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[摘 要]本文通过对深圳地铁数控设备旋转编码器的组成及功能分析，阐述了旋转编码器的工作原理，确认数控设备中编码器维修保养方案，希望可以此文章为今后编码器的选型及维修提供一些参考意见。
[关键词]数控机床；编码器；脉冲信号；功能原理；应用维修
中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）20-0087-02
一、感光原理
现在数控设备主要的旋转编码器按照工作原理可分为三大类，其中一类为增量式编码器，它采用刻线均匀的码盘，通过码盘上的光敏元器件在转动时输出脉冲，通过计数控制系统来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠控制系统内部的记忆来记住位置。所以在停电后，编码器不能有任何的移动，在编码器输出脉冲过程中，也不能有因干扰而丢失脉冲，不然，测量系统就不能准确识别出方向。
另外一类是绝对型旋转编码器，这类旋转编码器，一般使用二进制码盘或格雷码盘，码盘上的码道按一定规律排列，对应每一分辨率区间有唯一的二进制数，因此在每一个位置上都有一个绝对的物理性质的光电标识码，这样的编码器在工作过程中采集的信号是由码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响，即使是在偶然因电气信号干扰导致的信号缺少也能保证工作的稳定，确保设备正常使用，大大增强了编码器的稳定性及抗干扰性.
第三种是混合式轴编码器，它同时具有增量式轴编码器与绝对式轴编码器的功能，在编码盘中包含了两个编码系统。所以采用混合式轴编码器可以同时测量转子的空间位置与转速，由于混合式轴编码器功能齐全，它的结构较为复杂，所以价格相对较高。
二、旋转编码器的信号发生原理
旋转编码器的信号输出一般是采用光电扫面的原理，简单的就是用透射光产生信号：两个具有相同栅距的关栅-圆光栅和扫描的基体是透明的。而作为测量基准的光栅尺可以用透明的也可以是反射的。当光穿过光栅，在一定距离上形成明/暗区。具有同珊距的扫描光栅就位于这个位置处。当两个光栅相对运动时，穿过光栅尺的光得到调制。如果夹缝对齐，则光线穿过。如果一个光栅的刻线与另一个光栅的夹缝对齐，则光线无法通过。光电池将这些光强变化转化为正信号。
三、旋转编码器的输出信号
目前市面上的增量式旋转编码器根据工作原理可以分光电式和电磁式编码器两种，它是把旋转的角度位移量转换成周期性的脉冲电信号的一种传感器，传感器的信号类型有正旋波（主要为绝对式编码器）、方波（TTL、THL）、集电极开路（PNP/NPN）等多种类型，其中市场上留下的采用增量式编码器多为TTL增量信号，采用这种信号的传感器有带有自检诊断功能。下面以这种TTL增量信号模式的旋转编码器为例对信号输出进行说明。增量信号以相位差为90°的方波脉冲信号Ua1和Ua2进行传输。参考点信号包括一个或多个参考信号Ua0，由增量信号触发。此外，内置电子电路还生成其反相信号Ua1、Ua2、Ua0，实现无噪声信号传输。而增量信号Ua1和Ua2的两个相邻沿间的距离通过1倍频、2倍频或4倍频处理后得到测量步距。以下是经过4倍频信号处理的测量信号图示。（见图1）
四、旋转编码器的设备选型
（一）旋转编码器环境旋转
旋转编码器存放的包装环境一般为-30℃～80℃，工作温度范围要小于存放工作温度，一般-10℃～80℃，否则对编码器的光栅会产生物理性质的变化影响，影响设备精度。
（二）旋转编码器的加速度特性
旋转编码器在安装和工作时会受到类型加速度作用，在选型上会有最大振动及允许的冲击的范围考虑。一般来说精度较高的编码器适合的频率为55Hz～2000 Hz。超过准许值就会造成编码器的损坏，如果是因为环境或安装引起的频率共振就需要通过加装垫块等调整质量来改变。在任何情况下均不可以用工具敲击调整编码器。而编码器的角加速度也不能大于
（三）旋转编码器的固有频率
旋转编码器的固有频率要尽可能的高才能防止共振，有下图公式可知
因而要提高固有频率需选用合适的联轴节，高扭转刚度的联轴器可以有效提高固定频率保证联轴器不会因为设备共振损坏。
（四）防护条件
即所需的旋转编码器的防护等级，主要有：防尘型、防滴型、防油型等针对不同设备环境提出设备选型需求
（五）精度选择
旋转编码器精度主要取决于：（1）径向光栅的方向偏差；（2）分度盘相对轴承的偏心；（3）轴承径向偏差；（4）与联轴节连接造成的偏差；（5）内部电子设备精度。其中内部电子设备的精度主要取决于光栅盘的精度中最大方向偏差值小于因而线数越多精度越大。
五、旋转编码机的安装注意事项
（一）机械安装
在安装过程中不要直接对旋转轴施加直接的冲击。在编码器轴与机器连接时，在不考虑共振的情况下选用柔性连接器。在安装过程中不要硬压入。否则可能会给轴加上比允许负载还大的负荷，或造成拔芯现象。因此，要特别注意轴芯的受力。如轴承负荷比规定大，将大大减少编码器的使用寿命。轴承受力过大或受力位置不均匀均会引起旋转编码器的寿命降低。
（二）旋转编码器的电力配线安装
（1）错误的连接配线可能会引起编码器的损坏。所以在选用配线时应该在电源关闭的情况下进行，确认电源的进线及出线端连接无误后在进性通电测试。
（2）若和高压线路或动力线路一同进行配线，如绝缘效果不好则有可能会感到感应造成传感器误动作。所以在配线时尽量远离高压配线。
（3）在长距离的运输信号时尽量选用设备工作电压上线进行配线，避免因导向的衰减而影响信号的准确性从而影响设备使用。除此之外尽量减少电线长度，将电线长度控制在10m以内也是一种有效的降低感应噪声的有效方法。
六、故障维修保养方案的确立
旋转编码器故障主要体现在传感器老化引起的光栅编码盘损坏及输出线号故障，下面对以上多出现的故障提出部分解决办法。
七、结语
机床设备相对于其他设备在精度控制上要求较高，减少测量误差是测控设备的关键，而旋转编码器作为大部分数控设备上使用的检测元器件在维修上需要严加控制，否则当测量数据失真后就会导致产品生产过程的失控。在这里笔者结合地铁维修设备中经验集合编码器工作原理提对于旋转编码器中可能出现的故障进行分析，希望可以为各位读者起到借鉴学习作业。
参考文献
[1] 于庆广等.光电编码器选型及同步电机转速和转子位置测量电气传动 2006年第36卷第4期.
[2] 常春等.光电旋转编码器的研究与应用.仪表技术与传感器2001年中图分类号：TP211.6.
[3] 海德汉旋转编码器选型手册.2005年4月.
[4] 蒋焕文.电子测量.北京：中国计量出版社，1991.
[关键词]数控机床；编码器；脉冲信号；功能原理；应用维修
中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）20-0087-02
一、感光原理
现在数控设备主要的旋转编码器按照工作原理可分为三大类，其中一类为增量式编码器，它采用刻线均匀的码盘，通过码盘上的光敏元器件在转动时输出脉冲，通过计数控制系统来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠控制系统内部的记忆来记住位置。所以在停电后，编码器不能有任何的移动，在编码器输出脉冲过程中，也不能有因干扰而丢失脉冲，不然，测量系统就不能准确识别出方向。
另外一类是绝对型旋转编码器，这类旋转编码器，一般使用二进制码盘或格雷码盘，码盘上的码道按一定规律排列，对应每一分辨率区间有唯一的二进制数，因此在每一个位置上都有一个绝对的物理性质的光电标识码，这样的编码器在工作过程中采集的信号是由码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响，即使是在偶然因电气信号干扰导致的信号缺少也能保证工作的稳定，确保设备正常使用，大大增强了编码器的稳定性及抗干扰性.
第三种是混合式轴编码器，它同时具有增量式轴编码器与绝对式轴编码器的功能，在编码盘中包含了两个编码系统。所以采用混合式轴编码器可以同时测量转子的空间位置与转速，由于混合式轴编码器功能齐全，它的结构较为复杂，所以价格相对较高。
二、旋转编码器的信号发生原理
旋转编码器的信号输出一般是采用光电扫面的原理，简单的就是用透射光产生信号：两个具有相同栅距的关栅-圆光栅和扫描的基体是透明的。而作为测量基准的光栅尺可以用透明的也可以是反射的。当光穿过光栅，在一定距离上形成明/暗区。具有同珊距的扫描光栅就位于这个位置处。当两个光栅相对运动时，穿过光栅尺的光得到调制。如果夹缝对齐，则光线穿过。如果一个光栅的刻线与另一个光栅的夹缝对齐，则光线无法通过。光电池将这些光强变化转化为正信号。
三、旋转编码器的输出信号
目前市面上的增量式旋转编码器根据工作原理可以分光电式和电磁式编码器两种，它是把旋转的角度位移量转换成周期性的脉冲电信号的一种传感器，传感器的信号类型有正旋波（主要为绝对式编码器）、方波（TTL、THL）、集电极开路（PNP/NPN）等多种类型，其中市场上留下的采用增量式编码器多为TTL增量信号，采用这种信号的传感器有带有自检诊断功能。下面以这种TTL增量信号模式的旋转编码器为例对信号输出进行说明。增量信号以相位差为90°的方波脉冲信号Ua1和Ua2进行传输。参考点信号包括一个或多个参考信号Ua0，由增量信号触发。此外，内置电子电路还生成其反相信号Ua1、Ua2、Ua0，实现无噪声信号传输。而增量信号Ua1和Ua2的两个相邻沿间的距离通过1倍频、2倍频或4倍频处理后得到测量步距。以下是经过4倍频信号处理的测量信号图示。（见图1）
四、旋转编码器的设备选型
（一）旋转编码器环境旋转
旋转编码器存放的包装环境一般为-30℃～80℃，工作温度范围要小于存放工作温度，一般-10℃～80℃，否则对编码器的光栅会产生物理性质的变化影响，影响设备精度。
（二）旋转编码器的加速度特性
旋转编码器在安装和工作时会受到类型加速度作用，在选型上会有最大振动及允许的冲击的范围考虑。一般来说精度较高的编码器适合的频率为55Hz～2000 Hz。超过准许值就会造成编码器的损坏，如果是因为环境或安装引起的频率共振就需要通过加装垫块等调整质量来改变。在任何情况下均不可以用工具敲击调整编码器。而编码器的角加速度也不能大于
（三）旋转编码器的固有频率
旋转编码器的固有频率要尽可能的高才能防止共振，有下图公式可知
因而要提高固有频率需选用合适的联轴节，高扭转刚度的联轴器可以有效提高固定频率保证联轴器不会因为设备共振损坏。
（四）防护条件
即所需的旋转编码器的防护等级，主要有：防尘型、防滴型、防油型等针对不同设备环境提出设备选型需求
（五）精度选择
旋转编码器精度主要取决于：（1）径向光栅的方向偏差；（2）分度盘相对轴承的偏心；（3）轴承径向偏差；（4）与联轴节连接造成的偏差；（5）内部电子设备精度。其中内部电子设备的精度主要取决于光栅盘的精度中最大方向偏差值小于因而线数越多精度越大。
五、旋转编码机的安装注意事项
（一）机械安装
在安装过程中不要直接对旋转轴施加直接的冲击。在编码器轴与机器连接时，在不考虑共振的情况下选用柔性连接器。在安装过程中不要硬压入。否则可能会给轴加上比允许负载还大的负荷，或造成拔芯现象。因此，要特别注意轴芯的受力。如轴承负荷比规定大，将大大减少编码器的使用寿命。轴承受力过大或受力位置不均匀均会引起旋转编码器的寿命降低。
（二）旋转编码器的电力配线安装
（1）错误的连接配线可能会引起编码器的损坏。所以在选用配线时应该在电源关闭的情况下进行，确认电源的进线及出线端连接无误后在进性通电测试。
（2）若和高压线路或动力线路一同进行配线，如绝缘效果不好则有可能会感到感应造成传感器误动作。所以在配线时尽量远离高压配线。
（3）在长距离的运输信号时尽量选用设备工作电压上线进行配线，避免因导向的衰减而影响信号的准确性从而影响设备使用。除此之外尽量减少电线长度，将电线长度控制在10m以内也是一种有效的降低感应噪声的有效方法。
六、故障维修保养方案的确立
旋转编码器故障主要体现在传感器老化引起的光栅编码盘损坏及输出线号故障，下面对以上多出现的故障提出部分解决办法。
七、结语
机床设备相对于其他设备在精度控制上要求较高，减少测量误差是测控设备的关键，而旋转编码器作为大部分数控设备上使用的检测元器件在维修上需要严加控制，否则当测量数据失真后就会导致产品生产过程的失控。在这里笔者结合地铁维修设备中经验集合编码器工作原理提对于旋转编码器中可能出现的故障进行分析，希望可以为各位读者起到借鉴学习作业。
参考文献
[1] 于庆广等.光电编码器选型及同步电机转速和转子位置测量电气传动 2006年第36卷第4期.
[2] 常春等.光电旋转编码器的研究与应用.仪表技术与传感器2001年中图分类号：TP211.6.
[3] 海德汉旋转编码器选型手册.2005年4月.
[4] 蒋焕文.电子测量.北京：中国计量出版社，1991.