絕對式編碼器的單道編碼方法和編碼器的製作方法
2023-06-24 03:07:21
專利名稱：絕對式編碼器的單道編碼方法和編碼器的製作方法
技術領域：
本發明涉及絕對式編碼器的單道編碼方法和編碼器。
背景技術：
位置編碼器是測量位置和位移的傳感器。按被測量可分為直線編碼器和軸角編碼器。分別測量長度和角度地幾何量。編碼器又有增量式和絕對式之分。增量式的編碼器多以光柵為核心，把位移量變為電脈衝。位移產生時，則產生脈衝序列。用可逆計數器累計脈衝個數。切換計數器的加減方式，表示不同方向的位移。計數器的累計結果可換算成位移量。增量式編碼器響應迅速、結構簡單、易小型化。由於其相對測量的方式，初上電時不能獲得絕對基準位置。因而一旦測量中途掉電則會丟失測量數據。另外幹擾脈衝產生的誤差也無法剔除。絕對式編碼器的核心是編碼盤。它是將位置信息以二進位編碼的形式刻制在編碼盤上，因而其輸出是一個表示唯一幾何量的代碼。碼盤上有多條碼道，每條碼道表示二進位編碼的某一位。碼盤的分辨力取決於最外道上刻線的條數。條數越多則分辨力越高。碼盤的編碼範圍取決於碼道的多少。碼道多者，碼盤的編碼範圍就大。從而編碼器的測量範圍也大。由於碼盤的多碼道結構，使得碼盤的製造變得複雜。首先碼道上的編碼圖像必須製造得十分精確，特別是高位碼道。另外碼道與碼道之間的位置關係也有非常嚴格的要求。碼道越多，碼盤的幾何尺寸也就越大，最終導致使用的不方便。絕對式編碼器的最終問題是在於如何進行位置信息的編碼，使碼道儘量地少。與增量式編碼器相比它具有零點固定、抗幹擾能力強、不怕掉電等優點。其缺點是製造工藝複雜、不易小型化。儘管從理論上說，絕對式的編碼器比增量式有諸多優點，但由於製造上的困難使得絕對式編碼器遠沒有增量式編碼器應用得普遍。
由於多碼道的問題，將位置編碼直接製作在編碼尺上是很困難的。主要因為高位碼道上的編碼圖象要做得很長。如1米的編碼尺，其最高位碼道上的編碼圖象要有半米長。所以，直線編碼器一般有兩種，一是以光柵尺為核心，也是一種增量式的編碼器，所謂絕對式直線編碼器則是用絲杆將直線的距離轉變為角度的變化，再用多圈的編碼盤進行計量。但後者由於多一個機械轉換，則使精度降低。而且也並非真正意義的直線編碼。
發明內容
本發明的目的是研製一種採用位移連續編碼的絕對式編碼器的單道編碼方法和編碼器。
為達到上述目的，本發明採用的技術方案如下
絕對式編碼器的單道編碼方法採用一種位數相等的且由0/1組成的位移連續編碼，在位移連續編碼集合中編碼之間存在順序關係，即除第一個編碼外每一個編碼都有一個前趨編碼，或除最後一個編碼外每一個編碼都有一個後繼編碼，任何一個n位編碼的高n-1位都與其前趨編碼中低n-1位相同，在同一編碼集合內不存在相同的編碼，構造編碼的具體步驟如下
(1)任取一個由0、1組成的n位編碼為所求編碼序列的第一個編碼，並將當前編碼計入編碼序列；
(2)檢測編碼序列中的編碼個數，如果已達到2n個編碼則結束編碼工作；
(3)去掉當前編碼序列的最高位，並在其最低位之後補0；
(4)以此編碼作為新的當前編碼計入編碼序列；
(5)檢查編碼序列中是否存在相同的編碼，如果沒有，轉第2步；
(6)將當前編碼的最低位改為1；
(7)檢查編碼序列中是否存在相同的編碼，如果沒有，轉第2步；
(8)刪除當前編碼，將編碼序列的最後一個編碼作為當前編碼；
(9)測試當前編碼的末位是否為0；是則轉第6步，否則轉第8步。
2.本發明採用的一種絕對式編碼器的單道編碼方法的編碼器，它包括
(1)直線編碼尺，沿直線編碼尺軸線方向刻有表示長度的刻線，刻線形狀為直線，刻線的軸線與直線編碼尺的軸線垂直且相鄰刻線間距相等或不相等；
(2)光電讀數頭，光電讀數頭包括CCD電荷耦合器件與平行光源兩部分，分別位於直線編碼尺兩側，平行光源將刻線影像投射於CCD之上；
3.本發明採用的另一種絕對式編碼器的單道編碼方法的編碼器，它包括
(1)分度編碼盤(12)，在分度編碼盤表面上沿圓周方向刻有表示角度的刻線(8)，刻線(8)形狀為漸開線，該漸開線的基圓與分度編碼盤的迴轉中心同心，相鄰刻線間公法線長度相等或不相等；
(2)光電讀數頭，光電讀數頭包括CCD電荷耦合器件(11)與平行光源兩部分，分別位於分度編碼盤兩側，平行光源將刻線影像投射於CCD之上。CCD電荷耦合器件的光敏單元沿刻線(8)公法線方向排列。
照明系統將刻線影像投影到CCD器件上，CCD就獲得一幅編碼圖像。經過光電轉換和計算處理，系統就可識別編碼的數值。進而獲得這個編碼的位置信息。
本發明具有的有益效果是
由於採用單道編碼方法不用考慮碼道間的相互關係，使得編碼尺和編碼盤的刻制精度要求大大降低，採用同樣刻制精度的單道編碼尺(編碼盤)，可使單道編碼器比多道編碼器精度要高得多。另外多道編碼實際上無法用於較長距離(超過1米)的直線編碼器上，單道編碼可輕易實現。單道編碼器保持了多道編碼器的所有優點外，它工藝簡單，易小型化。可替代目前廣泛使用的各種增量式和絕對式編碼器。
圖1是本發明的編碼方法流程圖2是本發明的編碼器結構原理示意圖3是本發明的另一種編碼器結構原理示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，是本發明的編碼方法流程圖。它採用一種位數相等的且由0/1組成的位移連續編碼，在位移連續編碼集合中編碼之間存在順序關係，即除第一個編碼外每一個編碼都有一個前趨編碼，或除最後一個編碼外每一個編碼都有一個後繼編碼，任何一個n位編碼的高n-1位都與其前趨編碼中低n-1位相同，在同一編碼集合內不存在相同的編碼，構造編碼的具體步驟如下
(1)任取一個由0、1組成的n位編碼為所求編碼序列的第一個編碼，並將當前編碼計入編碼序列；
(2)檢測編碼序列中的編碼個數，如果已達到2n個編碼則結束編碼工作；
(3)去掉當前編碼序列的最高位，並在其最低位之後補0；
(4)以此編碼作為新的當前編碼計入編碼序列；
(5)檢查編碼序列中是否存在相同的編碼，如果沒有，轉第2步；
(6)將當前編碼的最低位改為1；
(7)檢查編碼序列中是否存在相同的編碼，如果沒有，轉第2步；
(8)刪除當前編碼，將編碼序列的最後一個編碼作為當前編碼；
(9)測試當前編碼的末位是否為0；是則轉第6步，否則轉第8步。
使用上述編碼方法，可產生最大編碼的序列，即編碼序列中的編碼個數可達2n。
如圖2(a)、圖2(b)所示，是本發明的編碼器結構原理示意圖。它包括以下兩個部件
(1)直線編碼尺1，沿直線編碼尺1軸線方向刻有表示長度的刻線6，刻線6形狀為直線，刻線6的軸線與直線編碼尺1的軸線垂直且相鄰刻線間距相等或不相等；
(2)光電讀數頭，光電讀數頭包括CCD電荷耦合器件2與平行光源兩部分，分別位於直線編碼尺1兩側，平行光源將刻線影像投射於CCD之上。
圖2(b)中5為編碼位，圖2(c)中7為編碼含義。
如圖3所示，是本發明的另一種編碼器結構原理示意圖。它包括以下兩個部件
(1)分度編碼盤12，在分度編碼盤表面上沿圓周方向刻有表示角度的刻線8，刻線8形狀為漸開線，該漸開線的基圓與分度編碼盤的迴轉中心同心，相鄰刻線間公法線長度相等或不相等；
(2)光電讀數頭，光電讀數頭包括CCD電荷耦合器件11與平行光源兩部分，分別位於分度編碼盤兩側，平行光源將刻線影像投射於CCD之上。CCD電荷耦合器件的光敏單元沿刻線8公法線方向排列。
漸開線距離轉盤圓心最近的點稱為漸開線的根；開線距離轉盤圓心最遠的點稱為漸開線的頂。
CCD的感光單元在編碼轉盤漸開線的法線方向上依次排列。光學系統將漸開線的影像放大並投射到CCD的感光單元上。光編碼盤轉動時，漸開線影像沿CCD感光單元的排列方向平移。若以CCD感光單元間距為測量單位，測量這個交點的位移量，就可求得編碼轉盤的偏轉角。一條漸開線所能表示的偏轉角範圍是很小的，必須在編碼盤360°圓周範圍內所有相應的位置上都刻有漸開線，才能測量任意的偏轉角度。
圖中9為編碼含義，10為編碼位置。
現以一個4位編碼的實例進一步說明編碼方法(n＝4)
1.按上述方法的第1步取4個0作為編碼序列的第一個編碼，將0000計入編碼序列表1，並將其作為當前編碼。
2.按上述方法第2步檢測得知編碼個數＜16，繼續編碼。
3.執行上述方法第3、4步得表2。表中最後的編碼為當前編碼。出現重碼0000。
4.執行上述方法第5、6步，將當前編碼最低位由0改為1，得表3。
5.執行上述方法第7步。無重碼，轉上述方法第2步。
6.連續執行上述方法第2、3、4、5、步4次得表4。出現重碼0000。
7.執行上述方法第6步，得表5。
8.執行上述方法第7步，出現重碼0001。
9.執行上述方法第8步，刪除當前編碼0001，將1000作為當前編碼，得表6。
10.執行上述方法第9步，因當前編碼最低位為0，轉上述方法第6步。
11.執行上述方法第6步，得表7。
12.執行上述方法第7步，轉上述方法第2步。
13.執行上述方法第2、3、4步得表8。
14.執行上述方法第5、6步得表9。
15.執行上述方法第7步，轉上述方法第2步。
16.連續執行上述方法第2、3、4、5步4次，得表10。出現重碼0000。
17.執行上述方法第6步得表11。
18.執行上述方法第7步，出現重碼0001。
19.執行上述方法第8步得表12。
20.執行上述方法第9步後轉上述方法第6步。
21.執行上述方法第6步得表13。
22.執行上述方法第7步，出現重碼0001。
23.執行上述方法第8步得表14。
24.執行上述方法第9步後轉執行上述方法第6步。
25.執行上述方法第6步，得表1 5。
26.執行上述方法第7步後轉執行上述方法第2步。
27.連續執行上述方法第2、3、4、5步2次得表16。出現重碼0100。
28.執行上述方法第6步得表17。
29.執行上述方法第7步後轉執行上述方法第2步。
30.連續執行上述方法第2、3、4、5步得表17，出現重碼1010。
31.執行上述方法第6步得表19。
32.上述方法第7步後轉執行上述方法第2步。
33.連續執行上述方法第2、3、4、5步得表20。出現重碼0110
34.執行上述方法第6步得表21。
35.執行上述方法第7步後轉執行上述方法第2步。
36.連續執行上述方法第2、3、4、5步4次得表22，出現重碼0000。
37.執行上述方法第6步得表23。
38.執行上述方法第7步，出現重碼0001。
39.執行上述方法第8步得表24。
40.執行上述方法第9步後轉執行上述方法第6步。
41.執行上述方法第6步得表25。
42.執行上述方法第7步，出現重碼1001。
43.執行上述方法第8步得表26。
44.執行上述方法第9步後轉執行上述方法第6步。
45.執行上述方法第6步得表27。
46.執行上述方法第7步，出現重碼1101。
47.執行上述方法第8步得表28。
48.執行上述方法第9步後轉執行上述方法第6步。
49.執行上述方法第6步得表29。
50.執行上述方法第7步後轉執行上述方法第2步
51.連續執行上述方法第2、3、4、5、步3次得表30。此時編碼個數已達16，編碼結束。
將表30中的16個編碼重疊排列，就可得到下述編碼形式
0000100110101111000表1 表2 表3 表4 表5表6 表7 表8 表9 表10表11 表12 表13 表14表15表16 表17 表18 表19表20表21表22 表23 表24表25表26 表27表28 表29 表30
權利要求
1.絕對式編碼器的單道編碼方法，其特徵在於採用一種位數相等的且由0/1組成的位移連續編碼，在位移連續編碼集合中編碼之間存在順序關係，即除第一個編碼外每一個編碼都有一個前趨編碼，或除最後一個編碼外每一個編碼都有一個後繼編碼，任何一個n位編碼的高n-1位都與其前趨編碼中低n-1位相同，在同一編碼集合內不存在相同的編碼，構造編碼的具體步驟如下
(1)任取一個由0、1組成的n位編碼為所求編碼序列的第一個編碼，並將當前編碼計入編碼序列；
(2)檢測編碼序列中的編碼個數，如果已達到2n個編碼則結束編碼工作；
(3)去掉當前編碼序列的最高位，並在其最低位之後補0；
(4)以此編碼作為新的當前編碼計入編碼序列；
(5)檢查編碼序列中是否存在相同的編碼，如果沒有，轉第2步；
(6)將當前編碼的最低位改為1；
(7)檢查編碼序列中是否存在相同的編碼，如果沒有，轉第2步；
(8)刪除當前編碼，將編碼序列的最後一個編碼作為當前編碼；
(9)測試當前編碼的末位是否為0；是則轉第6步，否則轉第8步。
2.根據權利要求1所述的絕對式編碼器的單道編碼方法的編碼器，其特徵包括
(1)直線編碼尺(1)，沿直線編碼尺(1)軸線方向刻有表示長度的刻線(6)，刻線(6)形狀為直線，刻線(6)的軸線與直線編碼尺(1)的軸線垂直且相鄰刻線間距相等或不相等；
(2)光電讀數頭，光電讀數頭包括CCD電荷耦合器件(2)與平行光源兩部分，分別位於直線編碼尺(1)兩側，平行光源將刻線影像投射於CCD之上。
3.根據權利要求1所述的絕對式編碼器的單道編碼方法的編碼器，其特徵包括
(1)分度編碼盤(12)，在分度編碼盤表面上沿圓周方向刻有表示角度的刻線(8)，刻線(8)形狀為漸開線，該漸開線的基圓與分度編碼盤的迴轉中心同心，相鄰刻線間公法線長度相等或不相等；
(2)光電讀數頭，光電讀數頭包括CCD電荷耦合器件(11)與平行光源兩部分，分別位於分度編碼盤兩側，平行光源將刻線影像投射於CCD之上。CCD電荷耦合器件的光敏單元沿刻線(8)公法線方向排列。
全文摘要
本發明公開了一種絕對式編碼器的單道編碼方法和編碼器。採用一種位數相等的且由0/1組成的位移連續編碼，在位移連續編碼集合中編碼之間存在順序關係，即除第一個編碼外每一個編碼都有一個前趨編碼，或除最後一個編碼外每一個編碼都有一個後繼編碼，任何一個n位編碼的高n－1位都與其前趨編碼中低n－1位相同，在同一編碼集合內不存在相同的編碼，用上述方法可製成直線編碼器和軸角編碼器。本發明使編碼尺和編碼盤的刻制工藝大大簡化，從而使編碼器的製造工藝也大大簡化。並保持了絕對編碼器的所有優點，易小型化，可替代目前廣泛使用的各種增量式和絕對式編碼器。
文檔編號G01B11/00GK1420635SQ0215307
公開日2003年5月28日 申請日期2002年12月3日 優先權日2002年12月3日
發明者鄭洪 申請人:浙江大學