光电编码器在数控加工机床中的应用

光电编码器在数控机床中的应用探究***（中原工学院机电学院，河南郑州450007）摘要：在对数控机床功能需求分析的基础上，将光电编码器进行工艺性和实用性分析，证明其在数控加工的应用是符合功能要求的。关键词：光电编码器；数控机床；检测元件Abstract:：Themanufacturabilityandpracticalapplicabilityanalysisofphotoelectricencodewasbasedontheanalysisofnumericalcontrolmachine’sdemand.Wecanproveitsuseisverysuccessful.Keywords：photoelectricencode;numericalcontrolmachine;detectingelement—————————————————数控机床是一种高精度、高效率的加工设备，而实现其安全可靠的运行需要精确的检测和控制，本文在对数控机床功能需求分析的基础上，将光电编码器进行工艺性和实用性分析，验证其使用的可靠性。1.数控机床对检测元件的功能需求数控机床作为一种生产设备，依靠其高精度、高效率的加工优势，在我国的应用已日趋广泛。数控机床要实现其安全、可靠的运行，离不开各种各样的检测元件。检测元件是数控机床伺服系统的重要组成部分，起着检测各控制轴的位移和速度的作用，它把检测到的信号反馈回去，构成闭环系统。测量方式可分为直接测量和间接测量。直接测量，就是对机床的直线位移采用直线型检测元件测量，直接测量常用的检测元件一般包括：直线感应同步器、计量光栅、磁尺激光干涉仪。间接测量就是对机床的直线位移采用回转型检测元件测量，间接测量常用的检测元件一般包括：脉冲编码器、旋转变压器、圆感应同步器、圆光栅和圆磁栅。位置检测装置是数控机床的重要组成部分，其作用就是检测位移量，并发出反馈信号与数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件使其向着消除偏差的方向运动，直至偏差等于零为止。为了提高数控机床的加工精度，必须提高检测元件和检测系统的精度。2．光电编码器的实用性分析光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图1所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90º的两路脉冲信号。根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。图1光电编码器的工作原理2.1增量式编码器增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90º，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。[1]图2增量式光电编码器2.2绝对式编码器绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。图3绝对式光电编码器目前生产和使用的机床大多采用的是半闭环控制方式。大多数的系统生产厂家，均将位置编码器内置于驱动电机端部，间接测量执行部件的实际位置或位移。光电编码器是一种光学式位置检测元件，编码盘直接装在电机的旋转轴上，以测出轴的旋转角度位置和速度变化，其输出信号为电脉冲。这种检测方式的特点，是非接触式的，无摩擦和磨损，驱动力矩小，响应速度快。而缺点是抗污染能力差，容易损坏。3．光电编码器在数控机床中的应用增量式编码器以转动时输出脉冲，通过计数器来知道其位置。当编码器停电时，存放在缓冲器或外部计数器中的数值将丢失。这说明如果机床因下班或维修而被迫关机时，重新启动后，编码器将无法知道其确切位置。解决的方法是增加参考点，编码器每经过参考点，缓冲器或计数器被清零，数控系统才知道确切的位置。在回过参考点以前，是不能保证位置的准确性的。为此，在数控机床控制中就有每次开机先回参考点的操作。机床的刀具在发生故障时通常还处于加工位置，与工件有直接接触，有时甚至还处于工件的内部（如钻孔、攻螺纹等），为了安全地进行过参考点动作，必须首先手动将刀具移出加工位置。如果此时刀具的指向与X，Y，Z轴成一定角度（多轴机床），此项操作则变得尤其困难，往往要耗费大量的时间和人力。如图4所示，为FANUC的编码器为增量使用时，利用挡铁回零。图4FANUC参考点返回示意图而绝对编码器的出现，则很好的解决了这一问题。绝对值编码器旋转时，有与位置一一对应的代码（二进制、BCD码等）输出，从代码的变更即可判别正反方向和位移所处的位置，而无需判向电路。它有一个绝对零位代码，当停电或关机后再开机时，仍可准确地读出停电或关机位置的代码，并准确地找到零位代码，可大幅度降低待机时间与开机时间，有效缩短原点复归时间，还可省略限位开关，节省成本。现我国台湾省及国外的数控机床，大多采用绝对式编码器。数控机床中编码器的一些使用实例如下所示：图5编码器在定位加工中的应用①已知增量式光电编码器的参数和大、小皮带轮的传动比，若希望当加工好一个元件后紧接着加工另一元件，可计算出编码器给出多少脉冲数时，电动机停转，从而加工工件。如图5所示。图6编码器在刀库选刀控制中的应用②角编码器与旋转刀库连接，编码器的输出为当前的道具号，如图6所示。图7编码器在伺服电机中的应用③利用编码器测量伺服电机的转速，并通过伺服控制系统控制其各种运行参数，如图7所示。4．结语目前，市场竞争愈演愈烈，数控机床的高精度和高效率是发展的方向。利用绝对式编码器在断电时仍可读取机床的绝对位置，大幅降低开机时间和待机时间，提高了效率，还可节省限位开关，节省成本。所以光电编码器特别是绝对式光电编码器，在数控机床中作为检测元件的使用是相当符合其功能要求的。参考文献：[1]陆伟.数控机床典型检测元件的应用研究[J].EquipmentManufactringTechnology,2010,(7):11-12.[2]汤彩萍.FANUC编码器的研究与应用[J].机床电器,2008,(3):17-18.[3]杨元庆.光电编码器分类及应用[J].仪表技术与传感器.1993,(1)：29-30.