董静1,2,万秋华1*,赵长海1,于海1,梁立辉1 (1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;2.中国科学院大学,北京100049) 摘要:光电编码器是以高精度计量光栅为检测元
4006-054-001 立即咨询发布时间:2022-10-05 10:03 热度:
董静1,2,万秋华1*,赵长海1,于海1,梁立辉1
(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;2.中国科学院大学,北京100049)
摘要:光电编码器是以高精度计量光栅为检测元件的高精度数字化测角设备,在当代自动化领域应用广泛。为深入研究光电编码器故障诊断方法,提高诊断效率,本文首先介绍了光电编码器分类、工作原理;其次,介绍了国内外光电编码器故障诊断关键技术现状,对具有代表性的故障诊断技术进行了分析与比较,总结了各诊断方法的优缺点;最后,对光电编码器诊断技术进行了展望,揭示了其诊断方法向自动化、便携化、动态检测、多技术融合和故障预测方向发展的趋势。
关键词:光电编码器;故障诊断;测角设备;动态检测
中图分类号:TP212文献标识码:A
doi:10.3788/CO.20150805.0755
Abstract:Photoelectricencoderisakindofnumericalhigh-precisionangle-measuringdevice,whichisgrandlyappliedinmodernautomationsystem.Inordertodoin-depthresearchandimprovedetectionefficiencyinphotoelectricencoderfaultdiagnosis,theclassificationandoperatingprincipleofphotoelectricencoderareintroducedfirstlyinthispaper.Moreover,currentdevelopingsituationforencoderfaultdiagnosismethodathomeandabroadispresentedandtypicalencoderfaultdiagnosismethodsarecompared.Theadvantagesanddisadvantagesofeachfaultdiagnosistechnologyaresummaried.Finally,thetrendofautomation,portability,dynamicdetection,multi-technologyfusionandfaultpredictioninphotoelectricencoderisproposed.
Keywords:photoelectricencoder;faultdiagnosis;angle-measuringdevice;dynamicdetection
1引言
高分辨力光电轴角编码器是一种集光、机、电为一体的精密数字测角装置[1]。它以高精度计量圆光栅为测量元件,将空间角位移转换成数字代码输出,与计算机及显示装置相连接,可实现动态测量与数字控制。它具有精度高、能耗小、测量范围广、体积小、重量轻、抗干扰能力强等优点,在工业、科研、国防、航天等领域得到广泛应用[2]。
随着航空航天技术的飞速发展,测控系统的成本和复杂性越来越高,光电编码器的任何微小故障和错码,将对整个测控系统造成致命性打击。所以,各研究单位对光电编码器输出的准确性和快速性提出了更高的要求,快速且准确的光电编码器故障诊断(FaultDiagnosis)技术是提高系统可靠性和降低事故风险的重要一环。
由于光电编码器故障主要表现为输出信号出现误码,因此,如果能够及时、准确地对误码现象进行诊断,并采取相应的补救措施,就有可能避免光电编码器产生更加严重的故障,以挽救因编码器故障对整个测控系统造成巨大的损失。所以,解决误码问题是光电编码器故障诊断的关键。传统的光电编码器误码检测方法是将光电编码器输出端口接LED显示灯排,这也是国内大多数编码器生产厂家使用的检测编码器误码的方法:当光电编码器主轴按照某一方向旋转时,LED灯排逐个点亮,通过观测LED点亮的次序和位置判断光电编码器是否出现误码[3]。由于编码器旋转一周输出的位置信息非常多,加上人眼的反应能力有限,长时间观察灯排,容易形成视觉疲劳,影响判断;另外,编码器转动的速度不能过快,需要反复的观察,正常情况下判断编码器是否有误码大概需要10min左右。传统方法检测速度慢,对检测人员熟练程度要求较高;当编码器转速较快时,用肉眼无法准确识别出错码;批量产品检验费时、费力。因此,快速、准确地完成光电编码器故障的自动检测与定位,在光电编码器批量产品检测过程中和测控设备组装调试过程中,十分急需和必要。
本文对光电轴角编码器的原理进行了介绍,分析了国内外光电编码器故障诊断关键技术的发展现状及优缺点,并提出了光电编码器故障诊断技术的未来发展趋势。
2光电编码器工作原理
光电编码器主要结构如图1所示,它包括轴系、码盘、狭缝、光电接收元件、处理和输出电路[4-5]。编码器工作时,码盘随主轴转动,码盘与狭缝的相对位移形成了莫尔条纹。主轴转动一个码盘光栅的栅距角,莫尔条纹信号变化一个周期。光电接收元件产生的光电信号送入实时处理电路,经细分计算得到当前编码器的角度位置信息。增量式编码器结构简单,容易实现小型化,但掉电后造成数据丢失且易于形成累积误差。绝对式编码器具有固定零位、输出代码是轴角的单值函数、断电后不用重新标定、抗干扰能力强、无累积误差等优点,但绝对式编码器制造工艺复杂、不易实现小型化。3光电编码器故障诊断关键技术分析
3.1国外光电编码器故障诊断技术
国外研究光电编码器故障诊断技术的国家有日本、美国。日本国家计量研究所(NationalMetrologyInstituteofJapan)研制的编码器精度检测系统[7],在注重光电编码器精度检测的同时,也能判断编码器是否出现误码,检测系统实物图如图4所示。该系统的分辨率为0.001″,不确定度为±0.005″,但其实验装置结构复杂,只能在实验室条件下进行精度检测,无法实现在多种工作现场、对大批量的编码器进行误码检测,且不能判断误码位置。
3.2国内光电编码器故障诊断技术
目前,国内对光电编码器故障诊断技术的研究较多。故障诊断技术主要被分为定性和定量两种类型[16-18],分类方法如图5所示。该分类方法也适用于光电编码器故障诊断技术的分类。定性分析方法是获得系统在正常工作和故障运行下的定性行为描述,该种行为描述可以作为系统知识用于故障诊断。定性故障诊断方法无法对光电编码器故障位置做出明确判断,不适合用来进行光电编码器故障诊断。定量诊断方法分为基于解析模型和基于数据驱动的故障诊断[19-20]。其中,基于模型的故障诊断方法需要精确的编码器模型,但对于非线性、多变量的编码器来说,建立精确的数学模型并非易事,所以基于模型的故障诊断方法也不适用于光电编码器的故障诊断。基于数据驱动的故障诊断方法是直接分析编码器输出的信号模型,在不需要对象的数学模型的情况下完成系统的故障检测。所以,目前国内主要的光电编码器故障诊断方法都是基于数据驱动的方法。基于数据驱动的故障诊断方法主要分为信号处理、统计分析及机器学习3种方法。
4光电编码器故障诊断关键技术发展趋势
目前的光电编码器故障诊断技术具有以下特点:(1)多数故障检测方法只能判断是否存在故障,无法确定故障位置;(2)有些故障检测算法在嵌入式系统中占用大量资源,运算周期长,难以实时检测;(3)故障诊断装置结构复杂、多数需要手动操作,仅局限于实验室内对单个编码器进行故障检测,不适合各种工作场合下的误码检测,当批量生产时,无法做到诊断质量与效率的双重要求;(4)故障检测方法对检测人员的基本要求较高,需要具备专业知识的人员才能操作,不能广泛运用于非专业的用户对象;(5)故障检测装置大多只能实现对编码器的静态或是低转速下的误码检测,不能够很好地实现对光电编码器的动态误码检测。综上所述,在未来发展中,光电编码器故障诊断技术需要在以下几个方面进行研究。
4.1诊断过程自动化
针对目前的光电编码器故障诊断装置需手动操作、检测方法繁琐、效率低的现状,光电编码器故障诊断过程趋向设备自动化、操作简单、检测快捷,以满足非专业用户对象的使用需求,特别是在批量生产时,提高检测效率。5结束语光电编码器故障诊断的研究在工程应用中具有重要的现实意义,特别是在大批量的光电编码器出厂检测和多工作场合检测中十分急需。本文在阅读大量光电编码器故障诊断方向的文献的基础上,对比了国内外光电编码器故障诊断技术:国外大部分研究单位主要设计编码器精度检测系统,检测精度高,能判断是否出现误码,但专门针对误码检测的设备较少;而国内光电编码器故障诊断技术的理论研究颇丰,主要分为信号处理、统计分析和机器学习三种故障诊断方法,但光电编码器误码检测设备成品鲜有见到,具有较大发展空间。最后本文对光电编码器故障诊断的发展趋势进行了展望,揭示了其向诊断过程自动化、诊断设备便携化、动态故障检测、多技术融合以及故障预测发展的方向。经过几十年的发展,光电编码器故障诊断研究已经取得了大量的成果,随着科学技术的迅猛发展,光电编码器故障检测方法将会越来越完善。
参考文献:
[1]董莉莉,熊经武,万秋华.光电轴角编码器的发展动态[J].光学精密工程,2000,8(2):198-202.DONGLL,XIONGJW,WANQH.Developmentcurrentsituationandtrendofphotoelectricencoder[J].Opt.PrecisionEng.,2000,8(2):198-201.(inChinese)
[2]冯英翘,万秋华,王树洁.小型光电编码器长周期误差的修正[J].光学精密工程,2014,09:2491-2497.FENGYQ,WANQH,WANGSHJ.CorrectionofLong-periodErrorforSmallPhotoelectricEncoder[J].Opt.PrecisionEng.,2014,09:2491-2497.(inChinese)
[3]孙树红,赵长海,万秋华,等.小型光电编码器自动检测系统[J].中国光学,2013,6(4):600-606.SUNSHH,ZHAOCHH,WANQH,etal..Automaticdetectionsystemforminiaturephotoelectricalencoder[J].ChineseOptics,,2013,6(4):600-606.(inChinese)