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                  禹衡光學高精度絕對式編碼器的研發與應用

                    2021年07月16日  

                    一、 概述

                    隨著我國機床、伺服電機行業的迅速發展,對伺服電機的轉速、精度、及功能作用要求越來越高,而伺服電機的這些功能主要取決于編碼器的精度,需要編碼器有更高的采樣精度和數據位數。由于絕對值編碼器在編碼器內部所有位置值在編碼生成后,其量程內所有的位置均有一一對應的代碼(二進制、BCD代碼)輸出,從代碼的大小變更,可以判定電機主軸的旋轉方向,絕對值編碼器由機械位置決定每個位置的唯一性,它無需記憶,無需找參考點,而且不用一直計數,什么時候需要知道位置什么時候就去讀取它的位置,這樣大大增強了編碼器的抗干擾性能。這使絕對式編碼器在數控機床及伺服電機領域得到廣泛的應用。而高精度、高位數的絕對式編碼器在我國之前一直是處于空白狀態,極大的影響了我國數控機床的發展。

                    此前國內絕對式編碼器精度均落后于國際先進水平,不能滿足國內及國際市場的需求,從技術上分析主要表現在以下三方面:1、沒能掌握設計制造軟硬件核心技術,技術性能指標落后;2、對于提高產品可靠性的研制還沒能展開;3、未實現絕對式脈沖編碼器產業化制造,也未打破國際壁壘。

                    為此長春禹衡光學有限公司申請了“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項課題,并聯合華中科技大學、哈爾濱理工大學、沈陽第一車床廠、武漢華大電機 、上海開通數控、廣州凱恩帝數控 、海誠躍電氣、珠海市怡信測量等公司共同開展高精度、高分辨力絕對式光柵旋轉編碼器的研制,通過對絕對式編碼器的整體結構設計優化、性能分析、集成化信號處理的重新設計、整機裝配工藝的改善等核心任務的公關,長春禹衡光學有限公司完成了HKD-2高精度、高轉速絕對式編碼器的設計與制造,取得了包括3項發明專利在內的8項專利。在由中國機床工具工業協會組織開展的2018年度“自主創新十佳”和“產品質量十佳”活動中獲獎,并在剛剛結束的CIMT2019展會現場隆重舉行了頒獎儀式。HND-2的成功研制,彌補了我國高精度絕對式編碼器的空白,滿足了高檔數控機床的配套要求,打破了國際壁壘,大大提升了我國數控機床的發展水平,目前該產品已經實現了批量生產。圖1為HND-2絕對式編碼器的外觀圖。

                    二、 產品性能介紹

                    HND-2是一款高精度適用于高轉速主軸的絕對式編碼器,主軸采用采用“臺階軸”設計,無需擋圈,提高軸系可靠性和抗負載能力。軸承使用軸承鋼+耐高溫潤滑脂,可以保證軸系在120℃、10000r/min的條件下長時間穩定工作;可提高軸系的使用壽命一倍左右。主體軸承孔增加“軸肩”設計,提高軸系的可靠性和抗負載能力。軸系設計中,創新開發了具有專利技術的曲路密封設計(ZL 2014 2 0230953.2):主體和光柵盤坐裝配后,形成一個狹長的溝回:防止在高速情況下,軸承潤滑脂甩到編碼器內部,提供產品的可靠性。

                    為提高編碼器的分辨率和信號穩定性。長春禹衡光學有限公司采用相位陣技術,可自動矯正誤差,使編碼器的波形和相位不受光柵擺動、干擾、光柵污染、光衰減等諸多因素變化而改變,進一步提高了編碼器的使用壽命和穩定性。

                    同時在原有的BISS協議和SSI協議的基礎上,長春禹衡光學有限公司采用自主開發的CPE接口并按其總線標準實現編碼器數據高速串行傳輸,CPE總線標準規定了位移編碼器CPE-Bus總線(Communication Protocol of Encoder Bus,編碼器通信協議總線)的體系結構、物理層、協議層,確立了用于編碼器雙向串行數據通信傳輸的一般原則及包含應用CPE-Bus進行編碼器數據傳輸而制定的基于RS485的通信協議規,這種方式連接線少、傳輸距離遠、有數據校驗機制,其可靠性和實時性能得到保證,實現系統與編碼器之間的高分辨率數據的實時交換。CPE協議是我國編碼器行業第一個串行通信標準協議,該協議將成為我國編碼器的行業標準。

                    主要計數指標為如下:

                    絕對式輸出形式:二進制;

                    分辨力:單圈17位以上、多圈12位以上;

                    時鐘頻率:4MHz以上;

                    增量輸出波形(附加功能):Sinus-Cosinus 1Vpp,1024線以上;

                    最大機械轉速:10000rpm以上;

                    防護等級:具有防水、防油、防塵能力,IP54以上(封閉式編碼器);

                    工作溫度:-40℃~+125℃;

                    儲存溫度:-55℃~+130℃;

                    支持2種及以上的國際主流的編碼器數據傳輸總線接口協議。開發1種自主知識產權的絕對式編碼器全雙工或半雙工同步串行數據傳輸總線接口協議;

                    本公司所研發的高精度絕對式編碼器HND-2與多摩川同類產品對比具有以下優勢:

                    1、溫度系數穩定:金屬本體;適用范圍寬:板簧的形狀、尺寸可選;

                    2、輸出位數可選,可同時輸出正余弦信號;

                    3、準確度高,且溫度特性好

                    4、同步串行協議,傳輸效率高;

                    5、功耗低;

                    6、防護等級高;

                    7、抗污染能力強;

                    8、發光管抗老化性強,采用發光補償技術;

                    9、使用溫度范圍寬。

                    已經達到了國際前沿產品的技術水平。

                    三、 關鍵技術

                    高精度、高轉速絕對式編碼器的技術難點主要體現在兩方面:

                    一方面,光電信號的轉換處理,編碼器在工作時,光電信號的準確轉換決定了編碼器精度。光電信號在轉換時的精度受光源、光柵的刻劃精度或方式、光電傳感器接收芯片所影響,因此需要穩定的良好的光源、優化設計的高刻畫精度光柵以及高性能的光電接收器。

                    本公司創新使用同時輸出模擬信號和數字信號的光電傳感器接收芯片,并獲得了國家實用新型專利(專利號ZL 2013 2 0611508.6),另一方面,編碼器的可靠性設計,編碼器的可靠性越高,信號精度受外界環境的影響越小,使用壽命也會提高。需要對編碼器的功耗、整體密封結構、電磁兼容性、軟件設計的可靠性等進行提高。

                    本公司在線路上,電源入口處和信號輸出端口放置TVS管,可以吸收浪涌,起到對電路的保護作用,同時PCB板采用多層板設計,進行合理區分模擬地和數字地,提高PCB板的抗干擾能力。同時本公司創新采用電子式多圈編碼器計圈的低功耗電路設計,并獲得國家發明專利(專利號:ZL 2014 1 0197583.1)。

                    四、 成果及應用推廣

                    幾年來,我國機床及伺服行業的迅速發展,導致市場對高精度絕對式編碼器的需求旺盛,然而我國高精度絕對式編碼器的空白,完全依賴于進口編碼器,由于進口編碼器的價格昂貴,極大的限制了我國數控機床行業的發展,長春玉衡光學有限公司研發的HND-2高精度絕對式編碼器屬國內第一臺,填補了國內高精度絕對式編碼器的空白,打破了國內的壟斷和制約,提升我國高檔數控機床的競爭力。

                    本課題成功研發的高精度絕對式編碼器已成功用于武漢華大新型電機科技股份有限公司,精度均達到大型數控機床產品的技術要求。

                    通過本課題的研究,使我國高精度絕對式編碼器的技術的到了突破發展,達到了世界領先水平,同時增強了我國高、精、尖裝備的創新能力,作為國內編碼器設計生產制造商的先驅者,長春禹衡光學義不容辭繼續做好技術的創新,同時增強國內編碼器的市場競爭力。

                  (本文作者:長春禹衡光學有限公司 王慶賀、于海洋、董巖)

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