圆光栅编码器安装与对准

刘帅

(北京慧摩森电子系统技术有限公司，北京 100083)

1 圆光栅编码器误差分析

圆光栅编码器具有高分辨率、高精度、结构简单和响应速度快等特点，使其在高精度分度盘、精密转台等精密测量领域得到了广泛的应用。圆光栅编码器主要有两部分组成：光栅码盘和读数头，读数头和安装在旋转轴上的光栅码盘相对移动，读数头将光学信号转为电信号输出，传输到控制系统采集使用。偏心误差对于测量精度影响非常大，过大的偏心可能导致编码器在整圈内信号输出不连续。

在旋转过程中，旋转轴的跳动会对编码器的测量产生影响，降低系统精度。因此正确的轴承选择是集成过程中非常重要的一部分。对于高精度应用，推荐使用符合国际电气制造业协会（NEMA）7级或者更好的轴承。空气轴承近年来得到了广泛的应用，空气轴承旋转跳动精度比机械轴承更好。

光栅码盘是在玻璃基片上刻画出等间距的一圈光栅，相邻光栅的间距在制作过程中就存在一定的误差，目前常用的光栅栅距为20 μm，正负0.12 μm的误差认为是比较好的误差等级，如图1所示，R为光学半径，C为栅距误差即条纹误差，θ代表栅距误差带来的角度误差，S为θ对应的圆弧，假设C≈S，θ=S/R。对于直径越小的光栅码盘，此项误差带来的影响越大。

因此，旋转编码器的测量精度主要取决于光栅尺的规格、条纹误差和偏心误差。

图1 条纹误差

2 偏心误差对圆光栅旋转精度的影响

圆光栅的旋转精度主要分两个部分：长行程误差和短行程误差，如图2所示；长行程误差为旋转测量360°范围内的结果，它的主要误差来源为偏心误差和轴承径向跳动。短行程误差为一个信号周期的测量结果，短行程误差主要由光栅尺表现的小瑕疵、电子组件和信号处理缺陷带来的。

图3所示为偏心误差，偏心误差ε带来的测量误差θ，偏心误差、测量误差和半径之间的关系式为θ=tan-1(ε/R)。对于光学直径为104.3 mm的光栅码盘，假设偏心为3 μm，则：

3 圆光栅光学对准

图2 短行程误差和长行程误差

图3 偏心误差

对于圆光栅，不管是单读头还是双读头，码盘中心的对准都非常有必要，对于玻璃码盘，栅带一般刻画在盘片上，金属光栅钢圈在轴的侧面，这两种的安装对准稍有不同，钢圈安装可以借用千分表系统调整安装，对于玻璃码盘我们需要使用光学仪器做圆心对中，借助工业CCD可以很好地进行安装对准工作，如图4所示。

图4 钢圈安装调整示意图

对于光学对准我们假定栅带是标准圆，栅带边缘整齐，CCD分辨率达到1 μm左右。操作过程中使用无粉指套，光栅码盘选用硬质环氧树脂固定，调整完成后固化。按图5准备对准装置，步骤如下：

（1）固定光栅码盘，使光栅码盘可以沿轮毂中心旋转，调整CCD，在显示屏上对准光栅表面外沿，并做标记线。

（2）转动光栅，观察光栅外沿和标记线的位置，轻轻敲打光栅边沿。

（3）逐渐缩小外沿与标记线的间距，使360°范围内间距均匀，直至完美定心，如图6所示。

图5 CCD调整对准装置

图6 准确定心

光栅码盘准确定心时偏心误差为0，光栅码盘旋转360°，光栅码盘表面无径向移动。

4 圆光栅多读头系统

双读头系统一般是对径安装，如图7所示，可以有效消除偏心误差带来的影响，提高测量精度。对于特别应用，也会引入更多读头，对信号进出一定的处理，提高系统精度。本文主要介绍双读头系统。

图7 双读头系统

双读头系统通过对两路编码器信号做均值化处理，直接输出测量结果，减少用户的数据处理工作，在增加很少成本的情况小，降低了安装调试的难度，并且在很大程度上提高了系统精度，对于110 mm直径的光栅码盘，精度可达±2″。单、双读头系统误差对比如图8所示，从图中可以看出，双读头系统可以将误差减小到60%以下的水平。

图8 单、双读头系统误差对比

5 结束语

光栅测量系统广泛应用于半导体和电子制造、自动化及机器人行业、运动控制子系统和宇航工程等行业。主要包含精密测量和运动控制系统，这两项对于光栅反馈的精度要求较高，因此提高光栅测量精度尤为必要。圆光栅测量系统，除了光栅本身的因素外，对于安装调整也有很高的要求，选用精密轴承，采用安装工具调整安装同心度，使用双读头系统或者多读头系统都是很有效的方法。这样能使光栅编码器发挥出最大效能，提升机器精度。