劉帥

(北京慧摩森電子系統(tǒng)技術(shù)有限公司，北京 100083)

1 圓光柵編碼器誤差分析

圓光柵編碼器具有高分辨率、高精度、結(jié)構(gòu)簡單和響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，使其在高精度分度盤、精密轉(zhuǎn)臺(tái)等精密測量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。圓光柵編碼器主要有兩部分組成：光柵碼盤和讀數(shù)頭，讀數(shù)頭和安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的光柵碼盤相對移動(dòng)，讀數(shù)頭將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)輸出，傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)采集使用。偏心誤差對于測量精度影響非常大，過大的偏心可能導(dǎo)致編碼器在整圈內(nèi)信號(hào)輸出不連續(xù)。

在旋轉(zhuǎn)過程中，旋轉(zhuǎn)軸的跳動(dòng)會(huì)對編碼器的測量產(chǎn)生影響，降低系統(tǒng)精度。因此正確的軸承選擇是集成過程中非常重要的一部分。對于高精度應(yīng)用，推薦使用符合國際電氣制造業(yè)協(xié)會(huì)（NEMA）7級(jí)或者更好的軸承?？諝廨S承近年來得到了廣泛的應(yīng)用，空氣軸承旋轉(zhuǎn)跳動(dòng)精度比機(jī)械軸承更好。

光柵碼盤是在玻璃基片上刻畫出等間距的一圈光柵，相鄰光柵的間距在制作過程中就存在一定的誤差，目前常用的光柵柵距為20 μm，正負(fù)0.12 μm的誤差認(rèn)為是比較好的誤差等級(jí)，如圖1所示，R為光學(xué)半徑，C為柵距誤差即條紋誤差，θ代表柵距誤差帶來的角度誤差，S為θ對應(yīng)的圓弧，假設(shè)C≈S，θ=S/R。對于直徑越小的光柵碼盤，此項(xiàng)誤差帶來的影響越大。

因此，旋轉(zhuǎn)編碼器的測量精度主要取決于光柵尺的規(guī)格、條紋誤差和偏心誤差。

圖1 條紋誤差

2 偏心誤差對圓光柵旋轉(zhuǎn)精度的影響

圓光柵的旋轉(zhuǎn)精度主要分兩個(gè)部分：長行程誤差和短行程誤差，如圖2所示；長行程誤差為旋轉(zhuǎn)測量360°范圍內(nèi)的結(jié)果，它的主要誤差來源為偏心誤差和軸承徑向跳動(dòng)。短行程誤差為一個(gè)信號(hào)周期的測量結(jié)果，短行程誤差主要由光柵尺表現(xiàn)的小瑕疵、電子組件和信號(hào)處理缺陷帶來的。

圖3所示為偏心誤差，偏心誤差ε帶來的測量誤差θ，偏心誤差、測量誤差和半徑之間的關(guān)系式為θ=tan-1(ε/R)。對于光學(xué)直徑為104.3 mm的光柵碼盤，假設(shè)偏心為3 μm，則：

3 圓光柵光學(xué)對準(zhǔn)

圖2 短行程誤差和長行程誤差

圖3 偏心誤差

對于圓光柵，不管是單讀頭還是雙讀頭，碼盤中心的對準(zhǔn)都非常有必要，對于玻璃碼盤，柵帶一般刻畫在盤片上，金屬光柵鋼圈在軸的側(cè)面，這兩種的安裝對準(zhǔn)稍有不同，鋼圈安裝可以借用千分表系統(tǒng)調(diào)整安裝，對于玻璃碼盤我們需要使用光學(xué)儀器做圓心對中，借助工業(yè)CCD可以很好地進(jìn)行安裝對準(zhǔn)工作，如圖4所示。

圖4 鋼圈安裝調(diào)整示意圖

對于光學(xué)對準(zhǔn)我們假定柵帶是標(biāo)準(zhǔn)圓，柵帶邊緣整齊，CCD分辨率達(dá)到1 μm左右。操作過程中使用無粉指套，光柵碼盤選用硬質(zhì)環(huán)氧樹脂固定，調(diào)整完成后固化。按圖5準(zhǔn)備對準(zhǔn)裝置，步驟如下：

（1）固定光柵碼盤，使光柵碼盤可以沿輪轂中心旋轉(zhuǎn)，調(diào)整CCD，在顯示屏上對準(zhǔn)光柵表面外沿，并做標(biāo)記線。

（2）轉(zhuǎn)動(dòng)光柵，觀察光柵外沿和標(biāo)記線的位置，輕輕敲打光柵邊沿。

（3）逐漸縮小外沿與標(biāo)記線的間距，使360°范圍內(nèi)間距均勻，直至完美定心，如圖6所示。

圖5 CCD調(diào)整對準(zhǔn)裝置

圖6 準(zhǔn)確定心

光柵碼盤準(zhǔn)確定心時(shí)偏心誤差為0，光柵碼盤旋轉(zhuǎn)360°，光柵碼盤表面無徑向移動(dòng)。

4 圓光柵多讀頭系統(tǒng)

雙讀頭系統(tǒng)一般是對徑安裝，如圖7所示，可以有效消除偏心誤差帶來的影響，提高測量精度。對于特別應(yīng)用，也會(huì)引入更多讀頭，對信號(hào)進(jìn)出一定的處理，提高系統(tǒng)精度。本文主要介紹雙讀頭系統(tǒng)。

圖7 雙讀頭系統(tǒng)

雙讀頭系統(tǒng)通過對兩路編碼器信號(hào)做均值化處理，直接輸出測量結(jié)果，減少用戶的數(shù)據(jù)處理工作，在增加很少成本的情況小，降低了安裝調(diào)試的難度，并且在很大程度上提高了系統(tǒng)精度，對于110 mm直徑的光柵碼盤，精度可達(dá)±2″。單、雙讀頭系統(tǒng)誤差對比如圖8所示，從圖中可以看出，雙讀頭系統(tǒng)可以將誤差減小到60%以下的水平。

圖8 單、雙讀頭系統(tǒng)誤差對比

5 結(jié)束語

光柵測量系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體和電子制造、自動(dòng)化及機(jī)器人行業(yè)、運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)和宇航工程等行業(yè)。主要包含精密測量和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，這兩項(xiàng)對于光柵反饋的精度要求較高，因此提高光柵測量精度尤為必要。圓光柵測量系統(tǒng)，除了光柵本身的因素外，對于安裝調(diào)整也有很高的要求，選用精密軸承，采用安裝工具調(diào)整安裝同心度，使用雙讀頭系統(tǒng)或者多讀頭系統(tǒng)都是很有效的方法。這樣能使光柵編碼器發(fā)揮出最大效能，提升機(jī)器精度。