第五章 机械位移传感器 5.3 光电编码器.

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1 第五章 机械位移传感器 5.3 光电编码器

2 5.3 光电编码器 4学时 一、教学内容 1、增量编码器 2、绝对编码器 3、编码器的选用 4、编码器的安装方式
5、编码器的安装步骤与电气接线 6、绝对编码器的机械安装 7、编码器的调试 （自学） 二、归纳总结 三、作业

3 5.3 光电编码器 教学目标 (1) 增量式编码器的工作原理与特性； (2) 绝对式编码器的工作原理与特性； (3)编码器的安装调试步骤；
教学重点难点 重 点 难 点 光电编码器的安装与调试方法； 光电编码器的安装与调试过程中遇到的问题

4 5.3 光电编码器 自动生产线上分拣站，进行物件分拣的时候，常用的方法：根据光电、光纤传感器进行分拣，缺点信号有滞后，不准确，气缸推动有误差。 更准确的方法，该怎么做？ ↖

5 5.3 光电编码器 伺服电机 编码器 编码器 伺服电机 伺服电机 编码器 编码器 伺服电机

6 x＝t/360×  x 编码器装在丝杠末端 5.3 光电编码器
位置反馈  x

7 5.3 光电编码器 螺距 丝杠螺距 设:螺距t=4mm，丝杠在4s时间里转动了10圈，求:丝杠的平均转速n(r/min)及螺母移动了多少毫米？螺母移动的平均速度v又为多少？ 螺母 螺距 x=？ 丝杠

8 5.3 光电编码器 编码器和伺服电动机同轴安装 x＝t/360×  位置反馈  x

9 5.3 光电编码器 编码器读出原理 光电二极管 输出型号(增量式) 码盘 栅格,虑光镜 发光二极管
编码器是一个机械与电子紧密结合的精密测量器件,它通过光电原理或电磁原理将一个机械的几何位移量转换为电子信号（电子脉冲信号或者数据串）。 发光二极管

10 5.3 光电编码器 一、增量式编码器 用光信号扫描分度盘（分度盘与转动轴相联），通过检测、统计信 号的通断数量来计算旋转角度。
1、显示速度与旋转方向 2、显示角度位置(归零后) 3、分辨率通过每转多少脉冲表示 4、如果电源出现故障,所有的位置信息丢失 1-均匀分布透光槽码盘； 2-LED光源； 3-狭缝； 4-sin信号光电元件； 5-cos信号光电元件；6-零位读出光电元件；7-转轴；8-零位标志槽

11 5.3 光电编码器 一、增量式编码器 增量编码器输出信号
单通道信号：编码器码盘只有一圈光栅，编码器有一对光电扫描系统，输出一通道脉冲信号，后续设备根据单位时间检测到的脉冲数及编码器的分辨率计算出的角速度及线速度 信号输出如图： 通道A 可以测试速度 不能测试旋转方向

12 5.3 光电编码器 一、增量式编码器 双通道信号：编码器码盘有2圈光栅，并且以90度相位差排列，编码器有2对光电扫描同，输出2通道脉冲信号，由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转反转 信号输出如图： 通道A 通道 B 可以测试速度 可以测试旋转方向

13 5.3 光电编码器 一、增量式编码器 3通道信号：在双通道编码器的基础上增加了一个零位信号，用于基准点定位一般测长度使用该信号，测速一般不使用该信号。 信号输出如图： 通道A 通道 B 通道Z 可以测试速度 可以定位 可以测试旋转方向

14 5.3 光电编码器 一、增量式编码器 6通道信号：在3通道编码器的基础上将每一通道信号增加一个反向输出，即为6通道编码器，反向信号的存在主要是为了消除干扰及补偿损耗，以便可以长距离的传输。 信号输出如图： Output A Output A Output B Output B Output Z Output Z 顺时针方向 逆时针方向

15  5.3 光电编码器 一、增量式编码器 ＝360°／条纹数 ＝360°／1024＝0.352°
输出信号为一串脉冲，每一个脉冲对应一个分辨角，对脉冲进行计数N，就是对 的累加，即，角位移 ＝N。 如： ＝0.352，脉冲N＝1000，则：  ＝ 0.352×1000＝ 352  ＝360°／条纹数 ＝360°／1024＝0.352°

16 5.3 光电编码器 在现有编码器的条件下，通过细分技术能提高编码器的分辨力。细分前，编码器的分辨力只有一个分辨角的大小。采用4细分技术后，计数脉冲的频率提高了4倍，相当于将原编码器的分辨力提高了3倍，测量分辨角是原来的1/4，提高了测量精度。 一、增量式编码器 倍频（细分）  细分前 /4 4细分后

17 5.3 光电编码器 二、绝对式编码器 用光信号扫描分度盘（分度盘与传动轴相联）上的格雷码刻度盘以确定 被测物的绝对位置值，然后将检测到的格雷码数据转换为电信号以脉冲 的形式输出测量的位移量 4个电刷，导电为“1”，非导电为“0”  4位二进制码盘 最小分辨角 ＝360°／2n 当n＝4，＝360°／24＝22.5°

18 5.3 光电编码器 二、绝对式编码器 输出n位二进制编码，每一个编码对应唯一的角度。     

19 5.3 光电编码器 二、绝对式编码器 光敏元件 LED

20 5.3 光电编码器 绝对值编码器 增量编码器 显示速度与方向 在掉电或电源出现故障时位置 信息丢失 传送在一转中每一步的唯一的位 置信息
位置信息一直可用,即使在掉电或 电源出现故障时

21 5.3 光电编码器 三、编码器的选用 （1）、增量旋转编码器选型 应注意三方面的参数： 1．械安装尺寸。包括定位止口，轴径，安装孔位；电缆出线方式；安装空间体积； 工作环境防护等级是否满足要求。 2．分辨率。即编码器工作时每圈输出的脉冲数，是否满足设计使用精度要求。 3．电气接口。编码器输出方式常见有推拉输出（F型HTL格式），电压输出（E）， 集电极开路（C，常见C为NPN型管输出，C2为PNP型管输出），长线驱动器输出。其输出方式应和其控制系统的接口电路相匹配。

22 5.3 光电编码器 三、编码器的选用 （2）绝对编码器选用 　　机械部分: 　　1.测长度还是测角度，测长度如何通过机械方式转换。测角度是360度内(单圈)，还是可能过360度(多圈)。生产过程是一个方向旋转循环工作，还是来回方向循环工作。 　　2.轴连接安装形式，有轴型通过软性联轴器连接，还是轴套型连接。 　　3.使用环境：粉尘,水气,震动,撞击。 　　电气部分 　　1.连接的输出接收部分；2.信号形式；3.分辨率要求；4.控制要求。

23 编码器 5.3 光电编码器 四、编码器安装 工作台 丝杠 导轨 伺服电动机
当随气缸移动的磁环靠近感应开关时，感应开关的两根磁簧片被磁化而使触点闭合，产生电信号；当磁环离开磁性开关后，舌簧片失磁，触点断开，电信号消失。这样可以检测到气缸的活塞位置从而控制相应的电磁阀动作。

24 5.3 光电编码器 光电编码器 联轴器 滚珠丝杠 滑块 伺服电动机 光电编码器信号输出 伺服电动机电源

25 5.3 光电编码器 四、编码器的安装方式 1、外壳固定，使用柔性联轴器 coupling 适配器板

26 5.3 光电编码器 四、编码器的安装方式 2、外壳固定，使用柔性联轴器 连轴器 伺服法兰

27 5.3 光电编码器 四、编码器的安装方式 3、外壳可移动, 轴固定，通过销钉力矩安装 力矩销/力矩 弹片 螺丝 (盲孔)

28 5.3 光电编码器 四、编码器的安装方式 4、外壳可移动, 轴固定，通过弹簧力矩安装

29 5.3 光电编码器 五、编码器的安装步骤 编码器的安装步骤及注意事项 ①安装步骤： 第一步：把耦合器穿到轴上。不要用螺钉固定耦合器和轴。
　 ①安装步骤： 　 第一步：把耦合器穿到轴上。不要用螺钉固定耦合器和轴。 　 第二步：固定旋转编码器。编码器的轴与耦合器连接时，插入量不能超过下列值。E69-C04B型耦合器，插入量5.2mm；E69-C06B型耦合器，插人量5.5mm；E69-Cl0B型耦合器，插入量7.lmm。 第三步：固定耦合器。紧固力矩不能超过下列值。E69-C04B型耦合器，紧固力矩2.0kfg·cm；E69-C06B型耦合器，紧固力矩2.5kgf·cm；E69B-Cl0B型耦合器，紧固力矩4.5kfg·cm。 第四步：连接电源输出线。配线时必须关断电源。 第五步：检查电源投入使用。

30 5.3 光电编码器 五、编码器的配线及连接 ①配线应在电源0FF状态下进行。电源接通时，若输出线接触电源线，则有时会损坏输出回路。
②若配线错误，则有时会损坏内部回路，所以配线时应充分注意电源的极性等。 ③若和高压线、动力线并行配线，则有时会受到感应造成误动作或损坏。 ④延长电线时，应在10m以下。还由于电线的分布容量，波形的上升、下降时间会延长，所以有问题时，应采用施密特回路等对波形进行整形。 还有为了避免感应噪声等，也要尽量用最短距离配线。集成电路输人时，要特别注意。 ⑤电线延长时，因导体电阻及线间电容的影响。波形的上升、下降时间变长，容易产生信号间的干扰(串音)，因此应使用电阻小、线间电容低的电线(双绞线、屏蔽线)。

31 5.3 光电编码器 六、绝对编码器的机械安装 绝对值旋转编码器的机械安装有高速端安装、低速端安装、辅助机械装置安装等多种形式。

32 5.3 光电编码器 六、绝对编码器的机械安装 高速端安装：安装于动力马达转轴端（或齿轮连接），此方法优点是分辨率高，由于多圈编码器有4096圈，马达转动圈数在此量程范围内，可充分用足量程而提高分辨率，缺点是运动物体通过减速齿轮后，来回程有齿轮间隙误差，一般用于单向控制定位。另外编码器直接安装于高速端，马达抖动须较小，不然易损坏编码器。

33 5.3 光电编码器 六、绝对编码器的机械安装 2、低速端安装 ：安装于减速齿轮后，如卷扬钢丝绳卷筒的轴端或最后一节减速齿轮轴端，此方法已无齿轮来回程间隙，测量较直接，精度较高。 另外，GPMV0814机械转数为90圈，用此方法较合理，如果卷筒转数超过90圈，可用1：3或1：4齿轮组调整至转数测量范围内。

34 5.3 光电编码器 六、绝对编码器的机械安装 3、辅助机械安装，收绳机械安装 收拉钢丝绳 测量盘 收紧弹簧轮1 收紧弹簧轮2 专用弹簧
弹性联轴器 编码器

35 5.3 光电编码器 七、编码器的调试 YL-335B 分拣单元使用了这种具有 A、B 两相 90°相位差的通用型旋转编码器，用于计算工件在传送带上的位置。编码器直接连接到传送带主动轴上。该旋转编码器的三相脉冲采用NPN型集电极开路输出，分辨率 500线，工作电源DC12～24V。本工作单元没有使用 Z 相脉冲，A、B 两相输出端直接连接到 PLC（S7-224XP AC/DC/RLY 主单元）的高速计数器输入端。

36 5.3 光电编码器 七、编码器的调试 步骤一：分拣单元安装调试时，必须仔细调整电动机与主动轴联轴的同心度和传送皮带的张紧度。调节张紧度的两个调节螺栓应平衡调节，避免皮带运行时跑偏。传送带张紧度以电动机在输入频率为 1Hz 时能顺利启动，低于 1Hz 时难以启动为宜。测试时可把变频器设置为在 BOP 操作板进行操作（启动/停止和频率调节）的运行模式，即设定参数P0700 = 1（使能BOP 操作板上的起动/停止按钮），P1000 = 1（使能电动电位计的设定值）。 步骤二：安装调整结束后，变频器参数设置为： P0700 = 2（指定命令源为“由端子排输入”）， P0701 = 16（确定数字输入DIN1 为“直接选择 + ON” 命令） P1000 = 3（频率设定值的选择为固定频率）， P1001 = 25Hz（DIN1 的频率设定值）

37 5.3 光电编码器 七、编码器的调试 步骤三：在PC机上用STEP7-Micro/WIN编程软件编写PLC程序，主程序清单见图，编译后传送到PLC。

38 5.3 光电编码器 七、编码器的调试 步骤四： 运行PLC 程序，并置于监控方式。在传送带进料口中心处放下工件后，按启动按钮启动运行。工件被传送到一段较长的距离后，按下停止按钮停止运行。观察STEP7-Micro/WIN 软件监控界面上 VD0 的读数，将此值填写到表的“高速计数脉冲数”一栏中。然后在传送带上测量工件移动的距离，把测量值填写到表中“工件移动距离”一栏中；计算高速计数脉冲数/4 的值，填写到“编码器脉冲数”一栏中，则脉冲当量μ计算值=工件移动距离/编码器脉冲数，填写到相应栏目中。

39 5.3 光电编码器 七、编码器的调试 步骤五：重新把工件放到进料口中心处，按下启动按钮即进行第二 三次测试后，求出脉冲当量μ平均值为：μ=（μ1+μ2+μ3）/3=0.2576。 按如图所示的安装尺寸重新计算旋转编码器到各位置应发出的脉冲数：当工件从下料口中心线移至传感器中心时，旋转编码器发出 456 个脉冲；移至第一个推杆中心点时，发出650个脉冲；移至第二个推杆中心点时，约发出1021个脉冲；移至第三个推杆中心点时，约发出1361个脉冲。上述数据4倍频后，就是高速计数器HC0 经过值。

40 5.3 光电编码器 七、编码器的调试 步骤五：根据 脉冲当量和HC0 当前值确定工件位置，与存储到指定的变量存储器的特定位置数据进行比较，以确定程序的流向。特定位置数据是： ● 进料口到传感器位置的脉冲数为1824，存储在VD10单元中（双整数） ● 进料口到推杆1位置的脉冲数为2600，存储在VD14单元中 ● 进料口到推杆2位置的脉冲数为4084，存储在VD18单元中 ● 进料口到推杆3位置的脉冲数为5444，存储在VD22单元中。

41 5.3 光电编码器 七、编码器的调试 注意：特定位置数据均从进料口开始计算，因此，每当待分拣工件下料到进料口，电机开始启动时，必须对HC0 的当前值（存储在SMD38 中）进行一次清零操作。

42 5.3 光电编码器 归纳总结 计算工件在传送带上的位置时，需确定每两个脉冲之间的距离即脉冲当量。分拣单元主动轴的直径为 d=43 mm,则减速电机每旋转一周，皮带上工件移动距离 L=π*d =3.14×43= mm。故脉冲当量μ为μ=L/500≈0.273 mm。按如图所示的安装尺寸，当工件从下料口中心线移至传感器中心时，旋转编码器约发出 430 个脉冲；移至第一个推杆中心点时，约发出 614 个脉冲；移至第二个推杆中心点时，约发出 963个脉冲；移至第二个推杆中心点时，约发出1284个脉冲。实际上各种误差因素不可避免，例如传送带主动轴直径（包括皮带厚度）的测量误差，传送带的安装偏差、张紧度，分拣单元整体在工作台面上定位偏差等等，都将影响理论计算值。因此理论计算值只能作为估算值。在分拣单元安装调试时，除了要仔细调整尽量减少安装偏差外，尚须现场测试脉冲当量值。 。 作业