本實用新型涉及編碼器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高響應(yīng)高分辨率雙編碼系統(tǒng)絕對值編碼器。

背景技術(shù)：

目前，市場上的編碼器類型主要分為增量式編碼器和絕對式編碼器兩大類。

增量式編碼器的位置是從零位標(biāo)記開始計算的脈沖數(shù)量確定的，其優(yōu)點是運行時有高的分辨率和高精度的同時也可以有較快的響應(yīng)速度,但其缺點是每次開機必須要尋找零位標(biāo)記，故機器必須有復(fù)位的動作。

而絕對型編碼器的位置是由輸出代碼的讀數(shù)確定的。在一圈里，每個位置的輸出代碼的讀數(shù)是唯一的。因此，當(dāng)電源斷開時，絕對型編碼器并不與實際的位置分離。如果電源再次接通，那么位置讀數(shù)仍是當(dāng)前的，有效的，不像增量編碼器那樣，必須去尋找零位標(biāo)記。因此增量式編碼器斷電重新啟動無法知道絕對位置，每次需要復(fù)位，而絕對式編碼器在斷電重啟后也可以知道準(zhǔn)確的絕對位置，不需要重新復(fù)位，尤其在機器人的行業(yè)應(yīng)用方面，適應(yīng)性更強。但目前的絕對式編碼器由于運算的數(shù)據(jù)量龐大，系統(tǒng)復(fù)雜，而存在高速運行過程中響應(yīng)較慢的情況，進(jìn)而仍然滿足不了高速運行條件下越來越高的分辨率的應(yīng)用需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供高響應(yīng)高分辨率雙編碼系統(tǒng)絕對值編碼器，對傳統(tǒng)編碼器做了創(chuàng)新性的設(shè)計，充分利用了增量式編碼器和絕對式編碼器的各自的優(yōu)點和特點，解決了傳統(tǒng)增量式編碼器需要復(fù)位動作或者絕對式編碼器在高分辨率情況下響應(yīng)速度慢等問題，同時本設(shè)計具有高速(高響應(yīng)性)、高分辨率、高信賴性、體積小、成本低等優(yōu)點。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供了一種高響應(yīng)高分辨率雙編碼系統(tǒng)絕對值編碼器，其特征在于：包括碼盤、CCD圖像傳感器、CCD圖像傳感器安裝座、反射型傳感器、反射型傳感器座、固定支架、輸出軸、輸出軸軸承；所述碼盤上有三組刻道，分別是外雙漸變螺線刻道組、內(nèi)雙漸變螺線刻道組和等間距條紋刻道組，其中碼盤的外雙漸變螺線刻道組、內(nèi)雙漸變螺線刻道組、CCD圖像傳感器和CCD圖像傳感器安裝座組成了絕對式編碼系統(tǒng)，碼盤的等間距條紋刻道組、反射型傳感器和反射型傳感器座組成了增量式編碼系統(tǒng)；所述碼盤上設(shè)有中心孔和定位孔，所述碼盤通過中心孔和定位孔與輸出軸定位固定，輸出軸與輸出軸軸承的內(nèi)圈緊配合，輸出軸軸承的外圈與固定支架緊配合，CCD圖像傳感器通過CCD圖像傳感器安裝座與固定支架固定，反射型傳感器通過反射型傳感器安裝座與固定支架固定。

進(jìn)一步地，所述CCD圖像傳感器上設(shè)置有一個直線狀的檢測感應(yīng)窗口，檢測感應(yīng)窗口從碼盤的圓周外向圓周內(nèi)的方向分別檢測掃描著外雙漸變螺線刻道組、等間距條紋刻道組和內(nèi)雙漸變螺線刻道組。

進(jìn)一步地，所述CCD圖像傳感器安裝座上設(shè)有CCD圖像傳感器定位孔和CCD圖像傳感器安裝孔，通過定位孔可以使CCD圖像傳感器的直線狀檢測感應(yīng)窗口的方向與碼盤的直徑方向成一個小夾角。

進(jìn)一步地，所述碼盤上的外雙漸變螺線刻道組由兩條螺線形的反光刻道帶組成，兩刻道帶任意一個圓周位置的徑向?qū)挾认嗉又褪窍嗟鹊摹?/p>

進(jìn)一步地，所述內(nèi)雙漸變螺線刻道組與外雙漸變螺線刻道組相似，也是由兩條漸變的螺線形的反光刻道帶組成且兩刻道帶任意一個圓周位置的徑向?qū)挾认嗉又鸵彩窍嗟鹊摹?/p>

進(jìn)一步地，所述等間距條紋刻道組則是由周向等間距陣列的反光條紋刻道組成。

進(jìn)一步地，所述反射型傳感器座上設(shè)有反射型傳感器定位孔和反射型傳感器安裝孔，反射型傳感器的感光面和接收面正對著碼盤上的等間距條紋刻道組，徑向方向是對齊的。

本實用新型的有益效果是：

1、本實用新型結(jié)合了增量式編碼器和絕對式編碼器的各自的優(yōu)點和特點，核心是設(shè)計了雙編碼器系統(tǒng)，即具有絕對式編碼器特點的系統(tǒng)和具有增量式編碼器設(shè)計特點的系統(tǒng)，雙系統(tǒng)相融合協(xié)同工作來達(dá)到優(yōu)勢互補的目的。從而使編碼器在每次斷電開機時也不需要復(fù)位動作，在工業(yè)應(yīng)用中尤其是在機器人的應(yīng)用中，即使斷電重啟也能使機器人手臂繼續(xù)保持原工位原姿態(tài)，重啟后可以按照原設(shè)定路徑由原工位直接運動到下一個工位，大大地免除了重啟復(fù)位帶來的工位變化等麻煩，也適合某些工況下也不允許機器人復(fù)位的應(yīng)用。

2、本實用新型可以達(dá)到高精度和高分辨率，并且在高速運行的條件下也可以有快的響應(yīng)速度，從而在閉環(huán)或半閉環(huán)控制的系統(tǒng)中大大提高了移動軸的移動精度和重復(fù)定位精度。

3、本實用新型具有雙重智能校正系統(tǒng)，可以大大提高了編碼器的可信賴性，因此具有高速(高響應(yīng)性)、高分辨率、高信賴性、體積小、成本低等優(yōu)點。

以下將結(jié)合附圖對本實用新型的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以充分地了解本實用新型的目的、特征和效果。

附圖說明

圖1是本實用新型的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1的D-D剖面圖。

圖3是本實用新型的碼盤結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本實用新型的碼盤放大結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本實用新型的CCD圖像傳感器檢測碼盤時的放大結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

如圖1、2所示，本編碼器主要由碼盤1，CCD圖像傳感器2，CCD圖像傳感器安裝座3，反射型傳感器4，反射型傳感器座5，固定支架6，輸出軸7，輸出軸軸承8組成。碼盤1上設(shè)有尺寸精準(zhǔn)的中心孔11和定位孔12，碼盤1通過中心孔11和定位孔12與輸出軸7定位固定，輸出軸7與輸出軸軸承8的內(nèi)圈緊配合，輸出軸軸承8的外圈與固定支架6緊配合，CCD圖像傳感器2通過CCD圖像傳感器安裝座3與固定支架6固定，反射型傳感器4通過反射型傳感器安裝座5與固定支架6固定。如圖3所示，碼盤1上主要有三組刻道，分別是外雙漸變螺線刻道組13、內(nèi)雙漸變螺線刻道組15和等間距條紋刻道組14。其中碼盤1的外雙漸變螺線刻道組13、內(nèi)雙漸變螺線刻道組15、CCD圖像傳感器2和CCD圖像傳感器安裝座3組成了絕對式編碼系統(tǒng)。而碼盤1的等間距條紋刻道組14、反射型傳感器4和反射型傳感器座5組成了增量式編碼系統(tǒng)。

如圖4所示，碼盤1上的外雙漸變螺線刻道組13由兩條螺線形的反光刻道帶組成，兩刻道帶任意一個圓周位置的徑向?qū)挾认嗉又褪窍嗟鹊?，L1<L3，L2>L4，同時L1+L2＝L3+L4。內(nèi)雙漸變螺線刻道組15與外雙漸變螺線刻道組13相似，也是由兩條漸變的螺線形的反光刻道帶組成且兩刻道帶任意一個圓周位置的徑向?qū)挾认嗉又鸵彩窍嗟鹊摹６乳g距條紋刻道組14則是由周向等間距陣列的反光條紋刻道組成。

如圖5所示，CCD圖像傳感器2有一個直線狀的檢測感應(yīng)窗口21，從圓周外向圓周內(nèi)的方向分別檢測掃描著碼盤1上的外雙漸變螺線刻道組13、等間距條紋刻道組14和內(nèi)雙漸變螺線刻道組15。如圖1所示，CCD圖像傳感器安裝座3上設(shè)有CCD圖像傳感器定位孔31和CCD圖像傳感器安裝孔32，通過CCD圖像傳感器定位孔31可以使CCD圖像傳感器21的直線狀檢測感應(yīng)窗口21的方向與碼盤1的直徑方向成一個小夾角a，因此條紋刻道線與該CCD圖像傳感器2的直線狀檢測感應(yīng)窗口21的掃描線在徑向方向是成一個小夾角a的，CCD圖像傳感器2徑向至外向內(nèi)掃描等間距條紋刻道組14區(qū)域時能夠掃描到不止一條條紋刻道線，而是幾條條紋刻道線，當(dāng)CCD圖像傳感器2掃描窗口的寬窄一定時，具體的掃描到的條紋數(shù)主要由條紋刻道組的直徑、條紋的長短和間距大小等因素決定的。

另外，反射型傳感器座5上也設(shè)有定位孔51和安裝孔52，反射型傳感器的4感光面和接收面正對著碼盤1上的等間距條紋刻道組14，徑向方向是對齊的。當(dāng)輸出軸7旋轉(zhuǎn)，固定于其上的碼盤1會旋轉(zhuǎn)相同的角度，而此時CCD圖像傳感器2和反射型傳感器4均固定于固定支架6上不動的，故CCD圖像傳感器2和反射型傳感器4對應(yīng)碼盤1的刻道組均有相對運動，通過CCD圖像傳感器2和反射型傳感器4的檢測以及處理器的分析計算，從而得到輸出軸7的旋轉(zhuǎn)角度。

本編碼器的設(shè)計主要是結(jié)合了增量式編碼器和絕對式編碼器的各自的優(yōu)點和特點，分為絕對式編碼系統(tǒng)和增量式編碼系統(tǒng)，由兩組系統(tǒng)協(xié)同工作得到較高的響應(yīng)速度的和較高的檢測精度。以下針對此兩個系統(tǒng)的工作原理展開詳細(xì)的說明：

1)絕對式編碼系統(tǒng)由碼盤的外雙漸變螺線刻道組13、內(nèi)雙漸變螺線刻道組15、CCD圖像傳感器2和CCD圖像傳感器安裝座3組成。CCD圖像傳感器具有高解析度、高敏感度等優(yōu)點，像點的大小為μm級，可感測及識別精細(xì)物體，故可以提供很好的圖像質(zhì)量和抗噪能力。本實例中的CCD圖像傳感器2具有直線狀的檢測感應(yīng)窗口21，可以在任意一個圓周位置檢測碼盤1的刻道組，掃描到的像點徑向至外向內(nèi)分別來自外雙漸變螺線刻道組13的反光區(qū)域、等間距條紋刻道組14的反光區(qū)域和內(nèi)雙漸變螺線刻道組15的反光區(qū)域。

在外雙漸變螺線刻道組13區(qū)域，由于外雙漸變螺線刻道組13的反光區(qū)域由兩條漸變螺線分成上下兩片，繞圓周方向漸變一周，故在圓周方向的任何兩個位置作徑向掃描獲取到的反光區(qū)域的位置信息都是不相同的，如圖4中，A處與B處的反光區(qū)域(L1<L3，L2>L4)，且處于每一個圓周位置能獲取到的像點的位置圖像均是不一樣的，每一個圓周位置都具有唯一的圖像對應(yīng)性。同時，由于本設(shè)計中兩反光刻道帶任意一個圓周位置的徑向?qū)挾认嗉又褪窍嗟鹊?，因此作徑向掃描獲取到的反光區(qū)域的總長度是相等的(如圖4中，L1<L3，L2>L4，同時L1+L2＝L3+L4)，通過對比分析可以用此圖像位置數(shù)據(jù)的互補性來校準(zhǔn)CCD圖像傳感器的位置。因此，使用CCD圖像傳感器2掃描外雙漸變螺線刻道組13獲取的圖像信息已經(jīng)可以用于判斷CCD圖像傳感器2和碼盤1的相對位置，即是輸出軸7在固定支架6上的周向的位置，也即是在固定支架6固定的情況下輸出軸7的絕對位置。

在等間距條紋刻道組14的區(qū)域，由于該CCD圖像傳感器2的直線狀檢測感應(yīng)窗口21的掃描線與條紋刻道線在徑向方向是成一個小夾角a的，作徑向掃描獲取到像點的將會是多條等間距條紋線的反光區(qū)域，隨著輸出軸7的旋轉(zhuǎn)，即碼盤1的轉(zhuǎn)動，其獲取到的圖像信息將會變化，其變化周期則是由碼盤1上陣列的總等間距條紋數(shù)N計算得到的，有如下公式：

變化周期(角度)C＝360度/總等間距條紋數(shù)N

如實例中碼盤1的總等間距條紋數(shù)是1000條，那么變化周期便是360度/1000＝0.36度，也即是輸出軸7每旋轉(zhuǎn)0.36度后，CCD圖像傳感器2在此等間距條紋刻道組的區(qū)域內(nèi)能獲取到的圖像信息才會重復(fù)，而在相對旋轉(zhuǎn)0度～0.36度的旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，圖像信息都是不同的，也即可以根據(jù)獲取到的相對應(yīng)的圖像信息對0.36度的旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)位置信息進(jìn)行細(xì)分，細(xì)分的位置解析度是由CCD圖像傳感器2的直線狀檢測感應(yīng)窗口21在此等間距條紋刻道組14的區(qū)域內(nèi)徑向獲得圖像的像素大小P決定的，位置解析度R有如下公式：

位置解析度(角度)R＝變化周期(角度)C/該區(qū)域圖像的像素大小P

在本實例中，CCD圖像傳感器2在此等間距條紋刻道組14的區(qū)域內(nèi)徑向獲得圖像的像素大小P是1024pixel，那么位置解析度(角度)R＝0.36度/1024＝0.00035度，所以本實例中本絕對編碼系統(tǒng)能檢測到的輸出軸7旋轉(zhuǎn)位置的角度精度是0.00035度。

在內(nèi)雙漸變螺線刻道組15的區(qū)域，由于內(nèi)雙漸變螺線刻道組15的反光區(qū)域設(shè)計跟外雙漸變螺線刻道組13相似，反光區(qū)域的寬度也相同，只是所處位置不同，內(nèi)雙漸變螺線刻道組15是靠近碼盤1的內(nèi)圓處而不是靠近外圓處。故CCD圖像傳感器2掃描該區(qū)域獲取的圖像信息或者在不同位置的獲取的圖像對比信息的方法也是相同的，也同樣地能獲取到輸出軸的絕對位置，因此該區(qū)域獲得的圖像信息可以用于校準(zhǔn)和校驗，同時當(dāng)外雙漸變螺線刻道組13失效的情況下也可以有雙重保障的作用，因此在任意一個位置CCD圖像傳感器2同時獲取外雙漸變螺線刻道組13和內(nèi)雙漸變螺線刻道組15的圖像信息并作相應(yīng)的分析處理就構(gòu)成了雙重智能校正系統(tǒng)，可以大大提高了編碼器的可信賴性。

工作的過程是，當(dāng)輸出軸7斷電重啟時，絕對式編碼系統(tǒng)會同時啟動，CCD圖像傳感器2同時獲得對應(yīng)的圖像信息，如上所述，一個圓周內(nèi)的任意兩個位置的圖像信息都是不同的，相當(dāng)于任意位置都有對應(yīng)的圖像信息編碼，因此，此時的輸出軸7位置可以準(zhǔn)確地得出，不需要回零點，也即是可以獲得輸出軸的絕對位置，且其位置解析度(角度)可以非常小(如本實例是0.00035度)，也就是編碼器的可檢測的角度位置精度可以相當(dāng)?shù)母摺?/p>

2)增量式編碼系統(tǒng)由碼盤的等間距條紋刻道組14、反射型傳感器4和反射型傳感器座5組成。在輸出軸7旋轉(zhuǎn)的過程當(dāng)中，反射型傳感器4不斷地檢測著碼盤1上的等間距條紋刻道組14的區(qū)域，隨著碼盤1的旋轉(zhuǎn)，反射型傳感器4會接收到相應(yīng)的光暗變化的信號，從而將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小，便可以得到輸出軸的相對位置信息。其解析度是由碼盤1上陣列的總等間距條紋數(shù)N決定的。

增量式編碼系統(tǒng)解析度(角度)＝360度/N。利用90度相位差的A、B兩路信號進(jìn)行倍頻可以獲得更高的分辨率。

由于在輸出軸7高速運動的過程中，通常需要編碼器的響應(yīng)速度非常高，而按絕對式編碼的方法運算相對復(fù)雜，響應(yīng)速度相對較慢些，因此，本設(shè)計的結(jié)合了此增量式編碼系統(tǒng)解決了這個問題。在輸出軸7斷電重啟時，先同時啟動絕對式編碼系統(tǒng)，不需要移動復(fù)位便可以得到輸出軸7的準(zhǔn)確的絕對位置，在得到絕對位置之后，在輸出軸7運動的過程中則使用增量式編碼系統(tǒng)，得到相對于開啟時的位置點的相對位置值，此兩個位置通過系統(tǒng)的運算(相加或者相減)便可以得到輸出軸7在運動過程中的絕對位置，而此時的絕對系統(tǒng)是暫時閑置的，從而大大地提高了整個編碼器的響應(yīng)速度，同時也能獲得較高的檢測位置精度。

以上詳細(xì)描述了本實用新型的較佳具體實施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本實用新型的構(gòu)思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本實用新型的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。