位置檢測裝置-脈沖編碼器 光柵

1、第三節(jié) 脈沖編碼器 脈沖編碼器是一種旋轉式脈沖發(fā)生器，能把機械轉角變成電脈沖，是數(shù)控機床上使用很廣泛的位置檢測裝置。脈沖編碼器可分為增量式與絕對式兩類。 從產生元件上分，脈沖編碼器有光電式、接觸式、電磁感應式三種，從精度和可靠性來看，光電式較好，數(shù)控機床上主要使用的是光電式脈沖編碼器。 型號用 脈沖數(shù)/轉（p/r）分，常用的2000，2500，3000p/r, 現(xiàn)在有10萬p/r以上的產品。 它可以用于角度檢測，也可用于速度檢測。通常它與電機做成一體，或安裝在非軸伸端。 a) b)一、絕對式編碼器一、絕對式編碼器 絕對式編碼器的工作原理 碼道： 測量電路：扇區(qū)： 分辨率: 由圖可以看出，碼道的

2、圈數(shù)就是二進制的位數(shù)，且高位在內，低位在外。其分辨角360o/24=22.5o， 若是n位二進制碼盤，就有n圈碼道， 分辨角360o/2n， 碼盤位數(shù)越大，所能分辨的角度越小，測量精度越高。若要提高分辨力，就必須增多碼道，即二進制位數(shù)增多。 目前接觸式碼盤一般可以做到9位二進制，光電式碼盤可以做到18位二進制。 1000 1111 23 22 21 20 四位二進制碼盤非單值性誤差 自然碼盤的缺點及格萊碼盤 用二進制代碼做的碼盤，如果電刷安裝不準，會使得個別電刷錯位，而出現(xiàn)很大的數(shù)值誤差。 為消除這種誤差，可采用葛萊碼盤。 圖5-13為葛萊碼盤，其各碼道的數(shù)碼不同時改變，任何兩個相鄰數(shù)碼間只有

3、一位是變化的，每次只切換一位數(shù)，把誤差控制在最小范圍內。二進制碼轉換成葛萊碼的法則是：將二進制碼右移一位并舍去末位的數(shù)碼，再與二進制數(shù)碼作不進位加法，結果即為葛萊碼。 1000 1 3 2 6 7 4 12 13 14 15 10 11 9 0000 5 0 0001 0011 0010 0110 0111 0101 1001 1011 1010 1110 1111 1101 0100 1100 8 圖5-13 葛萊碼盤 例如，二進制碼1101對應的葛萊碼為1011，其演算過程如下： 1101 （二進制碼） 1101（不進位相加，舍去末位） 1011 （葛萊碼）二、增量式脈沖編碼器二、增量式脈

4、沖編碼器 光電式脈沖編碼器通常與電機做在一起，或者安裝在電機非軸伸端，電動機可直接與滾珠絲杠相連，或通過減速比為i的減速齒輪，然后與滾珠絲杠相連，那么每個脈沖對應機床工作臺移動的距離可用下式計算：iMS式中 脈沖當量（mm/脈沖）；S滾珠絲杠的導程（mm）；i減速齒輪的減速比；M脈沖編碼器每轉的脈沖數(shù)（p/r）。i1個脈沖（） - mmM個脈沖(360，1轉)M/i個脈沖（1 /i轉）- S1 /i mmiMS推導： 數(shù)字顯示 信號處理電路 光電盤 圓盤 光電元件 聚光鏡 光源 光電盤是用玻璃材料研磨拋光制成，玻璃表面在真空中鍍上一層不透光的鉻，然后用照相腐蝕法在上面制成向心透光窄縫。透光窄縫

5、在圓周上等分，其數(shù)量從幾百條到幾千條不等。圓盤也用玻璃材料研磨拋光制成，其透光窄縫為兩條，每一條后面安裝有一只光電元件。光電盤與工作軸連在一起 ，光電盤轉動時，每轉過一個縫隙就發(fā)生一次光線的明暗變化，光電元件把通過光電盤和圓盤射來的忽明忽暗的光信號轉換為近似正弦波的電信號，經過整形、放大、和微分處理后，輸出脈沖信號。通過記錄脈沖的數(shù)目，就可以測出轉角。測出脈沖的變化率，即單位時間脈沖的數(shù)目，就可以求出速度。 光電式脈沖編碼器，它由光源、聚光鏡、光電盤、圓盤、光電元件和信號處理電路等組成（如圖）。電流AB節(jié)距tA1B1900圖5-15 脈沖編碼器輸出波形 為了判斷旋轉方向，圓盤的兩個窄縫距離彼此

6、錯開1/4節(jié)距，使兩個光電元件輸出信號相位差900。如圖5-15所示，A、B信號為具有900相位差的正弦波，經放大和整形變?yōu)榉讲ˋ1、B1。 設A相比B相超前時為正方向旋轉，則B相超前A相就是負方向旋轉，利用A相與B相的相位關系可以判別旋轉方向。此外，在光電盤的里圈不透光圓環(huán)上還刻有一條透光條紋，用以產生每轉一個的零位脈沖信號，它是軸旋轉一周在固定位置上產生一個脈沖。 在數(shù)控機床上，光電脈沖編碼器作為位置檢測裝置，用在數(shù)字比較伺服系統(tǒng)中，將位置檢測信號反饋給CNC裝置。 圖示為辨向環(huán)節(jié)框圖和波形圖。脈沖編碼器輸出的交變信號 A, ,B B ， 經過差分驅動和差分接收進入CNC裝置，再經過整形放

7、大電路變成二個方波系列 A1, B1。將 A1 和它的反向信號1 微分（上升沿微分）后得到 和 脈沖系列，作為加、減計數(shù)脈沖。圖5-16 辨向環(huán)節(jié)框圖差分整形放大Y1微分差分整形放大Y2微分AA1A1A1A1BBB1A加計數(shù)減計數(shù) B1路方波信號被用作加、減計數(shù)脈沖的控制信號，正走時（A超前B），由Y2門輸出加計數(shù)脈沖，此時Y1門輸出為低電平（圖5-16）；反走時（B超前A），由Y1門輸出減計數(shù)脈沖，此時Y2門輸出為低電平。這種讀數(shù)方式每次反映的都是相對于上一次讀數(shù)的增量，而不能反映轉軸在空間的絕對位置，所以是增量讀數(shù)法。1A1A圖5-16 辨向環(huán)節(jié)波形圖1A1B1A1A1A1B1A1B1A:

8、2Y:1Y差分整形放大Y1微分差分整形放大Y2微分AA1A1A1A1BBB1A加計數(shù)減計數(shù) 光電脈沖編碼器用于數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)（圖5-17）的工作原理如下： 光電脈沖編碼器與伺服電機的轉軸連接，隨著電機的轉動產生脈沖序列，其脈沖的頻率將隨著轉速的快慢而升降。若工作臺靜止，指令脈沖和反饋脈沖都為零，兩路脈沖送入數(shù)字脈沖比較器中進行比較，結果輸出也為零。因伺服電機的速度給定為零，工作臺依然不動。隨著指令脈沖的輸出，指令脈沖不為零，在工作臺尚未移動之前，反饋脈沖仍為零，比較器輸出指令信號與反饋信號的差值，經放大后，驅動電機帶動工作臺移動。電機運轉后，光電脈沖編碼器將輸出反饋脈沖送入比較器，與指令

9、脈沖進行比較，如果偏差不為零，工作臺繼續(xù)移動，不斷反饋，直到偏差為零，即反饋脈沖數(shù)等于指令脈沖數(shù)時，工作臺停在指令規(guī)定的位置上。放大環(huán)節(jié) 指令信號 比較器 伺服電機 反饋信號 工作臺 圖5-17 數(shù)字比較伺服系統(tǒng)光柵光柵一、結構一、結構 光柵種類較多。根據(jù)光線在光柵中是透射還是反射分為透射光柵和反射光柵，透射光柵分辨率較反射光柵高，其檢測精度可達1m以上。從形狀上看，又可分為圓光柵和直線光柵。圓光柵用于測量轉角位移，直線光柵用于檢測直線位移。兩者工作原理基本相似，本節(jié)著重介紹一種應用比較廣泛的透射式直線光柵。 直線光柵通常包括一長和一短兩塊配套使用，其中長的稱為標尺光柵或長光柵，一般固定在機床

10、固定部件上，要求與行程等長。短的為指示光柵或短光柵，裝在機床移動部件上。兩光柵尺是刻有均勻密集線紋的透明玻璃片，線紋密度為25、50、100、250條/mm等。線紋之間距離相等，該間距稱為柵距，測量時它們相互平行放置，并保持0.050.1mm的間隙。15工作原理工作原理二、工作原理二、工作原理 當指示光柵上的線紋與標尺光柵上的線紋成一小角度放置時，兩光柵尺上線紋互相交叉。在光源的照射下，交叉點附近的小區(qū)域內黑線重疊，形成黑色條紋，其它部分為明亮條紋，這種明暗相間的條紋稱為莫爾條紋。莫爾條紋與光柵線紋幾乎成垂直方向排列。嚴格地說，是與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直。PPWsin莫爾條紋具有如下特

11、點：1. 放大作用 用W（mm）表示莫爾條紋的寬度，P(mm)表示柵距，(rad)為光柵線紋之間的夾角，如圖5-18所示則有(5-8)莫爾條紋寬度W與角成反比，越小，放大倍數(shù)越大。2. 均化誤差作用 莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同組成，例如，200條/mm的光柵，10mm寬的光柵就由2000條線紋組成，這樣柵距之間的固有相鄰誤差就被平均化了，消除了柵距之間不均勻造成的誤差。標尺光柵W指示光柵（斜）P3. 莫爾條紋的移動與柵距的移動成比例 當光柵尺移動一個柵距P時，莫爾條紋也剛好移動了一個條紋寬度W。只要通過光電元件測出莫爾條紋的數(shù)目，就可知道光柵移動了多少個柵距，工作臺移動的距離可以計算出來。

12、若光柵移動方向相反，則莫爾條紋移動方向也相反（見圖5-18）。標尺光柵W指示光柵（斜）P標尺方向指示尺轉角方向莫爾條紋方向標尺方向指示尺轉角方向莫爾條紋方向 P1 P2 P3 P4 指示光柵 標尺光柵 硅光電池 聚光鏡 光源 圖5-19 光柵測量系統(tǒng) 光柵測量系統(tǒng)如圖5-19所示，由光源、聚光鏡、光柵尺、光電元件和驅動線路組成。讀數(shù)頭光源采用普通的燈泡，發(fā)出輻射光線，經過聚光鏡后變?yōu)槠叫泄馐丈涔鈻懦?。光電元件（常使用硅光電池）接受透過光柵尺光強信號，并將其轉換成相應的電壓信號。由于此信號比較微弱，在長距離傳遞時，很容易被各種干擾信號淹沒，造成傳遞失真，驅動線路的作用就是將電壓信號進行電壓和

13、功率放大。 除標尺光柵與工作臺一起移動外，光源、聚光鏡、指示光柵、光電元件和驅動線路均裝在一個殼體內，作成一個單獨部件固定在機床上，這個部件稱為光柵讀數(shù)頭，又叫光電轉換器，其作用把光柵莫爾條紋的光信號變成電信號。三、應用（光柵位移數(shù)字轉換系統(tǒng)）三、應用（光柵位移數(shù)字轉換系統(tǒng)） 當光柵移動一個柵距，莫爾條紋便移動一個條紋寬度，理論上光柵亮度變化是一個三角波形，但由于漏光和不能達到最大亮度，被削頂削底后而近似一個正弦波（見圖5-20）。硅光電池將近似正弦波的光強信號變?yōu)橥l率的電壓信號（見圖5-21），經光柵位移數(shù)字變換電路放大、整形、微分輸出脈沖。每產生一個脈沖，就代表移動了一個柵距那么大的位移

14、，通過對脈沖計數(shù)便可得到工作臺的移動距離。光柵位移O圖5-20 光柵的實際亮度變化光柵位移電壓O圖5-21 光柵的輸出波形圖亮度 采用一個光電元件即只開一個窗口觀察，只能計數(shù)，卻無法判斷移動方向。因為無論莫爾條紋上移或下移，從一固定位置看其明暗變化是相同的。為了確定運動方向，至少要放置兩個光電元件，兩者相距1/4莫爾條紋寬度。當光柵移動時，莫爾條紋通過兩個光電元件的時間不同，所以兩個光電元件所獲得的電信號雖然波形相同，但相位相差90o。根據(jù)兩光電元件輸出信號的超前和滯后，可以確定標尺光柵移動方向。 增加線紋密度，能提高光柵檢測裝置的精度，但制造較困難，成本高。在實際應用中，既要提高測量精度，同時又能達到自動辨向的目的，通常采用倍頻或細分的方法來提高光柵的分辨精度，如果在莫爾條紋的寬度內，放置四個光電元件，每隔1/4光柵柵距產生一個脈沖，一個脈沖代表移動了1/4柵距那么大位移，分辨精度可提高四倍，這就是四倍頻方案。Y6微分微分微分整形P1P2P4P3 差動 放大器 差動放 大器整形反相反相Y1Y2Y3Y