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文檔簡(jiǎn)介

機(jī)、電類(lèi)

《傳感器與檢測(cè)技術(shù)項(xiàng)目教程》

模塊十、數(shù)字式位移檢測(cè)(上)課件

本模塊介紹“數(shù)字式位移傳感器”的基本概念、大位移的測(cè)量方法、角編碼器、光柵傳感器、磁柵傳感器、容柵傳感器,并討論了它們?cè)谥本€(xiàn)位移和角位移精密測(cè)量以及機(jī)床位置控制中的應(yīng)用。還介紹了電梯平層的要求及方法。內(nèi)容簡(jiǎn)介今天是:17十月2023模塊十、數(shù)字式位移檢測(cè)(上)目錄進(jìn)入進(jìn)入進(jìn)入進(jìn)入知識(shí)鏈接位置檢測(cè)方式項(xiàng)目一、角編碼器項(xiàng)目二、光柵傳感器項(xiàng)目三、磁柵傳感器項(xiàng)目四、容柵傳感器拓展閱讀電梯平層現(xiàn)在時(shí)間是:14:54進(jìn)入知識(shí)鏈接位置檢測(cè)方式位置測(cè)量主要是指直線(xiàn)位移和角位移的精密測(cè)量。數(shù)字式位置傳感器按測(cè)量方式有直接測(cè)量和間接測(cè)量之分;按測(cè)量原理分,有增量式測(cè)量和絕對(duì)式測(cè)量之分。一、直接測(cè)量和間接測(cè)量若位置傳感器所測(cè)量的對(duì)象就是被測(cè)量本身,即:直線(xiàn)式傳感器直接測(cè)量直線(xiàn)位移,旋轉(zhuǎn)式傳感器直接測(cè)量角位移,則該測(cè)量方式為直接測(cè)量。例如用長(zhǎng)光柵和長(zhǎng)磁柵測(cè)量直線(xiàn)位移等。若旋轉(zhuǎn)式位置傳感器測(cè)量的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)只是被測(cè)量的中間值,再由測(cè)量結(jié)果推算出與之關(guān)聯(lián)的運(yùn)動(dòng)部件的直線(xiàn)位移,則該測(cè)量方式屬于間接測(cè)量。例如用角編碼器測(cè)量出機(jī)械絲杠的旋轉(zhuǎn)角度,再計(jì)算絲杠上的螺母的直線(xiàn)位移。圖10-1

直接測(cè)量和間接測(cè)量示意圖a)直接測(cè)量

b)間接測(cè)量1-導(dǎo)軌2-運(yùn)動(dòng)部件3-直線(xiàn)式位置傳感器的隨動(dòng)部件4-直線(xiàn)式位置傳感器的固定部件5-旋轉(zhuǎn)式位置傳感器

6-絲杠-螺母副

7-電動(dòng)機(jī)7直接測(cè)量

示意圖光柵讀數(shù)頭

光柵尺

隨動(dòng)刀具8間接測(cè)量示意圖

隨動(dòng)刀具直接測(cè)量回轉(zhuǎn)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)θ利用角位移傳感器直接測(cè)量工作臺(tái)的角位移直接利用數(shù)字式直線(xiàn)位移傳感器

測(cè)量直線(xiàn)加工機(jī)床的直線(xiàn)位移量直接測(cè)量不會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換誤差+x工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向光柵間接測(cè)量

在間接測(cè)量中,多使用旋轉(zhuǎn)式位置傳感器。測(cè)量到的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)僅僅是中間值,但可由這中間值再推算出與之關(guān)聯(lián)的移動(dòng)部件的直線(xiàn)位移。

間接測(cè)量須使用絲杠-螺母副、齒輪-齒條副等傳動(dòng)機(jī)構(gòu),將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。工作臺(tái)絲杠編碼器進(jìn)給電動(dòng)機(jī)(伺服或步進(jìn))θ

x齒輪-齒條副的位移轉(zhuǎn)換演示

.

例:設(shè)齒輪的分度圓直徑為200mm,齒數(shù)z=100,傳感器測(cè)得齒輪轉(zhuǎn)過(guò)了

θ=180度。求:1)所轉(zhuǎn)過(guò)的齒數(shù)N;2)齒條的齒距t;3)齒條所移動(dòng)的距離x。齒輪齒條θ

-x齒條為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),齒輪作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

+x解:1)所轉(zhuǎn)過(guò)的齒數(shù)N=(z÷360o)×θ

=(100/360o)×180o

=50

2)齒條的齒距

t=πD/z=6.28mm;3)齒條所移動(dòng)的距離x=N

t=50×6.28=314mm.測(cè)出齒輪的角位移,就可測(cè)得齒條的直線(xiàn)位移D傳動(dòng)機(jī)構(gòu)滾珠絲杠-螺母副、齒輪-齒條副等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠?qū)⑿D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。但應(yīng)設(shè)法消除傳導(dǎo)過(guò)程產(chǎn)生的間隙誤差。齒距t齒條齒輪θ

x滾珠絲杠螺母副滾珠絲杠-螺母副能夠減小傳動(dòng)磨檫力,延長(zhǎng)使用壽命,減小間隙誤差。螺母絲杠xθ

平均螺距誤差大于10μm傳動(dòng)分析

設(shè):螺距t=4mm,絲杠在4s時(shí)間里轉(zhuǎn)動(dòng)了10圈,求:絲杠的平均轉(zhuǎn)速n(r/min)及螺母移動(dòng)了多少毫米?螺母的平均速度v又為多少?滾珠螺母絲杠螺距t=4mmxN=10圈時(shí),θ=?度θx=?mm

齒輪-齒條副、螺母絲桿副等直線(xiàn)-旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換設(shè)備均存在間隙誤差,特別是從正轉(zhuǎn)切換到反轉(zhuǎn)時(shí),間隙將導(dǎo)致測(cè)量死區(qū),必須予以補(bǔ)償。例10-1

若絲杠的螺距t

=6.00mm(當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)一圈360°時(shí),“單線(xiàn)螺母”或“單頭螺母”移動(dòng)的直線(xiàn)距離為6.00mm),旋轉(zhuǎn)式位置傳感器測(cè)得絲杠的旋轉(zhuǎn)角度θ為7290°,求螺母的直線(xiàn)位移x。解

螺母的直線(xiàn)位移x=(7290o/360o)×6mm

=121.50mm1-導(dǎo)軌2-運(yùn)動(dòng)部件5-旋轉(zhuǎn)式位置傳感器

6-絲杠-螺母副

7-電動(dòng)機(jī)【絲杠-螺母副位移轉(zhuǎn)換填表訓(xùn)練】絲杠-螺母副(單線(xiàn))在10s時(shí)間里運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)如下,請(qǐng)分析、填空(最少保留三位有效數(shù)字)螺母的螺距t

/mm2(細(xì)牙)6(粗牙)絲杠的旋轉(zhuǎn)角度θ/°180360-90①-10003600絲杠轉(zhuǎn)速/r·min-16.00-1.67螺母的位移x/mm-1.006.00螺母的線(xiàn)速度v/m·min-100.060-0.0300.360表10-1

數(shù)字式位置檢測(cè)傳感器的

分類(lèi)及特點(diǎn)種類(lèi)工作原理測(cè)量范圍最高分辨力特點(diǎn)球柵尺線(xiàn)圈與鋼球感應(yīng)10m5μm價(jià)廉,全密封;模擬輸出信號(hào)易受干擾;可用于直線(xiàn)位移測(cè)量接觸編碼器接觸電位360o5.6o價(jià)廉;碼道數(shù)小于6;易磨損,適合于靜態(tài)測(cè)量光電編碼器光電效應(yīng)360o×40960.3'分辨力較高,響應(yīng)頻率快;適合于普通機(jī)床等的角位移測(cè)量或轉(zhuǎn)速測(cè)量長(zhǎng)光柵光電效應(yīng)3m1μm準(zhǔn)確度和分辨力高;易折斷;用于直線(xiàn)位移的精密測(cè)量圓光柵光電效應(yīng)360o0.1'分辨力高;適合于精密機(jī)床等要求較高的角位移測(cè)量或轉(zhuǎn)速測(cè)量長(zhǎng)磁柵磁電感應(yīng)30m5μm磁柵尺可以按需要剪裁,安裝簡(jiǎn)便,可用于大量程位移測(cè)量表10-1

數(shù)字式位置檢測(cè)傳感器的

分類(lèi)及特點(diǎn)(續(xù))種類(lèi)工作原理測(cè)量范圍最高分辨力特點(diǎn)圓磁柵磁電感應(yīng)360o1'適合于普通機(jī)床等的角位移測(cè)量或轉(zhuǎn)速測(cè)量直線(xiàn)容柵靜電感應(yīng)20010μm價(jià)廉;分辨力不高,響應(yīng)頻率慢;可用于百分尺、千分尺、標(biāo)高尺等圓容柵靜電感應(yīng)360o0.6o價(jià)廉;分辨力較高,響應(yīng)頻率慢;可用于百分表、千分表等磁阻式角編碼器磁阻效應(yīng)360o×40960.35o價(jià)廉;碼道數(shù)小于10;適用于要求不高的角位移測(cè)量二、增量式測(cè)量與絕對(duì)式測(cè)量(1)增量式測(cè)量:運(yùn)動(dòng)部件每移動(dòng)一個(gè)基本長(zhǎng)度單位,位置傳感器便發(fā)出一個(gè)輸出脈沖。一個(gè)脈沖所代表的基本長(zhǎng)度單位就是分辨力。計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),便可得到位移量。光源(1)增量式測(cè)量(續(xù))例10-2

在圖10-1a中,若增量式測(cè)量系統(tǒng)的每個(gè)脈沖代表0.01mm,在10s時(shí)間里,長(zhǎng)光柵傳感器發(fā)出2000個(gè)脈沖,求:1)工作臺(tái)的直線(xiàn)位移x(機(jī)床行業(yè)習(xí)慣使用的單位為:mm)。2)運(yùn)動(dòng)速度v(機(jī)床行業(yè)習(xí)慣使用的單位為:m/min)。解

1)根據(jù)題意,工作臺(tái)每移動(dòng)0.01mm,長(zhǎng)光柵傳感器便發(fā)出1個(gè)脈沖,計(jì)數(shù)器就加1或減1。當(dāng)計(jì)數(shù)值為2000時(shí),工作臺(tái)移動(dòng)了x

=2000×0.01mm

=20.0mm。2)v=x/t=20.0mm/(10s)=2.00mm/s=0.12m/min。增量式位置傳感器必須有一個(gè)零位標(biāo)志,作為測(cè)量起點(diǎn)的零位標(biāo)志。典型的增量式位置傳感器有增量式光電角編碼器、增量式光柵等。增量式傳感器工作原理分析在增量式測(cè)量中,移動(dòng)部件每移動(dòng)一個(gè)基本長(zhǎng)度單位,位置傳感器便發(fā)出一個(gè)測(cè)量信號(hào),此信號(hào)通常是脈沖形式。這樣,一個(gè)脈沖所代表的基本長(zhǎng)度單位就是分辨力,對(duì)脈沖計(jì)數(shù),便可得到位移量。增量式測(cè)量得到的脈沖波形(2)絕對(duì)式測(cè)量

每一被測(cè)點(diǎn)都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的編碼,常以二進(jìn)制數(shù)據(jù)形式來(lái)表示(例如:1010110010)。即使斷電之后再重新上電,也能讀出絕對(duì)式測(cè)量傳感器當(dāng)前位置的數(shù)據(jù)。典型的絕對(duì)式位置傳感器有絕對(duì)式角編碼器。項(xiàng)目一角編碼器項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)】?知識(shí)目標(biāo)1.了解接觸式角編碼器的原理與編碼方法。2.了解絕對(duì)式和增量式光電角編碼器的工作原理。?技能目標(biāo)1.掌握絕對(duì)式角編碼器的分辨率與分辨力的計(jì)算。2.掌握增量式角編碼器的分辨率與分辨力的計(jì)算。3.掌握增量式角編碼器的M法測(cè)速計(jì)算。任務(wù)一認(rèn)識(shí)角編碼器角編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式位置傳感器,它的轉(zhuǎn)軸通常與被測(cè)旋轉(zhuǎn)軸連接,隨被測(cè)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。角編碼器能將被測(cè)軸的角位移轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制編碼(絕對(duì)式角編碼器)或一串脈沖(增量式角編碼器)?;旌鲜浇蔷幋a器(不僅輸出格雷碼,同時(shí)還輸出增量式脈沖信號(hào)),可以同時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)子的空間位置與轉(zhuǎn)速。光柵板一、絕對(duì)式角編碼器

(將被測(cè)角度直接進(jìn)行編碼)根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測(cè)方式的不同,有接觸式、光電式、磁阻式等形式。常用的角編碼器是光電式。1.接觸式角編碼器的結(jié)構(gòu)在一個(gè)不導(dǎo)電基體上,制造出許多有規(guī)律的導(dǎo)電金屬區(qū),圖中的涂黑部分為導(dǎo)電區(qū),用電平“1”表示,其他部分為絕緣區(qū),用電平“0”表示。圖中的碼盤(pán)分成4個(gè)輸出碼道,在每個(gè)碼道上都有一個(gè)電刷,電刷經(jīng)取樣電阻R0~R3接地,信號(hào)從電阻的“熱端”(非接地端)取出。圖10-2

4位二進(jìn)制接觸式碼盤(pán)a)電刷在自然二進(jìn)制碼盤(pán)上的位置b)4位自然二進(jìn)制碼盤(pán)

c)4位格雷碼碼盤(pán)1-碼盤(pán)2-轉(zhuǎn)軸3-導(dǎo)電體4-絕緣體5-電刷6-激勵(lì)公用軌道(接電源正極)表10-24位十進(jìn)制數(shù)與

自然二進(jìn)制碼以及格雷碼的對(duì)照表十進(jìn)制數(shù)自然二進(jìn)制碼格雷碼十進(jìn)制數(shù)自然二進(jìn)制碼格雷碼000000000810001100100010001910011101200100011101010111130011001011101111104010001101211001010501010111131101101160110010114111010017011101001511111000絕對(duì)式編碼器(接觸式)演示4個(gè)電刷

4位二進(jìn)制碼盤(pán)

+5V輸入公共碼道

最小分辨角度為α=360o/2n

=360÷16=22.5o2.角編碼器的分辨力與分辨率二進(jìn)制的位數(shù)等于碼道的圈數(shù)(不包括最里面的公用軌道)。高位在內(nèi),低位在外。M位二進(jìn)制碼盤(pán)就有M圈碼道,且圓周被均分為2M個(gè)區(qū)域,分別表示不同的角度位置,所能分辨的角度α(即分辨力)為α=360o/2M

(10-1)分辨率=1/2M

(10-2)例10-3

求12碼道絕對(duì)式角編碼器的分辨力α。解

12碼道的絕對(duì)式角編碼器的圓周被均分為212=4096個(gè)位置數(shù),所以能分辨的角度:α=360o/212=5.27

2023/10/1731例10-3求12碼道的絕對(duì)式角編碼器的

分辨力α解

12碼道的絕對(duì)式角編碼器的圓周被均分為212=4096個(gè)位置數(shù),所以能分辨的角度α=360o/212=5.27

3.絕對(duì)式光電角編碼器的結(jié)構(gòu)圖10-3

絕對(duì)式光電角編碼器a)12碼道光電碼盤(pán)的平面結(jié)構(gòu)b)4碼道光電碼盤(pán)與光源、光敏元件的對(duì)應(yīng)關(guān)系c)外形絕對(duì)式光電編碼器結(jié)構(gòu)

a)光電碼盤(pán)的平面結(jié)構(gòu)(8碼道)b)光電碼盤(pán)與光源、光敏元件的對(duì)應(yīng)關(guān)系(4碼道)

高位低位光電式角編碼器的特點(diǎn)

碼盤(pán)由光學(xué)玻璃制成,其上刻有許多同心碼道,在玻璃上沉積很薄的刻線(xiàn),按一定規(guī)律排列的透光和不透光部分,即亮區(qū)和暗區(qū)。當(dāng)光源將光投射在碼盤(pán)上時(shí),通過(guò)亮區(qū)的光線(xiàn)由光敏元件接收。光敏元件的排列與碼道一一對(duì)應(yīng),對(duì)應(yīng)于亮區(qū)的光敏元件輸出為“1”,暗區(qū)的輸出為“0”。當(dāng)碼盤(pán)旋至不同位置時(shí),光敏元件輸出格雷碼,代表碼盤(pán)軸的角位移的大小。不銹鋼光電碼盤(pán)要玻璃碼盤(pán)抗振性好?,F(xiàn)在也采用透明樹(shù)脂片鍍膜刻蝕,強(qiáng)度比玻璃碼盤(pán)高。光電碼盤(pán)沒(méi)有接觸磨損,壽命長(zhǎng),允許轉(zhuǎn)速高。角編碼器信號(hào)輸出有并行輸出、串行輸出、總線(xiàn)型輸出等。由于并行信號(hào)連接線(xiàn)較多。高位數(shù)及多圈角編碼器多數(shù)采用串行或總線(xiàn)型輸出。光電脈沖角編碼器示意圖35放大、整形絕對(duì)式角編碼器

絕對(duì)式碼盤(pán)與增量式碼盤(pán)有何區(qū)別?10碼道光電絕對(duì)式碼盤(pán)

絕對(duì)式角編碼器按照角度直接進(jìn)行編碼。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測(cè)方式有接觸式、光電式、磁阻式等。透光區(qū)不透光區(qū)零位標(biāo)志絕對(duì)式測(cè)量角編碼器

每一個(gè)微小的角位移都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的編碼,常以二進(jìn)制數(shù)據(jù)形式來(lái)表示。在絕對(duì)式測(cè)量中,即使中途斷電,重新上電之后,當(dāng)前位置的二進(jìn)制編碼數(shù)據(jù)仍然不變。10θ絕對(duì)式角編碼器自然二進(jìn)制碼或格雷碼01其他角編碼器外形其他角編碼器外形(續(xù))其他角編碼器外形(續(xù))

拉線(xiàn)式角編碼器利用線(xiàn)輪,能將直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。E1050-14

絕對(duì)式

角編碼器的

特性參數(shù).位數(shù)14分辨力80"最大誤差±100"外尺寸/mmΦ

50×40輸出軸尺寸/mmΦ

6×12重量/g250允許轉(zhuǎn)速/r·min-1200電源電壓/VDC12(±5%),5(±5%)光源紅外LED輸出信號(hào)格雷碼,TTL電平使用溫度-40~+55℃工作環(huán)境相對(duì)濕度/(%)相對(duì)濕度95(35℃時(shí))振動(dòng)/g6沖擊/g504.多圈角編碼器當(dāng)圖10-3所示的絕對(duì)式光電碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)超過(guò)360o時(shí),編碼又回到原點(diǎn),稱(chēng)為單圈絕對(duì)式角編碼器。如果測(cè)量旋轉(zhuǎn)超過(guò)360o,在斷電時(shí),可以用鋰電池來(lái)保持對(duì)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的記憶(但不允許在斷電后再旋轉(zhuǎn)一圈以上)。也可以采用類(lèi)似于鐘表的齒輪結(jié)構(gòu)來(lái)記憶圈數(shù),稱(chēng)為多圈絕對(duì)式角編碼器。還可以在圖10-3所示的碼盤(pán)的內(nèi)圈,增加粗碼刻度,可以做到在4096圈之內(nèi)不重復(fù)輸出。5.絕對(duì)式角編碼器的RS485接線(xiàn)圖10-4

絕對(duì)式角編碼器與用戶(hù)端的RS485通信電路接線(xiàn)DC12~24V20212223242526272829顏色正:白地:黑棕色紅色橙色黃色藍(lán)色紫色灰色白夾棕色白夾紅色白夾橙色表10-410碼道角編碼器的接線(xiàn)顏色屏蔽線(xiàn)的屏蔽層接到設(shè)備的外殼二、增量式角編碼器1.增量式光電角編碼器的結(jié)構(gòu)圖10-5

增量式光電角編碼器結(jié)構(gòu)示意圖(放大圖見(jiàn)下頁(yè))a)外形b)內(nèi)部結(jié)構(gòu)c)掃描孔板與碼盤(pán)、光電接收器之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系1-轉(zhuǎn)軸2-發(fā)光二極管3-掃描孔板(光欄板)4-零位標(biāo)志光槽(Z)5-零位光敏元件6-碼盤(pán)7-電源及信號(hào)線(xiàn)連接座8-聚光透鏡圖10-5

增量式光電角編碼器結(jié)構(gòu)示意圖增量式光電角編碼器的結(jié)構(gòu)(續(xù))b)內(nèi)部結(jié)構(gòu)1-轉(zhuǎn)軸2-發(fā)光二極管3-掃描孔板(光欄板)4-零位標(biāo)志光槽(Z)5-零位光敏元件

6-碼盤(pán)

7-電源及信號(hào)線(xiàn)連接座8-聚光透鏡增量式編碼器結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)軸盤(pán)碼及狹縫光敏元件光欄板及辨向用的A、B狹縫LEDABC零位標(biāo)志ABC增量式光電角編碼器的結(jié)構(gòu)(續(xù))增量式光電角編碼器的結(jié)構(gòu)(續(xù))圖10-5

c)內(nèi)部結(jié)構(gòu)1-轉(zhuǎn)軸2-發(fā)光二極管3-掃描孔板(光欄板)4-零位標(biāo)志光槽(Z)5-零位光敏元件

6-碼盤(pán)7-電源及信號(hào)線(xiàn)連接座8-聚光透鏡絕對(duì)式光電碼盤(pán)與增量式碼盤(pán)的區(qū)別

絕對(duì)式光電碼盤(pán)(12碼道)增量式光電碼盤(pán)(1024位)

高位低位

分辨力

=360

/條紋數(shù)例:條紋數(shù)=1024

=360

/1024=0.352

增量式光電編碼器

的分辨力與分辨率1-轉(zhuǎn)軸2-LED3-光欄板4-零標(biāo)志5-光敏元件6-碼盤(pán)7-印制電路板8-電源及信號(hào)線(xiàn)連接座

一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)一個(gè)分辨角

增量式編碼器(INC)(續(xù))辨向原理

光敏元件所產(chǎn)生的信號(hào)A、B彼此相差90

相位。當(dāng)碼盤(pán)正轉(zhuǎn)時(shí),A信號(hào)超前B信號(hào)90

;當(dāng)碼盤(pán)反轉(zhuǎn)時(shí),B信號(hào)超前A信號(hào)90

。LED光欄板及A、B狹縫cossinC:零位檢測(cè)光電編碼器的兩個(gè)“辨向元件”

光欄板上的兩個(gè)狹縫距離是碼盤(pán)上的兩個(gè)狹縫距離W的(m+1/4)倍,m為正整數(shù),并設(shè)置了兩組光敏元件A、B,有時(shí)又稱(chēng)為cos、

sin元件。W(m+1/4)WA相位超前B

:90°(1/4周期)例:W=1mm,cos與sin元件的距離可以是6.25或8.25mm等

兩路光電信號(hào)判斷旋轉(zhuǎn)方向

A超前于B,判斷為正向旋轉(zhuǎn),A也稱(chēng)為cos信號(hào);B也稱(chēng)為sin信號(hào)。A滯后于B,判斷為反向旋轉(zhuǎn)辨向信號(hào)和零標(biāo)志

光電編碼器的光欄板上有A與B兩組狹縫,彼此錯(cuò)開(kāi)1/4節(jié)距,兩組狹縫相對(duì)應(yīng)的光敏元件所產(chǎn)生的信號(hào)A、B彼此相差90

相位,用于辯向(辨別旋轉(zhuǎn)方向)。當(dāng)碼盤(pán)正轉(zhuǎn)時(shí),A信號(hào)超前B信號(hào)90

;當(dāng)碼盤(pán)反轉(zhuǎn)時(shí),B信號(hào)超前A信號(hào)90

。(請(qǐng)畫(huà)出反轉(zhuǎn)時(shí)信號(hào)B的波形)

在碼盤(pán)里圈,還有一根狹縫C,每轉(zhuǎn)能產(chǎn)生一個(gè)脈沖,該脈沖信號(hào)又稱(chēng)“一轉(zhuǎn)信號(hào)”或零標(biāo)志脈沖,作為測(cè)量的起始基準(zhǔn)。

零標(biāo)志(一轉(zhuǎn)脈沖)波形及作用

一轉(zhuǎn)(360

)CC

在碼盤(pán)里圈,有一條狹縫C,碼盤(pán)每轉(zhuǎn)一圈,產(chǎn)生一個(gè)脈沖。該脈沖信號(hào)又稱(chēng)“一轉(zhuǎn)信號(hào)”或零標(biāo)志脈沖,作為測(cè)量的起始基準(zhǔn)(0

。ABC90°2.增量式光電角編碼器的分辨力與分辨率增量式光電角編碼器的測(cè)量準(zhǔn)確度與碼盤(pán)圓周上的狹縫條紋數(shù)(分度數(shù))M有關(guān),最小分辨的角度α:α=360o/M

(10-3)分辨率=1/M

(10-4)例10-4

某增量式角編碼器的技術(shù)指標(biāo)為1024個(gè)脈沖/r(即分度數(shù)M=1024P/r),求:分辨力α。解按題意,碼盤(pán)邊緣的透光槽數(shù)為1024個(gè),則能分辨的最小角度為α=360o/M=360o/1024=0.352°判斷碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)方向的方法為了判斷碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)的方向,必須在增量式角編碼器的光欄板上設(shè)置兩個(gè)狹縫,并設(shè)置兩組對(duì)應(yīng)的光敏元件,如圖10-5b、c中的A、B光敏元件,有時(shí)也稱(chēng)為cos、sin元件。圖10-6絕對(duì)式角編碼器的輸出信號(hào)(放大圖見(jiàn)后頁(yè))a)TTL電平信號(hào)

b)正弦波信號(hào)2023/10/1760圖10-7絕對(duì)式角編碼器的差分輸出電路圖10-6絕對(duì)式角編碼器的輸出信號(hào)a)TTL電平信號(hào)

b)正弦波信號(hào)3.增量式光電角編碼器的旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算設(shè)增量式角編碼器的碼盤(pán)每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)(分度數(shù))為M,在靜止時(shí)碼盤(pán)的初始位置角為零,開(kāi)始旋轉(zhuǎn)后給出脈沖數(shù)目為m,則碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)的角度θ=360o×(m/M)

(10-5)例10-5

某增量式角編碼器的分度數(shù)M=1024,從零位信號(hào)Z之后的10s內(nèi),計(jì)數(shù)器對(duì)角編碼器的一路信號(hào)(圖10-6中的A信號(hào))計(jì)數(shù),得到m=1024+128個(gè)脈沖。求:碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)的角度θ和轉(zhuǎn)速n(r/min)。解按題意,碼盤(pán)邊緣的透光槽數(shù)為1024個(gè),碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)的角度θ=360o×(m/M)=360°×(1152/1024)=360°×1.125=405on=60×r/s=60×[(405o/360o)/10s]=6.75r/min4.響應(yīng)頻率增量式角編碼器的響應(yīng)頻率取決于光電檢測(cè)器件、電子處理線(xiàn)路的響應(yīng)速度。當(dāng)碼盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)時(shí),如果其分度數(shù)(分辨率)很高,那么角編碼器輸出的信號(hào)頻率將會(huì)很高,光電檢測(cè)器件和電子線(xiàn)路元器件的輸出波形滯后和嚴(yán)重畸變,甚至產(chǎn)生丟失脈沖的現(xiàn)象。5.增量式光電角編碼器的接線(xiàn)圖10-8增量式角編碼器的差分輸出的接線(xiàn)6.光電角編碼器的安裝、使用注意事項(xiàng)1)主軸轉(zhuǎn)速較低時(shí)角編碼器軸與用戶(hù)端輸出軸之間需要采用彈性軟連接,避免因用戶(hù)軸的竄動(dòng)、跳動(dòng)而造成角編碼器軸系和碼盤(pán)的損壞。安裝時(shí)應(yīng)保證角編碼器軸與用戶(hù)輸出軸的偏角小于1.5°。2)高速運(yùn)行時(shí)建議使用同步帶輪連接。3)長(zhǎng)距離傳輸時(shí),應(yīng)選用具備輸出阻抗低的型號(hào)。4)接地線(xiàn)一般應(yīng)大于1.5mm2,盡量避免雙端接地。5)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)式角編碼器使用前要對(duì)角編碼器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。需要設(shè)置的參數(shù)有:旋轉(zhuǎn)的正方向、每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)和轉(zhuǎn)數(shù)、總分辨率、預(yù)置值、記憶功能、診斷模式等。表10-5WLF系列角編碼器的主要技術(shù)指標(biāo)參數(shù)名稱(chēng)指標(biāo)電源電壓/VDC5或8~30消耗電流/mA<60mA分辨率1/1024輸出形態(tài)推拉型或集電極開(kāi)路NPN型上升、下降時(shí)間/ns≤100最高響應(yīng)頻率/kHz150允許最高機(jī)械轉(zhuǎn)速/r·min-1600025℃時(shí)的起動(dòng)力矩/N·m5×10-2使用環(huán)境溫度/℃-10~70使用環(huán)境濕度(%)35~85RH(不結(jié)露)防護(hù)等級(jí)IP54,IP65任務(wù)二角編碼器的應(yīng)用一、角編碼器在數(shù)字測(cè)速中的應(yīng)用由于增量式角編碼器的輸出是脈沖信號(hào),因此,可以通過(guò)測(cè)量脈沖頻率或周期的方法來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速。數(shù)字測(cè)速方法有M法測(cè)速、T法測(cè)速和M/T法測(cè)速等。1.M法測(cè)速在一定的時(shí)間間隔ts內(nèi)(ts=t閘門(mén),見(jiàn)圖10-9a,如10s、1s、0.1s等),用角編碼器所產(chǎn)生的脈沖數(shù)來(lái)確定速度的方法稱(chēng)為M法測(cè)速。M法測(cè)速(適合于高轉(zhuǎn)速場(chǎng)合)m1圖10-9aM法測(cè)速原理編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生M個(gè)脈沖,在ts時(shí)間段內(nèi)有m1

個(gè)脈沖產(chǎn)生,則轉(zhuǎn)速(r/min)為:n=60m1/(tsM)±1

tsM法門(mén)控測(cè)速電路(基本原理)先利用施密特觸發(fā)器將角編碼器的輸出脈沖三角波轉(zhuǎn)換為矩形波。當(dāng)與門(mén)的C端為高電平時(shí),b端的信號(hào)可以通過(guò)與門(mén),到達(dá)d端,然后單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù),得到m1個(gè)計(jì)數(shù)結(jié)果。M法測(cè)速的計(jì)算

若編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N個(gè)脈沖,在ts的閘門(mén)時(shí)間間隔內(nèi)得到m1個(gè)脈,則編碼器所產(chǎn)生的脈沖頻率為

(10-6)則轉(zhuǎn)速n(單位為r/min)為(10-7)±1誤差簡(jiǎn)述M法測(cè)速的本質(zhì)是測(cè)頻。誤差主要由兩個(gè)因素決定:1)閘門(mén)時(shí)間ts的誤差:可以使用晶振來(lái)提高閘門(mén)時(shí)間的準(zhǔn)確性;2)量化誤差:又稱(chēng)為±1誤差,見(jiàn)下圖(原理見(jiàn)后頁(yè))ts3)產(chǎn)生±1誤差的原因:測(cè)頻時(shí),計(jì)數(shù)脈沖通過(guò)閘門(mén)進(jìn)入計(jì)數(shù)器。由于閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻(秒信號(hào)的上升沿)和被測(cè)計(jì)數(shù)脈沖上升沿到來(lái)的時(shí)刻之間的關(guān)系是隨機(jī)的,有可能在第二個(gè)t閘門(mén)時(shí)間里,比在第一個(gè)t閘門(mén)時(shí)間多計(jì)數(shù)了一個(gè)脈沖,或少計(jì)數(shù)了一個(gè)脈沖,就造成了±誤差。ts例

某角編碼器的技術(shù)指標(biāo)為1024個(gè)脈沖/r(即M=1024P/r

=1K),在0.2s時(shí)間內(nèi),測(cè)得100個(gè)脈沖,即ts=0.2s,m1=100,求:1)轉(zhuǎn)速n;2)±1誤差引起的轉(zhuǎn)速測(cè)量誤差為多少r/min。3)如果將ts延長(zhǎng)到1s,求±1誤差引起的轉(zhuǎn)速測(cè)量誤差為多少r/min。解

1)角編碼器軸的轉(zhuǎn)速為3)如果將ts延長(zhǎng)到1s,m1’的數(shù)值必然增加到500,則結(jié)論:采樣時(shí)間為1s時(shí)計(jì)算得到的轉(zhuǎn)速,與在0.2s時(shí)間內(nèi)測(cè)得的轉(zhuǎn)速相同,但±1個(gè)脈沖引起的誤差縮小為原來(lái)的1/5。2)由于±1誤差,在ts=0.2s時(shí)間段里,計(jì)數(shù)得到的脈沖數(shù)m1=100±1個(gè)脈沖,則M法測(cè)速計(jì)算(續(xù))T例:有一增量式光電編碼器,其參數(shù)為M=1024p/r,在5s時(shí)間內(nèi)測(cè)得65536個(gè)單向脈沖,求:轉(zhuǎn)速n(r/min)解:n=60×65536÷1024÷

5=768r/min

m12.T法測(cè)速(適應(yīng)于緩慢轉(zhuǎn)速的測(cè)量)T法測(cè)速原理如圖10-9b所示。用角編碼器所產(chǎn)生的相鄰兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間T來(lái)確定“傳感器在一個(gè)周期里面的被測(cè)轉(zhuǎn)速”的方法稱(chēng)為T(mén)法測(cè)速。在T法測(cè)速中,必須使用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖f0(其周期為T(mén)0)作為測(cè)量角編碼器輸出信號(hào)周期T的“時(shí)鐘”。(不展開(kāi)講解)圖10-9bT法測(cè)速原理二、絕對(duì)式角編碼器在工位編碼及

刀庫(kù)選刀控制中的應(yīng)用1.絕對(duì)式角編碼器在工位編碼中的應(yīng)用圖10-10

轉(zhuǎn)盤(pán)加工工位的編碼1-絕對(duì)式角編碼器

2-電動(dòng)機(jī)3-同步帶

4-轉(zhuǎn)軸5-轉(zhuǎn)盤(pán)6-工件7-刀具例10-7

設(shè)圖10-10中的角編碼器為4碼道絕對(duì)式碼盤(pán)(假設(shè)采用自然二進(jìn)制碼),工件1~8的編碼從0000到1110

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