Hengstler編碼器在數(shù)控機(jī)床中的5個典型應(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,主要有位移測量、主軸位置控制、測速、在交流伺服電動機(jī)中的應(yīng)用、零標(biāo)志脈沖用于回參考點(diǎn)控制等五個。
一、Hengstler編碼器應(yīng)用于機(jī)床的位移測量
亨士樂編碼器在數(shù)控機(jī)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(jī)同軸連接在一起(稱為內(nèi)裝編碼器),伺服電動機(jī)再和滾珠絲杠聯(lián)接,編碼器在進(jìn)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(jìn)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。
(a)內(nèi)裝式 (b)分立式
1—伺服電機(jī);2—編碼器圖
1 編碼器的安裝方式
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(jī)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(jì)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(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(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,導(dǎo)程即為螺距)。通過對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(jìn)給速度F。
圖2 螺紋切削
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)定一個固定的吃刀量時,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。
圖3 螺紋切削指令G33
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。
圖4 剛性攻絲
(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,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。
圖5 恒線速切削及指令G96
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)。
圖6 線速度(表面速度)的計(jì)算
(3)主軸定向控制(spindle orientation)
通過安裝在主軸或主軸電動機(jī)上的亨士樂編碼器,實(shí)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(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。
圖7 刀具與主軸配合
1---刀柄 2---主軸端面 3---端面鍵
主軸編碼器給出位置檢測信號,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。
圖8 用于主軸定向的編碼器接口
三、Hengstler編碼器應(yīng)用于機(jī)床的測速
通過計(jì)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(dāng)前電動機(jī)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(jī)(模擬測速),如圖9所示。
圖9 測速原理
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(jì)數(shù);
Tc:計(jì)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(jī)中的應(yīng)用
數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動用的交流伺服電動機(jī)為三相交流永磁同步電動機(jī),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(jī)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
(2)提供伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋信號,構(gòu)成速度環(huán)。
(3)檢測伺服電機(jī)角位移,提供位置反饋信號,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裝置時.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度測量技術(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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