一、 概述
隨著我國機(jī)床、伺服電機(jī)行業(yè)的迅速發(fā)展，對伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、精度、及功能作用要求越來越高，而伺服電機(jī)的這些功能主要取決于編碼器的精度，需要編碼器有更高的采樣精度和數(shù)據(jù)位數(shù)。由于絕對值編碼器在編碼器內(nèi)部所有位置值在編碼生成后，其量程內(nèi)所有的位置均有一一對應(yīng)的代碼(二進(jìn)制、BCD代碼)輸出，從代碼的大小變更，可以判定電機(jī)主軸的旋轉(zhuǎn)方向，絕對值編碼器由機(jī)械位置決定每個(gè)位置的唯一性，它無需記憶，無需找參考點(diǎn)，而且不用一直計(jì)數(shù)，什么時(shí)候需要知道位置什么時(shí)候就去讀取它的位置，這樣大大增強(qiáng)了編碼器的抗干擾性能。這使絕對式編碼器在數(shù)控機(jī)床及伺服電機(jī)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。而高精度、高位數(shù)的絕對式編碼器在我國之前一直是處于空白狀態(tài)，極大的影響了我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。
此前國內(nèi)絕對式編碼器精度均落后于國際先進(jìn)水平，不能滿足國內(nèi)及國際市場的需求，從技術(shù)上分析主要表現(xiàn)在以下三方面：1、沒能掌握設(shè)計(jì)制造軟硬件核心技術(shù)，技術(shù)性能指標(biāo)落后;2、對于提高產(chǎn)品可靠性的研制還沒能展開;3、未實(shí)現(xiàn)絕對式脈沖編碼器產(chǎn)業(yè)化制造，也未打破國際壁壘。
為此長春禹衡光學(xué)有限公司申請了“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)課題，并聯(lián)合華中科技大學(xué)、哈爾濱理工大學(xué)、沈陽第一車床廠、武漢華大電機(jī) 、上海開通數(shù)控、廣州凱恩帝數(shù)控 、海誠躍電氣、珠海市怡信測量等公司共同開展高精度、高分辨力絕對式光柵旋轉(zhuǎn)編碼器的研制，通過對絕對式編碼器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、性能分析、集成化信號處理的重新設(shè)計(jì)、整機(jī)裝配工藝的改善等核心任務(wù)的公關(guān)，長春禹衡光學(xué)有限公司完成了HKD-2高精度、高轉(zhuǎn)速絕對式編碼器的設(shè)計(jì)與制造，取得了包括3項(xiàng)發(fā)明專利在內(nèi)的8項(xiàng)專利。在由中國機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)組織開展的2018年度“自主創(chuàng)新十佳”和“產(chǎn)品質(zhì)量十佳”活動(dòng)中獲獎(jiǎng)，并在剛剛結(jié)束的CIMT2019展會(huì)現(xiàn)場隆重舉行了頒獎(jiǎng)儀式。HND-2的成功研制，彌補(bǔ)了我國高精度絕對式編碼器的空白，滿足了高檔數(shù)控機(jī)床的配套要求，打破了國際壁壘，大大提升了我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展水平，目前該產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)。圖1為HND-2絕對式編碼器的外觀圖。
二、 產(chǎn)品性能介紹
HND-2是一款高精度適用于高轉(zhuǎn)速主軸的絕對式編碼器，主軸采用采用“臺(tái)階軸”設(shè)計(jì)，無需擋圈，提高軸系可靠性和抗負(fù)載能力。軸承使用軸承鋼+耐高溫潤滑脂，可以保證軸系在120℃、10000r/min的條件下長時(shí)間穩(wěn)定工作;可提高軸系的使用壽命一倍左右。主體軸承孔增加“軸肩”設(shè)計(jì)，提高軸系的可靠性和抗負(fù)載能力。軸系設(shè)計(jì)中，創(chuàng)新開發(fā)了具有專利技術(shù)的曲路密封設(shè)計(jì)(ZL 2014 2 0230953.2)：主體和光柵盤坐裝配后，形成一個(gè)狹長的溝回：防止在高速情況下，軸承潤滑脂甩到編碼器內(nèi)部，提供產(chǎn)品的可靠性。
為提高編碼器的分辨率和信號穩(wěn)定性。長春禹衡光學(xué)有限公司采用相位陣技術(shù)，可自動(dòng)矯正誤差，使編碼器的波形和相位不受光柵擺動(dòng)、干擾、光柵污染、光衰減等諸多因素變化而改變，進(jìn)一步提高了編碼器的使用壽命和穩(wěn)定性。
同時(shí)在原有的BISS協(xié)議和SSI協(xié)議的基礎(chǔ)上，長春禹衡光學(xué)有限公司采用自主開發(fā)的CPE接口并按其總線標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)編碼器數(shù)據(jù)高速串行傳輸，CPE總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了位移編碼器CPE-Bus總線(Communication Protocol of Encoder Bus，編碼器通信協(xié)議總線)的體系結(jié)構(gòu)、物理層、協(xié)議層，確立了用于編碼器雙向串行數(shù)據(jù)通信傳輸?shù)囊话阍瓌t及包含應(yīng)用CPE-Bus進(jìn)行編碼器數(shù)據(jù)傳輸而制定的基于RS485的通信協(xié)議規(guī)，這種方式連接線少、傳輸距離遠(yuǎn)、有數(shù)據(jù)校驗(yàn)機(jī)制，其可靠性和實(shí)時(shí)性能得到保證,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與編碼器之間的高分辨率數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換。CPE協(xié)議是我國編碼器行業(yè)第一個(gè)串行通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，該協(xié)議將成為我國編碼器的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
主要計(jì)數(shù)指標(biāo)為如下：
絕對式輸出形式：二進(jìn)制;
分辨力：單圈17位以上、多圈12位以上;
時(shí)鐘頻率：4MHz以上;
增量輸出波形(附加功能)：Sinus-Cosinus 1Vpp，1024線以上;
最大機(jī)械轉(zhuǎn)速：10000rpm以上;
防護(hù)等級：具有防水、防油、防塵能力,IP54以上(封閉式編碼器);
工作溫度：-40℃～+125℃;
儲(chǔ)存溫度：-55℃～+130℃;
支持2種及以上的國際主流的編碼器數(shù)據(jù)傳輸總線接口協(xié)議。開發(fā)1種自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的絕對式編碼器全雙工或半雙工同步串行數(shù)據(jù)傳輸總線接口協(xié)議；
本公司所研發(fā)的高精度絕對式編碼器HND-2與多摩川同類產(chǎn)品對比具有以下優(yōu)勢：
1、溫度系數(shù)穩(wěn)定：金屬本體;適用范圍寬：板簧的形狀、尺寸可選;
2、輸出位數(shù)可選，可同時(shí)輸出正余弦信號;
3、準(zhǔn)確度高，且溫度特性好
4、同步串行協(xié)議，傳輸效率高;
5、功耗低;
6、防護(hù)等級高;
7、抗污染能力強(qiáng);
8、發(fā)光管抗老化性強(qiáng)，采用發(fā)光補(bǔ)償技術(shù);
9、使用溫度范圍寬。
已經(jīng)達(dá)到了國際前沿產(chǎn)品的技術(shù)水平。
三、 關(guān)鍵技術(shù)
高精度、高轉(zhuǎn)速絕對式編碼器的技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在兩方面：
一方面，光電信號的轉(zhuǎn)換處理，編碼器在工作時(shí)，光電信號的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換決定了編碼器精度。光電信號在轉(zhuǎn)換時(shí)的精度受光源、光柵的刻劃精度或方式、光電傳感器接收芯片所影響，因此需要穩(wěn)定的良好的光源、優(yōu)化設(shè)計(jì)的高刻畫精度光柵以及高性能的光電接收器。
本公司創(chuàng)新使用同時(shí)輸出模擬信號和數(shù)字信號的光電傳感器接收芯片，并獲得了國家實(shí)用新型專利(專利號ZL 2013 2 0611508.6)，另一方面，編碼器的可靠性設(shè)計(jì)，編碼器的可靠性越高，信號精度受外界環(huán)境的影響越小，使用壽命也會(huì)提高。需要對編碼器的功耗、整體密封結(jié)構(gòu)、電磁兼容性、軟件設(shè)計(jì)的可靠性等進(jìn)行提高。
本公司在線路上，電源入口處和信號輸出端口放置TVS管，可以吸收浪涌，起到對電路的保護(hù)作用，同時(shí)PCB板采用多層板設(shè)計(jì)，進(jìn)行合理區(qū)分模擬地和數(shù)字地，提高PCB板的抗干擾能力。同時(shí)本公司創(chuàng)新采用電子式多圈編碼器計(jì)圈的低功耗電路設(shè)計(jì)，并獲得國家發(fā)明專利(專利號：ZL 2014 1 0197583.1)。
四、 成果及應(yīng)用推廣
幾年來，我國機(jī)床及伺服行業(yè)的迅速發(fā)展，導(dǎo)致市場對高精度絕對式編碼器的需求旺盛，然而我國高精度絕對式編碼器的空白，完全依賴于進(jìn)口編碼器，由于進(jìn)口編碼器的價(jià)格昂貴，極大的限制了我國數(shù)控機(jī)床行業(yè)的發(fā)展，長春玉衡光學(xué)有限公司研發(fā)的HND-2高精度絕對式編碼器屬國內(nèi)第一臺(tái)，填補(bǔ)了國內(nèi)高精度絕對式編碼器的空白，打破了國內(nèi)的壟斷和制約，提升我國高檔數(shù)控機(jī)床的競爭力。
本課題成功研發(fā)的高精度絕對式編碼器已成功用于武漢華大新型電機(jī)科技股份有限公司，精度均達(dá)到大型數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的技術(shù)要求。
通過本課題的研究，使我國高精度絕對式編碼器的技術(shù)的到了突破發(fā)展，達(dá)到了世界領(lǐng)先水平，同時(shí)增強(qiáng)了我國高、精、尖裝備的創(chuàng)新能力，作為國內(nèi)編碼器設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造商的先驅(qū)者，長春禹衡光學(xué)義不容辭繼續(xù)做好技術(shù)的創(chuàng)新，同時(shí)增強(qiáng)國內(nèi)編碼器的市場競爭力。
（本文作者：長春禹衡光學(xué)有限公司 王慶賀、于海洋、董巖）
