位置檢測(cè)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(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，能把機(jī)械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，是數(shù)控機(jī)床上使用很廣泛的位置檢測(cè)裝置。脈沖編碼器可分為增量式與絕對(duì)式兩類。 從產(chǎn)生元件上分，脈沖編碼器有光電式、接觸式、電磁感應(yīng)式三種，從精度和可靠性來(lái)看，光電式較好，數(shù)控機(jī)床上主要使用的是光電式脈沖編碼器。 型號(hào)用 脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)（p/r）分，常用的2000，2500，3000p/r, 現(xiàn)在有10萬(wàn)p/r以上的產(chǎn)品。 它可以用于角度檢測(cè)，也可用于速度檢測(cè)。通常它與電機(jī)做成一體，或安裝在非軸伸端。 a) b)一、絕對(duì)式編碼器一、絕對(duì)式編碼器 絕對(duì)式編碼器的工作原理 碼道： 測(cè)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(jìn)制的位數(shù)，且高位在內(nèi)，低位在外。其分辨角360o/24=22.5o， 若是n位二進(jìn)制碼盤(pán)，就有n圈碼道， 分辨角360o/2n， 碼盤(pán)位數(shù)越大，所能分辨的角度越小，測(cè)量精度越高。若要提高分辨力，就必須增多碼道，即二進(jìn)制位數(shù)增多。 目前接觸式碼盤(pán)一般可以做到9位二進(jìn)制，光電式碼盤(pán)可以做到18位二進(jìn)制。 1000 1111 23 22 21 20 四位二進(jìn)制碼盤(pán)非單值性誤差 自然碼盤(pán)的缺點(diǎn)及格萊碼盤(pán) 用二進(jìn)制代碼做的碼盤(pán)，如果電刷安裝不準(zhǔn)，會(huì)使得個(gè)別電刷錯(cuò)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(pán)。 圖5-13為葛萊碼盤(pán)，其各碼道的數(shù)碼不同時(shí)改變，任何兩個(gè)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(nèi)。二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成葛萊碼的法則是：將二進(jìn)制碼右移一位并舍去末位的數(shù)碼，再與二進(jìn)制數(shù)碼作不進(jìn)位加法，結(jié)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(pán) 例如，二進(jìn)制碼1101對(duì)應(yīng)的葛萊碼為1011，其演算過(guò)程如下： 1101 （二進(jìn)制碼） 1101（不進(jìn)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(jī)做在一起，或者安裝在電機(jī)非軸伸端，電動(dòng)機(jī)可直接與滾珠絲杠相連，或通過(guò)減速比為i的減速齒輪，然后與滾珠絲杠相連，那么每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)的距離可用下式計(jì)算：iMS式中 脈沖當(dāng)量（mm/脈沖）；S滾珠絲杠的導(dǎo)程（mm）；i減速齒輪的減速比；M脈沖編碼器每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)（p/r）。i1個(gè)脈沖（） - mmM個(gè)脈沖(360，1轉(zhuǎn))M/i個(gè)脈沖（1 /i轉(zhuǎn)）- S1 /i mmiMS推導(dǎo)： 數(shù)字顯示 信號(hào)處理電路 光電盤(pán) 圓盤(pán) 光電元件 聚光鏡 光源 光電盤(pán)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(pán)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(pán)與工作軸連在一起 ，光電盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)縫隙就發(fā)生一次光線的明暗變化，光電元件把通過(guò)光電盤(pán)和圓盤(pán)射來(lái)的忽明忽暗的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為近似正弦波的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)整形、放大、和微分處理后，輸出脈沖信號(hào)。通過(guò)記錄脈沖的數(shù)目，就可以測(cè)出轉(zhuǎn)角。測(cè)出脈沖的變化率，即單位時(shí)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(pán)、圓盤(pán)、光電元件和信號(hào)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(zhuǎn)方向，圓盤(pán)的兩個(gè)窄縫距離彼此

6、錯(cuò)開(kāi)1/4節(jié)距，使兩個(gè)光電元件輸出信號(hào)相位差900。如圖5-15所示，A、B信號(hào)為具有900相位差的正弦波，經(jīng)放大和整形變?yōu)榉讲ˋ1、B1。 設(shè)A相比B相超前時(shí)為正方向旋轉(zhuǎn)，則B相超前A相就是負(fù)方向旋轉(zhuǎn)，利用A相與B相的相位關(guān)系可以判別旋轉(zhuǎn)方向。此外，在光電盤(pán)的里圈不透光圓環(huán)上還刻有一條透光條紋，用以產(chǎn)生每轉(zhuǎn)一個(gè)的零位脈沖信號(hào)，它是軸旋轉(zhuǎn)一周在固定位置上產(chǎn)生一個(gè)脈沖。 在數(shù)控機(jī)床上，光電脈沖編碼器作為位置檢測(cè)裝置，用在數(shù)字比較伺服系統(tǒng)中，將位置檢測(cè)信號(hào)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(hào) A, ,B B ， 經(jīng)過(guò)差分驅(qū)動(dòng)和差分接收進(jìn)入CNC裝置，再經(jīng)過(guò)整形放

7、大電路變成二個(gè)方波系列 A1, B1。將 A1 和它的反向信號(hào)1 微分（上升沿微分）后得到 和 脈沖系列，作為加、減計(jì)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(jì)數(shù)減計(jì)數(shù) B1路方波信號(hào)被用作加、減計(jì)數(shù)脈沖的控制信號(hào)，正走時(shí)（A超前B），由Y2門(mén)輸出加計(jì)數(shù)脈沖，此時(shí)Y1門(mén)輸出為低電平（圖5-16）；反走時(shí)（B超前A），由Y1門(mén)輸出減計(jì)數(shù)脈沖，此時(shí)Y2門(mén)輸出為低電平。這種讀數(shù)方式每次反映的都是相對(duì)于上一次讀數(shù)的增量，而不能反映轉(zhuǎn)軸在空間的絕對(duì)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(jì)數(shù)減計(jì)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(jī)的轉(zhuǎn)軸連接，隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生脈沖序列，其脈沖的頻率將隨著轉(zhuǎn)速的快慢而升降。若工作臺(tái)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(jìn)行比較，結(jié)果輸出也為零。因伺服電機(jī)的速度給定為零，工作臺(tái)依然不動(dòng)。隨著指令脈沖的輸出，指令脈沖不為零，在工作臺(tái)尚未移動(dòng)之前，反饋脈沖仍為零，比較器輸出指令信號(hào)與反饋信號(hào)的差值，經(jīng)放大后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)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(jìn)行比較，如果偏差不為零，工作臺(tái)繼續(xù)移動(dòng)，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(shí)，工作臺(tái)停在指令規(guī)定的位置上。放大環(huán)節(jié) 指令信號(hào) 比較器 伺服電機(jī) 反饋信號(hào) 工作臺(tái) 圖5-17 數(shù)字比較伺服系統(tǒng)光柵光柵一、結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu) 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(cè)精度可達(dá)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(cè)量轉(zhuǎn)角位移，直線光柵用于檢測(cè)直線位移。兩者工作原理基本相似，本節(jié)著重介紹一種應(yīng)用比較廣泛的透射式直線光柵。 直線光柵通常包括一長(zhǎng)和一短兩塊配套使用，其中長(zhǎng)的稱為標(biāo)尺光柵或長(zhǎng)光柵，一般固定在機(jī)床

10、固定部件上，要求與行程等長(zhǎng)。短的為指示光柵或短光柵，裝在機(jī)床移動(dòng)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(cè)量時(shí)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(dāng)指示光柵上的線紋與標(biāo)尺光柵上的線紋成一小角度放置時(shí)，兩光柵尺上線紋互相交叉。在光源的照射下，交叉點(diǎn)附近的小區(qū)域內(nèi)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(yán)格地說(shuō)，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(diǎn)：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?xùn)啪嘀g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(biāo)尺光柵W指示光柵（斜）P3. 莫爾條紋的移動(dòng)與柵距的移動(dòng)成比例 當(dāng)光柵尺移動(dòng)一個(gè)柵距P時(shí)，莫爾條紋也剛好移動(dòng)了一個(gè)條紋寬度W。只要通過(guò)光電元件測(cè)出莫爾條紋的數(shù)目，就可知道光柵移動(dòng)了多少個(gè)柵距，工作臺(tái)移動(dòng)的距離可以計(jì)算出來(lái)。

12、若光柵移動(dòng)方向相反，則莫爾條紋移動(dòng)方向也相反（見(jiàn)圖5-18）。標(biāo)尺光柵W指示光柵（斜）P標(biāo)尺方向指示尺轉(zhuǎn)角方向莫爾條紋方向標(biāo)尺方向指示尺轉(zhuǎn)角方向莫爾條紋方向 P1 P2 P3 P4 指示光柵 標(biāo)尺光柵 硅光電池 聚光鏡 光源 圖5-19 光柵測(cè)量系統(tǒng) 光柵測(cè)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(qū)動(dòng)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(jīng)過(guò)聚光鏡后變?yōu)槠叫泄馐?，照射光柵尺。光電元件（常使用硅光電池）接受透過(guò)光柵尺光強(qiáng)信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)。由于此信號(hào)比較微弱，在長(zhǎng)距離傳遞時(shí)，很容易被各種干擾信號(hào)淹沒(méi)，造成傳遞失真，驅(qū)動(dòng)線路的作用就是將電壓信號(hào)進(jìn)行電壓和

13、功率放大。 除標(biāo)尺光柵與工作臺(tái)一起移動(dòng)外，光源、聚光鏡、指示光柵、光電元件和驅(qū)動(dòng)線路均裝在一個(gè)殼體內(nèi)，作成一個(gè)單獨(dú)部件固定在機(jī)床上，這個(gè)部件稱為光柵讀數(shù)頭，又叫光電轉(zhuǎn)換器，其作用把光柵莫爾條紋的光信號(hào)變成電信號(hào)。三、應(yīng)用（光柵位移數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)）三、應(yīng)用（光柵位移數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)） 當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)柵距，莫爾條紋便移動(dòng)一個(gè)條紋寬度，理論上光柵亮度變化是一個(gè)三角波形，但由于漏光和不能達(dá)到最大亮度，被削頂削底后而近似一個(gè)正弦波（見(jiàn)圖5-20）。硅光電池將近似正弦波的光強(qiáng)信號(hào)變?yōu)橥l率的電壓信號(hào)（見(jiàn)圖5-21），經(jīng)光柵位移數(shù)字變換電路放大、整形、微分輸出脈沖。每產(chǎn)生一個(gè)脈沖，就代表移動(dòng)了一個(gè)柵距那么大的位移

14、，通過(guò)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)便可得到工作臺(tái)的移動(dòng)距離。光柵位移O圖5-20 光柵的實(shí)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(gè)光電元件即只開(kāi)一個(gè)窗口觀察，只能計(jì)數(shù)，卻無(wú)法判斷移動(dòng)方向。因?yàn)闊o(wú)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(yùn)動(dòng)方向，至少要放置兩個(gè)光電元件，兩者相距1/4莫爾條紋寬度。當(dāng)光柵移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋通過(guò)兩個(gè)光電元件的時(shí)間不同，所以兩個(gè)光電元件所獲得的電信號(hào)雖然波形相同，但相位相差90o。根據(jù)兩光電元件輸出信號(hào)的超前和滯后，可以確定標(biāo)尺光柵移動(dòng)方向。 增加線紋密度，能提高光柵檢測(cè)裝置的精度，但制造較困難，成本高。在實(shí)際應(yīng)用中，既要提高測(cè)量精度，同時(shí)又能達(dá)到自動(dòng)辨向的目的，通常采用倍頻或細(xì)分的方法來(lái)提高光柵的分辨精度，如果在莫爾條紋的寬度內(nèi)，放置四個(gè)光電元件，每隔1/4光柵柵距產(chǎn)生一個(gè)脈沖，一個(gè)脈沖代表移動(dòng)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(dòng) 放大器 差動(dòng)放 大器整形反相反相Y1Y2Y3Y