光電編碼器的應(yīng)用與發(fā)展

PAGEPAGE4光電編碼器的應(yīng)用與發(fā)展2012-7-16(XXXX,XXXX,XXXX)摘要：為了解光電編碼器應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)，通過描述光電編碼器的分類及其特點(diǎn)、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀以及其應(yīng)用，指出了光電編碼器在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、高精度閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，并且朝著高精度、高分辨率、高頻響、小型化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化等方向發(fā)展。關(guān)鍵詞：光電編碼器；增量式；絕對(duì)式；數(shù)控系統(tǒng)ApplicationandDevelopmentofPhotoelectricEncoderXXX(XXXX,XXXX,XXXX)Abstract:Inordertounderstandtheapplicationanddevelopmentofthephotoelectricencoder,describedtheclassification,characteristics,domesticandforeignpresentsituation,applicationofphotoelectricencoder.ItpointsoutthatthephotoelectricencoderhasawiderangeofapplicationinthefieldofNCmachine,robot,highprecisionclosedloopspeedregulationsystem,servosystemandsoon.Andhigh-precision,high-resolution,high-frequency,miniaturization,intelligence,andstandardizationwillbecomethedevelopmenttrendofphotoelectricencoder.Keywords:photoelectricencoderincrementtypeabsolutetypenumericalcontrolsystem0引言光電編碼器[1]是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)化成脈沖或數(shù)字量的傳感器，其分辨率高、精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、使用可靠等優(yōu)點(diǎn)使其在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、高精度閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。光電編碼器主要用于速度或位置（角度）的檢測(cè)。其工作原理如圖1所示。圖1光電編碼器的工作原理根據(jù)光電編碼器產(chǎn)生脈沖的方式不同，可以分為增量式、絕對(duì)式以及復(fù)合式三大類[2]。按編碼器運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)方式來分，可以分為旋轉(zhuǎn)式和直線式兩種。旋轉(zhuǎn)式光電編碼器容易做成全封閉型式，易于實(shí)現(xiàn)小型化，傳感長(zhǎng)度較長(zhǎng)，具有較長(zhǎng)的環(huán)境適用能力，因而在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，本文主要針對(duì)旋轉(zhuǎn)式光電編碼器進(jìn)行了探討。1國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)光電編碼器是一種集光、機(jī)、電為一體的數(shù)字化檢測(cè)裝置，它具有分辨率高、精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、使用可靠、易于維護(hù)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。近十多年來，已發(fā)展為一種成熟的多規(guī)格、高性能的系列工業(yè)化產(chǎn)品，在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、雷達(dá)、光電經(jīng)緯儀、地面指揮儀、高精度閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[3-6]。目前用于應(yīng)于數(shù)控機(jī)床、交流伺服電機(jī)、電梯等對(duì)精度、質(zhì)量可靠性有嚴(yán)格要求場(chǎng)合的編碼器多使用高精度同步控制光電編碼器。國(guó)內(nèi)技術(shù)水平遠(yuǎn)落后于國(guó)際先進(jìn)水平，不能滿足國(guó)內(nèi)及國(guó)際市場(chǎng)的需求。因此造成當(dāng)前數(shù)控機(jī)床、交流伺服控制等工業(yè)場(chǎng)所需高性能、高精度同步控制光電編碼器基本依靠進(jìn)口解決。目前，活躍在我國(guó)編碼器市場(chǎng)上的國(guó)外產(chǎn)品主有德國(guó)的Heidenhain、Meyle、Turck，美國(guó)的GPI，日本的多摩川，英國(guó)的Renishaw，韓國(guó)的Metronix、Autonics。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的光電編碼器主要來自中達(dá)電通。目前用于機(jī)器人位置和速度控制的傳感器主要傾向于小型高分辨率的光電編碼器。因此，如何使光電編碼器小型化，且具有較高的分辨率以滿足機(jī)器人的控制要求是研究的熱點(diǎn)問題。另外，近來研制出來的基于圖像識(shí)別的編碼器也是值得一提的?；趫D像識(shí)別的編碼器是NASA研制的一種全新的、以圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)的絕對(duì)式光電編碼器，它打破了以往的基于莫爾條紋計(jì)數(shù)的計(jì)量原理，采用計(jì)算圖像質(zhì)心移動(dòng)量的方式來獲得位置信息，最高可達(dá)27位分辨率，其目前已成功應(yīng)用于NASA的精密制導(dǎo)傳感器、掃描反射鏡轉(zhuǎn)臺(tái)、干涉儀的掃描轉(zhuǎn)臺(tái)和六自由度平臺(tái)等項(xiàng)目中。近年來光電編碼器的發(fā)展動(dòng)向：第一，設(shè)計(jì)專用產(chǎn)品。例如，中達(dá)電通設(shè)計(jì)了CNC專用增量式編碼器和伺服電機(jī)專用型編碼器，新推出CNC主軸專用的CS7系列編碼器，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)緊湊、外型小巧，分辨率較高，采用線驅(qū)動(dòng)輸出，轉(zhuǎn)速快。第二，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。編碼器生產(chǎn)廠主要專注于光電編碼器的光路、電路與機(jī)械3部分的設(shè)計(jì)與制作。此外，還特別關(guān)注小型化、輕量化與密封性。第三，進(jìn)一步提高光電編碼器的性能，制造高精度、高分辨率、高頻響的光電軸角編碼器是提高其性能的三個(gè)主要方向。第四，多樣化的信號(hào)傳輸與接口設(shè)計(jì)。第五，產(chǎn)品制造向系列化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。為適應(yīng)批量生產(chǎn)，滿足市場(chǎng)需求，光電編碼器的產(chǎn)品及其組成元件應(yīng)本著低成本，高質(zhì)量的原則逐漸向系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。第六，適用于惡劣的工作環(huán)境。在某些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，要求光電編碼器有良好的抗沖擊、耐高溫、耐腐蝕、及防振動(dòng)等能力，即不僅能工作在較理想的工作環(huán)境中，也能在惡劣的條件下正常運(yùn)行。綜上所述，光電編碼器的發(fā)展趨勢(shì)是高精度、高分辨率、高頻響、小型化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化。2光電編碼器分類及其特點(diǎn)2.1絕對(duì)式編碼器絕對(duì)編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器，在它的圓形碼盤上沿徑向有若干同心碼道，每條道上由透光和不透光的扇形區(qū)相間組成，相鄰碼道的扇區(qū)數(shù)目是雙倍關(guān)系，碼盤上的碼道數(shù)就是它的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)，在碼盤的一側(cè)是光源，另一側(cè)對(duì)應(yīng)每一碼道有一光敏元件；當(dāng)碼盤處于不同位置時(shí)，各光敏元件根據(jù)受光照與否轉(zhuǎn)換出相應(yīng)的電平信號(hào)，形成二進(jìn)制數(shù)。這種編碼器的特點(diǎn)是不要計(jì)數(shù)器，在轉(zhuǎn)軸的任意位置都可讀出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼。顯然，碼道越多，分辨率就越高，對(duì)于一個(gè)具有N位二進(jìn)制分辨率的編碼器，其碼盤必須有N條碼道。圖2絕對(duì)式光電編碼器絕對(duì)編碼器的優(yōu)點(diǎn)是非接觸測(cè)量，無接觸磨損，碼盤壽命長(zhǎng)，精度保證性好；允許測(cè)量轉(zhuǎn)速高，精度較高。光電轉(zhuǎn)換，抗干擾能力強(qiáng)；電源切除后位置信息不會(huì)丟失。體積小，便4結(jié)論與展望光電編碼器是一種集光、機(jī)、電為一體的數(shù)字化檢測(cè)裝置，它具有分辨率高、精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、使用可靠、易于維護(hù)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，是一種比較理想的光電傳感器。近年來，已發(fā)展為一種成熟的多規(guī)格、高性能的系列工業(yè)化產(chǎn)品，在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、高精度閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)的改造和科學(xué)的迅猛發(fā)展,光電編碼器的研制將更趨完善,其產(chǎn)品也將在世界上占領(lǐng)更大的市場(chǎng)。參考文獻(xiàn)[1]張建民.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社,2001.[2]趙燕.傳感器原理及應(yīng)用[M].北京:北京大學(xué)出版社,2010.[3]劉揚(yáng),呂恒毅,譚立國(guó)等.光電編碼器信號(hào)處理技術(shù)的研究進(jìn)展[J].自動(dòng)化儀表,2011,32(3):16-20.[4]李明雄,趙曉,李曉明.RoboCup小型足球機(jī)器人測(cè)速系統(tǒng)研究[