前面的轴承装在前密封板8内，后面的轴承装在壳体内凸台上，壳体内凸台与后密封板9形成一个空腔，主轴的伸出端在空腔内装有重锤6。主轴中部有一个凸台，主轴上套着码盘5用挡圈10与主轴凸台将码盘固定。与码盘相配合有一个带凹口的光电开关组件4安装在壳体上，码盘5置于光电开关组件凹口内。在壳体外装有一个橡胶套7压住光电开关组件。
本发明可安装在待测的旋转轴上，或通过胶结的方法放入旋转轴的内部，随旋转轴的转动而转动。当旋转轴带动壳体2转动时，固定在其上的光电开关组件4跟着转动。由于壳体2和主轴1通过轴承3连接，而主轴1与重锤6连接在一起，重力作用会使重锤6始终向下，即使主轴1有轻微的转动也会被重锤6拉回来，这样主轴1连同其上的码盘5始终保持在同一个位置。这样，光电开关组件4与码盘5之间就存在相对转动，由于码盘5的调制作用即可得到与转角一一对应的编码信息，从而完成转角的测量。
本发明与传统编码器的区别在于，外界旋转角度的输入不是通过内部主轴1伸出壳体2之外来实现，而是通过整个编码器，或者说固定了光电开关组件4的编码器壳体2来实现。当整个编码器由于外部输入角位移而转动时，由于重锤6的重力作用，不管外部壳体2如何转动，码盘5始终保持在一个位置。这样，通过码盘5和光电开关组件4之间的相对圆周运动可输出相应的编码信息，从而检测出转角位置。
码盘5为本发明的核心部件，其结构形式决定了其特征编码输出，它一般通过照相的方式在一片基体上形成透明和不透明的码区而制成。基体通常采用玻璃材料，透明和不透明码区的分布决定了特征编码的输出。
参照图2四码道光学码盘与配套光电开关组件的安装结构，光电开关组件4按照“一”字形沿码盘5径向排列，为一凹形体，其突出的两边分别设有发光元件12和相应的接收元件13，码盘5周边置于其凹槽内，其上设***道11。发光元件12、对应的码道11、接收元件13的中心在一条直线上，构成一体化的发射——接收装置，并受码盘5上对应的码道11调制。元件的供电及信号的引出通过连接于光电开关组件4上引线14来完成，光电开关组件4还可设置整形、放大电路，以增强其传输和驱动能力。
参照图3.1、3.2，码盘5不同的结构形式决定了本发明不同的编码输出，给出了四码道二进制码编码的码盘图案及对应的编码结果。这种编码结果为连续的二进制数，易于阅读和分析，但经常出现多个码位一起切换的情况。在原理上虽没什么问题，但实际上光电开关组件4的安装不可能完全对齐，这就容易造成应该同时切换的时候却出现一先一后的问题，从而带来较大的误差。
参照图4.1、4.2，为了消除同时切换的时候却出现一先一后的问题，本发明可采用格雷码编码的码盘。格雷码为一种循环码，其特点为当编码从任何数转换到相邻数时，编码的各位中仅有一位发生变化。由于循环码的这个特点，当它发生进位或退位时，只有一个二进制数字发生变化。因此即使最高位因码盘5制造或光电接收器安装等原因造成延时或提前转换，产生的误差不会超过读数最低位的单位量值。
测角的分辨率取决于码盘5的码道11和配套光电开关的组数，若采用n码道的码盘和n组光电开关，可以实现360/2n度的角度测量分辨率。
为了进一步减小轴向的尺寸，并使分辨率高的码盘容易设计加工，本发明还可以改变光电开关组件4和码盘5的相互位置及码盘5上发光元件12和相应的接收元件13分布状况，采用单码道码盘来实现。以4-16编码(4组光电开关，圆周分为16份)为例，其光电开关组件4不再沿码盘5直径呈“一”字形排列，而是沿码盘5的圆周排列，每组之间相差22.5°，也就为说，四组光电开关恰好对应码盘5上相邻的四个区域。图5给出了这种结构形式下的壳体结构外形图。其中，壳体2上与码盘5对应的部分开有四个相邻的槽15，每个槽15之间相差22.5°，分别安装四个光电开关。光电开关的具体实施例如图6所示，光电开关组件4上设有一个发光元件12和接收元件13，与码盘5上码道对应。由于这种光电开关只有一对发射——接收单元，结构简单，易于制作，目前市面上出售的光电开关大多为这种结构形式，且有多种尺寸的可供选择。
对于这种单码道轴角编码器，码盘5的结构形式很重要，必须合理设计码盘5的结构，使码盘5与光电开关组件4相对运动一周时，输出编码没有重复，这样才能根据输出编码唯一地确定转角的位置。
参照图7.1、7.2所示的能够实现4-16编码的一个单码道码盘的结构及对应的编码输出，码盘5的外沿沿圆周分为16等份，其中有的被裁去以使光线直接透过，有的保留以实现挡光。设挡光时光电开关输出“0”，没挡光时输出“1”，当光电开光组件4相对码盘5运动一周时，则得到输出编码1111 1110 1100 1000 0000 0001 0010 0100 1001 0011 0110 11011010 0101 1011 0111，这16个数码不断循环，分别对应转角测量的16个区域，所以只要得到光电开关输出的编码就可确定编码器的角度位置。这种方式可以大大缩短编码器的径向尺寸，同时又不增加轴向尺寸。
图8列出了计算机计算出的能够实现4-16编码的单码道码盘的结构图，可见，满足旋转一周输出编码没有重复的码盘形式共有16种。采用这16种结构中的任何一种，都可使光电开关的输出编码没有重复，其编码唯一地确定当前转角的位置。
图9列出了能够实现4-12编码(4组光电开关，圆周分为12份)的所有单码道码盘的结构图，码盘结构共有13种。这种4-12的编码可将圆周分成12份，恰好与钟表的时钟刻度一致，可以方便地用时钟的点数来表示转角的位置，如6点方向表示竖直向下，12点方向表示竖直向上等。
其它编码方式的码盘结构也可按照类似的方法设计。当采用n个光电开关时，可以实现分辨率为360/2n度的转角测量。这种单码道传感器的另一个优点为由于只有一个码道，方便加工，特别为可以不用选择玻璃材料，选用塑料或金属码盘，大大提高抗振动抗冲击能力。
Claims (4)
1、一种一体式光电轴角编码器，其特征是：有一个筒状壳体(2)，壳体两端装有密封板，在壳体轴心位置通过滚珠轴承(3)安装有可旋转的主轴(1)，主轴中部装着码盘(5)，与码盘相配合在壳体上装有光电开关组件(4)，在光电开关组件外装有一个橡胶套(7)置于壳体上，在主轴的一端装有重锤(6)置于密封板与壳体端部形成的空腔里。
2、按权利要求1所述的编码器，其特征是：在壳体(2)一端装有前密封板(8)，另一端装有后密封板(9)，安装主轴(1)的前面轴承装在前密封板(8)内，后面的轴承装在壳体(2)内的凸台上，壳体内凸台与后密封板(9)形成一个空腔，主轴的伸出端在空腔确内装有重锤(6)，主轴中部有一个凸台，码盘(5)用挡圈(10)压迫在凸台上固定，与码盘(5)相配合有一个带凹口的光电开关组件(4)安装在壳体上，码盘置于光电开关组件凹口内。
3、根据权利要求1或2所述的编码器，其特征是：所述码盘(5)为二进制码或格雷码码盘，光电开关组件(4)连接有引线(14)，光电开关组件按“一字形”沿码盘(5)径向排列，光电开关组件上设有与码盘(5)上码道(11)相对应的发光元件(12)和接收元件(13)。
4、根据权利要求1或2所述的编码器，其特征是：在码盘(5)的圆周盘面上，设有2n个透光或不透光区域，任何相邻的n个区域为不重复之单码道码盘，光电开关组件(4)上连接有引线(16)，光电开关组件沿码盘(5)圆周排列，与码盘上相邻区域对应，光电开关组件上设有一个与码盘上码道(11)对应的发光元件(12)和接收元件(13)。
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