由于數控系統中檢測元件的禮節越來越重要，所以把此文章發布，位置檢測裝置作為數控機床的重要組成部分，其作用就是檢測位移量，并發出反饋信號與數控裝置發出的指令信號相比較，若有偏差，經放大后控制執行部件使其向著消除偏差的方向運動，直至偏差等于零為止。為了提高數控機床的加工精度，必須提高檢測元件和檢測系統的精度。其中以編碼器，光柵尺，旋轉變壓器，測速發電機等比較普遍，下面主要對光柵和編碼器進行說明。
光柵,現代光柵測量技術
簡要介紹：
將光源、兩塊長光柵（動尺和定尺）、光電檢測器件等組合在一起構成的光柵傳感器通常稱為光柵尺。光柵尺輸出的是電信號，動尺移動一個柵距，輸出電信號便變化一個周期，它是通過對信號變化周期的測量來測出動就與定就職相對位移。目前使用的光柵尺的輸出信號一般有兩種形式，一是相位角相差90度的2路方波信號，二是相位依次相差90度的4路正弦信號。這些信號的空間位置周期為W。下面針對輸出方波信號的光柵尺進行了討論，而對于輸出正弦波信號的光柵尺，經過整形可變為方波信號輸出。輸出方波的光柵尺有A相、B相和Z相三個電信號，A相信號為主信號，B相為副信號，兩個信號周期相同，均為W，相位差90o。Z信號可以作為較準信號以消除累積誤差。
一、柵式測量系統簡述
從上個世紀50年代到70年代柵式測量系統從感應同步器發展到光柵、磁柵、容柵和球柵，這5種測量系統都是將一個柵距周期內的絕對式測量和周期外的增量式測量結合了起來，測量單位不是像激光一樣的是光波波長，而是通用的米制（或英制）標尺。它們有各自的優勢，相互補充，在競爭中都得到了發展。由于光柵測量系統的綜合技術性能優于其他4種，而且制造費用又比感應同步器、磁柵、球柵低，因此光柵發展得最快，技術性能最高，市場占有率最高，產業最大。光柵在柵式測量系統中的占有率已超過80%，光柵長度測量系統的分辨力已覆蓋微米級、亞微米級和納米級，測量速度從60m/min，到480m/min。測量長度從1m、3m達到30m和100m。
二、光柵測量技術發展的回顧
計量光柵技術的基礎是莫爾條紋（Moire fringes），1874年由英國物理學家L.Rayleigh首先提出這種圖案的工程價值，直到20世紀50年代人們才開始利用光柵的莫爾條紋進行精密測量。1950年德國Heidenhain首創DIADUR復制工藝，也就是在玻璃基板上蒸發鍍鉻的光刻復制工藝，這才能制造高精度、價廉的光柵刻度尺，光柵計量儀器才能為用戶所接受，進入商品市場。1953年英國Ferranti公司提出了一個4相信號系統，可以在一個莫爾條紋周期實現4倍頻細分，并能鑒別移動方向，這就是4倍頻鑒相技術，是光柵測量系統的基礎，并一直廣泛應用至今。
德國Heidenhain公司1961年開始開發光柵尺和圓柵編碼器，并制造出柵距為4μm（250線/mm）的光柵尺和10000線/轉的圓光柵測量系統，能實現1微米和1角秒的測量分辨力。1966年制造出了柵距為20μm（50線/mm）的封閉式直線光柵編碼器。在80年代又推出AURODUR工藝，是在鋼基材料上制作高反射率的金屬線紋反射光柵。并在光柵一個參考標記（零位）的基礎上增加了距離編碼。在1987年又提出一種新的干涉原理，采用衍射光柵實現納米級的測量，并允許較寬松的安裝。1997年推出用于絕對編碼器的EnDat雙向串行快速連續接口，使絕對編碼器和增量編碼器一樣很方便的應用于測量系統。現在光柵測量系統已十分完善，應用的領域很廣泛，全世界光柵直線傳感器的年產量在60萬件左右，其中封閉式光柵尺約占85%，開啟式光柵尺約占15%。
三、當今采用的光電掃描原理及其產品系列
光柵根據形成莫爾條紋的原理不同分為幾何光柵（幅值光柵）和衍射光柵（相位光柵），又可根據光路的不同分為透射光柵和反射光柵。光米級和亞微米級的光柵測量是采用幾何光柵，光柵柵距為100μm至20μm遠于光源光波波長，衍射現象可以忽略，當兩塊光柵相對移動時產生低頻拍現象形成莫爾條紋，其測量原理稱影像原理。納米級的光柵測量是采用衍射光柵，光柵柵距是8μm或4μm，柵線的寬度與光的波長很接近，則產生衍射和干涉現象形成莫爾條紋，其測量原理稱干涉原理。現以Heidenhain產品采用的3種測量原理介紹如下。
1.具有四場掃描的影像測量原理（透射法）
采用垂直入射光學系統均為4相信號系統，是將指示光柵（掃描掩膜）開四個窗口分為4相，每相柵線依次錯位四分之一柵距，在接收的4個光電元件上可得到理想的4相信號，這稱為具有四場掃描的影像測量原理。Heidenhain的LS系列產品均采用此原理，其柵距為20μm，測量步距為0.5μm，準確度為±10、±5、±3μm三種，最大測量長度3m，載體為玻璃。
2.有準單場掃描的影像測量原理（反射法）
反射標尺光柵是采用40μm柵距的鋼帶，指示光柵（掃描掩膜）用二個相互交錯并有不同衍射性能的相位光柵組成，這樣一來，一個掃描場就可以產生相移為四分之一柵距的四個圖象，稱此原理為準單場掃描的影象測量原理。由于只用一個掃描場，標尺光柵局部的污染使光場強度的變化是均勻的，并對四個光電接收元件的影響是相同的，因此不會影響光柵信號的質量。與此同時，指示光柵和標尺光柵的間隙和間隙公差能大一些。Heidenhain LB和LIDA系列的金屬反射光柵就是采用這一原理。LIDA系列開式光柵其柵距為40μm和20μm，測量步距0.1μm，準確度有±5μm、±3μm，測量長度可達30m，最大速度480m/min。LB系列閉式光柵柵距都是40μm，最大速度可達120m/min。
3.單場掃描的干涉測量原理
對于柵距很小的光柵，指示光柵是一個透明的相位光柵，標尺光柵是自身反射的相位光柵，光束是通過雙光柵的衍射，在每一級的諸光束相互干涉，就形成了莫爾條紋，其中+1和-1級組干涉條紋是基波條紋，基波條紋變化的周期與光柵的柵距是同步對應的。光調制產生3個相位相差120°的測量信號，由3個光電元件接收，隨后又轉換成通用的相位差90°的正弦信號. Heidenhain LF、LIP、LIF系列光柵尺是按干涉原理工作，其光柵尺的載體有鋼板、鋼帶、玻璃和玻璃陶瓷，這些系列產品都是亞微米和納米級的，其中最小分辨力達到1納米。
在80年代后期柵距為10μm的透射光柵LID351（分辨力為0.05μm）其間隙要求就比較嚴格為（0.1±0.015）mm。由于采用了新的干涉測量原理對納米級的衍射光柵安裝公差就放得比較寬，例如指示光柵和標尺光柵之間的間隙和平行度都很寬（表1所示）。只有衍射光柵LIP372的柵距是0.512μm，經光學倍頻后信號周期為0.128μm，其他柵距均為8μm和4μm，經光學二倍頻后得到的信號周期為4μm和2μm，其分辨力為5nm和50nm，系統準確度為±0.5μm和±1μm，速度為30m/min。LIF系列柵距是8μm，分辨力0.1μm，準確度±1μm，速度為72m/min。其載體為溫度系數近于0的玻璃陶瓷或溫度系數為8ppm/K的玻璃。衍射光柵LF系列是閉式光柵尺，其柵距為8μm，信號周期為4μm，測量分辨力0.1μm，系統準確度±3μm和±2μm，最大速度60m/min，測量長度達到3m，載體采用鋼尺和鋼膨脹系數（10ppm/K）一樣的玻璃。
四、光柵測量系統的幾個關鍵問題
1.測量準確度（精度）
光柵線位移傳感器的測量準確度，首先取決于標尺光柵刻線劃分度的質量和指示光柵掃描的質量（柵線邊沿清晰至關重要），其次才是信號處理電路的質量和指示光柵沿標尺光柵導向的誤差。影響光柵尺測量準確度的是在光柵整個測量長度上的位置偏差和光柵一個信號周期內的位置偏差。
光柵尺的準確度（精度）用準確度等級表示，Heidenhain定義為：在任意1m測量長度區段內建立在平均值基礎上的位置偏差的最大值Fmax均落在±α（μm）之內，則±α為準確度等級。Heidenhain準確度等級劃分為：±0.1、±0.2、±0.5、±1、±2、±3、±5、±10和±15μm。由此可見Heidenhain光柵尺的準確度等級和測量長度無關，這是很高的一個要求，現在還沒有見到其他生產廠家能夠達到這一水平。
現在Heidenhain玻璃透射光柵和金屬反射光柵的柵距只采用20μm和40μm，對衍射光柵柵距采用4μm和8μm，（1nm光柵除外）光學二倍頻后信號周期為2μm和4μm。Heidenhain要求開式光柵一個信號周期的位置偏差僅為±1%，閉式光柵僅為±2%，光柵信號周期及位置偏差見表2。
表2
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光柵類別 信號周期（μm） 一個信號周期內的位置偏差（μm）
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幾何光柵 20和40 開啟式光柵尺±1%，即±0.2~±0.4
封閉式光柵尺±2%，即±0.4~±0.8
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衍射光柵 2和4 開啟式光柵尺±1%，即±0.02~±0.04
封閉式光柵尺±2%，即±0.02~±0.08
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2.信號的處理及柵距的細分
光柵的測量是將一個周期內的絕對式測量和周期外的增量式測量結合在一起，也就是說在柵距的一個周期內將柵距細分后進行絕對的測量，超過周期的量程則用連續的增量式測量。為了保證測量的精度，除了對光柵的刻劃質量和運動精度有要求外，還必須對光柵的莫爾條紋信號的質量有要求，因為這影響電子細分的精度，也就是影響光柵測量信號的細分數（倍頻數）和測量分辨力（測量步距）。柵距的細分數和準確性也影響光柵測量系統的準確度和測量步距。對莫爾條紋信號質量的要求主要是信號的正弦性和正交性要好；信號直流電平漂移要小。對讀數頭中的光電轉換電路和后續的數字化插補電路要求頻率特性好，才能保證測量速度大。
Heidenhain有專門為光柵傳感器和CNC相聯結設計了光柵倍頻器，也就是將光柵傳感器輸出的正弦信號（一個周期是一個柵距）進行插補和數字化處理后給出相位相差90°的方波，其細分數（倍頻數）有5、10、25、50、100、200和400，再考慮到數控系統的4倍頻后對柵距的細分數有20、40、100、200、400、800和1600，能實現測量步距從1nm到5μm，倍頻數選擇取決于光柵信號一個柵距周期的質量。隨著倍頻數的增加光柵傳感器的輸出頻率要下降，倍頻器的倍頻細分數和輸入頻率的關系見表3。
表3
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倍頻細分數 0 2 10 25 50 100 200 400
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輸入頻率kHz 600 500 200 100 50 25 12.5 6.25
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選擇不同的倍頻數可以得到不同的測量步距。在Heidenhain的數顯表中可以設置15種之多的倍頻數，最高頻數可達1024，即1、2、4、5、10、20、40、50、64、80、100、128、200、400、1024。在微機上用的數量卡最大倍頻數可到4096。
3.光柵的參考標記和絕對座標
（1）光柵絕對位置的確立
光柵是增量測量，光柵尺的絕對位置是利用參考標記（零位）確定。參考標記信號的寬度和光柵一個柵距的信號周期一致，經后續電路處理后參考信號的脈沖寬度和系統一個測量步距一致。為了縮短回零位的距離，Heidenhain設計了在測量全長內按距離編碼的參考標記，每當經過兩個參考標記后就可以確定光柵尺的絕對位置，例如柵距為4μm和20μm的光柵尺掃描單元相對于標尺移動20mm后就可確定絕對位置，柵距為40μm的光柵尺要移動80mm才能確定絕對位置。
（2）絕對坐標傳感器
為了在任何時刻測量到絕對位置，Heidenhain設計制造了LC系列絕對光柵尺，它是用七個增量碼道得到絕對位置，每個碼道是不同的，刻線最細碼道的柵距有兩種，一種是16μm，另一種是20μm，其分辨力都可為0.1μm，準確度±3μm。測量長度可達3m，最大速度120m/min。它所采用的是光電掃描原理和常用的透射光柵一樣，是具有四場掃描的影像測量原理。
4.光柵的載體和熱性能
光柵尺是在20°±0.1℃環境中制造，光柵的熱性能直接影響到測量精度，在使用上光柵尺的熱性能最好和測量的對象的熱性能一致。考慮到不同的使用環境，Heidenhain光柵尺刻度的載體具有不同的熱膨脹系數。現用的材料有玻璃、鋼和零膨脹的玻璃陶瓷。普通玻璃的膨脹系數為8ppm/K，鋼為10ppm/K，現在Heidenhain已采用了和鋼一樣膨脹系數的玻璃。這些材料對振動、沖擊不敏感，具有確定的熱特性，并對氣壓和濕度的變化也不會有影響。對測量長度在3m以下的光柵尺載體材料都是用玻璃、玻璃陶瓷和鋼，超過3m以上則用鋼帶。通過對標尺載體所用材料和相應結構的選擇，使光柵尺與被測對象的熱性能有最佳的匹配。
5．信號處理
此外在信號處理、測量電路中，用到了觸發器、計數器等多種數字集成電路，測量分辨率為光柵柵距W。目前，計量用光柵尺的刻線一般為每毫米50~250線，對應的柵距W為20~4μm ，在精密測量中往往不能滿足要求，需要進行曲細分。如果同時考慮A、90度信號上升沿和下降沿的各種情況，就可以實現信號四細分，其主要電路有：細分辨向、計數和接口電路等，以上功能可以由通用數字集成電路來完成。
6．西門子參數設置
30200是編碼器的數量；31000=1表示是光柵尺。
30240{0}=1 30240{1}=0
注意：電機編碼器不能屏蔽，否則沒法動了。
如果想讓電機編碼器做位置反饋，直接置位DB3*.DBX1.5就行，因為光柵尺一般都作為第二反饋，即用DB3*.DBX1.6激活。但如果DBX1.5和DBX1.6同時生效，第一測量系統起作用。
但是上面做法的前提是PLC程序中沒有處理DBX1.5,否則你無法置位。
脈沖編碼器介紹
我們目前生產和使用的數控機床大多采用的是半閉環控制方式，大多數的系統生產廠家均將位置編碼器內置于驅動電機端部，間接測量執行部件的實際位置或位移。
1、 脈沖編碼器概念
脈沖編碼器是一種光學式位置檢測元件，編碼盤直接裝在電機的旋轉軸上，以測出軸的旋轉角度位置和速度變化，其輸出信號為電脈沖。
這種檢測方式的特點是：非接觸式的，無摩擦和磨損，驅動力矩小，響應速度快。缺點是抗污染能力差，容易損壞。按其編碼化方式，可分為增量式和絕對值式。
1）增量式編碼器
增量式編碼器工作原理
增量式編碼器工作原理如上圖a所示。在圖中，E為等節距的輻射狀透光窄縫圓盤，"Q1、"Q2
為光源，Da、Db、Dc為光電元件（光敏二極管或光電池），Da與Db錯開90度相位角安裝。當圓盤旋轉一個節距時，在光源照射下，光電元件Da，Db上得到圖b( 所示的光電波形輸出，A，B信號為具有90度相位差的正弦波，這組信號經放大器放大與整形，得到圖c) 的輸出方波，A相比B相導前90度，其電壓幅值為5V。設A相導前B相時為正方向旋轉，則B相導前A相時即為負方向旋轉，利用A相與B相的相位關系可以判別編碼器的旋轉方向，C相產生的脈沖為基準脈沖，又稱零點脈沖，它是軸旋轉一周在固定位置上產生一個脈沖，在數控車床上切削螺紋時，可將它作為車刀進刀點和退刀點的信號使用，以保證切削的螺紋不會亂扣。在加工中心上可作為主軸準停信號，以保證主軸和刀庫間的可靠換刀。AB相脈沖信號經頻率———電壓變換后，得到與轉軸轉速成比例的電壓信號，便可測得速度值及位移量。
2）絕對值式編碼器
絕對值式編碼器是通過讀取編碼盤上的圖案來表示數值的。下圖所示的為葛萊編碼盤，圖中空白的部分透光，用“0”表示；涂黑的部分不透光，用“1”表示。此碼盤共有四環，由里向外每一環配置的光電變換器對應2的3次方，2的2次方，2的1次方，2的0次方。圖中的碼盤共分為16份，要提高檢測精度，可多分。
葛萊編碼盤
3）增量式編碼器和絕對值式編碼器比較
在實際應用中，通過比較，發現增量式結構簡單，成本低；但其移距是由測量信號計數讀出的，基點特別重要，每次開機或因故停機后，都要重回參考點；并且排除故障后不能再找到事故前的正確位置，而且由于干擾易產生計數誤差。這種增量式編碼器多用于精度要求不是很高的經濟型數控機床。而絕對值式的結構復雜，成本高；但其坐標值直接從碼盤中讀出，不會有累積誤差；編碼器本身具有機械式存儲功能（需要外加電池），即使因停電或其它原因造成坐標值清除，通電后，仍可找到原絕對坐標位置。這種編碼器多用于精度和速度要求較高的數控機床，特別是控制軸數多達四、五個的加工中心機床上。
2、全閉環位置檢測裝置
還有一種全閉環控制方式，可獲得比半閉環更高的位移精度。這種進給伺服系統的位置檢測裝置安裝在進給系統末端的執行部件上，實測它的位置或位移量，而安裝在驅動電機端部的編碼器則作為測速元件，構成速度環。位置檢測裝置多選用光柵尺，位置信號的檢出是由光柵讀數頭完成，標尺光柵（長光柵）和指示光柵（短光柵）分別安裝在機床的移動部件及固定部件上，兩者相互平行，它們之間保持0.05或0.1的間隙。當標尺光柵沿指示光柵連續移動時，光電元件所感應的光電流變化規律近似正弦波形，將此正弦信號經放大、整形、微分線路處理后，轉換為數字脈沖信號。標尺光柵移動一個柵距產生一個計數脈沖，用計數器來計算脈沖數，則可測得機床工作臺的位移量。采用倍頻的方法可提高光柵的分辨精度。光柵尺的特點是測量精度高，而且精度可以長期保持；但對工作環境的要求較高，并且測量裝置要和工作臺等長，不便于在大型數控機床上使用。光柵尺多用于高精度的中、小型數控機床上。因全閉環控制系統將機械傳動機構包含在系統之內，機械傳動機構的固有頻率、阻尼、間隙等將成為系統不穩定的因素，所以全閉環系統在設計及調試上較困難，不及半閉環應用的廣泛，這里不再細說了。
附：伺服電機和主軸電機的區別
轉子結構不一樣,主軸電機的轉子與鼠籠電機的轉子一樣,由于沒有磁極,因而不需要相應的檢測轉子位置的信號,1PH7主軸電機的編碼器型號為ERN1381,1FT6/1FK6電機的編碼器型號為ERN1387,其主要區別就是ERN1381沒有附加的C相和D相信號,故更換編碼器不需要重新調整,ERN1387可以用在1PH電機上,但反過來ERN1381不能用在進給電機上.
主軸電機一般功率很大,因而電機的結構對散熱要求更高.
工作范圍不一樣,伺服電機工作在最低轉速和額定轉速之間的恒轉矩區,而主軸電機工作在額定轉速和最高轉速之間的恒功率區,由于要達到很大的調速范圍,主軸電機的額定轉速一般都很低
ERN1387編碼器更換方法
1. 卸開電機后蓋,編碼器的后蓋
2. 松開編碼器安裝螺絲
3. 旋轉電機轉子軸,使編碼器轉子上的標志和編碼器殼上的標志重合
4. 卸下編碼器 , 注意在裝卸的時候盡量使用特制螺絲頂出來,免得損壞編碼器
5. 旋轉新的編碼器,使編碼器的兩個標志重合
6. 按以上相反的順序安裝編碼器
注意:在安裝編碼器的過程中,要保證電機的轉子不同,否則會失去轉子的相對位置,如果失去了相對位置 , 老電機則需要用示波器來調整編碼器的安裝位置, 新電機則可以依據電機轉子軸上的標志來判斷調整編碼器的安裝位置時,即可以機械調整,也可以調整驅動參數MD1016來設置一個偏置值,但該方法僅能用在840D上 , 通過這個方法調整的電機換到別的機床上使用可能會因為驅動參數的不同而不能正常使用.
滬公網安備31010802001143號
