3位置檢測裝置-編碼器課件

項目2數(shù)控機床的位置檢測裝置任務(wù)2.1

位置檢測裝置——編碼器2.1.1位置檢測裝置的要求及分類2.1.2

編碼器項目2數(shù)控機床的位置檢測裝置任務(wù)2.1位置檢測裝置——檢測元件是數(shù)控機床半閉環(huán)或閉環(huán)伺服系統(tǒng)的重要組成部分，它的作用是檢測位移、速度或角位移、角速度的實際值，把反饋信號傳送回數(shù)控裝置或伺服裝置，構(gòu)成半閉環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)。2.1.1位置檢測裝置的要求及分類提問：數(shù)控機床按伺服系統(tǒng)分為哪三類？檢測元件是數(shù)控機床半閉環(huán)或閉環(huán)伺服系統(tǒng)的重要組成部分，它的作閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的加工精度主要由檢測環(huán)節(jié)的精度決定，而檢測環(huán)節(jié)的精度是通過檢測傳感器的分辨率來體現(xiàn)的。分辨率不僅取決于檢測傳感器本身，也取決于測量轉(zhuǎn)換電路。閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的加工精度主要由檢測環(huán)節(jié)的精度決定，而檢測環(huán)節(jié)的數(shù)控機床對檢測元件的主要要求有：（1）工作可靠，抗干擾性強；（2）滿足測量精度，檢測速度和測量范圍的要求；（3）使用維護方便，適合機床的工作環(huán)境，成本低；（4）能實現(xiàn)高速的動態(tài)測量,信號易于處理。數(shù)控機床對檢測元件的主要要求有：常用的檢測元件：增量式編碼器、絕對式編碼器直線光柵、圓光柵磁柵感應(yīng)同步器旋轉(zhuǎn)變壓器常用的檢測元件：直接測量和間接測量位置檢測裝置分直線式和旋轉(zhuǎn)式。典型的直線位置檢測：直線光柵（也稱長光柵）、感應(yīng)同步器和直線磁柵。典型的旋轉(zhuǎn)位置檢測：編碼器、圓光柵、圓磁柵和旋轉(zhuǎn)變壓器。（1）直接測量位置檢測裝置所測量的對象就是被測量本身即直線式測直線位移，旋轉(zhuǎn)式測角位移。直接測量和間接測量（2）間接測量旋轉(zhuǎn)式檢測裝置測量工作臺的直線位移。如絲杠螺距為6mm，角位移測量值為30度，則工作臺直線位移為6mm／360×30=0.5mm思考：螺紋反向間隙會產(chǎn)生誤差嗎？

提問：哪個是直接測量，哪個是間接測量？（2）間接測量提問：哪個是直接測量，哪個是間接測量？增量式測量和絕對式測量增量式測量的特點是只測位移增量，移動部位每移動一個基本長度(或角度)單位，檢測裝置便發(fā)出一個測量信號，此信號通常是脈沖形式。絕對式測量的特點是，被測的任一點位置都從一個固定的零點(即機床原點)算起，常以二進制數(shù)據(jù)形式來表示。

增量式測量和絕對式測量注意：數(shù)控機床有一固定的坐標(biāo)系叫機床坐標(biāo)系，機床坐標(biāo)原點是固定的（機床生產(chǎn)制造出來就固定了），下面是數(shù)車、數(shù)銑的機床坐標(biāo)系：

注意：數(shù)控機床有一固定的坐標(biāo)系叫機床坐標(biāo)系，機床坐標(biāo)原點是固機床坐標(biāo)系建立后，機床各個方向的運動即可確定，這就要求機床通電后應(yīng)該找到機床固有原點：對于絕對式檢測裝置，它的測量零點即是機床原點，這樣機床通電后無論工作臺停在什么位置，絕對式檢測裝置都能檢測出工作臺相對原點的坐標(biāo)，不需要返參操作。對于增量式檢測裝置，它只測量位移的增量大小，所以機床通電后必須先找到機床零點，即機床回零操作（也叫返參操作：機床到達各軸極限限位位置）機床坐標(biāo)系建立后，機床各個方向的運動即可確定，這就要求機床通編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式測量元件，通常裝在被檢測軸上，隨被測軸一起轉(zhuǎn)動，可將被測軸的角位移轉(zhuǎn)換成增量脈沖或絕對式的數(shù)字代碼。屬間接式測量。2.1.2

編碼器編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式測量元件，通常裝在被檢測軸上，隨被測軸一起編碼器根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式分類，可分為接觸式、光電式和電磁式三種。按照編碼方式可分為絕對式編碼和增量式編碼兩種。下面分別介紹絕對編碼器和增量編碼器的結(jié)構(gòu)及工作原理。編碼器根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式分類，可分為接觸式、光電式和電磁絕對式編碼器是一種直接檢測元件，它通過讀取碼盤上的編碼來表示軸的絕對位置，沒有累積誤差，電源切除后，信息位置不丟失。從編碼器使用的計數(shù)制分，有二進制碼、格雷碼、二-十進制碼等。絕對式編碼器按結(jié)構(gòu)原理分，也有接觸式、光電式和電磁式三類。在這里以絕對接觸式為例進行介紹：一、絕對式編碼器絕對式編碼器是一種直接檢測元件，它通過讀取碼盤上的編碼來表示碼盤隨被測軸一起轉(zhuǎn)動時，電刷和碼盤的位置發(fā)生相對變化，若電刷接觸的是導(dǎo)電區(qū)域，則經(jīng)電刷、碼盤、電阻和電源形成回路，該回路中的電阻上有電流流過，為“1”；反之，若電刷接觸的是絕緣區(qū)域，則不能形成回路，電阻上無電流流過，為“0”。由此，可根據(jù)碼盤的位置得到由“1”、“0”組成的4位二進制碼。

碼盤隨被測軸一起轉(zhuǎn)動時，電刷和碼盤的位置發(fā)生相對變化，若電刷碼道的圈數(shù)就是二進制數(shù)的位數(shù)，若是n位二進制碼盤，就有n圈碼道，且周圍均分為2n等分。二進制碼盤的分辨角=360°/2n

分辨率=1/2n例如：n=4，則α=22.50，設(shè)0000碼為0度，則圖上0101=5，相對0000有5個α，表示碼盤已轉(zhuǎn)過了22．50×5=112．50

碼道的圈數(shù)就是二進制數(shù)的位數(shù)，若是n位二進制碼盤，就有n圈碼顯然，位數(shù)n越大，所能分辨的角度越小，測量精度就越高。思考：轉(zhuǎn)動單圈時，上面的絕對式編碼器很容易找到當(dāng)前位置相對于原點的值，即使機床端電再通電也不影響；顯然，位數(shù)n越大，所能分辨的角度越小，測量精度就越高。思考：但如果是轉(zhuǎn)動多圈后到某位置，怎么確定呢？編碼器生產(chǎn)廠家運用鐘表齒輪機械的原理，當(dāng)中心碼盤旋轉(zhuǎn)時，通過齒輪傳動帶動另一組碼盤，用另一組碼盤記錄轉(zhuǎn)動圈數(shù)（圈數(shù)可以隨著增加或減小），從而擴大編碼器的測量范圍。思考：轉(zhuǎn)軸透光狹縫光敏元件光攔板及辨向用的A、B、C組狹縫光源零標(biāo)志槽二、增量光電式編碼器光電碼盤1、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)軸透光狹縫光敏元件光攔板及辨向用的A、B、C組狹縫光源零標(biāo)編碼器編碼器工作臺絲杠編碼器伺服電機編碼器在數(shù)控機床上的安裝工作臺絲杠編碼器伺服電機編碼器在數(shù)控機床上的安裝2、工作原理2、工作原理當(dāng)光電碼盤隨轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動時，在光源的照射下，透過光電碼盤和光欄板狹縫形成忽明忽暗的光信號，光敏元件的排列與光欄板上的條紋相對應(yīng)，光敏元件將此光信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號。電編碼器的測量精度取決于它所能分辨的最小角度，而這與碼盤圓周上的狹縫條紋數(shù)n有關(guān)，即分辨角為3600/n分辨率=1/n當(dāng)光電碼盤隨轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動時，在光源的照射下，透過光電碼盤和光光攔板3上有A組(A、/A)、B組（B、/B）和C組（C、/C）三組狹縫。A組、B組相互錯開1/4節(jié)距，所以射到光敏元件上的信號相位差為90度，用于辨向。A、/A和B、/B是差動信號，相位差為180度，主要用于提高抗干擾能力。C組狹縫與零標(biāo)志槽配合，每轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個脈沖稱為零脈沖信號。光攔板3上有A組(A、/A)、B組（B、/B）和C組（C、/☆根據(jù)脈沖的數(shù)目可得出被測軸的角位移；☆根據(jù)脈沖的頻率可得被測軸的轉(zhuǎn)速；☆根據(jù)A、B兩相的相位超前滯后關(guān)系可判斷被測軸旋轉(zhuǎn)方向。☆根據(jù)脈沖的數(shù)目可得出被測軸的角位移；常用的脈沖編碼器的規(guī)格有：2000P/r、2500P/r、3000P/r、1024P/r、2048P/r等，也有高分辨率的達到20000P/r、25000P/r、30000P/r等。常用的脈沖編碼器的規(guī)格有：2000P/r、2500P/r、項目2數(shù)控機床的位置檢測裝置任務(wù)2.1

位置檢測裝置——編碼器2.1.1位置檢測裝置的要求及分類2.1.2

編碼器項目2數(shù)控機床的位置檢測裝置任務(wù)2.1位置檢測裝置——檢測元件是數(shù)控機床半閉環(huán)或閉環(huán)伺服系統(tǒng)的重要組成部分，它的作用是檢測位移、速度或角位移、角速度的實際值，把反饋信號傳送回數(shù)控裝置或伺服裝置，構(gòu)成半閉環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)。2.1.1位置檢測裝置的要求及分類提問：數(shù)控機床按伺服系統(tǒng)分為哪三類？檢測元件是數(shù)控機床半閉環(huán)或閉環(huán)伺服系統(tǒng)的重要組成部分，它的作閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的加工精度主要由檢測環(huán)節(jié)的精度決定，而檢測環(huán)節(jié)的精度是通過檢測傳感器的分辨率來體現(xiàn)的。分辨率不僅取決于檢測傳感器本身，也取決于測量轉(zhuǎn)換電路。閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的加工精度主要由檢測環(huán)節(jié)的精度決定，而檢測環(huán)節(jié)的數(shù)控機床對檢測元件的主要要求有：（1）工作可靠，抗干擾性強；（2）滿足測量精度，檢測速度和測量范圍的要求；（3）使用維護方便，適合機床的工作環(huán)境，成本低；（4）能實現(xiàn)高速的動態(tài)測量,信號易于處理。數(shù)控機床對檢測元件的主要要求有：常用的檢測元件：增量式編碼器、絕對式編碼器直線光柵、圓光柵磁柵感應(yīng)同步器旋轉(zhuǎn)變壓器常用的檢測元件：直接測量和間接測量位置檢測裝置分直線式和旋轉(zhuǎn)式。典型的直線位置檢測：直線光柵（也稱長光柵）、感應(yīng)同步器和直線磁柵。典型的旋轉(zhuǎn)位置檢測：編碼器、圓光柵、圓磁柵和旋轉(zhuǎn)變壓器。（1）直接測量位置檢測裝置所測量的對象就是被測量本身即直線式測直線位移，旋轉(zhuǎn)式測角位移。直接測量和間接測量（2）間接測量旋轉(zhuǎn)式檢測裝置測量工作臺的直線位移。如絲杠螺距為6mm，角位移測量值為30度，則工作臺直線位移為6mm／360×30=0.5mm思考：螺紋反向間隙會產(chǎn)生誤差嗎？

提問：哪個是直接測量，哪個是間接測量？（2）間接測量提問：哪個是直接測量，哪個是間接測量？增量式測量和絕對式測量增量式測量的特點是只測位移增量，移動部位每移動一個基本長度(或角度)單位，檢測裝置便發(fā)出一個測量信號，此信號通常是脈沖形式。絕對式測量的特點是，被測的任一點位置都從一個固定的零點(即機床原點)算起，常以二進制數(shù)據(jù)形式來表示。

增量式測量和絕對式測量注意：數(shù)控機床有一固定的坐標(biāo)系叫機床坐標(biāo)系，機床坐標(biāo)原點是固定的（機床生產(chǎn)制造出來就固定了），下面是數(shù)車、數(shù)銑的機床坐標(biāo)系：

注意：數(shù)控機床有一固定的坐標(biāo)系叫機床坐標(biāo)系，機床坐標(biāo)原點是固機床坐標(biāo)系建立后，機床各個方向的運動即可確定，這就要求機床通電后應(yīng)該找到機床固有原點：對于絕對式檢測裝置，它的測量零點即是機床原點，這樣機床通電后無論工作臺停在什么位置，絕對式檢測裝置都能檢測出工作臺相對原點的坐標(biāo)，不需要返參操作。對于增量式檢測裝置，它只測量位移的增量大小，所以機床通電后必須先找到機床零點，即機床回零操作（也叫返參操作：機床到達各軸極限限位位置）機床坐標(biāo)系建立后，機床各個方向的運動即可確定，這就要求機床通編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式測量元件，通常裝在被檢測軸上，隨被測軸一起轉(zhuǎn)動，可將被測軸的角位移轉(zhuǎn)換成增量脈沖或絕對式的數(shù)字代碼。屬間接式測量。2.1.2

編碼器編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式測量元件，通常裝在被檢測軸上，隨被測軸一起編碼器根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式分類，可分為接觸式、光電式和電磁式三種。按照編碼方式可分為絕對式編碼和增量式編碼兩種。下面分別介紹絕對編碼器和增量編碼器的結(jié)構(gòu)及工作原理。編碼器根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式分類，可分為接觸式、光電式和電磁絕對式編碼器是一種直接檢測元件，它通過讀取碼盤上的編碼來表示軸的絕對位置，沒有累積誤差，電源切除后，信息位置不丟失。從編碼器使用的計數(shù)制分，有二進制碼、格雷碼、二-十進制碼等。絕對式編碼器按結(jié)構(gòu)原理分，也有接觸式、光電式和電磁式三類。在這里以絕對接觸式為例進行介紹：一、絕對式編碼器絕對式編碼器是一種直接檢測元件，它通過讀取碼盤上的編碼來表示碼盤隨被測軸一起轉(zhuǎn)動時，電刷和碼盤的位置發(fā)生相對變化，若電刷接觸的是導(dǎo)電區(qū)域，則經(jīng)電刷、碼盤、電阻和電源形成回路，該回路中的電阻上有電流流過，為“1”；反之，若電刷接觸的是絕緣區(qū)域，則不能形成回路，電阻上無電流流過，為“0”。由此，可根據(jù)碼盤的位置得到由“1”、“0”組成的4位二進制碼。

碼盤隨被測軸一起轉(zhuǎn)動時，電刷和碼盤的位置發(fā)生相對變化，若電刷碼道的圈數(shù)就是二進制數(shù)的位數(shù)，若是n位二進制碼盤，就有n圈碼道，且周圍均分為2n等分。二進制碼盤的分辨角=360°/2n

分辨率=1/2n例如：n=4，則α=22.50，設(shè)0000碼為0度，則圖上0101=5，相對0000有5個α，表示碼盤已轉(zhuǎn)過了22．50×5=112．50

碼道的圈數(shù)就是二進制數(shù)的位數(shù)，若是n位二進制碼盤，就有n圈碼顯然，位數(shù)n越大，所能分辨的角度越小，測量精度就越高。思考：轉(zhuǎn)動單圈時，上面的絕對式編碼器很容易找到當(dāng)前位置相對于原點的值，即使機床端電再通電也不影響；顯然，位數(shù)n越大，所能分辨的角度越小，測量精度就越高。思考：但如果是轉(zhuǎn)動多圈后到某位置，怎么確定呢？編碼器生產(chǎn)廠家運用鐘表齒輪機械的原理，當(dāng)中心碼盤旋轉(zhuǎn)時，通過齒輪傳動帶動另一組碼盤，用另一組碼盤記錄轉(zhuǎn)動圈數(shù)（圈數(shù)可以隨著增加或減?。瑥亩鴶U大編碼器的測量范圍。思考：轉(zhuǎn)軸透光狹縫光敏元件光攔板及辨向用的A、B、C組狹縫光源零標(biāo)志槽二、增量光電式編碼器光電碼盤1、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)軸透光狹縫光敏元件光攔板及辨向用的A、B、C組狹縫光源零標(biāo)編碼器編碼器工作臺絲杠編碼器伺服電機編碼器在數(shù)控機床上的安裝工作臺絲杠編碼器伺服電機編碼器在數(shù)控機床上的安裝2、工作原理2、工作原理當(dāng)光