位置检测装置-脉冲编码器 光栅

1、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。 a) b) 一、绝对式编码器一、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: 由图可

2、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， 若是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。若要提 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。 1000 1111 23 22 21 20 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。 图5-13为葛莱码盘，其各码道 的数码不同时改

3、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 则是：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。 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 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 （

4、葛莱码） 二、增量式脉冲编码器二、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： iM S 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 iM S 推导： 数字显示 信号处理电路 光电盘 圆盘 光电元件 聚光镜 光源 光电盘是用玻璃材料研磨抛光制成，玻璃表面在真空

5、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）。

6、 电流 A B 节距 t A1 B1 900 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，则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。 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

7、位置检测信号反馈给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 Y1 微 分 差 分 整形 放大 Y2 微 分 A A 1 A 1 A 1 A 1 BB B 1 A 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

8、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。 1 A 1 A 图5-16 辨向环节波形图 1 A 1 B 1 A 1 A 1 A 1 B 1 A 1 B 1 A : 2 Y : 1 Y 差 分 整形 放大 Y 1 微 分 差 分 整形 放大 Y 2 微 分 A A 1 A 1 A 1 A 1 BB B 1 A 加计数 减计数 光电脉冲编码器用于数字脉冲比较伺服系统（图5-17）的工作原理如 下： 光电脉冲编码器与伺服电机的转轴连接，随着电机的转动产生脉冲序 列，其脉冲的

9、频率将随着转速的快慢而升降。若工作台静止，指令脉冲和 反馈脉冲都为零，两路脉冲送入数字脉冲比较器中进行比较，结果输出也 为零。因伺服电机的速度给定为零，工作台依然不动。随着指令脉冲的输 出，指令脉冲不为零，在工作台尚未移动之前，反馈脉冲仍为零，比较器 输出指令信号与反馈信号的差值，经放大后，驱动电机带动工作台移动。 电机运转后，光电脉冲编码器将输出反馈脉冲送入比较器，与指令脉冲进 行比较，如果偏差不为零，工作台继续移动，不断反馈，直到偏差为零， 即反馈脉冲数等于指令脉冲数时，工作台停在指令规定的位置上。 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 数字比较伺服系统 光栅

10、光栅 一、结构一、结构 光栅种类较多。根据光线在光栅中是透射还是反射分为透射光 栅和反射光栅，透射光栅分辨率较反射光栅高，其检测精度可达 1m以上。从形状上看，又可分为圆光栅和直线光栅。圆光栅用于 测量转角位移，直线光栅用于检测直线位移。两者工作原理基本相 似，本节着重介绍一种应用比较广泛的透射式直线光栅。 直线光栅通常包括一长和一短两块配套使用，其中长的称为标 尺光栅或长光栅，一般固定在机床固定部件上，要求与行程等长。 短的为指示光栅或短光栅，装在机床移动部件上。两光栅尺是刻有 均匀密集线纹的透明玻璃片，线纹密度为25、50、100、250条/mm 等。线纹之间距离相等，该间距称为栅距，测量

11、时它们相互平行放 置，并保持0.050.1mm的间隙。 15 工作原理工作原理 二、工作原理二、工作原理 当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一小角度放置时，两光栅 尺上线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠， 形成黑色条纹，其它部分为明亮条纹，这种明暗相间的条纹称为莫尔条纹。 莫尔条纹与光栅线纹几乎成垂直方向排列。严格地说，是与两片光栅线纹 夹角的平分线相垂直。 PP W sin 莫尔条纹具有如下特点： 1. 放大作用 用W（mm）表示莫尔条纹 的宽度，P(mm)表示栅距，(rad) 为光栅线纹之间的夹角，如图5- 18所示则有 (5-8) 莫尔条纹宽度W与角成反比，越

12、 小，放大倍数越大。 2. 均化误差作用 莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同组成，例如，200条/mm的光栅， 10mm宽的光栅就由2000条线纹组成，这样栅距之间的固有相邻误差就被 平均化了，消除了栅距之间不均匀造成的误差。 标尺光栅 W 指示光栅（斜） P 3. 莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例 当光栅尺移动一个栅距P时，莫尔条纹也刚好移动了一个条纹宽度W。 只要通过光电元件测出莫尔条纹的数目，就可知道光栅移动了多少个栅距， 工作台移动的距离可以计算出来。若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动方 向也相反（见图5-18）。 标尺光栅 W 指示光栅（斜） P 标尺方向 指示尺转角方向 莫尔条纹方向

13、标尺方向 指示尺转角方向 莫尔条纹方向 P1 P2 P3 P4 指示光栅 标尺光栅 硅光电池 聚光镜 光源 图5-19 光栅测量系统 光栅测量系统如图5-19所示，由光源、聚光镜、光栅尺、光电元件和 驱动线路组成。读数头光源采用普通的灯泡，发出辐射光线，经过聚光镜 后变为平行光束，照射光栅尺。光电元件（常使用硅光电池）接受透过光 栅尺光强信号，并将其转换成相应的电压信号。由于此信号比较微弱，在 长距离传递时，很容易被各种干扰信号淹没，造成传递失真，驱动线路的 作用就是将电压信号进行电压和功率放大。 除标尺光栅与 工作台一起移动外， 光源、聚光镜、指 示光栅、光电元件 和驱动线路均装在 一个壳体

14、内，作成 一个单独部件固定 在机床上，这个部 件称为光栅读数头， 又叫光电转换器， 其作用把光栅莫尔 条纹的光信号变成 电信号。 三、应用（光栅位移数字转换系统）三、应用（光栅位移数字转换系统） 当光栅移动一个栅距，莫尔条纹便移动一个条纹宽度，理论上光栅 亮度变化是一个三角波形，但由于漏光和不能达到最大亮度，被削顶削底 后而近似一个正弦波（见图5-20）。硅光电池将近似正弦波的光强信号变 为同频率的电压信号（见图5-21），经光栅位移数字变换电路放大、整 形、微分输出脉冲。每产生一个脉冲，就代表移动了一个栅距那么大的位 移，通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离。 光栅位移 O 图5-20 光

15、栅的实际亮度变化 光栅位移 电压 O 图5-21 光栅的输出波形图 亮度 采用一个光电元件即只开一个窗口观察，只能计数，却无法判断移 动方向。因为无论莫尔条纹上移或下移，从一固定位置看其明暗变化是 相同的。为了确定运动方向，至少要放置两个光电元件，两者相距1/4莫 尔条纹宽度。当光栅移动时，莫尔条纹通过两个光电元件的时间不同， 所以两个光电元件所获得的电信号虽然波形相同，但相位相差90o。根据 两光电元件输出信号的超前和滞后，可以确定标尺光栅移动方向。 增加线纹密度，能提高光栅检测装置的精度，但制造较困难，成本 高。在实际应用中，既要提高测量精度，同时又能达到自动辨向的目的， 通常采用倍频或细分的方法来提高光栅的分辨精度，如果在莫尔条纹的 宽度内，放置四个光电元件，每隔1/4光栅栅距产生一个脉冲，一个脉冲 代表移动了1/4栅距那么大位移，分辨精度可提高四倍，这就是四倍频方 案。 Y6 微 分 微 分 微 分 整 形 P1 P2 P4 P3 差动 放大 器 差动 放 大 器 整 形 反 相 反 相 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y