光電編碼器的旋轉(zhuǎn)式設(shè)計(jì)動(dòng)向
2010-05-18 10:37:29
光電編碼器是機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制中測量轉(zhuǎn)動(dòng)物體位置（角度）與速度的傳感器，它有旋轉(zhuǎn)式與直線式兩種，其中旋轉(zhuǎn)式光電編碼器由于精度高、安裝方便，已獲得廣泛應(yīng)用。隨著運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品的快速發(fā)展，我國對(duì)高精度的編碼器需求大，但主要依靠進(jìn)口。目前，活躍在我國編碼器市場上的主要是外商，如德國的海德漢（Heidenhain）、梅爾(Meyle)、倍加福(P+F)、圖爾克（Turck），美國（GPI）,日本多摩川，英國雷尼紹（Renishaw）,韓國（Metronix）、奧托尼克斯（Autonics）,瑞士堡盟（Baumer）,土耳其（OPKON）,以及我國的中達(dá)電通等?？v觀近幾年來旋轉(zhuǎn)式光電編碼器的發(fā)展，其設(shè)計(jì)動(dòng)向列舉以下4方面進(jìn)行闡述。
第一，設(shè)計(jì)新產(chǎn)品。首先是發(fā)展基型產(chǎn)品，上述編碼器廠商先以設(shè)計(jì)、生產(chǎn)增量式編碼器和單圈絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器居多，近年來隨著應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，設(shè)計(jì)多圈絕對(duì)式編碼器與混合式編碼器增多。如多摩川推出的混合式編碼器，其包含增量式編碼器和輸出24位編碼信號(hào)的單圈絕對(duì)式編碼器，具有磁極定位功能，在用于伺服運(yùn)動(dòng)控制時(shí)，能快速檢測伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極位置角，特別對(duì)大功率伺服電機(jī)既能提高初始化的定位精度，又可使伺服電機(jī)提高輸出力矩，同時(shí)對(duì)位置控制和速度計(jì)算也都極為方便。其次是設(shè)計(jì)專用產(chǎn)品。例如，中達(dá)電通（臺(tái)達(dá)集團(tuán)）設(shè)計(jì)了CNC專用增量式編碼器和伺服電機(jī)專用型編碼器，新推出CNC主軸專用的CS7系列編碼器，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)緊湊、外型小巧，分辨率為1024p/r，采用線驅(qū)動(dòng)輸出，轉(zhuǎn)速提升到8000r/min,從而可配合機(jī)床行業(yè)主軸的高轉(zhuǎn)速，信號(hào)輸出的頻率響應(yīng)為300KHZ,可提高數(shù)控系統(tǒng)的整體響應(yīng)速度，以達(dá)到高精度控制的要求。宜科（天津）電子公司設(shè)計(jì)了電梯專用編碼器和重工業(yè)用的重載型增量式編碼器，后者據(jù)稱采用最新的歐洲電氣和機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)，使其可承受最大軸向負(fù)荷為80N、最大徑向負(fù)荷150N,最大轉(zhuǎn)速為6000r/min,軸承壽命達(dá)109轉(zhuǎn)，工作溫度20~90℃。倍加福針對(duì)我國風(fēng)力發(fā)電的巨大潛在市場，設(shè)計(jì)了風(fēng)力發(fā)電用的編碼器。倍加福、圖爾克等還設(shè)計(jì)了防爆型編碼器，有了3類產(chǎn)品：（1）EExd隔爆型，這類編碼器設(shè)計(jì)的外殼堅(jiān)固，若有可然性氣體進(jìn)入編碼器內(nèi)被電火花點(diǎn)燃產(chǎn)生爆炸，其火焰被限制在機(jī)殼內(nèi)，不危機(jī)外部環(huán)境安全；（2）EExi本安型，這種編碼器的設(shè)計(jì)是限制電路的電流與電壓，使電路產(chǎn)生的任何火花或熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境；（3）EExna無火花型，這是最新的防爆技術(shù)，用這種技術(shù)設(shè)計(jì)的編碼器在正常運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生火花和電弧，從而保證環(huán)境安全。
第二，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)式光電編碼器由光路、電路與機(jī)械3部分組成，編碼器生產(chǎn)廠非常注重這3部分的設(shè)計(jì)與制作。
（1）光路系統(tǒng)：一是光源采用放光二級(jí)管LED，設(shè)計(jì)光聚焦系統(tǒng)，使LED發(fā)射的光成為平行光束，垂直地照射到旋轉(zhuǎn)碼盤（動(dòng)光柵）與固定碼盤（定光柵）上，穿過這兩個(gè)碼盤上透光縫隙的光被光敏二極管吸收后輸出模擬電信號(hào)給轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行信號(hào)處理。由于光路系統(tǒng)對(duì)煙霧、塵埃、水蒸氣、機(jī)械振動(dòng)等很敏感，所有一般都設(shè)計(jì)嚴(yán)密的防護(hù)措施，目前光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器設(shè)計(jì)的防護(hù)等級(jí)最高為IP65左右，最高工作溫度85℃左右。二是碼盤材質(zhì)的選用，有玻璃、塑料、不銹鋼，已適合不同的需求，其中玻璃編碼盤精度高，熱穩(wěn)定性好，但耐振差;塑料與不銹鋼的精度與熱穩(wěn)定稍差，但耐振，塑料成本低，可制作經(jīng)濟(jì)型的。碼盤上的光柵一般用沉積很薄的刻線（如在玻璃碼盤上）、機(jī)械刻劃或光刻法制作。三是光柵的設(shè)計(jì)，增量式與絕對(duì)式完全不同。增量（正交）式編碼器：在旋轉(zhuǎn)碼盤邊緣部分徑向設(shè)計(jì)有許多均勻分布的透光縫隙，他們的寬度與間距相等，其設(shè)計(jì)透光縫隙的多少與加工質(zhì)量將直接影響編碼器的測量精度；在固定碼盤上有A、B、Z三條縫隙（轉(zhuǎn)動(dòng)碼盤有一條縫隙與Z相對(duì)應(yīng)），A、B使輸出兩路正交（電角度相差90°）的方波脈沖信號(hào)，經(jīng)計(jì)算用于測得電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位置（角度）和轉(zhuǎn)向判別；Z相信號(hào)用作參考零位，每轉(zhuǎn)發(fā)出一個(gè)脈沖用于電機(jī)轉(zhuǎn)子定位、累計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)。絕對(duì)型編碼器：n位絕對(duì)型編碼器在旋轉(zhuǎn)碼盤上就設(shè)計(jì)有n條同心圓碼道，碼型采用格雷（GRAY）碼設(shè)計(jì)，即從碼盤邊緣向中心的n條碼道上，透光的扇形區(qū)數(shù)目按20、21、222n-1設(shè)計(jì)、制作；固定碼盤上只有徑向一條透光縫隙，其背后對(duì)應(yīng)每一碼道有一光敏二極管，輸出的n位數(shù)字碼（格雷碼可轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼或BCD碼）代表轉(zhuǎn)軸某一時(shí)刻的絕對(duì)位置，特別適用于監(jiān)測上電和掉電期間的轉(zhuǎn)軸位置。這種編碼器，一般廠商設(shè)計(jì)碼型時(shí)之所以采用格雷碼，是因其兩個(gè)相鄰數(shù)之間只有一個(gè)數(shù)位發(fā)生變化，誤差??；若用二進(jìn)制碼型，雖其設(shè)計(jì)簡單，但制作、安裝要求十分嚴(yán)格，否則易出現(xiàn)兩位數(shù)誤差。
(2)電路部分：包括編碼器
