一种旋转光栅编码器旋转角度测量装置及方法与流程

本发明涉及编码器技术领域，具体涉及一种旋转光栅编码器旋转角度测量装置及方法。

背景技术

近几十年来，随着国内外工业迅猛发展，其中工业自动化领域的生产对编码器要求越来越高，同时也促进了编码器的迅猛发展。现在国内外光电编码器是朝着高精度、高分辨率、小型化、智能化这几个大趋势发展。其中编码器的小型化及高精度是光电编码器发展的两个重要趋势。传统的光电编码器主要分成增量式和绝对式两种。增量式编码器的优点是易于实现小型化，结构简单，其缺点是掉电后数据易丢失，且有累积误差。而绝对式光电轴角编码器同增量式相比，具有固定零点，抗干扰能力强，掉电后无须重新标定，无累积误差等优点，因此得到了广泛应用。但是绝对式编码器的小型化由于受到刻划精度等因素的限制，则发展缓慢。

综上所述，旋转编码器从出现到现在一直是测量研究的热点。用于测量的旋转编码器一般分为增量式和绝对式，两种方式各有各的优缺点，两种方式如何有效的结合一直是编码器领域有关专家学者致力解决的问题。总之要实现编码器的小型化同时又要保证编码器精度，必须开发出新型码盘及新的编码测量技术才行。

技术实现要素：

本发明目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种旋转光栅编码器旋转角度测量装置，通过增量码道和绝对码道相结合的方式减少了编码器的体积，再加上宏微复合的结构有效地提高了编码器测量的精度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种旋转光栅编码器旋转角度测量装置，包括由主轴驱动旋转的反射式光栅码盘和中央处理模块，主轴固定在反射式光栅码盘的后端面，反射式光栅码盘的前端面设有绝对码道、外圆周面设有增量码道，所述绝对码道采用格雷码编码方式；

所述反射式光栅码盘外侧设有外光源模块、光学放大模块和高速图像采集模块，所述外光源模块发出平行光束后照射在增量码道上，增量码道将平行光束反射后经光学放大模块到达高速图像采集模块，高速图像采集模块包括高速图像采集镜头；

所述反射式光栅码盘前端面在圆周方向上均为分割为30等分，所述反射式光栅码盘前端面的前方设有5个前光源，与之对应地，每个前光源对应地设有分光棱镜和光电传感器，所述5个前光源均匀地分布在反射式光栅码盘前端面的前方，所述前光源发出光束经分光棱镜后平行照射在绝对码道上，绝对码道将平行光束反射至光电传感器；

所述高速图像采集模块将采集到的图像输送至中央处理模块，所述光电传感器将光信号转换为电信号并输送至中央处理模块。

由上可知，本发明装置工作原理为：所述外光源模块发出平行光束后照射在增量码道上，增量码道将平行光束反射后经光学放大模块到达高速图像采集模块，所述前光源发出光束经分光棱镜后平行照射在绝对码道上，绝对码道将平行光束反射至光电传感器；所述高速图像采集模块将采集到的图像输送至中央处理模块，所述光电传感器将光信号转换为电信号并输送至中央处理模块，中央处理模块进行数据处理，所述中央处理模块通过对5个光电传感器的电信号分析得到二进制值，使用格雷码对编码盘上的亮暗区域编码，使得其连续的码字之间只有一个数位变化，然后中央处理模块在编码角度对应表查找二进制值对应的角度值，得到旋转整数角度；同时高速图像采集模块所捕获到的增量码道细分图像，计算出细分角度，通过处理换算将这两个角度相加最终得到一个高精度的旋转，实现高精密级旋转角度的测量。本发明通过增量码道和绝对码道相结合的方式实现高精密级旋转角度的测量，由于其采用的是单码道，所以编码盘的径向尺寸将大大减小，同时增量码道的增量细分方式提高了编码盘的测量精度；另外通过圆周外圈码道和编码盘上单码道编码方式可以将径向窜动对读数的影响降到最小，进而实现高稳定性的测量。

作为本发明的一种改进，所述外光源模块包括外光源和准直镜。

作为本发明的一种改进，所述反射式光栅码盘的增量码道采用明暗条纹相间的编码方式。

进一步地，所述中央处理模块为fpga。

本发明还提供一种旋转角度测量方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种利用上述旋转光栅编码器旋转角度测量装置的旋转角度测量方法，包括以下步骤：

利用外光源模块发出平行光束后照射在增量码道上，增量码道将平行光束反射后经光学放大模块到达高速图像采集模块；

利用前光源发出光束经分光棱镜后平行照射在绝对码道上，绝对码道将平行光束反射至光电传感器；

所述高速图像采集模块将采集到的图像输送至中央处理模块，所述光电传感器将光信号转换为电信号并输送至中央处理模块；

中央处理模块通过对电信号进行分析得到旋转整数角度；

中央处理模块对含有增量码道图像进行解码和运算后得到旋转细分角度；

将旋转整数角度和旋转细分角度相加得到精密的旋转角度。

作为本发明的一种改进，所述步骤“中央处理模块通过对电信号进行分析得到旋转整数角度”的具体过程包括以下子步骤：

将光电传感器获得绝对码道反射光信号的状态记为1，光电传感器未获得绝对码道反射光信号的状态记为0；

中央处理模块建立5个光电传感器所得到的二进制值与旋转角度一一对应的编码角度对应表；

中央处理模块通过对5个光电传感器的电信号分析得到二进制值；

然后中央处理模块在编码角度对应表查找二进制值对应的角度值α1，所述α1即为旋转整数角度。

作为本发明的一种改进，所述步骤“中央处理模块对含有增量码道图像进行解码和运算后得到旋转细分角度”的具体过程包括以下子步骤：

中央处理模块根据绝对码道的每个条码与增量码道的每个条码完全对齐的原则判断出此时与绝对条码位置相对应的增量条码图像；

中央处理模块根据所获取的增量码道图像得到增量码道图像中的左端离高速图像采集模块的高速图像采集镜头中心最近的长条纹n；

计算得到长条纹n与高速图像采集模块的高速图像采集镜头中心之间的短条纹的数量n；

计算得到旋转细分角度α2，α2的值为：α2＝(12°/x)*n，

其中，x为一个绝对码道条码所对应的一个增量码道条码所包含短条纹的个数，也即是任意两个长条纹之间所包含的短条纹个数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过增量码道和绝对码道相结合的方式实现高精密级旋转角度的测量，由于其采用的是单码道，所以编码盘的径向尺寸将大大减小，同时增量码道的增量细分方式提高了编码盘的测量精度；另外通过圆周外圈码道和编码盘上单码道编码方式可以将径向窜动对读数的影响降到最小，进而实现高稳定性的测量。

附图说明

图1为本发明旋转光栅编码器旋转角度测量装置的示意图；

图2为本发明旋转光栅编码器旋转角度测量装置反射式光栅码盘的侧视图；

图3为本发明编码角度对应表；

图4为本发明反射式光栅码盘绝对码道的二进制表示图；

图5为本发明增量码道解码的示意图；

图6为本发明旋转角度测量方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图对本发明的技术方案作进一步描述说明，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

请参考图1和图2，一种旋转光栅编码器旋转角度测量装置，包括由主轴驱动旋转的反射式光栅码盘1和中央处理模块4，主轴5固定在反射式光栅码盘1的后端面，反射式光栅码盘1的前端面设有绝对码道11、外圆周面设有增量码道12，所述绝对码道11采用格雷码编码方式；

所述反射式光栅码盘1外侧设有外光源模块6、光学放大模块2和高速图像采集模块3，所述外光源模块6发出平行光束后照射在增量码道12上，增量码道12将平行光束反射后经光学放大模块2到达高速图像采集模块3，高速图像采集模块3包括coms高速图像采集镜头；

所述反射式光栅码盘1前端面在圆周方向上均为分割为30等分，所述反射式光栅码盘1前端面的前方设有5个前光源9，与之对应地，每个前光源9对应地设有分光棱镜8和光电传感器7，所述5个前光源9均匀地分布在反射式光栅码盘1前端面的前方，所述前光源9发出光束经分光棱镜8后平行照射在绝对码道11上，绝对码道11将平行光束反射至光电传感器7；

所述高速图像采集模块3将采集到的图像输送至中央处理模块4，所述光电传感器7将光信号转换为电信号并输送至中央处理模块4。

由上可知，本发明装置工作原理为：所述外光源模块发出平行光束后照射在增量码道上，增量码道将平行光束反射后经光学放大模块到达高速图像采集模块，所述前光源发出光束经分光棱镜后平行照射在绝对码道上，绝对码道将平行光束反射至光电传感器；所述高速图像采集模块将采集到的图像输送至中央处理模块，所述光电传感器将光信号转换为电信号并输送至中央处理模块，中央处理模块进行数据处理，所述中央处理模块通过对5个光电传感器的电信号分析得到二进制值，绝对码道二进制表示化如图4所示，使用格雷码对编码盘上的亮暗区域编码，使得其连续的码字之间只有一个数位变化，然后中央处理模块在编码角度对应表查找二进制值对应的角度值，编码角度对应表如图3所示，得到旋转整数角度；同时高速图像采集模块所捕获到的增量码道细分图像，计算出细分角度，通过处理换算将这两个角度相加最终得到一个高精度的旋转，实现高精密级旋转角度的测量。

本发明通过增量码道和绝对码道相结合的方式实现高精密级旋转角度的测量，由于其采用的是单码道，所以编码盘的径向尺寸将大大减小，同时增量码道的增量细分方式提高了编码盘的测量精度；另外通过圆周外圈码道和编码盘上单码道编码方式可以将径向窜动对读数的影响降到最小，进而实现高稳定性的测量。

在本实施例中，所述外光源模块6包括外光源61和准直镜62，外光源射出的光束经过准直镜转为平行光束。

在本实施例中，所述反射式光栅码盘1的增量码道12采用明暗条纹相间的编码方式。

在本实施例中，所述中央处理模块4为fpga。

请参考图3至图6，一种利用上述旋转光栅编码器旋转角度测量装置的旋转角度测量方法，包括以下步骤：

s1.利用外光源模块发出平行光束后照射在增量码道上，增量码道将平行光束反射后经光学放大模块到达高速图像采集模块。

s2.利用前光源发出光束经分光棱镜后平行照射在绝对码道上，绝对码道将平行光束反射至光电传感器。

s3.所述高速图像采集模块将采集到的图像输送至中央处理模块，所述光电传感器将光信号转换为电信号并输送至中央处理模块。

s4.中央处理模块通过对电信号进行分析得到旋转整数角度，

请参考图4，具体地，所述步骤“中央处理模块通过对电信号进行分析得到旋转整数角度”的具体过程包括以下子步骤：

s41.将光电传感器获得绝对码道反射光信号的状态记为1，光电传感器未获得绝对码道反射光信号的状态记为0；

s42.中央处理模块建立5个光电传感器所得到的二进制值与旋转角度一一对应的编码角度对应表，请参考图3；

s43.中央处理模块通过对5个光电传感器的电信号分析得到二进制值；

s44.然后中央处理模块在编码角度对应表查找二进制值对应的角度值α1，所述α1即为旋转整数角度。

s5.中央处理模块对含有增量码道图像进行解码和运算后得到旋转细分角度，

请参考图5，具体地，所述步骤“中央处理模块对含有增量码道图像进行解码和运算后得到旋转细分角度”的具体过程包括以下子步骤：

s51.中央处理模块根据绝对码道的每个条码与增量码道的每个条码完全对齐的原则判断出此时与绝对条码位置相对应的增量条码图像；

s52.中央处理模块根据所获取的增量码道图像得到增量码道图像中的左端离高速图像采集模块的高速图像采集镜头中心最近的长条纹n；

s53.计算得到长条纹n与高速图像采集模块的高速图像采集镜头中心之间的短条纹的数量n；

s54.计算得到旋转细分角度α2，α2的值为：α2＝(12°/x)*n，

其中，x为一个绝对码道条码所对应的一个增量码道条码所包含短条纹的个数，也即是任意两个长条纹之间所包含的短条纹个数。

s6.将旋转整数角度和旋转细分角度相加得到精密的旋转角度，也就是旋转角度α＝α1+α2。

本发明通过增量码道和绝对码道相结合的方式实现高精密级旋转角度的测量，由于其采用的是单码道，所以编码盘的径向尺寸将大大减小，同时增量码道的增量细分方式提高了编码盘的测量精度。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。