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光电编码器的应用与发展

光电编码器的应用与发展

2012-7-16

(XXXX, XXXX, XXXX)

摘要:为了解光电编码器应用与发展趋势,通过描述光电编码器的分类及其特点、国内外发展现状以及其应用,指出了光电编码器在数控机床、机器人、高精度闭环调速系统、伺服系统等领域中得到了广泛的应用,并且朝着高精度、高分辨率、高频响、小型化、智能化、标准化等方向发展。

关键词:光电编码器;增量式;绝对式;数控系统

Application and Development of Photoelectric Encoder

XXX

(XXXX, XXXX, XXXX)

Abstract:In order to understand the application and development of the photoelectric encoder, described the classification, characteristics, domestic and foreign present situation, application of photoelectric encoder. It points out that the photoelectric encoder has a wide range of application in the field of NC machine, robot, high precision closed loop speed regulation system, servo system and so on. And high-precision, high-resolution, high-frequency, miniaturization, intelligence, and standardization will become the development trend of photoelectric encoder. Keywords: photoelectric encoder increment type absolute type numerical control system

0 引言

光电编码器[1]是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转化成脉冲或数字量的传感器,其分辨率高、精度高、结构简单、体积小、使用可靠等优点使其在数控机床、机器人、高精度闭环调速系统、伺服系统等领域中得到了广泛的应用。

光电编码器主要用于速度或位置(角度)的检测。其工作原理如图1所示。

光源透镜码盘透镜光敏元件放大整形

光电编码器的应用与发展

图1 光电编码器的工作原理

根据光电编码器产生脉冲的方式不同,可以分为增量式、绝对式以及复合式三大类[2]。按编码器运动部件的运动方式来分,可以分为旋转式和直线式两种。旋转式光电编码器容易做成全封闭型式,易于实现小型化,传感长度较长,具有较长的环境适用能力,因而在实际工业生产中得到广泛的应用,本文主要针对旋转式光电编码器进行了探讨。

1 国内外发展现状及趋势

光电编码器是一种集光、机、电为一体的数字化检测装置,它具有分辨率高、精度高、结构简单、体积小、使用可靠、易于维护、性价比高等优点。近十多年来,已发展为一种成熟的多规格、高性能的系列工业化产品,在数控机床、机器人、雷达、光电经纬仪、地面指挥仪、高精度闭环调速系统、伺服系统等诸多领域中得到了广泛的应用[3-6]。

目前用于应于数控机床、交流伺服电机、电梯等对精度、质量可靠性有严格要求场合的编码器多使用高精度同步控制光电编码器。国内技术水平远落后于国际先进水平,不能满足国内及国际市场的需求。因此造成当前数控机床、交流伺服控制等工业场所需高性能、高精度同步控制光电编码器基本依靠进口解决。目前,活跃在我国编码器市场上的国外产品主有

德国的Heidenhain、Meyle、Turck,美国的GPI,日本的多摩川,英国的Renishaw,韩国的Metronix、Autonics。国内生产的光电编码器主要来自中达电通。

目前用于机器人位置和速度控制的传感器主要倾向于小型高分辨率的光电编码器。因此,如何使光电编码器小型化,且具有较高的分辨率以满足机器人的控制要求是研究的热点问题。

另外,近来研制出来的基于图像识别的编码器也是值得一提的。基于图像识别的编码器是NASA研制的一种全新的、以图像处理技术为基础的绝对式光电编码器,它打破了以往的基于莫尔条纹计数的计量原理,采用计算图像质心移动量的方式来获得位置信息,最高可达27位分辨率,其目前已成功应用于NASA的精密制导传感器、扫描反射镜转台、干涉仪的扫描转台和六自由度平台等项目中。

近年来光电编码器的发展动向:

第一,设计专用产品。例如,中达电通设计了CNC专用增量式编码器和伺服电机专用型编码器,新推出CNC主轴专用的CS7系列编码器,设计的结构紧凑、外型小巧,分辨率较高,采用线驱动输出,转速快。

第二,优化产品结构。编码器生产厂主要专注于光电编码器的光路、电路与机械3部分的设计与制作。此外,还特别关注小型化、轻量化与密封性。

第三,进一步提高光电编码器的性能,制造高精度、高分辨率、高频响的光电轴角编码器是提高其性能的三个主要方向。

第四,多样化的信号传输与接口设计。

第五,产品制造向系列化、标准化方向发展。为适应批量生产,满足市场需求,光电编码器的产品及其组成元件应本着低成本,高质量的原则逐渐向系列化、标准化的方向发展。

第六,适用于恶劣的工作环境。在某些特殊的应用场合,要求光电编码器有良好的抗冲击、耐高温、耐腐蚀、及防振动等能力,即不仅能工作在较理想的工作环境中,也能在恶劣的条件下正常运行。

综上所述,光电编码器的发展趋势是高精度、高分辨率、高频响、小型化、智能化、标准化。

2 光电编码器分类及其特点

2.1 绝对式编码器

绝对编码器是直接输出数字量的传感器,在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道,每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成,相邻码道的扇区数目是双倍关系,码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数,在码盘的一侧是光源,另一侧对应每一码道有一光敏元件;当码盘处于不同位置时,各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号,形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器,在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然,码道越多,分辨率就越高,对于一个具有N位二进制分辨率的编码器,其码盘必须有N条码道。

光电编码器的应用与发展

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图2 绝对式光电编码器

绝对编码器的优点是非接触测量,无接触磨损,码盘寿命长,精度保证性好;允许测量转速高,精度较高。光电转换,抗干扰能力强;电源切除后位置信息不会丢失。体积小,便

于安装,适合于机床运行环境;但是它的结构较为复杂、造价较高,光源寿命短,而且信号引出线随着分辨率的提高而增加。随着大规模集成电路技术的发展,已出现集成化的绝对编码器,它将编码器与数字处理电路组合在一起。如果进一步采用光学分解技术,可获得更高的分辨率。

2.2 增量式编码器

增量式光电编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应于一个位移增量,但是不能通过输出脉冲区别出在哪个位置上的增量。它能够产生与位移增量等值的脉冲信号,其作用是提供一种对连续位移量离散化或增量化以及位移变化(速度)的传感方法,它是相对于某个基准点的相对位置增量,不能够直接检测出轴的绝对位置信息。一般来说,增量式光电编码器输出A、B两相互差90°电度角的脉冲信号(即所谓的两组正交输出信号),从而可方便地判断出旋转方向。同时还有用作参考零位的Z 相标志(指示)脉冲信号,码盘每旋转一周,只发出一个标志信号。标志脉冲通常用来指示机械位置或对积累量清零。

增量式编码器主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成,如图3所示。码盘上刻有节距相等的辐射状透光缝隙,相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期;检测光栅上刻有A、B 两组与码盘相对应的透光缝隙,用以通过或阻挡光源和光电检测器件之间的光线。它们的节距和码盘上的节距相等,并且两组透光缝隙错开1/4 节距,使得光电检测器件输出的信号在相位上相差90°电度角。当码盘随着被测转轴转动时,检测光栅不动,光线透过码盘和检测光栅上的透过缝隙照射到光电检测器件上,光电检测器件就输出两组相位相差90°电度角的近似于正弦波的电信号,电信号经过转换电路的信号处理,可以得到被测轴的转角或速度信息。增量式光电编码器输出信号波形如图4所示。

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图3增量式编码器结构图4增量式编码器输出信号增量式光电编码器的优点是:原理构造简单、易于实现;机械平均寿命长,可达到几万小时以上;分辨率高;抗干扰能力较强,信号传输距离较长,可靠性较高,测量范围大、应用范围广。其缺点是它无法直接读出转动轴的绝对位置信息,断电后丢失位置信号技术且兼容性较差。

2.3 混合式编码器

混合式光电编码器,就是在增量式光电编码器的基础上,增加了一组用于检测永磁伺服电机磁极位置的码道。它输出两组信息:一组信息用于检测磁极位置,带有绝对信息功能另一组则完全同增量式编码器的输出信息。

混合式旋转编码器的特点:(1)同时输出绝对旋转角度编码与相对旋转角度编码;(2)具备绝对编码器的旋转角度编码的唯一性与增量编码器的应用灵活性。

3 光电编码器的应用

3.1 在数控机床中的应用

数控机床是一种高精度、高效率的加工设备,而实现其安全可靠的运行需要精确的检测和控制,因而检测元件是数控机床伺服系统的重要组成部分。

数控机床中光电编码器的一些使用实例如下所示:

(1)已知增量式光电编码器的参数和大、小皮带轮的传动比,若希望当加工好一个元件后紧接着加工另一元件,可计算出编码器给出多少脉冲数时,电动机停转,从而加工工件。如图5所示。

(2)角编码器与旋转刀库连接,编码器的输出为当前的道具号,如图6所示。

(3)利用编码器测量伺服电机的转速,并通过伺服控制系统控制其各种运行参数,如图7所示。

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图5 编码器用于定位加工 图6 编码器用于刀库选刀控制 图7 编码器用于伺服电机

增量式编码器以转动时输出脉冲,通过计数器来知道其位置。当编码器停电时,存放在缓冲器或外部计数器中的数值将丢失。也就是说,如果因下班或维修等原因,机床被迫关机,重新启动后,编码器将无法知道其确切位置。数控机床中,采用增加参考点方法解决该问题,编码器每经过参考点,缓冲器或计数器被清零,从而数控系统知道确切的位置。在回过参考点以前,是不能保证位置的准确性的。为此,在数控机床控制中就有每次开机先回参考点的操作。

绝对式编码器旋转时,有与位置一一对应的代码(二进制、BCD 码等)输出,从代码的变更即可判别正反方向和位移所处的位置,而无需判向电路。它有一个绝对零位代码,当停电或关机后再开机时,仍可准确地读出停电或关机位置的代码,并准确地找到零位代码,可大幅度降低待机时间与开机时间,有效缩短原点复归时间,

还可省略限位开关,

节省成本。

现我国台湾省及国外的数控机床,大多采用绝对式编码器。

3.2 光电编码器在定长切割装置中的应用

与早期的直流测速机模拟信号相比,光电编码器数字信号具有精度高、机械寿命长、抗干扰能力强、无误动作现象等优点,从而被越来越多地应用于位置测量系统中。

在定长切割装置中,通过计算每秒内光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前剪切设备的摆动和剪切位置,其输出信号直接输入控制站,与直流电机调速装置的速度给定一起作为反馈信号,实现对剪切位置和速度的控制。图8为定长切割装置的速度同步控制系统的结构图。

光电编码器的应用与发展

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图8 速度同步控制系统的结构图

4 结论与展望

光电编码器是一种集光、机、电为一体的数字化检测装置,它具有分辨率高、精度高、结构简单、体积小、使用可靠、易于维护、性价比高等优点,是一种比较理想的光电传感器。近年来,已发展为一种成熟的多规格、高性能的系列工业化产品,在数控机床、机器人、高精度闭环调速系统、伺服系统等诸多领域中得到了广泛的应用。随着对其关键技术的改造和科学的迅猛发展, 光电编码器的研制将更趋完善, 其产品也将在世界上占领更大的市场。

参考文献

[1] 张建民. 机电一体化系统设计[M]. 北京: 高等教育出版社, 2001.

[2] 赵燕. 传感器原理及应用[M]. 北京: 北京大学出版社, 2010.

[3]刘扬, 吕恒毅, 谭立国等. 光电编码器信号处理技术的研究进展[J]. 自动化仪表, 2011, 32(3):16-20.

[4] 李明雄, 赵晓, 李晓明.RoboCup小型足球机器人测速系统研究[J]. 机械工程, 2011, 28(2):198-201.

[5] 范淑媛, 熊永红, 李纪文. 光电编码器在分光计中的应用[J]. 物理实验, 2011,31(6):33-35.

[6] 于庆广, 刘葵, 王冲等.光电编码器选型及同步电机转速和转子位置测量[J]. 电气传动, 2006, 36(4):

17-20.