圓光柵編碼器安裝與對準

劉帥

(北京慧摩森電子系統(tǒng)技術有限公司，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、結構簡單和響應速度快等特點，使其在高精度分度盤、精密轉臺等精密測量領域得到了廣泛的應用。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)頭和安裝在旋轉軸上的光柵碼盤相對移動，讀數(shù)頭將光學信號轉為電信號輸出，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，過大的偏心可能導致編碼器在整圈內信號輸出不連續(xù)。

在旋轉過程中，旋轉軸的跳動會對編碼器的測量產生影響，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。對于高精度應用，推薦使用符合國際電氣制造業(yè)協(xié)會（NEMA）7級或者更好的軸承?？諝廨S承近年來得到了廣泛的應用，空氣軸承旋轉跳動精度比機械軸承更好。

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0.12 μm的誤差認為是比較好的誤差等級，如圖1所示，R為光學半徑，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對應的圓弧，假設C≈S，θ=S/R。對于直徑越小的光柵碼盤，此項誤差帶來的影響越大。

因此，旋轉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精度的影響

圓光柵的旋轉精度主要分兩個部分：長行程誤差和短行程誤差，如圖2所示；長行程誤差為旋轉測量360°范圍內的結果，它的主要誤差來源為偏心誤差和軸承徑向跳動。短行程誤差為一個信號周期的測量結果，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系式為θ=tan-1(ε/R)。對于光學直徑為104.3 mm的光柵碼盤，假設偏心為3 μm，則：

3 圓光柵光學對準

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面，這兩種的安裝對準稍有不同，鋼圈安裝可以借用千分表系統(tǒng)調整安裝，對于玻璃碼盤我們需要使用光學儀器做圓心對中，借助工業(yè)CCD可以很好地進行安裝對準工作，如圖4所示。

圖4 鋼圈安裝調整示意圖

對于光學對準我們假定柵帶是標準圓，柵帶邊緣整齊，CCD分辨率達到1 μm左右。操作過程中使用無粉指套，光柵碼盤選用硬質環(huán)氧樹脂固定，調整完成后固化。按圖5準備對準裝置，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，調整CCD，在顯示屏上對準光柵表面外沿，并做標記線。

（2）轉動光柵，觀察光柵外沿和標記線的位置，輕輕敲打光柵邊沿。

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

圖5 CCD調整對準裝置

圖6 準確定心

光柵碼盤準確定心時偏心誤差為0，光柵碼盤旋轉360°，光柵碼盤表面無徑向移動。

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。對于特別應用，也會引入更多讀頭，對信號進出一定的處理，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做均值化處理，直接輸出測量結果，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±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 結束語

光柵測量系統(tǒng)廣泛應用于半導體和電子制造、自動化及機器人行業(yè)、運動控制子系統(tǒng)和宇航工程等行業(yè)。主要包含精密測量和運動控制系統(tǒng)，這兩項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，對于安裝調整也有很高的要求，選用精密軸承，采用安裝工具調整安裝同心度，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，提升機器精度。