高速高精机床主轴、电主轴磁感应增量型总线式编码器制造技术

本发明专利技术涉及高速高精机床主轴、电主轴磁感应增量型总线式编码器，包括量测齿轮和磁感应读取头；磁感应读取头内设有磁感应元器件、信号调理电路、参考零点比较器电路及FPGA插补细分电路，磁感应元器件与量测齿轮圆周正相切安装，磁感应元器件对量测齿轮进行非接触式扫描所产生的正余弦正交差分信号和参考零点差分信号，经信号调理电路后，由FPGA插补细分电路对其直流偏置误差、幅值误差和正交相位误差进行实时修正和补偿，并结合参考零点比较器电路，分别生成相对于上电时刻的转轴旋转角度的相对位置值和相对于参考零点信号的转轴旋转角度的绝对位置值，机械传动结构简单，提高了机床主轴定位、重复定位精度，提升了数控机床整体量测精度和加工效率。

High speed and high precision machine tool spindle, electric spindle, magnetic induction incremental type bus type encoder

The invention relates to a spindle, high speed and high precision machine tool spindle magnetic induction increment type bus encoder, including the measurement of gear and magnetic read head; magnetic read head is equipped with magnetic induction components, signal conditioning circuit, comparator circuit and zero reference FPGA interpolation subdivision circuit, magnetic induction components and measuring gear is installed. The measurement of magnetic induction components, gear cosine generated by non-contact scanning orthogonal differential signal and reference zero differential signal, the signal conditioning circuit, the FPGA interpolation subdivision circuit on the DC bias error, amplitude error and phase error of orthogonal real time correction and compensation, and combined with the reference zero comparator the circuit, respectively generate relative position shaft rotation angle on electric moment value and shaft rotation angle relative to the reference zero signal of the vast To the position value, the mechanical drive structure is simple, the machine tool spindle positioning and repeated positioning accuracy are improved, and the overall measuring accuracy and the machining efficiency of the numerical control machine tool are promoted.

【技术实现步骤摘要】
高速高精机床主轴、电主轴磁感应增量型总线式编码器
本专利技术涉及一种编码器(Encoder)，尤其是涉及一种高速高精机床主轴、电主轴磁感应增量型总线式编码器，可广泛应用于数控机床、机器人、电梯和工业自动化等领域。
技术介绍
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。对采用数字位置和速度控制技术的电机驱动，高精度正余弦编码器可提供1Vpp电平信号的正弦增量信号，信号质量高从而在后续信号处理电路中进行高倍频插补细分成为可能。例如，若对每圈512个信号周期的旋转编码器在后续信号处理电路中进行4096倍细分，就能在一圈内产生2百万个测量步距或线数，相当于21位的分辨率。即使转速达到24000转/秒，信号到达控制系统输入电路时的频率也只有约200KHz。1Vpp的正弦增量信号由于输出的频谱成分比较单一，与方波相比可以传输较远的距离而不衰减或者畸变，允许的电缆长度可达150米。除了光电编码器，磁感应编码器也广泛应用于工业生产中。磁感应编码器基于磁传感器，而磁传感器广泛应用于现代工业和电子产品中，以感应磁场强度及其分布来测量电流、位置、方向等物理参数。在现有技术中，有许多不同类型的传感器用于测量磁场和其他参数，例如采用霍尔(Hall)元件、各向异性磁电阻(AnisotropicMagnetoResistance，AMR)元件、巨磁电阻(GaintMagnetoResistance，GMR)元件、隧道磁电阻TMR(TunnelMagnetoResistance)元件为测量敏感元件的磁传感器。相比于其它磁性传感元件，TMR元件具备微功耗、分辨率高、动态范围大、优异的温度稳定性和极高的灵敏度等优点。在高速、高精度、高动态性能要求的伺服系统中，通常采用输出正余弦信号的磁传感器检测元件，用于位置和速度反馈。其输出信号包括周期性的正余弦(SINE、COSINE)正交差分信号，每旋转一周也输出一路参考零点(INDEX)差分信号，当机电设备启动时，虽能经过后续信号处理电路进行高倍频插补细分，但并不能即时读取当前转轴旋转角度的绝对位值，直到转轴旋转经过参考零点信号后，才能得到当前转轴旋转角度的绝对位值。如果采用传统脉冲串的方式传输信号，一方面随着位置测量装置分辨率和精度的提高，其输出线数越来越大，在电机高速运转情况下，对后续控制装置接口要求较高，容易出现高频部分传输误计数，从而影响数控装置反馈控制；另一方面，脉冲串输出距离有限，容易受到工业环境的电磁干扰，不适应于工业现场的高速传输。为了提高位置反馈精度和高速可靠地传输位置数据，在数控系统中，位置测量装置与控制装置之间采用数字串行总线式通信装置，由控制端单元和测量端单元通过通信电缆连接构成，与TTL电平和正余弦脉冲串方式相比，串行总线式传输方式提高了抗干扰能力，具有更高的可靠性和实时性，同时可选择传输增量位置值或者绝对位置。目前，磁感应编码器的安装定位方式非常粗糙，读取头的定位基准面是平面。在安装时，利用定位工装很难保证磁感应读取头中心、量测齿轮、机床主轴安装的同心度，同时，读取头的定位基准面和量测齿轮圆周切面相互平行、读取头与量测齿轮之间的距离的保证也很困难，从而导致读取头实际安装的精准性和一致性很差，进而大大降低了磁感应编码器的控制精度。此外，磁感应正余弦编码器在工程应用中，由于受到齿盘加工工艺、电源波动、环境温度变化、读取头磁感应芯片的非线性等因素的影响，位置检测元件磁感应芯片输出的正余弦信号常伴有直流偏置误差、幅值误差和正交相位误差、谐波分量误差、噪声误差等，这些误差直接影响到伺服控制系统的精度和可靠性。如何对正余弦编码器输出的角位置信号误差进行有效的修正和补偿，采用合适的插值方法从正余弦信号中提取出高分辨率的位置信息，以满足伺服系统的高速度、高精度控制要求具有重要的研究和应用价值。于2016年3月9日公开的中国专利技术专利申请，专利申请号为201511029653.3，公开号为CN105387879A，公布了大中心孔轴向充磁结构的绝对位值磁编码器，为一种磁环式编码器，其中所采用的磁环式编码盘是由铁磁性物质粉末和作为粘结剂用的塑性物质通过注塑、压铸或铸造等工艺加工成型的环状结构，受制于材料的均匀性，且磁化位置也难精准控制，使得编码盘上磁矩大小、强弱及均匀性较难进一步得到提高，而且在工本文档来自技高网...

【技术保护点】
高速高精机床主轴、电主轴磁感应增量型总线式编码器，其特征在于，包括套装在机床主轴、电主轴上且随机床主轴、电主轴同步旋转的量测齿轮和与量测齿轮配合使用的磁感应读取头；所述量测齿轮设有正余弦正交差分信号输出磁道和参考零点差分信号输出磁道；磁感应读取头内设有磁感应元器件、信号调理电路、参考零点比较器电路及FPGA插补细分电路，磁感应元器件与量测齿轮圆周正相切安装；所述磁感应元器件对量测齿轮进行非接触式扫描所产生的正余弦正交差分信号和参考零点差分信号，经过信号调理电路后，由FPGA插补细分电路对其直流偏置误差、幅值误差和正交相位误差进行实时的修正和补偿，并结合参考零点比较器电路，从而分别生成相对于上电时刻的转轴旋转角度的相对位置值和相对于参考零点信号的转轴旋转角度的绝对位置值。

【技术特征摘要】
1.高速高精机床主轴、电主轴磁感应增量型总线式编码器，其特征在于，包括套装在机床主轴、电主轴上且随机床主轴、电主轴同步旋转的量测齿轮和与量测齿轮配合使用的磁感应读取头；所述量测齿轮设有正余弦正交差分信号输出磁道和参考零点差分信号输出磁道；磁感应读取头内设有磁感应元器件、信号调理电路、参考零点比较器电路及FPGA插补细分电路，磁感应元器件与量测齿轮圆周正相切安装；所述磁感应元器件对量测齿轮进行非接触式扫描所产生的正余弦正交差分信号和参考零点差分信号，经过信号调理电路后，由FPGA插补细分电路对其直流偏置误差、幅值误差和正交相位误差进行实时的修正和补偿，并结合参考零点比较器电路，从而分别生成相对于上电时刻的转轴旋转角度的相对位置值和相对于参考零点信号的转轴旋转角度的绝对位置值。2.根据权利要求1所述的磁感应增量型总线式编码器，其特征在于，所述FPGA插补细分电路包括直流偏置误差补偿模块、幅值误差补偿模块、正余弦信号最值模块、存储模块、乘法倍频模块、坐标旋转数字计算模块及转轴旋转角度生成模块，转轴旋转角度生成模块与参考零点比较器电路、坐标旋转数字计算模块连接，直流偏置误差补偿模块、幅值误差补偿模块、乘法倍频模块及坐标旋转数字计算模块依次连接，正余弦信号最值模块分别与直流偏置误差补偿模块、幅值误差补偿模块、存储模块连接，正余弦信号最值模块用于求取正余弦信号的采样最大值和最小值，存储模块用于存储直流偏置误差补偿模块、幅值误差补偿模块、正余弦信号最值模块的运算结果。3.根据权利要求2所述的磁感应增量型总线式编码器，其特征在于，所述乘法倍频模块包括正余弦信号乘法模块、正余弦信号移相模块、调整电路模块，其中正余弦信号乘法模块设有两个，一个正余弦信号乘法模块的输入端与幅值误差补偿模块连接，输出端与调整电路模块连接；另一个正余弦信号乘法模块的输入端通过正余弦信号移相模块与幅值误差补偿模块连接，输出端与调整电路模块连接，调整电路模块与坐标旋转数字计算模块连接。4.根据权利要求3所述的磁感应增量型总线式编码器，其特征在于，所述直流偏置误差补偿模块和幅值误差补偿模块分...

【专利技术属性】
技术研发人员：张道勇，许娟，
申请(专利权)人：张道勇，
类型：发明
国别省市：广东,44