2．觀察光柵尺波形

 

(1)將編碼器的A、B相信號(hào)分別接入數(shù)字示波器的兩個(gè)通道。

 

(2)進(jìn)入數(shù)控系統(tǒng)，在MDI方式下調(diào)用G01指令，使交流伺服軸進(jìn)行低速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，按一下進(jìn)給修調(diào)右側(cè)的“+”按鍵(修調(diào)倍率缺省設(shè)定是遞增10%，即按一下“+”按鍵，軸進(jìn)給速度遞增10%)。

 

(3)調(diào)整示波器，使兩個(gè)通道同步，觀察交流伺服軸由低速逐漸加速運(yùn)動(dòng)后，兩個(gè)通道的信號(hào)波形，并以平面坐標(biāo)系的格式繪制波形，如圖10所示。

 

(4)讓交流伺服電動(dòng)機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，觀察兩個(gè)通道的信號(hào)波形，并以圖8所示的格式繪制波形。

 

(5)將編碼器的Z相信號(hào)接入數(shù)字示波器的一個(gè)通道。

 

(6)進(jìn)入數(shù)控系統(tǒng)，在MDI方式下調(diào)用G01指令，使交流伺服軸低速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

 

(7)調(diào)整示波器，觀察Z相信號(hào)波形，并以圖8所示的格式繪制波形。

 

(8)用同樣的方法觀察，并繪制光柵尺A、B、Z相信號(hào)波形。

 

圖8  繪制波形格式

 

五、知識(shí)鏈接

 

1．旋轉(zhuǎn)變壓器

 

旋轉(zhuǎn)變壓器又稱分解器，是一種控制用的微電機(jī)，它將機(jī)械轉(zhuǎn)角變換成與該轉(zhuǎn)角呈某一函數(shù)關(guān)系的電信號(hào)的一種間接測(cè)量裝置。

 

在結(jié)構(gòu)上與二相線繞式異步電動(dòng)機(jī)相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子繞組為變壓器的原邊，轉(zhuǎn)子繞組為變壓器的副邊。激磁電壓接到轉(zhuǎn)子繞組上，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)由定子繞組輸出。常用的激磁頻率為400Hz，500Hz，1000Hz和5000Hz。

 

旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈敏，對(duì)環(huán)境無特殊要求，維護(hù)方便，輸出信號(hào)幅度大，抗干擾性強(qiáng)，工作可靠。因此，在數(shù)控機(jī)床上廣泛應(yīng)用。

 

通常應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)變壓器為二極旋轉(zhuǎn)變壓器，其定子和轉(zhuǎn)子繞組中各有互相垂直的兩個(gè)繞組。另外，還有一種多極旋轉(zhuǎn)變壓器。也可以把一個(gè)極對(duì)數(shù)少的和一個(gè)極對(duì)數(shù)多的兩種旋轉(zhuǎn)變壓器做在一個(gè)磁路上，裝在一個(gè)機(jī)殼內(nèi)，構(gòu)成“粗測(cè)”和“精測(cè)”電氣變速雙通道檢測(cè)裝置，用于高精度檢測(cè)系統(tǒng)和同步系統(tǒng)。

 

    根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理，旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置檢測(cè)裝置有兩種應(yīng)用方式：鑒相方式和鑒幅方式。

 

    (1)鑒相工作方式

 

在旋轉(zhuǎn)變壓器定子的兩相正交繞組（正弦用s和和余弦用c表示），一般稱為正弦繞組和余弦繞組上，分別輸入幅值相等，頻率相同的正弦、余弦激磁電壓

 

    Us=Umsinωt           Uc=Umcosωt

 

兩相激磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)線性疊加原理，在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電壓為

 

          U=kUssinθ機(jī)+kUccosθ機(jī)=kUmcos(ωt-θ機(jī))         

 

其中k為變壓比，由式4-10可知感應(yīng)電壓的相位角就等于轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)角θ機(jī)。因此只要檢測(cè)出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角，就知道了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角，而且旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子是和伺服電機(jī)或傳動(dòng)軸連接在一起的，從而可以求得執(zhí)行部件的直線位移或角位移。

 

(2)鑒幅工作方式

 

給定子的兩個(gè)繞組分別通上頻率、相位相同但幅值不同，即調(diào)幅的激磁電壓

 

Us=Umsinθ電sinωt            Uc=Umcosθ電sinωt

 

則在轉(zhuǎn)子繞組上得到感應(yīng)電壓為

 

   U=kUssinθ機(jī)+kUccosθ機(jī)              

 

         =kUmsinωt(sinθ電sinθ機(jī)+cosθ電Uccosθ電)

 

     =kUmcos(θ電-θ機(jī)) sinωt                     

 

    在實(shí)際應(yīng)用中，是不斷修改激磁調(diào)幅電壓值的電氣角θ電，使之跟蹤θ機(jī)的變化，并測(cè)量感應(yīng)電壓幅值即可求得機(jī)械角位移θ機(jī)。

 

    2．感應(yīng)同步器

 

    應(yīng)同步器與旋轉(zhuǎn)變壓器一樣，是利用電磁耦合原理，將位移或轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的位置檢測(cè)裝置。實(shí)質(zhì)上，感應(yīng)同步器是多極旋轉(zhuǎn)變壓器的展開形式。感應(yīng)同步器按其運(yùn)動(dòng)形式和結(jié)構(gòu)形式的不同，可分為旋轉(zhuǎn)式（或稱圓盤式）和直線式兩種。前者用來檢測(cè)轉(zhuǎn)角位移，用于精密轉(zhuǎn)臺(tái)，各種回轉(zhuǎn)伺服系統(tǒng)；后者用來檢測(cè)直線位移，用于大型和精密機(jī)床的自動(dòng)定位，位移數(shù)字顯示和數(shù)控系統(tǒng)中，兩者工作原理和工作方式相同。

 

（1）感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)

 

直線式感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)如圖9所示。感應(yīng)同步器由定子和滑尺兩部分組成。定尺和滑尺通常以優(yōu)質(zhì)碳素鋼作為基體，一般選用導(dǎo)磁材料，其膨脹系數(shù)盡量與所安裝的主基體相近。定尺與滑尺平行安裝，且保持一定間隙。定尺表面制有連續(xù)平面繞組（在基體上用絕緣的粘合劑貼上銅箔，用光刻或化學(xué)腐蝕方法制成方形開口平面繞組）；在滑尺的繞組周圍常貼一層鋁箔，防止靜電干擾，滑尺上制有兩組分段繞組，分別稱為正弦繞組和余弦繞組，，這兩段繞組相對(duì)于定尺繞組在空間錯(cuò)開1/4的節(jié)距，節(jié)距用2τ表示，安裝時(shí)定尺組件與滑尺組件安裝在機(jī)床的不動(dòng)和移動(dòng)部件上，例如工作臺(tái)和床身，滑尺安裝在機(jī)床上，并自然接地。工作時(shí)，當(dāng)在滑尺兩個(gè)繞組中的任一繞組加上激勵(lì)電壓時(shí)，由于電磁感應(yīng)，在定尺繞組中會(huì)感應(yīng)出相同頻率的感應(yīng)電壓，通過對(duì)感應(yīng)電壓的測(cè)量，可以精確的測(cè)量出位移量。感應(yīng)同步器就是利用感應(yīng)電壓的變化進(jìn)行位置檢測(cè)的。

 

 

圖9  直線式感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)原理

 

（2）感應(yīng)同步器的應(yīng)用

 

與旋轉(zhuǎn)變壓器一樣，有鑒相式和鑒幅式兩種工作方式，原理亦相同。

 

（3）感應(yīng)同步器的特點(diǎn)

 

1) 精度高

 

因?yàn)槎ǔ叩墓?jié)距誤差有平均自補(bǔ)償作用，所以尺子本身的精度能做得較高。直線感應(yīng)同步器對(duì)機(jī)床位移的測(cè)量是直接測(cè)量，不經(jīng)過任何機(jī)械傳動(dòng)裝置，測(cè)量精度主要取決于尺子的精度。感應(yīng)同步器的靈敏度（或稱分辨率），取決于一個(gè)周期進(jìn)行電氣細(xì)分的程度，靈敏度的提高受到電子細(xì)分電路中信噪比的限制，只要對(duì)線路進(jìn)行精心設(shè)計(jì)和采取嚴(yán)密的抗干擾措施，可以把電噪聲減到很低，并獲得很高的穩(wěn)定性。

 

2) 測(cè)量長(zhǎng)度不受限制

 

當(dāng)測(cè)量長(zhǎng)度大于250㎜時(shí)，可以采用多塊定尺接長(zhǎng)，相鄰定尺間隔可用塊規(guī)或激光測(cè)長(zhǎng)儀進(jìn)行調(diào)整，使總長(zhǎng)度上的累積誤差不大于單塊定尺的最大偏差。行程為幾米到幾十米的中型或大型機(jī)床中，工作臺(tái)位移的直線測(cè)量，大多數(shù)采用直線式感應(yīng)同步器來實(shí)現(xiàn)。

 

3)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)較高

 

因?yàn)楦袘?yīng)同步器金屬基板和床身鑄鐵的熱脹系數(shù)相近，當(dāng)溫度變化時(shí)，還能獲得較高的重復(fù)精度，另外，感應(yīng)同步器是非接觸式的空間耦合器件，所以對(duì)尺面防護(hù)要求低，而且可選擇耐溫性能良好的非導(dǎo)磁性涂料作保護(hù)層，加強(qiáng)感應(yīng)同步器的抗溫防濕能力。

 

4)維護(hù)簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)

 

感應(yīng)同步器的定尺和滑尺互不接觸，因此無任何摩擦，磨損，使用壽命長(zhǎng)，且無須擔(dān)心元件老化等問題。

 

另外，感應(yīng)同步器的抗干擾能力強(qiáng)，工藝性好，成本較低，便于復(fù)制和成批生產(chǎn)。

 

3．磁尺

 

    磁尺又稱為磁柵，是一種計(jì)算磁波數(shù)目的位置檢測(cè)元件。可用于直線和轉(zhuǎn)角的測(cè)量，其優(yōu)點(diǎn)是精度高、復(fù)制簡(jiǎn)單及安裝方便等，且具有較好的穩(wěn)定性，常用在油污、粉塵較多的場(chǎng)合。因此，在數(shù)控機(jī)床、精密機(jī)床和各種測(cè)量機(jī)上得到了廣泛使用。

圖10  磁尺結(jié)構(gòu)與工作原理

 

磁尺由磁性標(biāo)尺，磁頭和檢測(cè)電路組成，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。磁性標(biāo)尺是在非導(dǎo)磁材料的基體上，采用涂敷，化學(xué)沉積或電鍍上一層很薄的磁性材料，然后用錄磁的方法使敷層磁化成相等節(jié)距周期變化的磁化信號(hào)。磁化信號(hào)可以是脈沖，也可以為正弦波或飽和磁波。磁化信號(hào)的節(jié)距（或周期）一般有0.05㎜，0.10mm，0.20㎜，1㎜等幾種。

 

磁頭是進(jìn)行磁—電轉(zhuǎn)換的器件，它把反映位置的磁信號(hào)檢測(cè)出來，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸送給檢測(cè)電路。

 

磁尺是利用錄磁原理工作的。先用錄磁磁頭將按一定周期變化的方波、正弦波或電脈沖信號(hào)錄制在磁性標(biāo)尺上，作為測(cè)量基準(zhǔn)。檢測(cè)時(shí)，用拾磁磁頭將磁性標(biāo)尺上的磁信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，再送到檢測(cè)電路中去，把磁頭相對(duì)于磁性標(biāo)尺的位移量用數(shù)字顯示出來，并傳輸給數(shù)控系統(tǒng)。

 

4．脈沖編碼器

 

脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，把機(jī)械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，是一種常用的角位移傳感器。同時(shí)也可作速度檢測(cè)裝置。

 

(1)脈沖編碼器的分類與結(jié)構(gòu)

 

脈沖編碼器分為光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式三種。光電式的精度與可靠性都優(yōu)于其他兩種，因此數(shù)控機(jī)床上只使用光電式脈沖編碼器。光電脈沖編碼器按每轉(zhuǎn)發(fā)出脈沖數(shù)的多少來分，有多種型號(hào)。數(shù)控機(jī)床上最常用的光電脈沖編碼器見表2。脈沖編碼器的選用根據(jù)數(shù)控機(jī)床滾珠絲杠的螺距確定。

 

表2   光電脈沖發(fā)生器

 

脈沖編碼器	每轉(zhuǎn)移動(dòng)量（mm）	脈沖編碼器	每轉(zhuǎn)移動(dòng)量（mm）
2000P／r	2,3,4,6,8	3000P／r	3,6,12
2500P／r	5，10

 

 

 

光電式脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)如圖11所示。在一個(gè)圓盤的圓周上刻有等間距線紋，分為透明和不透明的部分，稱為圓光柵。圓光柵與工作軸一起旋轉(zhuǎn)。與圓光柵相對(duì)，平行放置一個(gè)固定的扇形薄片，稱為指示光柵，上面制有相差1/4節(jié)距的兩個(gè)狹縫（辨向狹縫）。此外，還有一個(gè)零位狹縫（每轉(zhuǎn)發(fā)出一個(gè)脈沖）。脈沖發(fā)生器通過十字連接頭或鍵與伺服電動(dòng)機(jī)相連。當(dāng)圓光柵旋轉(zhuǎn)時(shí)，光線透過這兩光柵的線紋部分，形成明暗相間的條紋，被光電元件接受，并變換成測(cè)量脈沖，其分辨率取決于圓光柵的一圈線紋數(shù)和測(cè)量電路的細(xì)分倍數(shù)。脈沖編碼器主要技術(shù)性能見表3。

 

表3   脈沖編碼器主要技術(shù)性能

 

電  源	5V±5%,≤0.35A	溫度范圍	0～60°C
輸出信號(hào)	A， ；B， ；Z，	軸向頻動(dòng)	0.02mm
每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)	2000,2500,3000	轉(zhuǎn)子慣量	＜5.7kg·cm2
電  源	5V±5%,≤0.35A	溫度范圍	0～60°C
最高轉(zhuǎn)速	2000r／min	阻尼轉(zhuǎn)距	＜8N·cm

 

 

圖11 光電式脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)

 

圖12  脈沖編碼器輸出波形

 

當(dāng)圓光柵與工作軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光線透過兩個(gè)光柵的線紋部分，形成明暗相間的條紋。光電元件接受這些明暗相間的光信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為交替變換的電信號(hào)。該電信號(hào)為兩組近似于正弦波的電流信號(hào)A和B，如圖12所示。A和B信號(hào)相位相差90°，經(jīng)放大和整形變成方形波。通過兩個(gè)光柵的信號(hào)，還有一個(gè)“每轉(zhuǎn)脈沖”，稱為Z相脈沖，該脈沖也是通過上述處理得來的。Z脈沖用來產(chǎn)生機(jī)床的基準(zhǔn)點(diǎn)。后來的脈沖被送到計(jì)數(shù)器，根據(jù)脈沖的數(shù)目和頻率可測(cè)出工作軸的轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速。其分辨率取決于圓光柵的圈數(shù)和測(cè)量線路的細(xì)分倍數(shù)。

 

(2)絕對(duì)值脈沖編碼器

 

與增量式脈沖編碼器不同，絕對(duì)值編碼器是通過讀取編碼盤上的圖案確定軸的位置。碼盤的讀取方式有接觸式、光電式和電磁式等幾種。最常用的是光電式編碼器。

 

光電絕對(duì)值編碼器的編碼盤原理圖和結(jié)構(gòu)圖如圖13所示。圖13a中，碼盤上有四條碼道。碼道就是碼盤上的同心圓。按照二進(jìn)制分布規(guī)律，把每條碼道加工成透明和不透明相間的形式。碼盤的一側(cè)安裝光源，另一側(cè)安裝一排徑向排列的光電管，每個(gè)光電管對(duì)準(zhǔn)一條碼道。當(dāng)光源照射碼盤時(shí)，如果是透明區(qū)，則光線被光電管接受，并轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，輸出信號(hào)為“1”；如果不是透明區(qū)，光電管接受不到光線，輸出信號(hào)為“O”。被測(cè)軸帶動(dòng)碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，光電管輸出的信息就代表了軸的相應(yīng)位置，即絕對(duì)位置。

 

 

 

圖13  光電絕對(duì)值編碼器

 

光電編碼盤大多采用格雷碼編碼盤，格雷碼數(shù)碼見表4。格雷碼的特點(diǎn)是每一相鄰數(shù)碼之間僅改變一位二進(jìn)制數(shù)，這樣，即使制作和安裝不十分準(zhǔn)確，產(chǎn)生的誤差最多也只是最低位的一位數(shù)。

 

四位二進(jìn)制碼盤能分辨的最小角度(分辨率)為

 

    α=360°／24=22.5°

 

碼道越多，分辨率越小。目前，碼盤碼道可以做到18條，能分辨的最小角度為

 

    α=360°／218 =0.0014°

 

表4   編碼盤的數(shù)碼

 

角 度	二進(jìn)制	格雷碼	十進(jìn)制	角  度	二進(jìn)制	格雷碼	十進(jìn)制
O	0000	0000	0	8α	1000	1100	8
α	0001	0001	1	9α	1001	1101	9
2α	0010	0011	2	1Oα	1010	1111	10
3α	0011	0010	3	11α	1011	1110	11
4α	0100	0110	4	12α	1100	1010	12
5α	0101	0111	5	13α	1101	1011	13
6α	0110	0101	6	14α	1110	1001	14
7α	0111	0100	7	15α	1111	1000	15

(4)光電脈沖編碼器的應(yīng)用

 

光電脈沖編碼器在數(shù)控機(jī)床上用作位置檢測(cè)裝置，將檢測(cè)信號(hào)反饋給數(shù)控系統(tǒng)。其反饋給數(shù)控系統(tǒng)有兩種方式：一是適應(yīng)帶加減計(jì)數(shù)要求的可逆計(jì)數(shù)器，形成加計(jì)數(shù)脈沖和減計(jì)數(shù)脈沖；二是適應(yīng)有計(jì)數(shù)控制和計(jì)數(shù)要求的計(jì)數(shù)器，形成方向控制信號(hào)和計(jì)數(shù)脈沖。