《空心轴不带内置轴承的角度编码器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《空心轴不带内置轴承的角度编码器（12页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、本篇文章发表在制造技术与机床2003 年 4 期 空心轴不带内置轴承的角度编码器 准确度 20” 0.1” ,内径 50 mm至 10 m 作者：Dr.Ing.Rainer Hagl 翻译：王桂芳 关于作者 Ing. Rainer Hagl 先生为德国Stuttgart大学的博士毕业生生。 1992 加入德国海德汉公司，现任海德汉公司旋转和角度编 码器研发部主管。 数控或电子同步轴越来越普遍地使用无框架电机或密封式空心轴电机，尤其在机床行业，印 刷机械和纺织机械。这对消除如同步齿型带等带来的机械传动误差，提高传动的位置精度， 减少速度波动和提高传动的动态特性显得非常重要。也容比较易设计象附加轴
2、，夹紧轴或材 料处理轴的信号线和电源线。 这些电机的位置编码器相应地也许要单独的设计。编码器的空心轴内径相应需要 50mm。对 于带摆动轴的机床旋转工作台轴，其轴径由 0.5 米到几米。 如望远镜电机的方位和提升轴要 求的直径在 5 米以上。 设计人员希望将编码器内置于电机或轴承中从而模块化。如果电机轴承和测量轴达到一定的 精度，编码器可以不用内置轴承。本文主要介绍用于带空心轴的驱动电机的模块式编码器的 研究动态以及该编码器的特征和与其它设计的对比。 精度和扫描原理 旋转编码器和角度编码器的精度定义为一圈内及一个信号周期内的位置偏差如(图 1)。 模块式 编码器在一圈内的位置偏差主要是由刻度盘
3、相对于扫描头的径向跳动和刻度本身的误差引起 的。 图 1:一个信号周期内的位置偏差 u (上图) 和一圈内的位置偏差 a (下图) 一圈内的位置偏差的绝大部分来源于轴承，测量轴的机械结构和安装产生的径向跳动。而一 个信号周期内的位置偏差来自扫描质量和信号周期的质量。 上述两种位置偏差对驱动特性具有实质性的影响（表 1）并要越小越好，尤其是数字式速度一个信号周期内的偏差 控制。由于实际位置值决定了实际速度值，因而编码器的位置偏差决定了控制特性。 位置偏差 一圈内 一个信号周期内 位置精度 + + 速度波动 0 + 表 1: 模块式编码器对驱动特性的影响 特别是一个信号周期内的位置偏差， 对控制特
4、性的影响尤其重要。 这是编码器的制造误差。 因 此海德汉公司投入极大的精力研制和生产这种在一个信号周期内误差非常小的编码器。包括 使用各种信号滤波器及设计复杂的电路以达到此目的；从而使模块式旋转和角度编码器相对 于信号周期的误差限定在信号周期的 1% 以内。 扫描原理决定了光栅周期和扫描头与光栅之间的间隙的公差。一个信号周期内的位置偏差见 下表 (表 2)： 表 2: 无接触式扫描原理的对比 扫描原理 信号 周期 一个信号周期内 的相对位置偏差 一个信号周期内的 最大位置偏差 光电式 影像原理 20 m 到 200 m 1% * 0.2 m 到 2 m 衍射 (干涉原理) 0.128 m 到
5、4 m 1% * 0.001 m 到 0.04 m 磁式 400 m *到 10 mm 1% * 4 m 到 100 m 感应式 2 mm *到 10 mm 0.1% 2 m 到 10 m * 无接触式扫描原理，具有工业适用的扫描间隙公差 * 使用海德汉的编码器 干涉型编码器 编码器应用光的干涉和衍射原理，允许非常精细的光栅条纹周期和信号周 期， 因而可以保证较小的位置偏差。 光电扫描的编码器通常采用 “传统的“ 影像非接触式测量 原理， 一般可以达到一个信号周期内的位置偏差在 0.2 m 以下。该偏差要比磁式和感应 式测量原理小 10 到 20 倍。要选择适合的扫描原理，只有采用光电扫描原理
6、的编码器才可 满足控制特性要求的较高和更高的精度。 不带内置轴承的旋转和角度编码器的精度主依赖于与其相配轴的轴承精度和用户安装编码器 的安装精度。 图 2 表明由于码盘与被测量轴的不对中度引起的位置偏差。通常要达到 1 角秒到 5 角 秒，来自轴承和安装误差的径向跳动量要小于 1 m。该值是在负载下得到的，即考虑了工件 重量和操作力。 图 2: 对中度对精度的影响 带和不带内置轴承的编码器的对比 不带内置轴承的编码器要求用户进行良好的安装；而不象那些带内置轴承编码器，制造商已 进行优化设置了。见 (表 3)。 编码器 不带内置轴承 带内置轴承 一圈内精度 取决于用户的轴承和安装好坏 由海德汉保
7、证，加负载后 防护和抗污性 由用户保证 由海德汉保证 安装 要求用户进行机械和电气调整 简单， 不需要用户进行机械和电气 调整 服务 安装和用户轴承方面会存在问题 存在问题较少 编码器容易更换 表 3: 带和不带内置轴承的编码器的对比 用户在购买编码器前要和编码器制造商仔细商讨上述问题。用户一定要仔细研究究竟哪种编 码器更适合自己的使用情况。 磁式旋转编码器的扫描原理 对于无框架电机或空心电机，所用的空心轴编码器的内径通常约为 40 mm 到 180 mm。 如 果用带内置轴承的编码器就太不经济了，如果精度不超过 10 角秒，也不需要这样的编码器。 已有的轴承或电机轴承允许使用光栅式编码器。但
8、是通常的安装环境会使光电扫描的编码器 受到空气中的灰尘和油汽的污染，因而需要封装。对于高达 20 000 rpm 和这么大的直径的编 码器，显然这样的防护是不且实际的。对于这情况，海德汉研发了磁阻扫描原理的模块式编 码器。ERM 180 增量式模块式旋转编码器是由磁毂和扫描头两部分组成的，见 (图 3)。 图 3: 磁阻扫描原理的 ERM 180 增量模块式旋转编码器 磁毂的圆周上是沿轴线方向排列的硬磁体，信号周期为 395 m。扫描头上放置了由海德汉 公司研制的磁阻传感器和相应的电子器件，参见 (图 4) 。磁阻传感器的工作原理是变化的磁 场对电阻具有调制效应。 图 4: ERM 180 旋
9、转编码器的磁阻扫描原理 由于编码器是非接触式的，与接触式的磁编码器比，其抗污染性大大提高。因而可以安装在使用无框架电机的车床主轴上。见 (图 5)。 图 5: 安有 ERM 180 磁阻模块式旋转编码器的车床主轴 ERM 180 有不同的直径。对于不同的直径刻度误差和一个信号周期内的位置偏差是不同的 (表 4)。 外径 每转的信号周期 刻度精度 一个信号周期内的位置偏差 约 129 mm 1024 10 角秒 14 角秒 约 257 mm 2048 6 角秒 7 角秒 表 4: ERM 180 增量磁阻式模块化旋转编码器的主要特性 (例) 外径 最高允许的轴速 约 129 mm 18,000
10、rpm * 约 257 mm 8,000 rpm * 现在正在研制更高的转速 表 5: ERM 180 所允许的最高转速 齿轮式编码器在一个刻度周期内的位置偏差为0.8 mm 到1 mm， 每转的信号周期一般为 256 到 512， 取决于编码器的直径。 位置偏差通常是 ERM 180 的二到四倍。 不象齿轮编码器 ERM 所能达到的精度不依赖于电子元气件，它所扫描的刻度周期较大且稳定，即使在较高的操作 温度下对输出信号的影响也非常小。 海德汉还有光电扫描原理的 ERA 180 角度编码器， 它是 轴向光栅编码器，一个信号周期内的位置偏差比 ERM 编码器要小 5 到 10 倍。ERA 180
11、 只 可用于清洁的环境。 象光电扫描 ERA 180 编码器一样,磁阻扫描的编码器 ERM 180 所允许的扫描头与磁毂的轴 向偏置误差为 1 mm 包括扫描头的安装误差和电机温度影响造成的轴承浮动误差。只要轴扫描头 轮毂 向窜动在此范围内就不会对位置偏差有影响。编码器输出高质量正弦信号，信号幅值为 1 VPP。允许的最高温度为 100 C。最高轴速取决于编码器的外径。 齿轮式编码器的齿形在高转速下会产生啸叫声。而 ERM 180 却是平稳安静的。 ERM 180 非常容易安装:轮毂安装在与之相配的轴上，并用螺栓紧固。轮毂的内径与对中环 对中。用安装片设定扫描头与轮毂外圈的间隙。将扫描头靠紧安
12、装片固定后，再将安装片移 出。 光电式准单一场扫描原理的角度编码器 直径大于 500 毫米的旋转轴, 摇摆轴或旋转工作台需要用准确度为角秒级或准确度更高的角 度编码器。 对于 1 米直径的转台， 编码器位置偏差为 2 角秒， 将会在其圆周上产生 5 m 的位置偏差。 ERA 780 和 ERA 880 模块式角度编码器是为这种应用场合设计的。 这种编码器是海德汉开 发的采用准单一场扫描原理，刻度周期为 40微米，钢带标尺式的角度编码器。这种扫描方法 的扫描掩模是由交错的相位光栅组成， 利用准单一扫描场原理产生四个标准扫描掩模的影象， 每个影象具有 1/4 光栅周期的相位移(图 6)。 图 6a
13、:钢带标尺和准单一场影像扫描原理 (反射光) 图 6b:扫描掩模的电子放大图 因为只有一个扫描窗口产生四个影象， 光强的变化对四个影象的影响是等同的，既标尺的污 染对四个影象的影响是对称的，对四个光电池信号的影响是均等的，见(图 7)。标尺的污染 使输出信号对称和保持较高质量。这种扫描原理的抗污染特性高于其它的敞开式光电扫描原 理的光栅尺。 图 7: 污染示意图 图 8: 污染效应 (图中上半部分为普通的四场扫描原理, 下半部分为准单一场扫描原理, 右图为 Lissajous 图) ERA 780 模块式旋转编码器是由扫描头，标尺载体和标尺带组成。 如果将标尺带安装在测 量轴内径的槽内，则安装
14、较为简单。如(图 9)，标尺带放入槽内使两端能够接上。标尺带的长 短应保证标尺带具有一定的张力使得标尺带贴紧在槽内。内槽设计在测量轴上，不需要额外 的安装调整件。 图 9: ERA 780 的安装 与以前的系统不同，在接头处没有额外的位置偏差 (图 10)。因而可以确保一转内具有同样 的精度。 图 10: 标尺带直径为一米的 ERA 780 和 ERA 880 模块式角度编码器的位置偏差与以 前的方法的对比 (上图包括一个信号周期内的位置偏差)。 这种方案已在许多场合中得以应用，如日本的超大型望远镜 (图 11),在这个案例中，方位角 和俯仰角轴准确度高于 0.1 角秒。 图 11: 组装中的
15、日本 SUBARU 大型望远镜 钢带式 ERA 880 模块角度编码器是用于安装在测量轴圆周上的。由特殊的张力夹板紧固。 象 ERA 780 一样, 该编码器在接头部分没有额外的位置偏差。这两种编码器的每转的信号周 期与对应的直径相关。 这两种角度编码器所能达到的精度主要取决与测量轴的的轴承。一个信号周期内的位置误差 小于 1% ，直径为 1 米的编码器每转的信号周期约为 80 000 ，相应的一个信号周期的位置 偏差小于 0.2 角秒。例如经 1024 份细分后，输出信号每转约为 8 千万个测量步距。输出 信号为 1 VPP。 这两种角度编码器都有距离编码参考标记可选。距离编码的参考标记可以
16、大大减少建立绝对 基准所需移动的距离。 图 12a: ERA 780 增量模块式角度编码器 ERA 780 和 ERA 880 也可用于测量角度段。 ERA 880 提供固定安装件将标尺带两端固定在 测量轴上。其中一个固定头可以调节标尺带的张力。固定元件可以长期多次使用使钢带尺固 定在测量轴上；同时可以保证轴自由移出测量范围和移过固定元件。 长期以来海德汉一直都生产 ERO 725 这种用于空心轴的模块式角度编码器，其直径约为 40 mm 到 150 mm。它的特点是光栅在玻璃基体上，每转的信号周期最高到 36 000。系统精度 为 1 角秒或更高。 该编码器主要用于高精度，带轴承的低转速轴和清洁的测量环境下，例如测量机上带气垫的 转台上。 图 12b: ERA 880 增量模块式角度编码器 总
