数控或电子同步轴越来越广泛地应用无框架电机或密封式空心轴电机，尤其在机床行业，印刷机械和纺织机械。这对清除如同步齿型带等带来的机械传动误差，进步传动的地位精度，削减速度波动和进步传动的动态特点显得异常重要。也容比较易设计象附加轴，夹紧轴或材料处理轴的旌旗灯号线和档链线。

磁式扭转编码器的扫描道理
这些电机的地位编码器响应地也许要零丁的设计。编码器的空心轴内径响应须要50mm。对于带摆动轴的机床扭转工作台轴，其轴径由0.5 米到几米。 如千里镜电机的方位和晋升轴请求的直径在5 米以上。
精度和扫描道理

设计人员欲望将编码器内置于电机或轴承中大年夜而模块化。如不雅电机轴承和测量轴达到必定的精度，编码器可以不消内置轴承。本文重要介绍用于带空心轴的驱动电机的模块式编码器的研究动态以及该编码器的特点和与其它设计的比较。


扭转编码器和角度编码器的精度定义为一圈内及一个旌旗灯号周期内的地位误差如(图 1)。模块式编码器在一圈内的地位误差主如果由刻度盘相对于扫描头的径向跳动和刻度本身的误差引起的。

图 1:一个旌旗灯号周期内的地位误差u (上图) 和一圈内的地位误差a (下图)

一圈内的地位误差的绝大年夜部分来源竽暌冠轴承，测量轴的机械构造和安装产生的径向跳动。而一个旌旗灯号周期内的地位误差来自扫描质量和旌旗灯号周期的质量。

上述两种地位误差对驱动特点具有本质性的影响（表1）并要越小越好，尤其是数字式速度一个旌旗灯号周期内的误差控制。因为实际地位值决定了实际速度值，因而编码器的地位误差决定了控制特点。

特别是一个旌旗灯号周期内的地位误差，对控制特点的影响尤其重要。这是编码器的制造误差。 是以海德汉公司投入极大年夜的精力研制和临盆这种在一个旌旗灯号周期内误差异常小的编码器。包含应用各类旌旗灯号滤波器及设计复杂的电路以达到此目标；大年夜而使模块式扭转和角度编码器相对于旌旗灯号周期的误差限制在旌旗灯号周期的± 1% 以内。

扫描道理决定了光栅周期和扫描头与光栅之间的间隙的公差。一个旌旗灯号周期内的地位偏拜见下表 (表 2)：

表 2: 无接触式扫描道理的比较

干涉型编码器 – 编码器应用光的干涉和衍射道理，许可异常精细的光栅条纹周期和旌旗灯号周期，因而可以包管较小的地位误差。光电扫描的编码器平日采取 "传统的" 影像非接触式测量道理， 一般可以达到一个旌旗灯号周期内的地位误差在± 0.2 μm 以下。该误差要比磁式和感应式测量道理小10 到 20 倍。要选择合适的扫描道理，只有采取光电扫描道理的编码器才可知足控制特点请求的较高和更高的精度。

不带内置轴承的扭转和角度编码器的精度主依附于与其相配轴的轴承精度和用户安装编码器的安装精度。

图 2 注解因为码盘与被测量轴的纰谬中度引起的地位误差。平日要达到± 1 角秒到 ± 5 角秒，来自轴承和安装误差的径向跳动量要小于1 μm。该值是在负载下获得的，即推敲了工件重量和操作力。

图 2: 对中度对精度的影响

带和不带内置轴承的编码器的比较

表 3: 带和不带内置轴承的编码器的比较

用户在购买编码器前要和编码器制造商细心商讨上述问题。用户必定要细心研究毕竟哪种编码器更合适本身的应用情况。

对于无框架电机或空心电机，所用的空心轴编码器的内径平日约为40 mm 到 180 mm。 如不雅用带内置轴承的编码器就太不经济了，如不雅精度不跨越10 角秒，也不须要如许的编码器。已有的轴承或电机轴承许可应用光栅式编码器。然则平日的安装情况会使光电扫描的编码器受到空气中的尘土和油汽的污染，因而须要封装。对于高达20 000 rpm 和这么大年夜的直径的编码器，显然如许的防护是不且实际的。对于这情况，海德汉研发了磁阻扫描道理的模块式编码器。ERM 180 增量式模块式扭转编码器是由磁毂和扫描头两部分构成的，见 (图 3)。

图 3: 磁阻扫描道理的ERM 180 增量模块式扭转编码器

磁毂的圆周上是沿轴线偏向分列的硬磁体，旌旗灯号周期为 395 μm。扫描头上放置了由海德汉公司研制的磁阻传感器和响应的电子器件，拜见 (图 4) 。磁阻传感器的工作道理是变更的磁场对电阻具有调制效应。

图 4: ERM 180 扭转编码器的磁阻扫描道理

因为编码器长短接触式的，与接触式的磁编码器比，其抗污染性大年夜大年夜进步。因而可以安装在应用无框架电机的车床主轴上。见 (图 5)。
图 5: 安有ERM 180 磁阻模块式扭转编码器的车床主轴

ERM 180 有不合的直径。对于不合的直径刻度误差和一个旌旗灯号周期内的地位误差是不合的(表 4)。

表 4: ERM 180 增量磁阻式模块化扭转编码器的重要特点 (例)

齿轮式编码器在一个刻度周期内的地位误差为0.8 mm 到1 mm，每转的旌旗灯号周期一般为 256
到512，取决于编码器的直径。位沃森仪表置误差平日是ERM 180 的二到四倍。不象齿轮编码器ERM所能达到的精度不依附于电子元气件，它所扫描的刻度周期较大年夜且稳定，即使在较高的操作温度下对输出旌旗灯号的影响也异常小。海德汉还有光电扫描道理的ERA 180 角度编码器，它是轴向光栅编码器，一个旌旗灯号周期内的地位误差比ERM 编码器要小5 到10 倍。ERA 180 只可用于干净的情况。

表 5: ERM 180 所许可的最高转速

象光电扫描 ERA 180 编码器一样,磁阻扫描的编码器 ERM 180 所许可的扫描头与磁毂的轴
向偏置误差为 ± 1 mm 包含扫描头的安装误差和电机温度影响造成的轴承浮动误差。只要轴向窜动在此范围内就不会对地位误差有影响。编码器输出高质量正弦旌旗灯号，旌旗灯号幅值为 1VPP。许可的最高温度为100 °C。最高轴速取决于编码器的外径。齿轮式编码器的齿形在高转速下会产生啸叫声。而ERM 180 倒是安稳安静的。

ERM 180 异常轻易安装:轮毂安装在与之相配的轴上，并用螺栓紧固。轮毂的内径与对中环对中。用安装片设定扫描头与轮毂外圈的间隙。将扫描头靠紧安装片固定后，再将安装片移出。

光电式准单一场扫描道理的角度编码器

直径大年夜于500 毫米的扭转轴, 扭捏轴或扭转工作台须要用精确度为角秒级或精确度更高的角度编码器。对于1 米直径的转台，编码器地位误差为 ± 2 角秒， 将会在其圆周上产生± 5 μm的地位误差。

图 6a:钢带标尺和准单一场影像扫描道理 (反射光)

图 6b:扫描掩模的电子放大年夜图

因为只有一个扫描窗口产生四个记忆， 光强的变更对四个记忆的影响是等同的，既标尺的污染对四个记忆的影响是对称的，对四个光电池旌旗灯号的影响是均等的，见(图 7)。标尺的污染使输出旌旗灯号对称和保持较高质量。这种扫描道理的抗污染特点高于其它的敞开式光电扫描道理的光栅尺。

图 7: 污染示意图

表 1: 模块式编码器对驱动特点的影响
ERA 780 和 ERA 880 模块式角度编码器是为这种应用处合设计的。这种编码器是海德汉开辟的采取准单一场扫描道理，刻度周期为40 微米，钢带标尺式的角度编码器。这种扫描办法的扫描掩模是由交错的相位光栅构成，应用准单一扫描场道理产生四个标准扫描掩模的记忆，每个记忆具有1/4 光栅周期的相位移(图 6)。
图 8: 污染效应
(图中上半部分为通俗的四场扫描道理, 下半部分为准单一场扫描道理, 右图为 Lissajous图)

ERA 780 模块式扭转编码器是由扫描头，标尺载体和标尺带构成。 如不雅将标尺带安装在测量轴内径的槽内，则安装较为简单。如(图 9)，标尺带放入槽内使两端可以或许接上。标尺带的长短应包管标尺带具有必定的┞放力使得标尺带贴紧在槽内。内槽设计在测量轴上，不须要额外的安装调剂件。

图 9: ERA 780 的安装

与以前的体系不合，在接头处没有额外的地位误差 (图 10)。因而可以确保一转内具有同样的精度。

图 10: 标尺带直径为一米的ERA 780 和ERA 880 模块式角度编码器的地位偏介入以前的办法的比较 (上图包含一个旌旗灯号周期内的地位误差)。

这种筹划已在很多场合中得以应用，如日本的超大年夜型千里镜 (图 11),在这个案例中，方位角和俯仰角轴精确度高于± 0.1 角秒。

图 11: 组装中的日本SUBARU 大年夜型千里镜

钢带式 ERA 880 模块角度编码器是用于安装在测量轴圆周上的。由特别的┞放力夹板紧固。

象ERA 780 一样, 该编码器在接头部分没有额外的地位误差。这两种编码器的每转的旌旗灯号周期与对应的直径相干。

这两种角度编码器所能达到的精度重要取决与测量轴的的轴承。一个旌旗灯号周期内的地位误差小于± 1% ，直径为1 米的编码器每转的旌旗灯号周期约为80 000 ，响应的一个旌旗灯号周期的地位误差小于 ± 0.2 角秒。例如经1024 份细分后，输出旌旗灯号每转约为8 切切个测量步距。输出旌旗灯号为1 VPP。

这两种角度编码器都有距离编码参考标记可选。距离编码的参考标记可以大年夜大年夜削减建立绝对基准所需移动的距离。

图 12a: ERA 780 增量模块式角度编码器

ERA 780 和 ERA 880 也可用于测量角度段。ERA 880 供给固定安装件将标尺带两端固定在测量轴上。个一一个固定头可声调节标尺带的┞放力。固定元件可以经久多次应用使钢带尺固定在测量轴上；同时可以包管轴自由移出测量范围和移过固定元件。

经久以来海德汉一向都临盆ERO 725 这种用于空心轴的模块式角度编码器，其直径约为40mm 到 150 mm。它的特点是光栅在玻璃基体上，每转的旌旗灯号周期最高到36 000。体系精度为 ± 1 角秒或更高。

该编码器重要用于高精度，带轴承的低转速轴和干净的测量情况下，例如测量机上带气垫的转台上。

图 12b: ERA 880 增量模块式角度编码器

总结

新型的地位测量装配——不带内置轴承的模块式扭转和角度编码器，其精确度在± 20 角秒到± 0.1 角秒，内径为 50 毫米到10 米的。除此之外，还有空心直径小于50 毫米，带或不带内置轴承的编码器。带内置轴承的编码器达到IP66 防护等级。

HEIDENHAIN 供给的模块式空心轴扭转编码器具有广泛的地位测量应用范围。选用这种不带内置轴承的编码器，重要取决应用处合，最好在设备的设计阶段开端作出选择。
不带内置轴承的编码器请求用户进行优胜的安装；而不象那些带内置轴承编码器，制造商已进行优化设置了。见 (表 3)。


关于作者
Ing. Rainer Hagl 师长教师为德国Stuttgart大年夜学的博士卒业生生。
1992 参加德国海德汉公司，现任海德汉公司扭转和角度编码器研发部主管。(end)