连接光栅尺与数控装置（下）

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连接光栅尺与数控装置（下）
来源：机械专家网     发布时间：2009-05-11
2．观察光栅尺波形
" A( H# S' |$ Q. _- z(1)将编码器的A、B相信号分别接入数字示波器的两个通道。
8 b* ~) f( A/ X. s! q(2)进入数控系统，在MDI方式下调用G01指令，使交流伺服轴进行低速进给运动，按一下进给修调右侧的“+”按键(修调倍率缺省设定是递增10%，即按一下“+”按键，轴进给速度递增10%)。
8 J8 L, m1 {3 d9 e( d(3)调整示波器，使两个通道同步，观察交流伺服轴由低速逐渐加速运动后，两个通道的信号波形，并以平面坐标系的格式绘制波形，如图10所示。
(4)让交流伺服电动机反向转动，观察两个通道的信号波形，并以图8所示的格式绘制波形。
(5)将编码器的Z相信号接入数字示波器的一个通道。
) ^! c/ a* ^& P+ e$ ~3 j(6)进入数控系统，在MDI方式下调用G01指令，使交流伺服轴低速进给运动。
' a* [1 K7 r4 Q9 p+ c(7)调整示波器，观察Z相信号波形，并以图8所示的格式绘制波形。
  `; N0 q" H4 T- P4 h(8)用同样的方法观察，并绘制光栅尺A、B、Z相信号波形。
图8  绘制波形格式
9 w9 T5 _4 H4 \3 x五、知识链接
1．旋转变压器
" e5 Y" L% Z$ b5 l$ B旋转变压器又称分解器，是一种控制用的微电机，它将机械转角变换成与该转角呈某一函数关系的电信号的一种间接测量装置。
0 t5 n2 T6 n1 w, k) r在结构上与二相线绕式异步电动机相似，由定子和转子组成。定子绕组为变压器的原边，转子绕组为变压器的副边。激磁电压接到转子绕组上，感应电动势由定子绕组输出。常用的激磁频率为400Hz，500Hz，1000Hz和5000Hz。
旋转变压器结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰性强，工作可靠。因此，在数控机床上广泛应用。
4 }8 ]2 \0 a, T通常应用的旋转变压器为二极旋转变压器，其定子和转子绕组中各有互相垂直的两个绕组。另外，还有一种多极旋转变压器。也可以把一个极对数少的和一个极对数多的两种旋转变压器做在一个磁路上，装在一个机壳内，构成“粗测”和“精测”电气变速双通道检测装置，用于高精度检测系统和同步系统。
根据旋转变压器的工作原理，旋转变压器作为位置检测装置有两种应用方式：鉴相方式和鉴幅方式。
(1)鉴相工作方式
在旋转变压器定子的两相正交绕组（正弦用s和和余弦用c表示），一般称为正弦绕组和余弦绕组上，分别输入幅值相等，频率相同的正弦、余弦激磁电压
0 Q0 ?4 m4 ?& B3 h2 |7 i. {Us=Umsinωt           Uc=Umcosωt
两相激磁电压在转子绕组中会产生感应电动势。根据线性叠加原理，在转子绕组中感应电压为
U=kUssinθ机+kUccosθ机=kUmcos(ωt-θ机)
4 F0 _) v2 i$ s8 C0 Z4 x5 [1 ]其中k为变压比，由式4-10可知感应电压的相位角就等于转子的机械转角θ机。因此只要检测出转子输出电压的相位角，就知道了转子的转角，而且旋转变压器的转子是和伺服电机或传动轴连接在一起的，从而可以求得执行部件的直线位移或角位移。
7 i2 N  d4 I1 D1 G' z(2)鉴幅工作方式
( M* y/ V& z0 h- S$ [3 [给定子的两个绕组分别通上频率、相位相同但幅值不同，即调幅的激磁电压
- D$ x  q0 W6 _5 j6 |Us=Umsinθ电sinωt            Uc=Umcosθ电sinωt
; o3 `* o" H- n) y4 R( I8 X' l  T则在转子绕组上得到感应电压为
U=kUssinθ机+kUccosθ机
=kUmsinωt(sinθ电sinθ机+cosθ电Uccosθ电)
=kUmcos(θ电-θ机) sinωt
在实际应用中，是不断修改激磁调幅电压值的电气角θ电，使之跟踪θ机的变化，并测量感应电压幅值即可求得机械角位移θ机。
5 o& h7 N  `! v2．感应同步器
5 M: i% H! w0 h1 {5 K. o- X4 H8 J应同步器与旋转变压器一样，是利用电磁耦合原理，将位移或转角转化成电信号的位置检测装置。实质上，感应同步器是多极旋转变压器的展开形式。感应同步器按其运动形式和结构形式的不同，可分为旋转式（或称圆盘式）和直线式两种。前者用来检测转角位移，用于精密转台，各种回转伺服系统；后者用来检测直线位移，用于大型和精密机床的自动定位，位移数字显示和数控系统中，两者工作原理和工作方式相同。
, c3 }7 z/ `8 j2 H, q- a（1）感应同步器的结构
直线式感应同步器的结构如图9所示。感应同步器由定子和滑尺两部分组成。定尺和滑尺通常以优质碳素钢作为基体，一般选用导磁材料，其膨胀系数尽量与所安装的主基体相近。定尺与滑尺平行安装，且保持一定间隙。定尺表面制有连续平面绕组（在基体上用绝缘的粘合剂贴上铜箔，用光刻或化学腐蚀方法制成方形开口平面绕组）；在滑尺的绕组周围常贴一层铝箔，防止静电干扰，滑尺上制有两组分段绕组，分别称为正弦绕组和余弦绕组，，这两段绕组相对于定尺绕组在空间错开1/4的节距，节距用2τ表示，安装时定尺组件与滑尺组件安装在机床的不动和移动部件上，例如工作台和床身，滑尺安装在机床上，并自然接地。工作时，当在滑尺两个绕组中的任一绕组加上激励电压时，由于电磁感应，在定尺绕组中会感应出相同频率的感应电压，通过对感应电压的测量，可以精确的测量出位移量。感应同步器就是利用感应电压的变化进行位置检测的。
图9  直线式感应同步器的结构原理
: r$ O7 w4 G, V0 r5 K) p（2）感应同步器的应用
与旋转变压器一样，有鉴相式和鉴幅式两种工作方式，原理亦相同。
' C! o# @' y: ], f（3）感应同步器的特点
) Y6 F- v9 {9 ^2 |3 L5 d* Z& T1) 精度高
因为定尺的节距误差有平均自补偿作用，所以尺子本身的精度能做得较高。直线感应同步器对机床位移的测量是直接测量，不经过任何机械传动装置，测量精度主要取决于尺子的精度。感应同步器的灵敏度（或称分辨率），取决于一个周期进行电气细分的程度，灵敏度的提高受到电子细分电路中信噪比的限制，只要对线路进行精心设计和采取严密的抗干扰措施，可以把电噪声减到很低，并获得很高的稳定性。
2) 测量长度不受限制
6 o: P6 S: B+ J( N0 R( ~5 p, @当测量长度大于250㎜时，可以采用多块定尺接长，相邻定尺间隔可用块规或激光测长仪进行调整，使总长度上的累积误差不大于单块定尺的最大偏差。行程为几米到几十米的中型或大型机床中，工作台位移的直线测量，大多数采用直线式感应同步器来实现。
3)对环境的适应较高
" v! A& c  i2 @5 H: v% t因为感应同步器金属基板和床身铸铁的热胀系数相近，当温度变化时，还能获得较高的重复精度，另外，感应同步器是非接触式的空间耦合器件，所以对尺面防护要求低，而且可选择耐温性能良好的非导磁性涂料作保护层，加强感应同步器的抗温防湿能力。
7 D8 v, _- \8 i% \) G4)维护简单，寿命长
* H2 D! Z3 C- w9 y4 j感应同步器的定尺和滑尺互不接触，因此无任何摩擦，磨损，使用寿命长，且无须担心元件老化等问题。
) _' \! i/ r- x另外，感应同步器的抗干扰能力强，工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。
# `$ R# X) t" q1 w5 z3．磁尺
磁尺又称为磁栅，是一种计算磁波数目的位置检测元件。可用于直线和转角的测量，其优点是精度高、复制简单及安装方便等，且具有较好的稳定性，常用在油污、粉尘较多的场合。因此，在数控机床、精密机床和各种测量机上得到了广泛使用。
' N% D9 k% _. I2 _) ?3 }图10  磁尺结构与工作原理
( E( q" K& d8 F  w, F磁尺由磁性标尺，磁头和检测电路组成，其结构如图10所示。磁性标尺是在非导磁材料的基体上，采用涂敷，化学沉积或电镀上一层很薄的磁性材料，然后用录磁的方法使敷层磁化成相等节距周期变化的磁化信号。磁化信号可以是脉冲，也可以为正弦波或饱和磁波。磁化信号的节距（或周期）一般有0.05㎜，0.10mm，0.20㎜，1㎜等几种。
磁头是进行磁—电转换的器件，它把反映位置的磁信号检测出来，并转换成电信号输送给检测电路。
' m/ @+ }0 M1 Z% [磁尺是利用录磁原理工作的。先用录磁磁头将按一定周期变化的方波、正弦波或电脉冲信号录制在磁性标尺上，作为测量基准。检测时，用拾磁磁头将磁性标尺上的磁信号转化成电信号，再送到检测电路中去，把磁头相对于磁性标尺的位移量用数字显示出来，并传输给数控系统。
4．脉冲编码器
脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，把机械转角变成电脉冲，是一种常用的角位移传感器。同时也可作速度检测装置。
% H' M: z7 n# f- M7 M(1)脉冲编码器的分类与结构
脉冲编码器分为光电式、接触式和电磁感应式三种。光电式的精度与可靠性都优于其他两种，因此数控机床上只使用光电式脉冲编码器。光电脉冲编码器按每转发出脉冲数的多少来分，有多种型号。数控机床上最常用的光电脉冲编码器见表2。脉冲编码器的选用根据数控机床滚珠丝杠的螺距确定。
( ^& w1 b' }4 Q# l9 |6 r) g表2   光电脉冲发生器
- N* S" t( {- p# j! n2 ]( J: i0 r脉冲编码器
每转移动量（mm）
脉冲编码器
) S9 J7 X$ ?) I7 @. U每转移动量（mm）
2000P／r
1 a( J: h( c- h$ m: i: I, v6 W9 ?2,3,4,6,8
2 u0 Z& J4 I+ u, p3000P／r
$ o& L6 e  a) Q/ B, o3,6,12
2500P／r
5，10
1 r* p2 b9 H# _8 I* B光电式脉冲编码器的结构如图11所示。在一个圆盘的圆周上刻有等间距线纹，分为透明和不透明的部分，称为圆光栅。圆光栅与工作轴一起旋转。与圆光栅相对，平行放置一个固定的扇形薄片，称为指示光栅，上面制有相差1/4节距的两个狭缝（辨向狭缝）。此外，还有一个零位狭缝（每转发出一个脉冲）。脉冲发生器通过十字连接头或键与伺服电动机相连。当圆光栅旋转时，光线透过这两光栅的线纹部分，形成明暗相间的条纹，被光电元件接受，并变换成测量脉冲，其分辨率取决于圆光栅的一圈线纹数和测量电路的细分倍数。脉冲编码器主要技术性能见表3。
表3   脉冲编码器主要技术性能
' N1 E4 Z/ z1 K# O* r电  源
5V±5%,≤0.35A
温度范围
0～60°C
: Z. P( l( a% v. h" D4 S6 d输出信号
3 }  N, Z, U. ]! D" d/ hA，；B，；Z，
轴向频动
0.02mm
; @; Q- d; K* F% C; C% M每转脉冲数
4 y3 _8 E/ N9 v7 X9 [: M% J2000,2500,3000
转子惯量
＜5.7kg·cm2
% e) f. i  t) [- e电  源
5V±5%,≤0.35A
1 F0 u! t( r1 @3 d( x' A温度范围
% J! v6 W5 \: C5 V. b+ a% f0 z0～60°C
* R0 p+ `8 r) l. D6 Y# _+ R0 P最高转速
0 {; `  A, ?9 J) e2000r／min
阻尼转距
  Q! t9 I' T0 n6 X( C＜8N·cm
4 b, R& y! w/ a+ H% D9 V图11 光电式脉冲编码器的结构
图12  脉冲编码器输出波形
6 _4 E. @/ a$ O4 v1 V当圆光栅与工作轴一起转动时，光线透过两个光栅的线纹部分，形成明暗相间的条纹。光电元件接受这些明暗相间的光信号，并转换为交替变换的电信号。该电信号为两组近似于正弦波的电流信号A和B，如图12所示。A和B信号相位相差90°，经放大和整形变成方形波。通过两个光栅的信号，还有一个“每转脉冲”，称为Z相脉冲，该脉冲也是通过上述处理得来的。Z脉冲用来产生机床的基准点。后来的脉冲被送到计数器，根据脉冲的数目和频率可测出工作轴的转角及转速。其分辨率取决于圆光栅的圈数和测量线路的细分倍数。
4 g  m  a7 u/ r5 s/ l# W(2)绝对值脉冲编码器
与增量式脉冲编码器不同，绝对值编码器是通过读取编码盘上的图案确定轴的位置。码盘的读取方式有接触式、光电式和电磁式等几种。最常用的是光电式编码器。
( P/ n! e7 {0 F" r- F2 y* o光电绝对值编码器的编码盘原理图和结构图如图13所示。图13a中，码盘上有四条码道。码道就是码盘上的同心圆。按照二进制分布规律，把每条码道加工成透明和不透明相间的形式。码盘的一侧安装光源，另一侧安装一排径向排列的光电管，每个光电管对准一条码道。当光源照射码盘时，如果是透明区，则光线被光电管接受，并转变成电信号，输出信号为“1”；如果不是透明区，光电管接受不到光线，输出信号为“O”。被测轴带动码盘旋转时，光电管输出的信息就代表了轴的相应位置，即绝对位置。
图13  光电绝对值编码器
8 m6 L! ~/ e) B' R% h! P9 I6 L5 o* G' T2 P光电编码盘大多采用格雷码编码盘，格雷码数码见表4。格雷码的特点是每一相邻数码之间仅改变一位二进制数，这样，即使制作和安装不十分准确，产生的误差最多也只是最低位的一位数。
2 u: I2 }( }4 J9 d四位二进制码盘能分辨的最小角度(分辨率)为
/ g7 V4 i' p! s( b9 E6 i$ O- b% Yα=360°／24=22.5°
码道越多，分辨率越小。目前，码盘码道可以做到18条，能分辨的最小角度为
2 u% m& W) V: \  Z7 j' V1 Y- w/ [α=360°／218 =0.0014°
. ?, [8 X% T5 P- c3 k表4   编码盘的数码
5 Q8 R: d* F3 s  D, P) [8 z; Y7 ^角 度
7 O5 C. k6 [; z% H& F! a) E1 r二进制
格雷码
9 e4 j$ t4 o% ^2 n十进制
, c. [% z# Q! B# L/ \角  度
* m) j$ L. u2 f( Y# N1 w2 `二进制
格雷码
十进制
O
0000
* ^, T- {5 C/ |, @9 ?: }0000
0
2 v/ G7 e. I. i% Z  C9 H2 f8α
( g5 G0 G7 W: W; Q( X( y; I1000
  B4 a' {* O1 p3 V1100
8
α
4 l$ p9 I/ z9 q+ [5 R2 Q% |0001
5 X& i$ j; [: w/ B8 _0001
1
9α
1001
# T7 R9 G' A# o+ s1101
9
; S! J8 m/ q& l# y# ?3 \" [2α
" d. e; o; V/ J: ]# w$ w0010
0011
2
% W" ^' r- s) @+ x$ F1Oα
" @0 u, k  c7 V7 E7 m5 s1010
4 ~# D, Z' F% j) t1111
+ R' b" X) B8 J3 W& J2 d0 q10
3α
0011
0010
3
11α
% O" D. u& r7 Y3 n, E% Y1011
: d% c( I+ r! {0 R' D- W4 |1110
; v6 M- s4 `1 l; |0 D+ O11
6 C% p# N1 D" }1 W# R! J4α
& Y! d$ j8 G7 t0100
# j" u$ u* O5 I& t1 `0110
4
* W) n8 E) }- g12α
9 r7 M* v# W" N0 s$ u  R1100
1010
12
+ D$ r. ^% A1 ~! U5 e5α
0101
% R6 t! r4 A& R0111
) y! R$ f0 H- e$ p5
13α
3 q% p" _* y$ x; ]1101
1011
2 P# y, Y! `9 P. O) d13
" ~% [4 v0 _1 k- v- H6α
0110
0101
6
14α
1110
1 @1 r% h0 n. N) r; ^$ `1001
14
7α
0111
# a% |- p" h7 I0100
3 k5 T( {) z5 d8 b) v% D2 j
8 N6 o3 r: j- m8 {  ]6 E+ w7 E7

闭环控制磨床

写得忒好，具体使用的时候还是问题多多。

moxueyw

写的具体，了解一下不错哦！

zjchun

方法讲的好，但是还没具体到系统