Hengstler编码器在数控机床中的5个典型应用分析

Hengstler编码器好象机床的眼睛，在数控机床上的应用很多，主要有位移测量、主轴位置控制、测速、在交流伺服电动机中的应用、零标志脉冲用于回参考点控制等五个。

一、Hengstler编码器应用于机床的位移测量

亨士乐编码器在数控机床中用于工作台或刀架的直线位移测量时有两种安装方式：

一是和伺服电动机同轴连接在一起（称为内装编码器），伺服电动机再和滚珠丝杠联接，编码器在进给传动链的前端，如图1（a）所示；二是编码器连接在滚珠丝杠末端（称为分立编码器），如图1（b）所示。由于后者包含的进给传动链误差比前者多，因此在半闭环伺服系统中，后者的位置控制精度比前者高。


由于增量式光电编码器每转过一个分辨角就发出一个脉冲信号，因此根据脉冲的数量、传动比及滚珠丝杠螺距即可得出移动部件的直线位移量。

如，某带光电编码器的伺服电动机与滚珠丝杠直连（传动比1：1），光电编码器1024脉冲/转，丝杠螺距8mm，在数控系统位置控制中断时间（位控周期）内计数1024脉冲，则在该时间段里，工作台移动的距离为（1/1024）转/脉冲×8mm/转×1024脉冲=8mm。

在数控回转工作台中，通过在回转轴末端安装亨士乐编码器，可直接测量回转工作台的角位移。

二、Hengstler编码器应用于机床主轴控制

通常数控机床上主轴只需控制转速，但有时也有位置控制要求。为主轴配置的编码器一般具有一对正交（相位差90°）的脉冲输出信号，用于测量旋转电机的精确角度。

（1）主轴同步控制（synchronous control）

所谓同步控制是指主轴旋转与坐标轴进给的同步的控制，如螺纹切削、刚性攻丝等。此时机床控制面板上的主轴倍率开关、进给倍率开关等一定要失效。

a．保证螺纹导程（lead，单头螺纹时，导程即为螺距）。通过对编码器输出脉冲的计数，保证主轴每转一周，刀具准确地移动一个导程，如图2所示。CNC系统根据编程的主轴转速S和螺纹导程L（式1）算出进给速度F。


式1中，F：进给速度，mm/min；
             S：主轴转速，r/min

b．保证重复切削不乱牙。一般的螺纹加工要经过几次切削才能达到要求的螺纹深度，每次设定一个固定的吃刀量时，开始进刀的位置必须相同，即保证刀具是在工件圆周上的同一点切入工件。为了保证重复切削不乱牙，数控系统在接收到光电编码器的1转信号脉冲后才开始螺纹切削的计算。螺纹切削指令为G33，如图3所示。


c. 刚性攻丝（rigid tapping）。主轴控制回路为位置闭环控制，主轴电机的旋转与攻丝轴（Z轴）进给完全同步。刚性攻丝方式下，直接使用与刀柄刚性连接的丝锥，从而实现高速高精度攻丝，如图4所示。


（2）恒线速控制（Constant Surface Speed）

车床或磨床进行端面或锥形面切削时，为了使加工表面粗糙度保持一定的数值，要求刀具与工件接触点的线速度为恒值。恒线速切削指令为G96，如图5所示。


随着刀具的径向进给及切削直径D的逐渐减小或增大，应不断提高或降低主轴转速S，保持切削速度Vc为恒值，如图6所示（式2）。


（3）主轴定向控制（spindle orientation）

通过安装在主轴或主轴电动机上的亨士乐编码器，实现加工中心自动换刀或精镗孔退刀时的主轴定向控制。

在加工中心中，切削转矩通常是通过主轴上的端面键和刀柄上的键槽来传递的，因此每一次自动换刀时，都必须使刀柄上的键槽对准主轴的端面键，使机床换刀能够顺利进行，这就是主轴定向（也称为主轴准停），如图7所示。


主轴编码器给出位置检测信号，使主轴准确地停在规定的位置上。一般采用1024ppr的脉冲编码器，接口如图8所示。

三、Hengstler编码器应用于机床的测速

通过计算每秒内光电编码器输出脉冲（encoder pulse）的个数（即脉冲频率）就能反映当前电动机的转速（speed），这种测速方法属于数字测速，因此光电编码器可以代替测速发电机（模拟测速），如图9所示。


式3中
  n：轴速度（r/min）；
  N：编码器每转脉冲数（ppr）；
  C：在时间间隔Tc内脉冲总计数；
  Tc：计数时间间隔（s）

测速度可以无限累加测量，目前增量式编码器在测速应用方面仍处于无可取代的主流位置。

四、Hengstler在交流伺服电动机中的应用

数控机床进给驱动用的交流伺服电动机为三相交流永磁同步电动机，内装的光电编码器有三个作用：

（1）如亨士乐编码器中的格雷码信号，检测电动机转子磁极相对于定子绕组的角度位置，从而使控制电路发出相应的对称三相信号，驱动电路根据这样的三相信号去驱动定子三相绕组，使电动机运转。

（2）提供伺服电机转速反馈信号，构成速度环。

（3）检测伺服电机角位移，提供位置反馈信号，实现位置伺服控制，这是编码器的基本功能。

五、Hengstler编码器零标志信号用于回参考点控制

当数控机床采用增量式位置检测装置时.在接通电源后实现要完成回参考点的操作。这是因为机床断电后．系统就失去了对各坐标轴位置的记忆,所以在接通电源后，必须让各坐标轴回到机床某一固定点上,这一固定点就是机床坐标系的原点或零点．也称机床参考点。

Hengstler编码器在数控机床应用中的重要性

目前数控机床沿着高精度．高速度．高效率的方向不断发展,对数控机床精度的要求也日益提高，基于光电编码器的角度和长度测量技术，已经非常成熟，光电编码器在数控机床中作为检测元件的使用必将日益广泛．占据无可取代的主流位置。

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