旋转编码器：实现位置测量的关键装置

旋转编码器又称编码盘或码盘，是一种旋转式位置测量装置，通常安装在被测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换成脉冲。它是数控机床常用的位置检测装置。

1．旋转编码器的分类

旋转编码器直接将被测机械转角转换成电脉冲信号表示。根据工作原理和结构，旋转编码器分为光电式、接触式和电磁感应式三种。由于光电编码器在精度与可靠性方面优于接触式和电磁感应式，因此广泛应用于数控机床。按照测量的坐标系，即脉冲与对应位置的关系可以分为增量式旋转编码器和绝对式旋转编码器。

数控机床上常用的旋转编码器有：2 000 P/r、2 500 P/r和3 000 P/r等；在高速、高精度数字伺服系统中，应用高分辨率的旋转编码器，如20 000 P/r、25 000 P/r和 30 000 P/r等。

2．增量式光电旋转编码器的结构原理

增量式光电旋转编码器由光源、聚光镜、圆盘形主光栅、光电管、整形放大电路和数字显示装置组成，结构原理如图7-21所示。

图7-21　增量式光电旋转编码器结构

1—光源；2—光栅；3—指示光栅；4—光电池组；5—机械部件；6—护罩；7—印刷电路板

光电编码器的主要结构是一个圆盘，其上等距分布有许多辐射状窄缝，另有两组静止不动的窄缝群，相互错开1/4节距。将圆盘轴与工作台丝杆轴相连，由丝杠带动两组静止不动的窄缝群。当平行光照在光电盘上时，从两组检测窄缝上通过光的强度按正弦规律变化，光电元件A、B输出的波形在相位上相差90°，信号经过放大、转换和方向判别后用数字显示出来，根据计数值大小，即可知道光电盘转过的角位移增量，经过换算求得工作台的位移。两组线纹与旋转圆光栅配合产生两组脉冲，以用于计数和辨向。另外，光电编码器还产生一转脉冲，称为基准脉冲或零点脉冲，它可以作为坐标原点信号及加工螺纹时的同步信号。

为了判断光电盘的转动方向，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，如图7-22所示；另一种是适应有控制计数端和方向控制端的旋转编码器，形成正走、反走计数脉冲和方向控制电平。

图7-22　增量式光电盘工作原理图

1－光电元件；2－球轴承；3－分度狭缝；4－光电盘；5－聚光镜；6－灯(www.xing528.com)

3．绝对式旋转编码器

绝对式旋转编码器是一种直接编码式的测量装置，它把被测转角转换成相应的代码指示位置，没有积累误差。下面以接触式四位二进制绝对编码器为例来说明其工作原理及结构。

图7-23所示为四位二进制码盘，在码盘的每一转角位置刻有表示该位置的位移代码，通过读取编码器的代码可以测定角位移。

图7-23　接触式编码器结构原理

四位二进制绝对式旋转编码器采用的是四位二进制码盘，码盘上有四条码道，每条码道以二进制规律分布，被加工成透明的亮区和不透明的暗区。在结构上编码盘一侧安装光驱，另一侧安装径向排列的光电管，每个光电管对应一条码道。若光源产生的光线被光电元件吸收，并转变成电信号，则输出电信号为“1”；如果是暗区，光线不能被光电元件接收，则输出信号为“0”。由于光电元件为径向排列，数量与码道相对应，故根据四条码道沿码盘径向分布的明暗区状态，可读取四位二进制代码。

一个四位码盘在360°范围之内可编码24=16个，每一个二进制代码代表码盘的对应位置，实现了角位移的绝对测量，其分辨率α=360°/2n，n为码道数。

4．旋转编码器的应用

1）位移的测量

由于增量式光电旋转编码器每转过一个分辨角对应一个脉冲信号，因此，根据脉冲数量、传动比及滚珠丝杠螺距可得出移动部件的直线位移量。

2）控制作用

加工中心换刀时，作为主轴准停用，使主轴定向控制准停在某一固定位置上，以便在该处进行换刀动作。

加工螺纹时，按主轴正、反转两个方向使工件定位，作为车削螺纹时的进刀点和退刀点。利用零位脉冲作为起点和终点的基准，保证不乱扣（AB相位相差90°，Z相为一圈的基准信号，产生零点脉冲）。