空心轴不带内置轴承的角度编码器

本篇文章发表在《制造技术与机床》2003年4期

空心轴不带内置轴承的角度编码器

准确度±20”±0.1”,内径50 mm至10 m

作者：Dr.Ing.Rainer Hagl 翻译：王桂芳

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。　

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。

一个信号周期内的偏差

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

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。

位置偏差

一圈内一个信号周期内

位置精度+++

速度波动0++

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

扫描原理信号

周期一个信号周期内

的相对位置偏差

一个信号周期内的

最大位置偏差

光电式

影像原理 20 µm到

200 µm

< ± 1% ** ± 0.2 µm到± 2 µm

衍射

(干涉原理) 0.128 µm到

4 µm

< ± 1% ** ± 0.001 µm

到± 0.04 µm

磁式 400 µm *到

10 mm

< ± 1% ** ± 4 µm到± 100 µm

感应式 2 mm *到

10 mm

< ± 0.1% ± 2 µm到± 10 µm

* 无接触式扫描原理，具有工业适用的扫描间隙公差

** 使用海德汉的编码器

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1µm。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)。

编码器

不带内置轴承带内置轴承

一圈内精度取决于用户的轴承和安装好坏由海德汉保证，加负载后

防护和抗污性由用户保证由海德汉保证

安装要求用户进行机械和电气调整简单，不需要用户进行机械和电气

调整

服务安装和用户轴承方面会存在问题存在问题较少–编码器容易更换表 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