脉冲编码器是一种旋转式角位移检测装置,能将机械转角变换成电脉冲,是数控机床上使用最广的位置检测装置。还可通过对位移电脉冲频率的检测来检测机械的旋转速度,作速度检测装置。脉冲编码器可分为增量式脉冲编码器和绝对式脉冲编码盘两种。

1.增量式脉冲编码器

结构增量式脉冲编码器有光电式、接触式和电磁感应式三种,数控机床上使用的都是光电式编码器。增量式光电脉冲编码器的结构如图3-34所示,码盘基片固定在旋转轴上,光栅固定在机座上,与码盘基片平行并保持一定间隙,光源,光敏元件以及透镜都固定在底座上,全部用护罩盖上。整个编码器通过旋转轴与被测伺服电动机轴,通过十字接头相连接。

图3-34　光电式编码器

码盘基片的基体是玻璃圆盘,表面上用真空镀膜法镀上一层不透光的金属膜,再涂上一层均匀的感光材料,用照相腐蚀工艺,制成等距的透光和不透光相间的辐射状线纹,相邻的两个透光和不透光线纹构成一个节距τ。在圆盘里圈不透光圆环上刻有一条透光条纹,用来产生一转一个脉冲信号z。在图的下部有两个光栏板,彼此之间错开m＋τ/4个节距,当码盘基片随转轴转动时,产生a,b 两相相位差为90°的交变信号。

(1)工作原理

光电码盘随被测轴一起转动,在光源的照射下,透过光电码盘和光栏板形成忽明忽暗的光信号,光敏元件把此光信号转换成电信号a、b、z,通过信号处理装置的整形、放大等处理后输出如图3-35所示的6项A、B、C 和取反信号。

图3-35　编码盘的信号处理

(2)输出信号的作用及其处理

1)A、B 两相的作用

①用四倍频电路,可利用A、B 两相90°的相位差进行细分处理,提高码盘的分辨率,如图3-35所示;

②据脉冲的数目可得出被测轴的角位移;

③根据脉冲的频率可得被测轴的转速;(www.daowen.com)

④根据A、B 两相的相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方向。

2)Z 相的作用

①被测轴的周向定位基准信号;

②被测轴的旋转圈数记数信号。

3)的作用

后续电路可利用两相实现差分输入,以消除远距离传输的共模干扰。

数控机床上常用的脉冲编码器每转输出的脉冲数有:2000p/r,2500p/r,3000p/r等几种应该根据数控机床滚珠丝杠的导程来选用相应的每转脉冲数的编码器。在高速度、高精度的进给伺服系统中,要使用高分辨率的脉冲编码器,如20 000p/r,25 000p/r,30 000p/r等。现在已有每转能发出10万个脉冲的编码器。

2.绝对式脉冲编码盘

绝对式脉冲编码盘,是一种绝对角度位置检测装置,它的位置输出信号是某种制式的数码信号,它表示位移后所达到的绝对位置,要用起点和终点的绝对位置的数码信号,经运算后才能求得位移量的大小。电源切除后位置信息不会丢失,只要通电就能显示出所在的绝对位置信号,因此在事故停机检修后,可以根据加工程序单上标明的停机时的绝对位置,或停机时记录下来的绝对位置,用绝对位移指令直接找回到原停机位置进行继续加工。

绝对式编码盘也有接触式、光电式与电磁式三种,常用的还是光电式一种。光电式编码盘的结构与增量编码器相似,由光源、圆形编码盘、光电元件等组成。主要零件是编码盘,如图3-36所示。码盘上有许多同心圆环,称为码道,整个圆盘又分成若干个等分(圆心角相等)的扇形区段,每一相同的扇形区段的码道组成一个数码,透光的码道为“1”,不透光的码道为“0”,内环码道为数码的高位。所用数码可以是纯二进制的,如图3-36所示。图3-37所示为葛莱循环码。在圆盘的同一半径方向的每个码道处,如图的黑点所示,安装一个光电元件,光源装在圆盘的另一侧,码盘转动,每一扇形区段内的光信号通过光电元件转换成数码脉冲信号。图3-36所示绝对式脉冲编码盘二进制的数码1100的位置就是从0位算起的第12个角度绝对坐标位置,换算成角度是360°/16×12＝270°的位置(编码盘分为16个区段)。用纯二进制码有一个缺点是:相邻两个二进制数可能有多位二进制码不同,当数码切换时有多个数位要进行切换,增大了误读的概率。图3-37所示的葛莱码则不同,相邻两个二进制数码只有一个数位不同,因此两数切换时只在一位进行,提高了读数的可靠性。

图3-36　绝对式脉冲编码盘

图3-37　葛莱循环码码盘

目前绝对式光电式码盘可以做到18位二进制数,如果要求更多的位数,用单片码盘则其扇形区段太多,分割起来就很困难。二进制位数的多少决定了测量角度的分辨率,用于间接测定直线位移时,则限制了测量长度的大小。要提高分辨率与测量范围,可以采用组合式绝对码盘,即使用一个粗计数码盘和精计数码盘组合进行计数,精计数码盘转一圈向粗计数码盘进一位,使粗计数盘转过最低位的一格。两个码盘之间用一定传动比的齿轮连接,从精到粗按进位数制进行降速传动。