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旋转编码器的准确性

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发表时间:2024-07-05 17:46

旋转编码器的准确性

旋转(角*)编码器用于各种机器和设备。旋转编码器由一个位置测量读数头和一个精确的旋转标尺组成,在一个环的边缘或在一个光盘的表面上标记。通过光学感知规则空间尺度标记来测量位置,并将这些信息作为模拟信号或数字信号输出。信号随后被转换成一个位置读取器,由一个数字读取器或运动控制器。本白皮书概述了影响旋转编码器性能的主要因素,以帮助设计者选择最佳编码器系统进行选择。

*角编码器通常有线数10000或以上,精度高于5弧度秒。严格地说,"旋转编码器"一词指的是低于这些标准的编码器,但它通常被用作通用术语来描述所有圆编码器。

许多现代自动化系统都需要高精度的旋转运动,如旋转格式计算机到板式(CTP)预压机、机床A、B和C轴、表面贴装机、形状测量系统、晶圆处理和检查装置以及测角仪。不同的应用程序需要不同的编码器性能和功能组合,以优化其功能--有些需要精确度,另一些则需要重复性或高分辨率或低循环误差的速度循环控制。选择提供规范和功能最佳平衡的编码器是一个真正的挑战,很少有编码器能够满足所有的要求。

精确的运动控制取决于系统的精度和动态响应。精确测量位置是很重要的,但是如果没有精确控制位置的能力,系统就无法工作。直接驱动旋转电动机(或转矩电动机)发展高转矩,使精密伺服控制超过非常小的角度。他们的动态响应是很好的,因为负载是直接耦合到驱动器,消除了对传动部件的需求,引入了反弹,滞后,齿轮齿误差或皮带拉伸。大内径的转矩电机的无框格式提供了没有明显的耦合,以适合轴编码器,但旋转环编码器提供了一个方便的解决方案。此外,像负载一样,旋转编码器也是刚性耦合到驱动器,消除系统中不必要的松弛。在任何测量或控制系统中,编码器最好尽可能靠近驱动器-这有助于最小化影响伺服性能的潜在轴共振,特别是随着伺服带宽的增加。

太阳能旋转表

图1RENISHAW的RSA旋转编码器安装在直接驱动电动机上(台湾索尔特)。

提供精密角位置反馈的一个很好的解决方案是旋转编码器。与电动机选择一样,选择正确的旋转编码器取决于实际的要求规格、对影响编码器准确性的因素的了解以及对如何克服性能缺陷的良好理解。在选择旋转编码器时,明智的做法是考虑一系列超出精确度和分辨率的参数,如数据速率、系统大小、复杂性和成本。线性编码器的精度和分辨率可以用几十纳米测量,角编码器可以提供低于弧秒的测量性能。

弧度秒是一个小角度:

  • 由半径为206.25毫米的1微米的弧长所覆盖。

  • 在地球表面被30米的距离所覆盖
  • 可在1度/秒时以1.3兆赫的数据速率解决。

在确定所需的测量性能时,不妨考虑精度、分辨率和重复性:

  • 要求可重复性的应用程序(例如:),每个站的准确角度是系统在一个又一个编码器计数时间内停止移动的能力的次要条件。
  • 对于连续的平滑运动,编码器的分辨率和选择的精度必须不允许在控制伺服带宽的颤抖。
  • 对于慢移动的设备,如天文望远镜,精确的角测量比最大系统数据速率更为重要。
  • 对于高速系统,速度和定位精度之间可能会出现权衡;较粗的距(较低的线计数)编码器适合较高的数据速率,但较细的距(较高的线计数)编码器通常提供较低的插值误差。

在了解系统的准确性要求之后,选择合适的编码器要容易得多。尽管一些制造商声称,实现高精度的旋转测量很少是"插插和发挥"--了解错误预算是优化性能的关键。尽管如图3所示,这个白皮书引用编码器旋转环,但同样的参数也适用于面读式旋转盘,如RENISHAW的RCDM编码器规模,如图2所示。

原子Rcdm




图2原子编码器在rcdm光盘刻度表上的读取头。

DRD旋转桌坚定不移

图3电抗旋转表的应用与坚决编码器现场(台湾)。

编制错误预算

想想在学校里,一个孩子用塑料量角器测量一张纸上两条铅笔线之间的角度。他们将把量角器直接放置在纸张上,使量角器的基线直接位于其中一条线上,并调整其位置,直到原点与两条线交界处吻合。然后,他们将读取分等比例尺上的线条之间的角度,必要时进行插值,以给出他们需要的分辨率。最初的几次,他们的阅读可能不同于老师的阅读,老师需要强调的重要性,使量角器准确地中心和与线条的一致。这些对准误差可能会对测量的角度比任何不规则的角规模塑造到塑料量角器。

我们的孩子学会了三个精确测量角度的规则:

  1. 使旋转标尺的中心尽可能与所测角度的顶点保持一致。

  2. 使测量尺度尽可能接近被测量的项目.

  3. 尽量减少测量尺度与被测量项目之间的相对(角)运动.

可能没有考虑的其他三个因素是:

  1. 渐变之间的圆周距离应在圆周周围一致。

  2. 径向尺度的中心与所测量的尺度的边缘之间的径向距离对于所有角的位置都应该是相同的。

  3. 测量角度时,应通过量角器垂直观察直线,以尽量减少视差。

这些先决条件同样适用于机器中的旋转编码器和页上的塑料量角器。

在图5中,要测量或控制角运动的感兴趣部件在安装在两个轴承上的轴上旋转。具有整体轴承的角编码器与此轴耦合,并由安装在非旋转结构上的读头读取。考虑到上述规则,为了使编码器系统的输出能够反映组件的实际旋转运动,必须适用下列规则:

  1. 系统的每个部分都必须在轴承上旋转而不产生径向漏出(即。,它的转动轴的侧向运动。

  2. 连接编码器感兴趣部件的轴系统在扭转时应是刚性的。

  3. 该耦合器的设计应使编码器在其轴承中旋转的角运动与在其本身轴承系统中旋转的感兴趣部件的角运动相同。,需要一个恒定速度的关节。

  4. 编码器标尺边缘的线间距应是一致的,并应在它们之间以线性方式插值。

  5. 编码器的刻度应该是真正的圆形,旋转轴垂直地通过其中心。

  6. 阅读头应在没有视差或其他几何误差的情况下读取刻度尺,并将其固定安装在非旋转参照架上。

如果不满足这些条件中的任何一种,则利益成分的角位置与编码器系统报告的角位置之间将有差异。通过调查每一个潜在的错误来源,可以确定它们的严重程度,从而确定整个系统的总错误预算。

轴承游移的影响

"轴承漫游"一词用于描述导致组件和/或编码器旋转轴径向运行(或横向转换)的各种系统属性。径向跳出由可重复和不可重复的部件组成,这可归因于轴承系统的缺陷:包括发挥,较高的谐波(例如。球和赛跑缺陷)和偏心(见图4)。

在滚动轴承上运行的主轴径向运行的大小受轴承系统设计和调整的影响,但一般超过单位-1m。由于编码器系统可以解决其旋转尺度的周向位置至少是这个值的十分之一,因此可以看出,轴承游移引起的误差会使设计良好的系统的剩余部分所造成的误差完全淹没。轴承游移的误差贡献是:

角测量误差(弧秒)=轴承漫游(数模)x412.5/d,其中D是编码器刻度的直径(毫米)。

尽管显示了循环元件,但是这个测量错误很难评估,因为任何用于补偿的错误映射都需要映射许多主轴旋转。

对于高精度系统,最好使用设计良好的空气轴承,因为可以通过正确选择轴承径向刚度,将径向跑出降到亚微米级。使用空气轴承时,必须考虑到不平衡力的影响:在低转速时,主轴会绕其几何中心线旋转,但在高速时,当不平衡向心力超过轴承及其安装的径向刚度时,主轴会绕其质量中心旋转。虽然这种转变通常发生在高速,但它可能会引起几个微米的差异静态和动态中心线。这种径向运行是可重复的,因此每个主轴旋转一个周期是可预测的。

无论使用何种轴承,都应注意以下方面:

  • 对于图5所示的系统,只有支持编码器的轴承才会导致轴承游移错误。然而,这带来的任何好处可能会由于耦合带来的额外错误而减少。

  • 虽然有一些技术可以消除轴承走道的影响(特别是使用两个或两个以上相同编码器刻度),但必须考虑角测量的目的:

    • 例如,当使用经纬仪测量水平面或垂直面上各点之间的角分离时,即使是重要的轴承漫游也只能用两个读头进行补偿。
    • 如果需要位置反馈才能使用极坐标定位旋转元件上的某一点(如晶圆检测机),除非同一编码器环上使用三个或更多的读取头,否则支持感兴趣部件的轴承的任何轴移移都会影响定位精度。

如果不可避免地会有较大的轴承游移,则必须考虑选择适当的音阶音高。根据经验,如果增量信号是平均2或更多的读取头,其参考标记来自于其中一个,那么比例尺的音高应该超过轴承的游移系数3到4----比这少的话,除非使用补偿技术,例如RENISHW的"方案"技术,否则参考标记的重复性问题可能会变得很严重。

耦合误差的影响

图5显示了一个具有独立角度编码器的系统,它有自己的轴承通过耦合连接到感兴趣的组件。该设计的优点是,只有编码器轴承的游移会影响角测量精度。然而,必须谨慎考虑这一"益处",因为如果系统的设计是为了返回感兴趣部件上点的极坐标,而不是一个遥远物体的角轴承,在主轴承上的徘徊将影响定位精度。

耦合本身的设计也可能对系统的准确性产生重大影响。

轴承泄漏


Figure 4. 轴承跳出导致了总偏心,是从几何中心(G)的旋转轴(R)的位移。

通用机器系统






Figure 5. 一般机器系统。1)读取头,2)编码器轴承,

3)接头,4)部件轴承,5)感兴趣部件,

6)组件轴承,7)编码器比例尺8)编码器轴,

9)组件轴

充分记录不同耦合设计的缺陷超出了本文的范围,但需要考虑的重要因素是:

反击

旋转驱动系统中的任何反弹都会引入所报角位置的差异,这些差异随旋转方向的变化而变化--这可能对系统的可重复性产生最显著的影响。

扭转刚度

耦合可能不如连接的轴那么坚硬,因此可能受到振动/共振和轴绞车的影响,如果在反馈回路中使用,可能会显著影响瞬态性能、沉降时间、允许的闭环增益和带宽。

角误差

大多数联轴器在一定的对准条件下,可以在驱动轴和驱动轴之间引入角误差(例如:如果两个轴的轴不平行,那么一个旧的耦合器会产生每度4的误差。对于高精度的系统,角编码器应在同一轴上与兴趣部件刚性安装,并在同一轴承中旋转。

轴扭转的影响

兴趣元件与角编码器尺度之间的轴间缺少扭转刚度会导致动态误差,从而降低系统性能。为尽可能减小这种影响,建议安装一个尽可能靠近感兴趣组件的非接触编码器(见图6)。

密封编码器V开环编码器

Figure 6. 密封编码器和开环编码器。1)轴、轴承、电动机、轴联轴器、密封编码器、树脂角编码器


尺度偏心和变形的影响

精确的角测量最简单的方法是,读取与旋转轴保持恒定距离的均匀线性毕业计量尺度。这些刻度标志半径的变化,如一个完全圆形的旋转刻度的偏心安装所引起的,可以产生误差,每次旋转变化一次。尺度变形可以产生其他的误差,每次旋转变化两次或更多次.


想象一个完美的圆形半径尺度 r 0 .它安装在一个点上旋转 A 1 从标称规模中心出发,从相位角度出发 1 (见图7)。任意的方位角, 1 从旋转中心到鳞片表面的距离, R θ ,由下列机构提供:

R θ = r 0 A 1 cos(θ − Φ 1 )


偏心数五

图7当旋转标尺的旋转中心被从标尺的几何中心所取代时,就产生了标尺偏心误差。

1)名义零方位角,2)相位角 1 3)轮换中心

4)偏心率A 1 5)规模中心

因此,真正的半径将以正弦的方式变化,每次旋转幅度等于偏心率。

为了增加尺度变形的影响,环的整体形状可以被认为是不同频率的一系列正弦波的总和 n , phase Φ n 和幅度 A n 这样,在方位角的比例尺半径是由:

R θ = r 0 A 1 cos(θ − Φ 1 ) − A 2 cos(2θ − Φ 2 ) − A 3 cos(3θ − Φ 3 ) − …….. − A n 原因( n θ − Φ n )

它可以证明最大的圆周误差 E n 因为正弦变幅变形 A n (平均至高峰),骑自行车 n 每次革命的时间是:

± E . = A n / n

在最简单的情况下,偏心率(即:偏心率), n =1)在周长范围内,1的值会引起一个u.1的正弦线性误差。

高阶尺度扭曲,将越来越小的幅度,将有一个逐步小的影响尺度的精度。较低的谐波会有很大的影响:偏心引起的误差效应可能与轴承游动的影响类似。

雷尼肖的旋转编码器环刻度表显示了一小部分几何变形安装在锥安装,这可能意味着计量学将会受到偏心和畸变的影响,特别是受多个固定螺栓和锥安装所引起的潜在裂片的影响(如图8所示)。然而,在一个200mm环的标准安装中,用12个螺栓固定在正确的转矩设置上,没有出现明显的误差;每次12个周期的"噪音"误差大约是0~0.05。


在典型的安装中,偏心率对60%或更多的错误(由于安装)负责,而较低的谐波(主要是第2次至第4次)产生的安装错误比例越来越小。


幸运的是,偏心和扭曲引起的错误响应补偿技术,其中最强大的是使用多重阅读头。使用两个读头将消除由于偏心率和所有其他奇怪谐波的错误。

.由于旋转电子数控上的前导而造成的12周期/转速误差











图8由旋转编码器环上的压片引起的12周转速误差。

1) Position error (µm), 2) Angle of rotation (⁰)

在一些装置中已经使用了四个阅读头,效果很好,但是增加更多的阅读头往往会使投资回报逐渐降低:仔细选择环形截面提供了一种更有力的方法来限制更高的失真谐波。

在RENISHAW的规模环装置上使用的专利锥座有效地将一个潜在的偏心和扭曲的环转换成一个小程度的冲击,这对精度的影响更小。例如,锥架将200毫米环上的偏心率的1米转成一个具有0.002度的同心环,从而提高了测量精度,而无需使用多个读取头。

尺度冲击的影响

SASH是指角编码器比例尺与感兴趣部件集中安装在一起的情况,但其几何轴倾斜于旋转轴(如图9所示)。从侧面看,即。从辐射角度看,这将会使角编码器尺度的边缘产生一次每圈正弦轴向运动的效果。

游泳可以提供两种截然不同但却很微妙的错误机制。对于第一个机构,让我们考虑一个旋转编码器比例尺(轴向毕业),直径200毫米,安装在0.1度的冲水。

在安装过程中,刻度表被调整为同心,使用在刻度表面上运行的刻度表。在一次旋转中,不仅比例尺的轴向移动比自测头的值大0.175mm,而且比例尺的偏角也会通过其名义值的任意一面的数-0.1°发生变化。如果已将"读头"定位在与ddi相同的位置(如图10所示),那么所产生的错误将是二阶的。但是,如果从那个点向轴向位移1mm,轴向运动的组合,偏航和读头位置的变化将会引起大约1.1.74的误差,在周长(u.36弧秒),每次旋转改变正弦。

第二个机制如下:一个圆硬币看上面,呈圆形.如果那枚硬币就眼睛而言被抛出,它就会显得椭圆形。旋转标度的影响是相似的,并且会产生两次革命误差,其大小与冲角的余弦成反比。这是一个二阶效应,在上面的例子中,误差的顺序为u.0.16弧秒:对于大多数应用来说,这个误差机制可以忽略。

当编码器刻度的几何轴倾斜于转动轴时,会发生冲撞误差。
















图9当编码器刻度的几何轴倾斜于转动轴时,会发生冲撞误差。

自测头诱导误差的影响

计量尺度只是编码器系统的一部分:阅读头也有助于整个错误预算。最重要的阅读头引起的错误如下:

分部误差

一个具有3600分度的旋转编码器,每0.1°或360弧度秒将有一个分度。如果所需的分辨率比这个比例尺高,那么需要插入阅读头。插值中的任何非线性都会导致循环误差,也称为分区误差(SDE)。

考虑到一个RENISHHUW的例子,刻度和刻度光栅产生光条纹,随着刻度的移动横向移动穿过刻度光检测器。这些条纹在强度上是正弦型的,并被读头解码成两个正弦电压90度的出相。

如果这两个电压在示波器上相互绘制,就会产生一个圆形的利萨约斯,它每移动一刻度就旋转一次。如果这个Lissajus是完全圆形的,并且以原点为中心,它以与尺度运动完全一致的速度旋转;如果插值方法具有真正统一的角区别,那么读头插值将是完美的,否则将发生SDE。

可持续性发展受准备头校准(与比例中心旋转)、比例尺调整和比例尺清洁度的影响:良好的客房管理和仔细的系统安装是重要的。SDE的性能也是由读取头的光学设计所决定的:对于RENISHAW的20个现有的沥青系统来说,SDE一般是在一个200mm的环上为30纳米的。

由于SDE往往发生在高频上,映射对于消除SDE的影响作用很小,但是对于某些应用程序来说,小距离平均是有效的。

由于冲击波的影响,带旋转角的尺度振荡

图10由于冲击波的影响,带旋转角的尺度振荡。粗黑线表示在比例尺上的读头/ddi位置,虚线表示比例尺的中心线。黑点表示每个刻度标记的表面位置,刻度在刻度头下旋转。

1)标尺标识,2)标尺上的读音头位置

平行误差

如果刻度和读音头之间的距离发生变化(例如,由于环偏心、温度变化等原因)。),否则会引起错误,除非阅读头与比例尺旋转中心线正确地对齐。如图11所示,如果准备角是倾斜的,那么骑马高度的改变将导致测量误差与俯仰角正弦成正比。

安装稳定性

读写头的刚性和安全安装对精确和可重复的角测量至关重要。该系统的设计应使其不因姿态、载荷、温度、振动等变化而与自转的比例轴移动。

如果系统出现出人意料的高不可重复的错误,值得检查的是,固定阅读头的螺栓和相关的支架和安装没有随着时间的推移而松开。

尺度毕业精度的影响

考虑一个角编码器的制造过程,在这个过程中,渐变直接标记在基板上,而不是在随后固定到磁盘或环的周长的线性尺度上标记。制造商可以将比例尺空白固定在一个心轴上,然后将其旋转到每个毕业位置。当毕业过程完成时,但在从心轴上移除毕业规模之前,测量的比例尺精度(毕业的实际位置与预期位置之间的差异)称为"毕业误差"。如果重复这种测量,但这次使用的是一个经过正确调整的阅读头,这个错误除了毕业错误之外,还包括由于阅读头(显著的SDE)而产生的组件;这被称为"系统错误"。

准松误差是一种测量误差,它是编码器读取器在缩放标尺时改变其高度所引起的。

图11视差误差是指当刻度尺(相对于刻度头)时改变编码器读取头的高度而引起的测量误差。如图所示,光源发出的光是在标度位置4上发生的,但探测器读取位置5和6时,轨道高度增加。

(a)探测器,b)源,c)不同高度,d)探测器所看到的表观位置,e)入射光束在尺度上的实际位置

如果现在删除了角编码器,将其重新安装在同一或不同的心轴上,并通过一个读头检查其准确性,则记录的错误也将是不同的。此差异与编码器初始安装与重新安装使用之间偏心率的变化和较高的圆度的误差相对应。

在这个实例中测量到的总体错误称为"安装错误",是最接近于反映用户在字段中实现的性能的错误定义。

概括如下:

渐进错误 =在制造过程中的剥落间距错误。

系统错误 =毕业错误+SDE

安装错误 =系统错误+安装差异的影响。

在典型的装置中,这些误差往往是不同程度的;表1列出了大量直径为200mm的RENISHAW旋转编码器的测试结果。一微米相当于2.06弧秒在这个直径。

错误类型

200环的典型错误

新一代M

200环的典型错误

弧度秒

渐进错误

0.5

1.0

系统错误

0.53

1.1

典型的安装错误

(1 readhead)

2.5

5.2

典型的安装错误

(2 readheads)

1.0

2.1


表1-对200环上安装的总错误的错误贡献.

编码器制造商定义了分错和系统错误,但是附加的安装错误由制造商和客户负责。即使客户能够完全同心和圆安装编码器,系统和安装错误之间仍有区别(除非客户安装的环与制造商安装的环完全相同)。

造成毕业误差的原因取决于制造技术:

  1. 对于单个轴向线在盘面/环边缘处刻划/蚀刻而制成的角编码器,分划过程中的误差会导致分度错误。

  2. 对于采用掩模和蚀刻技术制作的径向玻璃编码器,毕业误差既由掩模精度的错误造成,也由蚀刻过程中掩模位置的错误造成。

  3. 对于一个角编码器系统,它将线性尺度固定在已备轴的圆周周围,毕业误差是由线性尺度制造的精度,所备轴的厚度和半径的变化,以及线性尺度中的张力差异所引起的。

最后一种形式的毕业误差在制备后会发生变化,因为温度的变化,加上比例尺和轴之间热膨胀系数的差异,可能导致比例尺相对于轴表面的蠕变。放松胶水,如果使用,以保证规模,可能增加这一效果.

考虑到RENISHHAW编码器环和光盘,以及其他旋转尺度,如果毕业误差随时间而变化,毕业误差将是可预测的,从一个革命到另一个革命,对用户来说,与安装精度的影响是无法区分的;因此,可以使用同样的技术减少它。

如果一个角编码器边缘的轴向渐变与它的旋转轴不完全一致,则会产生一个微妙的毕业误差。

这在纯粹的旋转运动中不会有任何影响,但是编码器比例尺相对于读头的任何轴向运动(由于轴承中的端浮)将会引起比例旋转的不正确指示。这个机制类似于前面描述的第三个冲水机制。不正确的阅读头的影响与视差)用于径向尺度是相似的。

错误补偿技术

一旦确定了运动控制系统中的所有误差源的影响,就可以对实现设备规格所需的准确性和无法补偿的旋转编码器系统的性能进行比较。如果没有补偿编码器系统无法达到所要求的准确性,则必须在不同的高规格编码器系统(如果能够找到一个符合空间封套、交货时间表和预算的编码器)之间作出选择,或采用错误补偿技术来消除性能不足。两个最强大的补偿技术是使用多个阅读头和错误映射。

旋转编码器环误差图的快速傅立叶变换

图12旋转编码器环的快速傅立叶变换;第一次谐波对应于环偏心率,是总安装误差的最大组成部分。

(a)错误,(b)谐波

多个读者头

安装两个截然相反的读取头可以消除偏心率的影响,并且可以消除重复误差产生的较高的奇异谐波。它也将消除轴承从角测量的影响,但通常需要四个读头来打击轴承的漫游,以精确的极地定位。增加使用的阅读头的数量将进一步减少可重复的错误,但人们普遍认为,装配超过四个的优点超过了复杂性和成本。这种多重读音头技术不需要精心校准才能有效;无论是在时间上还是在测试系统设计上,它都有很大的好处。

错误地图

如果将选择的控制系统配置为使用该系统,则可以使用错误映射来减少可重复的错误。为了使这项技术行之有效,旋转编码器系统必须由OEM进行校准,使用干涉仪或另一个确认的测量参考在设备的最后装配后。

安装程序不能依赖编码器制造商提供的任何校准证书,因为安装过程中引入的任何错误都会被忽略,从而使错误映射变得毫无价值。优化错误映射中的点数是有好处的:对于一个正弦变化的循环错误,每个周期的7个点将在该频率上消除大约90%的错误(如图12所示)。一个百点误差图将补偿前14个谐波中的大部分误差,但应该注意的是,它可能会增加高谐波剩余的误差。值得注意的是,这种技术对轴承的游移、轴扭转或其他时间依赖的误差源没有影响。

概括的

本文简要研究了为了确定角编码器系统的实际规范而必须作出的一些权衡。它还考虑了一些更重要的因素,这些因素可能限制可实现的准确性,并详细说明了提高这一可实现的准确性的一些现有技术。关于这一问题的进一步信息,请参阅ISO230-7:2015(第7部分-旋转轴的几何精度)。


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