空心軸不帶內(nèi)置軸承的角度編碼器
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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(duì)于帶擺動(dòng)軸的機(jī)床旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)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(cè)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(duì)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(hào)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(duì)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(hào)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)
上述兩種位置偏差對(duì)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(hào)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(duì)驅(qū)動(dòng)特性的影響 
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(hào)周期內(nèi)的位置偏差見下表 (表 2)：
表 2: 無(wú)接觸式掃描原理的對(duì)比 
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(cè)量軸的不對(duì)中度引起的位置偏差。通常要達(dá)到± 1 角秒到 ± 5 角秒，來(lái)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(duì)中度對(duì)精度的影響
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(duì)比 
磁式旋轉(zhuǎn)編碼器的掃描原理
對(duì)于無(wú)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(guò)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(huì)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(duì)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(duì)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
圖 4: ERM 180 旋轉(zhuǎn)編碼器的磁阻掃描原理
圖 5: 安有ERM 180 磁阻模塊式旋轉(zhuǎn)編碼器的車床主軸
表 4: ERM 180 增量磁阻式模塊化旋轉(zhuǎn)編碼器的主要特性 (例) 
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)饧鶔呙璧目潭戎芷谳^大且穩(wěn)定，即使在較高的操作溫度下對(duì)輸出信號(hào)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(hào)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 
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(huì)對(duì)位置偏差有影響。編碼器輸出高質(zhì)量正弦信號(hào)，信號(hào)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(huì)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(duì)中環(huán)對(duì)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(chǎng)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(tái)需要用準(zhǔn)確度為角秒級(jí)或準(zhǔn)確度更高的角度編碼器。對(duì)于1 米直徑的轉(zhuǎn)臺(tái)，編碼器位置偏差為 ± 2 角秒， 將會(huì)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)影像掃描原理 (反射光)
圖 6b:掃描掩模的電子放大圖
圖 7: 污染示意圖
圖 8: 污染效應(yīng)
(圖中上半部分為普通的四場(chǎng)掃描原理, 下半部分為準(zhǔn)單一場(chǎng)掃描原理, 右圖為 Lissajous圖)
評(píng)論