馬程浩

（常州市測(cè)試技術(shù)研究院，江蘇常州，213000）

1 光電軸角編碼器原理分析

編碼器主要是由發(fā)光管、主軸、狹縫、碼盤(pán)、接收管、輸出電路等構(gòu)成。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，需要固定夾縫，主軸會(huì)帶動(dòng)碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，碼盤(pán)和狹縫之間的相對(duì)位移會(huì)形成莫爾條紋。接收管與發(fā)光管之間相互配合，把摩爾條紋轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。主軸會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)碼盤(pán)光柵的距角，這樣就會(huì)讓莫爾條紋信號(hào)形成一個(gè)轉(zhuǎn)化周期，之后根據(jù)所處理的電路信息進(jìn)行細(xì)分計(jì)算，即可得到編碼器角度位置信息數(shù)據(jù)。

通常情況下，編碼器可以按照碼盤(pán)的不同劃分為兩類，即增量式編碼器、絕對(duì)式編碼器。其中，增量式編碼器應(yīng)用更加廣泛，市場(chǎng)上大部分編碼器都是增量式工藝。絕對(duì)式編碼器也是采用零位固定，所輸出的代碼是角度值的二進(jìn)制代碼，即使掉電也不會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失。但是絕對(duì)式編碼器生產(chǎn)工藝十分復(fù)雜，并且設(shè)備的體積較大。

2 光電軸角編碼器檢測(cè)方法分析

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，對(duì)編碼器的精度要求越來(lái)越高。編碼器也逐漸朝向高分辨力、小體積、高精度等方面發(fā)展。與此同時(shí)，也需要編碼器在角速度、角加速度下保障了精度輸出信息。編碼器檢測(cè)誤差主要包括靜態(tài)誤差檢測(cè)和動(dòng)態(tài)誤差檢測(cè)。當(dāng)今國(guó)內(nèi)外靜態(tài)誤差檢測(cè)技術(shù)相對(duì)比較成熟，所以動(dòng)態(tài)檢誤差檢測(cè)成為了研究熱點(diǎn)。

2.1 國(guó)外提出的檢測(cè)方法

現(xiàn)如今，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在編碼器誤差檢測(cè)方面處在領(lǐng)先地位，如日本、德國(guó)、俄羅斯等。

俄羅斯圣彼得堡大學(xué)在研究動(dòng)態(tài)誤差中，主要是采用了激光準(zhǔn)直儀、激光環(huán)多面體構(gòu)成。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的精度為0.1”，轉(zhuǎn)速在10轉(zhuǎn)/s，可以實(shí)現(xiàn)編碼器的動(dòng)態(tài)誤差檢測(cè)。具相關(guān)實(shí)驗(yàn)調(diào)查結(jié)果顯示，如果編碼器的速度為250rad/s時(shí)，則編碼器的誤差在-0.22”～+0.33”范圍之內(nèi)。應(yīng)用該方法試下編碼器的動(dòng)態(tài)檢測(cè)，所檢測(cè)的精度非常高，但是整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置十分復(fù)雜，需要提供專門(mén)的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，無(wú)法應(yīng)用到工作現(xiàn)場(chǎng)。

日本國(guó)立高級(jí)工業(yè)科技研究所也提出了新型的編碼器檢測(cè)系統(tǒng)（如圖1），系統(tǒng)中包括無(wú)刷直流電機(jī)、空氣軸承、基準(zhǔn)編碼器、空氣軸承、支架等。此系統(tǒng)的分辨率精度為0.001”，不確定度為-5”~+5”。該系統(tǒng)主要是適用于在實(shí)驗(yàn)室對(duì)單體編碼器進(jìn)行精度測(cè)試。

2.2 國(guó)內(nèi)提出的檢測(cè)方法

（1）絕對(duì)式編碼器檢測(cè)

圖1 日本國(guó)籍高級(jí)工業(yè)科技研究所的檢測(cè)系統(tǒng)

當(dāng)今我國(guó)在絕對(duì)式編碼器的誤差檢測(cè)當(dāng)中的主流方法是多面體棱鏡檢測(cè)法、高精度編碼器對(duì)比檢測(cè)方法。多面體棱鏡檢測(cè)方法主要是利用多面體和編碼器進(jìn)行連接，并對(duì)多面體、塔差進(jìn)行調(diào)節(jié)后，采用自準(zhǔn)直儀測(cè)量編碼器誤差。由于該方法檢測(cè)過(guò)程中具有較高的分辨率和精度，所以更加適合應(yīng)用到高分辨率編碼器檢測(cè)單重。而編碼器對(duì)比檢測(cè)則是采用高精度基準(zhǔn)編碼器對(duì)低精度編碼器進(jìn)行檢測(cè)的方法。通常高精度編碼器的精度要比低精度編碼器高出3倍以上，這樣才能夠發(fā)揮該方法的作用，因此該方法更加適用于低分辨率精度的小型編碼器檢測(cè)中應(yīng)用。但是，這些檢測(cè)方法只能夠進(jìn)行靜態(tài)誤差檢測(cè)，并在此基礎(chǔ)上，一些科研單位將設(shè)備上增設(shè)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)編碼器誤差的自動(dòng)檢測(cè)。

長(zhǎng)春光機(jī)所與華南理工大學(xué)聯(lián)合推出編碼器誤差檢測(cè)系統(tǒng)（自動(dòng)），采用了直流電機(jī)帶動(dòng)編碼器和基準(zhǔn)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)用數(shù)據(jù)處理電路獲取誤差信息，同時(shí)也能夠傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中顯示所測(cè)量的誤差。長(zhǎng)春理工大學(xué)利用了電機(jī)帶動(dòng)多個(gè)多面棱體和編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，把激光準(zhǔn)直儀測(cè)量數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中完成誤差檢測(cè)。這兩種方法是采用了直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)檢測(cè)，但是將轉(zhuǎn)動(dòng)范圍較為局限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)完整的動(dòng)態(tài)誤差檢測(cè)，檢測(cè)點(diǎn)也十分有限。

圖2 成都光電所的誤差檢測(cè)設(shè)備

成都光電技術(shù)研究所應(yīng)用了微動(dòng)螺桿、斜面、正弦杠桿四級(jí)縮小理念，可以檢測(cè)高分辨率編碼器監(jiān)測(cè)（如圖2）。在應(yīng)用該檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，要把每個(gè)測(cè)量位置光柵柵距內(nèi)分為8段，并測(cè)量四個(gè)位置細(xì)分誤差，取得一個(gè)最大誤差，之后將誤差細(xì)分成小間隔形式。使用該方法有效對(duì)25位編碼器的檢測(cè)工作。但是該系統(tǒng)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)要求非常高，檢測(cè)環(huán)境苛刻，也容易造成人工讀取誤差問(wèn)題。

（2）增量式編碼器檢測(cè)

對(duì)于增量式編碼器檢測(cè)來(lái)說(shuō)，我國(guó)各個(gè)機(jī)構(gòu)、高校也進(jìn)行了深度研究。汕頭大學(xué)提出了一種圓光柵增量編碼器的檢測(cè)方法，可以快速得出編碼器精度以及性能參數(shù)。該方法是通過(guò)對(duì)編碼器個(gè)轉(zhuǎn)速范圍中增加輸入信號(hào)，從而得出分度精度、頻響、正弦性、正交性、信號(hào)周期、脈沖信號(hào)占比等各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)所研制出了一種圓光柵檢測(cè)儀，是由空氣軸系、壓縮空氣系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、光柵盤(pán)、莫爾條紋系統(tǒng)、信號(hào)接受系統(tǒng)等構(gòu)成。整個(gè)儀器的核心技術(shù)是高回轉(zhuǎn)精度空氣靜壓軸承和多頭均化技術(shù)，這樣可以大大減少參考盤(pán)刻劃誤差影響。與此同時(shí)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)來(lái)監(jiān)測(cè)整個(gè)測(cè)量流程，并對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的自動(dòng)化，所測(cè)誤差曲線可以通過(guò)打印機(jī)輸出，光山盤(pán)的擴(kuò)展不確定度為0.08’’。

西安交通大學(xué)采用了一種計(jì)量圓光柵動(dòng)態(tài)檢測(cè)技術(shù)，使用該技術(shù)能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件可以修正安裝偏離心等誤差問(wèn)題，而硬件系統(tǒng)主要應(yīng)用了高精度脈沖計(jì)算電路，從而大大提高整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度，也避免了在誤差測(cè)量中因?yàn)槿藶橐蛩亍h(huán)境因素所造成的精度差異。檢測(cè)過(guò)程中，采用兩個(gè)圓光柵同轉(zhuǎn)動(dòng)互檢形式，利用計(jì)算機(jī)軟件計(jì)量出轉(zhuǎn)角誤差。此方法的待測(cè)光柵重復(fù)精度會(huì)直接影響的檢測(cè)精度，光柵精度和檢測(cè)精度成正比。

3 光電軸角編碼器檢測(cè)技術(shù)展望

3.1 簡(jiǎn)化檢測(cè)過(guò)程

當(dāng)今大部分檢測(cè)方法都需要經(jīng)過(guò)十分復(fù)雜的安裝與調(diào)教過(guò)程，檢測(cè)效率相對(duì)較低，通常要對(duì)一個(gè)編碼器進(jìn)行誤差檢測(cè)需要20-30分鐘，所以提出一種更加簡(jiǎn)單的檢測(cè)方法勢(shì)在必行。

3.2 減少裝置復(fù)雜度，提高適應(yīng)性

當(dāng)今國(guó)外所研發(fā)的編碼器誤差檢測(cè)都是在非常理想的環(huán)境下展開(kāi)，如果有外界因素干擾，如今檢測(cè)臺(tái)出現(xiàn)振動(dòng)等問(wèn)題，會(huì)提高檢測(cè)數(shù)據(jù)的偏離值。并且在實(shí)際工作現(xiàn)場(chǎng)，通常都不具備理想的檢測(cè)環(huán)境。這就需要研發(fā)出可以適用于實(shí)際工作現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)設(shè)備，并且可以保證檢測(cè)精度。

3.3 提高檢測(cè)精度

由于編碼器的精度不斷提高，這就需要采用精度更高的誤差檢測(cè)儀器。提出高精度誤差檢測(cè)設(shè)備是確保編碼器精度的基礎(chǔ)。此外，在提高檢裝置誤差同時(shí)，也要實(shí)現(xiàn)對(duì)編碼器全分辨率的檢測(cè)，這樣即可全面測(cè)量編碼器的誤差。

3.4 進(jìn)一步研究動(dòng)態(tài)誤差檢測(cè)技術(shù)

從編碼器檢測(cè)設(shè)備來(lái)說(shuō)，當(dāng)今國(guó)內(nèi)并沒(méi)有提出一款較好的動(dòng)態(tài)誤差檢測(cè)設(shè)備，即使部分研究單位提出了動(dòng)態(tài)誤差檢測(cè)設(shè)備，但無(wú)法良好的反應(yīng)編碼器在各個(gè)速度下的特性，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)誤差存在著一定局限性。國(guó)外動(dòng)態(tài)檢測(cè)誤差的設(shè)備造價(jià)十分昂貴，并且也沒(méi)有達(dá)到理想的狀態(tài)，不適合國(guó)內(nèi)使用。因此，我國(guó)在對(duì)動(dòng)態(tài)誤差檢測(cè)中需要加大研究力度，也是誤差檢測(cè)技術(shù)今后研究的重要課題。

4 結(jié)束語(yǔ)

光電軸角編碼器是一種光、機(jī)、電為一體的角度位置傳感器，在當(dāng)今各個(gè)高精度工業(yè)領(lǐng)域都有著十分廣泛的應(yīng)用。由于編碼器存在一定的測(cè)量誤差，這就需要加強(qiáng)誤差檢測(cè)技術(shù)的研究力度，完善編碼器性能。在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，編碼器誤差檢測(cè)技術(shù)勢(shì)必也將更加完善。