1编码器的组成及工作原理
多圈双读数绝对式编码器工作原理如图1所示，当编码器工作时，一级码盘2随主轴5旋转，一级发光管发出的光经一级码盘2和一级狭缝盘3照射到一级接收管上，支撑板6上的精密齿轮带动二级主轴7旋转，二级发光管发出的光经二级码盘9和二级狭缝盘10照射到二级接收管。两套码盘的光电输出信号经数据处理电路后共同组成一组完整的18位自然二进制角度代码输出，其中高4位表示主轴旋转的圈数，低14位表示360°内的旋转角度。在一级发光板1上，按一定规律排列26支发光二极管，主份发光管13支，备份发光管13支，一级接收板4相应位置排列26支光电接收二极管。在二级发光板8上，按一定规律排列10支发光二极管，主份发光管5支，备份发光管5支，二级接收板11相应位置排列10支光电接收二极管。这样在两级测量系统上形成主、备份两组编码器读数。当主份编码器工作时，备份编码器不通电工作；备份编码器工作时，主份编码器不通电工作；主、备编码器互为冷备份。
2双读数多圈编码器设计
2.1机械结构设计编码器机械结构如图2所示，它包括主轴1、连接法兰2、内置连轴器3、一级发光板4、一级码盘5、一级狭缝6、一级接收板7、齿轮副支撑板8、二级码盘9、二级狭缝10、二级接收板11、二级发光板12、二级主轴13。编码器采用两套绝对式光栅测量系统，每套光栅测量系统均采用双组读数。主光栅测量系统由主轴、一级发光板、一级码盘、一级狭缝、一级接收板组成；副光栅测量系统由二级主轴、二级发光板、二级码盘、二级狭缝、二级接收板组成。主轴与二级主轴通过齿轮副支撑板上的精密齿轮互联，连接法兰和内置连轴器作为编码器的机械接口与外部设备互联。2.2轴系设计轴系由主轴、轴承套和轴承构成。由于组成轴的零件表面形状误差，相互位置误差等因素的影响，主轴在回转的过程中，其回转中心将与理想轴线产生偏差，而影响编码器精度的主要原因是轴的径向晃动和端面跳动。由此可见，当端面跳动量、径向晃动量很大时，其产生的误差将影响编码器的精度。双读数多圈编码器采用滚动轴承轴系，优点是结构简单，装调方便，摩擦力矩小，磨损小，对温度变化不敏感，具有互换性，维护修理比较简单。编码器设计的轴头径向晃动重复性不大于0.001mm；端面跳动不大于0.002mm；轴向窜动不大于0.005mm。编码器的轴和轴套选用具有中等强度和韧性、膨胀系数小、膨胀系数相近的材料。轴选用1Gr18Ni9Ti，轴套选用40Gr。轴承选用深沟球轴承，型号628/6-P4。轴和轴套与轴承等尺寸配合。编码器轴承需涂低挥发航天级润滑脂处理。2.3码盘和狭缝设计2.3.1一级码盘和狭缝设计码盘是编码器的核心元件，小型绝对式编码器的码盘主要是矩阵编码。图3为一级矩阵码盘示意图，内四圈粗码道包含了A1A9粗码信息，外一圈精码道可获取0、90、180、270精码信号，通过幅值细分可得到A10A14精码信息。编码器一级狭缝盘设计为错位排列的双狭缝图案，如图4所示。这样排列有两个优点：一是狭缝错开避免窜光和发生错码；二是码道变窄可缩小编码器直径。双狭缝图案由两套独立的单狭缝图案在角度位置上相差135°叠加而成。两组狭缝分别对应主份发光接收管和备份发光接收管。一级码盘和一级狭缝盘的基底材料均采用K9光学玻璃，图案均采用镀铬、光刻、复制的方法制备。当一级狭缝固定，一级码盘随主轴转动时，光信号经过一级码盘和一级狭缝的调制后，通过一级接收板转换为具有位置信息的电信号。2.3.2二级码盘和狭缝设计二级码盘上刻有5位矩阵码，用来表示主轴旋转圈数。二级狭缝与一级狭缝类似，刻画有两组互成135°的狭缝。当主轴转动360°时，二级主轴转动二级码盘的一个分辨率，二级接收板输出5路具有圈数信息的电信号。为了减小编码器整体重量与体积，拟选用金属材料作为二级码盘和二级狭缝盘的基底。金属盘的特点是耐冲击、振动，轻、薄，温度特性差，刻划难等，适用于分辨力低的小型编码器中。二级码盘如图5所示，二级狭缝如图6所示。当主轴转动并即将进入第N圈时，由于加工和装调等原因，二级主轴可能未到N圈或已进入N圈计数，此时，通过对一级接收板输出信号的处理和判断，能够对二级接收板输出的圈数信息进行软件校正，这样能够降低加工及装调的复杂程度。
3实验检测
3.1精度检测双读数多圈编码器的一级码盘决定编码器的精度，二级码盘决定旋转圈数。现以23位高精度绝对式光电编码器作为角度基准(检测精度为2″)，检测其角度误差值。为了更准确检测编码器的精度，在检测时对主、备份两套读数系统分别进行正转和反转两次角度误差检测。由表1精度检测结果可知，编码器主份读数系统最大误差值为+35″，最小误差值为-50″；备份读数系统最大误差值为+35″，最小误差值-60″。两次检测角度误差重复性较好，并满足编码器精度<±100″的要求。一级码盘数据与二级码盘数据连接吻合，进位正常。3.2高低温和随机振动实验为保证星载双读数多圈绝对式编码器在航天设备中工作可靠性和稳定性，对编码器进行高低温实验和随机振动实验。高低温实验是利用快速温度变化湿热试验箱对编码器进行测试，其实验状态如表2所示。经上述工作环境，检测编码器的主、备份两套读数系统的角度误差，编码器精度<±100″，一级码盘数据与二级码盘数据连接吻合，进位正常。随机振动实验是沿X、Y方向对编码器进行随机振动，得到如图7所示的频率响应曲线。由图7可知，编码器的一阶自然频率是173Hz，均方根加速度(rms)8.1g。经振动实验后检测编码器角度误差，其精度<±100″，一级码盘数据与二级码盘数据连接吻合，进位正常。
4结论
星载双读数多圈绝对式编码器相对于传统的单圈绝对式编码器，增加了一套光栅测量系统，使用高精度齿轮机构将两套光栅测量系统互联，并通过适当的软件修正保证两套测量系统的无缝连接，提高了记圈精度，降低了齿轮加工及装调难度。在两套光栅测量系统中均采用主、备份双组读数，来完成光电转换电路的冷备份。实验结果表明，星载双读数多圈绝对式编码器分辨力为80″、精度<±100″、测量圈数为16圈，符合航天高分辨力相机调焦机构行程大、高可靠性的要求。
作者：左洋 龙科慧 刘金国 乔克 周磊 单位：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 中国科学院大学
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