光電旋轉(zhuǎn)編碼器在自動化生產(chǎn)線中的應(yīng)用

惠州市技師學(xué)院 禹隆鋒

1.引言

近年來，工業(yè)控制中的定位產(chǎn)品由以往的接近開關(guān)、行程開關(guān)等慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)編碼器。而隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，光電旋轉(zhuǎn)編碼器也逐漸發(fā)展成為成熟的性能優(yōu)良的工業(yè)化產(chǎn)品，其價格大幅度下降，主要用于工業(yè)控制中的定位、測速等。因此，選用旋轉(zhuǎn)編碼器的優(yōu)點就更加明顯了，如信息化、柔性化、方便現(xiàn)場安裝等。如今旋轉(zhuǎn)編碼器廣泛地被應(yīng)用于各種工控場合，如自動化生產(chǎn)線、數(shù)控機(jī)床、汽車速度檢測等。

2.旋轉(zhuǎn)編碼器的結(jié)構(gòu)及工作原理

光電旋轉(zhuǎn)編碼器是一種把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號的檢測裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由安裝在輸入軸上的編碼圓盤和光電檢測裝置（光源與受光元件）組成。輸入軸轉(zhuǎn)動時，編碼圓盤與其同步旋轉(zhuǎn)，光電檢測裝置以透光區(qū)和不透光區(qū)用代碼“0”或“1”表示其狀態(tài)，通過二進(jìn)制編碼將采集的物理信息轉(zhuǎn)換為電信號。

圖1 旋轉(zhuǎn)編碼器結(jié)構(gòu)圖

3.旋轉(zhuǎn)編碼器的選型

本文中旋轉(zhuǎn)編碼器的選型主要根據(jù)如下三個參數(shù)：

3.1 分辨率

編碼器的分辨率是指每旋轉(zhuǎn)一周所提供的脈沖數(shù)，一般在每轉(zhuǎn)5～10000個，根據(jù)設(shè)計使用精度進(jìn)行選擇。

3.2 電氣匹配

編碼器的信號輸出形式有正弦波、方波、集電極開路等多種形式，應(yīng)根據(jù)信號接收設(shè)備接口選擇與其相適應(yīng)的編碼器。

3.3 單相、正交AB相、絕對型選擇

單相旋轉(zhuǎn)編碼器僅使用在單方向旋轉(zhuǎn)的場合，其特點是價格低廉，脈沖接受技術(shù)簡單，精度較高。正交AB相旋轉(zhuǎn)編碼器主要用于正反向計數(shù)、判斷正反向和測速，其特點是價格適中，線路簡單，精度較高。絕對型旋轉(zhuǎn)編碼器體積重量較大，價格較貴，線路復(fù)雜，僅在特殊場合使用。

4.旋轉(zhuǎn)編碼器在自動化生產(chǎn)線中的應(yīng)用

本文中所提到的是自動化生產(chǎn)線中的傳送帶分揀單元如圖2。該單元的主要功能是對傳送帶上的工件進(jìn)行顏色、材質(zhì)等檢測，并將不同種類的工件推入相應(yīng)的通道中，其中工件在傳送帶上的定位就是通過旋轉(zhuǎn)編碼器來完成的。本單元采用了正交AB相增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，NPN型集電極開路輸出，分辨率500線，工作電源DC12～24V。

圖2 傳送帶分揀單元示意圖

4.1 PLC與旋轉(zhuǎn)編碼器之間的連接

編碼器的輸入軸通過聯(lián)軸器與傳送帶的主動軸相連，安裝時根據(jù)現(xiàn)場情況選擇合適的防護(hù)裝置，盡量遠(yuǎn)離震源，并且選用與該旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)品匹配的安裝夾具和聯(lián)軸器。本單元采用的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器一共有五條引線，其中三條為脈沖輸出線（A、B、Z相），另外兩條為電源線和COM線。如果傳送帶為單方向運行，則連接的時候選擇A相或者B相與PLC的高速計數(shù)輸入端X0相連；需要正反向運行時，可將A相與B相分別連接與高速計數(shù)端X0和X1。編碼器的電源線直接連接PLC所提供的直流24V，連接如圖3所示。

圖3 PLC與旋轉(zhuǎn)編碼器接線圖

4.2 脈沖計算及調(diào)試

工作在傳送帶上進(jìn)行定位需先計算出脈沖當(dāng)量即任意兩個脈沖之間傳送帶所運行的距離。傳送帶主動軸的直徑d為d=64mm，則減速電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周，傳送帶上工件移動距離L=π?d=3.14×64=200.96mm。故脈沖當(dāng)量μ為μ=L/500≈0.402mm。從而可以通過測量工作從下料口中心線至各個推桿中心點的距離，進(jìn)行計算出所需脈沖數(shù)。

應(yīng)該指出的是，上述脈沖當(dāng)量的計算只是理論上的。實際生產(chǎn)現(xiàn)場存在的誤差因素較多且無法避免，如傳送帶的松緊度、各種距離的測量誤差等等，都會影響實際運行效果。因此理論計算值只能作為估算值。脈沖當(dāng)量的誤差所引起的累積誤差會隨著工件在傳送帶上運動距離的增大而迅速增加，甚至嚴(yán)重影響分揀結(jié)果。因此在對分揀單元進(jìn)行安裝調(diào)試時，不僅要求測量計算精準(zhǔn)，還需要進(jìn)行現(xiàn)場脈沖測試。在計算的基礎(chǔ)上通過現(xiàn)場PLC程序調(diào)試以確定精確值，調(diào)試程序如圖4所示。

圖4 調(diào)試程序

運行PLC程序，并置于監(jiān)控狀態(tài)。在傳送帶進(jìn)料口中心處放下工件后，按啟動按鈕啟動運行。當(dāng)工件到達(dá)推桿中心點時，按下停止按鈕，并記錄計數(shù)器C251的值，經(jīng)多次調(diào)試以求得精確值。

5.小結(jié)

本文首先對旋轉(zhuǎn)編碼器的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了簡單的闡述，其次介紹了旋轉(zhuǎn)編碼器的結(jié)構(gòu)和原理，再次在對旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行選型方面提出自己的看法。論文的最后，利用PLC與旋轉(zhuǎn)編碼器為核心，設(shè)計了一個自動化生產(chǎn)線的傳送帶工件分揀模塊，并編寫了PLC調(diào)試程序，既可以用于實際生產(chǎn)線的設(shè)計也可以用于自動化技術(shù)教學(xué)。

[1]常春.光電編碼器的研究和應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器,2001(6).

[2]吳啟紅.可編程序控制系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2012:59-62.

[3]畢海.絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器用于線位移測量的研究[J].傳感器技術(shù),1998(6).