一种基于圆感应同步器的角度编码器及制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于圆感应同步器的角度编码器及制备方法，它包括定子、转子、主轴、信号解码板、外罩等，它是以定子本体作为基座，通过在定子本体上的直角槽内嵌有定子轴承，定子轴承端盖将定子轴承在定子本体内压牢，定子本体、定子轴承、定子轴承端盖共同构成定子组件，将定子组件一起套在主轴上；在转子本体的中间内壁的直角槽内嵌有转子轴承，转子轴承端盖将转子轴承在转子本体内压牢，转子本体、转子轴承、转子轴承端盖共同构成转子组件；在转子本体外设有外罩，将解码板固定在外罩上，从外罩的侧壁引出与连解码板连接的电缆。本发明将彻底解决传统圆感应同步器安装困难的缺陷，同时还具有系统集成度、密封性好、抗电磁干扰能力强等优点。
【专利说明】
一种基于圆感应同步器的角度编码器及制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及角度传感器，尤其是涉及一种基于圆感应同步器的角度编码器及制备方法。
【背景技术】
[0002]角度编码器是一种角度传感器，它是一种整装式的结构，其工作轴与被测旋转轴相连，当被测旋转轴转动时将带动编码器的工作轴转动，编码器将输出与当前转角对应的角度值，它可以应用在机床、转台、天线雷达、经玮仪、分度头等旋转设备中对当前旋转轴的转角进行测量，在国内销售编码器的厂家很多，但高精度编码器厂商主要是德国海德汉公司，该公司生产的编码器精度可达到±2〃。
[0003]德国海德汉公司的编码器实现原理是基于光电技术，其内部的光学传感元件是通过在光学玻璃上腐蚀出不同码道而实现的，光学传感元件由光学玻璃制成，在上面刻有许多同心码道，每个码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分，光学传感元件安装在编码器的工作轴上并随工作轴旋转，安装在固定位置上的光源发光投射在光学传感元件上，透过亮区的光经过狭缝后由光敏元件接受，光敏元件的排列与码道一一对应，对于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者为“I”，后者为“O”，当光学传感元件旋转在不同位置时，光敏元件输出信号的组合反映出一定规律的数字量，代表了轴的角位移。
[0004]这类编码器由于其内部的传感元件为光学玻璃，这使得其环境适应性较差，当温湿度变化较大所产生的雾气将阻隔光的路传输，或周围振动强烈时又易导致玻璃碎裂，这都会使得广品失效。
[0005]圆感应同步器是一种电磁感应位置检测元件，由定子、转子两个分部件组成，通过定子、转子多极平面绕组的互感随位置变化的电磁感应原理实现高精度角度测量(优于±2〃)。且圆感应同步器是一种以金属为基体的传感元件，从而使得基于它的整个测角系统具有极高的可靠性，基于圆感应同步器的高精度测角系统及编码器的特性主要体现在如下几个方面:
(1)、测角精度高，可达到土2〃 (峰峰值4〃 );
(2)、对温度的影响不敏感，可在-55°—+100°的温度范围内工作；
(3 )、耐强冲击，振动；
(4)、耐真空，可在I X 10-3Pa的真空环境下正常工作；
(5 )、耐油、液体、灰尘、污垢、盐雾等。
[0006]圆感应同步器分为定子和转子两部分，其中定子安装在固定体上，转子安装在转轴上，对转子施加激励信号，定子将感应出两相的正、余弦信号，工作过程中转轴带动转子使得转子与定子产生相对旋转运动，定子感应出的两相正、余弦信号也会随着转子的转动而发生有规律的变化，通过监测、解算这两路信号来实现角度测量的目的。
[0007]传统圆感应同步器定子、转子为分离式的，其中转子安装在转轴上，定子安装在固定台体上，作为一种高精度测角元件，对定子、转子的安装条件要求非常高，通常定子、转子相对转轴的同轴度要求在0.005mm以内，垂直度要求在0.02mm以内，定子、转子的气隙需控制在0.018±0.002mm的范围内，因而圆感应同步器的安装对于很多用户来说是一个不小的困难，且这种分装式的圆感应同步器需匹配后续的前置放大电路、滤波及解码电路，这使得整个系统分散、集成度不高，应用不便利。
[0008]综上所述，圆感应同步器安装困难的问题是制约其得到广泛应用的关键因素，若此问题得到解决，圆感应同步器的高精度测角特性将能得到充分发挥，从而更可靠、广泛地应用在各军、民领域。
【发明内容】
[0009]本发明的第一个目的在于提供一种系统集成度、密封性好、抗电磁干扰能力强的基于圆感应同步器的角度编码器。
[0010]本发明的第二个目的在于提供一种基于圆感应同步器的角度编码器的制备方法。[0011 ]本发明的第一个目的是这样实现的:
一种基于圆感应同步器的角度编码器，包括由定子本体、定子轴承、定子轴承端盖、主轴、转子本体、转子轴承、转子轴承端盖、转子垫圈、转子旋盖、解码板、外罩、电缆、定子金属绕组和转子金属绕组构成的角度编码器，在定子本体的上表面固定有定子绝缘层，在定子绝缘层上固定有环状的定子金属绕组，在转子本体的下表面固定有与定子绝缘层位置对应的转子绝缘层，在转子绝缘层上固定有环状的转子金属绕组，定子金属绕组与转子金属绕组相对放置，定子金属绕组和转子金属绕组均与主轴垂直;特征是:在环形的定子本体的中间内壁设有一个90度的直角槽，在直角槽内嵌有定子轴承，定子轴承端盖将定子轴承在定子本体内压牢，定子本体、定子轴承、定子轴承端盖共同构成定子组件，定子组件套在主轴的下方，在定子轴承上面的内圈放置有转子垫圈；在环形的转子本体的中间内壁设有一个90度的直角槽，在直角槽内嵌有转子轴承，转子轴承端盖将转子轴承在转子本体内压牢，转子本体、转子轴承、转子轴承端盖共同构成转子组件;在转子本体外设有外罩，外罩与定子本体一齐将转子本体、转子旋盖、转子垫圈、定子金属绕组和转子金属绕封装起来，在外罩的内壁上、转子本体的上方固定有解码板，解码板分为六个单元，分别为:电源转换单元、激励信号单元、信号调理单元、轴角转换单元、通信单元和控制处理单元，从外罩的侧壁引出与解码板连接的电缆。
[0012]在转子金属绕组中设有若干根转子有效导体，各根转子有效导体通过转子有效导体内端部与转子有效导体外端部连接而成转子金属绕组，连续的转子金属绕组从转子有效导体的两个末端引出导线作为转子的激励输入端；
定子金属绕组由分段的2K个导体组构成，2K个导体组分别属于SIN相和COS相，每相各有K个导体组，SIN相导体组和COS相导体组相隔排列，即与每个SIN相导体组相邻的导体组都为COS相导体组，与每个COS相导体组相邻的导体组都为SIN相导体组;每个导体组中设有M根定子有效导体，每根定子有效导体通过定子有效导体内端部与定子有效导体外端部连接而成，其中K、M均为正整数;属于同相的各组导体组从每个导体组中的两个末端引出导线串联联接，联接后SIN相将引出SIN+、SIN-的差分信号，COS相将引出C0S+、C0S-的差分信号。
[0013]转子有效导体和定子有效导体均呈辐射状放置。
[0014]一种基于圆感应同步器的角度编码器的制备方法，特征是:具体步骤如下: A、在定子本体上车出用于装配轴承的定子本体轴向定位面和定子本体径向定位面，其中定子本体轴向定位面相对于主轴轴垂线的垂直度<0.0 Imm，定子本体径向定位面与轴承装配间隙为O?0.005_;在转子本体上车出用于装配轴承的转子本体轴向定位面和转子本体径向定位面，其中转子本体轴向定位面相对于主轴轴垂线的垂直度< 0.0 Imm，转子本体径向定位面与轴承装配间隙为O?0.005mm；
B、在主轴上磨出用于装配轴承的主轴轴向定位面和主轴径向定位面，其中主轴轴向定位面相对于主轴轴垂线的垂直度彡0.0 1mm，主轴径向定位面与轴承装配间隙为O?
0.005mm,再车出与转子旋盖配合的螺纹；
C、在转子旋盖上车出与主轴配合的螺纹，转子旋盖的下底面相对于主轴轴垂线的垂直度 <0.0lmm;
D、用protel电路设计软件设计解码板，此解码板电路分为五个单元，分别为:电源转换单元、激励信号单元、信号调理单元、轴角转换单元、通信单元，其中电源单元是将输入的+24V电压转换为±15V，激励信号单元是实现1KHz的交流信号用于驱动圆感应同步器工作，信号调理单元是对圆感应同步器感应输出的信号进行放大、滤波，解码单元是对放大滤波后的SIN、C0S信号进行转换，实现数字量的角度值，通信单元是将数字量的角度值以一定的通信协议发送出去；
设计好的电路板交由专业的印刷电路板厂商进行制作，制作的工艺参数为:FR-4环氧树脂、1.6mm板厚，绿色阻焊层，35um厚的铜膜导线；
E、以定子本体作为基座，随后将轴承嵌入到定子本体内，再通过轴承端盖将轴承在定子本体内压牢，形成定子本体、轴承、轴承端盖的一个组件；以转子本体作为基座，随后将轴承嵌入到转子本体内，再通过轴承端盖将轴承在转子本体内压牢，形成转子本体、轴承、轴承端盖的一个组件；
F、将定子组件套在主轴上，在定子轴承上放置转子垫圈，随后再将转子组件套进主轴，转子组件由转子旋盖压紧，将解码板固定在外罩的内壁、转子本体的上方；
G、将解码板的激磁输出正端与定子本体的激磁输入正端通过导线相连，将解码板的激磁输出负端与定子本体的激磁输入负端通过导线相连;将定子本体的SIN+输出端与解码板的SIN+输入端通过导线相连，将定子本体的SIN—输出端与解码板的SIN—输入端通过导线相连，将定子本体的COS+输出端与解码板的COS+输入端通过导线相连，将定子本体的COS-输出端与解码板的COS-输入端通过导线相连；
H、解码板的电源输入端与+24V电源相连，电源地端与地相连，信号输出端为RS422+，信号输出端为RS422 —，它们作为一对差分信号将当前角度值以RS422的格式输出，完成此制备工序后即实现了基于圆感应同步器的角度编码器制作。
[0015]本发明通过对引出的连接电缆向解码板供电，解码板将产生交流激励信号驱动圆感应同步器工作，定子金属绕组感应出与当前旋转角度成一定对应关系的交流电信号，此交流电信号由解码板进行信号调理、解算出当前的角度值，随后通过连接电缆向外传输，整个基于圆感应同步器的角度编码器内的定子本体、转子本体、解码板均由外罩密封，因此，本发明将彻底解决传统圆感应同步器安装困难的缺陷，同时还具有系统集成度、密封性好、抗电磁干扰能力强等诸多优点。
【附图说明】
[0016]图1为本发明的结构示意图；
图2为定子本体的示意图；
图3为转子本体的示意图；
图4为主轴的示意图；
图5为转子旋盖的示意图；
图6为定子本体接线端子的示意图；
图7为解码板接线端子的示意图；
图8为转子金属绕组的示意图；
图9为定子金属绕组的示意图；
图10为解码板的电路方框图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。
[0018]—种基于圆感应同步器的角度编码器，包括由定子本体1、定子轴承2、定子轴承端盖3、主轴4、转子本体5、转子轴承6、转子轴承端盖7、转子垫圈8、转子旋盖9、解码板10、夕卜罩U、电缆12、转子金属绕组13和定子金属绕组14构成的角度编码器，在定子本体I的上表面固定有定子绝缘层，在定子绝缘层上固定有环状的定子金属绕组14，在转子本体5的下表面固定有与定子绝缘层位置对应的转子绝缘层，在转子绝缘层上固定有环状的转子金属绕组13，定子金属绕组14与转子金属绕组13相对放置，定子金属绕组14和转子金属绕组13均与主轴4垂直;在环形的定子本体I的中间内壁设有一个90度的直角槽，在直角槽内嵌有定子轴承2，定子轴承端盖3将定子轴承2在定子本体I内压牢，定子本体1、定子轴承2、定子轴承端盖3共同构成定子组件，定子组件套在主轴4的下方，在定子轴承2上面的内圈放置有转子垫圈8;在环形的转子本体5的中间内壁设有一个90度的直角槽，在直角槽内嵌有转子轴承6，转子轴承端盖7将转子轴承6在转子本体5内压牢，转子本体5、转子轴承6、转子轴承端盖7共同构成转子组件;在定子本体I外设有外罩11，外罩11与定子本体I一齐将转子本体5、转子旋盖9、转子垫圈8、定子金属绕组14和转子金属绕13封装起来，在外罩11的内壁上、转子本体5的上方固定有解码板10，解码板10分为六个单元，分别为:电源转换单元、激励信号单元、信号调理单元、轴角转换单元、通信单元，从外罩11的侧壁引出与解码板10连接的电缆
12ο
[0019]在转子金属绕组13中设有若干根转子有效导体42，各根转子有效导体42通过转子有效导体内端部40与转子有效导体外端部41连接而成转子金属绕组13，连续的转子金属绕组13从转子有效导体42的两个末端43、44引出导线作为转子的激励输入端；
定子金属绕组14由分段的2Κ个导体组构成，2Κ个导体组分别属于SIN相和COS相，每相各有K个导体组，SIN相导体组和COS相导体组相隔排列，即与每个SIN相导体组相邻的导体组都为COS相导体组，与每个COS相导体组相邻的导体组都为SIN相导体组;每个导体组中设有M根定子有效导体47，每根定子有效导体47通过定子有效导体内端部45与定子有效导体外端部46连接而成，其中Κ、Μ均为正整数;属于同相的各组导体组从每个导体组中的两个末端48、49引出导线串联联接，联接后SIN相将引出SIN+、SIN-的差分信号，COS相将引出COS+、cos-的差分信号。
[0020]转子有效导体42和定子有效导体47均呈辐射状放置。
[0021]一种基于圆感应同步器的角度编码器的制备方法，具体步骤如下:
A、在定子本体上I车出用于装配定子轴承2的定子本体轴向定位面16和定子本体径向定位面15，其中定子本体轴向定位面16相对于主轴轴垂线50的垂直度<0.01mm，定子本体径向定位面15与定子轴承2装配间隙为O?0.005mm;
B、在主轴4上磨出用于装配定子轴承2的主轴轴向定位面19和主轴径向定位面20，其中主轴轴向定位面19相对于主轴轴垂线50的垂直度<0.01mm，主轴径向定位面20与定子轴承
2装配间隙为O?0.005mm,再车出与转子旋盖9配合的螺纹21 ；
C、在转子旋盖9上车出与主轴4配合的螺纹22，转子旋盖9的下底面23相对于主轴轴垂线50的垂直度彡0.0lmm;
D、用protel电路设计软件设计解码板10，此解码板10分为五个单元，分别为:电源转换单元、激励信号单元、信号调理单元、轴角转换单元、通信单元，其中电源单元是将输入的+24V电压转换为±15V，激励信号单元是实现1KHz的交流信号用于驱动圆感应同步器工作，信号调理单元是对圆感应同步器感应输出的信号进行放大、滤波，解码单元是对放大滤波后的SIN、C0S信号进行转换，实现数字量的角度值，通信单元是将数字量的角度值以一定的通信协议发送出去；
设计好的电路板交由专业的印刷电路板厂商进行制作，制作的工艺参数为:FR-4环氧树脂、1.6mm板厚，绿色阻焊层，35um厚的铜膜导线。
[0022]、以定子本体I作为基座，随后将定子轴承2嵌入到定子本体I内，再通过定子轴承端盖3将定子轴承2在定子本体I内压牢，形成定子本体1、定子轴承2、定子轴承端盖3的一个组件；以转子本体5作为基座，随后将转子轴承6嵌入到转子本体5内，再通过转子轴承端盖7将转子轴承6在转子本体5内压牢，形成转子本体5、转子轴承6、转子轴承端盖7的一个组件；
F、将定子组件套在主轴4上，在定子轴承2上放置转子垫圈8，随后再将转子组件套进主轴4，转子组件由转子旋盖9压紧，将解码板1固定在外罩11的内壁、转子本体5的上方；
G、将解码板10的激磁输出正端34与定子本体I的激磁输入正端28通过导线相连，将解码板的激磁输出负端35与定子本体I的激磁输入负端29通过导线相连;将定子本体I的SIN+输出端24与解码板10的SIN+输入端30通过导线相连，将定子本体I的SIN—输出端25与解码板10的SIN—输入端31通过导线相连，将定子本体I的COS+输出端26与解码板10的COS+输入端32通过导线相连，将定子本体I的⑶S-输出端27与解码板10的⑶S-输入端33通过导线相连；
H、解码板10的电源输入端36与+24V电源相连，电源地端37与地相连，信号输出端38为RS422+，信号输出端39为RS422 —，它们作为一对差分信号将当前角度值以RS422的格式输出，完成此制备工序后即实现了基于圆感应同步器的角度编码器制作。
[0023]工作原理:
当对解码板1提供直流电压+ 24V，在解码板1内部将转换出实际用于解码板1工作的± 15V电源，解码板10产生交流激励信号驱动圆感应同步器工作，圆感应同步器反馈出来的感应信号经解码板10进行信号调理、解码得出当前角度值，并通过RS422串口向外发送。
【主权项】
1.一种基于圆感应同步器的角度编码器，包括由定子本体、定子轴承、定子轴承端盖、主轴、转子本体、转子轴承、转子轴承端盖、转子垫圈、转子旋盖、解码板、外罩、电缆、定子金属绕组和转子金属绕组构成的角度编码器，在定子本体的上表面固定有定子绝缘层，在定子绝缘层上固定有环状的定子金属绕组，在转子本体的下表面固定有与定子绝缘层位置对应的转子绝缘层，在转子绝缘层上固定有环状的转子金属绕组，定子金属绕组与转子金属绕组相对放置，定子金属绕组和转子金属绕组均与主轴垂直;其特征在于:在环形的定子本体的中间内壁设有一个90度的直角槽，在直角槽内嵌有定子轴承，定子轴承端盖将定子轴承在定子本体内压牢，定子本体、定子轴承、定子轴承端盖共同构成定子组件，定子组件套在主轴的下方，在定子轴承上面的内圈放置有转子垫圈；在环形的转子本体的中间内壁设有一个90度的直角槽，在直角槽内嵌有转子轴承，转子轴承端盖将转子轴承在转子本体内压牢，转子本体、转子轴承、转子轴承端盖共同构成转子组件;在转子本体外设有外罩，外罩与定子本体一齐将转子本体、转子旋盖、转子垫圈、定子金属绕组和转子金属绕封装起来，在外罩的内壁上、转子本体的上方固定有解码板，解码板分为五个单元，分别为:电源转换单元、激励信号单元、信号调理单元、轴角转换单元、通信单元和控制处理单元，从外罩的侧壁引出与解码板连接的电缆。2.根据权利要求1所述的基于圆感应同步器的角度编码器，其特征在于:在转子金属绕组中设有若干根转子有效导体，各根转子有效导体通过转子有效导体内端部与转子有效导体外端部连接而成转子金属绕组，连续的转子金属绕组从转子有效导体的两个末端引出导线作为转子的激励输入端。3.根据权利要求2所述的基于圆感应同步器的角度编码器，其特征在于:定子金属绕组由分段的2K个导体组构成，2K个导体组分别属于SIN相和COS相，每相各有K个导体组，SIN相导体组和COS相导体组相隔排列，即与每个SIN相导体组相邻的导体组都为COS相导体组，与每个COS相导体组相邻的导体组都为SIN相导体组;每个导体组中设有M根定子有效导体，每根定子有效导体通过定子有效导体内端部与定子有效导体外端部连接而成，其中K、M均为正整数;属于同相的各组导体组从每个导体组中的两个末端引出导线串联联接，联接后SIN相将引出S IN+、S IN-的差分信号，COS相将引出COS+、COS-的差分信号。4.根据权利要求3所述的基于圆感应同步器的角度编码器，其特征在于:转子有效导体和定子有效导体均呈辐射状放置。5.—种基于圆感应同步器的角度编码器的制备方法，其特征在于:具体步骤如下: A、在定子本体上车出用于装配轴承的定子本体轴向定位面和定子本体径向定位面，其中定子本体轴向定位面相对于主轴轴垂线的垂直度<0.0 Imm，定子本体径向定位面与轴承装配间隙为O?0.005_;在转子本体上车出用于装配轴承的转子本体轴向定位面和转子本体径向定位面，其中转子本体轴向定位面相对于主轴轴垂线的垂直度< 0.0 Imm，转子本体径向定位面与轴承装配间隙为O?0.005mm； B、在主轴上磨出用于装配轴承的主轴轴向定位面和主轴径向定位面，其中主轴轴向定位面相对于主轴轴垂线的垂直度彡0.0 1mm，主轴径向定位面与轴承装配间隙为O?.0.005mm,再车出与转子旋盖配合的螺纹； C、在转子旋盖上车出与主轴配合的螺纹，转子旋盖的下底面相对于主轴轴垂线的垂直度 <0.0lmm; D、用protel电路设计软件设计解码板，此解码板电路分为五个单元，分别为:电源转换单元、激励信号单元、信号调理单元、轴角转换单元、通信单元，其中电源单元是将输入的+24V电压转换为±15V，激励信号单元是实现1KHz的交流信号用于驱动圆感应同步器工作，信号调理单元是对圆感应同步器感应输出的信号进行放大、滤波，解码单元是对放大滤波后的SIN、C0S信号进行转换，实现数字量的角度值，通信单元是将数字量的角度值以一定的通信协议发送出去； 设计好的电路板交由专业的印刷电路板厂商进行制作，制作的工艺参数为:FR-4环氧树脂、1.6mm板厚，绿色阻焊层，35um厚的铜膜导线； E、以定子本体作为基座，随后将轴承嵌入到定子本体内，再通过轴承端盖将轴承在定子本体内压牢，形成定子本体、轴承、轴承端盖的一个组件；以转子本体作为基座，随后将轴承嵌入到转子本体内，再通过轴承端盖将轴承在转子本体内压牢，形成转子本体、轴承、轴承端盖的一个组件； F、将定子组件套在主轴上，在定子轴承上放置转子垫圈，随后再将转子组件套进主轴，转子组件由转子旋盖压紧，将解码板固定在外罩的内壁、转子本体的上方； G、将解码板的激磁输出正端与定子本体的激磁输入正端通过导线相连，将解码板的激磁输出负端与定子本体的激磁输入负端通过导线相连;将定子本体的SIN+输出端与解码板的SIN+输入端通过导线相连，将定子本体的SIN—输出端与解码板的SIN—输入端通过导线相连，将定子本体的COS+输出端与解码板的COS+输入端通过导线相连，将定子本体的COS-输出端与解码板的COS-输入端通过导线相连； H、解码板的电源输入端与+24V电源相连，电源地端与地相连，信号输出端为RS422+，信号输出端为RS422 —，它们作为一对差分信号将当前角度值以RS422的格式输出，完成此制备工序后即实现了基于圆感应同步器的角度编码器制作。
【文档编号】G01D5/244GK106017518SQ201610395904
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月7日
【发明人】娄敏, 李道权, 林兴颜, 周策, 王斌, 周萍, 周小全, 王智勇
【申请人】九江精达检测技术有限公司