光電編碼器檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

韋湘宜,丁紅昌,曹國華

(長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,吉林 長春130022)

摘要闡述了光電編碼器的工作原理,按照編碼方式的不同將光電編碼器分為兩類,總結(jié)比較兩類編碼器的性能特點(diǎn)及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。針對(duì)編碼器檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀,介紹了常見編碼器檢測(cè)方法及模型,以及國內(nèi)外現(xiàn)有的光電編碼器檢測(cè)技術(shù)及裝置,并對(duì)比、分析、統(tǒng)計(jì)各檢測(cè)方法的特點(diǎn)、適用場(chǎng)合及不足之處。并概括總結(jié)了未來光電編碼器檢測(cè)技術(shù)高精度、高效、高適用性的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞光電編碼器;角度傳感器;檢測(cè)裝置;精度

收稿日期:2015-01-11

基金項(xiàng)目:吉林省教育廳科學(xué)技術(shù)研究“十二五”規(guī)劃課題資助項(xiàng)目(2014192)

作者簡(jiǎn)介:韋湘宜(1990—),女,碩士研究生。研究方向:機(jī)電系統(tǒng)控制與技術(shù),在線檢測(cè)理論與技術(shù)。E-mail:weixiangyi926@163.com

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.09.048

中圖分類號(hào)TN762

Current Status and Development of Detection of Photoelectric Encoders

WEI Xiangyi,DING Hongchang,CAO Guohua

(College of Mechanical and Electric Engineering,Changchun University of

Science and Technology,Changchun 130022,China)

AbstractThe working principles of the photoelectric encoder are described.Photoelectric encoders are divided into two categories according to different coding modes.The performance features of two kinds of encoders and their advantages and disadvantages are summarized.According to the current study of encoder detection technology,the encoder detection methods and the common model are introduced firstly.Then the existing photoelectric encoder detecting technology and apparatuses are introduced.The characteristics,applicability and inadequacies of each detection method are analyzed by comparison.Finally,the future development trends of photoelectric encoder detection technology of high precision,high efficiency and high suitability are summarized.

Keywordsphotoelectric encoders;angular transducer;detection apparatuses;precision

1編碼器概述

光電編碼器是一種高精度的數(shù)字式角度傳感器。其集光、機(jī)、電于一體,以高精度計(jì)量圓光柵為測(cè)量元件,采用光電接收管接收光學(xué)信號(hào),通過光電元件等組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)莫爾條紋的變化,并轉(zhuǎn)化為電信號(hào),可直接與處理電路連接進(jìn)行細(xì)分計(jì)算,從而實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量及精密控制[1-3]。

光電編碼器具有精度高、非接觸、無磨損、可靠性高、測(cè)量范圍廣、體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),與其他同傳感器相比具有明顯的優(yōu)勢(shì),在軍事、航天、機(jī)器人、生物工程等領(lǐng)域的精密測(cè)量與控制設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用[4],已普遍應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、雷達(dá)、光電經(jīng)緯儀、高精度閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域[5-7]。由此可見,光電編碼器對(duì)設(shè)備系統(tǒng)的性能具有顯著的影響。對(duì)光電編碼器精度的檢測(cè)也成為一項(xiàng)重要的研究課題。

2光電編碼器原理

光電編碼器主要由發(fā)光元件、光柵盤、狹縫、光電接收管、數(shù)據(jù)采集與處理電路組成[8-11],其原理如圖1所示。其中光柵盤即編碼盤,是編碼器的測(cè)量元件[12-13]。光柵式測(cè)量的基礎(chǔ)為莫爾條紋技術(shù)。早在18世紀(jì),莫爾條紋被法國人莫爾先生發(fā)現(xiàn)。這種光學(xué)現(xiàn)象的形成是兩條線或兩個(gè)物體之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)發(fā)生干涉的視覺結(jié)果。兩塊光柵相對(duì)移動(dòng)所產(chǎn)生圖案即為莫爾條紋[14]。

圖1　光電編碼器原理圖

編碼器工作時(shí),主軸帶動(dòng)編碼盤一同轉(zhuǎn)動(dòng),狹縫固定不動(dòng),發(fā)光元件發(fā)出的光透過編碼盤和狹縫產(chǎn)生明暗相間的莫爾條紋,通過光電接收管將莫爾條紋由光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。編碼盤光柵轉(zhuǎn)過一個(gè)柵距角,莫爾條紋信號(hào)即相應(yīng)地變化一個(gè)周期,之后經(jīng)數(shù)據(jù)采集與處理電路分析計(jì)算后,即可得到編碼器旋轉(zhuǎn)軸的速度、加速度、角度等信息[15-16]。

3編碼器的分類

編碼器按照編碼方式分為增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器。

增量式光電編碼器的編碼盤如圖2(a)所示,采用全周均勻刻劃的方式,編碼器每旋轉(zhuǎn)一個(gè)分辨率角度,可相應(yīng)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)。編碼器的零位即是計(jì)數(shù)器值為0的位置,計(jì)數(shù)器通過對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行累加計(jì)數(shù),輸出相應(yīng)的數(shù)字量角度值[17]。編碼器正向和反向旋轉(zhuǎn)對(duì)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的作用是不同的。編碼器正向旋轉(zhuǎn)時(shí),計(jì)數(shù)器的數(shù)值遞加,編碼器反向旋轉(zhuǎn)式,計(jì)數(shù)器的數(shù)值遞減。

增量式編碼器具有原理相對(duì)簡(jiǎn)單、處理電路較易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn),速度較快。由于其編碼盤只需刻畫一圈碼道,更易于實(shí)現(xiàn)小型化。

當(dāng)然,增量式編碼器也有自身的缺點(diǎn):(1)穩(wěn)定性較差、容易受外界干擾。(2)由于增量式編碼器的位置跟零標(biāo)志位有關(guān),在突然掉電情況下,計(jì)數(shù)器中的數(shù)據(jù)無法保存。(3)增量式編碼器對(duì)測(cè)量誤差有積累作用[18-21]。

絕對(duì)式編碼器的編碼盤如圖2(b)所示,編碼盤對(duì)整個(gè)圓周進(jìn)行編碼,在編碼盤的每個(gè)徑向位置上的代碼是唯一的。編碼盤的機(jī)械位置決定編碼器的輸出值,光電接收管可直接讀出編碼器的當(dāng)前位置。因此,在編碼器的工作過程中,轉(zhuǎn)過不同的角度位置時(shí),都有一組唯一的代碼與之對(duì)應(yīng),經(jīng)過數(shù)字譯碼輸出的角位置代碼與轉(zhuǎn)角即存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系[22]。

圖2　增量式及絕對(duì)式編碼器碼盤

絕對(duì)式編碼器具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)絕對(duì)式編碼器不受斷電影響。(2)對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng),具有很好的抗干擾性能,對(duì)誤差有平均作用。(3)不產(chǎn)生積累誤差[23]。

同樣,絕對(duì)式編碼器也有自身的不足之處。相比增量式編碼器,絕對(duì)式編碼器有制造過程復(fù)雜,生產(chǎn)難度大,不易實(shí)現(xiàn)小型化的缺點(diǎn)。

4光電編碼器檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

目前,在科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展中,航空、航天、機(jī)器人、生物工程等領(lǐng)域都取得了長足的進(jìn)步,光電編碼器也朝著高精度、高分辨力、小型化的方向不斷發(fā)展。同時(shí),對(duì)編碼器的檢測(cè)技術(shù)也提出了更高的要求。

4.1　編碼器的常見檢測(cè)方法及模型

直接比較法[24-27]是目前比較常見、使用比較多的編碼器檢測(cè)方法。其關(guān)鍵在于使用角度精度較高的器件作為基準(zhǔn)(如多面棱體與自準(zhǔn)直儀[28]或高精度編碼器)與被測(cè)編碼器轉(zhuǎn)角進(jìn)行比較,根據(jù)兩者之間的插值得出被測(cè)編碼器精度。直接比較法編碼器檢測(cè)模型可抽象成圖3所示示意圖。

1—角度基準(zhǔn) 2—連接軸 3—聯(lián)軸器 4—被測(cè)編碼器 圖3　直接比較法編碼器檢測(cè)模型

用該方法檢測(cè)編碼器一般要求角度基準(zhǔn)的精度要高于被測(cè)編碼器精度3倍以上。角度基準(zhǔn)與被測(cè)編碼器要同軸轉(zhuǎn)動(dòng)。若同軸轉(zhuǎn)動(dòng)后角度基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)角位移為δa,被測(cè)編碼器旋轉(zhuǎn)角位移為δb,則被測(cè)編碼器旋轉(zhuǎn)角度誤差δj=δb-δa。

4.2　國外編碼器檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀

目前國外的編碼器檢測(cè)技術(shù)處于領(lǐng)先地位。俄羅斯、德國、日本等國的科研機(jī)構(gòu)在研究編碼器的檢測(cè)設(shè)備上取得了較大進(jìn)展。

俄羅斯圣彼得堡大學(xué)研究出一種動(dòng)態(tài)激光測(cè)角裝置,如圖4所示。該裝置由環(huán)形激光器、多面體,零位指示器等部件組成。其中環(huán)形激光器是主要的角度測(cè)量器件。被測(cè)編碼器通過聯(lián)軸器與環(huán)形激光器聯(lián)接,并與旋轉(zhuǎn)臺(tái)、多面體及驅(qū)動(dòng)裝置同軸相連。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)臺(tái)穩(wěn)速旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速范圍為0.05～10 r·min-1。系統(tǒng)工作時(shí),轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn),被測(cè)編碼器、環(huán)形激光器與零位指示器三者測(cè)量的數(shù)據(jù)將同時(shí)輸入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行計(jì)算處理。該系統(tǒng)有著較高的測(cè)量精度,其測(cè)角精度可達(dá)0.1″。但該裝置復(fù)雜,且對(duì)工作環(huán)境要求較高,只能在理想的實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行,難以推廣[29]。

圖4　俄羅斯圣彼得堡大學(xué)的編碼器檢測(cè)裝置

日本國家高級(jí)工業(yè)科技研究所提出了一種自動(dòng)、高精度的編碼器檢測(cè)系統(tǒng)[30]。該系統(tǒng)利用了平均分配法(EDA)進(jìn)行自我檢測(cè)。系統(tǒng)使用兩個(gè)參考編碼器,與被測(cè)目標(biāo)編碼器同軸安裝。系統(tǒng)采用空氣軸承并利用無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng),并將同時(shí)對(duì)參考編碼器及目標(biāo)編碼器的分度進(jìn)行檢測(cè)。該檢測(cè)方法的分辨率為0.001″,不確定度為±0.05″。該裝置具有較高的精度,能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)測(cè)量,但檢測(cè)設(shè)備復(fù)雜昂貴,只適于實(shí)驗(yàn)室的條件下使用。

4.3　國內(nèi)編碼器檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀

國內(nèi)的各個(gè)科研單位也在不斷探索更加高效、高性能的編碼器檢測(cè)方法。長春光機(jī)所[31]的艾華、韓旭東等對(duì)傳統(tǒng)的多面體棱鏡檢測(cè)法進(jìn)行了改進(jìn),其裝置如圖5所示。將光學(xué)多面體與被測(cè)編碼器同軸安裝。利用激光器發(fā)出激光束,經(jīng)多面體反射后,被帶有光電接收管的光電接收器接收,并發(fā)出參考信號(hào)輸出給計(jì)算機(jī)。同時(shí),編碼器的轉(zhuǎn)角信號(hào)經(jīng)處理電路也輸出給計(jì)算機(jī),并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理分析,從而完成對(duì)編碼器的檢測(cè)。其原理圖如圖5所示。該方法提高了檢測(cè)效率,克服了度數(shù)和操作復(fù)雜的問題,但這種檢測(cè)方法受棱鏡精度的影響較大,裝置昂貴,不利于推廣。

1—被測(cè)編碼器 2—多面體 3—激光器 4—光電接收管 圖5　長春光機(jī)所多面棱鏡檢測(cè)裝置

北京理工大學(xué)鄧方等人研制出一種最高分辨率和全面統(tǒng)計(jì)的檢測(cè)裝置。該裝置采用機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng),配合步進(jìn)電機(jī),以蝸輪蝸桿對(duì)步進(jìn)電機(jī)的輸出角位移進(jìn)行細(xì)分,由PC作為上位機(jī),單片機(jī)作為下位機(jī)對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集,能夠?qū)崿F(xiàn)最高18位的編碼器誤差檢測(cè),系統(tǒng)的分辨率為2.5″[32]。此裝置對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的精度要求較高。

長春光機(jī)所的杜穎財(cái)?shù)热死弥绷麟姍C(jī)帶動(dòng)被檢編碼器搭建了增量式編碼器自動(dòng)檢測(cè)硬件系統(tǒng),如圖6所示。該系統(tǒng)利用驅(qū)動(dòng)電路控制電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng),然后利用Cortex-M3內(nèi)核的STM32F107芯片設(shè)計(jì)了編碼器誤差采集電路,完成對(duì)編碼器全周輸出數(shù)據(jù)正交性、均勻性和幅值的采集,通過計(jì)算與比較,將編碼器旋轉(zhuǎn)全周內(nèi)輸出信號(hào)誤差的最大值和幅值顯示在液晶顯示屏上[33]。該自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)30～110 r·min-1,經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,系統(tǒng)能夠檢測(cè)出精度為 40″的增量式編碼器輸出信號(hào)的誤差。

圖6　長春光機(jī)所增量式編碼器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

長春光機(jī)所于海設(shè)計(jì)出一種小型絕對(duì)式光電編碼器動(dòng)態(tài)誤差檢測(cè)方法,系統(tǒng)示意圖如圖7所示。該裝置利用高精度編碼器作為基準(zhǔn),驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)基準(zhǔn)編碼器與被測(cè)編碼器同軸轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速在 0～90 r·min-1范圍內(nèi)的小型絕對(duì)式光電編碼器動(dòng)態(tài)誤差檢測(cè),檢測(cè)系統(tǒng)精度為1.26"。該設(shè)備具有操作簡(jiǎn)單,檢測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn),可在通常條件下對(duì)光電編碼器進(jìn)行動(dòng)態(tài)誤差檢測(cè)。

1—被測(cè)編碼器 2—被測(cè)編碼器托盤 3—聯(lián)軸節(jié) 4—主軸 5—電機(jī)聯(lián)軸節(jié) 6—基準(zhǔn)編碼器 7—驅(qū)動(dòng)電機(jī) 8—系統(tǒng)支架 9—計(jì)算機(jī) 10—系統(tǒng)電箱 圖7　長春光機(jī)所動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)

綜上所述,國內(nèi)外編碼器檢測(cè)技術(shù)的主要參數(shù)及優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1　國內(nèi)外編碼器檢測(cè)技術(shù)

5編碼器檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)上文所述,了解到編碼器的檢測(cè)技術(shù)正在發(fā)展當(dāng)中,還沒有研制出一種完善的檢測(cè)方法。國內(nèi)的大多數(shù)檢測(cè)方法的檢測(cè)精度有限,且裝置較為復(fù)雜,裝調(diào)困難,不適合在工作現(xiàn)場(chǎng)使用。而國外的檢測(cè)裝置雖然有較高的檢測(cè)精度,但裝置昂貴,不適宜引進(jìn)國內(nèi),且操作過程繁瑣、對(duì)工作環(huán)境要求很高,僅適合實(shí)驗(yàn)室使用。

綜上所述,可概括出編碼器檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì):(1)檢測(cè)設(shè)備簡(jiǎn)易化。目前,常用的檢測(cè)設(shè)備大多數(shù)較為復(fù)雜,價(jià)格昂貴、裝調(diào)困難、操作難度較大,安裝、調(diào)試及檢測(cè)過程很繁瑣,需要專業(yè)人員進(jìn)行操作,增大了編碼器的檢測(cè)困難程度。而通過研制出簡(jiǎn)易、便于操作的設(shè)備,可大幅度提高檢測(cè)的便捷性,減少設(shè)備的投資及使用成本,更利于設(shè)備的推廣。(2)檢測(cè)精度及檢測(cè)效率的同步提高。隨著高精度測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展,編碼器精度的不斷提高,對(duì)編碼器的檢測(cè)也提出了更高的要求?，F(xiàn)在較多的檢測(cè)裝置存在效率低、穩(wěn)定性差的特點(diǎn),檢測(cè)周期較長且檢測(cè)結(jié)果不穩(wěn)定,易受干擾產(chǎn)生偏差,從而出現(xiàn)重復(fù)作業(yè)的現(xiàn)象,嚴(yán)重影響檢測(cè)效率。因此在提高檢測(cè)精度的同時(shí),還要建立更加高效穩(wěn)定的檢測(cè)系統(tǒng),保證編碼器的制造技術(shù)與檢測(cè)技術(shù)同步提高,從而滿足生產(chǎn)需求。(3)檢測(cè)系統(tǒng)的高通用性及適應(yīng)性。單一的編碼器檢測(cè)類型及嚴(yán)格的檢測(cè)環(huán)境要求已經(jīng)不滿足目前編碼器檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展需求,高通用性及適應(yīng)性將成為檢測(cè)裝置重要的發(fā)展趨勢(shì)?，F(xiàn)在很多檢測(cè)系統(tǒng)只能檢測(cè)某種單一類型的編碼器,不具備通用性,且對(duì)工作環(huán)境要求苛刻,只有在實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境下才能工作,不符合生產(chǎn)實(shí)際。因此,具有高度的通用性,可以檢測(cè)多種類型、尺寸、精度的編碼器以及具有較高的環(huán)境適應(yīng)性,可以在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用的檢測(cè)系統(tǒng)將成為今后的研究方向。

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