專利名稱：絕對式矩陣編碼盤的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于利用傳遞傳感構(gòu)件輸出的測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于自動化領(lǐng)域測量旋轉(zhuǎn)角度、旋轉(zhuǎn)速度、直線位移等物理量的傳感器件的核心元件，是一種絕對式矩陣編碼盤。
在工業(yè)、科研、航天等部門，廣泛使用編碼器獲得旋轉(zhuǎn)角度和速度、直線位移等物理量。
編碼器的工作原理編碼器的碼盤固定在絕對式軸角編碼器的主軸上，并與主軸一起轉(zhuǎn)動，狹縫盤相對于絕對式矩陣碼盤固定不動，與碼盤相對放置，在碼盤一側(cè)放置發(fā)光管，在狹縫一側(cè)放置接收管。當(dāng)主軸帶動絕對式矩陣碼盤相對于狹縫盤旋轉(zhuǎn)時，光源發(fā)出的光被絕對式矩陣碼盤及狹縫盤中的狹縫切割成有規(guī)律的斷續(xù)光線，被接收元件接收，產(chǎn)生光電信號。這種光電信號在通光區(qū)為高電平“1”狀態(tài)，不通光區(qū)為低電平“0”狀態(tài)，這些狀態(tài)的組合就是代碼，記錄著碼盤的位置，實現(xiàn)絕對式軸角編碼器角度位置的測量。
編碼盤是編碼器的主要部件之一，決定編碼器的體積大小，取碼位數(shù)、精度等。隨著編碼測量技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了不同類型的編碼器。


圖1為傳統(tǒng)絕對式碼盤結(jié)構(gòu)示意圖，它的特點是一圈碼道只能輸出一位二進(jìn)制代碼，碼道圈數(shù)一般是等于或稍多于對應(yīng)輸出的二進(jìn)制代碼。傳統(tǒng)絕對式碼盤的電處理是成熟技術(shù)，所以每一種矩陣碼道都需經(jīng)過矩陣譯碼將按矩陣方式排列的碼道處理成與傳統(tǒng)碼道相同的碼道。通過電處理，可以得到用戶所需要的角度等輸出。
在航天、自動化等領(lǐng)域中需要尺寸小、重量輕的絕對式軸角編碼器?？s小編碼器尺寸的現(xiàn)有方法有兩種。
一種方法為在專利CNl059402A(
公開日19920311)中采用的窄碼道、編碼盤和狹縫同步陣列調(diào)相法有效地縮小編碼器的徑向尺寸，減輕重量。所謂同步陣列調(diào)相就是使矩陣組合碼盤中碼道及隔離圈的寬度變窄，并把矩陣組合碼盤的粗碼道分成基準(zhǔn)圈、滯后圈、超前圈。基準(zhǔn)圈碼道相位角度固定不變，超前圈碼道相對于基準(zhǔn)圈碼道超前一定的相位角度，滯后圈碼道相對于基準(zhǔn)圈碼道滯后一定的相位角度，同時與編碼盤各圈碼道相對應(yīng)的狹縫盤中狹縫、光源、接收器件也按碼盤的相同規(guī)律或固定、或超前、或滯后一定的相位角度。
另一種見圖2所示，1985年曹振夫在《光學(xué)機械》第5期65頁上公開發(fā)表的《小型絕對式矩陣編碼器》一文中介紹的縮小編碼器徑向尺寸的方法，各圈碼道的排列方法為第一圈設(shè)置一條與傳統(tǒng)碼道相同的碼道，在180°～360°半周內(nèi)為通光碼道，輸出兩位二進(jìn)制代碼A1和A2；第二圈刻劃第三位和第四位碼道，在0°～180°刻劃傳統(tǒng)的第四位碼道A4，在180°～360°內(nèi)刻劃傳統(tǒng)的第三位碼道A3，這一圈輸出兩位二進(jìn)制代碼A3和A4，第三圈刻劃四位不同的碼道，0°～90°刻劃第八位碼道A8,90°～180°刻劃第七位碼道A7,1800～270°刻劃第六位碼道A6,270°～360°刻劃第五位碼道A5，這一圈輸出A5、A6、A7、A8四位二進(jìn)制代碼。譯碼原理為在第一圈中只刻劃一條180°～360°內(nèi)為通光區(qū)的碼道，碼盤按順時針轉(zhuǎn)動，如圖3所示，在0°處設(shè)置讀數(shù)頭a1，在90°處設(shè)置讀數(shù)頭a2，取出二個光電信號A1和A2,al處的信息碼為0°～180°為低電平“0”狀態(tài)，180°～360°為高電平“1”狀態(tài)，a2處的信息碼為0°～90°為低電平“0”狀態(tài)，90°～270°為高電平“1”狀態(tài)，270°～360°為低電平“0”狀態(tài)；它恰好與傳統(tǒng)碼盤的A1和A2相同，這兩路信號即作為第一位及第二位碼。在第二圈中，在0°處設(shè)置讀數(shù)頭b1，在180°處設(shè)置讀數(shù)頭b2，它們輸出的光電信號就不再是單一碼位了。由圖2可以看出，b1在碼盤順時針旋轉(zhuǎn)時，在0°～180°掃描A4，在180°～360°掃描A3；而b2在碼盤順時針旋轉(zhuǎn)時，在0°～180°掃描A3，在180°～360°掃描A4；這兩路信息需要整理成傳統(tǒng)絕對式碼道的排列方式。由上可知，b1在0°～180°區(qū)間內(nèi)輸出了A4，而b2在180°～360°區(qū)間內(nèi)輸出了A4，而0°～180°區(qū)間內(nèi)A1=0,A1=1,180°～360°區(qū)間內(nèi)A1=1,A1=0(通光區(qū)產(chǎn)生高電平“1”狀態(tài)，不通光區(qū)產(chǎn)生低電平“0”狀態(tài))。
傳統(tǒng)的A4碼A4=b1A1+b2A1同理，b1在180°～360°區(qū)間內(nèi)輸出了A3,b2在0°～180°區(qū)間內(nèi)輸出了A3。
傳統(tǒng)的A3碼A3=b1A1+b2A1在第三圈中刻劃四位不同的碼道，在0°、90°、180°、270°四個位置設(shè)置四個讀數(shù)頭c1、c2、c3、c4，當(dāng)碼盤順時針轉(zhuǎn)動時，讀數(shù)頭c1在0°～90°掃過A8，在90°～180°掃過A7，在180°～270°掃過A6，在270°～360°掃過A5；同樣，c2在0°～90°掃過A7，在90°～180°掃過A6，在180°～270°掃過A5，在270°～360°掃過A8；c3在0°～90°掃過A6，在90°～180°掃過A5，在180°～270°掃過A8，在270°～360°掃過A7；c4在0°～90°掃過A5，在90°～180°掃過A8，在180°～270°掃過A7，在270°～360°掃過A6。由上可知，A8在0°～90°由c1輸出，90°～180°由c4輸出，180°～270°由c3輸出，270°～360°由c2輸出，籍助A1、A2兩碼可將其處理成傳統(tǒng)二進(jìn)制周期碼，邏輯方程如下A8=c1A1A2+c4A1A2+c3A1A2+c2A1A2同理A7=c2A1A2+c1A1A2+c4A1A2+c3A1A2A6=c3A1A2+c2A1A2+c1A1A2+c4A1A2A5=c4A1A2+c3A1A2+c2A1A2+c1A1A2在絕對式軸角編碼器中，編碼器的位數(shù)是由碼盤的刻劃位數(shù)與電細(xì)分的位數(shù)共同來實現(xiàn)的。例如十四位編碼器，碼盤的刻劃位數(shù)為八位，電細(xì)分為六位，共計十四位。在傳統(tǒng)的碼盤中，每一位需刻劃一圈，八位需刻劃八圈，十四位絕對式編碼器最小尺寸為Φ130mm，而采用上述的矩陣編碼盤，八位可刻劃三圈來實現(xiàn)，所以它的徑向尺寸可縮小，十四位編碼器的徑向尺寸可縮小到Φ65mm，將上述兩種方法結(jié)合起來使用，十四位絕對式編碼器最小尺寸為Φ40mm，但在航天、自動化等領(lǐng)域中需要尺寸更小、重量更輕的微型絕對式軸角編碼器。
本實用新型的目的在于通過減少編碼盤中碼道的刻劃圈數(shù)，同時改變狹縫盤中狹縫的設(shè)計，提供一種碼位不變、體積更小的絕對式矩陣編碼盤。
本實用新型由碼盤和狹縫盤組成，碼盤上刻劃有碼道，碼道包括粗碼道和精碼道，狹縫盤上設(shè)置有狹縫，用來放置接收元件。圖4為本實用新型碼盤的具體實例，圖5為相對于圖4碼盤的狹縫盤具體實例。
本實用新型的碼盤，第一圈碼道與現(xiàn)有技術(shù)中碼盤第一圈的刻劃方式相同，即在0°～180°為不通光區(qū)，在180°～360°為通光區(qū)，現(xiàn)有技術(shù)中的第二圈碼道在本實用新型的碼盤中不再刻劃，而是由狹縫不同位置接收到的信息通過電路異或處理獲得。在0°、45°、90°、135°、202.5°、247.5°、292.5°、337.5°八個位置分別設(shè)置a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8八個狹縫位置，同時采用八個發(fā)光管及接收管組成的讀數(shù)頭接收信號，它們接收到的信息如圖6所示。在碼盤上，不通光區(qū)為低電平，通光區(qū)為高電平。碼盤順時針轉(zhuǎn)動，a1處接收到的信息為0°～180°為低電平狀態(tài)，180°～360°為高電平狀態(tài)；a2處接收到的信息為0°～135°為低電平狀態(tài)，135°～315°為高電平狀態(tài)；315°～360°為低電平狀態(tài)；a3處接收到的信息為0°～90°為低電平狀態(tài)，90°～270°為高電平狀態(tài)，270°～360°為低電平狀態(tài)；a4處接收到的信息為0°～45°為低電平狀態(tài)，45°～225°為高電平狀態(tài)，225°～360°為低電平狀態(tài)；a5處接收到的信息為0°～157.5°為高電平狀態(tài)，157.5°～337.5°為低電平狀態(tài)，337.5°～360°為高電平狀態(tài)；a6處接收到的信息為0°～112.5°為高電平狀態(tài)，112.5°～292.5°為低電平狀態(tài)，292.5°～360°為高電平狀態(tài)；a7處接收到的信息為0°～67.5°為高電平狀態(tài)，67.5°～247.5°為低電平狀態(tài)，247.5°～360°為高電平狀態(tài)；a8處接收到的信息為0°～22.5°為高電平狀態(tài)，22.5°～202.5°為低電平狀態(tài)，202.5°～360°為高電平狀態(tài)。由圖6可見，a1處接收到的信息即為傳統(tǒng)的第一位碼A1,a3處接收到的信息即為傳統(tǒng)的第二位碼A2,a2與a4處接收到的信息經(jīng)電路異或處理得傳統(tǒng)第三位碼A3，即A3=a2a4；a5、a6處接收到的信息經(jīng)電路異或處理后得b1信號，即b1=a5a6,a7、a8接收到的信息經(jīng)電路異或處理后得b2信號，即b2=a7a8，則傳統(tǒng)的第四位碼A4為A4=b1+b2=(a5a6)+(a7a8)。A5、A6、A7、A8等碼的處理方法與上述現(xiàn)有技術(shù)中的處理方法相同。
本實用新型碼盤只刻劃一圈碼道即可獲得現(xiàn)有技術(shù)中的矩陣碼盤前兩圈才可獲得的四位碼，刻劃圈數(shù)減少一圈，縮小了絕對式矩陣碼盤的直徑尺寸，由本實用新型制造的絕對式軸角編碼器結(jié)構(gòu)尺寸減少了，重量減輕了。
下面給出本實用新型的具體實施例。
實施例1如圖4所示，本實施例中碼盤選用K9光學(xué)玻璃，并把其刻劃面鍍一層鉻膜，然后進(jìn)行三圈同心環(huán)形碼道1,2,3的刻劃。本實施例中，第一圈碼道在0°～180°區(qū)間為不通光區(qū)，在180°～360°區(qū)間為通光區(qū)，第二圈碼道與現(xiàn)有技術(shù)中的第三圈碼道刻劃方法相同，在0°～90°區(qū)間刻第八位碼A8，在90°～180°區(qū)間刻第七位碼A7，在180°～270°區(qū)間刻第六位碼A6，在270°～360°區(qū)間刻第五位碼A5。
在狹縫盤中，如圖5所示，第一圈在0°、45°、90°、135°、202.5°、247.5°、292.5°、337.5°八個位置分別設(shè)置a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8八個狹縫位置，第二圈0°、90°、180°、270°四個位置設(shè)置與現(xiàn)有技術(shù)相同的狹縫位置c1、c2、c3、c4，第三圈碼道也與現(xiàn)有技術(shù)采用同樣的全周刻劃的精碼道，采用多狹縫，對邊讀數(shù)，由狹縫破相輸出四路相差90°的光電信號。碼盤固定在絕對式軸角編碼器的主軸上，并與主軸一起轉(zhuǎn)動，狹縫盤相對于絕對式矩陣碼盤固定不動，與碼盤相對放置，在碼盤一側(cè)放置發(fā)光管，在狹縫一側(cè)放置接收管。當(dāng)主軸帶動絕對式矩陣碼盤相對于狹縫盤順時針旋轉(zhuǎn)時，a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8八個狹縫位置接收到的信息如圖6所示，a1處接收到的信息為0°～180°為低電平狀態(tài)，180°～360°為高電平狀態(tài)；a2處接收到的信息為0°～135°為低電平狀態(tài)，135°～315°為高電平狀態(tài)；315°～360°為低電平狀態(tài)；a3處接收到的信息為0°～90°為低電平狀態(tài)，90°～270°為高電平狀態(tài)，270°360°為低電平狀態(tài)；a4處接收到的信息為0°～45°為低電平狀態(tài)，45°～225°為高電平狀態(tài)，225°～360°為低電平狀態(tài)；a5處接收到的信息為0°～157.5°為高電平狀態(tài)，157.5°～337.5°為低電平狀態(tài)，337.5°～360°為高電平狀態(tài)；a6處接收到的信息為0°～112.5°為高電平狀態(tài)，112.5°～292.5°為低電平狀態(tài)，292.5°～360°為高電平狀態(tài)；a7處接收到的信息為0°～67.5°為高電平狀態(tài)，67.5°～247.5°為低電平狀態(tài)，247.5°～360°為高電平狀態(tài)；a8處接收到的信息為0°～22.5°為高電平狀態(tài)，22.5°～202.5°為低電平狀態(tài)，202.5°～360°為高電平狀態(tài)。由圖6可見，a1處接收到的信息即為傳統(tǒng)的第一位碼A1,a3處接收到的信息即為傳統(tǒng)的第二位碼A2,a2與a4處接收到的信息經(jīng)電路異或處理得傳統(tǒng)第三位碼A3，即A3=a2a4；a5、a6處接收到的信息經(jīng)電路異或處理后得b1信號，即b1=a5a6,a7、a8接收到的信息經(jīng)電路異或處理后得b2信號，即b2=a7a8，則傳統(tǒng)的第四位碼A4為A4=b1+b2=(a5a6)+(a7a8)。讀數(shù)頭c1在0°～90°掃過A8，在90°～180°掃過A7，在180°～270°掃過A6，在270°～360°掃過A5；同樣，c2在0°～90°掃過A7，在90°～180°掃過A6，在180°～270°掃過A5，在270°～360°掃過A8；c3在0°～90°掃過A6，在90°～180°掃過A5，在180°～270°掃過A8，在270°～360°掃過A7；c4在0°～90°掃過A5，在90°～180°掃過A8，在180°～270°掃過A7，在270°～360°掃過A6。由上可知，A8在0°～90°由c1輸出，90°～180°由c4輸出，180°～270°由c3輸出，270°～360°由c2輸出，籍助A1、A2兩碼可將其處理成傳統(tǒng)二進(jìn)制周期碼，邏輯方程如下A8=c1A1A2+c4A1A2+c3A1A2+c2A1A2同理A7=c2A1A2+c1A1A2+c4A1A2+c3A1A2A6=c3A1A2+c2A1A2+c1A1A2+c4A1A2A5=c4A1A2+c3A1A2+c2A1A2+c1A1A2采用本實施例所設(shè)計的碼盤與狹縫盤而制造出的十四位絕對式軸角編碼器外形尺寸為Φ30。
實施例2本實用新型的另一個實施例說明如下采用本實用新型與專利CN1059402A相結(jié)合的方法可使絕對式軸角編碼器的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)一步縮小。本實用新型碼盤的材料采用K9光學(xué)玻璃，并把其刻劃面鍍一層鉻膜，然后進(jìn)行三圈同心環(huán)形碼道1,2,3的刻劃，這三圈同心圓環(huán)形碼道采用本實用新型的刻劃及取信號的方法的同時，再使用CN1059402A專利的同步陣列調(diào)相的方法，碼盤圖及狹縫盤圖如圖4、圖7所示。同樣旋轉(zhuǎn)使碼盤整周旋轉(zhuǎn)一個相位角Φ，狹縫盤在c1、c2、c3、c4四個狹縫位置分別相對于0°、90°、180°、270°一個相位角Φ。Φ的值為0＜|Φ|＜90°，當(dāng)Φ為正值時為超前，Φ為負(fù)值時為滯后。在縮小刻劃圈數(shù)的同時，使碼道及隔離圈寬度變窄，可制造出尺寸更小、重量更輕的絕對式軸角編碼器，由此制造出的十四位絕對式軸角編碼器外形尺寸為Φ25。
權(quán)利要求1.一種絕對式矩陣編碼盤，由碼盤和狹縫盤構(gòu)成，碼盤包括粗碼道和精碼道，狹縫盤上設(shè)置有狹縫，其特征是粗碼道中的第一圈碼道，在0°～180°為不通光區(qū)，180°～360°為通光區(qū)，狹縫盤在0°、45°、90°、135°、202.5°、247.5°、292.5°、337.5°八個位置分別設(shè)置a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8八個狹縫；當(dāng)碼盤順時針轉(zhuǎn)動時，狹縫a1處接收到的信息0°～180°為低電平狀態(tài)，180°～360°為高電平狀態(tài)，狹縫a2處接收到的信息0°～135°為低電平狀態(tài)，135°～315°為高電平狀態(tài)；315°～360°為低電平狀態(tài)；狹縫a3處接收到的信息為0°～90°為低電平狀態(tài)，90°～270°為高電平狀態(tài)，270°～360°為低電平狀態(tài)；狹縫a4處接收到的信息為0°～45°為低電平狀態(tài)，45°～225°為高電平狀態(tài)，225°～360°為低電平狀態(tài)；狹縫a5處接收到的信息為0°～157.5°為高電平狀態(tài)，157.5°～337.5°為低電平狀態(tài)，337.5°～360°為高電平狀態(tài)；狹縫a6處接收到的信息為0°～112.5°為高電平狀態(tài)，112.5°～292.5°為低電平狀態(tài)，292.5°～360°為高電平狀態(tài)；狹縫a7處接收到的信息為0°～67.5°為高電平狀態(tài)，67.5°～247.5°為低電平狀態(tài)，247.5°～360°為高電平狀態(tài)；狹縫a8處接收到的信息為0°～22.5°為高電平狀態(tài)，22.5°～202.5°為低電平狀態(tài)，202.5°～360°為高電平狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕對式矩陣編碼盤，其特征是碼盤的第二圈碼道在0°～90°區(qū)間刻第八位碼A8,90°～180°區(qū)間刻第七位碼A7,180°～270°區(qū)間刻第六位碼A6,270°～360°區(qū)間刻第五位碼A5,狹縫盤與第二圈碼道相對應(yīng)在0°、90°、180°、270°四個位置分別設(shè)置c1、c2、c3、c4四個狹縫。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕對式矩陣編碼盤，其特征是碼盤的第二圈碼道在0°～90°區(qū)間刻第八位碼A8,90°～180°區(qū)間刻第七位碼A7,180°～270°區(qū)間刻第六位碼A6,270°～360°區(qū)間刻第五位碼A5，狹縫盤與第二圈碼道相對應(yīng)在φ,90°+φ,180°+φ,270°+φ四個位置分別設(shè)置c1、c2、c3、c4四個狹縫。
專利摘要本實用新型屬于利用傳遞傳感構(gòu)件輸出的測量技術(shù),是一種用于測量旋轉(zhuǎn)角度和速度、直線位移等物理量的絕對式矩陣編碼盤,是由碼盤和狹縫盤構(gòu)成,碼盤上刻有粗碼道和精碼道,狹縫盤上設(shè)置有狹縫。用第一圈碼道替代原有碼盤第一和第二圈碼道,通過狹縫盤設(shè)置的狹縫,可以輸出四位碼。本實用新型碼盤只刻劃一圈碼道即可獲得現(xiàn)有技術(shù)中碼盤前兩圈才獲得的四位碼,刻劃圈數(shù)減少,編碼盤直徑縮小,因而減少了編碼器的尺寸。
文檔編號G01D21/02GK2450637SQ0026431
公開日2001年9月26日 申請日期2000年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月4日
發(fā)明者于萍, 趙志巍, 趙波, 付志有 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所