运动控制:长长度线性编码器看起来活泼

线性编码器工作的数控系统和精密装配设备具有高动态操作的特点。位置测量必须在恶劣的环境下提供，通常在高横移速度和加速度下。越来越多的直接驱动直线电机线性编码器的使用强调了这些要求。例如，一些编码器型号提供20米/秒(65.6英尺/秒)或更高的遍历速度。

灰尘、油、芯片和污染物对光学编码器尤其有害，需要对设备进行物理保护或增强测量过程。这是线性编码器的操作不同于旋转编码器的一个领域，旋转编码器在密封环境中工作。线性编码器可以按不同的方式分类。

光学或磁感应

编码器分为两种主要技术-光学和磁-这也适用于旋转编码器。这里不涉及感应编码器。线性编码器基本上包括一个测量刻度，其中包含非常精细的刻度(或磁化信息)，用于传达位置，以及一个读取刻度的扫描头。

简单来说，就是测量过程光学线性编码器需要光电感应的天平和一个扫描线，相对移动(见图表)。当刻度和标线对齐时，投射的光通过光栅的间隙时被调制，或者当一个光栅的线与另一个光栅的间隙重合时被阻挡。一组光伏电池将这些光强变化转化为电信号。扫描线的特殊结构光栅对光进行滤波，产生近正弦输出信号。在扫描头或系统控制器上进一步的信号处理产生位置输出。

光学线性编码器使用玻璃或钢秤。玻璃的测量长度一般限制在4米左右，钢秤适用于更长的长度。Heidenhain公司的机床营销产品专家Nathan Mathiot指出，玻璃刻度的长度受到制造它们的机器精度的限制。

主要组成部分磁线性编码器是一盘磁带和一个扫描头。以顺序码磁化在磁带上的位置信息作为测量标度。磁带有不同的长度，可以是非常长的。它们通常被层压在钢带上，并有胶背，以便于安装在机器上。当扫描头穿过测量带时，位置信息被感知。

雷尼绍编码器产品市场部经理Corrie Fearon解释说，长长度线性编码器(LLL)的应用并不总是要求光学技术的精度。磁编码器提供了另一种选择，±20微米/米(μm/m;1 μ m = 0.00004英寸)精度典型的高端版本。Fearon表示:“与光学编码器相比，磁性编码器具有更宽的安装/运行公差，抗污垢和污染，通常可以节省成本。”(请参阅下面关于准确性和应用的更多信息;参考文献1和2，也在网上。)

其他编码器类别

线性编码器也被指定为增量或绝对类型设备-旋转式编码器遗留下来的术语。绝对编码器基本上在电源上提供位置。增量式编码器需要轴移动来首先建立一个参考位置。然而，距离编码参考标记(dcrm)沿刻度间隔最小化机器移动的需要。根据Heidenhain的说法，编码器电子器件在遍历两个dcrm后建立绝对参考，这通常意味着几毫米的移动。

Mathiot说:“参考标记通过公式计算，最终得到重复的唯一位置值，从而成为dcrm增量磁带尺度的长度限制。”Heidenhain制造的最长的距离编码线性编码器是72米。

绝对带标也受到放置在轨道上的伪随机码(PRC)的测量长度的限制。作为一个例子，Mathiot引用了带有32位内存的LC281线性编码器。“每个10纳米的步骤使用存储在内存中的4,294,967,296个可能的位置值中的一个。中国的每一个头寸价值都是独一无二的，最终会重复，”他补充道。

Renishaw同样注意到增量式编码器的最大长度限制，即“制作那么长的刻度的产量”，但已经提供了长达100米的磁带刻度。Fearon表示:“对于绝对编码器，雷尼绍Resolute光学编码器的最大长度目前为10米，受到为获得最佳抗污性和性能特性而选择的码字的限制。”LMA-10磁编码器刻度的最大长度为16.2 m。

光学线性编码器被进一步指定为密封或暴露设备。在密封装置中，金属外壳和弹性密封唇保护刻度、扫描头和导轨，防止工业环境中发现的污染物进入。暴露式(非接触式)线性编码器在物理上更简单，通常用于更清洁的环境中。

恶劣的工作环境

非接触式光学线性编码器的工作环境尤其恶劣，需要对光学扫描进行校正增强。费伦指出了两种减轻污染影响的基本方法:使用光学过滤或在相对较大的区域内平均扫描。

滤波是一种更强大的方法，它放大光学调谐到的基频上的良好信号，同时排除由污染引起的其他谐波。该方法适用于增量式编码器。Fearon说:“在系统中添加自动增益控制(AGC)有助于进一步提高抗污能力，但在弱光学方案中添加AGC只会放大差信号，不会克服相移或其他问题。”

雷尼绍的坚决线绝对，非接触线性编码器应用不同的先进技术，以获得污垢免疫。在捕获测量刻度的图像后，编码器通过板载数字信号处理器执行交叉检查和错误排除-抵消刻度上的油脂、油或颗粒污染物对扫描头的混沌光反向散射。根据Fearon的说法，高系统冗余可以在图像的大部分被遮挡的情况下确定正确的位置。

Fearon补充说:“为了提供进一步的安全性和诊断覆盖范围，Resolute编码器包括一个位置检查算法，可以跟踪位置，确保只向系统驱动器/控制器发送正确的数据。”实际上，在扫描头中使用并检查了两种独立的计算方法。然后，发送一个正确的结果，解除驱动器/控制器的任务(参见参考3)。

密封光学线性编码器最大限度地减少或消除了广泛的污垢免疫措施的需要。Heidenhain提供外露式和密封式编码器，但后者仅适用于数控机床的环境。

Mathiot说:“密封线性编码器是适用于存在冷却剂、油和芯片的恶劣环境的正确编码器。

Heidenhain密封LLL编码器的例子包括LC211(绝对)测量高达28米和LB382(增量)可达30米和72米的特殊订单。两种型号都使用钢秤胶带。这些编码器提供±5微米(µm)的精度等级-定义为任何1米测量长度的位置误差容差。其他一些型号提供±3 μm精度。用于非数控机床应用的密封编码器具有高达3米的测量范围，通常精度等级为±10 μm。

Heidenhain还指出，其外露的LLL编码器“降低对污染的敏感性”的方法，可应用于高精度生产/组装机、测量设备和直接驱动器。其中一种方法是单场(而不是四场)扫描来生成位置信号。当单场传感的输出信号由于污染而经历振幅变化时，偏移量和相位位置被认为保持不变。

Heidenhain说:“信号仍然是高度可插的，一个信号周期内的位置误差仍然很小。”典型的外露编码器包括LIC系列(绝对式)和LIDA系列(增量式)，每信号周期的位置误差分别高达±0.08 μm和±0.2 μm。

信号的准确性

使用相对于光栅周期的大扫描场也降低了污染敏感性。据报道，在直径达3毫米的污染物存在的情况下，输出高质量的信号，位置误差保持在刻度精度等级规范之下。

上面引用的一些刻度精度是指认证值。在实践中，编码器尺度实现了更好的结果(见图)。

Sick公司是德国Sick ag公司的子公司，提供几种LLL磁编码器。TTK70非接触式绝对编码器精度等级为±10 μm，适用于整个4 m长度的单元。LinCoder L320，另一个非接触式绝对器件，长度可达40米，精度规格为±0.3毫米/米(在20℃时)。

Sick公司的另一款编码器产品尤其值得注意的是其极长测量能力。Pomux KH53提供1.7千米(1700米)的绝对位置测量。

Sick绝对编码器和线性编码器产品经理Mandee Liberty表示:“Pomux KH53具有IP 66等级和铝制外壳，是一种非常坚固的解决方案，适用于极端长度和恶劣环境的应用。

长线性编码器的应用范围很广。Sick提到了KH53在架空起重机和存储/输送系统等方面的应用。Liberty指出，KH53在测量长度为15 ~ 800米的应用中取得了成功。

在雷尼绍的经验中，长编码器的应用包括大型轴承磨床、LCD屏幕制造台架、宽幅印刷，以及激光/水射流切割和飞机机翼生产的机器(见图)。

Heidenhain列举了在传输线上制造风力涡轮机部件和汽车部件的应用实例。在相关的市场趋势中，该公司看到其客户正在使用编码器与直线电机，以获得更快的零件加工。

- Frank J. Bartos，体育，是一个控制工程贡献内容专家。联络他的地址是braunbart@sbcglobal.net

关键概念

• 使用线性编码器，光学或磁，直接位置反馈。
• 超长位置测量与控制有助于机床精度和精密大型零件的生产。
• 线性编码器> 3m覆盖在这里。

考虑一下这个

线性编码器可以在远距离上提供高精度测量;有了更好的反馈，你可以改进什么应用程序?

在线

参考文献1 - llll编码器附录(见底部链接)

参考文献2 -编码器应用(见底部链接)

参考文献3 -位置确定/检查算法

https://www.renishaw.com/en/white -纸-检查- -位置- - -决心- - - -检查-算法- -坚决绝对编码器- 18764

www.heidenhain.com

www.renishaw.com

www.sickusa.com

进一步阅读:电磁线性编码器拯救

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