CN207439425U - 高速高精机床主轴、电主轴磁感应正余弦编码器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开高速高精机床主轴、电主轴磁感应正余弦编码器，包括量测齿轮和与测量齿轮配合使用的磁感应读取头；磁感应读取头内设有配合磁钢对磁场强度变化情况进行实时检测的磁感应元器件；磁感应读取头内的信号调理电路设有正余弦信号调理驱动芯片；磁感应元器件与量测齿轮圆周正相切安装，磁感应元器件对量测齿轮进行非接触式扫描所产生的正余弦正交差分信号和参考零点差分信号，使用正余弦信号调理驱动芯片对正余弦信号的直流电平误差、幅值误差和正交相位误差进行有效的修正和补偿，进而稳定输出高精度高正弦性的正余弦信号。其机械传动结构简单，提高了机床主轴定位、重复定位精度，提升了数控机床整体量测精度和加工效率。

Description

高速高精机床主轴、电主轴磁感应正余弦编码器

技术领域

本实用新型涉及编码器领域,特别是涉及一种高速高精机床主轴、电主轴磁感应正余弦编码器，可广泛应用于数控机床、机器人、电梯、航空和工业自动化等领域。

背景技术

编码器（Encoder）是一种用来检测角度、位置、速度和加速度的感测器，是把机械旋转的角位移或直线位移进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的电信号形式的设备，是机械与电子紧密结合的精密测量器件，广泛应用于电机、汽车、风电、机器人等众多领域。

在工业生产中，广泛应用的编码器多为光电式，光电编码器缺点是对环境适应性差，对于湿气、尘埃、油污和温度变化的抵抗能力较弱，应用中需做密封处理；光电编码器光栅盘多为玻璃材质，在绕轴高速旋转时，容易因轴振动、冲击等外部环境的影响，使得光栅盘碎裂。

除了光电编码器，磁感应编码器也广泛应用于工业生产中。磁感应编码器基于磁传感器，而磁传感器广泛应用于现代工业和电子产品中，以感应磁场强度及其分布来测量电流、位置、方向等物理参数。在现有技术中，有许多不同类型的传感器用于测量磁场和其他参数，例如采用霍尔（Hall）元件、各向异性磁电阻（Anisotropic MagnetoResistance，AMR）元件、巨磁电阻（Gaint MagnetoResistance，GMR）元件、隧道磁电阻TMR（TunnelMagnetoResistance）元件为测量敏感元件的磁传感器。相比于其它磁性传感元件，TMR元件具备微功耗、分辨率高、动态范围大、优异的温度稳定性和极高的灵敏度等优点。

在高速、高精度、高动态性能要求的伺服***中，通常采用输出正余弦信号的检测元件，用于位置和速度反馈。用正余弦波形的个数表示位移的大小，其信号处理过程是：正余弦信号到达信号处理电路后，为了在CPU取样的范围内，需对正弦波信号先做直流电压基准位调整，使正弦波信号直流基准位于AD取样电压范围的中点，且振幅不超过取样电压的范围，再经过滤波器滤出高频及谐波后，通过DSP或FPGA高速实时的计算出位置和速度。

目前，磁感应编码器的安装定位方式非常粗糙，读取头的定位基准面是平面，在安装时，利用定位工装很难保证磁感应读取头中心、量测齿轮、机床主轴安装的同心度，同时，读取头的定位基准面和量测齿轮圆周切面相互平行、读取头与量测齿轮之间的距离的保证也很困难，从而导致读取头实际安装的精准性和一致性很差，进而大大降低了磁感应编码器的控制精度。

磁感应正余弦编码器工程应用中，由于受到齿盘加工工艺、电源波动、环境温度变化、读取头磁感应芯片的非线性等因素的影响，位置检测元件磁感应芯片输出的正余弦信号常伴有直流偏置误差、幅值误差和正交相位误差、谐波分量误差、噪声误差等，直接影响伺服控制***的精度和可靠性。如何对正余弦编码器输出的角位置信号误差进行有效的修正和补偿，进而稳定输出高精度高正弦性的正余弦信号，使后续信号处理电路得以进行高倍频插补细分，即从正余弦信号中提取出高分辨率的位置信息，以满足伺服***的高速度、高精度控制要求具有重要的研究和应用价值。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种适用于高速高精机床主轴、电主轴磁感应正余弦编码器，该编码器采用一种具有超高灵敏度、精度及反应速度，并且与量测齿轮配合具有更高优越特性的磁阻传感器，应用齿轮感应磁力线工作原理，选用磁电集成芯片实现高可靠性正余弦信号的产生，使用正余弦信号调理驱动芯片对正余弦信号的直流偏置误差、幅值误差和正交相位误差进行有效的修正和补偿，进而稳定输出高精度高正弦性的正余弦信号。其结构简单、体积小、重量轻、易安装且抗冲击能力及环境适应性强、可靠性高、抗振动、高频响、高精度，在减少复杂机械传动机构的同时，大幅提高了机床主轴的定位、重复定位精度，从而提升了数控机床的整体量测精度和加工效率。

为解决以上技术问题，本实用新型采用的技术方案：

一种高速高精机床主轴、电主轴磁感应正余弦编码器，包括套装在机床主轴、电主轴上且随机床主轴、电主轴同步旋转的铁磁性量测齿轮和与测量齿轮配合使用的磁感应读取头；所述磁感应读取头内设有配合磁钢对磁场强度变化情况进行实时检测的磁感应元器件；所述磁感应读取头内的信号调理电路设有正余弦信号调理驱动芯片。

所述量测齿轮设有正余弦正交差分信号输出磁道和参考零点差分信号输出磁道；所述量测齿轮带有一个安装在机床主轴、电主轴上的中心孔；所述量测齿轮规格模数为0.2或0.3或0.4或0.5或0.6或0.8或1.0或2.0。

所述磁感应读取头包括外部金属壳体、设置在外部金属壳体内的第一电路板、磁钢、电连接件、第二电路板、输入输出接口端子；第一电路板上设置有配合磁钢对磁场强度变化情况进行实时检测的磁感应元器件；第二电路板上设置有与磁感应元器件电连接的信号调理电路和与信号调理电路相接的存储电路、输入输出接口电路。

所述外部金属壳体包括缸体和扣装在缸体正上方的上盖，缸体与上盖之间通过螺钉或固体胶进行连接；所述第一电路板和第二电路板设置于缸体与上盖构成的密封腔内。

所述磁感应读取头的安装侧面与量测齿轮的侧面处于同一水平面，磁感应元器件与量测齿轮圆周正相切安装。

所述磁感应读取头壳体上设有安装凸筋，磁感应读取头的壳体底部设有便于安装的对称凸筋，对称凸筋高度一致以实现磁感应元器件和量测齿轮圆周正相切安装，即实现磁感应元器件中心、量测齿轮、机床主轴安装的同心度。

本实用新型具有以下优点和积极效果：

1.本实用新型大口径空心轴安装，无需复杂的机械传动结构，不需要自带任何轴承，也不需要任何的机械联轴器，量测齿轮直接套装在机床主轴、电主轴上且随机床主轴、电主轴同步旋转。将高精度编码器与机床主轴、电主轴直连，在减小传动装置带来的误差同时，大幅提高了加工、定位精度。此方法可解决光电编码器高速旋转对轴向窜动和径向跳动敏感等问题，提高了产品的适应性，并且具有一系列优良传动特性，特别适用于机床主轴、电主轴高速高精加工场合；

2.本实用新型检测精度高且能进行高速响应。磁感应读取头选用了高精度的传感芯片，应用齿轮感应磁力线工作原理，可以识别位于芯片正下方量测齿轮的角度位置，实现高精度，高可靠性检测；选用正余弦信号调理驱动芯片对正余弦信号各种误差进行有效的修正和补偿，进而稳定输出高精度高正弦性的正余弦信号，使后续信号处理电路得以进行高倍频插补细分，从而产生更细腻的位置值；

3.本实用新型磁感应编码器机械结构简化坚固，量测齿轮和磁感应读取头之间采用非接触、无磨损设计，具有抗振动、抗腐蚀、抗污染和宽工作温度的特性，响应速度快，能适应高速旋转运动，可应用于光电编码器不能适应的领域，精度高，寿命长，直接传动机械误差小，且没有机构背隙问题；

4.本实用新型磁感应读取头结构新颖、设计坚固、抗冲击能力强、防护等级高，可达IP68，环境适应性好，工作性能稳定可靠、定位精准、安装容易且使用操作简便。

附图说明

图1为本实用新型高速高精机床主轴、电主轴磁感应正余弦编码器整体结构示意图；

图2为本实用新型量测齿轮结构侧面示意图，图中分别标示正余弦（A、B）正交差分信号输出磁道和参考零点（Z）差分信号输出磁道；

图3为本实用新型磁感应读取头内部结构示意图；

图4A为本实用新型的一种正余弦信号输出波形示意图；

图4B为本实用新型的另一种正余弦信号输出波形示意图。

具体实施方式

以下内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。

结合图1、图2、图3、图4A和图4B所示，本实用新型高速高精机床主轴、电主轴磁感应正余弦编码器包括套装在机床主轴、电主轴上且随机床主轴、电主轴同步旋转的铁磁性量测齿轮1和与量测齿轮1配合使用的磁感应读取头2；所述量测齿轮1设有一个安装在旋转主轴上的中心孔3；所述磁感应读取头2位于量测齿轮1外侧上方。

编码器安装定位中，参照附图1，实现磁感应读取头2安装侧面与量测齿轮1侧面处于同一水平面，调整磁感应读取头2与量测齿轮1之间的间隙为0.1至0.3mm，推荐使用标准厚度，如0.15毫米的塞尺。此外，在磁感应读取头的金属壳体的底部设有便于安装的对称凸筋17，对称凸筋17位于金属壳体底部的两侧，两侧的对称凸筋17高度一致，以实现磁感应元器件和量测齿轮圆周正相切，即实现磁感应元器件中心、量测齿轮、机床主轴安装的同心度，然后通过螺钉将磁感应读取头与读取头固定基体紧固连接，最后抽出塞尺或旋转量测齿轮拿出塞尺。

参照附图2，所述量测齿轮1具有两种磁道，其一为正余弦（A、B）正交差分信号输出磁道，齿数优选512齿；其二为参考零点（Z）差分信号输出磁道。参考零点（Z）差分信号输出磁道为一圈比正余弦磁道仅缺少一个齿。在正常应用条件范围内，客户可以依据实际主轴或电机空间的要求对量测齿轮外径、厚度、内孔尺寸和模数进行要求，提供规格模数为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8、1.0、2.0的量测齿轮1，量测齿轮1与磁感应读取头2安装时须注意方向，必须进行上下对应安装，否则信号不良。

所述磁感应读取头2包括外部金属壳体4、设置在外部金属壳体4内的第一电路板5、磁钢6、电连接件7、第二电路板8、输入输出接口端子9，第一电路板5上设置有配合磁钢6对磁场强度变化情况进行实时检测的磁感应元器件10，第二电路板8上设置有与磁感应元器件10电连接的信号调理电路11和与信号调理电路11相接的存储电路12、输入输出接口电路13。所述磁感应读取头2外部金属壳体4采用铜合金或者铝合金材质，包括缸体14和扣装在缸体14正上方的上盖15，缸体14与上盖15之间通过螺钉或固体胶进行连接，并进行电子灌封胶密封，且其外侧装有金属防水接头16与输入输出接口电路13电连接，实现正余弦信号的输出。

工作中，机床主轴、电主轴带动量测齿轮1旋转，磁感应读取头2的第一电路板5上的磁感应元器件10配合磁钢6，应用齿轮感应磁力线的工作原理，对磁场强度变化情况进行实时检测，实现高可靠性正余弦信号的产生；通过电连接件7连通第二电路板8上的信号调理电路11，对信号进行整形，滤除高频杂波，使用正余弦信号调理驱动芯片对磁阻传感器（磁阻编码器）产生的正余弦信号的直流电平误差、幅值误差和正交相位误差等误差进行有效的修正和补偿，进而经由10芯屏蔽双绞电缆线，稳定输出高精度高正弦性的编码器正余弦信号。

正余弦信号调理驱动芯片内有多个寄存器，可编程设置传感器输出的正弦波信号的偏移、放大倍数和相位误差等，借助强大的上位机PC软件，可以测量和分析直流偏置、幅值、正交相位等误差，然后通过采用将修正值写入数字电路寄存器的方式进行调整、补偿，并自动将修正值写入存储电路12保存。当***再次上电时，自动调入存储电路12保存的参数，实现对编码器输出信号的实时补偿、修正，进而输出高精度高正弦性的编码器正余弦信号。

磁阻传感器既输出周期性的正余弦（A、B）正交差分信号，每旋转一周也输出一路参考零点（Z）差分信号，此信号用于确定速度、位置等信息。参考零点差分信号经过信号调理电路11与输入输出接口电路13处理后，编码器输出参考零点信号兼容两种输出形式。

量测齿轮1加工的精度对正余弦信号的精度和一致性产生很大的影响。具体的应用中，应选用国标６级或更高精度的精密量测齿轮1。正余弦信号波形数量可通过量测齿轮齿数进行调整，并进而影响机床加工、定位精度。

所述磁感应正余弦编码器输出信号为1Vpp正弦增量信号，可在后续信号处理电路中稳定进行1024倍及以上插补细分，最高转速可至20000转/分钟及以上，可广泛应用于数控机床、机器人、电梯、航空和工业自动化等领域。

对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.高速高精机床主轴、电主轴磁感应正余弦编码器，其特征在于：包括套装在机床主轴或电主轴上且随机床主轴或电主轴同步旋转的铁磁性量测齿轮和与测量齿轮配合使用的磁感应读取头；所述磁感应读取头内设有配合磁钢对磁场强度变化情况进行实时检测的磁感应元器件；所述磁感应读取头内的信号调理电路设有正余弦信号调理驱动芯片；所述磁感应元器件与量测齿轮的圆周正相切安装，磁感应元器件对量测齿轮进行非接触式扫描产生正余弦正交差分信号或参考零点差分信号，所述正余弦信号调理驱动芯片对正余弦信号的直流偏置误差、幅值误差和正交相位误差进行修正和补偿。

2.按照权利要求1所述的高速高精机床主轴、电主轴磁感应正余弦编码器，其特征在于：所述量测齿轮设有一个安装在机床主轴或电主轴上的中心孔；所述量测齿轮规格模数为0.2或0.3或0.4或0.5或0.6或0.8或1.0或2.0。

3.按照权利要求1所述的高速高精机床主轴、电主轴磁感应正余弦编码器，其特征在于：所述磁感应读取头包括外部金属壳体、设置在外部金属壳体内的第一电路板、磁钢、电连接件、第二电路板、输入输出接口端子；第一电路板上设置有配合磁钢对磁场强度变化情况进行实时检测的磁感应元器件；第二电路板上设置有与磁感应元器件电连接的信号调理电路和与信号调理电路相接的存储电路、输入输出接口电路。

4.按照权利要求3所述的高速高精机床主轴、电主轴磁感应正余弦编码器，其特征在于：所述外部金属壳体包括缸体和扣装在缸体正上方的上盖，缸体与上盖之间通过螺钉或固体胶进行连接；所述第一电路板和第二电路板设置于缸体与上盖构成的密封腔内。

5.按照权利要求1所述的高速高精机床主轴、电主轴磁感应正余弦编码器，其特征在于：所述磁感应读取头的安装侧面与量测齿轮的侧面处于同一水平面。

6.按照权利要求5所述的高速高精机床主轴、电主轴磁感应正余弦编码器，其特征在于：所述磁感应读取头壳体上设有安装凸筋。