基于高精度光电编码器组装精度超差工艺研究

韦厚余

摘要：光电编码器采用光电检测技术，将实际的机械位移量转换为电气信号。由光源、光栅、光电转换器件、电路和机械结构组成。基于高精度光电编码器精度超差为产品不合格的主要原因，为了提高产品的合格率，通过理论分析，结合光电编码器组装流程定位精度超差问题，经过结构和印制板设计改进、工艺参数优化等方法进行验证，可有效提高产品的精度。

关键词：高精度光电编码器；组装精度；超差工艺研究

引言

现代工业测量直线位移对精度的要求越来越高，但是传统的直线位移测量装置操作困难、价格高、精度低，然而光电旋转编码器操作简单、价格合理、体积小、精度高，所以选用光电旋转编码器作为位移测量的核心器件。以测量直线位移为目标，把光电旋转编码器作为系统的测量位移器件，把C8051单片机作为系统的控制核心，设计了一个位移测量系统。通过直流电机、齿轮、皮带模拟了工业大型设备的机械位移运动，具有体积小、精度高等特点。通过增量型编码器获取皮带位移量，并实时传送数据给单片机进行处理，然后通过液晶显示当前的位移量。

1误差分析

1.1组装流程引入的误差

光电编码器精度超差主要由机械结构误差、细分结构误差、码盘制作误差和量化误差组成。其中组装过程引入的误差为机械误差，机械误差又分为轴系误差和码盘偏心误差。另根据组装工程经验，解码芯片的组装位置同样会影响光电编码器精度。机械结构误差转轴主要用来固定和粘接玻璃码盘，并使码盘按照规定的方向进行转动，轴系的径向晃动会导致码盘的偏心误差，进一步影响光电编码器精度。

1.2码盘偏心误差

码盘偏心误差主要为粘接过程中引入。码盘上所有的栅线都沿着半径分布并通过中心，这个中心的圆周角被各码道等分。如果码盘绕另一个圆心转动，这是从码盘读出的数和θ实际转角不一致，即产生偏心误差。

1.3解算芯片误差

解算芯片加工后会出现角度偏差，偏移量超过设计要求时，解算芯片刻线与码盘刻线的重合度无法满足要求，影响光电编码器精度。

2增量型光电编码器简介

光电编码器分为增量型、绝对型以及混合型等，本文只简单介绍增量型光电编码器。增量型光电编码器通过光电转化技术，把转轴的几何位移量转化为等宽脉冲进行输出，即把连续的位移量离散化为一个个的等大的脉冲，而且产生的脉冲与位移大小一一对应，因此一个脉冲对应的位移量越小则越精确，记录的脉冲之和就对应了位移之和。通常情况下，增量型光电编码器输出两个相差90°的脉冲信号（记为A相、B相）和每旋转一圈就产生一个的Z脉冲信号。通过分析A相和B相的相位关系可以方便地判断出旋转方向，Z相可以用来减少累计误差。增量型光电编码器由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路等组成。码盘上有很多个的透光缝隙，相邻两个透光缝隙间距大小相同，并且代表一个周期。检测光栅上有两组间距相差刚好1/4间距的透光缝隙，检测光栅的透光缝隙和码盘的透光缝隙间距相同。增量型光电编码器正常工作时，检测光栅固定不动，而码盘被转轴带动旋转，此时由编码器内部光源发出的光线周期性地穿过码盘和检测光栅并且照射到光电检测器件上时，光电检测器件将会输出两个相位相差90°的正弦信号。紧接着这两个正弦信号通过转换电路转化为方波，即A相脉冲和B相脉冲。增量型光电编码器的具有体积小、精度高、操作方便等特点，而且既可以用来测量角位移，又可以通过加上联轴器来测量直线位移。其缺点是：因为测量直线位移时必须安装联轴器，所以需要考虑由机械摩擦产生的误差。

3基于高精度光电编码器组装精度超差工艺研究

3.1模拟工业环境模块

为了真实模 拟电机带动编码器进行测距，选用了一个联轴器把编码器和电机连接在一起，并且选用的是双出轴直流电机，在电机的另一侧接上孔径一致的齿轮，齿轮上加一根皮带，当电机旋转时，一端带动编码器测距，另一端带动皮带向前转动，它们都是和直流电机同轴旋转，同轴旋转距离与半径成正比，所以进行位移测量的时候，要乘上齿轮半径与编码器半径之比。电机的选择：因为测量的是两个光电开关的距离，当经过第一个开始光电开关时，单片机开始测距，当到达第二个光电开关时结束测距，与电机的减速过程没有关系，所以选择最简单控制的直流电机，直流电机的转速与输入的电压有关，考虑到电机转速太快，将电机输入电压减小到1V以下，以方便测量。

3.2编码器硬件模块

本次选用的编码器的分辨率是600个脉冲每圈，电源电压为5V，孔径6mm，有4根不同颜色的线，不同颜色有特定的作用，绿色的线代表A相脉冲输出，白色的线代表B相脉冲输出，红色的线接5V电源，黑色的线接地。编码器输出的A相脉冲接到单片机的外部中断P3.2引脚，B相脉冲接到I/O端口P3.3口（虽然P3.3引脚有外部中断功能，但不使用此功能）。当位移测量系统启动时，首先将INT0端口设置为下降沿触发方式，然后打开相应的中断。当INT0引脚出现下降沿时，单片机程序触发外部中断0，执行外部中断0的处理程序，此时判别P3.3引脚是低电平还是高电平。若该引脚是高电平，则说明此时编码器正转，脉冲个数加一；若该引脚是低电平，则说明此时编码器反转，脉冲个数减一。

3.3防掉电丢失模块

如果位移记录采用一般的存储器，在突然掉电时必须使用备用电池来供电，并且需要在硬件上加入一个检测掉电的电路，但会出现电池不可靠等特点，为了防止突然掉电导致位移信息丢失的情况发生。此次使用AT24C02存储芯片，它是由Atmel公司生产的一款CMOS型的存储器，具有2kbit的存储容量，存储的数据不易丢失，并且能够反复擦写很多次，通常能擦写10000次以上。

3.4码盘粘接

码盘目前采用半自动点胶、人工调节、UV固化方式进行，从目前生产情况看，码盘粘接过程存在的主要问题为固化前后码盘偏心较大。(1)粘接胶收缩率：当胶液厚度小于0.6mm时(设计点胶槽尺寸0.4mm)，粘接测试玻璃固化方式前后对比偏心量，偏心均小于2um即粘接胶收缩率符合要求。(2)点胶量：从人、机、料、法、环进行分后发现，受到结构件加工误差、针头的尺寸误差、点胶精度等因素影响，点胶量一致性无法保证，现有设计存在胶液溢出点胶槽风险，造成码盘组装后浮高，固化后偏心增大现象。(3)固化参数：采用UV方式进行固化，能量一定情况下，降低UV灯功率，延长固化时间可降低粘接胶收缩，即固化参数可优化。根据上述分析，分别对点胶槽和固化参数进行优化。网络断路、短路故障的故障现象较为明显，信号物理波形严重畸变，异常检测得分较高。网络端接故障和传输介质故障的故障现象不明显，信号物理波形畸变较轻微，其异常检测得分与正常数据的较为接近。实验结果表明，ＶＡＥ已经很好地学习到正常数据的内部模式，定义的异常检测得分能很好地量化异常数据偏离正常数据的程度。

结语

本文对光电编码器精度超差问题进行分析、定位，经过改进点胶槽、解码基板设计、优化固化工艺参数等方式提高了光电编码器精度。并通过试验验证，改进后各项指标均满足产品要求，且精度未发生改变。

参考文献

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