主轴编码器的应用及简介

一、任务引入 叙述主轴编码器的工作原理及其应用。 二、任务分析 主轴编码器应用于在数控车床车螺纹时，是利用其同步脉冲作为车刀进刀点和退刀点的控制信号, 从而保证车削螺纹不会乱扣。螺纹是怎样加工的？车刀进刀点和退刀点应处在什么位置？主轴编码器有什么作用？ 三、相关知识 1．螺纹 螺纹是在圆柱面或圆锥面上沿着螺旋线所形成的、具有相同剖面形状的连续凸起和沟槽。在圆柱表面上形成的螺纹称圆柱螺纹，在圆锥表面上形成的螺纹称圆锥螺纹。在回转体外表面上形成的螺纹称外螺纹，在回转体内表面上形成的螺纹称内螺纹。 加工螺纹的方法很多，在车床上加上螺纹时，车床通过三爪卡盘夹紧圆柱形工件，并带动它作等速旋转运动，车床进给机构带动车刀（标准螺纹车刀）沿圆柱轴线方向作等速直线运动，车刀刀尖在工件表面切削出三角形凹槽从而形成三角形螺纹。如图1所示。

图1 在车床上加工螺纹

如图2所示，螺纹加工时有轨迹始点(A点，即进刀点)和轨迹终点(B点，即退刀点)。在螺纹加工轨迹中为保证螺纹的加工设置有足够的升速进刀段δ和降速退刀段δˊ，以消除伺服滞后造成的螺距误差。

图2  螺纹加工

2．主轴编码器的作用 主轴编码器采用与主轴同步的光电脉冲发生器，通过中间轴上的齿轮1:1地同步传动。数控车床主轴的转动与进给运动之间，没有机械方面的直接联系，为了加工螺纹，就要求给定进给伺服电动机的脉冲数与主轴的转速应有相对应的关系，主轴脉冲发生器起到了对主轴转动与进给运动的联系作用。 四、任务实施 光电脉冲发生器的原理如图3所示。在漏光盘上，沿圆周刻有两圈条纹，外圈为圆周等分线条，例如：1024条，作为发送脉冲用，内圈仅1条。在光栏上，刻有透光条纹A、B、C，A与B之间的距离应保证当条纹A与漏光盘上任一条纹重合时，条纹B应与漏光盘上另一条纹的重合度错位1/4周期。在光栏的每一条纹的后面均安置光敏三极管一只，构成一条输出通道。

图3 光电脉冲发生器的原理图

灯泡发出的散射光线经过聚光镜聚光后成为平行光线，当漏光盘与主轴同步旋转时，由于漏光盘上的条纹与光栏上的条纹出现重合和错位，使光敏管受到光线亮、暗的变化，引起光敏管内电流大小发生变化，变化的信号电流经整流放大电路输出矩形脉冲。由于条纹A与漏光盘条纹重合时，条纹B与另一条纹错位1/4周期，因此 A、B两通道输出的波形相位也相差1/4周期。 脉冲发生器中漏光盘内圈的一条刻线与光栏上条纹C重合时输出的脉冲为同步（起步，又称零位）脉冲。利用同步脉冲，数控车床可实现加工控制，也可作为主轴准停装置的准停信号。数控车床车螺纹时，利用同步脉冲作为车刀进刀点和退刀点的控制信号，以保证车削螺纹不会乱扣。

五、知识的链接

1．数控机床对检测元件及位置检测装置的要求 (1) 数控机床对检测元件要求 检测元件是检测装置的重要部件，其主要作用是检测位移和速度，发送反馈信号。位移检测系统能够测量的最小位移量称为分辨率。分辨率不仅取决于检测元件本身，也取决于测量电路。 数控机床对检测元件的主要要求是：①寿命长，可靠性高，抗干扰能力强；②满足精度和速度要求；③使用维护方便，适合机床运行环境；④成本低；⑤便于与计算机联接。 不同类型的数控机床对检测系统的精度与速度的要求不同。通常大型数控机床以满足速度要求为主，而中、小型和高精度数控机床以满足精度要求为主。选择测量系统的分辨率和脉冲当量时，一般要求比加工精度高一个数量级。 (2)数控机床对位置检测装置的要求 位置检测装置是数控机床伺服系统的重要组成部分。它的作用是检测位移和速度，发送反馈信号，构成闭环或半闭环控制。数控机床的加工精度主要由检测系统的精度决定。不同类型的数控机床，对位置检测元件，检测系统的精度要求和被测部件的最高移动速度各不相同。现在检测元件与系统的最高水平是：被测部件的最高移动速度高至240m/min时，其检测位移的分辨率（能检测的最小位移量）可达1μm，如24m/min时可达0.1μm。最高分辨率可达到0.01μm。 数控机床对位置检测装置有如下要求： ①受温度、湿度的影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗干扰能力强。 ②在机床执行部件移动范围内，能满足精度和速度的要求。 ③使用维护方便，适应机床工作环境。 ④成本低。

2．位置检测装置的分类 对于不同类型的数控机床，因工作条件和检测要求不同，可以采用以下不同的检测方式。 (1)增量式和绝对式测量 增量式检测方式只测量位移增量，并用数字脉冲的个数来表示单位位移（即最小设定单位）的数量，每移动一个测量单位就发出一个测量信号。其优点是检测装置比较简单，任何一个对中点都可以作为测量起点。但在此系统中，移距是靠对测量信号累积后读出的，一旦累计有误，此后的测量结果将全错。另外在发生故障时（如断电）不能再找到事故前的正确位置，事故排除后，必须将工作台移至起点重新计数才能找到事故前的正确位置。脉冲编码器，旋转变压器，感应同步器，光栅，磁栅，激光干涉仪等都是增量检测装置。 绝对式测量方式测出的是被测部件在某一绝对坐标系中的绝对坐标位置值，并且以二进制或十进制数码信号表示出来，一般都要经过转换成脉冲数字信号以后，才能送去进行比较和显示。采用此方式，分辨率要求愈高，结构也愈复杂。这样的测量装置有绝对式脉冲编码盘、三速式绝对编码盘（或称多圈式绝对编码盘）等。 (2)数字式和模拟式测量 数字式检测是将被测量单位量化以后以数字形式表示。测量信号一般为电脉冲，可以直接把它送到数控系统进行比较、处理。这样的检测装置有脉冲编码器、光栅。数字式检测有以下3个特点。 ①被测量转换成脉冲个数，便于显示和处理； ②测量精度取决于测量单位，与量程基本无关；但存在累计误码差； ③检测装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力强。 模拟式检测是将被测量用连续变量来表示，如电压的幅值变化，相位变化等。在大量程内做精确的模拟式检测时，对技术有较高要求，数控机床中模拟式检测主要用于小量程测量。模拟式检测装置有测速发电机、旋转变压器、感应同步器和磁尺等。模拟式检测的主要特点有以下几个。 ①直接对被测量进行检测，无须量化。 ②在小量程内可实现高精度测量。 ③能进行直接检测和间接检测。 位置检测装置安装在执行部件（即末端件）上直接测量执行部件末端件的直线位移或角位移，都可以称为直接测量，可以构成闭环进给伺服系统，测量方式有直线光栅、直线感应同步器、磁栅、激光干涉仪等测量执行部件的直线位移；由于此种检测方式是采用直线型检测装置对机床的直线位移进行的测量。其优点是直接反映工作台的直线位移量。缺点是要求检测装置与行程等长，对大型的机床来说，这是一个很大的限制。 位置检测装置安装在执行部件前面的传动元件或驱动电机轴上，测量其角位移，经过传动比变换以后才能得到执行部件的直线位移量，这样的称为间接测量，可以构成半闭环伺服进给系统。如将脉冲编码器装在电机轴上。间接测量使用可靠方便，无长度限制；其缺点是在检测信号中加入了直线转变为旋转运动的传动链误差，从而影响测量精度。一般需对机床的传动误差进行补偿，才能提高定位精度。 除了以上位置检测装置，伺服系统中往往还包括检测速度的元件,用以检测和调节发动机的转速。常用的测速元件是测速发动机。