光電編碼器在工業(yè)數(shù)控加工中的應(yīng)用探析

牟淑賢 石啟軍

摘要：光電編碼器可應(yīng)用在伺服驅(qū)動、機(jī)器人的關(guān)節(jié)臂檢測、包裝機(jī)械、印刷機(jī)械中的流水線檢測。本文主要介紹了光電編碼器的工作原理、類型、結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)及選型，重點(diǎn)對自動化生產(chǎn)線中定位、位移測量等技術(shù)分析，對光電編碼器未來的發(fā)展趨勢作了闡述與展望。

關(guān)鍵詞：光電編碼器;自動化生產(chǎn)線;工件定位;位移測量

中圖分類號：TN762 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）12-0006-03

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)數(shù)控加工及自動生產(chǎn)線中，把計算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)等相互結(jié)合，提高了產(chǎn)品加工的能力、加工精度和效率，編碼器在這其中起到了至關(guān)重要的作用，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，實現(xiàn)信息化、柔性化、方便現(xiàn)場安裝等。編碼器廣泛地被應(yīng)用于各種工控場合，工業(yè)控制中的定位、測速等，如自動化生產(chǎn)線、數(shù)控機(jī)床加工定位、汽車速度檢測、位移等[1]。

1 光電編碼器

光電編碼器，是光機(jī)電集成的數(shù)字型測量裝置，它的主要檢測部件是高精度光柵，利用光電信號轉(zhuǎn)換，將機(jī)械軸的幾何位移信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號或脈沖量?；诖丝梢詼y量角速度、角位移、和角加速度等物理量，所測量后的轉(zhuǎn)換信號結(jié)合計算機(jī)，進(jìn)行數(shù)字信號的控制與測量，它具備精度高、測量范圍廣、使用可靠、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[2]。

1.1 增量式光電編碼器

增量式編碼器（SPC），是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號后將其轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，位移的大小就是脈沖個數(shù)。通過計數(shù)設(shè)備來記錄編碼器旋轉(zhuǎn)時輸出的脈沖個數(shù)來確定其位置，如編碼器不動或停電時，計數(shù)器會存儲記錄的位置信息量。增量式碼盤如圖1所示。

增量式編碼器通道的分類：

（1）單通道：內(nèi)部有一對光電耦合器，只產(chǎn)生一個脈沖序列A，只能測旋轉(zhuǎn)速度，不能測方向。

（2）雙通道：它有兩對光電耦合器，能輸出兩個相位差δ=90°的脈沖序列。在檢測光柵上刻有A、B 兩組與碼盤相對應(yīng)的透光縫隙，起通光和擋光作用。檢測光柵和碼盤節(jié)距（周期）相等，且兩組透光縫隙互相錯開1/4 節(jié)距，使光電檢測器件輸出相位差90°的信號。當(dāng)測量轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速時，碼盤跟轉(zhuǎn)軸同步旋轉(zhuǎn)，光柵不動，光線透過碼盤和光柵通光縫隙后照到光電檢測器件上，光電檢測器件就會輸出兩組相位差90°且近似正弦波的電信號，經(jīng)過處理后就會獲取被測軸的速度和轉(zhuǎn)角信息。正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的兩路脈沖AB相位滯后和超前相反。

（3）三通道：內(nèi)部雙通道基礎(chǔ)上，在脈沖碼盤的另外一個通道有1個透光段，每轉(zhuǎn)1圈，輸出1個脈沖，該脈沖為Z相零位脈沖，用做系統(tǒng)清零信號或坐標(biāo)原點(diǎn)、指示機(jī)械零位置，以減少測量誤差積累，利用這個信號進(jìn)行測量裝置或運(yùn)動控制系統(tǒng)歸零或復(fù)位。三通道編碼器可測速度、旋轉(zhuǎn)方向及定位，在測速度時不用Z相，測長度時用Z定位點(diǎn)。

（4）六通道：增量信號可達(dá)到10000脈沖/圈，ABZ通道+反相通道，即在三通道基礎(chǔ)上將每一通道信號增加一個反向輸出，反向信號是為了消除干擾及補(bǔ)償損耗，以便長距離傳輸。各個通道輸出信號輸出信號如圖2所示。

1.2 絕對式光電編碼器

絕對式編碼器（APC）是直接輸出數(shù)字信號（二進(jìn)制組合）的傳感器。它是用光信號掃描與傳動軸相聯(lián)的編碼盤來獲取被測對象的準(zhǔn)確位置數(shù)據(jù)，再把檢測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成脈沖電信號輸出測量的位移量。編碼盤有二進(jìn)制和循環(huán)碼（格雷碼）盤兩種形式，在光學(xué)玻璃盤上光刻n條同心環(huán)碼道，每個碼道都刻劃出黑白相間的不透光與透光的扇形區(qū)，光掃描到亮區(qū)輸出數(shù)值1，掃描到暗區(qū)輸出數(shù)值0。光狹縫掃描碼盤從里到外產(chǎn)生的黑白相間的組合可以同1和0來表示，每一組01組合都表示不同的位置，用0和1信號組合表示碼盤軸的角位移大小，碼盤如圖3所示。一個n位二進(jìn)制碼盤，編碼容量2n，最小分辨力θ=360°/2n，最外圈角節(jié)距為2θ。n位循環(huán)碼碼盤具有2n種不同編碼，第i碼道相當(dāng)于二進(jìn)制碼碼盤第i+1碼道向零位方向轉(zhuǎn)過θ1角，它的最外圈R1的碼道角節(jié)距為4θ1[3]。其特點(diǎn)是：（1）編碼器每轉(zhuǎn)一周，每一個角度有獨(dú)立的0和1組合的n位編碼，代表編碼器絕對的輸出位置。（2）采用機(jī)械式連接與傳動，編碼器在斷電后位置不會動，通電獲取準(zhǔn)確的當(dāng)前位置數(shù)據(jù)。（3）檢測到二進(jìn)制代碼，不會產(chǎn)生檢測誤差[4]。

1.3 混合式編碼器

混合式編碼器是把絕對式編碼和增量式編碼做在一個碼盤上，碼盤最外圈是高密度增量式明暗相間的條紋，中間是絕對值編碼器的二進(jìn)制格雷碼道，是用光信號掃描編碼盤，旋轉(zhuǎn)角度是通過檢測、記錄光信號的通斷數(shù)目來計算的，它輸出絕對和相對旋轉(zhuǎn)角度編碼。輸出一組檢測磁極位置絕對信息，另一組則同增量式編碼器輸出信息相同。它有絕對編碼器旋轉(zhuǎn)角度編碼的唯一性與增量編碼器的應(yīng)用靈活性。

單盤編碼器：全部碼道在一個圓盤上，結(jié)構(gòu)簡單使用方便。位數(shù)增多則分辨力也要求高，盤尺寸大并制造困難，編碼如10位= 210=1024位置。 多盤編碼器則采用幾個碼盤通過機(jī)械傳動裝置連成一起的碼盤組，它是在單盤基礎(chǔ)上利用鐘表齒輪機(jī)械傳動實現(xiàn)的。中心碼盤旋轉(zhuǎn)時，通過齒輪（多組齒輪）傳動另一組碼盤（多組碼盤），在單圈編碼上再增加圈數(shù)的編碼，擴(kuò)大編碼測量范圍，可大大提高分辨率，也可用來測轉(zhuǎn)速。單圈與多圈分辨率與編碼數(shù)目，如：13*12位=25位=213*212=8192位置/轉(zhuǎn)*4096轉(zhuǎn)。

1.4 增量式編碼器與絕對編碼器的比較

分辨率和精度均相同的增量編碼器和絕對編碼器，前者便宜且碼盤尺寸也小。增量式編碼器是脈沖輸出式，一般用來測試速度與方向、及位置信息，也可用角度測量，其構(gòu)造簡單容易操作，壽命長，抗干擾能力強(qiáng)，分辨率高，精度高，可靠性高，適于遠(yuǎn)距離傳輸。不能直接獲得轉(zhuǎn)軸的絕對位置信息，只適用于測轉(zhuǎn)速。

在工控中，在掉電或電源出現(xiàn)故障時位置信息不能存貯會丟失，故在每次操作前或開機(jī)時要先找參考點(diǎn)和找零位，這樣操作麻煩，在工控中操作時要馬上定位，要用絕對編碼器[5]。

2 光電編碼器在工業(yè)自動化中的應(yīng)用

2.1 角度測量中的應(yīng)用

絕對式編碼器應(yīng)用在數(shù)控加工中的工件定位和刀具選擇。工位編碼中，編碼器每一轉(zhuǎn)角位置均有一個固定的編碼輸出，若轉(zhuǎn)盤與編碼器同軸相連，在轉(zhuǎn)盤上多個工位上都安裝的待加工工件都有一個相對應(yīng)的編碼，每一工位安裝的被加工工件均有一個編碼相對應(yīng)，轉(zhuǎn)盤工位編碼原理如圖4（a）所示。轉(zhuǎn)盤上每一工位轉(zhuǎn)到加工點(diǎn)時，該工位對應(yīng)的編碼由編碼器輸出給控制系統(tǒng)。設(shè)工位1剛已完成加工，要使處于2位上的工件轉(zhuǎn)到加工點(diǎn)等待加工，計算機(jī)就控制電動機(jī)，使帶輪帶動轉(zhuǎn)盤順時針旋轉(zhuǎn)，4位絕對式編碼器輸出的編碼不斷變化。當(dāng)輸出從0000變?yōu)?110時，表示轉(zhuǎn)盤已將工位6轉(zhuǎn)到圖中的加工點(diǎn)，電動機(jī)停轉(zhuǎn)并急剎車，也可在即將到達(dá)設(shè)定的二進(jìn)制編碼時，預(yù)先斷電，再剎車。

刀庫、刀架及旋轉(zhuǎn)工作臺控制：刀庫旋轉(zhuǎn)時，可用伺服電動機(jī)控制的編碼器檢測刀具位置信號進(jìn)行選刀具;也可用異步電動機(jī)控制光電編碼器，來檢測刀位信號完成換刀。數(shù)控機(jī)床中液壓或電動的回轉(zhuǎn)刀架，如有多個刀位，則用編碼器檢測刀位信號并進(jìn)行編碼校驗，以確保換刀準(zhǔn)確無誤。旋轉(zhuǎn)工作臺同刀庫工作一樣，需用編碼器檢測速度、位移，實現(xiàn)自動控制，如圖4（b）所示。

2.2 位移測量中的應(yīng)用

測量長度中是利用光電編碼器的滾輪周長來測量物體間距離或物體長度，如計米器的使用。再如在介質(zhì)檢測中，直齒條、轉(zhuǎn)動鏈條的鏈輪、同步帶輪來進(jìn)行直線位移信息的采集 ，通過輪齒和帶齒的有效嚙合來傳遞負(fù)載的運(yùn)動位移。如圖5左圖所示，t為絲杠轉(zhuǎn)動一整圈，工作臺的位移，通過測量滾珠絲杠的角位移θ，間接獲得工作臺的直線位移x，構(gòu)成位置半閉環(huán)伺服系統(tǒng)，如圖5右側(cè)圖所示，在齒條和齒輪嚙合后，在軸的旋轉(zhuǎn)中，根據(jù)齒輪旋轉(zhuǎn)的角度來計算齒條直線位移。

2.3 光電編碼器在伺服電機(jī)運(yùn)動的參數(shù)的測量

由于增量式角編碼器的輸出信號是脈沖形式，故可以通過測量脈沖頻率或周期的方法來測量轉(zhuǎn)速。根據(jù)脈沖計數(shù)來測量轉(zhuǎn)速的方法有以下三種：

（1）定時計數(shù)法（M法測速，測頻法）：在規(guī)定時間內(nèi)測量所產(chǎn)生的脈沖個數(shù)來獲得被測速度。用于高頻高轉(zhuǎn)速測量時，編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N個脈沖，對被測信號計數(shù)，在T時間段內(nèi)有m1脈沖產(chǎn)生，則轉(zhuǎn)速為n=60m1/NT。如圖6所示，四位編碼器，N=16，m1是在一段時間內(nèi)所能計脈沖數(shù)，在2.5秒內(nèi)計數(shù)脈沖為16，則在一分鐘內(nèi)的轉(zhuǎn)速計算為：。計數(shù)器計數(shù)過程中，多計或少計一個脈沖所引起的誤差決定了測量精度，可得△n=±60/T，增大T可提高測量精度[6]。

（2）定數(shù)計時法（T法測速，測周期法）：測量相鄰兩個脈沖的時間來測量速度。定時計數(shù)器對一定的時基信號t0進(jìn)行計數(shù)，得N，被測信號控制定時計數(shù)器的開關(guān)，則：轉(zhuǎn)動周期：? 。內(nèi)部計數(shù)器計數(shù)過程中，多計或少計一個時基脈沖所引起的誤差決定了測量精度，時基越小，周期測量精度越高;測得數(shù)N越大，轉(zhuǎn)速測量精度越高。此法適于低頻測量。（N大，多計一個少計一個引起的誤差不大）。

（3）同步計數(shù)計時法（M/T法測速）：同時測量檢測時間和在此時間內(nèi)脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖個數(shù)來測量速度?；跍y頻法原理，內(nèi)部定時T（N0×t0），對被測信號進(jìn)行計數(shù)。當(dāng)定時器與被測脈沖同步計數(shù)時，將定時做延時調(diào)整T+△T，以等待被測脈沖計數(shù)完整得N，與此同時，取時間基準(zhǔn)計數(shù)脈沖計數(shù)值Nc，則實際頻率：? ，其中N為被測信號計數(shù)值，Nc為實際定時計數(shù)值，t0為時基，ΔT′

3 編碼器的發(fā)展與展望

在數(shù)控加工中，光電編碼器應(yīng)用廣泛，是測量速度、角度、位移等參數(shù)的重要部件，光電編碼器性能直接影響了工業(yè)加工技術(shù)的水平，目前光電編碼器廣泛應(yīng)用在航天、國防、科研、紡織、FA、醫(yī)療設(shè)備、電梯、機(jī)車數(shù)控機(jī)床、伺服系統(tǒng)等行業(yè)的相關(guān)機(jī)電設(shè)備中，光學(xué)編碼器的發(fā)展對于高科技產(chǎn)品的生產(chǎn)與檢測在某種程度上起到關(guān)鍵性的作用，相信在未來它將繼續(xù)提升其應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)水平。

參考文獻(xiàn)

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The Application of? Photoelectric Encoder in Industrial NC Machining

MOU Shu-xian1，SHI Qi-jun2

（1.Suzhou Industrial Park Institute of? Vocational Technology，Suzhou? Jiangsu? 215123;

2.Flextronics Electronic Technology （Suzhou） Co.，Ltd.，Suzhou? Jiangsu? 215021）

Abstract：photoelectric encoder can be used in servo drive， robot joint arm detection， packaging machinery， printing machinery assembly line detection. This paper mainly introduces the working principle，type，structure and technical parameters of photoelectric encoder as well as the conditions to be considered in selection.Its future development trend are described and prospected.

Key words：photoelectric encoder; automatic production line; workpiece positioning; displacement measurement