[发明专利]高速高精机床主轴磁感应绝对值编码器及其量测齿轮

说明书

本发明涉及高速高精机床主轴磁感应绝对值编码器及其量测齿轮，量测齿轮包括相互挫列布置的内圈主磁道和外圈游标磁道，内圈主磁道齿数为Z，外圈游标磁道齿数为Z‐1；绝对值编码器包括量测齿轮及内设有磁感应元器件、信号调理电路及FPGA插补细分电路的磁感应读取头，磁感应元器件对量测齿轮进行非接触式扫描产生Z和Z‐1个正余弦正交差分信号，经信号调理电路后，由FPGA插补细分电路对其误差进行实时的修正和补偿，从而针对Z和Z‐1两个轨迹分别生成角度线数相对位置值，再计算出当前角度绝对位置。本发明结构简单、精度高、易安装且抗冲击能力强，大幅提高了机床主轴的定位、重复定位精度，提升了数控机床的整体量测精度和加工效率。

技术领域

本发明涉及一种编码器(Encoder)，尤其是涉及一种高速高精机床主轴、电主轴磁感应绝对值编码器，可广泛应用于数控机床、机器人、电梯和工业自动化等领域。

背景技术

编码器是一种用来检测角度、位置、速度和加速度的感测器，是把机械旋转的角位移或直线位移进行编制、转换为可用于通讯、传输和存储的电信号形式的设备，是机械与电子紧密结合的精密测量器件，广泛应用于电机、汽车、风电、机器人等众多领域。从测量功能上，编码器可分为增量值编码器(也叫增量型编码器)和绝对值编码器。从测量原理上，编码器包括光电编码器和磁感应编码器。

增量值编码器用于提供当前位置相对于前一位置的信息，不具有记忆当前绝对位置的功能。当机电设备断电时，假若机械位置因外力移动或转动而改变，导致位置产生偏移，而当机电设备重新启动时，增量值编码器将无法判断当前位置的信号与断电前所记录的位置信号是否相同，因而必须调整编码器进行回零的操作。绝对值编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。当机电设备断电后再复电时，绝对值编码器能够即时读取当前转轴旋转角度或绝对位置。

在工业生产中，广泛应用的编码器多为光电式，其工作原理是：LED光源和聚光镜提供稳定的光栅衍射条纹的光源；扫描掩膜和测量基准的栅状结构相同或者相似，当两者狭缝对齐时有光线透过，两者刻线对齐时光线无法通过，两者相对运动时光电池感应到的光强就发生强弱交替变化，这种交替变化是呈三角波形式，但是由于光栅的衍射效应这种交替变化实际上呈正弦波形式。正余弦编码信号指用两路相位差为90度的正弦信号加载位置信息的编码器信号。光电编码器既可检测角度位移，又可在机械转换装置帮助下检测直线位置，具有低惯量、低噪声、高精度、高分辨率等优点，缺点是对环境适应性差，对于湿气、尘埃、油污和温度变化的抵抗能力较弱，实际应用中需做密封处理；此外，光电编码器光栅盘多为玻璃材质，在绕轴高速旋转时，容易因轴振动、冲击等外部环境的影响，使得光栅盘碎裂。

当光电编码器在机床主轴上使用时，其第一位置反馈光电编码器与第二位置反馈光电编码器均不能直接和机床主轴连接，通常以同步轮、皮带等机械传动机构与机床主轴间接连接，其传动过程为：内装第一位置编码器的主轴伺服电机带动皮带运动，皮带带动机床主轴运动，机床主轴带动同步轮旋转，同步轮带动第二位置编码器旋转，因而整个机械传动结构比较复杂，导致伺服电机最高转速较低。配套CNC数控系统，可实现对精度要求不高的螺纹加工、刚性攻丝、主轴定向和刀库换刀等功能。若长时间运行，由于承受负荷较大，皮带、同步带的弹性变形、热胀冷缩以及磨损等，使得数控机床整体加工精度会越变越差。

当机床主轴对定位精度要求较高时，第一位置反馈需要用到17位或更高分辨率的光电编码器，第二位置反馈将用到磁阻、磁栅等高精度编码器，同时第二位置反馈主轴编码器和机床主轴要直连，以减小传动误差。电主轴实现了主轴电机与机床主轴的一体化，将高精度编码器与机床主轴直连，在减小传动装置带来的误差同时，大幅提高了加工、定位精度，并且具有一系列优良传动特性，是一种可满足高速高精加工要求的理想传动方式。