1W高精度光电编码器设计23384.pdf

长春理工大学光电信息学院毕业设计 I 高精度光电编码器设计 摘 要 随着测控技术的发展，对高精度光电编码器的技术指标提出了更高的要求。在某些控制系统中既要求光电编码器输出高精度的位置信息，同时又提供相位相差 90 度的两路正余弦信号用于伺服系统的控制，并要求编码器具有大内孔空心轴，且体积小，能适应恶劣工作环境。本文研究的高精度复合式光电编码器，对恶劣工作环境下测控系统精确定位、测速控制及小型化具有重要意义和实际应用 价值。关键词:光电编码器；高精度 Abstract With the development of measurement and control technology,higher requirements have been put forward to the technical index of photoelectric encoder.In a.In some control systems,the photoelectric encoder is required to output high-precision position information and phase difference at the same time.Two degree sine cosine signals of 90 degrees are used for servo system control,and the encoder is required to have large bore hollow shaft,.The utility model has the advantages of small size and good adaptability to bad working conditions.In this paper,a complex photoelectric encoder with high accuracy is studied.In the bad working environment,precise positioning,speed control and miniaturization of measurement and control system are of great significance and practical application Value.Key words:photoelectric encoder;；high precision 长春理工大学光电信息学院毕业设计 目 录 中文摘要.I 英文摘要.I 第 1 章 绪论.1 1.1 引言.1 1.2 课题背景及研究意义.1 1.3 国内外编码器设计发展现状.1 1.3.1 国外编码器研究的发展及现状.1 1.3.2 国内编码器研究的发展及现状.4 1.4 研究内容.5 第二章 高精度光电编码器工作原理及应用.5 2.1 光电编码器的工作原理.5 2.2 WinCE 提供的驱动模型.6 2.2.1 流设备驱动加载过程.6 2.2.2 中断与中断处理.6 2.3 光电编码器与 S3C2410 的硬件接口.7 2.4 外部中断初始化及中断服务程序的编写.8 2.5 编写流接口驱动程序.9 2.6 封装驱动程序并加入到 WinCE 中.10 第三章 光电编码器分类及其特点.11 3.1 绝对式编码器.11 3.2 增量式编码器.12 3.3 混合式编码器.12 第四章 光电编码器的结构设计.13 4.1 光电编码器结构设计原则.13 4.2 主轴系统.14 4.2.1 主轴相关的基本原则及概念.14 4.2.2 主轴系统的分类.17 4.2.3 全滚动式轴系.17 第五章 精度以及误差分析或者硬件介绍.18 5.1 同轴误差测量.18 5.2 检查实验.19 5.3 检测重复性实验.19 5.4 与传统装置检测结果比较实验.20 第六章 结论与展望.21 参考文献.22 致谢.24 长春理工大学光电信息学院毕业设计 1 第 1 章 绪论 1.1 引言 光电轴角编码器又称光电位移传感器，是集光、机、电为一体的数字化位 移测量装置。具有精度高、测量范围广、体积小、重量轻、使用可靠、易于维护等优点，具有较高的性能价格比，因此被广泛应用于国防、工业和科技领域的动态测量和实时控制系统中。随着测控技术对目标的快速、精确跟踪和定位的需要，使得对光电轴角编 码器的测角精度、分辨力以及可靠性提出了更高的要求，因此高精度、高可靠 性成为编码器研制不断追求的目标。1.2 课题背景及研究意义 由于光电测控设备的跟踪、定位精度对角速度及角加速度的敏感度的增加，不仅要求编码器实时提供角度信息，还要求编码器提供两路正余弦伺服驱动信 号，这就需要研制既能输出角度信息又能输出伺服信号的复合式光电编码器。在以往的使用中，需要两台编码器才能实现这些功能。因此，研究既能输出角 度信息又能输出伺服信号复合式光电编码器具有重要意义。同时，由于光电信号在高低温环境下，容易发生变化。为了更好的适应高 低温环境的要求，本课题采用温度补偿的办法弥补高低温环境下信号的变化。使编码器具有更好的环境适应能力。1.3 国内外编码器设计发展现状 1.3.1 国外编码器研究的发展及现状 1874 年，英国物理学家瑞利首先提出了利用莫尔条纹的移动来测量光栅相 对位移的可行性，为计量光栅的发展奠定了理论基础。由于当时光栅的生产和 制造成本较高，价格昂贵，电子计数技术的发展也还处于初级阶段，因此，计 量光栅在位置测量中的实际应用很少。到了 1950 年，英国皇家物理实验室(NPL)的 Merton 提出了著名的 Merton-NPL 法的塑料复制工艺，可以生产便宜的明胶光栅，这种工艺使得光栅的成本降低，为光栅技术的应用和推广作出了贡献。NPL的 Burch,Sayce 和英国皇家工程实验室(NEL)的 Kilebrede 也分别于 1960 年和稍晚的时候都提出了用母光栅制造任意长度光栅的照相法复制光栅，研制的照相光栅精度比母光栅的精度高。Merton-NPL 法和照相法的出现使得大量生产廉价 长春理工大学光电信息学院毕业设计 2 的计量光栅成为可 X141。与此同时，电子计数技术的应用技术也得到了发展。1953 年美国的 Ferranti 公司研究并提出了四倍频可逆计数系统，这在开发与计量光栅相对应的光电子 系统方面，取得了突破性进展。此后的二十年间，各国对光电系统在栅距细分上提出的更高要求做出了长期的努力，先后研究发展了机械细分系统、光电扫描细分系统、光学细分系统及电子学细分方法，为提高计量光栅及光电轴角编码器的分辨力做出了贡献。上世纪八十年代开始，伴随计量光栅精度的提高和细分技术的发展，以机电一体化产品的出现为标志，光电轴角编码器己成为人们普遍认可的精密测角装置，它在控制系统的位置反馈测量及传动误差的比较测量方面发挥着越来越大的作用。目前，光电轴角编码器己经被广泛的应用于工业生产，科学研究及航空航天各个领域。当前世界上主要生产光电轴角编码器的厂家有:德国的 Heidenhain 公司、OPTON 公司;美国的 Micro-E 公司、Itek 公司、GPI 公司、Arizona 大学、B&L 公司;日本的电信电话公司(NTT)电子应用研究所、尼康公司、佳能公司、东北大学、三丰公司、奥林巴斯、双叶公司等。此外，俄罗斯、英国、瑞士的一些厂家和科研单位也在光电轴角编码器的研制方面做出了很多贡献。Heidenhain 公司生产的编码器系列性能优异、品种多样性，居国际领先水 平。该公司研制的绝对式和增量式混合的光电轴角编码器独具特色，为伽利略 (意大利)望远镜控制系统设计的增量式与绝对式混合的光电编码器己达 27 位，分辨力 0.01，精度为 0.03 6 RMS，是当今精度最高的编码器，如图 1.所示。2002 年 Heidenhain 公司又推出了二十七位绝对式编码器Zoo 图 1.Heidenhain 的二十七位混合式编码器 长春理工大学光电信息学院毕业设计 3 2000 年，美国 NASA 的 Goddard 宇航中心研制成了二十七位“超高分辨率 的绝对式编码器”。它采用光学图形识别技术完成绝对式编码。其部分的码道图 形如图 2.所示 图 2 NASA 的二十七位绝对式编码器码道图形 美国、日本等国家的一些公司近年来研制的编码器采用了一些新的编码方 法，生产出了采用伪随机编码、游标式编码的编码器。伪随机编码仅用一圈 M 系列码道就可以生成十位以上的绝对式的二进制代码，从代码的编制方法上为 编码器小型化奠定了基础，为使光电轴角编码器不仅能够记录一周内的角度信 息，而且可以记录圈数信息，还研制出了通用性很强的绝对式智能多圈编码器，可以对多圈进行编码。国外许多公司和研究机构开发了利用光栅衍射干涉法和傅立叶成像法构成 的位移传感器，如采用半导体激光器(LD)的双光栅式编码器，利用衍射光相干 涉原理的单光栅式激光编码器，增量式与绝对式混合的激光编码器，点光源衍 射式激光编码器以及集成微型激光编码器，这些编码器适合应用在那些不仅要 求高精度、高分辨力、高频响，而且对于编码器体积和重量也有苛刻限制的场 地。随着工业自动化及航天、航空技术的发展，许多公司还研制了金属码盘的 光电编码器，提高了编码器的可靠性。随着光纤技术和光刻技术的发展，研制 出了采用变间距光栅的光电轴角编码器、微型编码器及光纤编码器。国外对光 电编码器元器件展开广泛而深入的研究，采用新工艺、精密加工技术，研制发 光器件和接收器件的阵列，精密光栅等元件，使编码器的性能得到进一步的提 高，应用也更为广泛。长春理工大学光电信息学院毕业设计 4 1.3.2 国内编码器研究的发展及现状 国内开展光电编码器的研究与制造工作起步较晚。上世纪五十年代，我国 才开始研制光电轴角编码器，1960 年前后才开始研究计量光栅。1964 年，中科院长春光机所研制出我国第一块编码盘和圆光栅，并成功的 应用于光电经纬仪上。随后中国科学院长春光机所又陆续研制了增量式和绝对 式数十种型号的光电编码器产品。成都光电所、天文仪器厂、重庆大学、中国计量科学研究院、清华大学、哈尔滨工业大学等数十家科研单位也都先后进行了光电编码器的开发与研制，在编码器结构和原理，精密轴系加工、设计、分析，光栅制造、检测，电子学处理，以及编码器误差测量方法的研究等方面做了很多工作，对提高编码器性能打下了基础，同时也取得了一定的成果。目前国内绝对式编码器的分辨率己由 8 位提高到 2_5 位。中国科学院长春光 机所在八十年代末率先研制出的 23 位绝对式光电轴角编码器，采用单片机软件 细分技术，实现了对莫尔条纹原始信号的_512 细分，分辨力达 0.1_5，测角精度为 0.51，代表了国内当前绝对式光电轴角编码器的最高精度。目前长春光机所研制生产的 23,24 位高精度编码器己经广泛应用于工程任务中。九十年代，中国科学院成都光电所研制的 2_5 位光电编码器，分辨力达 0.04,精度为 0.71，也具有较高水平，稍候研制了八圈码道的二十五位绝对式编码器。中国科学院长春光机所在“八.五”期间研制的激光编码器，输出 162000P/R,外径 58mm，目前研制的旋转激光编码器分辨率可以达到 0.01，线性激光分辨率可以达到 2.5nm 为满足我国航天级仪器设备对光电轴角编码器的需要，长春光机所在国内 率先研制成功了满足航空航天级要求的小型航天级绝对式光电轴角编码器，其 体积为 40mmx35mm，质量为 150g，位数为 14 位，用于实现神舟五号、神舟六号航天相机中，这是目前国内体积、质量最小的航天级绝对式光电轴角编码器s。国内外光电轴角编码器的发展向着高精度、高频响、智能化、小型化、高 分辨力的方向发展。航空、航天技术的飞速发展，对光电编码器精度的要求也 越来越高，要求编码器能够在恶劣的环境和复杂的条件下实时进行精密角度测 量。研制更高精度、环境适应能力强的编码器是各个研制单位不断追求的目标。目前，国内研制的绝对式光电编码器最高位数为 24 位，精度小于 0.51。增量式光电编码器分辨力 0.001，精度 0.05。适应恶劣工作环境的高精度复合式光电编码器还没有报导。复合式光电编码器既能够实时输出角度信息，又能输出伺服驱动信号。在 工程上有更广阔的应用范围。长春理工大学光电信息学院毕业设计 5 1.4 研究内容 论文研究的主要内容有以下三个部分:第一章：主要工作原理。第二章：系统主要结构。第四章：精度以及误差分析或者硬件介绍。第二章 高精度光电编码器工作原理及应用 2.1 光电编码器的工作原理 光电编码器(Optical Encoder)俗称“单键飞梭”，其外观好像一个电位器，因其外部有一个可以左右旋转同时又可按下的旋钮，很多设备(如显示器、示波器等)用它作为人机交互接口。下面以美国 Greyhill 公司生产的光电编码器为例，介绍其工作原理及使用方法。光电编码器的内部电路如图 1 所示，其内部有个发光二极管和 2 个光敏三极管。当左右旋转旋钮时，中间的遮光板会随旋钮一起转动，光敏三极管就会被遮光板有次序地遮挡，A、B 相就会输出图 2 所示的波形；当按下旋钮时，2、3 两脚接通，其用法同一般按键。长春理工大学光电信息学院毕业设计 6 当顺时针旋转时，光电编码器的 A 相相位会比 B 相超前半个周期；反之，A相会比 B 相滞后半个周期。通过检测 A、B 两相的相位就可以判断旋钮是顺时针还是逆时针旋转，通过记录 A 或 B 相变化的次数，就可以得出旋钮旋转的次数，通过检测 2、3 脚是否接通就可以判断旋钮是否按下。其具体的鉴相规则如下：1.A 为上升沿，B=0 时，旋钮右旋；2.B 为上升沿，A=l 时，旋钮右旋；3.A 为下降沿，B=1 时，旋钮右旋；4.B 为下降沿，A=O 时，旋钮右旋；5.B 为上升沿，A=0 时，旋钮左旋；6.A 为上升沿，B=1 时，旋钮左旋；7.B 为下降沿，A=l 时，旋钮左旋；8.A 为下降沿，B=0 时，旋钮左旋。通过上述方法，可以很简单地判断旋钮的旋转方向。在判断时添加适当的延时程序，以消除抖动干扰。2.2 WinCE 提供的驱动模型 WinCE 操作系统支持两种类型的驱动程序。一种为本地驱动程序，是把设备驱动程序作为独立的任务实现的，直接在顶层任务中实现硬件操作，因此都有明确和专一的目的。本地设备驱动程序适合于那些集成到 Windows CE平台的设备，诸如键盘、触摸屏、音频等设备。另一种是具有定制接口的流接口驱动程序。它是一般类型的设备驱动程序。流接口驱动程序的形式为用户一级的动态链接库(DLL)文件，用来实现一组固定的函数称为“流接口函数”，这些流接口函数使得应用程序可以通过文件系统访问这些驱动程序。本文讨论的光电编码器就属于流接口设备。2.2.1 流设备驱动加载过程 WinCENET 系统运行时会启动负责流驱动的加载进程DEVICEexeDEVICEexe 进程对驱动的加载是通过装载注册表列举器(RegEnumdll)实现的。在 WinCENET 中，所有设备的资源信息都由 OAL 负责记录在系统注册表中，RegEnum dll 一个一个扫描注册表项 HEKY_LOCAL_MACHINEDriverBuiltIn 下的子键，发现新设备就根据每个表项的内容进行硬件设备初始化。2.2.2 中断与中断处理 如果一个驱动程序要处理一个中断，那么驱动程序需要首先使 CreateEvent函数建立一个事件，调用 InterruptInitialize 函数将该事件与中断标识绑定。然后驱动程序中的IST就可以使用WaitForSing|eObject函数来等待中断的发生。长春理工大学光电信息学院毕业设计 7 在一个硬件中断发生之后，操作系统进入异常处理程序，异常处理程序调用 OAL的 OEMInterruptHandler 函数，该函数检测硬件并将中断标识返回给系统；系统得到该中断标识便会找到该中断标识对应的事件，并唤醒等待相应事件的线程(IST)，然后 IST 进行中断处理。处理完成之后，IST 需要调用 InterruptDone函数来告诉操作系统中断处理结束，操作系统再次调用 OAL 中 OEMInterruptDone函数，最后完成中断的处理。图 3 为 WinCENET 中断处理的流程框图。3 光电编码器驱动程序的设计 2.3 光电编码器与 S3C2410 的硬件接口 光电编码器与 S3C24lO 的接口电路如图 4 所示。光电编码器的 A、B 相为集电极开路输出，由于 S3C2410 的 IO 口电平为 33 V，所以将其通过电阻上拉 长春理工大学光电信息学院毕业设计 8 到 33V 后再分别接到 CPU 的 EINT0 和 EINT1 上；将 Pl 直接接到 33V，P2 通过电阻下拉到 GND。当旋钮按下时，P2 口输出为高电平，否则输出为低电平。工作状态下，将 EINTO、EINTl 配置成上升沿和下降沿均触发的外部中断，将EINT2配置成上升沿触发的中断，旋钮按下时EINT2引脚产生上升沿触发中断。2.4 外部中断初始化及中断服务程序的编写 首先必须完成 CPU 的 IO 口和中断的初始化工作，然后再编写中断处理程序。具体分为 4 个步骤：1.初始化 IO 口。在 Port_Init()函数中，将 EINT0 和 EINTl 初始化为上升沿和下降沿均触发的中断。将 EINT2 初始化为上升沿触发的中断。2.添加中断号。在 oalint.h 下添加光电编码器中断向量的宏定义。代码为#define SYSINTR_OED(SYSINTR_FIRMWARE+20)3.添加中断的初始化、禁止、复位等函数，分别在 OEMInterruptEnable()、OEMInterruptDisable()、OEM-InterruptDone()等函数中加入相关代码。4.返同中断标识，由OEMInterruptHandler()函数返回中断标识(SYSINTR_OED)。长春理工大学光电信息学院毕业设计 9 2.5 编写流接口驱动程序 Windows CEnet 把中断处理分成两个部分：中断服务程序(ISR)和中断服务线程(IST)。TSR 通常要求越短、越快越好，它的唯一任务就是返回中断标识。正由于 ISR 很小，只能做少量的处理，因此中断处理器就调用 IST 执行大多数的中断处理。中断服务线程(IST)在从 waitForSingleObject()函数得到中断已经发生的信号前一直保持空闲；当接收到中断信号后，它就在本机设备驱动程序的PDD 层调用子程序，这些程序反过来访问硬件以获得硬件的状态。IST 使用InterruptInitialize()函数来注册自己，然后使用 WaitForSingleObject()函数等待中断信号。如果这时中断信号到来，则应将光电编码器的状态记录下来，保存在变量 OED_Status 中。OED_Status=1 表示旋钮按下，OED_Status=2 表示旋钮逆时针旋转，OED_Status=3 表示旋钮顺时针旋转。这里还有一种比较简单的鉴相规则，具体步骤是，当创建线程时读出 EINTl的电平状态并保存在变量 PreEINTl 中，每次中断到来时首先判断 EINT2 是否为高电平。如果为高电平，则说明按钮按下；如果 EINT2 为低电平，则判断 EINTO电平是否与 PreEINTl 相同。如果相同，则说明旋钮逆时针旋转；反之，旋钮顺时针旋转，判断的流程如图 5 所示。长春理工大学光电信息学院毕业设计 1 0 Windows CE 流接口驱动程序模型要求驱动程序开发者编写 10 个接口函数，针对光电编码器的驱动主要应完成设备初始化和数据读取2 个函数的编写。WindowsCE设备文件名前缀由3 个大写字母组成，操作系统使用这3 个字母来识别与流接口驱动程序相对应的设备。这里定义设备文件名前缀为“OED”(Optical Encoder)，其中设备初始化函数 OED_Init()在 Windows CE 装载驱动程序时用于创建中断事件和中断服务线程。在函数 OED_Read()中将光电编码器的状态(OED_Status)返回。2.6 封装驱动程序并加入到 WinCE 中 根据上述方法编译出动态链接库(DLL)还不够，因为它的接口函数还没有导出，还需要告诉链接程序输出什么样的函数，因此必须建立一个后缀名为 def的文件。在本设计中为 OpticalEnccder.def。下面是此文件的内容：一个具体的流接口驱动程序和注册表是密不可分的。向 WinCE 内核添加注册表项的方法有两种：一种是直接修改 Platform Builder 下的 reg 文件；另一种是自己编写一个注册表文件，通过添加组件的方法将动态链接库文件添加到内核中。这里用第 2 种方法，将 OpticalEncoder.dll 添加到内核中。编写的注册表文件内容如下：长春理工大学光电信息学院毕业设计 1 1 最后编写一个 CEC 文件，完成对定制内核注册表部分的修改并将OpticalEncoderdll 添加到系统内核中去，然后在 Platform Builder 中就可以直接添加已经编写好的驱动程序了。第三章 光电编码器分类及其特点 3.1 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。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。长春理工大学光电信息学院毕业设计 1 2 3.2 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。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。3.3 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。长春理工大学光电信息学院毕业设计 1 3 第四章 光电编码器的结构设计 信号采集部分。信号处理部分组成了编码器依照使用性能。其结构可参见图5，读取狭缝、接收系统、照明、码盘以及轴系和固定结构信号组成了采集部分:信号处理部分由放大整形电路、A 转换电路、采样保持电路、接口电路、微处理器等组成。前者主要是用来进行光电信号与包含所测角度信息的电信号之间的转换。后者的作用是进行光电信号输出格式的转变，将它成数字量后输出。图 5 4.1 光电编码器结构设计原则 光电编码器的主要结构包括:轴系、照明系统组件、零位照明系统、码盘、基板、指示光栅、接收器组件、过渡件等。而其中影响精度的关键结构是轴系、码盘、照明系统和读数头的布置。光电编码器的结构设计包括以下部分:(l)编码器对外输出接口形式的选择 从装配角度分析对外输出接口形式分成两类，一类.是散装式，另一类是整装式。前者没有可供自身使用的独立轴系，因而结构相对简单。他只是在使用者主轴及基板等包括码盘、狭缝、发光器件和接受器件直接固定，因此它的优势是没有轴间误差的影响，可是整体装调!一分不使。通过对二者一的比较，后者结 长春理工大学光电信息学院毕业设计 1 4 构十分繁琐。它的安装需要专属的轴系和可供使用的固定结构，结构尺寸几乎不受外界条件的影响，便于安装调试和拆装卸除。它的不足之处是需要通过用户使用联车!目 y 与整机相互配合相连才能成功安装，所以人为装调固然产生误差较人，设计依据使用要求严格选择轴系日。(2)码盘设计 码盘的设计思路为根据编码器在具体情况!;的技术指标和探讨编码器的使 用要求，以此设计出码盘的具体刻线数、使用精度和刻划类型。丛然在过去绝对 式和增量式是常见的编码类型，主流编码方式是几进制码和循环码。最近的几年 里，人们相继开发研制出矩阵编码、单圈编码等方式。(3)主轴系统及其固定结构设计 存在于主轴系统的回转精度直接影响编码器的读数精度和运行的稳定性。光 电编码器在使用过程中，很有可能遇到强振动和强冲击的情况，为了在这些情况 下保持良好的回转精度，轴系及固定用的基板、接收器架的设计是编码器结构设 计的重点之一。(4)照明及信号接收系统的设计 照明系统要保证提供的光源满足光能量足够和光线的准直性、均匀性、稳定 性优良。接受系统的设计主要是接受元件(读数头)的安装位置的确定。它们的 设计需要综合技术要求和使用环境两方面的因素来分析，根据分析来针对每种器 件的数量和安装位置进行确定，对接受和发光两种器件进行挑选。(5)处理信号系统的设计 处理整个信号系统的运行过程是，将接收到的精码和粗码在模拟信号形态下 经过放大电路、整形电路、滤波电路、采样保持、细分等，最终以数字信号的形 态输出。4.2 主轴系统 精密的回转轴系是光电矩阵编码器的关键部件，是提高光电编码器精度的基 础。主轴系统，也可以直接简单叫轴系，是由三部分即主轴、轴承和相关零件组 成的。码盘和读数头被轴系支撑并固定，轴系还可以牵引码盘做严格匀速的旋转 运动sy，用于保证莫尔条纹的产生，可以实现机械角位移和包含测角信息的光电信号二者间的转换。高精度的光电编码器要实现空间应用，它的轴系必须能够承受使用环境中强 振动和强冲击，并且在空间温度大交变的环境下，保持良好的回转精度。4.2.1 主轴相关的基本原则及概念 在光电编码运行过程中，主轴的回转轴线会晃动，也就是说它的运动不是绕 一固定点转动，而是绕一个小圆、椭圆或多棱圆转动。因此，它会偏离理论上的 长春理工大学光电信息学院毕业设计 1 5 回转轴线。实际的主轴轴线相对理论轴线的偏离程度主要从轴向、径向和角运动 三个方面误差来描述。如图 6 所示。图 6 (1）轴向产生的窜动误差 轴向窜动误差 0 用来衡量评价轴系整体的轴向回转精度。它是主轴回转误 差的纯轴向分量。可以它的大小会使光栅盘和狭缝之间的间隙产生变化，使得信 号幅值的大小产生波动，从而降低测量精度。(2)径向晃动误差 径向晃动误差指的是c 是是轴系的径向回转精度。编码器在运行过程中，主轴旋转时在任意指定位置上主轴的轴心偏离理想轴心的程度，就是我们常说的 回转精度。径向回转精度反映了轴系的定心精度。它的大小可以由主轴回转轴线 的所有径向分量与累计的轴心径向偏移量来表示，即 长春理工大学光电信息学院毕业设计 1 6 从光电编码器精度和分辨率两个角度分析主轴径向晃动误差的影响，主要体 现为:它对粗码和精码二者之间关系的影响:它移动狭缝的位置，从而影响到了 粗精间的关系，这里设粗精间误差Amax，这个值的大小一旦跃出了编码器的正 常校正范围，错码现象产生，很大程度上降低编码器的精度和稳定性。对分辨力的影响:接受器件之所以能够接收到包含各路位置信息的信号，主要归功于莫尔条纹的转换功能。主轴牵引编码偏共同做匀速圆周运动。从而带 动起码盘与狭缝间的相互运动。光线通过编码盘，从狭缝射出，这样莫尔条纹就 产生了。主轴的径向晃动主要影响了莫尔条纹图案的形成，最主要的影响是在一 定程度上促动条纹的宽度变化，也促动了各路信号之间相位间隔，这一点正是降 低编码器的分辨率的主要原因。由莫尔条纹方程式推导出来的能够计算条纹宽度 的表达式为.长春理工大学光电信息学院毕业设计 1 7 4.2.2 主轴系统的分类 由常用的主轴系统分类，主轴的样式琳琅满目，通过各种类轴系的优缺点的比较，如表 1，并且结合矩阵编码器的具体精度和载荷要求进行对比。选择出较理想的矩阵光电编码器的主轴系统。表 1 滑动轴系与标准滚动轴承轴系的比较 针对两种轴系的优缺点的总结可知，它们都不适合用于制造对精度要求较高 的光电编码器。本论文提出了密珠轴系，它将以非标准滚动的主轴系统当做自己的主轴系统，整个主轴系统中的钢球无空隙挨着排列，主轴长时间的稳定的回转精度来工作;由于制造工艺相当复杂，中低位的编码器应多采用单列全滚动轴承轴系。4.2.3 全滚动式轴系 1.密珠轴系 密集滚动轴承的轴系，也可以简单明了的称为密珠轴系。它主要有三部分组 成。这三个部分分别是轴套、主轴、滚珠。这里所说的滚珠是以一定的数量以过 盈配合形式存在的。密珠轴系可以改善主轴的回转精度主要有以下几种原因:a)滚珠之间紧挨着有助于削弱轴心产生偏移量的影响，均化误差;长春理工大学光电信息学院毕业设计 1 8 b)严格要求主轴、轴套、滚珠三者自身的几何形状和尺寸二者的精度;c)滚珠的排列轨迹所组成的图案非常接近于多头螺旋线，滚珠公转的轨迹 相互间不彼此叠加，使滚珠与滚道间的摩擦程度降低;d)滚珠之间紧密配合下，相当于又加了一个载荷，如果发生弹性形变，就 没有了空隙、降低了滚珠之间形位误差对主轴回转精度影响。然而由于密珠主轴系统既要严格要求滚珠的直径误差，又要求精细的调整，给加工和装调带来很大的难度，所以该种轴系一般只出现于高精度仪器中。第五章 精度以及误差分析或者硬件介绍 经过设计，小型光电编码器动态误差检测系统如图7 所示.图 7 图中主要包括:被测光电编码器、基准光电编码器、系统支架、计算机软件和检测箱.其中所设计的所有电路板全部安装在检测装置箱内.5.1 同轴误差测量 为测量被检编码器与基准编码器的同轴误差，在主轴旋转一周的同时，利用千分尺平均测量同轴误差 15 次，测量结果如表 1 所示.长春理工大学光电信息学院毕业设计 1 9 表 2 同轴误差 对表 2 中误差数据求均方差后得到同轴误差为 0.0055mm，同轴误差很小，满足检测要求.5.2 检查实验 检查实验是在对被测编码器检测前，旋转一周，检测被测编码器。位是否存在误差.利用某编码器作为被检编码器，首先利用软件在被测编码器。位位置清除基准编码器数据，完成清 0.然后旋转一周，测量。位位置与基准编码器误差.实验共测得 10 组归 0 误差数据，结果如表 3 所示.表 3 归 0 误差 由于归 0 误差为系统误差，将表 2 中归 0 误差数据取平均得到本系统归 0 误差为一 0.3。5.3 检测重复性实验 利用某编码器完成本装置的重复性实验.实验对该编码器每 30 度进行一次误差检测，共检测 10 组数据，检测结果如表 4 所示.长春理工大学光电信息学院毕业设计 2 0 表 4 重复性实验 表 4 中某编码器的 10 次检测结果可以看出，该设备 10 次检测的误差基本相同，重复性很好。5.4 与传统装置检测结果比较实验 利用传统编码器误差检测系统对某编码器进行误差检测，结果如表 5 所示.表 5 传统检测系统静态误差检测结果 其精度进行计算得精度为 31.84 为验证所设计动态检测系统的准确性，将动态检测系统中的直流电机断电，手动转动被检编码器，每隔 30 度。位置停止并读取被测编码器误差，即可得到该检测系统检测到的静态误差，检测结果如表5 所示.经过计算表 6 中检测结果的精度为 31.88。可见表 4 与表 5 中的检测精度基本相同，误差变化范围相近，说明动态误差检测系统的检测结果正确。长春理工大学光电信息学院毕业设计 2 1 表 6 动态检测系统静态误差检测结果 通过对光电编码器动态误差检测方法的研究，能够在生产研制光电编码器时对光电编码器动态误差进行评估，为在特殊环境下使用的光电编码器提供精度检测，为以后设计制作光电编码器提供参考依据.小型光电编码器动态误差检测系统采用比较法，采用无刷直流电机设计伺服驱动系统，用高实时性、高精度基准编码器对被测编码器进行检测，误差数据通过高速 USB 总线传输到计算机中，进而计算出被测编码器的精度值.检测装置可以完成在。一90 r/min 的转速范围内的动态误差检测.装置具有低成本、便捷化、多样本、快速化、全自动程序化等优点，并且能够用在工作现场对光电编码器进行检测.第六章 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。长春理工大学光电信息学院毕业设计 2 2 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):17-20.6 叶盛祥.光电位移精密测量技术.四川科学技术出版社，新疆科技卫生出版社，2003 年 7 丁伯瑜.新型精密机械零件与部件.国防工业出版社，1990 年 8 汪安民，陈明欣，朱明等.TMS320VC54XxDSP 实用技术.清华大学出版社，2007年们张世铁，艾华，韩旭东.新型光电轴角编码器的发展