光電編碼器是機械運動控制中測量轉動物體位置(角度)與速度的傳感器,它有旋轉式與直線式兩種,其中旋轉式光電編碼器由于精度高、安裝方便,已獲得廣泛應用。隨著運動控制產品的快速發展,我國對高精度的編碼器需求大,但主要依靠進口。目前,活躍在我國編碼器市場上的主要是外商,如德國的海德漢(Heidenhain)、梅爾(Meyle)、倍加福(P+F)、圖爾克(Turck),美國(GPI),日本多摩川,英國雷尼紹(Renishaw),韓國(Metronix)、奧托尼克斯(Autonics),瑞士堡盟(Baumer),土耳其(OPKON),以及我國的中達電通等。縱觀近幾年來旋轉式光電編碼器的發展,其設計動向列舉以下4方面進行闡述。

第一,設計新產品。首先是發展基型產品,上述編碼器廠商先以設計、生產增量式編碼器和單圈絕對式旋轉編碼器居多,近年來隨著應用領域的拓展,設計多圈絕對式編碼器與混合式編碼器增多。如多摩川推出的混合式編碼器,其包含增量式編碼器和輸出24位編碼信號的單圈絕對式編碼器,具有磁極定位功能,在用于伺服運動控制時,能快速檢測伺服電機轉子磁極位置角,特別對大功率伺服電機既能提高初始化的定位精度,又可使伺服電機提高輸出力矩,同時對位置控制和速度計算也都極為方便。其次是設計專用產品。例如,中達電通(臺達集團)設計了CNC專用增量式編碼器和伺服電機專用型編碼器,新推出CNC主軸專用的CS7系列編碼器,設計的結構緊湊、外型小巧,分辨率為1024p/r,采用線驅動輸出,轉速提升到8000r/min,從而可配合
機床行業主軸的高轉速,信號輸出的頻率響應為300KHZ,可提高數控系統的整體響應速度,以達到高精度控制的要求。宜科(天津)電子公司設計了電梯專用編碼器和重工業用的重載型增量式編碼器,后者據稱采用最新的歐洲電氣和機械設計技術,使其可承受最大軸向負荷為80N、最大徑向負荷150N,最大轉速為6000r/min,軸承壽命達109轉,工作溫度20~90℃。倍加福針對我國風力發電的巨大潛在市場,設計了風力發電用的編碼器。倍加福、圖爾克等還設計了防爆型編碼器,有了3類產品:(1)EExd隔爆型,這類編碼器設計的外殼堅固,若有可然性氣體進入編碼器內被電火花點燃產生爆炸,其火焰被限制在機殼內,不危機外部環境安全;(2)EExi本安型,這種編碼器的設計是限制電路的電流與電壓,使電路產生的任何火花或熱效應均不能點燃規定的爆炸性氣體環境;(3)EExna無火花型,這是最新的防爆技術,用這種技術設計的編碼器在正常運行時不產生火花和電弧,從而保證環境安全。

第二,優化產品結構。旋轉式光電編碼器由光路、電路與機械3部分組成,編碼器生產廠非常注重這3部分的設計與制作。

(1)光路系統:一是光源采用放光二級管LED,設計光聚焦系統,使LED發射的光成為平行光束,垂直地照射到旋轉碼盤(動光柵)與固定碼盤(定光柵)上,穿過這兩個碼盤上透光縫隙的光被光敏二極管吸收后輸出模擬電信號給轉換電路進行信號處理。由于光路系統對煙霧、塵埃、水蒸氣、機械振動等很敏感,所有一般都設計嚴密的防護措施,目前光學旋轉編碼器設計的防護等級最高為IP65左右,最高工作溫度85℃左右。二是碼盤材質的選用,有玻璃、塑料、不銹鋼,已適合不同的需求,其中玻璃編碼盤精度高,熱穩定性好,但耐振差;塑料與不銹鋼的精度與熱穩定稍差,但耐振,塑料成本低,可制作經濟型的。碼盤上的光柵一般用沉積很薄的刻線(如在玻璃碼盤上)、機械刻劃或光刻法制作。三是光柵的設計,增量式與絕對式完全不同。增量(正交)式編碼器:在旋轉碼盤邊緣部分徑向設計有許多均勻分布的透光縫隙,他們的寬度與間距相等,其設計透光縫隙的多少與加工質量將直接影響編碼器的測量精度;在固定碼盤上有A、B、Z三條縫隙(轉動碼盤有一條縫隙與Z相對應),A、B使輸出兩路正交(電角度相差90°)的方波脈沖信號,經計算用于測得電機的轉速、位置(角度)和轉向判別;Z相信號用作參考零位,每轉發出一個脈沖用于電機轉子定位、累計轉數。絕對型編碼器:n位絕對型編碼器在旋轉碼盤上就設計有n條同心圓碼道,碼型采用格雷(GRAY)碼設計,即從碼盤邊緣向中心的n條碼道上,透光的扇形區數目按20、21、222n-1設計、制作;固定碼盤上只有徑向一條透光縫隙,其背后對應每一碼道有一光敏二極管,輸出的n位數字碼(格雷碼可轉換成二進制碼或BCD碼)代表轉軸某一時刻的絕對位置,特別適用于監測上電和掉電期間的轉軸位置。這種編碼器,一般廠商設計碼型時之所以采用格雷碼,是因其兩個相鄰數之間只有一個數位發生變化,誤差小;若用二進制碼型,雖其設計簡單,但制作、安裝要求十分嚴格,否則易出現兩位數誤差。

(2)電路部分:包括編碼器
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