空心軸不帶內(nèi)置軸承的角度編碼器

作者：時(shí)間：2011-06-11 來源：網(wǎng)絡(luò)

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數(shù)控或電子同步軸越來越普遍地使用無框架電機(jī)或密封式空心軸電機(jī)，尤其在機(jī)床行業(yè)，印刷機(jī)械和紡織機(jī)械。這對消除如同步齒型帶等帶來的機(jī)械傳動(dòng)誤差，提高傳動(dòng)的位置精度，減少速度波動(dòng)和提高傳動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性顯得非常重要。也容比較易設(shè)計(jì)象附加軸，夾緊軸或材料處理軸的信號線和電源線。

這些電機(jī)的位置編碼器相應(yīng)地也許要單獨(dú)的設(shè)計(jì)。編碼器的空心軸內(nèi)徑相應(yīng)需要50mm。對于帶擺動(dòng)軸的機(jī)床旋轉(zhuǎn)工作臺軸，其軸徑由0.5 米到幾米。如望遠(yuǎn)鏡電機(jī)的方位和提升軸要求的直徑在5 米以上。

設(shè)計(jì)人員希望將編碼器內(nèi)置于電機(jī)或軸承中從而模塊化。如果電機(jī)軸承和測量軸達(dá)到一定的精度，編碼器可以不用內(nèi)置軸承。本文主要介紹用于帶空心軸的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的模塊式編碼器的研究動(dòng)態(tài)以及該編碼器的特征和與其它設(shè)計(jì)的對比。

精度和掃描原理

旋轉(zhuǎn)編碼器和角度編碼器的精度定義為一圈內(nèi)及一個(gè)信號周期內(nèi)的位置偏差如(圖 1)。模塊式編碼器在一圈內(nèi)的位置偏差主要是由刻度盤相對于掃描頭的徑向跳動(dòng)和刻度本身的誤差引起的。

圖 1:一個(gè)信號周期內(nèi)的位置偏差u (上圖) 和一圈內(nèi)的位置偏差a (下圖)

一圈內(nèi)的位置偏差的絕大部分來源于軸承，測量軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)和安裝產(chǎn)生的徑向跳動(dòng)。而一個(gè)信號周期內(nèi)的位置偏差來自掃描質(zhì)量和信號周期的質(zhì)量。

上述兩種位置偏差對驅(qū)動(dòng)特性具有實(shí)質(zhì)性的影響（表1）并要越小越好，尤其是數(shù)字式速度一個(gè)信號周期內(nèi)的偏差控制。由于實(shí)際位置值決定了實(shí)際速度值，因而編碼器的位置偏差決定了控制特性。

表 1: 模塊式編碼器對驅(qū)動(dòng)特性的影響

特別是一個(gè)信號周期內(nèi)的位置偏差，對控制特性的影響尤其重要。這是編碼器的制造誤差。因此海德漢公司投入極大的精力研制和生產(chǎn)這種在一個(gè)信號周期內(nèi)誤差非常小的編碼器。包括使用各種信號濾波器及設(shè)計(jì)復(fù)雜的電路以達(dá)到此目的；從而使模塊式旋轉(zhuǎn)和角度編碼器相對于信號周期的誤差限定在信號周期的± 1% 以內(nèi)。

掃描原理決定了光柵周期和掃描頭與光柵之間的間隙的公差。一個(gè)信號周期內(nèi)的位置偏差見下表 (表 2)：

表 2: 無接觸式掃描原理的對比

干涉型編碼器 – 編碼器應(yīng)用光的干涉和衍射原理，允許非常精細(xì)的光柵條紋周期和信號周期，因而可以保證較小的位置偏差。光電掃描的編碼器通常采用 "傳統(tǒng)的" 影像非接觸式測量原理，一般可以達(dá)到一個(gè)信號周期內(nèi)的位置偏差在± 0.2 μm 以下。該偏差要比磁式和感應(yīng)式測量原理小10 到 20 倍。要選擇適合的掃描原理，只有采用光電掃描原理的編碼器才可滿足控制特性要求的較高和更高的精度。

不帶內(nèi)置軸承的旋轉(zhuǎn)和角度編碼器的精度主依賴于與其相配軸的軸承精度和用戶安裝編碼器的安裝精度。

圖 2 表明由于碼盤與被測量軸的不對中度引起的位置偏差。通常要達(dá)到± 1 角秒到 ± 5 角秒，來自軸承和安裝誤差的徑向跳動(dòng)量要小于1 μm。該值是在負(fù)載下得到的，即考慮了工件重量和操作力。

圖 2: 對中度對精度的影響

帶和不帶內(nèi)置軸承的編碼器的對比

不帶內(nèi)置軸承的編碼器要求用戶進(jìn)行良好的安裝；而不象那些帶內(nèi)置軸承編碼器，制造商已進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置了。見 (表 3)。

表 3: 帶和不帶內(nèi)置軸承的編碼器的對比

用戶在購買編碼器前要和編碼器制造商仔細(xì)商討上述問題。用戶一定要仔細(xì)研究究竟哪種編碼器更適合自己的使用情況。

磁式旋轉(zhuǎn)編碼器的掃描原理

對于無框架電機(jī)或空心電機(jī)，所用的空心軸編碼器的內(nèi)徑通常約為40 mm 到 180 mm。如果用帶內(nèi)置軸承的編碼器就太不經(jīng)濟(jì)了，如果精度不超過10 角秒，也不需要這樣的編碼器。已有的軸承或電機(jī)軸承允許使用光柵式編碼器。但是通常的安裝環(huán)境會使光電掃描的編碼器受到空氣中的灰塵和油汽的污染，因而需要封裝。對于高達(dá)20 000 rpm 和這么大的直徑的編碼器，顯然這樣的防護(hù)是不且實(shí)際的。對于這情況，海德漢研發(fā)了磁阻掃描原理的模塊式編碼器。ERM 180 增量式模塊式旋轉(zhuǎn)編碼器是由磁轂和掃描頭兩部分組成的，見 (圖 3)。

圖 3: 磁阻掃描原理的ERM 180 增量模塊式旋轉(zhuǎn)編碼器

磁轂的圓周上是沿軸線方向排列的硬磁體，信號周期為 395 μm。掃描頭上放置了由海德漢公司研制的磁阻傳感器和相應(yīng)的電子器件，參見 (圖 4) 。磁阻傳感器的工作原理是變化的磁場對電阻具有調(diào)制效應(yīng)。

圖 4: ERM 180 旋轉(zhuǎn)編碼器的磁阻掃描原理

由于編碼器是非接觸式的，與接觸式的磁編碼器比，其抗污染性大大提高。因而可以安裝在使用無框架電機(jī)的車床主軸上。見 (圖 5)。

圖 5: 安有ERM 180 磁阻模塊式旋轉(zhuǎn)編碼器的車床主軸

ERM 180 有不同的直徑。對于不同的直徑刻度誤差和一個(gè)信號周期內(nèi)的位置偏差是不同的(表 4)。

表 4: ERM 180 增量磁阻式模塊化旋轉(zhuǎn)編碼器的主要特性 (例)

齒輪式編碼器在一個(gè)刻度周期內(nèi)的位置偏差為0.8 mm 到1 mm，每轉(zhuǎn)的信號周期一般為 256
到512，取決于編碼器的直徑。位置偏差通常是ERM 180 的二到四倍。不象齒輪編碼器ERM所能達(dá)到的精度不依賴于電子元?dú)饧?，它所掃描的刻度周期較大且穩(wěn)定，即使在較高的操作溫度下對輸出信號的影響也非常小。海德漢還有光電掃描原理的ERA 180 角度編碼器，它是軸向光柵編碼器，一個(gè)信號周期內(nèi)的位置偏差比ERM 編碼器要小5 到10 倍。ERA 180 只可用于清潔的環(huán)境。

表 5: ERM 180 所允許的最高轉(zhuǎn)速

象光電掃描 ERA 180 編碼器一樣,磁阻掃描的編碼器 ERM 180 所允許的掃描頭與磁轂的軸
向偏置誤差為 ± 1 mm 包括掃描頭的安裝誤差和電機(jī)溫度影響造成的軸承浮動(dòng)誤差。只要軸向竄動(dòng)在此范圍內(nèi)就不會對位置偏差有影響。編碼器輸出高質(zhì)量正弦信號，信號幅值為 1VPP。允許的最高溫度為100 °C。最高軸速取決于編碼器的外徑。齒輪式編碼器的齒形在高轉(zhuǎn)速下會產(chǎn)生嘯叫聲。而ERM 180 卻是平穩(wěn)安靜的。

ERM 180 非常容易安裝:輪轂安裝在與之相配的軸上，并用螺栓緊固。輪轂的內(nèi)徑與對中環(huán)對中。用安裝片設(shè)定掃描頭與輪轂外圈的間隙。將掃描頭靠緊安裝片固定后，再將安裝片移出。

光電式準(zhǔn)單一場掃描原理的角度編碼器

直徑大于500 毫米的旋轉(zhuǎn)軸, 搖擺軸或旋轉(zhuǎn)工作臺需要用準(zhǔn)確度為角秒級或準(zhǔn)確度更高的角度編碼器。對于1 米直徑的轉(zhuǎn)臺，編碼器位置偏差為 ± 2 角秒，將會在其圓周上產(chǎn)生± 5 μm的位置偏差。

ERA 780 和 ERA 880 模塊式角度編碼器是為這種應(yīng)用場合設(shè)計(jì)的。這種編碼器是海德漢開發(fā)的采用準(zhǔn)單一場掃描原理，刻度周期為40 微米，鋼帶標(biāo)尺式的角度編碼器。這種掃描方法的掃描掩模是由交錯(cuò)的相位光柵組成，利用準(zhǔn)單一掃描場原理產(chǎn)生四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)掃描掩模的影象，每個(gè)影象具有1/4 光柵周期的相位移(圖 6)。

圖 6a:鋼帶標(biāo)尺和準(zhǔn)單一場影像掃描原理 (反射光)

圖 6b:掃描掩模的電子放大圖

因?yàn)橹挥幸粋€(gè)掃描窗口產(chǎn)生四個(gè)影象，光強(qiáng)的變化對四個(gè)影象的影響是等同的，既標(biāo)尺的污染對四個(gè)影象的影響是對稱的，對四個(gè)光電池信號的影響是均等的，見(圖 7)。標(biāo)尺的污染使輸出信號對稱和保持較高質(zhì)量。這種掃描原理的抗污染特性高于其它的敞開式光電掃描原理的光柵尺。

圖 7: 污染示意圖