Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三节 脉冲编码器,脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转角变成电脉冲，是数控机床上使用很广泛的位置检测装置。脉冲编码器可分为增量式与绝对式两类。,从产生元件上分，脉冲编码器有光电式、接触式、电磁感应式三种，从精度和可靠性来看，光电式较好，数控机床上主要使用的是光电式脉冲编码器。,型号用 脉冲数/转p/r分，常用的2000，2500，3000p/r,现在有10万p/r以上的产品。,它可以用于角度检测，也可用于速度检测。通常它与电机做成一体，或安装在非轴伸端。,第一页，共二十三页。,a)b),一、绝对式编码器,绝对式编码器的工作原理,码道：测量电路：,扇区：分辨率:,第二页，共二十三页。,由图可以看出，码道的圈数就是二进制的位数，且高位在内，低位在外。其分辨角360o/24=22.5o，,假设是n位二进制码盘，就有n圈码道，,分辨角360o/2n，,码盘位数越大，所能分辨的角度越小，测量精度越高。假设要提高分辨力，就必须增多码道，即二进制位数增多。,目前接触式码盘一般可以做到9位二进制，光电式码盘可以做到18位二进制。,第三页，共二十三页。,四位二进制码盘非单值性误差,自然码盘的缺点及格莱码盘,用二进制代码做的码盘，如果电刷安装不准，会使得个别电刷错位，而出现很大的数值误差。为消除这种误差，可采用葛莱码盘,。,第四页，共二十三页。,图5-13为葛莱码盘，其各码道的数码不同时改变，任何两个相邻数码间只有一位是变化的，每次只切换一位数，把误差控制在最小范围内。二进制码转换成葛莱码的法那么是：将二进制码右移一位并舍去末位的数码，再与二进制数码作不进位加法，结果即为葛莱码。,图5-13 葛莱码盘,例如，二进制码1101对应的葛莱码为1011，其演算过程如下：,1101 二进制码,1101不进位相加，舍去末位,1011 葛莱码,第五页，共二十三页。,二、增量式脉冲编码器,光电式脉冲编码器通常与电机做在一起，或者安装在电机非轴伸端，电动机可直接与滚珠丝杠相连，或通过减速比为,i,的减速齿轮，然后与滚珠丝杠相连，那么每个脉冲对应机床工作台移动的距离可用下式计算：,式中,脉冲当量mm/脉冲；,S滚珠丝杠的导程mm；,i减速齿轮的减速比；,M脉冲编码器每转的脉冲数p/r。,i,1个脉冲 -mm,M个脉冲(360，1转)M/i个脉冲1/i转-S1/i mm,推导：,第六页，共二十三页。,第七页，共二十三页。,光电盘是用玻璃材料研磨抛光制成，玻璃外表在真空中镀上一层不透光的铬，然后用照相腐蚀法在上面制成向心透光窄缝。透光窄缝在圆周上等分，其数量从几百条到几千条不等。圆盘也用玻璃材料研磨抛光制成，其透光窄缝为两条，每一条后面安装有一只光电元件。光电盘与工作轴连在一起，光电盘转动时，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化，光电元件把通过光电盘和圆盘射来的忽明忽暗的光信号转换为近似正弦波的电信号，经过整形、放大、和微分处理后，输出脉冲信号。通过记录脉冲的数目，就可以测出转角。测出脉冲的变化率，即单位时间脉冲的数目，就可以求出速度。,光电式脉冲编码器，它由光源、聚光镜、光电盘、圆盘、光电元件和信号处理电路等组成如图。,第八页，共二十三页。,电流,A,B,节距,t,A,1,B,1,90,0,图5-15 脉冲编码器输出波形,为了判断旋转方向，圆盘的两个窄缝距离彼此错开1/4节距，使两个光电元件输出信号相位差900。如图5-15所示，A、B信号为具有900相位差的正弦波，经放大和整形变为方波A1、B1。,设A相比B相超前时为正方向旋转，那么B相超前A相就是负方向旋转，利用A相与B相的相位关系可以判别旋转方向。此外，在光电盘的里圈不透光圆环上还刻有一条透光条纹，用以产生每转一个的零位脉冲信号，它是轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲。,第九页，共二十三页。,在数控机床上，光电脉冲编码器作为位置检测装置，用在数字比较伺服系统中，将位置检测信号反响给CNC装置。,图示为辨向环节框图和波形图。脉冲编码器输出的交变信号 A,B B ，经过差分驱动和差分接收进入CNC装置，再经过整形放大电路变成二个方波系列 A1,B1。将 A1 和它的反向信号1 微分上升沿微分后得到 和 脉冲系列，作为加、减计数脉冲。,图5-16 辨向环节框图,差,分,整形放大,Y,1,微,分,差,分,整形放大,Y,2,微,分,加计数,减计数,B1路方波信号被用作加、减计数脉冲的控制信号，正走时A超前B，由Y2门输出加计数脉冲，此时Y1门输出为低电平图5-16；反走时B超前A，由Y1门输出减计数脉冲，此时Y2门输出为低电平。这种读数方式每次反映的都是相对于上一次读数的增量，而不能反映转轴在空间的绝对位置，所以是增量读数法。,第十页，共二十三页。,图5-16,辨,辨向环,节,节波形图,差,分,整形放大,Y,1,微,分,差,分,整形放大,Y,2,微,分,加计数,减计数,第十一页,，,，共二十,三,三页。,光电脉冲,编,编码器用,于,于数字脉,冲,冲比较伺,服,服系统,图,图5-17的工,作,作原理如,下,下：,光电脉冲,编,编码器与,伺,伺服电机,的,的转轴连,接,接，随着,电,电机的转,动,动产生脉,冲,冲序列，,其,其脉冲的,频,频率将随,着,着转速的,快,快慢而升,降,降。假设,工,工作台静,止,止，指令,脉,脉冲和反,响,响脉冲都,为,为零，两,路,路脉冲送,入,入数字脉,冲,冲比较器,中,中进行比,较,较，结果,输,输出也为,零,零。因伺,服,服电机的,速,速度给定,为,为零，工,作,作台依然,不,不动。随,着,着指令脉,冲,冲的输出,，,，指令脉,冲,冲不为零,，,，在工作,台,台尚未移,动,动之前，,反,反响脉冲,仍,仍为零，,比,比较器输,出,出指令信,号,号与反响,信,信号的差,值,值，经放,大,大后，驱,动,动电机带,开,开工作台,移,移动。电,机,机运转后,，,，光电脉,冲,冲编码器,将,将输出反,响,响脉冲送,入,入比较器,，,，与指令,脉,脉冲进行,比,比较，如,果,果偏差不,为,为零，工,作,作台继续,移,移动，不,断,断反响，,直,直到偏差,为,为零，即,反,反响脉冲,数,数等于指,令,令脉冲数,时,时，工作,台,台停在指,令,令规定的,位,位置上。,放大环节,指令信号,比较器,伺服电机,反馈信号,工作台,图5-17 数字,比,比较伺服,系,系统,第十二页,，,，共二十,三,三页。,光栅,一、结构,光栅种类,较,较多。根,据,据光线在,光,光栅中是,透,透射还是,反,反射分为,透,透射光栅,和,和反射光,栅,栅，透射,光,光栅分辨,率,率较反射,光,光栅高，,其,其检测精,度,度可达1,m以上,。,。从形状,上,上看，又,可,可分为圆,光,光栅和直,线,线光栅。,圆,圆光栅用,于,于测量转,角,角位移，,直,直线光栅,用,用于检测,直,直线位移,。,。两者工,作,作原理根,本,本相似，,本,本节着重,介,介绍一种,应,应用比较,广,广泛的透,射,射式直线,光,光栅。,直线光栅,通,通常包括,一,一长和一,短,短两块配,套,套使用，,其,其中长的,称,称为标尺,光,光栅或长,光,光栅，一,般,般固定在,机,机床固定,部,部件上，,要,要求与行,程,程等长。,短,短的为指,示,示光栅或,短,短光栅，,装,装在机床,移,移动部件,上,上。两光,栅,栅尺是刻,有,有均匀密,集,集线纹的,透,透明玻璃,片,片，线纹,密,密度为25、50,、,、100,、,、250,条,条/mm,等,等。线纹,之,之间距离,相,相等，该,间,间距称为,栅,栅距，测,量,量时它们,相,相互平行,放,放置，并,保,保持0.050.1mm,的,的间隙。,第十三页,，,，共二十,三,三页。,第十四页,，,，共二十,三,三页。,15,工作原理,二、工作,原,原理,当指示光,栅,栅上的线,纹,纹与标尺,光,光栅上的,线,线纹成一,小,小角度放,置,置时，两,光,光栅尺上,线,线纹互相,交,交叉。在,光,光源的照,射,射下，交,叉,叉点附近,的,的小区域,内,内黑线重,叠,叠，形成,黑,黑色条纹,，,，其它局,部,部为明亮,条,条纹，这,种,种明暗相,间,间的条纹,称,称为莫尔,条,条纹。莫,尔,尔条纹与,光,光栅线纹,几,几乎成垂,直,直方向排,列,列。严格,地,地说，是,与,与两片光,栅,栅线纹夹,角,角的平分,线,线相垂直,。,。,第十五页,，,，共二十,三,三页。,莫尔条纹,具,具有如下,特,特点：,1.放,大,大作用,用Wmm表示,莫,莫尔条纹,的,的宽度，P(mm)表示栅,距,距，(rad)为,光,光栅线纹,之,之间的夹,角,角，如图5-18,所,所示那么,有,有,(5-8),莫尔条纹,宽,宽度,W,与角成反,比,比，越小,，,，放大倍,数,数越大。,2.均,化,化误差作,用,用,莫尔条纹,是,是由光栅,的,的大量刻,线,线共同组,成,成，例如,，,，200,条,条/mm,的,的光栅，10mm,宽,宽的光栅,就,就由2000条线,纹,纹组成，,这,这样栅距,之,之间的固,有,有相邻误,差,差就被平,均,均化了，,消,消除了栅,距,距之间不,均,均匀造成,的,的误差。,标尺光栅,W,指示光栅,斜,P,第十六页,，,，共二十,三,三页。,3.莫,尔,尔条纹的,移,移动与栅,距,距的移动,成,成比例,当光栅尺,移,移动一个,栅,栅距P时,，,，莫尔条,纹,纹也刚好,移,移动了一,个,个条纹宽,度,度W。只,要,要通过光,电,电元件测,出,出莫尔条,纹,纹的数目,，,，就可知,道,道光栅移,动,动了多少,个,个栅距，,工,工作台移,动,动的距离,可,可以计算,出,出来。假,设,设光栅移,动,动方向相,反,反，那么,莫,莫尔条纹,移,移动方向,也,也相反,见,见图5-18。,标尺光栅,W,指示光栅,斜,P,标尺方向,指示尺转,角,角,方向,莫尔条纹,方,方向,标尺方向,指示尺转,角,角,方向,莫尔条纹,方,方向,第十七页,，,，共二十,三,三页。,图5-19 光栅,测,测量系统,光栅测量,系,系统如图5-19,所,所示，由,光,光源、聚,光,光镜、光,栅,栅尺、光,电,电元件和,驱,驱动线路,组,组成。读,数,数头光源,采,采用普通,的,的灯泡，,发,发出辐射,光,光线，经,过,过聚光镜,后,后变为平,行,行光束，,照,照射光栅,尺,尺。光电,元,元件常,使,使用硅光,电,电池接,受,受透过光,栅,栅尺光强,信,信号，并,将,将其转换,成,成相应的,电,电压信号,。,。由于此,信,信号比较,微,微弱，在,长,长距离传,递,递时，很,容,容易被各,种,种干扰信,号,号淹没，,造,造成传递,失,失真，驱,动,动线路的,作,作用就是,将,将电压信,号,号进行电,压,压和功率,放,放大。,除标尺光,栅,栅与工作,台,台一起移,动,动外，光,源,源、聚光,镜,镜、指示,光,光栅、光,电,电元件和,驱,驱动线路,均,均装在一,个,个壳体内,，,，作成一,个,个单独部,件,件固定在,机,机床上，,这,这个部件,称,称为光栅,读,读数头，,又,又叫光电,转,转换器，,其,其作用把,光,光栅莫尔,条,条纹的光,信,信号变成,电,电信号。,第十八页,，,，共二十,三,三页。,三、应用,光栅位,移,移数字,转,转换系统,当光栅移,动,动一个栅,距,距，莫尔,条,条纹便移,动,动一个条,纹,纹宽度，,理,理论上光,栅,栅亮度变,化,化是一个,三,三角波形,，,，但由于,漏,漏光和不,能,能到达最,大,大亮度，,被,被削顶削,底,底后而近,似,似一个正,弦,弦波见,图,图5-20。硅,光