本實(shí)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(duì)值編碼器。

背景技術(shù)：

目前，市場(chǎng)上的編碼器類(lèi)型主要分為增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器兩大類(lèi)。

增量式編碼器的位置是從零位標(biāo)記開(kāi)始計(jì)算的脈沖數(shù)量確定的，其優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行時(shí)有高的分辨率和高精度的同時(shí)也可以有較快的響應(yīng)速度,但其缺點(diǎn)是每次開(kāi)機(jī)必須要尋找零位標(biāo)記，故機(jī)器必須有復(fù)位的動(dòng)作。

而絕對(duì)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(gè)位置的輸出代碼的讀數(shù)是唯一的。因此，當(dāng)電源斷開(kāi)時(shí)，絕對(duì)型編碼器并不與實(shí)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(dòng)無(wú)法知道絕對(duì)位置，每次需要復(fù)位，而絕對(duì)式編碼器在斷電重啟后也可以知道準(zhǔn)確的絕對(duì)位置，不需要重新復(fù)位，尤其在機(jī)器人的行業(yè)應(yīng)用方面，適應(yīng)性更強(qiáng)。但目前的絕對(duì)式編碼器由于運(yùn)算的數(shù)據(jù)量龐大，系統(tǒng)復(fù)雜，而存在高速運(yùn)行過(guò)程中響應(yīng)較慢的情況，進(jìn)而仍然滿足不了高速運(yùn)行條件下越來(lái)越高的分辨率的應(yīng)用需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

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

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供了一種高響應(yīng)高分辨率雙編碼系統(tǒng)絕對(duì)值編碼器，其特征在于：包括碼盤(pán)、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(pán)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(pán)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(duì)式編碼系統(tǒng)，碼盤(pán)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(pán)上設(shè)有中心孔和定位孔，所述碼盤(pán)通過(guò)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(guò)CCD圖像傳感器安裝座與固定支架固定，反射型傳感器通過(guò)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(gè)直線狀的檢測(cè)感應(yīng)窗口，檢測(cè)感應(yīng)窗口從碼盤(pán)的圓周外向圓周內(nèi)的方向分別檢測(cè)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(guò)定位孔可以使CCD圖像傳感器的直線狀檢測(cè)感應(yīng)窗口的方向與碼盤(pán)的直徑方向成一個(gè)小夾角。

進(jìn)一步地，所述碼盤(pán)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(gè)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(gè)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(duì)著碼盤(pán)上的等間距條紋刻道組，徑向方向是對(duì)齊的。

本實(shí)用新型的有益效果是：

1、本實(shí)用新型結(jié)合了增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器的各自的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，核心是設(shè)計(jì)了雙編碼器系統(tǒng)，即具有絕對(duì)式編碼器特點(diǎn)的系統(tǒng)和具有增量式編碼器設(shè)計(jì)特點(diǎn)的系統(tǒng)，雙系統(tǒng)相融合協(xié)同工作來(lái)達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的目的。從而使編碼器在每次斷電開(kāi)機(jī)時(shí)也不需要復(fù)位動(dòng)作，在工業(yè)應(yīng)用中尤其是在機(jī)器人的應(yīng)用中，即使斷電重啟也能使機(jī)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(yùn)動(dòng)到下一個(gè)工位，大大地免除了重啟復(fù)位帶來(lái)的工位變化等麻煩，也適合某些工況下也不允許機(jī)器人復(fù)位的應(yīng)用。

2、本實(shí)用新型可以達(dá)到高精度和高分辨率，并且在高速運(yùn)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(dòng)軸的移動(dòng)精度和重復(fù)定位精度。

3、本實(shí)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(lài)性，因此具有高速(高響應(yīng)性)、高分辨率、高信賴(lài)性、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

以下將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)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(shuō)明，以充分地了解本實(shí)用新型的目的、特征和效果。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)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(shí)用新型的碼盤(pán)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本實(shí)用新型的碼盤(pán)放大結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本實(shí)用新型的CCD圖像傳感器檢測(cè)碼盤(pán)時(shí)的放大結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1、2所示，本編碼器主要由碼盤(pán)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(pán)1上設(shè)有尺寸精準(zhǔn)的中心孔11和定位孔12，碼盤(pán)1通過(guò)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(guò)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(guò)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(pán)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(pán)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(duì)式編碼系統(tǒng)。而碼盤(pán)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(pán)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(gè)圓周位置的徑向?qū)挾认嗉又褪窍嗟鹊?，L1<L3，L2>L4，同時(shí)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(gè)圓周位置的徑向?qū)挾认嗉又鸵彩窍嗟鹊?。而等間距條紋刻道組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(gè)直線狀的檢測(cè)感應(yīng)窗口21，從圓周外向圓周內(nèi)的方向分別檢測(cè)掃描著碼盤(pán)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(guò)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(cè)感應(yīng)窗口21的方向與碼盤(pán)1的直徑方向成一個(gè)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(cè)感應(yīng)窗口21的掃描線在徑向方向是成一個(gè)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(shí)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(shí)，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(zhǎng)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(duì)著碼盤(pán)1上的等間距條紋刻道組14，徑向方向是對(duì)齊的。當(dāng)輸出軸7旋轉(zhuǎn)，固定于其上的碼盤(pán)1會(huì)旋轉(zhuǎn)相同的角度，而此時(shí)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(dòng)的，故CCD圖像傳感器2和反射型傳感器4對(duì)應(yīng)碼盤(pán)1的刻道組均有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)CCD圖像傳感器2和反射型傳感器4的檢測(cè)以及處理器的分析計(jì)算，從而得到輸出軸7的旋轉(zhuǎn)角度。

本編碼器的設(shè)計(jì)主要是結(jié)合了增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器的各自的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，分為絕對(duì)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(cè)精度。以下針對(duì)此兩個(gè)系統(tǒng)的工作原理展開(kāi)詳細(xì)的說(shuō)明：

1)絕對(duì)式編碼系統(tǒng)由碼盤(pán)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(diǎn)，像點(diǎn)的大小為μm級(jí)，可感測(cè)及識(shí)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(shí)例中的CCD圖像傳感器2具有直線狀的檢測(cè)感應(yīng)窗口21，可以在任意一個(gè)圓周位置檢測(cè)碼盤(pán)1的刻道組，掃描到的像點(diǎn)徑向至外向內(nèi)分別來(lái)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(gè)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(gè)圓周位置能獲取到的像點(diǎn)的位置圖像均是不一樣的，每一個(gè)圓周位置都具有唯一的圖像對(duì)應(yīng)性。同時(shí)，由于本設(shè)計(jì)中兩反光刻道帶任意一個(gè)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(zhǎng)度是相等的(如圖4中，L1<L3，L2>L4，同時(shí)L1+L2＝L3+L4)，通過(guò)對(duì)比分析可以用此圖像位置數(shù)據(jù)的互補(bǔ)性來(lái)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(pán)1的相對(duì)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(duì)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(cè)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(gè)小夾角a的，作徑向掃描獲取到像點(diǎn)的將會(huì)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(pán)1的轉(zhuǎn)動(dòng)，其獲取到的圖像信息將會(huì)變化，其變化周期則是由碼盤(pán)1上陣列的總等間距條紋數(shù)N計(jì)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(shí)例中碼盤(pán)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(huì)重復(fù)，而在相對(duì)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(duì)應(yīng)的圖像信息對(duì)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(cè)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(shí)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(shí)例中本絕對(duì)編碼系統(tǒng)能檢測(cè)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(jì)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(pán)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(duì)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(duì)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(yàn)，同時(shí)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(gè)位置CCD圖像傳感器2同時(shí)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(lài)性。

工作的過(guò)程是，當(dāng)輸出軸7斷電重啟時(shí)，絕對(duì)式編碼系統(tǒng)會(huì)同時(shí)啟動(dòng)，CCD圖像傳感器2同時(shí)獲得對(duì)應(yīng)的圖像信息，如上所述，一個(gè)圓周內(nèi)的任意兩個(gè)位置的圖像信息都是不同的，相當(dāng)于任意位置都有對(duì)應(yīng)的圖像信息編碼，因此，此時(shí)的輸出軸7位置可以準(zhǔn)確地得出，不需要回零點(diǎn)，也即是可以獲得輸出軸的絕對(duì)位置，且其位置解析度(角度)可以非常小(如本實(shí)例是0.00035度)，也就是編碼器的可檢測(cè)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(pán)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(guò)程當(dāng)中，反射型傳感器4不斷地檢測(cè)著碼盤(pán)1上的等間距條紋刻道組14的區(qū)域，隨著碼盤(pán)1的旋轉(zhuǎn)，反射型傳感器4會(huì)接收到相應(yīng)的光暗變化的信號(hào)，從而將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小，便可以得到輸出軸的相對(duì)位置信息。其解析度是由碼盤(pán)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(hào)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(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，通常需要編碼器的響應(yīng)速度非常高，而按絕對(duì)式編碼的方法運(yùn)算相對(duì)復(fù)雜，響應(yīng)速度相對(duì)較慢些，因此，本設(shè)計(jì)的結(jié)合了此增量式編碼系統(tǒng)解決了這個(gè)問(wèn)題。在輸出軸7斷電重啟時(shí)，先同時(shí)啟動(dòng)絕對(duì)式編碼系統(tǒng)，不需要移動(dòng)復(fù)位便可以得到輸出軸7的準(zhǔn)確的絕對(duì)位置，在得到絕對(duì)位置之后，在輸出軸7運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中則使用增量式編碼系統(tǒng)，得到相對(duì)于開(kāi)啟時(shí)的位置點(diǎn)的相對(duì)位置值，此兩個(gè)位置通過(guò)系統(tǒng)的運(yùn)算(相加或者相減)便可以得到輸出軸7在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的絕對(duì)位置，而此時(shí)的絕對(duì)系統(tǒng)是暫時(shí)閑置的，從而大大地提高了整個(gè)編碼器的響應(yīng)速度，同時(shí)也能獲得較高的檢測(cè)位置精度。

以上詳細(xì)描述了本實(shí)用新型的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無(wú)需創(chuàng)造性勞動(dòng)就可以根據(jù)本實(shí)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(shí)用新型的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過(guò)邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書(shū)所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。