数控或电子同步轴越来越普遍地使用无框架电机或密封式空心轴电机，尤其在机床行业，印刷机械和纺织机械。这对消除如同步齿型带等带来的机械传动误差，提高传动的位置精度，减少速度波动和提高传动的动态特性显得非常重要。也容比较易设计象附加轴，夹紧轴或材料处理轴的信号线和电源线。
这些电机的位置编码器相应地也许要单独的设计。编码器的空心轴内径相应需要50mm。对于带摆动轴的机床旋转工作台轴，其轴径由0.5 米到几米。 如望远镜电机的方位和提升轴要求的直径在5 米以上。
设计人员希望将编码器内置于电机或轴承中从而模块化。如果电机轴承和测量轴达到一定的精度，编码器可以不用内置轴承。本文主要介绍用于带空心轴的驱动电机的模块式编码器的研究动态以及该编码器的特征和与其它设计的对比。
精度和扫描原理
旋转编码器和角度编码器的精度定义为一圈内及一个信号周期内的位置偏差如(图 1)。模块式编码器在一圈内的位置偏差主要是由刻度盘相对于扫描头的径向跳动和刻度本身的误差引起的。
图 1:一个信号周期内的位置偏差u (上图) 和一圈内的位置偏差a (下图)
一圈内的位置偏差的绝大部分来源于轴承，测量轴的机械结构和安装产生的径向跳动。而一个信号周期内的位置偏差来自扫描质量和信号周期的质量。
上述两种位置偏差对驱动特性具有实质性的影响（表1）并要越小越好，尤其是数字式速度一个信号周期内的偏差控制。由于实际位置值决定了实际速度值，因而编码器的位置偏差决定了控制特性。表 1: 模块式编码器对驱动特性的影响
 特别是一个信号周期内的位置偏差，对控制特性的影响尤其重要。这是编码器的制造误差。 因此海德汉公司投入极大的精力研制和生产这种在一个信号周期内误差非常小的编码器。包括使用各种信号滤波器及设计复杂的电路以达到此目的；从而使模块式旋转和角度编码器相对于信号周期的误差限定在信号周期的± 1% 以内。
扫描原理决定了光栅周期和扫描头与光栅之间的间隙的公差。一个信号周期内的位置偏差见下表 (表 2)：表 2: 无接触式扫描原理的对比
 干涉型编码器 – 编码器应用光的干涉和衍射原理，允许非常精细的光栅条纹周期和信号周期，因而可以保证较小的位置偏差。光电扫描的编码器通常采用 "传统的" 影像非接触式测量原理， 一般可以达到一个信号周期内的位置偏差在± 0.2 μm 以下。该偏差要比磁式和感应式测量原理小10 到 20 倍。要选择适合的扫描原理，只有采用光电扫描原理的编码器才可满足控制特性要求的较高和更高的精度。
不带内置轴承的旋转和角度编码器的精度主依赖于与其相配轴的轴承精度和用户安装编码器的安装精度。
图 2 表明由于码盘与被测量轴的不对中度引起的位置偏差。通常要达到± 1 角秒到 ± 5 角秒，来自轴承和安装误差的径向跳动量要小于1 μm。该值是在负载下得到的，即考虑了工件重量和操作力。
图 2: 对中度对精度的影响
带和不带内置轴承的编码器的对比
不带内置轴承的编码器要求用户进行良好的安装；而不象那些带内置轴承编码器，制造商已进行优化设置了。见 (表 3)。表 3: 带和不带内置轴承的编码器的对比
 用户在购买编码器前要和编码器制造商仔细商讨上述问题。用户一定要仔细研究究竟哪种编码器更适合自己的使用情况。
磁式旋转编码器的扫描原理
对于无框架电机或空心电机，所用的空心轴编码器的内径通常约为40 mm 到 180 mm。 如果用带内置轴承的编码器就太不经济了，如果精度不超过10 角秒，也不需要这样的编码器。已有的轴承或电机轴承允许使用光栅式编码器。但是通常的安装环境会使光电扫描的编码器受到空气中的灰尘和油汽的污染，因而需要封装。对于高达20 000 rpm 和这么大的直径的编码器，显然这样的防护是不且实际的。对于这情况，海德汉研发了磁阻扫描原理的模块式编码器。ERM 180 增量式模块式旋转编码器是由磁毂和扫描头两部分组成的，见 (图 3)。
图 3: 磁阻扫描原理的ERM 180 增量模块式旋转编码器
磁毂的圆周上是沿轴线方向排列的硬磁体，信号周期为 395 μm。扫描头上放置了由海德汉公司研制的磁阻传感器和相应的电子器件，参见 (图 4) 。磁阻传感器的工作原理是变化的磁场对电阻具有调制效应。
图 4: ERM 180 旋转编码器的磁阻扫描原理
由于编码器是非接触式的，与接触式的磁编码器比，其抗污染性大大提高。因而可以安装在使用无框架电机的车床主轴上。见 (图 5)。
图 5: 安有ERM 180 磁阻模块式旋转编码器的车床主轴
ERM 180 有不同的直径。对于不同的直径刻度误差和一个信号周期内的位置偏差是不同的(表 4)。表 4: ERM 180 增量磁阻式模块化旋转编码器的主要特性 (例)
 齿轮式编码器在一个刻度周期内的位置偏差为0.8 mm 到1 mm，每转的信号周期一般为 256
到512，取决于编码器的直径。位置偏差通常是ERM 180 的二到四倍。不象齿轮编码器ERM所能达到的精度不依赖于电子元气件，它所扫描的刻度周期较大且稳定，即使在较高的操作温度下对输出信号的影响也非常小。海德汉还有光电扫描原理的ERA 180 角度编码器，它是轴向光栅编码器，一个信号周期内的位置偏差比ERM 编码器要小5 到10 倍。ERA 180 只可用于清洁的环境。表 5: ERM 180 所允许的最高转速
 象光电扫描 ERA 180 编码器一样,磁阻扫描的编码器 ERM 180 所允许的扫描头与磁毂的轴
向偏置误差为 ± 1 mm 包括扫描头的安装误差和电机温度影响造成的轴承浮动误差。只要轴向窜动在此范围内就不会对位置偏差有影响。编码器输出高质量正弦信号，信号幅值为 1VPP。允许的最高温度为100 °C。最高轴速取决于编码器的外径。齿轮式编码器的齿形在高转速下会产生啸叫声。而ERM 180 却是平稳安静的。
ERM 180 非常容易安装:轮毂安装在与之相配的轴上，并用螺栓紧固。轮毂的内径与对中环对中。用安装片设定扫描头与轮毂外圈的间隙。将扫描头靠紧安装片固定后，再将安装片移出。
光电式准单一场扫描原理的角度编码器
直径大于500 毫米的旋转轴, 摇摆轴或旋转工作台需要用准确度为角秒级或准确度更高的角度编码器。对于1 米直径的转台，编码器位置偏差为 ± 2 角秒， 将会在其圆周上产生± 5 μm的位置偏差。
ERA 780 和 ERA 880 模块式角度编码器是为这种应用场合设计的。这种编码器是海德汉开发的采用准单一场扫描原理，刻度周期为40 微米，钢带标尺式的角度编码器。这种扫描方法的扫描掩模是由交错的相位光栅组成，利用准单一扫描场原理产生四个标准扫描掩模的影象，每个影象具有1/4 光栅周期的相位移(图 6)。
图 6a:钢带标尺和准单一场影像扫描原理 (反射光)
图 6b:扫描掩模的电子放大图
因为只有一个扫描窗口产生四个影象， 光强的变化对四个影象的影响是等同的，既标尺的污染对四个影象的影响是对称的，对四个光电池信号的影响是均等的，见(图 7)。标尺的污染使输出信号对称和保持较高质量。这种扫描原理的抗污染特性高于其它的敞开式光电扫描原理的光栅尺。
图 7: 污染示意图
图 8: 污染效应
(图中上半部分为普通的四场扫描原理, 下半部分为准单一场扫描原理, 右图为 Lissajous图)
ERA 780 模块式旋转编码器是由扫描头，标尺载体和标尺带组成。 如果将标尺带安装在测量轴内径的槽内，则安装较为简单。如(图 9)，标尺带放入槽内使两端能够接上。标尺带的长短应保证标尺带具有一定的张力使得标尺带贴紧在槽内。内槽设计在测量轴上，不需要额外的安装调整件。
图 9: ERA 780 的安装
与以前的系统不同，在接头处没有额外的位置偏差 (图 10)。因而可以确保一转内具有同样的精度。
图 10: 标尺带直径为一米的ERA 780 和ERA 880 模块式角度编码器的位置偏差与以前的方法的对比 (上图包括一个信号周期内的位置偏差)。
这种方案已在许多场合中得以应用，如日本的超大型望远镜 (图 11),在这个案例中，方位角和俯仰角轴准确度高于± 0.1 角秒。
图 11: 组装中的日本SUBARU 大型望远镜
钢带式 ERA 880 模块角度编码器是用于安装在测量轴圆周上的。由特殊的张力夹板紧固。
象ERA 780 一样, 该编码器在接头部分没有额外的位置偏差。这两种编码器的每转的信号周期与对应的直径相关。
这两种角度编码器所能达到的精度主要取决与测量轴的的轴承。一个信号周期内的位置误差小于± 1% ，直径为1 米的编码器每转的信号周期约为80 000 ，相应的一个信号周期的位置偏差小于 ± 0.2 角秒。例如经1024 份细分后，输出信号每转约为8 千万个测量步距。输出信号为1 VPP。
这两种角度编码器都有距离编码参考标记可选。距离编码的参考标记可以大大减少建立绝对基准所需移动的距离。
图 12a: ERA 780 增量模块式角度编码器
ERA 780 和 ERA 880 也可用于测量角度段。ERA 880 提供固定安装件将标尺带两端固定在测量轴上。其中一个固定头可以调节标尺带的张力。固定元件可以长期多次使用使钢带尺固定在测量轴上；同时可以保证轴自由移出测量范围和移过固定元件。
长期以来海德汉一直都生产ERO 725 这种用于空心轴的模块式角度编码器，其直径约为40mm 到 150 mm。它的特点是光栅在玻璃基体上，每转的信号周期最高到36 000。系统精度为 ± 1 角秒或更高。
该编码器主要用于高精度，带轴承的低转速轴和清洁的测量环境下，例如测量机上带气垫的转台上。
图 12b: ERA 880 增量模块式角度编码器
总结
新型的位置测量装置——不带内置轴承的模块式旋转和角度编码器，其准确度在± 20 角秒到± 0.1 角秒，内径为 50 毫米到10 米的。除此之外，还有空心直径小于50 毫米，带或不带内置轴承的编码器。带内置轴承的编码器达到IP66 防护等级。
HEIDENHAIN 提供的模块式空心轴旋转编码器具有广泛的位置测量应用范围。选用这种不带内置轴承的编码器，主要取决应用场合，最好在设备的设计阶段开始作出选择。
关于作者
Ing. Rainer Hagl 先生为德国Stuttgart大学的博士毕业生生。
1992 加入德国海德汉公司，现任海德汉公司旋转和角度编码器研发部主管。(end)
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