小型編碼器動態精度檢測的安裝誤差控制

張洪波，萬秋華，王樹潔，于　海，梁立輝

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學院大學，北京 100049)

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小型編碼器動態精度檢測的安裝誤差控制

張洪波1，2，萬秋華1*，王樹潔1，于海1，梁立輝1

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學院大學，北京 100049)

研究了小型編碼器動態檢測過程中由編碼器與基準編碼器軸系中心線不完全重合產生的偏角導入的安裝誤差，以便提高編碼器檢測裝置的準確性和可靠性。分析了安裝誤差對被檢編碼器檢測精度的影響，推導出了存在安裝偏角時引入的安裝誤差公式及其控制范圍公式。為了使編碼器的動態檢測能準確地反映編碼器的實際精度，給出了最大偏角值αmax及高度差Dmax的允許范圍。使用現有21位檢測裝置對15位被檢編碼器進行了檢測實驗，分別對安裝良好、小偏角和大偏角情況下的測量結果和安裝誤差曲線進行了比較和分析。結果表明：檢測15位編碼器時，將安裝偏角值控制在0.36°以下可滿足動態精度檢測要求。本文提出的誤差公式及控制方法可以運用在不同類型、不同精度的編碼器檢測過程中，對提高小型光電編碼器動態檢測的精度和可靠性很有意義。

編碼器；動態精度檢測；安裝偏角；誤差控制

1　引　言

光電編碼器是一種光機電一體的角度傳感器，它以高精度光柵為測量元件，將旋轉角度實時地轉換成數字信號，具有體積小、重量輕、穩定性好等優點，被廣泛運用于航空航天等各個領域[1-2]。隨著航空航天及科技的發展，各科研單位對編碼器的精度要求越來越高，在編碼器出廠前，必須對編碼器動態精度進行檢測。編碼器的動態誤差，主要來源于光柵刻劃誤差、軸系回轉誤差、裝調誤差和電路誤差等[3-8]。國內外眾多學者和研究單位都對編碼器檢測裝置進行了研究[8-17]，但大多是孤立的分析檢測裝置的精度或被測編碼器的誤差來源，而對編碼器誤差檢測結果的準確度分析較少。在小型編碼器動態檢測過程中，檢測結果中會不可避免的引入安裝誤差，由于基準編碼器及被測編碼器的精度都較高，安裝誤差是不可忽略的。在很多情況下，引入的安裝誤差成為影響編碼器測試準確度的主要因素之一[18]，決定了檢測結果的有效性。

本文對檢測結果中的安裝誤差進行了分析，推導了安裝誤差的計算公式及控制范圍。并以15位編碼器檢測為例，進行了實驗驗證。所提出的誤差公式及控制范圍可以運用在多種類型多種精度的編碼器檢測過程中。對提高小型光電編碼器動態精度檢測的準確性和可靠性具有重要意義。

2　小型光電編碼器動態誤差檢測裝置

光電編碼器檢測可分別靜態精度檢測和動態精度檢測。對于少量、高精度編碼器的標定，多使用靜態檢測法，此類檢測方法精度高，但效率較低；對于低精度編碼器的批量檢測，大多采用動態檢測法，此類方法的檢測過程更符合被檢編碼器的實際使用情況，因此動態檢測結果也更具有參考價值，檢測效率也比靜態檢測要高。目前動態檢測方法中，被廣泛采用的方法是使用高精度編碼器對低精度編碼器進行檢測，檢測裝置原理如圖1所示。

圖1　小型編碼器動態檢測裝置原理

編碼器檢測裝置主要由被測編碼器、基準編碼器、驅動電機、數據處理系統、計算機、支架及聯軸節等組成。檢測裝置通過上下貫穿的主軸將電動機、基準編碼器、被測編碼器同軸連接。由電動機帶動兩編碼器同步旋轉。

該裝置有2個軸系聯結位置，分別是電機和基準編碼器的聯結，以及基準編碼器與被檢編碼器的聯結。因為基準編碼器多采用高精度密珠軸系，軸系剛度大，電機與基準編碼器的聯結誤差較小，不會傳遞到最終結果中。而基準編碼器與被檢測編碼器同軸誤差會降低檢測精度，對檢測結果產生較大影響。

3　安裝誤差控制范圍的推導計算

3.1偏角誤差分析

被測編碼器與基準編碼器之間通過彈性膜片聯軸節聯結，在安裝過程中會不同程度的存在軸系安裝不對中的情況。軸系安裝不對中主要分為平行不對中、角度不對中、以及綜合不對中。在使用過程中，平行不對中和綜合不對中會轉化成角度不對中情況[19]，因此主要分析推導角不對中的情況。圖2所示為角度不對中示意圖。

圖2　角不對中示意圖

設主動軸轉過的角度為φ1，從動軸轉過的角度為φ2，不對中角度為α。將從動軸轉角向主動軸投影得：

tanφ1=tanφ2cosα.

(1)

在存在角度不對中的情況下，基準編碼器和被測編碼器旋轉一周時，只有在主動軸轉角為0°、180°和360°時刻，從動軸瞬時轉角與主動軸相等。令φ2=φ1+Δ，其中Δ為任意時刻引入的角度誤差，則：

tanφ1=tan(φ2-Δ).

(2)

聯立式(1)，(2)可得：

(3)

式(3)就是存在角度不對中情況下在任意位置時刻基準編碼器與被測編碼器轉過角度的差值公式，在編碼器檢測過程中，這部分差值就是由安裝偏角引入的誤差。其誤差曲線如圖3所示。

圖3　不同偏角誤差曲線

圖中x軸為被測編碼器轉角位置φ2，y軸為偏角α，z軸為誤差值Δ。由式(3)和圖3可以看出：在偏角值α固定不變時，安裝誤差Δ與從動軸轉角位置φ2呈正弦關系，周期為π，其值在nπ/2處為0，在(2n+1)/4處達到最大值Δmax，(n=1，2，3，…)。且：

(4)

式(4)就是存在角不對中情況下，引入的安裝誤差的最大值。

3.2安裝誤差控制

編碼器檢測過程中，需要將被測編碼器安裝在檢測臺上，如圖4所示。

圖4　編碼器安裝偏角示意圖

基準編碼器軸方向為Axe1，被測編碼器軸的方向為Axe2，偏角值為α，被測編碼器法蘭盤直徑長度為L，法蘭邊緣到檢測臺的距離最大值和最小值分別為dmax，和dmin，則安裝偏角為：

(5)

其中：D=dmax-dmin為法蘭安裝高度差。

設編碼器的分辨力為ξ，為保證編碼器檢測的有效性，需要控制引入的安裝誤差值小于編碼器分辨力的1/2，即ξ/2，帶入式(3)得：

(7)

因偏角誤差值在φ2=nπ/4 時達到最大值，帶入式(7)，可得到允許的最大偏角值為：

(8)

把αmax帶入式(5)得到允許的最大高度差：

(9)

由式(8)、(9)可以計算出針對不同分辨力編碼器檢測時，所允許的最大偏角值及安裝高度差。

4　實驗與分析

圖5所示為小型光電編碼器動態檢測裝置。實驗使用的基準編碼器為中科院長春光機所生產的某21位光電編碼器，經過誤差補償，其精度優于2″，在8 r/s以下能夠實現數據輸出。被檢編碼器精度σ>10″，數據輸出為15位，分辨力為40″，被測編碼器法蘭盤的長度L=50 mm。根據安裝誤差應小于編碼器分辨力1/2的原則，安裝誤差應控制在20″以內，帶入式(8)、(9)，可以得到αmax=0.36°，Dmax=0.31 mm。

圖5　小型編碼器動態檢測裝置

圖6　安裝良好情況下誤差曲線

圖7　安裝偏角為0.36° 時的誤差測量曲線

圖8　安裝偏角為0.5° 時的誤差測量曲線

此時的測得編碼器誤差均方根為102.4″，比實際編碼器誤差大45″左右。安裝偏角曲線與被檢編碼器誤差曲線變化趨勢相近，但誤差曲線峰值明顯高于引入的偏角誤差，這是因為在安裝偏差較大時，附加振動加強，進一步增大了測得的誤差。由于此時安裝誤差嚴重降低了檢測結果的準確性，檢測得到的編碼器誤差明顯大于編碼器的實際值，此時的動態檢測結果已經失去了意義。

4　結　論

本文分析了安裝誤差對被檢編碼器精度的影響，推導出了存在安裝偏角時引入的安裝誤差公式及其控制范圍公式。為了使編碼器的動態檢測能準確的反映編碼器的實際精度，給出了允許的最大偏角值αmax及高度差Dmax的允許范圍。以21位基準編碼器檢測15位編碼器為例，分別對安裝良好、小偏角及大偏角情況進行了比較、分析。實驗結果表明：在偏角值α<αmax、安裝高度差Dαmax、高度差D>Dmax時，由于安裝誤差的存在，測量誤差明顯高于被測編碼器實際誤差值，使檢測結果失去參考價值。

推導出的小型編碼器動態精度檢測安裝誤差及其控制范圍公式，對編碼器動態誤差檢測的準確性和可靠性的提高具有實際意義。

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張洪波(1988-)，男，遼寧丹東人，博士研究生，2010年于中南大學獲得學士學位，主要從事編碼器檢測裝置結構設計方面的研究。E-mail：weiyiweiguang@sina.com.cn

萬秋華(1962-)，女，吉林長春人，博士，研究員，博士生導師，1984年于長春光機學院獲得學士學位，2009年于中國科學院長春光學精密機械于物理研究所獲得博士學位，主要從事光電位移精密測量及高精度編碼器等方面的研究。E-mail：wanqh@ciomp.ac.cn

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Installation error control of dynamic measurement for small photoelectric encoder

ZHANG Hong-bo1，2， WAN Qiu-hua1*，WANG Shu-jie1， YU Hai1， LIANG Li-hui1

(1.ChangchunInstituteofOptics，FineMechanicsandPhysics，ChineseAcademyofSciences，Changchun130033，China；2.UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049，China)

*Correspondingauthor，E-mail：wanqh@ciomp.ac.cn

The installation errors leaded by deflections from two axes of a measured encoder and a reference encoder were researched in the process of dynamic measurement to improve the accuracy and reliability of photoelectric encoders. The effect of installation errors on measurement accuracy of the measuring accuracy of the measured encoder was analyzed and the installation error formula and a error control range formula were derived. To reflect the actual measuring accuracy of the encoder by encoder dynamic measurement, the allowed ranges of the maximum deflectionαmazand the maximum height differenceDmaxwere given. The measurement experiments were performed based on a 21 bit reference encoder to measure 15 bit encoders, and measuring results and error curves were compared and analyzed under conditions of little, small, and severe deflections. Experimental results show that the installation deflection should be controlled lower than 0.36° for ensuring the measurement effectiveness of 15 bit encoders, The error formula and error control strategy proposed in this paper can be applied to different kinds of measurement systems with different accuracies and they have a great value to improve the accuracy and reliability of photoelectric encoder measurement.

photoelectric encoder; dynamic measurement; installation misalignment; error control

2015-11-12；

2015-12-13.

中國科學院知識創新工程資助項目

1004-924X(2016)07-1655-06

TP212.12；TN762

Adoi:10.3788/OPE.20162407.1655