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1、 本章本章学习几种常用数字式位置传学习几种常用数字式位置传感器的结构、原理，如角编码器、光感器的结构、原理，如角编码器、光栅传感器、磁栅传感器、容栅传感器栅传感器、磁栅传感器、容栅传感器等等，并讨论他们在直线位移和角位移，并讨论他们在直线位移和角位移中测量、控制的应用。中测量、控制的应用。第十一章第十一章 数字式位置传感器数字式位置传感器4/22/20221第一节 位置测量的方式位置测量的方式 一、直接测量和间接测量一、直接测量和间接测量 位位置置传传感感器器有有直直线线式式和和旋旋转转式式两两大大类类。若若位位置置传传感感器器所所测测量量的的对对象象就就是是被被测测量量本本身身，即即用用直直
2、线线式式传传感感器器测测直直线线位位移移，用用旋旋转转式式传传感感器器测测角角位位移移，则则该该测测量量方方式式为为直直接接测测量量。例例如如直直接接用用于于直直线线位位移移测测量量的的直直线线光光栅栅和和长长磁磁栅栅等等；直直接接用用于于角角度度测测量量的的角角编编码码器器、圆圆光栅、圆磁栅光栅、圆磁栅等。等。 若旋转式位置传感器测量的回转运动只是中间值，若旋转式位置传感器测量的回转运动只是中间值，再由它再由它推算推算出与之关联的移动部件的直线位移，则该出与之关联的移动部件的直线位移，则该测量方式为测量方式为间接测量间接测量。 4/22/202221.1.直接测量直接测量 直直接接测测量量的
3、的误误差差较较小。小。 图图为为利利用用光光栅栅传传感感器器测测量量数数控控机机床床工工作作台台位位移移量量的的现现场照片。场照片。 工作台工作台光栅光栅工作台运动方向工作台运动方向4/22/202232.2.间接测量间接测量 在间接测量在间接测量中，多使用旋转式中，多使用旋转式位置传感器。测量位置传感器。测量到的回转运动参数到的回转运动参数仅仅是中间值，但仅仅是中间值，但可由这中间值再推可由这中间值再推算出与之关联的移算出与之关联的移动部件的直线位移动部件的直线位移间接测量须使用丝间接测量须使用丝杠杠- -螺母、齿轮螺母、齿轮- -齿齿条等传动机构。条等传动机构。 工作台工作台丝杠丝杠编码器
4、编码器进给电机进给电机 x4/22/20224传动机构传动机构 滚珠丝杠螺母滚珠丝杠螺母副、齿轮副、齿轮- -齿条副齿条副等传动机构能够等传动机构能够将旋转运动转换将旋转运动转换成直线运动。但成直线运动。但应设法消除传导应设法消除传导过程产生的间隙过程产生的间隙误差。误差。 齿距齿距齿条齿条齿轮齿轮 x4/22/20225滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副 滚珠丝杠螺母滚珠丝杠螺母副能够将减小传副能够将减小传动磨檫力，延长动磨檫力，延长使用寿命，减小使用寿命，减小间隙误差。间隙误差。 螺母螺母丝杠丝杠x 4/22/20226传动分析传动分析 设：螺距设：螺距t=4mm，丝杠在，丝杠在4s时间里转动了
5、时间里转动了10圈，圈，求：丝杠的平均转速求：丝杠的平均转速n(r/min)及螺母移动了多少毫及螺母移动了多少毫米？螺母的平均速度米？螺母的平均速度v又为多少？又为多少？ 螺母螺母丝杠丝杠螺距螺距x=？N=10圈圈4/22/20227 二、增量式和二、增量式和 绝对式测量绝对式测量 在在增量式增量式测量中，移动测量中，移动部件每移动一个基本长度单部件每移动一个基本长度单位，位置传感器便发出一个位，位置传感器便发出一个测量信号，此信号通常是脉测量信号，此信号通常是脉冲形式。这样，冲形式。这样，一个脉冲一个脉冲所所代表的基本长度单位就是代表的基本长度单位就是分分辨力辨力，对脉冲，对脉冲计数计数，便
6、可得，便可得到位移量。到位移量。绝对式绝对式测量的特点是：测量的特点是： 每一被测点都有一个对应的每一被测点都有一个对应的编码编码，常以，常以二进制数据二进制数据形式形式来表示。绝对式测量即使断电之后再重新上电，也能读出当前来表示。绝对式测量即使断电之后再重新上电，也能读出当前位置的数据。典型的绝对式位置传感器有位置的数据。典型的绝对式位置传感器有绝对式角编码器绝对式角编码器。增量式测量得到的脉冲波形增量式测量得到的脉冲波形4/22/20228作业作业p201:p201:3 3、5 54/22/20229休休 息息 一一 下下4/22/202210第二节第二节 数字式角编码器数字式角编码器 信
7、号航空插头信号航空插头（参考德国沃申道夫公司资料）（参考德国沃申道夫公司资料）4/22/202211其他角编码器外形其他角编码器外形4/22/202212其他角编码器外形（续）其他角编码器外形（续） 拉线式拉线式角编角编码器利用线轮，码器利用线轮，能将直线运动转能将直线运动转换成旋转运动。换成旋转运动。4/22/202213其他角编码器外形其他角编码器外形（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）4/22/202214一、绝对式编码器 绝对式码盘与增量绝对式码盘与增量式码盘有何区别？式码盘有何区别？10码道光电绝对式码盘码道光电绝对式码盘 绝对式编码器
8、按照绝对式编码器按照角度直接进行编码，角度直接进行编码，可直接把被测转角用可直接把被测转角用数字代码表示出来。数字代码表示出来。根据内部结构和检测根据内部结构和检测方式有接触式、光电方式有接触式、光电式等形式。式等形式。 透光区透光区不透光区不透光区零位标志零位标志4/22/202215绝对式接触式编码器绝对式接触式编码器演示演示4 4个电刷个电刷 4 4位二进制位二进制码盘码盘 +5V +5V输入输入 公共码道公共码道 最小分辨角度为最小分辨角度为 =360/2n 4/22/2022162 2绝对式光电编码器绝对式光电编码器 a a）光电码盘的平面结构（）光电码盘的平面结构（8 8码道）码道
9、） b b）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（4 4码道）码道） 高位高位低位低位4/22/202217绝对式光电编码器的分辨力及分辨率绝对式光电编码器的分辨力及分辨率 绝对式光电编码器的测量精度取决绝对式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘上于它所能分辨的最小角度，而这与码盘上的码道数的码道数n 有关，即最小能分辨的角度及有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：分辨率为： =360/2n分辨率分辨率=1/2n4/22/202218增量式光电编码器的分辨力及分辨率增量式光电编码器的分辨力及分辨率 增量式光电编码器的测量精度取决于它增量式
10、光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的狭缝条纹数狭缝条纹数n 有关，即最小能分辨的角度及有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：分辨率为： 4/22/202219二、增量式编码器转轴转轴盘码及盘码及狭缝狭缝光敏元件光敏元件光栏板及辨向用的光栏板及辨向用的A、B狭缝狭缝LEDABC零位标志零位标志ABC4/22/202220光电编码器的输出波形光电编码器的输出波形 为了判断码盘旋转的方向，在上图为了判断码盘旋转的方向，在上图的光栏板上的两个狭缝距离是码盘上的两的光栏板上的两个狭缝距离是码盘上的两个个狭缝距离的（狭缝距离的（m +1/4
11、）倍，）倍，m 为正整数，为正整数，并设置了两组光敏元件并设置了两组光敏元件A、B，有时又称，有时又称为为sin、cos元件。元件。4/22/202221辨向信号和零标志辨向信号和零标志 光光电电编编码码器器的的光光栏栏板板上上有有A组组与与B组组两两组组狭狭缝缝，彼彼此此错错开开1/4节节距距，两两组组狭狭缝缝相相对对应应的的光光敏敏元元件件所所产产生生的的信信号号A、 B彼彼此此相相差差90 相相位位，用用于于辩辩向向。当当编编码码正正转转时时，A信信号号超超前前B信信号号90 ；当当码码盘盘反反转转时时，B信号超前信号超前A信号信号90 。(请画出反转时信号请画出反转时信号B的波形）的波
12、形） 在在上上一一页页图图的的码码盘盘里里圈圈，还还有有一一根根狭狭缝缝C，每每转转能能产产生生一一个个脉脉冲冲，该该脉脉冲冲信信号号又又称称“一一转转信信号号”或或零标志脉冲零标志脉冲，作为测量的，作为测量的起始基准起始基准。4/22/202222三、角编码器的应用三、角编码器的应用 角角编编码码器器除除了了能能直直接接测测量量角角位位移移或或间间接接测测量量直直线线位位移移外外，可可用用于于数数字字测测速速、工工位编码、位编码、伺服电机控制伺服电机控制等。等。 4/22/202223M法测速（适合于高转速场合）法测速（适合于高转速场合）T 编编码码器器每每转转产产生生 N 个个脉脉冲冲，在
13、在T 时时间间段段内内有有 m1 个个脉脉冲冲产产生生，则则转转速速（r/min)为为 ：n = 60m1/（NT） m14/22/202224例题例题T 有有一一增增量量式式光光电电编编码码器器，其其参参数数为为1024p/r， 在在5s时时间间内内测测得得65536个个脉脉冲冲，则则转速（转速（r/min)为为 ： n = 60 65536 /（1024 5） r/min = 768 r/min m14/22/202225T法测速（适合于低转速场合）法测速（适合于低转速场合）时钟脉冲时钟脉冲fc 编码器输出脉冲编码器输出脉冲 m2 编编码码器器每每转转产产生生 N 个个脉脉冲冲，用用已已知
14、知频频率率fc作作为为时时钟钟，填填充充到到编编码码器器输输出出的的两两个个相相邻邻脉脉冲冲之之间间的的脉脉冲冲数数为为m2 ，则则转转速速(r/min)为为 n = 60fc / （Nm2 ） 4/22/202226T法测速举例法测速举例时钟脉冲时钟脉冲fc 编码器输出脉冲编码器输出脉冲 m2 n = 60fc /（Nm2 ） = 60*1000000/（1024*3000） =19.53 r/min 有一增量式光电编码器，其参数为有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为3000，时钟频，时钟频率率fc为为1MHz ，则转速（
15、，则转速（r/min)为为 ：4/22/202227安装套安装套编码器的安装方式编码器的安装方式4/22/202228安装轴安装轴4/22/202229编码器在定位编码器在定位加工中的加工中的应用应用11绝对式编码器绝对式编码器 2电动机电动机 3转轴转轴 4转盘转盘 5工件工件 6刀具刀具 设该增量式光电编码器设该增量式光电编码器的参数为的参数为1024 1024 p/rp/r，大、小，大、小皮带轮的传动比为皮带轮的传动比为5 5，若希望，若希望当加工好元件当加工好元件1 1后紧接着加工后紧接着加工元件元件8 8，则电动机转动了多少，则电动机转动了多少分之几圈？应等待编码器分之几圈？应等待编
16、码器给给出多少脉冲数时，出多少脉冲数时，电动机停电动机停转？转？4/22/202230数控数控加工中心加工中心4/22/202231 编码器在数控编码器在数控加工中心的刀库选加工中心的刀库选刀控制中刀控制中的应用的应用旋转刀库旋转刀库被加工工件被加工工件刀具刀具角编码器的输出为角编码器的输出为当前刀具号当前刀具号角编码器与角编码器与 旋转刀库连接旋转刀库连接4/22/202232 用不同的刀具用不同的刀具加工复杂的工件加工复杂的工件4/22/202233编码器在伺服电机中的应用编码器在伺服电机中的应用 利用利用编码器测编码器测量量伺服电机的转速、伺服电机的转速、转角，并通过伺服转角，并通过伺服控制系统控制其各控制系统控制其各种运行参数。种运行参数。转速测量转速测量转子磁极位置测量转子磁极位置测量角位移测量角位移测量4/22/202234作业作业p201:p201:3 3、5 54/22/202235休休 息息 一一 下下4/22/202236第三节第三节 光栅传感器光栅传感器 一、光栅的类型和结构一、光栅的类型和结构 计量光栅可分为透射式光栅和反射计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两
