一些增量脈沖編碼器電路的常見故障解析

為了保證數(shù)控機(jī)床的加工精度要求，數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)中的檢測裝置是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，Hengstler增量編碼器用于精確測量工作臺的位移或螺紋主軸的角度，并將測量結(jié)果返回給控制系統(tǒng)。建立完善的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床保證加工精度的前提，亨士樂編碼器等精密檢測設(shè)備是數(shù)控機(jī)床加工精度的重要保證。



脈沖編碼器是旋轉(zhuǎn)脈沖編碼器。它將機(jī)械角轉(zhuǎn)換為電脈沖，是一種常用的角度位移傳感器。光電脈沖編碼器有三種類型，接觸式和電磁感應(yīng)型，光電類型的精度和可靠性優(yōu)于其他兩種，因此在數(shù)控機(jī)床上僅使用光電脈沖編碼器。

亨士樂增量式光脈沖編碼器的原始結(jié)構(gòu)是光電盤。圓盤的周長分為相等的透明和不透明部分，圓盤與工作軸一起旋轉(zhuǎn)。此外，還有一層實心扇形薄膜，其平行于圓盤放置，并設(shè)有定向間隙（或分裂組）。當(dāng)光通過這兩個不透明和不透明的相對運(yùn)動部分時，光電元件接收到的光通量也會不時不斷變化（近似為正弦信號），經(jīng)過電路變換的放大和整形后成為脈沖信號。通過測量脈沖的數(shù)量和頻率，可以測量工作波的角度和速度。

Hengstler高精度脈沖編碼器需要增加光電盤圓周周圍的等分試樣狹縫的密度，這實際上變成了一條圓形網(wǎng)格線。它的制造工藝是用真空鍍膜工藝——一層不透明的金屬膜——涂上一定直徑的玻璃片，然后涂上一層均勻的感光材料，然后用精確的照相腐蝕工藝，沿著圓周形成透光率與不透明分界線等距的徑向線圖案。相鄰的透光率和不透明的光圖案形成間距P。此外，在圓盤內(nèi)圈的不透明環(huán)上刻有半透明條，用于產(chǎn)生脈沖信號Z。轉(zhuǎn)向信號燈網(wǎng)格上有兩條線段A和B，每組線之間的距離與圓形網(wǎng)格相同，A組和B組的線彼此偏移1/4斜率。指標(biāo)網(wǎng)格連接到平行于圓形網(wǎng)格線型的底座上，兩者之間保持較小的距離。當(dāng)圓形網(wǎng)格旋轉(zhuǎn)時，光線穿過兩個網(wǎng)格的線性部分，形成明暗條紋，被光電元件接受產(chǎn)生類似于正弦波的電信號，通過轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換為測量脈沖，其分辨率取決于圓形網(wǎng)格的圓中的線數(shù)和測量線的分頻倍數(shù)。

Hengstler脈沖編碼器是具有圓形網(wǎng)格的光脈沖編碼器。每轉(zhuǎn)產(chǎn)生1024個脈沖，光由光源G發(fā)出，當(dāng)光線通過圓形網(wǎng)格和指示器網(wǎng)格的線型時，在光電元件上形成摩爾紋條，根據(jù)正弦定律分布成明暗，當(dāng)圓形網(wǎng)格隨電機(jī)旋轉(zhuǎn)時， 摩爾紋條也相應(yīng)地移動（圓形網(wǎng)格旋轉(zhuǎn)，改變，摩爾紋條的移動方向也改變）。光電元件上的光強(qiáng)度發(fā)生變化，光電元件將變化的光信號轉(zhuǎn)換為接近正弦波的電信號。D1和D3為A組，D2和D4為B組，每組兩個光電元件在摩爾紋條上相應(yīng)位置的相位差為180°，兩組對應(yīng)的分量D1和D2（D3和D4）相位為90°。兩組光電元件產(chǎn)生相位差為90°的正弦波信號，如圖4所示，兩組信號分別添加到電壓比較器A1和A2中。以圖4中的A階段為例，分析信號傳輸過程。在正弦波的正半衰時，IC1（引腳LM339N9）在A1的同相端為高電平，IC1（引腳8）在反相端為低電平，高（+5V）通過比較器A1IC1（引腳14）輸出。相反，在正弦波的負(fù)半周期中，IC1（引腳9）在同相端為低電平，IC1（引腳8）在反相端子上為高電平，（引腳14）輸出低電平（OV），A1的輸出IC1（引腳14）直接發(fā)送到IC2的引腳3和45（KS74HCTLS12N）（用于三個輸入的緊急門， 三個輸入端子一起用作非柵極電路），IC2的6引腳輸出通過R13發(fā)送到IC3的第7引腳（MC3487N），并由功率放大器處理。它從IC3的引腳5和6輸出，引腳6的輸出信號與輸入信號同相，引腳5的輸出信號與輸入信號異相。

Z相是光電元件D5產(chǎn)生的角動量，用于產(chǎn)生機(jī)床的參考點。通常，數(shù)控機(jī)床的機(jī)械參考點與每個軸的亨士樂脈沖編碼器發(fā)送的Z相位脈沖的位置重合。當(dāng)數(shù)控車床的主軸電機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)械參考點時，光電元件D5接收光信號，電壓比較器A3的反相端IC1（4針）低電平，A3的同相端IC1（5針）被R9和R10分頻為固定電壓，此時A3輸出IC1（2針）高電平。IC1（引腳2）的輸出通過R15發(fā)送到IC3（引腳9），引腳110輸出為高電平，引腳11輸出為低電平。當(dāng)主軸電機(jī)離開參考點時，A3輸出IC1（2針）為低電平，IC1（2針）的輸出通過R35發(fā)送到IC15（9針），此時IC310引腳輸出為低電平，引腳11輸出為高電平。

在應(yīng)用中，Hengstler編碼器輸出的A、B和方波被引入位置控制回路，并在方向解析和乘法后被放大為代表位移的測量脈沖。變頻器成為與頻率成比例的電壓，并作為速度反饋信號饋送到速度控制器進(jìn)行速度調(diào)整。

數(shù)控檢測系統(tǒng)的種類很多，這里介紹Hengstler光電脈沖編碼器的原理圖，介紹亨士樂編碼器的結(jié)構(gòu)和工作原理，詳細(xì)分析和繪制電路中各點在正向旋轉(zhuǎn)過程中的信號波形。信號的傳輸路徑由誤差分析解釋。從光源、光電元件到信息處理電路，都根據(jù)原理進(jìn)行了仔細(xì)分析，力求通俗易懂。

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