Hengstler編碼器在數(shù)控機床中的5個典型應(yīng)用分析

Hengstler編碼器好象機床的眼睛，在數(shù)控機床上的應(yīng)用很多，主要有位移測量、主軸位置控制、測速、在交流伺服電動機中的應(yīng)用、零標志脈沖用于回參考點控制等五個。

一、Hengstler編碼器應(yīng)用于機床的位移測量

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

一是和伺服電動機同軸連接在一起（稱為內(nèi)裝編碼器），伺服電動機再和滾珠絲杠聯(lián)接，編碼器在進給傳動鏈的前端，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。由于后者包含的進給傳動鏈誤差比前者多，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)過一個分辨角就發(fā)出一個脈沖信號，因此根據(jù)脈沖的數(shù)量、傳動比及滾珠絲杠螺距即可得出移動部件的直線位移量。

如，某帶光電編碼器的伺服電動機與滾珠絲杠直連（傳動比1：1），光電編碼器1024脈沖/轉(zhuǎn)，絲杠螺距8mm，在數(shù)控系統(tǒng)位置控制中斷時間（位控周期）內(nèi)計數(shù)1024脈沖，則在該時間段里，工作臺移動的距離為（1/1024）轉(zhuǎn)/脈沖×8mm/轉(zhuǎn)×1024脈沖=8mm。

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

二、Hengstler編碼器應(yīng)用于機床主軸控制

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

（1）主軸同步控制（synchronous control）

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

a．保證螺紋導(dǎo)程（lead，單頭螺紋時，導(dǎo)程即為螺距）。通過對編碼器輸出脈沖的計數(shù)，保證主軸每轉(zhuǎn)一周，刀具準確地移動一個導(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）算出進給速度F。


式1中，F(xiàn)：進給速度，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)過幾次切削才能達到要求的螺紋深度，每次設(shè)定一個固定的吃刀量時，開始進刀的位置必須相同，即保證刀具是在工件圓周上的同一點切入工件。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)信號脈沖后才開始螺紋切削的計算。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，主軸電機的旋轉(zhuǎn)與攻絲軸（Z軸）進給完全同步。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）

車床或磨床進行端面或錐形面切削時，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機上的亨士樂編碼器，實現(xiàn)加工中心自動換刀或精鏜孔退刀時的主軸定向控制。

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傳遞的，因此每一次自動換刀時，都必須使刀柄上的鍵槽對準主軸的端面鍵，使機床換刀能夠順利進行，這就是主軸定向（也稱為主軸準停），如圖7所示。


主軸編碼器給出位置檢測信號，使主軸準確地停在規(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)用于機床的測速

通過計算每秒內(nèi)光電編碼器輸出脈沖（encoder pulse）的個數(shù)（即脈沖頻率）就能反映當前電動機的轉(zhuǎn)速（speed），這種測速方法屬于數(shù)字測速，因此光電編碼器可以代替測速發(fā)電機（模擬測速），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：在時間間隔Tc內(nèi)脈沖總計數(shù)；
  Tc：計數(shù)時間間隔（s）

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

四、Hengstler在交流伺服電動機中的應(yīng)用

數(shù)控機床進給驅(qū)動用的交流伺服電動機為三相交流永磁同步電動機，內(nèi)裝的光電編碼器有三個作用：

（1）如亨士樂編碼器中的格雷碼信號，檢測電動機轉(zhuǎn)子磁極相對于定子繞組的角度位置，從而使控制電路發(fā)出相應(yīng)的對稱三相信號，驅(qū)動電路根據(jù)這樣的三相信號去驅(qū)動定子三相繞組，使電動機運轉(zhuǎn)。

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

（3）檢測伺服電機角位移，提供位置反饋信號，實現(xiàn)位置伺服控制，這是編碼器的基本功能。

五、Hengstler編碼器零標志信號用于回參考點控制

當數(shù)控機床采用增量式位置檢測裝置時.在接通電源后實現(xiàn)要完成回參考點的操作。這是因為機床斷電后．系統(tǒng)就失去了對各坐標軸位置的記憶,所以在接通電源后，必須讓各坐標軸回到機床某一固定點上,這一固定點就是機床坐標系的原點或零點．也稱機床參考點。

Hengstler編碼器在數(shù)控機床應(yīng)用中的重要性

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

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