光电分体式编码器在伺服电机上的安装研究与应用

光电分体式编码器在伺服电机上的安装研究与应用

胡安永陈有文金东

珠海凯邦电机制造有限公司    广东珠海 519000

摘要：伺服电机作为电机领域的重要产品，被广泛地用于机器人、机床、非标设备等领域，编码器作为伺服电机的核心部件，其安装、调试质量结果对伺服电机的质量可靠性尤为关键，长期可导致电机失效。基于编码器安装对伺服电机的重要性，本文对光电编码器在伺服电机上的安装应用进行了研究，并提出一些安装保障对策，以提升光电编码器的安装精度。

关键词：光电；分体式编码器；伺服电机；研究应用

引言

伺服电机的安全运行是机器人等设备的重要内容，伺服电机一旦出线故障，会对使用设备等造成运转威胁，造成经济损失甚至安全威胁隐患，因此，伺服电机运行的可靠性尤为重要[1-2]。编码器是伺服电机的核心部件，编码器的安装精度差，可导致电机驱动系统过程的异常，从而使伺服电机发生故障，伺服电机产品结构的形位精度、电机转轴的运转跳动是保证编码器安装精度的基础，伺服电机安装编码器主体部位结构的形位精度，直接影响主体上PD的信号检测的精度，而电机转轴跳动精度则是直接编码器码盘部位的精度，编码器的主体与码盘的相对位置精度，是决定安装精度的重要因素，因此，提升伺服电机安装编码器主体部位结构的安装精度与轴伸的轴跳是保障编码器安装精度的主要对策。

1 光电编码器的安装原理

光电编码器，又称光电角位置传感器。是集成光—机—电为一体的数字测角装置，主要是以高精度计量光栅为检测元件，通过光电转换，将轴的机械角位移信息转换成相应的数字代码，用它可以实现角位移、角速度、和角加速度及其他物理量的精确测量，输出信号与计算机相连接，不仅能够实现数字测量与数字控制,而且与其他同类用途的传感器相比，具有精度高、测量范围广、使用可靠、易于维护等优点。因此已普遍应用在雷达、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领域，是自动化设备理想的角度传感器[3-4]。

图1光电编码器原理图                      图2光电信号产生流程

如图1和图2，点光源（LED）发出的光经过透镜（Lens）的折射变成准直的平行光，通过光栅和码盘，照射到光电接受器上，如果码盘发生转动，光线就会把码盘转动的情况反应到接受器上，接受器会把这些光信号转换成电信号输出，从而以电脉冲的形式反应出物理的运动量（位移、角速度、加速度）。

2 分体式光电编码器的安装应用

2.1分体式光电编码器的安装流程

分体式光电编码器常用于伺服电机场合，码盘部件安装于电机轴伸，编码器主体则安装于电机的后端盖，其主要流程见下图3：

                          图3 安装流程

2.2编码器的安装异常

编码器的安装中，其主要难点是编码的安装信号检测，以多摩川分体式编码器为例，在安装的过程中，需要先用指针测量0,6两点信号，示波器显示正弦波，当两组波形的相位差≤0.3v且两组B波信号的交叉点刚好与A波信号的顶峰在一条直线上，则调试合格，其次，用指针测量C，10两点信号，示波器显示矩形波，黄色波形与绿色波形之间的间距即为间隔时间，当两组矩形波的间隔时间≥50μs时，波形则调整至合格状态，编码器测试仪不报警；矩形波形在监控时不能有任何残影、毛刺存在，测试时间需大于8S，观察时需要将示波器连续按三次暂停键，观察每次暂停后屏幕上的每一个波形均要满足这一要求。

在实际安装过程中，常常出现波形信号不符合要求、编码器调试盒报警等异常，造成编码器无法正常安装。

图4异常波形1     图5 异常波形2     图6 异常波形3    图7 测试仪报警

2.3异常的研究分析与对策

2.3.1安装标准

对于编码安装报警异常，基于编码器的安装手册要求，核对技术图纸，对电机安装尺寸和控制要求主要提出了以下2点要求：

1、电机后轴端轴伸跳动要求≤0.01mm；

2、电机后端盖安装凸台同轴度要求≤0.01mm，垂直度≤0.03mm。

                                图8 标注要求

2.3.2数据检测

对生产数据统计追踪，批次生产40台，其中编码器信号波形调试不良11台，合格率72.5%，对于11台不良检测其后轴端和编码器安装位置的安装精度，数据见如下表1：

表1 不良检测数据

基于数据分析，电机后轴跳动较为良好，符合0.01mm以内标准，电机后端盖凸台的同轴度与后端盖平面的垂直度较差，超出标准要求较多。

2.3.3验证及对策

核实电机零部件的要求，前端盖机壳止口与轴承室的同轴度与垂直度为0.025mm，后端盖的凸台与端面与轴承室的同轴度与垂直度也为0.025mm，电机装配后存在累计误差，很难控制编码器安装部位的凸台同轴度与端面垂直度要求。  

基于装配累计公差的问题，拟采用整机车削的方式进行解决，以确保安装部位的精度要求。对11台电机更换后端盖后对编码器部位进行车削，安装检测结果见如下表2：

表2 车削后检测数据

常规的车削工艺为卡盘一端顶尖为不可旋转顶尖，另一端为可旋转顶尖，卡盘带动电机外壳转动加工后端盖，如下图9，从检测数据上看，垂直度基本合格，但同轴度一致性较难保证，安装结果电机车削后有5台合格，仍有较高不合格率。

                         图9 常规车削工艺

经工艺研究分析，电机制动器闭合后，外壳与转轴为一体结构，传统车削工艺加工过程会对中心孔进行研磨，跳动大，难以保证精度。常规转轴加工工序中，转轴的两端中心孔在加工时常分OP1和OP2完成加工，即OP1开粗车削、打一端中心孔—OP2开粗车削、打另一端中心孔，在加工OP1时，由于夹持的是毛坯未加工过的面，其跳动无法管控，中心孔的锥度相对较差。为确保加工基准的精度，转轴加工时增加OP3加工中心孔，即OP1开粗车削—OP2开粗车削、打一端中心孔—OP3打另一端中心孔，确保两端中心孔的对中度及圆度。同时，车削后盖时，将制动器打开，卡盘与机壳相连，带动外壳旋转，卡盘一端采用可旋转顶尖，另一端采用不可旋转顶尖，电机车削时，电机的壳体与转轴发生相对旋转，符合电机旋转下的状态，见如下图10。

                              图10 新车削工艺

11台电机更换新工艺转轴制作的转子和后端盖，按新工艺进行车削，安装检测调试结果如下表3：

表3 新工艺检测数据

经过检测，11台电机安装精度符合要求，编码器安装调试合格。

批量跟踪产线生产300台，编码器调试工位合格298台，合格率达99.33%，措施有效。

3 结束语

综上所述，对于分体式光电编码器在伺服电机的安装应用上，重要的是安装端盖处的安装精度，其影响着码盘和主体的位置精度，从而造成安装不良，本文基于安装精度改善提出的一种生产工艺，可以极大程度提高编码安装合格率，降低过程不良品造成的损失。

参考文献：

[1]姜义.光电编码器的原理与应用[J].传感器世界，2010（02）.

[2]王显军，吴庆林.光电编码器的应用——细分原理[J].光机电信息，2011（05）.

[3]刘涛.编码器的应用现状分析与展望[J].科技创新与应用，2014（23）：75.

[4]曹颖超，王根义.编码器设计与应用的优化[J].电子设计工程，2014（22）：154-156.