多面体塔差及其安装偏心对光电编码器精度检测的影响
陈赟; 高胜英; 韩庆阳; 张晰
【期刊名称】《《光学精密工程》》
【年(卷),期】2019(027)008
【总页数】6页(P1704-1709)
【关键词】光电编码器; 精度检测; 塔差; 偏心
【作 者】陈赟; 高胜英; 韩庆阳; 张晰
【作者单位】中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 吉林 长春 130033
【正文语种】中 文
【中图分类】TP212.12
1 引 言
光电编码器又称光电轴角编码器或光电角位移传感器，是以计量圆光栅为核心元件，把角位置信息通过光通量的变化转换成相应的数字代码，可直接连接计算机，实现数字测量和数字控制的集光、机、电于一体的高精度非接触角度计量传感器[1-5]。它具有分辨率高、精度高、测量范围广、易于维护等优点，因而被广泛应用于雷达、光电经纬仪、地面指挥仪、机器人、数控机床和高精度闭环调速系统等诸多装置中 [6-7]。由于光电编码器的精度直接影响控制系统的精度，因此精度检测是控制光电编码器质量的重要一环。
光电编码器的精度检测分为动态法和静态法。在动态检测方面国外处于领先地位，德国的Heidenhain、俄罗斯和日本的国立高级工业科技研究所等均开展了相关研究。圣彼得堡大学采用基准法，检测精度为0.1″；国立高级工业科技研究所采用比较法，检测精度为0.05″。国内部分科研院所也进行了动态法的研究，但多用于检测低精度光电编码器[8-11]。目前，国内光电编码器的精度检测仍以静态法为主，以高精度自准直仪和多面棱体或高精度的光电编码器为基准进行检测。其中，以高精度光电编码器为基准进行检测，其误差来源主要是被检编码器和基准编码器之间的连接及安装，这种检测方法并不常用，因为要研制一台高精度基准光电编码器需要更高的检测基准。其它静态检测法的误差因素有读数误差、检测环境、多面体塔差和多面体安装偏心。本文主要对多面体的塔差和安装偏心
两种外来误差对编码器精度检测的影响进行分析，并给出了二者作为主要影响因素的条件。
2 塔差和偏心对光电编码器精度检测的影响
多面体检测法是静态法检测光电编码器测角精度的主要方法之一，一般是用高精度自准直仪作为检测工具，通过对安装在光电编码器轴上的多面体作为反射面进行读数，其结构示意图如图1 所示。
图1 多面体检测法示意图Fig.1 Schematic diagram of polyhedron detection method
2.1 自准直仪测试原理
自准直仪一般由光源、物镜、十字分划板、分光棱镜、反射镜、目镜和刻度分划板等组成，如图2所示。光源发出的光线通过位于物镜焦平面上的十字分划板后，经分光棱镜、反射镜2、物镜成为一束平行光射出。若平面反射镜1的反射面垂直于光轴，光线仍按原路返回，经物镜、反射镜2和分光棱镜成像在位于其焦平面上的刻度分划板上，人眼通过目镜进行读数。因此，反射镜1是否垂直光轴会影响测量结果。有的自准直仪的结构和图2有所区
别，但原理类似，不再一一赘述。
图2 自准直仪原理Fig.2 Principle diagram of autocollimation
2.2 塔差对光电编码器精度检测的影响
塔差通常指棱镜的各个工作面对某一公共假想面垂直度的偏差[12-13]。在多面体法检测光电编码器精度时，塔差有两种，一种是多面体自身的固有塔差，即每个面对底面的角误差，可以通过修正的方式进行消除；一种是随机塔差，即多面体本身和多面体放置面之间的不垂直度，这是本文中要分析的。若反射镜1不垂直光轴，和光轴有一个α角，由图3可知，十字线的反射光线有2α的偏角，在目镜中的十字线像将对刻度分划板有一个距离y。α角和距离y的关系式如下：
y=2f′·α，
(1)
其中：f′为物镜焦距，α为平面反射镜倾斜角度(rad)。
图3 塔差影响的光路图Fig.3 Impact of pyramidal error on light path
在光电编码器精度检测过程中，图2中的平面反射镜1由多面体代替(见图1)，多面体的塔差(即倾角)引起的十字分划板像移会沿x轴左右移动，而检测光电编码器精度时，读数是沿y轴读数(图2中的测微鼓轮旋转90°)，因此，塔差对光电编码器精度检测没有影响。但检测光电编码器精度时需要调整多面体的塔差，一般控制在5′左右，目的是使十字线在视场范围内的位置不变，减少读数误差。若检测光电编码器精度时，读数是沿x轴读数，多面体的塔差是影响编码器精度的一个主要因素。
2.3 偏心对光电编码器精度检测的影响
多面体旋转中心和编码器旋转中心由于安装无法重合而有一定的偏离量，称为多面体安装偏心[14]。如图1所示，光电编码器精度检测时，多面体放在工装上，而工装直接和光电编码器的轴连接在一起，多面体在实际安装时，由于加工的原因，无法使自身的旋转中心和光电编码器的旋转中心重合。当转过180°时，多面体的直径P′Q′并不落在直径PQ上，而有一段距离2e，即光电编码器转动，虽然主轴转过180°，但读数却不是180°，而是180°+Δθ，因而不能正确地反应主轴的实际转角，其读数误差为：
Δθ=360°·e/πR0，
(2)
其中：Δθ为读数误差，e为偏心量，R0为多面体直径。
图4 偏心原理示意图Fig.4 Schematic diagram of decentration principle
因此，当多面体放置存在偏心时，误差Δθ会引起自准直仪内的十字分划板像沿y轴移动，而光电编码器精度值是沿y轴读数，从而造成检测精度误差，而对沿x轴读数的精度测量方式理论上会造成误差。若想去除因多面体安装偏心引起的误差，需要在对径再放置一台自准直仪，多面体必须为偶数面，这样可以同时读取两组数据：
(3)
(4)
其中：y1为自准直仪1的读数，y2为自准直仪2的读数，Δy为偏心引起的读数误差。
以上两式获得的是偏心对读数的影响，两式相加便可以消除Δy。这就证明，采用双边读数可以消除偏心带来的误差，但实际操作中会增加工作量和装调难度，这也是光电编码器精度检测目前只采用单个自准直仪读数的原因。
3 实 验
按照上述分析，对某型号的21位绝对式光电编码器进行了精度检测，检测设备采用型号为MC030-1401双向精密自准直仪，读数方式为沿y轴读数即垂直于塔差引起的出差方向，多面体采用23面体，如图5所示。由于塔差和安装偏心在实际检测过程无法消除，只能调整到检测结构的最佳位置，表2第二列是塔差和偏心都是该结构下的最佳数值。为了比较明显地分析塔差和偏心对检测精度的影响和读数方式有关，在MC030-1401视场范围内，最大限度地加大塔差和偏心。表2第二列是在塔差为2.5′、偏心为0.01 mm的条件测得的精度值，第三列是在塔差为100′、偏心为0.01 mm的条件测得的精度值，第四列是在塔差为2.5′、偏心为0.4 mm的条件测得的精度值。
图5 编码器精度检测实物图Fig.5 Physical map of photoelectric encoder detection
通过图6和表2可以看出，在沿自准直仪y轴方向读数时，多面体安装偏心引起的误差为11.3″，是最佳状态下的2倍多，远远大于塔差对光电编码器精度造成的影响。为了提高检测效率，在该读数方式下仅精调多面体安装偏心即可。
图6 光电编码器精度检测数据对比Fig.6 Comparison of photoelectric encoder detection data表2 光电编码器精度检测数据Tab.2 Detection data of photoelectric absolute encoder
面数误差/(″)误差/(″)误差/(″)10.00.00.021.01.0-2.732.1-0.4-2.840.2-1.0-4.151.6-0.3-6.56-0.1-1.4-6.970.01.2-4.981.42.6-1.790.52.4-1.3101.21.9-3.1112.61.30.1121.4-1.11.4131.80.61.2140.9-1.60.9152.10.33.4160.70.73.2171.30.04.4182.71.53.3190.11.24.4201.80.63.1210.50.53.6220.5-0.71.123-0.7-0.71.7VP-P3.44.211.3
4 结 论
本文理论分析了多面体塔差及其安装偏心对自准直仪读数造成的影响，并给出采用静态法检测光电编码器精度的过程中，二者对光电编码器精度检测结果的影响，得出了多面体塔
差和安装偏心对光电编码器精度检测结果的影响和采用何种方式读取自准直仪数值有关。实验结果表明，在垂直塔差的方向上读数，塔差对检测数据的影响极小，而偏心对检测精度的影响是检测机构最佳状态下的2倍多。根据读数方式放宽塔差或多面安装偏心，在光电编码器检测数据影响极小的情况下，检测效率可以提高25%以上，对批量检测起到一定的指导作用。
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