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CN107504984A - 磁式编码器的磁环、磁环充磁与读取装置以及磁式编码器 - Google Patents

磁式编码器的磁环、磁环充磁与读取装置以及磁式编码器 Download PDF

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CN107504984A
CN107504984A CN201710744037.9A CN201710744037A CN107504984A CN 107504984 A CN107504984 A CN 107504984A CN 201710744037 A CN201710744037 A CN 201710744037A CN 107504984 A CN107504984 A CN 107504984A
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CN
China
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magnetic
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magnetic encoder
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CN201710744037.9A
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Inventor
杨庆研
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Shanghai Ling First Robot Polytron Technologies Inc
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Shanghai Ling First Robot Polytron Technologies Inc
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Publication date
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    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means

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Abstract

本发明提供了一种磁式编码器的磁环、磁环充磁与读取装置以及磁式编码器，所述磁环为中空结构，所述磁环具有至少1个磁道，所述磁道用于记录二进制数据。本发明提供的磁式编码器的磁环，通过设置多个可以记录二进制数据的磁道来表征转角角度，可以有效的避免现有技术中采用霍尔元件时由于磁通密度变动引起的测量误差，提高了检测精度。磁环充磁与读取装置可以完成对磁环所有磁道的充磁操作，满足了大面积高精度的充磁需求，且装置的成本较低，充磁操作简单。磁式编码器解决了现有技术中编码器的转角信号输出形式单一的问题，可方便机器人对同一个转角信号同时进行多种不同用途的处理使用。

Description

磁式编码器的磁环、磁环充磁与读取装置以及磁式编码器
技术领域
本发明属于编码器节技术领域，涉及一种磁式编码器的磁环、磁环充磁与读取装置以及磁式编码器。
背景技术
磁式编码器用于检测伺服电机等的旋转轴的旋转位置。现有技术中的专利文献(申请号为CN200780052743.1)中揭示了这样的磁式编码器，在专利中所述的位置检测装置中，采用霍尔元件，使其随着磁化成多极的磁环的旋转检测出正弦波信号，通过信号处理得到角度的绝对值。
在该专利申请中，由于要检测磁环的磁通量分布，所以磁环的旋转摆振引起的磁通密度的变动会产生较大测量误差，降低了检测角度的精度。
另外，对磁环特别是多极磁环的充磁精度也会影响检测角度的精度，而且大面积高精度的充磁需要较为复杂的设备。这就造成现有的大直径，中空型磁式编码器的成本非常的高。
此外，在机器人应用领域中，在设计时，机器人的多个功能都需要应用到转角信息，并且各个功能对转角信息的传输形式和频度又都不同。现有技术中编码器一般仅采用一个SSI接口输出转角信号，当需要应用其他频段的转角信号时，一般需要对SSI接口输出的转角信号进行处理转换，得到所需要的信号形式，步骤较为繁琐。
发明内容
本发明的目的之一在于，提供一种磁式编码器的磁环，旨在解决现有技术中磁式编码器检测角度精度较低的问题。
本发明的另一目的在于，提供一种与磁环相匹配的磁环充磁与读取装置，解决现有技术中大面积高精度的充磁需要较为复杂的设备的问题。
本发明的又一目的在于，提供一种磁式编码器，解决现有技术中转角信号输出形式单一的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种磁式编码器的磁环，所述磁环为中空结构，所述磁环具有至少1个磁道，所述磁道用于记录二进制数据。
进一步的，所述磁环具有N个磁道，从所述磁环的中空结构沿所述磁环的径向至所述磁环的外围，N个所述磁道分别为第1磁道、第2磁道、…、第N磁道，所述第1磁道用于记录21个二进制数据，所述第2磁道用于记录22个二进制数据，……，所述第N磁道用于记录2N个二进制数据。
进一步的，所述磁环包括带基和覆盖所述带基表面的磁性层，所述磁性层采用磁性材料制成。
进一步的，在所述带基上涂覆磁性材料形成所述磁性层，或所述磁性材料在所述带基上蒸发沉积形成所述磁性层。
一种磁环充磁与读取装置，对如上所述的磁环进行充磁与读取，包括磁环固定座、读写头、基座以及电机，所述电机固定在所述基座上，且所述电机转动时其转角角度值能够精确确定，所述电机的输出端与所述磁环固定座连接并用于带动所述磁环固定座转动；所述磁环固定座用于与磁环固定以带动所述磁环转动；所述读写头的数量与所述磁环的磁道数相等且一一对应，每个所述读写头均固定于所述基座上，所述磁环能够相对于所述读写头转动，每个所述读写头用于与所述磁环的对应的一个磁道接触以对磁道写入或读取二进制数据。
进一步的，所述磁环固定座与所述磁环接触的表面采用弹性材料制成。
进一步的，所述充磁与读取装置还包括压紧装置，所述读写头固定于所述压紧装置上，所述压紧装置与所述基座固定，所述压紧装置通过所述读写头将所述磁环压紧在所述磁环固定座上，且所述磁环能够相对于所述读写头转动。
进一步的，所述充磁与读取装置还包括减速器，所述电机通过所述减速器与所述磁环固定座连接。
一种磁式编码器，包括如上所述的磁环。
进一步的，所述磁式编码器包括至少两个输出信号频率不同的数据接口。
与现有技术相比，本发明提供了一种磁式编码器的磁环，通过设置多个可以记录二进制数据的磁道来表征转角角度，可以有效的避免现有技术中采用霍尔元件时由于磁通密度变动引起的测量误差，提高了检测精度。
本发明还提供了一种与磁环相配套的磁环充磁与读取装置，可以完成对磁环所有磁道的充磁操作，满足了大面积高精度的充磁需求，且装置的成本较低，充磁操作简单。
此外，本申请还提供了一种包括至少两个输出信号频率不同的数据接口的磁式编码器，解决了现有技术中编码器的转角信号输出形式单一的问题，可方便机器人对同一个转角信号同时进行多种不同用途的处理使用。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的一种磁式编码器的磁环的示意图；
图2是本发明一实施例提供的一种磁环充磁与读取装置的示意图；
图3是本发明一实施例提供的一种磁环充磁与读取装置充磁时读写头与磁环接触的示意图；
图4是本发明一实施例提供的一种磁式编码器的信号处理与信号输出的示意图。
其中，10-磁环；20-磁环固定座；30-读写头；40-电机；50-基座；60-压紧装置；11-中空结构；21-接触表面。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种磁式编码器的磁环、磁环充磁与读取装置以及磁式编码器作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
请参考图1，是本申请一实施例提供的磁式编码器的磁环10的示意图，所述磁环10为中空结构11，所述磁环10具有至少1个磁道，所述磁道用于记录二进制数据。在本实施例中，磁环10的中空结构11一般是为了便于后续走线，编码器的磁环10磁道通过记录二进制数据(0或1)来表征转角角度，可以有效的避免现有技术中采用霍尔元件时由于磁通密度变动引起的测量误差，提高了检测精度。
作为优选的，所述磁环10具有N个磁道，从所述磁环10的中空结构沿所述磁环10的径向至所述磁环10的外围，N个所述磁道分别为第1磁道、第2磁道、…、第N磁道，所述第1磁道用于记录21个二进制数据，所述第2磁道用于记录22个二进制数据，……，所述第N磁道用于记录2N个二进制数据。磁环10的磁道数决定了编码器的检测精度，一般民用机器人的编码器的磁道数可以为10-12，以12个磁道数为例，磁环10的最内圈的第1磁道记录了0和1两个二进制数据；第2磁道记录了4个二进制数据；……，最外圈的第12磁道记录了212共4096个二进制数据；这样，12个磁道就组成了12bit的位置数据，通过这12bit的位置数据即可以确定转角的绝对位置，其中，磁环10的测量精度为360度/4096，即检测精度约为0.08度。例如000000000001则代表了绝对转角角度约为0.08度。
本实施例中，所述磁环10包括带基和覆盖所述带基表面的磁性层，所述磁性层采用磁性材料制成。其生产方法可以为：在所述带基(一般为塑料薄膜带基)上涂覆颗粒状的磁性材料(例如针状的γ-Fe2O3磁粉或金属磁粉)形成所述磁性层，或所述磁性材料(例如磁性氧化物或磁性合金)在所述带基上蒸发沉积形成所述磁性层。本申请的磁环10采用塑料薄膜带基等软质材料时，具有弹性，在磁环10充磁时更易写入二进制数据。
本申请还提供了一种与上述磁环10配套的磁环充磁与读取装置，如图2和图3所示，对上述磁环10进行充磁与读取，其包括磁环固定座20、读写头30、电机40以及基座50，所述电机40固定在所述基座50上，且所述电机40转动时其转角角度值能够精确得到，所述电机40的输出端与所述磁环固定座20连接并用于带动所述磁环固定座20转动；所述磁环固定座20用于与磁环10固定以带动所述磁环10转动；所述读写头30的数量与所述磁环10的磁道数相等且一一对应，每个所述读写头30均固定于所述基座50上，所述磁环10能够相对于所述读写头30转动，每个所述读写头30用于与所述磁环10的对应的一个磁道接触以对磁道写入或读取二进制数据。本实施例提供的磁环充磁与读取装置可精确的对上述磁环进行充磁与读取，每一个磁道配一个读写头30，所有读写头30的位置都相对固定，当所述电机40每带动所述磁环10转动一个角度时，每一个读写头30对可以对对应的一个磁道进行充磁，这样，经过2N次充磁操作，可以完成对所有磁道的充磁操作，满足了大面积高精度的充磁需求。而且，本装置具有制造与标定同时完成的特点，当本充磁与读取装置生产完成后，读写头30以及电机40的位置都相对固定，此时即完成了标定，装置的充磁精度由电机40的转角角度的反馈精度决定。
作为优选方案，所述磁环固定座20与所述磁环10接触的表面21采用弹性材料制成。接触表面21采用弹性材料，磁环10与磁环固定座20之间的固定更加稳固，在读写头30对磁道进行充磁或读取时，磁环10不易产生振动，保证了充磁时的充磁精度。
在本发明的另一实施例中，所述磁环充磁与读取装置还包括压紧装置60，所述读写头30固定于所述压紧装置60上，所述压紧装置60与所述基座50固定，所述压紧装置60通过所述读写头30将所述磁环10压紧在所述磁环固定座20上，且所述磁环10能够相对于所述读写头30转动。通过压紧装置60可以进一步提高磁环10与磁环固定座20的连接结构的稳定性，防止磁环10产生振动，并且使读写头30与磁环10的磁道之间充分接触，方便进行充磁或读取操作。
本实施例的磁环充磁与读取装置的充磁精度根据电机的绝对转角的反馈精度决定，一般的工业用的光学绝对值编码器可达24位精度，采用本装置进行充磁可以较为容易的实现。如果所述电机40的控制精度较低，可以设置一减速器(图中未标出)，所述电机40可以先经所述减速器再输出到所述磁环固定座20，以降低对电机40控制精度的要求，在满足充磁精度的基础上降低装置的成本。
本申请还提供了一种包含上述磁环的磁式编码器，其包括至少两个输出信号频率不同的数据接口。本实施例中，两个数据接口中一个可以为角关节控制接口(SSI接口)，另一个可以为高速总线反馈接口(例如can总线接口或EtherCAT接口)，其中，编码器的信号处理与信号输出如图4所示，编码器的各读头的信号经过信号处理电路形成一个标准的逻辑电平，该标准的逻辑电平通过单片机MCU进行读取，并存储在单片机的寄存器中。两个数据输出接口共享同个数缓冲区，这样可以保证两路信号的数据是一致的，但是，两路信号的输出频率可以不同。这样，方便机器人对同一个转角信号同时进行多种不同用途的处理使用。
综上所述，本发明提供了一种磁式编码器的磁环，通过设置多个可以记录二进制数据的磁道来表征转角角度，可以有效的避免现有技术中采用霍尔元件时由于磁通密度变动引起的测量误差，提高了检测精度。
本发明还提供了一种与磁环相配套的磁环充磁与读取装置，可以完成对磁环所有磁道的充磁操作，满足了大面积高精度的充磁需求，且装置的成本较低，充磁操作简单。
此外，本申请还提供了一种包括至少两个输出信号频率不同的数据接口的磁式编码器，解决了现有技术中编码器的转角信号输出形式单一的问题，可方便机器人对同一个转角信号同时进行多种不同用途的处理使用。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种磁式编码器的磁环，其特征在于，所述磁环为中空结构，所述磁环具有至少1个磁道，所述磁道用于记录二进制数据。
2.根据权利要求1所述的一种磁式编码器的磁环，其特征在于，所述磁环具有N个磁道，从所述磁环的中空结构沿所述磁环的径向至所述磁环的外围，N个所述磁道分别为第1磁道、第2磁道、…、第N磁道，所述第1磁道用于记录21个二进制数据，所述第2磁道用于记录22个二进制数据，……，所述第N磁道用于记录2N个二进制数据。
3.根据权利要求1所述的一种磁式编码器的磁环，其特征在于，所述磁环包括带基和覆盖所述带基表面的磁性层，所述磁性层采用磁性材料制成。
4.根据权利要求3所述的一种磁式编码器的磁环，其特征在于，在所述带基上涂覆磁性材料形成所述磁性层，或所述磁性材料在所述带基上蒸发沉积形成所述磁性层。
5.一种磁环充磁与读取装置，对如权利要求1-4任一项所述的磁环进行充磁与读取，其特征在于，包括磁环固定座、读写头、基座以及电机，
所述电机固定在所述基座上，且所述电机转动时其转角角度值能够确定，所述电机的输出端与所述磁环固定座连接并用于带动所述磁环固定座转动；
所述磁环固定座用于与磁环固定以带动所述磁环转动；
所述读写头的数量与所述磁环的磁道数相等且一一对应，每个所述读写头均固定于所述基座上，所述磁环能够相对于所述读写头转动，每个所述读写头用于与所述磁环的对应的一个磁道接触以对磁道写入或读取二进制数据。
6.根据权利要求5所述的一种磁环充磁与读取装置，其特征在于，所述磁环固定座与所述磁环接触的表面采用弹性材料制成。
7.根据权利要求5所述的一种磁环充磁与读取装置，其特征在于，还包括压紧装置，所述读写头固定于所述压紧装置上，所述压紧装置与所述基座固定，所述压紧装置通过所述读写头将所述磁环压紧在所述磁环固定座上，且所述磁环能够相对于所述读写头转动。
8.根据权利要求5所述的一种磁环充磁与读取装置，其特征在于，还包括减速器，所述电机通过所述减速器与所述磁环固定座连接。
9.一种磁式编码器，其特征在于，包括如权利要求1-4任一项所述的磁环。
10.根据权利要求9所述的一种磁式编码器，其特征在于，所述磁式编码器包括至少两个输出信号频率不同的数据接口。
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