[实用新型]高速高精机床主轴、电主轴磁感应增量型总线式编码器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种编码器(Encoder)，尤其是涉及一种高速高精机床主轴、电主轴磁感应增量型总线式编码器，可广泛应用于数控机床、机器人、电梯和工业自动化等领域。

背景技术

编码器是一种用来检测角度、位置、速度和加速度的感测器，是把机械旋转的角位移或直线位移进行编制、转换为可用于通讯、传输和存储的电信号形式的设备，是机械与电子紧密结合的精密测量器件，广泛应用于电机、汽车、风电、机器人等众多领域。从测量功能上，编码码器可分为增量值编码器(也叫增量型编码器)和绝对值编码器。从测量原理上，编码器包括光电编码器和磁感应编码器。

增量值编码器用于提供当前位置相对于前一位置的信息，不具有记忆当前绝对位置的功能。当机电设备断电时，假若机械位置因外力移动或转动而改变，导致位置产生偏移，而当机电设备重新启动时，增量值编码器将无法判断当前位置的信号与断电前所记录的位置信号是否相同，因而必须调整编码器进行回零的操作。绝对值编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。当机电设备断电后再复电时，绝对值编码器能够即时读取当前转轴旋转角度或绝对位置。

在工业生产中，广泛应用的编码器多为光电式，其工作原理是：LED光源和聚光镜提供稳定的光栅衍射条纹的光源；扫描掩膜和测量基准的栅状结构相同或者相似，当两者狭缝对齐时有光线透过，两者刻线对齐时光线无法通过，两者相对运动时光电池感应到的光强就发生强弱交替变化，这种交替变化是呈三角波形式，但是由于光栅的衍射效应这种交替变化实际上呈正弦波形式。正余弦编码信号指用两路相位差为90度的正弦信号加载位置信息的编码器信号。光电编码器既可检测角度位移，又可在机械转换装置帮助下检测直线位置，具有低惯量、低噪声、高精度、高分辨率等优点，缺点是对环境适应性差，对于湿气、尘埃、油污和温度变化的抵抗能力较弱，实际应用中需做密封处理；此外，光电编码器光栅盘多为玻璃材质，在绕轴高速旋转时，容易因轴振动、冲击等外部环境的影响，使得光栅盘碎裂。

当光电编码器在机床主轴上使用时，其第一位置反馈光电编码器与第二位置反馈光电编码器均不能直接和机床主轴连接，通常以同步轮、皮带等机械传动机构与机床主轴间接连接，其传动过程为：内装第一位置编码器的主轴伺服电机带动皮带运动，皮带带动机床主轴运动，机床主轴带动同步轮旋转，同步轮带动第二位置编码器旋转，因而整个机械传动结构比较复杂，导致伺服电机最高转速较低。配套CNC数控系统，可实现对精度要求不高的螺纹加工、刚性攻丝、主轴定向和刀库换刀等功能。若长时间运行，由于承受负荷较大，皮带、同步带的弹性变形、热胀冷缩以及磨损等，使得数控机床整体加工精度会越变越差。

当机床主轴对定位精度要求较高时，第一位置反馈需要用到17位或更高分辨率的光电编码器，第二位置反馈将用到磁阻、磁栅等高精度编码器，同时第二位置反馈主轴编码器和机床主轴要直连，以减小传动误差。电主轴实现了主轴电机与机床主轴的一体化，将高精度编码器与机床主轴直连，在减小传动装置带来的误差同时，大幅提高了加工、定位精度，并且具有一系列优良传动特性，是一种可满足高速高精加工要求的理想传动方式。

对采用数字位置和速度控制技术的电机驱动，高精度正余弦编码器可提供1Vpp电平信号的正弦增量信号，信号质量高从而在后续信号处理电路中进行高倍频插补细分成为可能。例如，若对每圈512个信号周期的旋转编码器在后续信号处理电路中进行4096倍细分，就能在一圈内产生2百万个测量步距或线数，相当于21位的分辨率。即使转速达到24000转/秒，信号到达控制系统输入电路时的频率也只有约200KHz。1Vpp的正弦增量信号由于输出的频谱成分比较单一，与方波相比可以传输较远的距离而不衰减或者畸变，允许的电缆长度可达150米。

除了光电编码器，磁感应编码器也广泛应用于工业生产中。磁感应编码器基于磁传感器，而磁传感器广泛应用于现代工业和电子产品中，以感应磁场强度及其分布来测量电流、位置、方向等物理参数。在现有技术中，有许多不同类型的传感器用于测量磁场和其他参数，例如采用霍尔(Hall)元件、各向异性磁电阻(Anisotropic MagnetoResistance，AMR)元件、巨磁电阻(Gaint MagnetoResistance，GMR)元件、隧道磁电阻TMR(Tunnel MagnetoResistance)元件为测量敏感元件的磁传感器。相比于其它磁性传感元件，TMR元件具备微功耗、分辨率高、动态范围大、优异的温度稳定性和极高的灵敏度等优点。