專(zhuān)利名稱(chēng)：一種光電角軸編碼器的組合式光柵掃描系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光柵編碼傳感器，尤其是一種光電角軸編碼器的組合式光柵掃描系統(tǒng)，屬于光、機(jī)、電精密傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光柵編碼器是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的眼睛，是集光、機(jī)、電精密技術(shù)于一體的高 技術(shù)傳感器。光電角軸編碼器用于檢測(cè)傳動(dòng)件的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)參量，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換-模數(shù)整 形-功率放大，將輸出軸的角位移、角速度及角加速度等機(jī)械參量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖以 數(shù)字量輸出給控制系統(tǒng)或顯示器，實(shí)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)控制。光電角軸編碼器信號(hào)是通過(guò)動(dòng) 光柵的掃描獲得，動(dòng)光柵是由按圓周間隔設(shè)置的若干成放射狀的透光光縫組成(見(jiàn)附圖 1)，每一個(gè)相鄰的明暗間距為一個(gè)柵線(xiàn)距(即透光光縫寬度與不透光光縫寬度之和)，整周 總柵線(xiàn)數(shù)為編碼器的線(xiàn)脈沖數(shù)。一塊刻線(xiàn)與動(dòng)光柵相同的定光柵(見(jiàn)附圖2)跟動(dòng)光柵組 成了光柵掃描系統(tǒng)，當(dāng)光穿過(guò)動(dòng)光柵、定光柵發(fā)送到光電器件，光電器件將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電 信號(hào)發(fā)出。獲得精確的動(dòng)光柵轉(zhuǎn)角。普通編碼器的光柵設(shè)計(jì)采用的動(dòng)光柵與定光柵均為等柵距組成的光柵掃描系統(tǒng)， 光柵設(shè)計(jì)的透光狹縫寬與兩條透光狹縫之間的不透光寬度比例稱(chēng)黑白比，通常為1 1，透 光光縫寬度與不透光光縫寬度之和定義為柵線(xiàn)距(見(jiàn)附圖1、2)。公知獲取柵線(xiàn)信號(hào)的辦 法是在編碼器的轉(zhuǎn)動(dòng)部分上裝有動(dòng)光柵，固定部分裝定光柵，定光柵設(shè)計(jì)有四個(gè)光柵區(qū)，A， 8，八-，8-，四個(gè)光柵區(qū)按照0°，90°，180°，270°四種相位周期在同一圓周上排列(見(jiàn)附 圖3)。組成光電編碼器的動(dòng)光柵和定光柵的柵線(xiàn)區(qū)，每個(gè)柵線(xiàn)區(qū)都刻有多個(gè)寬度為1個(gè)光 柵距的光縫，動(dòng)光柵可沿旋轉(zhuǎn)軸心旋轉(zhuǎn)，當(dāng)動(dòng)光柵和定光柵上的光縫對(duì)準(zhǔn)時(shí)，這個(gè)光照射到 光-電接收器上，接收器接收到穿過(guò)這對(duì)光縫的光最大，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)高光能極限，有一個(gè)光 能量峰值見(jiàn)附圖4. (a)。如果動(dòng)光柵光縫與定光柵的光縫錯(cuò)開(kāi)，那么穿過(guò)動(dòng)光柵光縫的光， 被定光柵的不透光狹縫遮擋，光被切斷，通過(guò)這對(duì)光縫的光最小，就有光能量谷值見(jiàn)附圖 4. (b)。這種光能量達(dá)到峰值或谷值形成明暗交替的光照射到光電接收器上，就可以使光電 接收器輸出柵線(xiàn)信號(hào)得到一個(gè)正弦柵線(xiàn)信號(hào)附圖4. (c)。附圖3的動(dòng)光柵、定光柵結(jié)構(gòu)是目前國(guó)內(nèi)外常采用的方案，動(dòng)光柵是在法線(xiàn)方向 上有多條光狹縫相間黑白比為1 1的光縫(即透光部分與遮光部分的寬度相同)，定 光柵與動(dòng)光柵有相同的光柵距與黑白比為1 1光縫，通過(guò)多光縫的光能迭加后送到光電 接收器，光電接收器接收到的達(dá)到光能量的光就是光信號(hào)，這時(shí)光電接收器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化 為有效的電信號(hào)。光柵的柵距仍只有一個(gè)光柵柵距寬，相當(dāng)于單光縫輸出信號(hào)的寬度。光 電接收器的電輸出與通過(guò)動(dòng)光柵和定光柵光縫掃瞄的光能量成正比，要獲得高能比的電信 號(hào)，就要求光柵設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)出高光能比的光柵線(xiàn)，使得動(dòng)光柵和定光柵的光縫對(duì)齊位置時(shí)， 光信號(hào)能量盡量高，偏離信號(hào)位置時(shí)，通過(guò)動(dòng)光柵和定光柵的光能量盡量的低，也就是這種 光能比要高。采用多縫迭加的動(dòng)光柵特點(diǎn)是，利用光迭加的透光強(qiáng)度，在光縫對(duì)齊位置處的光能最大，光能信號(hào)出現(xiàn)高峰。在高峰處電壓幅度也最大(足以提供光電轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)的能量)， 這時(shí)放大器能夠發(fā)出穩(wěn)定的光能脈沖。由于上述現(xiàn)有技術(shù)軸角編碼器的動(dòng)光柵與定光柵均為等柵距的設(shè)計(jì)，所以存在如 下缺陷(1) —種光柵掃描系統(tǒng)只能輸出一種光脈沖數(shù)。如果要獲得更多的光脈沖輸出，依靠光柵掃描系統(tǒng)是難以實(shí)現(xiàn)的。因系統(tǒng)的通用性差，造成產(chǎn)品的品種繁多，制作麻煩。如 動(dòng)光柵為1024線(xiàn)/周與等柵距的定光柵組成一對(duì)光掃描系統(tǒng)，光穿過(guò)等柵距的動(dòng)光柵_(tái)定 光柵進(jìn)行掃描，動(dòng)光柵的狹縫對(duì)定光柵狹縫每掃描一次，光電接受器件就發(fā)出一個(gè)光脈沖， 動(dòng)光柵旋轉(zhuǎn)一周掃描系統(tǒng)就發(fā)出1024/周的光脈沖，如果要獲得2048/周、4096/周時(shí)，依靠 光柵掃描系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)。通常的處理方法是1.同時(shí)更換相應(yīng)的動(dòng)光柵與定光柵，更換光掃描系統(tǒng)工作很麻煩，費(fèi)工費(fèi)時(shí)。2.改用細(xì)分電路系統(tǒng)。因電路系統(tǒng)易受到環(huán)境影響，所以光電轉(zhuǎn)換精度又隨之受 到影響。以上這兩種方法的都很麻煩，工作量也很大，不理想。3.在整周光柵線(xiàn)增多到兩透光狹縫間距過(guò)于接近(如柵距小于0. 005mm)時(shí)，柵 線(xiàn)距小，分辨率要求高，在黑白比為1 1的光柵系統(tǒng)中，動(dòng)光柵和定光柵的狹縫偏離信號(hào) 位置時(shí)，光能量不能最大幅度的降低，光柵掃描系統(tǒng)很容易出現(xiàn)漏光現(xiàn)象。所以，系統(tǒng)讀數(shù) 困難。嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)發(fā)生光脈沖丟失現(xiàn)象，出現(xiàn)讀數(shù)錯(cuò)誤。這時(shí)，盡管通光能量足夠的大，由 于這種光柵系統(tǒng)不能可靠的切斷光源，光能谷達(dá)不到要求，將導(dǎo)致光能比大大降低。通常的 解決方案是調(diào)整動(dòng)光柵和定光柵的膜層間距，盡量靠近動(dòng)光柵和定光柵的膜層。使得生產(chǎn) 調(diào)試難度加大，稍有閃失就會(huì)碰擦膜層，造成光掃描系統(tǒng)損壞。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有技術(shù)之不足，提出一種光電角軸編碼器的組合式光柵掃描 系統(tǒng)，在不改變動(dòng)光柵的情況下，通過(guò)與不同的靜光柵組合，就可以實(shí)現(xiàn)不同的光脈沖輸 出，組合中的任何一種光柵都可以實(shí)現(xiàn)一種或幾種柵線(xiàn)脈沖的輸出發(fā)送給系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是一種光電角軸編碼器的組合式光柵 掃描系統(tǒng)，設(shè)有動(dòng)光柵與定光柵組合構(gòu)成的光柵掃描系統(tǒng)，其特征在于設(shè)置一個(gè)黑白比為 η 1的動(dòng)光柵，即透光狹縫的寬度為單位1，兩條透光狹縫之間的不透光寬度為η，η為大 于1的正奇數(shù)，當(dāng)選定某一個(gè)η值的動(dòng)光柵，設(shè)置(η+1)/2個(gè)定光柵與之相配，每個(gè)定光柵 的透光狹縫寬度不一樣，其寬度分別取值為單位(η+1)/2，(η+1)/4,…(η+1)/(η+1)值，但 每個(gè)定光柵的黑白比均為1 1，構(gòu)成組合式光柵掃描系統(tǒng)；η <7，動(dòng)光柵的透光狹縫沿圓 周均勻分布本發(fā)明設(shè)計(jì)思想是在動(dòng)光柵與定光柵透光狹縫對(duì)齊時(shí)，動(dòng)光柵和定光柵上的光縫 都是透光的，其它區(qū)不透光時(shí)有一個(gè)光能量峰值，光能可以有效的發(fā)射到光電接收器上，實(shí) 現(xiàn)光能量的高峰；在動(dòng)光柵與定光柵透光狹縫錯(cuò)開(kāi)時(shí)，動(dòng)光柵上的光縫不透光，其它區(qū)透 光，定光柵的光縫透光，其它區(qū)不透光，，穿過(guò)動(dòng)光柵透光狹縫的光，被定光柵的不透光狹縫 遮擋，發(fā)射到光電接收器上的光被切斷，這時(shí)光能量最小，實(shí)現(xiàn)光能量谷值。動(dòng)光柵線(xiàn)狹縫 寬度取最高脈沖數(shù)的柵線(xiàn)寬度，動(dòng)光柵線(xiàn)數(shù)取最低脈沖數(shù)的線(xiàn)數(shù)。假設(shè)動(dòng)光柵的透光狹縫為1000個(gè)，透光狹縫的寬為1 不透光的寬為7，形成了 7 1的黑白比。定光柵透光狹縫 可按照1000個(gè)/周、2000個(gè)/周、3000個(gè)/周、4000個(gè)/周設(shè)計(jì)為4種，定光柵黑白比仍 然為1 1，那么當(dāng)動(dòng)光柵旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，動(dòng)光柵1000個(gè)狹縫將掃描出1000脈沖/周、2000 脈沖/周、3000脈沖/周、4000脈沖/周。定光柵四個(gè)光柵區(qū)A，B，A-，B-，的設(shè)計(jì)仍按0°、 90° ,180° ,270° 不變。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及其顯著效果(1)本發(fā)明組合式光柵利用陣列接收的方式，可將分離的動(dòng)光柵狹縫柵線(xiàn)光通過(guò) 不同的定光柵將其二次組合形成不同的光脈沖信號(hào)。(2)本發(fā)明組合式光柵系統(tǒng)，只要更換不同柵距的定光柵，就可以發(fā)射出不同的光 脈沖信號(hào)，解決了用同一動(dòng)光柵實(shí)現(xiàn)不同脈沖輸出的難題。(3)本發(fā)明在原光柵迭加原理的基礎(chǔ)上，改變多縫光柵的狹縫位置分布(減少)， 動(dòng)光柵碼盤(pán)的通光狹縫距離較遠(yuǎn)，產(chǎn)生的光能信號(hào)清晰。光盤(pán)的分辨率提高，制作難度簡(jiǎn) 化。(4)本發(fā)明因組合式的光柵掃描系統(tǒng)的動(dòng)光柵碼盤(pán)的狹縫距離較遠(yuǎn)，在動(dòng)光柵旋 轉(zhuǎn)至不透光處時(shí)，光能可以可靠的被切斷，所以碼盤(pán)的膜面距離也可以放寬，避免了膜面的 損壞，保證了組合式光柵掃描系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。(5)本發(fā)明的光柵系統(tǒng)在不透光的極限時(shí)，實(shí)現(xiàn)了光能量最小，在透光的極限時(shí)光 能量大，因此光能比較高；在同一碼道可以實(shí)現(xiàn)多脈沖輸出的同時(shí)，柵線(xiàn)脈沖的可讀性也提尚了。
圖1 4是現(xiàn)有技術(shù)光柵編碼器的基本結(jié)構(gòu)圖；圖5 8是動(dòng)光柵η = 7的情況下，4個(gè)定光柵分別與之相配的光柵掃描系統(tǒng)實(shí)施 例。
具體實(shí)施例方式首先，說(shuō)明一下動(dòng)光柵取不同η值的黑白比時(shí)，與之相配的不同定光柵結(jié)果。
η為大于1的正奇數(shù)，一般取η彡7，即3，5，7三種黑白比的動(dòng)光柵。當(dāng)選定其中一 種黑白比的動(dòng)光柵，如η = 5，則有(η+1) /2 = 3個(gè)定光柵與之相配，三個(gè)定光柵中每個(gè)定光 柵的透光狹縫寬度不一樣，其寬度分別取值為單位(η+1)/2，(η+1)/4,…(η+1)/(η+1)值， 即單位3，單位6/4和單位1，構(gòu)成了三個(gè)不同透光狹縫寬度的定光柵與一個(gè)黑白比5 1 的動(dòng)光柵相配構(gòu)成的光柵掃描系統(tǒng)。同理，當(dāng)選定η = 3時(shí)，有(η+1)/2 = 2個(gè)定光柵與之 相配，2個(gè)定光柵的透光狹縫寬度分別為單位2，單位1 ；選定η = 7的動(dòng)光柵時(shí)，有(η+1)/2 =4個(gè)定光柵與之相配，4個(gè)定光柵的透光狹縫寬度分別為單位4，單位2，單位8/6，單位1， 構(gòu)成另二種光柵掃描系統(tǒng)。上述光柵掃描系統(tǒng)中的定光柵黑白比均為1 1。下面以η = 7的動(dòng)光柵為例，設(shè)置4個(gè)定光柵與之相配，每個(gè)定光柵的透光狹縫寬 度按(η+1)/2，(η+1)/4,…(η+1)/(η+1)計(jì)算，分別為(7+1)/2=單位 4，(7+1)/4=單位 2，(7+1)/6 = 8/6 單位，(7+1)/(7+1) = 1 單位。參看圖5，動(dòng)光柵透光狹縫寬為單位1，黑白比為7 1，每周1024個(gè)透光狹縫。
定光柵按透光狹縫寬為(7+1)/2 = 4，黑白比按1 1設(shè)計(jì)，動(dòng)光柵沿圓周旋轉(zhuǎn) 時(shí)，光穿過(guò)動(dòng)光柵的透光狹縫A對(duì)定光柵的狹縫a掃描，動(dòng)光柵每旋轉(zhuǎn)一周，光掃描系統(tǒng)就 產(chǎn)生1024個(gè)光脈沖，并轉(zhuǎn)換成電脈沖送出。系統(tǒng)完成一次脈沖的全發(fā)射。和常規(guī)1024掃 描系統(tǒng)相同。參看圖6，動(dòng)光柵同圖5，定光柵透光狹縫寬為(7+1)/8 = 1，黑白比1 1。當(dāng)動(dòng) 光柵按箭頭方向運(yùn)行時(shí)，光穿過(guò)動(dòng)光柵的狹縫A對(duì)定光柵進(jìn)行掃描，每掃描定光柵一個(gè)狹 縫，光電接收器就出現(xiàn)一次光能高峰，向外發(fā)出一個(gè)光脈沖，，穿過(guò)動(dòng)光柵狹縫A的光，依次 穿過(guò)定光柵的4個(gè)狹縫a、b、c、d，那么光電接收器就產(chǎn)生四個(gè)光脈沖，以此類(lèi)推，動(dòng)光柵的 1024個(gè)狹縫，沿圓周旋轉(zhuǎn)一周，光電接收器就接收產(chǎn)生1024*3 = 4096個(gè)光脈沖，并轉(zhuǎn)換成 電脈沖發(fā)出，完成一次脈沖的全發(fā)射。參看圖7，動(dòng)光柵同圖5，定光柵透光狹縫寬為 (7+1)/6 = 4/3，黑白比1 1。當(dāng) 動(dòng)光柵按箭頭方向運(yùn)行時(shí)，光穿過(guò)動(dòng)光柵的狹縫A對(duì)定光柵進(jìn)行掃描，動(dòng)光柵的狹縫A，每 掃描定光柵一個(gè)狹縫時(shí)，光電接收器就出現(xiàn)一次光能高峰，依次穿過(guò)狹縫a、b、c，那么光電 接收器就發(fā)出三個(gè)光脈沖，以此類(lèi)推，動(dòng)光柵1024個(gè)狹縫沿圓周旋轉(zhuǎn)一周，光電接收器就 接收1024*3 = 3072個(gè)光脈沖，并轉(zhuǎn)換成電脈沖發(fā)出，完成一次脈沖的全發(fā)射。參看圖8，動(dòng)光柵同圖5，定光柵的透光狹縫寬為(7+1)/4 = 2]，黑白比1 1。當(dāng)動(dòng) 光柵按箭頭方向運(yùn)行時(shí)，光穿過(guò)動(dòng)光柵的狹縫A對(duì)定光柵進(jìn)行掃描，每掃描定光柵一個(gè)狹 縫時(shí)，光電接收器就出現(xiàn)一次光能高峰，依次穿過(guò)定光柵的狹縫a、b，那么光電接收器就發(fā) 出二個(gè)光脈沖，以此類(lèi)推，動(dòng)光柵1024個(gè)狹縫沿圓周旋轉(zhuǎn)一周，光電接收器就接收1024*2 =2048個(gè)光脈沖，并轉(zhuǎn)換成電脈沖發(fā)出，完成一次脈沖的全發(fā)射。如上所述，通過(guò)改進(jìn)后的光柵系統(tǒng)在不透光的極限時(shí)，實(shí)現(xiàn)了光能量最小，在透光 的極限時(shí)光能量大，因此光能比較高。解決了在同一碼道可以實(shí)現(xiàn)多脈沖輸出的同時(shí)，柵線(xiàn) 脈沖的可讀性也提高了。動(dòng)光柵η = 3、η = 5的實(shí)施例與η = 7的原理相同，不再例舉。為了保證光電接收器接收充分的光能，η的取值不大于7為合適。本柵線(xiàn)掃描系 統(tǒng)不僅僅限于圓形光柵軸角，同時(shí)也適用于直線(xiàn)形的光柵掃描系統(tǒng)。
權(quán)利要求
一種光電角軸編碼器的組合式光柵掃描系統(tǒng)，設(shè)有動(dòng)光柵與定光柵組合構(gòu)成的光柵掃描系統(tǒng)，其特征在于設(shè)置一個(gè)黑白比為n∶1的動(dòng)光柵，即透光狹縫的寬度為單位1，兩條透光狹縫之間的不透光寬度為n，n為大于1的正奇數(shù)，當(dāng)選定一個(gè)n值的動(dòng)光柵，設(shè)置(n+1)/2個(gè)定光柵與之相配，每個(gè)定光柵的透光狹縫寬度不一樣，其寬度分別取值為單位(n+1)/2，(n+1)/4，…(n+1)/(n+1)值，但每個(gè)定光柵的黑白比均為1∶1，構(gòu)成組合式光柵掃描系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述光電角軸編碼器的組合式光柵掃描系統(tǒng)，其特征在于n^ 7。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述光電角軸編碼器的組合式光柵掃描系統(tǒng)，其特征在于動(dòng) 光柵的透光狹縫沿圓周均勻分布。
全文摘要
一種光電角軸編碼器的組合式光柵掃描系統(tǒng)，設(shè)有動(dòng)光柵與定光柵組合構(gòu)成的光柵掃描系統(tǒng)，其特征在于設(shè)置一個(gè)黑白比為n∶1的動(dòng)光柵，即透光狹縫的寬度為單位1，兩條透光狹縫之間的不透光寬度為n，n為大于1的正奇數(shù)，當(dāng)選定一個(gè)n值的動(dòng)光柵，設(shè)置(n+1)/2個(gè)定光柵與之相配，每個(gè)定光柵的透光狹縫寬度不一樣，其寬度分別取值為單位(n+1)/2，(n+1)/4，…(n+1)/(n+1)值，但每個(gè)定光柵的黑白比均為1∶1，構(gòu)成組合式光柵掃描系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G02B5/18GK101872065SQ201010198209
公開(kāi)日2010年10月27日 申請(qǐng)日期2010年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月11日
發(fā)明者丁一明 申請(qǐng)人:南京中科天文儀器有限公司