大型高精度光電軸角編碼器主軸系裝配分析

涂文英 錢 靜 徐向東

（中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所，四川成都 610209）

光電軸角編碼器，是集光、機、電為一體的數(shù)字化位移測量裝置，正被廣泛應(yīng)用于國防、工業(yè)和科技領(lǐng)域的動態(tài)測量及實時控制系統(tǒng)中。隨著測控技術(shù)對目標的快速、精確跟蹤和定位的需要，對光電軸角編碼器的測角精度、分辨率以及可靠性都提出了更高要求。主軸系統(tǒng)是高精度復(fù)合式光電軸角編碼器的重要部件之一，它的主要作用是支承碼盤，并帶動碼盤進行精密分度和作精確、靈活、均勻的旋轉(zhuǎn)，從而使碼盤和狹縫之間產(chǎn)生相對運動，形成莫爾條紋，以便實現(xiàn)機械轉(zhuǎn)角變成光電信號的轉(zhuǎn)換［1］。因此，光電軸角編碼器的性能和精度在很大程度上依賴于軸系的工作精度，而軸系的工作精度則由各零部件的加工精度和裝配精度來保證。保證加工精度必須要嚴格控制有關(guān)零件的尺寸公差、形狀公差和位置公差;正確的裝配與調(diào)整，可以使軸系的零、部件的高精度性能充分發(fā)揮或使一些零件的缺陷得到補償［2］。本文針對某項目的高精度大型光電軸角編碼器裝配技術(shù)進行分析研究，采取相應(yīng)措施提高軸系的工作精度。

1 技術(shù)要求

該光電軸角編碼器的位數(shù)高，碼盤及儀器外形尺寸較大，外形最大直徑為470 mm，各零件的加工和裝配成本高。它的主要機械裝配結(jié)構(gòu)如圖1所示，主軸系采用的是非標準的滾動軸系，軸系中鋼球較密集，以多排的方式均勻分布在軸系中。

主軸系尺寸較大，精度指標要求高，主要的裝配精度要求有:

①主軸系徑向運動誤差（含角運動）小于2 μm;

②主軸系軸向竄動小于1 μm;

③主軸C面跳動小于4 μm;

④主軸系靜摩擦力矩（正反）小于1.60 N·m。

2 影響主軸系精度的因素

衡量精密軸系性能的最主要的指標是回轉(zhuǎn)精度，是指主軸在回轉(zhuǎn)時，實際的回轉(zhuǎn)軸線與理想回轉(zhuǎn)軸線的偏差。如圖2所示，當主軸回轉(zhuǎn)時，由于各零件的誤差，使得實際軸線除了繞理想軸線 L旋轉(zhuǎn)外，還會相對理想軸線L產(chǎn)生一個傾斜角 Δγ。為方便分析，將主軸回轉(zhuǎn)誤差在徑向和軸向進行分解。

2．1 軸向竄動誤差

主軸回轉(zhuǎn)誤差的軸向分量是主軸軸向竄動誤差，以主軸回轉(zhuǎn)軸線的純軸向竄動量表示。

在軸向方向，主軸軸線的角度擺動在軸向的分量很小，可忽略不計，所以僅存在主軸的純軸向竄動ΔS。

由于在軸系中，主軸和軸承座、軸承環(huán)之間采用過盈配合，徑向尺寸按傳遞尺寸鏈要求進行加工，所以，可以不考慮各零件的尺寸誤差。

從編碼器主軸系的結(jié)構(gòu)來看，能夠?qū)S向竄動產(chǎn)生影響的零件是主軸、軸承座、軸承環(huán)和鋼球。與上下兩組止推鋼球相接觸的端面有4處，如果在鋼球滾道面處的端面有局部高低點，或者鋼球直徑不一致時，會使軸系軸向上出現(xiàn)間隙，引起軸向竄動。因此，影響軸向竄動誤差的因素有:球的直徑差，主軸、軸承座、軸承環(huán)的端面平面度及與軸線的垂直度，軸向過盈量的大小。

2．2 徑向晃動誤差

在徑向方向存在兩種誤差，一是主軸實際回轉(zhuǎn)軸線的純徑向移動ΔC0，另一個是主軸軸線角度擺動引起的徑向偏移LΔγ，兩者的總和就是主軸的徑向晃動誤差。

在徑向方向，能夠?qū)较蚧蝿赢a(chǎn)生影響的零件是主軸、軸承座和鋼球。

當主軸、軸承座存在圓度誤差ΔR時，引起主軸軸心徑向晃動誤差最大值可近似為兩者的平均圓度，即ΔC1max=（ΔR1+ΔR2）/2。

大型編碼器的主軸和軸承座加工難度大，內(nèi)孔錐度也較大，接近1 μm。在這個編碼器中，由于主軸外伸部分較長，且兩組徑向鋼球之間的軸向距離L短，使得主軸外圓和軸承座內(nèi)孔的錐度對軸系轉(zhuǎn)角精度影響較大，會使實際主軸發(fā)生角度偏移Δγmax=（Δ孔+Δ軸）ρ″/L。在主軸頂端面引起的徑向晃動誤差為ΔC2max≈Δ孔+Δ軸。

主軸的外圓與軸承座的內(nèi)孔之間是過盈配合，不存在間隙。但是，在鋼球直徑不一致時，直徑最大的鋼球會使主軸產(chǎn)生最大的徑向晃動，從而造成主軸徑向晃動和角運動誤差。在裝配時要對鋼球進行篩選，并適當加大過盈量，以減小鋼球直徑差的影響。當鋼球存在誤差Δ球時，引起主軸頂端面的徑向晃動量是ΔC3max=Δ球（a+L/2）/L，a是主軸外伸部分，L是兩組徑向鋼球之間的軸向距離。

得到總的徑向晃動誤差（含角運動）如下:

綜上，影響編碼器主軸系回轉(zhuǎn)精度的誤差主要有:鋼球等徑差和形狀偏差，主軸外圓、軸承座內(nèi)孔的圓度誤差和錐度誤差，主軸接觸鋼球的外圓軸線與軸承座端面、軸承環(huán)端面的垂直度誤差。因此，在絕對式光電軸角編碼器中，對軸系回轉(zhuǎn)精度的控制主要是控制徑向晃動和軸向竄動兩種誤差。

3 減小裝配誤差的措施

3．1 篩選鋼球

從前面的分析知道，鋼球的直徑尺寸誤差和橢圓度誤差對軸系精度影響很大，為減小裝配誤差，需要對高精度的鋼球進行篩選。當鋼球誤差為0.3 μm時，ΔC3max=Δ（a+L/2）/L=3.37″，頂端面徑向跳動 1.4 μm;當鋼球誤差為 0.2 μm 時，ΔC3max=Δ（a+L/2）/L=2.25″，頂端面徑向跳動 0.9 μm。

故選擇誤差為0．2 μm的鋼球。

3．2 合理選擇過盈量以減小徑向晃動和軸向竄動

當軸系徑向存在過盈量時，相當于給主軸和軸承座施加了載荷，使它們和鋼球發(fā)生彈性形變，能對由鋼球誤差引起的誤差進行部分補償。過盈量大，補償?shù)囊捕?。但是過盈量過大時會造成裝配困難，引起軸系轉(zhuǎn)動不靈活。設(shè)計要求過盈量為0.003～0.008 μm，工藝上可以要求零件按該范圍的上差進行徑向尺寸控制。

軸系在軸向存在過盈量時，同樣也能補償部分鋼球的影響。軸向上的過盈量與軸向竄動成正比，與摩擦力矩成反比。當過盈量大時，軸向竄動小，摩擦力矩大;過盈量小時，摩擦力矩小，軸向竄動大。

根據(jù)圖紙技術(shù)要求，軸向過盈量為2～4 μm。為了達到主軸系軸向竄動小于1 μm，可以適當調(diào)整軸向過盈量，以保證軸向竄動和減小摩擦力矩。為了給以后的編碼器裝配提供指導(dǎo)，對過盈量與軸向竄動和摩擦力矩的關(guān)系進行了試驗，并得到表1結(jié)果。

表1 試驗測試結(jié)果

通過數(shù)據(jù)分析，得出軸向過盈量每減小0.5 μm，靜摩擦力矩減小0.2～0.3 N·m;軸向竄動量增大0.1 μm。如果在軸向過盈量為2 μm時進行安裝，軸向竄動量將會超差，如果在軸向過盈量為4 μm時進行安裝，則會導(dǎo)致摩擦力矩超差。為同時保證軸向竄動量和摩擦力矩的要求，把主軸的自重、保持器、鋼球等因素考慮進去，通過測厚儀來精確地測量出各相關(guān)零件的厚度尺寸，并采用修研的方式達到所需的過盈量。因此，在修研時，將軸向過盈量調(diào)整為2.2～2.8 μm，使我們生產(chǎn)、加工、裝配的編碼器全部實現(xiàn)標準化、質(zhì)量精度更高，同時依照以上的數(shù)據(jù)，為更大型光電經(jīng)緯儀的編碼器提供了有利依據(jù)。

3．3 采用高點對低點的定向裝配方式

由于底座的A面是零件加工的工藝基準，因而面形跳動小，大大優(yōu)于裝配要求，所以選擇A面作為裝配的基準面。以該面為基準，用千分表檢測底座上安裝軸承座的端面，找出高點和低點。如果高點與低點相差較大，則對高點進行局部修研。同樣，也檢測出軸承座上安裝面的高低點。裝配時，以高點對低點進行裝配，使兩者之間的面形誤差能夠相互抵消一部分。

同理，裝配碼盤座前，先檢測主軸軸肩和碼盤座的端面跳動，找出高低點進行裝配。固定好碼盤座之后，旋轉(zhuǎn)主軸，檢測碼盤座的C端面跳動，對不符合要求的高點進行局部修研，直至符合要求為止。

這樣，通過選擇性的裝配和組合修研，能夠抵消很大一部分誤差，有利于提高精度。

3．4 調(diào)整自檢過程以保證裝配周期與質(zhì)量

質(zhì)量與周期在一定程度上是互相矛盾的，要保證質(zhì)量就必須花大量時間去實踐，則周期難保證。對于小尺寸的編碼器，常用的安裝自檢過程如圖3。

但是，對于大型的編碼器，由于尺寸很大，精度要求較高，上述的安裝自檢過程就不能保證其精度要求。比如，前3步的精度都自己檢測合格后，檢測第4步摩擦力矩時，會有可能出現(xiàn)達不到要求的情況，就需要拆掉大部分軸系零件，重新修研軸向尺寸，再重新裝配，從頭自檢，造成裝配周期延長。為了更快捷、更直觀地知道精度指標的結(jié)果，將自檢順序進行調(diào)整，將最不易達到要求的靜摩擦力矩的檢測調(diào)到第1步，達到快速判斷所要修研哪些相關(guān)零件的目的，安裝自檢順序如圖4。

4 裝配檢測結(jié)果

通過以上幾項措施，對誤差得到了補償，減小了總的誤差。經(jīng)質(zhì)量控制部門檢測，各項精度指標都達到要求，檢測數(shù)據(jù)見表2。

表2 裝配檢測結(jié)果

5 結(jié)語

在大尺寸光電軸角編碼器的裝配中，通過采取篩選鋼球，減小軸向過盈量，加大徑向過盈量，高點對低點的組合裝配和組合修研的方法，提高了軸系的裝配精度。調(diào)整了裝配自檢順序，使裝配周期縮短。在裝配中，對軸向過盈量和摩擦力矩的關(guān)系做了試驗，為以后安裝更大型編碼器提供指導(dǎo)。

［1］粱立輝．高精度復(fù)合式光電編碼器設(shè)計及分析［D］．北京:中國科學(xué)院研究生院，2010．

［2］姚源，朱江山，李長春．光電軸角編碼器軸系誤差分析［J］．民營科技，2009（9）:26．