数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 第十六讲 一、备课教案 适用专业机械设计制造及其自动化 讲次第十六讲 上课 时间 年月日节 第五章数控检测装置 第四节光栅 一、光栅的结构和工作原理 教 了解光栅的结构：理解光橱的工 二、光栅位移一数字变换电路 作原理 内 第五节磁栅 提 ”、 磁栅的结构和工作原理 了解磁栅的结构和应用场合：理 及 要 二、破栅的应用 解磁栅的工作原理 求 第六节光电脉冲编码器 光电脉冲编码器的结构和工作原理 了解光电脉冲编码器的结构和应 用场合：理解光电脉冲编码器的 二、光点脉冲编码器的应用 工作原理 教学实施手段 效果记录 课堂讲授 重 米椰的丁作原理 课堂讨论 √ 点 光电脉冲编码器的工作原理 现场示教 小结讲评 米的丁作照理 其 它 点 光电脉冲编码器的工作原理。 教具 CA,黑板 陈德道主编数控技术及应用北京 国防工业出版社，2009 学 董玉红主编机床数控技术.哈尔滨 为 哈尔滨工业大学出版社，2003 记 兰州交通大学机电工程学院
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 兰州交通大学机电工程学院 1 第十六讲 一、备课教案 适用专业 机械设计制造及其自动化 讲次 第十六讲 上课 时间 年 月 日 节 教 学 内 容 提 纲 及 要 求 第五章 数控检测装置 第四节 光栅 一、光栅的结构和工作原理 了解光栅的结构；理解光栅的工 作原理 二、光栅位移－数字变换电路 第五节 磁栅 一、磁栅的结构和工作原理 了解磁栅的结构和应用场合；理 解磁栅的工作原理 二、磁栅的应用 第六节 光电脉冲编码器 一、光电脉冲编码器的结构和工作原理 了解光电脉冲编码器的结构和应 用场合；理解光电脉冲编码器的 二、光点脉冲编码器的应用 工作原理 重 点 光栅的工作原理； 光电脉冲编码器的工作原理。 教学实施手段 效果记录 课堂讲授 √ 课堂讨论 √ 现场示教 小结讲评 难 点 光栅的工作原理； 磁栅的工作原理； 光电脉冲编码器的工作原理。 其 它 教具 CAI，黑板 推 荐 参 考 书 陈德道主编.数控技术及应用.北京: 国防工业出版社,2009 董玉红主编.机床数控技术.哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社,2003 教 学 后 记
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 二、讲稿 第五章 数控检测装置 第四节 光栖 、光橱的结构和工作原理 光栅是一种最常见的测量装置，具有桔度高、响应速度快等优点，是非接触式直接测量。光相 利用光学原理进行工作，按形状分为圆光栅和长光栅。圆光栅用于角位移的检测，长光栅用于直线 位移的检测。光栅的检测精度较高，可达1um以上。 光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件，主要由光栅尺（包括标尺光栅和指示光 栅)和光栅读数头两部分组成，如图5.6所示。通常，标尺光栅固定在机床的运动部件〈如工作台 上，两者随若工作台的移动而相及 代 当安装光 、要严格保证标尺光和指示光的平行度设两者艺的调堡 或 1光源2透镜：3标尺无：4示光：5光锁元件：个动电路 理真空镀膜的方法光刻均匀密集线纹的透明玻璃片或长条形金属镜心线 这些线相方平 称此 为光栅 2 的基本 若直径轻为7 直径为110mm,则一周内刻线达600-1024条，甚至更高。同- 个光元件，其标尺光播和指示光 栅的线纹密度必须相同。 光栅读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成，如图5.6所示。读数头的光 源一般采用白炽灯泡。白炽灯泡发出的辐射光线经过透镜后变成平行光束，照射在光栅上。光敏元 件是一种将光强信号转换为电信号的光电转换元件，它接收透过光栅尺的光强信号，并将其转换成 与之成比例的电压信号。由于光敏元件产生的电压信号一般比较微弱，在长距离传送时很容易被名 功率和电压放大的线路。 77 图5.7光概的工作原理 【线垂如果将指示光橘在其自身的平面内转甜 个很小的角度B,使两块光橱的刻线相交，当平行光 几何关系如图57所 '当小时英尔条纹的节距为 兰州交通大学机电工程学院
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 兰州交通大学机电工程学院 2 二、讲稿 第五章 数控检测装置 第四节 光栅 一、光栅的结构和工作原理 光栅是一种最常见的测量装置，具有精度高、响应速度快等优点，是非接触式直接测量。光栅 利用光学原理进行工作，按形状分为圆光栅和长光栅。圆光栅用于角位移的检测，长光栅用于直线 位移的检测。光栅的检测精度较高，可达 1um 以上。 光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件，主要由光栅尺（包括标尺光栅和指示光 栅）和光栅读数头两部分组成，如图 5.6 所示。通常，标尺光栅固定在机床的运动部件（如工作台 或丝杠）上，光栅读数头安装在机床的固定部件（如机床底座）上，两者随着工作台的移动而相对 移动。在光栅读数头中，安装着一个指示光栅，当光栅读数头相对于标尺光栅移动时，指示光栅便 在标尺光栅上移动。当安装光栅时，要严格保证标尺光栅和指示光栅的平行度以及两者之间的间隙 （一般取 0.05mm 或 0.1mm）要求。 1-光源；2-透镜；3-标尺光栅；4-指示光栅；5-光敏元件；6-驱动电路 图 5.6 光栅读数头 光栅尺是用真空镀膜的方法光刻上均匀密集线纹的透明玻璃片或长条形金属镜面。对于长广栅， 这些线纹相互平行，各线纹之间的距离相等，称此距离为光栅距。对于圆光栅，这些线纹是等栅距 角的向心条纹。栅距和栅角是决定光栅光学性质的基本参数。常见的长光栅的线纹密度为 25 条/mm、 50 条/mm、100 条/mm、250 条/mm。对于圆光栅，若直径为 70mm，则一周内刻线 100~768 条；若 直径为 110mm，则一周内刻线达 600~1024 条，甚至更高。同一个光栅元件，其标尺光栅和指示光 栅的线纹密度必须相同。 光栅读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成，如图 5.6 所示。读数头的光 源一般采用白炽灯泡。白炽灯泡发出的辐射光线经过透镜后变成平行光束，照射在光栅上。光敏元 件是一种将光强信号转换为电信号的光电转换元件，它接收透过光栅尺的光强信号，并将其转换成 与之成比例的电压信号。由于光敏元件产生的电压信号一般比较微弱，在长距离传送时很容易被各 种干扰信号所淹没、覆盖，造成传送失真。为了保证光敏元件输出的信号在传送中不失真，应首先 将该电压信号进行功率和电压放大，然后再进行传送。驱动线路就是实现对光敏元件输出信号进行 功率和电压放大的线路。 图 5.7 光栅的工作原理 如果将指示光栅在其自身的平面内转过一个很小的角度β，使两块光栅的刻线相交，当平行光 线垂直照射标尺光栅时，则在相交区域出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为莫尔条纹。由于 两块光栅的刻线密度相等，即栅距λ相等，使产生的莫尔条纹的方向与光栅刻线方向大致垂直，其 几何关系如图 5.7b 所示。当β很小时，莫尔条纹的节距为
数控技术及应用数案及讲癌 上部分：数控技术及编程 =入/B 这表明，莫尔条纹的节距是栅距的/B倍。当标尺光栅移动时，莫尔条纹就沿与光橱移动方向垂直 对应。因此，只要读出移过莫尔条纹的数 时是已知的，所以光的移动距离可以道过光电检测系统对移过的英尔条纹进行计数、处清 可知迫光移 多少 a 光栅的刻线为100条，即栅距为0.01 清晰可见。所以莫尔条纹 时，人们是无法用肉眼来分辨的，但它的莫尔条纹却 种简单的 -0.01mm,p=5mm,则其放大倍数为1/B=p15O0倍。这种放大特点是莫尔条纹系统的独具特性。 莫尔条纹还具有平均误差的特性 、光橱位移一数字变换电路 光栅测量系统的组成示意图如图5.8所示。光橱移动时产生的莫尔条纹由光电元件接受，然后 经过位移数字变换电路形成顺时针方向的正向脉冲或者反时钟方向的反向脉冲，输入可逆计数器。 下面将介绍这种四倍频细分电路的工作原理，并给出其波形图。 a b 分做大形 c 光电元件 图58光测量系统组成示意图 微分4 A 1A' 反相版分 .D a 一分9 老动大-整形 相做分 兰州交通大学机电工程学院
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 兰州交通大学机电工程学院 3 p=λ/β 这表明，莫尔条纹的节距是栅距的 1/β倍。当标尺光栅移动时，莫尔条纹就沿与光栅移动方向垂直 的方向移动。当光栅移动一个栅距时，莫尔条纹就相应准确地移动一个节距 p，也就是说，两者一 一对应。因此，只要读出移过莫尔条纹的数目，就可知道光栅移过了多少个栅距。而栅距在制造光 栅时是已知的，所以光栅的移动距离就可以通过光电检测系统对移过的莫尔条纹进行计数、处理后 自动测量出来。 光栅的刻线为 100 条，即栅距为 0.01mm 时，人们是无法用肉眼来分辨的，但它的莫尔条纹却 清晰可见。所以莫尔条纹是一种简单的放大机构，其放大倍数取决于两光栅刻线的交角β，如λ =0.01mm，p =5mm，则其放大倍数为 1/β=p/λ=500 倍。这种放大特点是莫尔条纹系统的独具特性。 莫尔条纹还具有平均误差的特性。 二、光栅位移－数字变换电路 光栅测量系统的组成示意图如图 5.8 所示。光栅移动时产生的莫尔条纹由光电元件接受，然后 经过位移数字变换电路形成顺时针方向的正向脉冲或者反时钟方向的反向脉冲，输入可逆计数器。 下面将介绍这种四倍频细分电路的工作原理，并给出其波形图。 图 5.8 光栅测量系统组成示意图 a)
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 国5中的b、。d是四块硅光申池，产生的管号在相位上被此相美90度。、b信号是相， 位相差180度的两个信号，送入差动放大电器放大，得到正弦信号。将信号幅度放大到足够大。同 理c、d信号送入另一个差动放大器，得到余弦信号。正弦、余弦信号经整形变成方波A和B,A和 B信号经反相得到C和D信号，A、B、C、D信号再经微分变成窄脉神A、B、C、D,即在顺 时针时针赶全南波的 生脉冲，如图5.9b所示。由与门电路把0度90度、180度、270 度四个位置 据不同的 路以计数 20 制作光栅的材料通常有玻璃和金属镜面 为透射光栅」 后者利用反射原理 两种。前者利用光的透射原理，称 为反射光拥 白玻 材料费很低。但玻璃的膨胀系数与钢材不同，会产生较大的温度误差。选用膨胀系数与钢材近似的 光学玻璃可克服上述缺点，但长度只能为250mm左右，这样就需要接长，带来不便。不锈钢制作的 光栅可达同样目的，不易损坏，长度可达1m,若制成带状可达数米。 第五节 磁栅 磁摄的结构和工作原理 磁栅又称磁尺，是一种录有等节距磁化信号的碰性标尺或磁盘，其录磁和拾磁原理与普通磁带 相似。在检测过程中，磁头读取磁性标尺上的磁化信号并把它转换成电信号，然后通过检测电路将 磁头相对于磁性标尺的位置送入计算机或数显装置。 磁栅按磁性标尺基体的形状可分为平面实体型磁橱、带状磁桶、线状磁橱和圆形磁橱，前三中 用于直线位移测量，后一种用于角位移测量 图5.10所示为磁栅结构框图，它由磁性标尺、磁头和检测电路组成。 显示 推标尺常采用不号材基体，面0m厚的高号德材料，形成均匀理展。 再用录磁磁头在尺上记录相等的周期性磁化信号，用以作为测量基准，信号可为正弦波、方波等， 节距通常为0.05um、0.1um、0.2um、1m等几种：最后在磁尺表面涂上一层1~2um厚的保护层，以 防磁头与磁尺频繁接触而形成磁膜磨损。 拾磁磁头是一种磁电转换器，用来把磁尺上的磁化信号检测出来变成电信号送给检测电路。拾 兰州交通大学机电工程学院 4
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 兰州交通大学机电工程学院 4 b) 图 5.9 四倍频电路波形图 图 5.9a 中的 a、b、c、d 是四块硅光电池，产生的信号在相位上彼此相差 90 度。a、b 信号是相 位相差 180 度的两个信号，送入差动放大电器放大 ，得到正弦信号。将信号幅度放大到足够大。同 理 c、d 信号送入另一个差动放大器，得到余弦信号。正弦、余弦信号经整形变成方波 A 和 B，A 和 B 信号经反相得到 C 和 D 信号， A、B、C、D 信号再经微分变成窄脉冲 A1、B 1、C 1、D1，即在顺 时针或反时针每个方波的上升沿产生脉冲，如图 5.9b 所示。由与门电路把 0 度、90 度、180 度、270 度四个位置上产生的窄脉冲组合起来，根据不同的移动方向形成正向脉冲或反向脉冲，用可逆计数 器进行计数，就可测量出光栅的实际位移。在光栅位移－数字变换电路中，除上面介绍的四倍频电 路以外，还有 10 倍频、20 倍频电路等，在此不做具体介绍。 在实际数控应用中，制作光栅的材料通常有玻璃和金属镜面两种。前者利用光的透射原理，称 为透射光栅。后者利用反射原理，称为反射光栅。透射光栅是用普通白玻璃制作，长度可达 2m，故 材料费很低。但玻璃的膨胀系数与钢材不同，会产生较大的温度误差。选用膨胀系数与钢材近似的 光学玻璃可克服上述缺点，但长度只能为 250mm 左右，这样就需要接长，带来不便。不锈钢制作的 光栅可达同样目的，不易损坏，长度可达 1m，若制成带状可达数米。 第五节 磁栅 一、 磁栅的结构和工作原理 磁栅又称磁尺，是一种录有等节距磁化信号的磁性标尺或磁盘，其录磁和拾磁原理与普通磁带 相似。在检测过程中，磁头读取磁性标尺上的磁化信号并把它转换成电信号，然后通过检测电路将 磁头相对于磁性标尺的位置送入计算机或数显装置。 磁栅按磁性标尺基体的形状可分为平面实体型磁栅、带状磁栅、线状磁栅和圆形磁栅，前三中 用于直线位移测量，后一种用于角位移测量。 图 5.10 所示为磁栅结构框图，它由磁性标尺、磁头和检测电路组成。 图 5.10 磁栅结构框图 磁性标尺常采用不导磁材料做基体，在上面镀上一层 10~30um 厚的高导磁材料，形成均匀磁膜； 再用录磁磁头在尺上记录相等的周期性磁化信号，用以作为测量基准，信号可为正弦波、方波等， 节距通常为 0.05um、0.1um、0.2um、1um 等几种；最后在磁尺表面涂上一层 1~2um 厚的保护层，以 防磁头与磁尺频繁接触而形成磁膜磨损。 拾磁磁头是一种磁电转换器，用来把磁尺上的磁化信号检测出来变成电信号送给检测电路。拾
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 磁头可分为动态碰头与静态磁头。 动态磁头又称为速度响应型磁头，它只有一组输出绕组，所以只有当磁头和磁尺有一定相对速 度时才能读取磁化信号，并有电压信号输出。这种磁头用于录音机、磁带机的拾磁磁头，不能用于 测量位移。 于静止时亦能测量位移 和铁芯的磁性调制的原理。静态磁头可分为单破 励磁电流在 两次出现峰值。对应的开关通断各两 6的 间内，输出线圈中交链磁通量中。二，0：磁路由断到通的时间内，输出线圈中交链通量由0一， ,由破性标尺中磁信号决定，由此可见输出线圈中输出的是一个调幅信号。 Use-U cos(2xd/P)sin ot 式中，Ue 输出线圈中输出感应电势 U。一一输出感应电势的峰值 磁性标尺的节站 一头对标尺的细 感应电 动势的 输出信号的 的函数只要测 际上总是将几十个磁头设定方式标 隙磁头使 为了辨别磁头移动方向，通常采用间距为(+1/4) 的两组磁头(=1,2,3，…)，并使两组磁头 的励磁电流相位相差45度，这样两组磁头输出电势信号相位相差90度。 第一组磁头输出信号如果是 Ue=Ucos2πdP)sint 则第二组磁头输出的信号必是 U=Um sin(2xd/P)sin wt 磁栅的应用 根据检测方法的不同，磁桶应用也可以分为幅值检测和相位检测两种。通常，相位检测应用较 多 相位检测时，在二组磁头A、B的励磁绕组中通以同频率、同相位、同幅值的励磁电流 取磁尺上某N极点为起点，若A磁头离开该N极点的距离为d,则A、B磁头上拾磁绕组输出 的感应电势分别为 =I sin ot sin(2d/p) U=U sin wt cos2ad/P 式中，6一一励磁电流的幅值 0m 头输出电k值 电动势的频 即将 到的 移相2，得到Ue'-U cos1sm(2adP)。如果 =Un cos wt sin(2zd/P)+Um sin wI cos(2d/P) =U sin oI+27d/P) 从上式可以看出，这和旋转变压器、感应同步器的鉴相方式应用一样，调制相位就可以得到 位移d的大小 磁栅位置检测装置具有以下特点 伤化标测 较简单 抹去就可重新录制不会损 机庆 差省去为此加的标尺校正装置，在大 型数控机庆 的安装溪 3.对使用环境的要求较低 精度对电蓝场的抗干扰能力较强。 兰州交通大学机电工程学院
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 兰州交通大学机电工程学院 5 磁头可分为动态磁头与静态磁头。 动态磁头又称为速度响应型磁头，它只有一组输出绕组，所以只有当磁头和磁尺有一定相对速 度时才能读取磁化信号，并有电压信号输出。这种磁头用于录音机、磁带机的拾磁磁头，不能用于 测量位移。 由于用于位置检测用的磁栅要求磁尺与磁头相对运动速度很低或处于静止时亦能测量位移或位 置，所以应采用静态磁头。静态磁头又称磁通响应型磁头，它在普通动态磁头上加有带励磁线圈的 可饱和铁芯，从而利用了可饱和铁芯的磁性调制的原理。静态磁头可分为单磁头、双磁头和多磁头。 励磁电流在一个周期内两次过零、两次出现峰值。对应的开关通断各两次。磁路由通到断的时 间内，输出线圈中交链磁通量Ф0→0；磁路由断到通的时间内，输出线圈中交链磁通量由 0→Ф0。 Ф0 由磁性标尺中磁信号决定，由此可见输出线圈中输出的是一个调幅信号。 Usc= Um cos(2πd/P)sinωt 式中，Usc——输出线圈中输出感应电势 Um——输出感应电势的峰值 P——磁性标尺的节距 d——磁头对磁性标尺的位移量 ω——输出线圈感应电动势的频率 又上式可见，磁头输出信号的幅值是位移 d 的函数。只要测出 Usc过 0 次数，就可知道 d 的大小。 使用单个磁头输出信号小，而且对磁性标尺上磁化信号的节距和波形要求也比较高。所以，实 际上总是将几十个磁头以一定方式串联构成多间隙磁头使用。 为了辨别磁头移动方向，通常采用间距为（n+1/4）p 的两组磁头（n=1,2,3,…），并使两组磁头 的励磁电流相位相差 45 度，这样两组磁头输出电势信号相位相差 90 度。 第一组磁头输出信号如果是 Usc1= Um cos(2πd/P)sinωt 则第二组磁头输出的信号必是 Usc2= Um sin(2πd/P)sinωt 二、 磁栅的应用 根据检测方法的不同，磁栅应用也可以分为幅值检测和相位检测两种。通常，相位检测应用较 多。 相位检测时，在二组磁头 A、B 的励磁绕组中通以同频率、同相位、同幅值的励磁电流 ia= ib= I0 sin(ωt/2) 取磁尺上某 N 极点为起点，若 A 磁头离开该 N 极点的距离为 d，则 A、B 磁头上拾磁绕组输出 的感应电势分别为 Usc1= Um sinωt sin(2πd/P) Usc2= Um sinωt cos(2πd/P) 式中，I0——励磁电流的幅值 Um——磁头输出电压幅值 ω——输出感应电动势的频率 把磁头 A 输出的感应电势 Usc1 中的信号 Um sinωt 移相 π/2，得到 Usc1 1= Um cosωt sin(2πd/P)。如果 在求和电路中，即将 Usc1 1 和 Usc2 相加，得到总的输出 Usc1= Usc1 1+ Usc2 = Um cosωt sin(2πd/P) + Um sinωt cos(2πd/P) = Um sin(ωt +2πd/P) 从上式可以看出，这和旋转变压器、感应同步器的鉴相方式应用一样，调制相位θ就可以得到 位移 d 的大小。 磁栅位置检测装置具有以下特点： 1．作为测量基准的磁性标尺制造比较简单，而且只要将原来磁化信号抹去就可重新录制不会损 伤磁化标尺，且激光录磁可以得到较高精度。其分辨率可以高达 1um，测量长度达 9m； 2．在机床录制磁性标尺，可以消除磁性标尺的安装误差，省去为此附加的标尺校正装置，在大 型数控机床和精密机床上采用对保护位置检测精度更为有利； 3．对使用环境的要求较低，不受油污影响，对周围电磁场的抗干扰能力较强
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 第六节 光电脉冲编码器 、光电脉冲编码器的结构和工作原理 检测装置 油数来区分 5和00黄，理在豆有传转爱应用南分辨幸的脉中编 冲编码器有2000Ph、2500 字伺服系 码器装置内部采用了微处理器。 234 1光源：2-周光栅：3指示光栅： 5连接法兰：7-防护罩：8电路板 图5.1光电脉冲编码器的结构组成示意图 光电脉冲编码器的结构如图5所示，在一个圆盘的圆周 不透明的部 上刻有相等间距的线纹，分为透明利 有大下机墨味冲奉的板要 锋 节距即 石t 下面介绍光电编码器的工作 线透过两个光栅的线纹部分 形成明 相间的蛋号人和B,如国之紫人名 的 电流位 A肤冲用 来产生机床的基准点 称为乙相脉冲，该脉冲也是通过上述处理得 冲编码器输出信号有A、A、B、B、乙、Z等信号，这些信号作为位移测量脉冲，并经过频 率一电压变换作为速度反馈信号，进行速度调节。 二、光点脉冲编码器的应用 光电编码器在数控机床上用于数字比较的伺服系统中作为位置检测装置，将检测信号反馈给数 控装 电脉冲编码器将位置检测信号反位 给CNC装置有两种方式：一种是适应带加减计数要求的可 逆计数 十数脉冲和减计数脉冲。另一种是适应有计数控制和计数要求的计数器，形成方 魅种位用方式为例，通过给出该方式的电路图（图51a)和波形图图513b】 来简要介绍作应 与非 作过曲穷信号，入正走时为反走时为由与非打缩 计数脉冲 正走时，A脉冲超前B脉冲，D门在A信号控制下，将B脉冲上升沿微分作为计数脉冲反向输 出，为负脉冲。该脉冲经与非门3变为正向计数脉冲输出。D门输出的负脉冲同时又将触发器置为 “0”状态，Q端输出“0”，作为正走方向控制信号。 兰州交通大学机电工程学院 6
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 兰州交通大学机电工程学院 6 第六节 光电脉冲编码器 一、光电脉冲编码器的结构和工作原理 脉冲编码器是一种增量检测装置，它的型号由每转发出的脉冲数来区分。数控机床上常用的脉 冲编码器有 2000P/r、2500P/r、3000P/r 等，在高速、高精度数字伺服系统中应用高分辨率的脉冲编 码器，如 20000P/r、25000P/r 和 30000P/r 等，现在已有使用每转发 10 万个脉冲的脉冲编码器，该编 码器装置内部采用了微处理器。 1-光源；2-圆光栅；3-指示光栅；4-光敏元件；5-轴；6-连接法兰；7-防护罩；8-电路板 图 5.11 光电脉冲编码器的结构组成示意图 光电脉冲编码器的结构如图 5.11 所示。在一个圆盘的圆周上刻有相等间距的线纹，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。与圆光栅相对平行地放置一个固定的扇形 薄片，称为指示光栅，上面刻有相差 1/4 节距的两个狭缝（在同一圆周上，称为辩向狭缝）。此外还 有一个零位狭缝（一转发出一个脉冲）。脉冲编码器通过十字连接头或键与伺服电动机相连，它的法 兰盘固定在电动机端面上，罩上防护罩，构成一个完整的检测装置。 图 5.12 脉冲编码器输出的波形 下面介绍光电编码器的工作原理。当圆光栅旋转时，光线透过两个光栅的线纹部分，形成明暗 相间的条纹。光电元件接收这些明暗相间的光信号，并转换为交替变化的电信号。该信号为两路近 似于正弦波的电流信号 A 和 B，如图 5.12 所示。A 和 B 信号相位相差 90 度，经放大和整形变成方 波。通过光栅的两个电流信号，还有一个“一转脉冲”，称为 Z 相脉冲，该脉冲也是通过上述处理得 来的。A 脉冲用来产生机床的基准点。 脉冲编码器输出信号有 A、A1、B、B 1、Z、Z 1 等信号，这些信号作为位移测量脉冲，并经过频 率—电压变换作为速度反馈信号，进行速度调节。 二、光点脉冲编码器的应用 光电编码器在数控机床上用于数字比较的伺服系统中作为位置检测装置，将检测信号反馈给数 控装置。 光电脉冲编码器将位置检测信号反馈给 CNC 装置有两种方式：一种是适应带加减计数要求的可 逆计数器，形成加计数脉冲和减计数脉冲。另一种是适应有计数控制和计数要求的计数器，形成方 向控制信号和计数脉冲。 在此，仅以第二种应用方式为例，通过给出该方式的电路图（图 5.13a）和波形图（图 5.13b） 来简要介绍其工作过程。脉冲编码器的输出信号 A、A1、B、B 1 经差分、微分、与非门 C 和 D，由 RS 触发器（由 1、2 与非门组成）输出方向信号，正走时为“0”，反走时为“1”。由与非门 3 输出 计数脉冲。 正走时，A 脉冲超前 B 脉冲，D 门在 A 信号控制下，将 B 脉冲上升沿微分作为计数脉冲反向输 出，为负脉冲。该脉冲经与非门 3 变为正向计数脉冲输出。D 门输出的负脉冲同时又将触发器置为 “0”状态，Q 端输出“0”，作为正走方向控制信号
数控技术及应用数案及讲癌 上部分：数控技术及编程 圆圆四包 E脉冲 PPP 南电甲 、 高电 图513脉冲码器的应用 反走时，B脉冲超前A脉冲。这时，由C门输出反走时的负计数脉冲，该负脉冲也由3门反问 输出作为反走时计数脉冲。不论正走、反走，与非门3都为计数脉冲输出门。反走时，C门输出的 负脉冲使触发器置 “1作为反走时方向控制信号 脉冲编码器在 上的应用 要有 下儿种情 在 作端 数 架的 直线付 多的 量 麦编码器后， 的主轴准停和 车削螺纹时的进刀点和退刀点的定位： 4.在交流伺服电动机中的光电脉冲编码器可以检测电动机转子磁极相对于定子绕组的角度位 置，控制电动机的运转，并通过频率电压转换电路，提供速度反馈信号： 光电脉冲编码器可作为手动位置检测装置，即手摇脉冲发生器，用于慢速对刀和手动调整 机床。 兰州交通大学机电工程学院
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 兰州交通大学机电工程学院 7 a) b) 图 5.13 脉冲编码器的应用 反走时，B 脉冲超前 A 脉冲。这时，由 C 门输出反走时的负计数脉冲，该负脉冲也由 3 门反问 输出作为反走时计数脉冲。不论正走、反走，与非门 3 都为计数脉冲输出门。反走时，C 门输出的 负脉冲使触发器置“1”，作为反走时方向控制信号。 脉冲编码器在数控机床上的应用主要有以下几种情况： 1． 光电式脉冲编码器在数控机床中可用于工作台或刀架的直线位移的测量； 2．在数控回转工作台中，通过在回转轴末端安装编码器，可直接测量回转台的角位移； 3． 在数控车床的主轴上安装编码器后，可实现 C 轴控制，用以控制自动换刀时的主轴准停和 车削螺纹时的进刀点和退刀点的定位； 4． 在交流伺服电动机中的光电脉冲编码器可以检测电动机转子磁极相对于定子绕组的角度位 置，控制电动机的运转，并通过频率电压转换电路，提供速度反馈信号； 5． 光电脉冲编码器可作为手动位置检测装置，即手摇脉冲发生器，用于慢速对刀和手动调整 机床