Hengstler編碼器在數(shù)控機(jī)床中的5個(gè)典型應(yīng)用分析

Hengstler編碼器好象機(jī)床的眼睛，在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用很多，主要有位移測(cè)量、主軸位置控制、測(cè)速、在交流伺服電動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用、零標(biāo)志脈沖用于回參考點(diǎn)控制等五個(gè)。

一、Hengstler編碼器應(yīng)用于機(jī)床的位移測(cè)量

亨士樂編碼器在數(shù)控機(jī)床中用于工作臺(tái)或刀架的直線位移測(cè)量時(shí)有兩種安裝方式：

一是和伺服電動(dòng)機(jī)同軸連接在一起（稱為內(nèi)裝編碼器），伺服電動(dòng)機(jī)再和滾珠絲杠聯(lián)接，編碼器在進(jìn)給傳動(dòng)鏈的前端，如圖1（a）所示；二是編碼器連接在滾珠絲杠末端（稱為分立編碼器），如圖1（b）所示。由于后者包含的進(jìn)給傳動(dòng)鏈誤差比前者多，因此在半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，后者的位置控制精度比前者高。


由于增量式光電編碼器每轉(zhuǎn)過一個(gè)分辨角就發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，因此根據(jù)脈沖的數(shù)量、傳動(dòng)比及滾珠絲杠螺距即可得出移動(dòng)部件的直線位移量。

如，某帶光電編碼器的伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠直連（傳動(dòng)比1：1），光電編碼器1024脈沖/轉(zhuǎn)，絲杠螺距8mm，在數(shù)控系統(tǒng)位置控制中斷時(shí)間（位控周期）內(nèi)計(jì)數(shù)1024脈沖，則在該時(shí)間段里，工作臺(tái)移動(dòng)的距離為（1/1024）轉(zhuǎn)/脈沖×8mm/轉(zhuǎn)×1024脈沖=8mm。

在數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)中，通過在回轉(zhuǎn)軸末端安裝亨士樂編碼器，可直接測(cè)量回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的角位移。

二、Hengstler編碼器應(yīng)用于機(jī)床主軸控制

通常數(shù)控機(jī)床上主軸只需控制轉(zhuǎn)速，但有時(shí)也有位置控制要求。為主軸配置的編碼器一般具有一對(duì)正交（相位差90°）的脈沖輸出信號(hào)，用于測(cè)量旋轉(zhuǎn)電機(jī)的精確角度。

（1）主軸同步控制（synchronous control）

所謂同步控制是指主軸旋轉(zhuǎn)與坐標(biāo)軸進(jìn)給的同步的控制，如螺紋切削、剛性攻絲等。此時(shí)機(jī)床控制面板上的主軸倍率開關(guān)、進(jìn)給倍率開關(guān)等一定要失效。

a．保證螺紋導(dǎo)程（lead，單頭螺紋時(shí)，導(dǎo)程即為螺距）。通過對(duì)編碼器輸出脈沖的計(jì)數(shù)，保證主軸每轉(zhuǎn)一周，刀具準(zhǔn)確地移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程，如圖2所示。CNC系統(tǒng)根據(jù)編程的主軸轉(zhuǎn)速S和螺紋導(dǎo)程L（式1）算出進(jìn)給速度F。


式1中，F(xiàn)：進(jìn)給速度，mm/min；
             S：主軸轉(zhuǎn)速，r/min

b．保證重復(fù)切削不亂牙。一般的螺紋加工要經(jīng)過幾次切削才能達(dá)到要求的螺紋深度，每次設(shè)定一個(gè)固定的吃刀量時(shí)，開始進(jìn)刀的位置必須相同，即保證刀具是在工件圓周上的同一點(diǎn)切入工件。為了保證重復(fù)切削不亂牙，數(shù)控系統(tǒng)在接收到光電編碼器的1轉(zhuǎn)信號(hào)脈沖后才開始螺紋切削的計(jì)算。螺紋切削指令為G33，如圖3所示。


c. 剛性攻絲（rigid tapping）。主軸控制回路為位置閉環(huán)控制，主軸電機(jī)的旋轉(zhuǎn)與攻絲軸（Z軸）進(jìn)給完全同步。剛性攻絲方式下，直接使用與刀柄剛性連接的絲錐，從而實(shí)現(xiàn)高速高精度攻絲，如圖4所示。


（2）恒線速控制（Constant Surface Speed）

車床或磨床進(jìn)行端面或錐形面切削時(shí)，為了使加工表面粗糙度保持一定的數(shù)值，要求刀具與工件接觸點(diǎn)的線速度為恒值。恒線速切削指令為G96，如圖5所示。


隨著刀具的徑向進(jìn)給及切削直徑D的逐漸減小或增大，應(yīng)不斷提高或降低主軸轉(zhuǎn)速S，保持切削速度Vc為恒值，如圖6所示（式2）。


（3）主軸定向控制（spindle orientation）

通過安裝在主軸或主軸電動(dòng)機(jī)上的亨士樂編碼器，實(shí)現(xiàn)加工中心自動(dòng)換刀或精鏜孔退刀時(shí)的主軸定向控制。

在加工中心中，切削轉(zhuǎn)矩通常是通過主軸上的端面鍵和刀柄上的鍵槽來(lái)傳遞的，因此每一次自動(dòng)換刀時(shí)，都必須使刀柄上的鍵槽對(duì)準(zhǔn)主軸的端面鍵，使機(jī)床換刀能夠順利進(jìn)行，這就是主軸定向（也稱為主軸準(zhǔn)停），如圖7所示。


主軸編碼器給出位置檢測(cè)信號(hào)，使主軸準(zhǔn)確地停在規(guī)定的位置上。一般采用1024ppr的脈沖編碼器，接口如圖8所示。

三、Hengstler編碼器應(yīng)用于機(jī)床的測(cè)速

通過計(jì)算每秒內(nèi)光電編碼器輸出脈沖（encoder pulse）的個(gè)數(shù)（即脈沖頻率）就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速（speed），這種測(cè)速方法屬于數(shù)字測(cè)速，因此光電編碼器可以代替測(cè)速發(fā)電機(jī)（模擬測(cè)速），如圖9所示。


式3中
  n：軸速度（r/min）；
  N：編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（ppr）；
  C：在時(shí)間間隔Tc內(nèi)脈沖總計(jì)數(shù)；
  Tc：計(jì)數(shù)時(shí)間間隔（s）

測(cè)速度可以無(wú)限累加測(cè)量，目前增量式編碼器在測(cè)速應(yīng)用方面仍處于無(wú)可取代的主流位置。

四、Hengstler在交流伺服電動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)用的交流伺服電動(dòng)機(jī)為三相交流永磁同步電動(dòng)機(jī)，內(nèi)裝的光電編碼器有三個(gè)作用：

（1）如亨士樂編碼器中的格雷碼信號(hào)，檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)于定子繞組的角度位置，從而使控制電路發(fā)出相應(yīng)的對(duì)稱三相信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)這樣的三相信號(hào)去驅(qū)動(dòng)定子三相繞組，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

（2）提供伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，構(gòu)成速度環(huán)。

（3）檢測(cè)伺服電機(jī)角位移，提供位置反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)位置伺服控制，這是編碼器的基本功能。

五、Hengstler編碼器零標(biāo)志信號(hào)用于回參考點(diǎn)控制

當(dāng)數(shù)控機(jī)床采用增量式位置檢測(cè)裝置時(shí).在接通電源后實(shí)現(xiàn)要完成回參考點(diǎn)的操作。這是因?yàn)闄C(jī)床斷電后．系統(tǒng)就失去了對(duì)各坐標(biāo)軸位置的記憶,所以在接通電源后，必須讓各坐標(biāo)軸回到機(jī)床某一固定點(diǎn)上,這一固定點(diǎn)就是機(jī)床坐標(biāo)系的原點(diǎn)或零點(diǎn)．也稱機(jī)床參考點(diǎn)。

Hengstler編碼器在數(shù)控機(jī)床應(yīng)用中的重要性

目前數(shù)控機(jī)床沿著高精度．高速度．高效率的方向不斷發(fā)展,對(duì)數(shù)控機(jī)床精度的要求也日益提高，基于光電編碼器的角度和長(zhǎng)度測(cè)量技術(shù)，已經(jīng)非常成熟，光電編碼器在數(shù)控機(jī)床中作為檢測(cè)元件的使用必將日益廣泛．占據(jù)無(wú)可取代的主流位置。

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