[發明專利]高速高精機床主軸磁感應絕對值編碼器及其量測齒輪

有效

• 申請號: 201710111232.8
• 申請日: 2017-02-27
• 公開（公告）號: CN106767956B
• 公開（公告）日: 2023-03-24
• 發明（設計）人: 張道勇;許娟
• 申請（專利權）人: 張道勇
• 主分類號: G01D5/249
• 分類號: G01D5/249;G05B19/042
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 裘暉;林梅繁

本發明涉及高速高精機床主軸磁感應絕對值編碼器及其量測齒輪，量測齒輪包括相互挫列布置的內圈主磁道和外圈游標磁道，內圈主磁道齒數為Z，外圈游標磁道齒數為Z‐1；絕對值編碼器包括量測齒輪及內設有磁感應元器件、信號調理電路及FPGA插補細分電路的磁感應讀取頭，磁感應元器件對量測齒輪進行非接觸式掃描產生Z和Z‐1個正余弦正交差分信號，經信號調理電路后，由FPGA插補細分電路對其誤差進行實時的修正和補償，從而針對Z和Z‐1兩個軌跡分別生成角度線數相對位置值，再計算出當前角度絕對位置。本發明結構簡單、精度高、易安裝且抗沖擊能力強，大幅提高了機床主軸的定位、重復定位精度，提升了數控機床的整體量測精度和加工效率。

技術領域

本發明涉及一種編碼器(Encoder)，尤其是涉及一種高速高精機床主軸、電主軸磁感應絕對值編碼器，可廣泛應用于數控機床、機器人、電梯和工業自動化等領域。

背景技術

編碼器是一種用來檢測角度、位置、速度和加速度的感測器，是把機械旋轉的角位移或直線位移進行編制、轉換為可用于通訊、傳輸和存儲的電信號形式的設備，是機械與電子緊密結合的精密測量器件，廣泛應用于電機、汽車、風電、機器人等眾多領域。從測量功能上，編碼器可分為增量值編碼器(也叫增量型編碼器)和絕對值編碼器。從測量原理上，編碼器包括光電編碼器和磁感應編碼器。

增量值編碼器用于提供當前位置相對于前一位置的信息，不具有記憶當前絕對位置的功能。當機電設備斷電時，假若機械位置因外力移動或轉動而改變，導致位置產生偏移，而當機電設備重新啟動時，增量值編碼器將無法判斷當前位置的信號與斷電前所記錄的位置信號是否相同，因而必須調整編碼器進行回零的操作。絕對值編碼器的每一個位置對應一個確定的數字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關，而與測量的中間過程無關。當機電設備斷電后再復電時，絕對值編碼器能夠即時讀取當前轉軸旋轉角度或絕對位置。

在工業生產中，廣泛應用的編碼器多為光電式，其工作原理是：LED光源和聚光鏡提供穩定的光柵衍射條紋的光源；掃描掩膜和測量基準的柵狀結構相同或者相似，當兩者狹縫對齊時有光線透過，兩者刻線對齊時光線無法通過，兩者相對運動時光電池感應到的光強就發生強弱交替變化，這種交替變化是呈三角波形式，但是由于光柵的衍射效應這種交替變化實際上呈正弦波形式。正余弦編碼信號指用兩路相位差為90度的正弦信號加載位置信息的編碼器信號。光電編碼器既可檢測角度位移，又可在機械轉換裝置幫助下檢測直線位置，具有低慣量、低噪聲、高精度、高分辨率等優點，缺點是對環境適應性差，對于濕氣、塵埃、油污和溫度變化的抵抗能力較弱，實際應用中需做密封處理；此外，光電編碼器光柵盤多為玻璃材質，在繞軸高速旋轉時，容易因軸振動、沖擊等外部環境的影響，使得光柵盤碎裂。

當光電編碼器在機床主軸上使用時，其第一位置反饋光電編碼器與第二位置反饋光電編碼器均不能直接和機床主軸連接，通常以同步輪、皮帶等機械傳動機構與機床主軸間接連接，其傳動過程為：內裝第一位置編碼器的主軸伺服電機帶動皮帶運動，皮帶帶動機床主軸運動，機床主軸帶動同步輪旋轉，同步輪帶動第二位置編碼器旋轉，因而整個機械傳動結構比較復雜，導致伺服電機最高轉速較低。配套CNC數控系統，可實現對精度要求不高的螺紋加工、剛性攻絲、主軸定向和刀庫換刀等功能。若長時間運行，由于承受負荷較大，皮帶、同步帶的彈性變形、熱脹冷縮以及磨損等，使得數控機床整體加工精度會越變越差。

當機床主軸對定位精度要求較高時，第一位置反饋需要用到17位或更高分辨率的光電編碼器，第二位置反饋將用到磁阻、磁柵等高精度編碼器，同時第二位置反饋主軸編碼器和機床主軸要直連，以減小傳動誤差。電主軸實現了主軸電機與機床主軸的一體化，將高精度編碼器與機床主軸直連，在減小傳動裝置帶來的誤差同時，大幅提高了加工、定位精度，并且具有一系列優良傳動特性，是一種可滿足高速高精加工要求的理想傳動方式。