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运动控制

禹衡光学高精度绝对式编码器的研发与应用

  2021年07月16日  

  一、 概述

  随着我国机床、伺服电机行业的迅速发展,对伺服电机的转速、精度、及功能作用要求越来越高,而伺服电机的这些功能主要取决于编码器的精度,需要编码器有更高的采样精度和数据位数。由于绝对值编码器在编码器内部所有位置值在编码生成后,其量程内所有的位置均有一一对应的代码(二进制、BCD代码)输出,从代码的大小变更,可以判定电机主轴的旋转方向,绝对值编码器由机械位置决定每个位置的唯一性,它无需记忆,无需找参考点,而且不用一直计数,什么时候需要知道位置什么时候就去读取它的位置,这样大大增强了编码器的抗干扰性能。这使绝对式编码器在数控机床及伺服电机领域得到广泛的应用。而高精度、高位数的绝对式编码器在我国之前一直是处于空白状态,极大的影响了我国数控机床的发展。

  此前国内绝对式编码器精度均落后于国际先进水平,不能满足国内及国际市场的需求,从技术上分析主要表现在以下三方面:1、没能掌握设计制造软硬件核心技术,技术性能指标落后;2、对于提高产品可靠性的研制还没能展开;3、未实现绝对式脉冲编码器产业化制造,也未打破国际壁垒。

  为此长春禹衡光学有限公司申请了“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项课题,并联合华中科技大学、哈尔滨理工大学、沈阳第一车床厂、武汉华大电机 、上海开通数控、广州凯恩帝数控 、海诚跃电气、珠海市怡信测量等公司共同开展高精度、高分辨力绝对式光栅旋转编码器的研制,通过对绝对式编码器的整体结构设计优化、性能分析、集成化信号处理的重新设计、整机装配工艺的改善等核心任务的公关,长春禹衡光学有限公司完成了HKD-2高精度、高转速绝对式编码器的设计与制造,取得了包括3项发明专利在内的8项专利。在由中国机床工具工业协会组织开展的2018年度“自主创新十佳”和“产品质量十佳”活动中获奖,并在刚刚结束的CIMT2019展会现场隆重举行了颁奖仪式。HND-2的成功研制,弥补了我国高精度绝对式编码器的空白,满足了高档数控机床的配套要求,打破了国际壁垒,大大提升了我国数控机床的发展水平,目前该产品已经实现了批量生产。图1为HND-2绝对式编码器的外观图。

  二、 产品性能介绍

  HND-2是一款高精度适用于高转速主轴的绝对式编码器,主轴采用采用“台阶轴”设计,无需挡圈,提高轴系可靠性和抗负载能力。轴承使用轴承钢+耐高温润滑脂,可以保证轴系在120℃、10000r/min的条件下长时间稳定工作;可提高轴系的使用寿命一倍左右。主体轴承孔增加“轴肩”设计,提高轴系的可靠性和抗负载能力。轴系设计中,创新开发了具有专利技术的曲路密封设计(ZL 2014 2 0230953.2):主体和光栅盘坐装配后,形成一个狭长的沟回:防止在高速情况下,轴承润滑脂甩到编码器内部,提供产品的可靠性。

  为提高编码器的分辨率和信号稳定性。长春禹衡光学有限公司采用相位阵技术,可自动矫正误差,使编码器的波形和相位不受光栅摆动、干扰、光栅污染、光衰减等诸多因素变化而改变,进一步提高了编码器的使用寿命和稳定性。

  同时在原有的BISS协议和SSI协议的基础上,长春禹衡光学有限公司采用自主开发的CPE接口并按其总线标准实现编码器数据高速串行传输,CPE总线标准规定了位移编码器CPE-Bus总线(Communication Protocol of Encoder Bus,编码器通信协议总线)的体系结构、物理层、协议层,确立了用于编码器双向串行数据通信传输的一般原则及包含应用CPE-Bus进行编码器数据传输而制定的基于RS485的通信协议规,这种方式连接线少、传输距离远、有数据校验机制,其可靠性和实时性能得到保证,实现系统与编码器之间的高分辨率数据的实时交换。CPE协议是我国编码器行业第一个串行通信标准协议,该协议将成为我国编码器的行业标准。

  主要计数指标为如下:

  绝对式输出形式:二进制;

  分辨力:单圈17位以上、多圈12位以上;

  时钟频率:4MHz以上;

  增量输出波形(附加功能):Sinus-Cosinus 1Vpp,1024线以上;

  最大机械转速:10000rpm以上;

  防护等级:具有防水、防油、防尘能力,IP54以上(封闭式编码器);

  工作温度:-40℃~+125℃;

  储存温度:-55℃~+130℃;

  支持2种及以上的国际主流的编码器数据传输总线接口协议。开发1种自主知识产权的绝对式编码器全双工或半双工同步串行数据传输总线接口协议;

  本公司所研发的高精度绝对式编码器HND-2与多摩川同类产品对比具有以下优势:

  1、温度系数稳定:金属本体;适用范围宽:板簧的形状、尺寸可选;

  2、输出位数可选,可同时输出正余弦信号;

  3、准确度高,且温度特性好

  4、同步串行协议,传输效率高;

  5、功耗低;

  6、防护等级高;

  7、抗污染能力强;

  8、发光管抗老化性强,采用发光补偿技术;

  9、使用温度范围宽。

  已经达到了国际前沿产品的技术水平。

  三、 关键技术

  高精度、高转速绝对式编码器的技术难点主要体现在两方面:

  一方面,光电信号的转换处理,编码器在工作时,光电信号的准确转换决定了编码器精度。光电信号在转换时的精度受光源、光栅的刻划精度或方式、光电传感器接收芯片所影响,因此需要稳定的良好的光源、优化设计的高刻画精度光栅以及高性能的光电接收器。

  本公司创新使用同时输出模拟信号和数字信号的光电传感器接收芯片,并获得了国家实用新型专利(专利号ZL 2013 2 0611508.6),另一方面,编码器的可靠性设计,编码器的可靠性越高,信号精度受外界环境的影响越小,使用寿命也会提高。需要对编码器的功耗、整体密封结构、电磁兼容性、软件设计的可靠性等进行提高。

  本公司在线路上,电源入口处和信号输出端口放置TVS管,可以吸收浪涌,起到对电路的保护作用,同时PCB板采用多层板设计,进行合理区分模拟地和数字地,提高PCB板的抗干扰能力。同时本公司创新采用电子式多圈编码器计圈的低功耗电路设计,并获得国家发明专利(专利号:ZL 2014 1 0197583.1)。

  四、 成果及应用推广

  几年来,我国机床及伺服行业的迅速发展,导致市场对高精度绝对式编码器的需求旺盛,然而我国高精度绝对式编码器的空白,完全依赖于进口编码器,由于进口编码器的价格昂贵,极大的限制了我国数控机床行业的发展,长春玉衡光学有限公司研发的HND-2高精度绝对式编码器属国内第一台,填补了国内高精度绝对式编码器的空白,打破了国内的垄断和制约,提升我国高档数控机床的竞争力。

  本课题成功研发的高精度绝对式编码器已成功用于武汉华大新型电机科技股份有限公司,精度均达到大型数控机床产品的技术要求。

  通过本课题的研究,使我国高精度绝对式编码器的技术的到了突破发展,达到了世界领先水平,同时增强了我国高、精、尖装备的创新能力,作为国内编码器设计生产制造商的先驱者,长春禹衡光学义不容辞继续做好技术的创新,同时增强国内编码器的市场竞争力。

(本文作者:长春禹衡光学有限公司 王庆贺、于海洋、董岩)

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