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Ein optoelektronischer Encoder ist ein drehbarer Positionssensor, der in modernen Servosystemen weit verbreitet ist, um Winkelverschiebungen oder Winkelgeschwindigkeiten zu messen, dessen Drehachse in der Regel mit der gemessenen Drehachse verbunden ist und sich mit der gemessenen Drehachse dreht. Es kann die Winkelverschiebung der gemessenen Achse in eine binäre Codierung oder eine Reihe von Impulsen umwandeln.

Optoelektronische Encoder sind in zwei Arten unterteilt: formell und inkremental. Der inkrementale optische Encoder hat die Vorteile der einfachen Struktur, der kleinen Größe, des niedrigen Preises, der hohen Genauigkeit, der schnellen Reaktionsgeschwindigkeit und der Leistungsstabilität, und die Anwendung ist weit verbreitet. In hochauflösenden und weitreichenden Winkelgeschwindigkeits-/Verschiebungsmesssystemen sind inkrementale optoelektronische Encoder effektiver. Typ-Encoder kann direkt die digitale Information, die jedem Winkel entspricht, für die einfache Verarbeitung durch den Computer geben, aber wenn die Zufuhrzahl größer ist als eine Umdrehung, muss eine spezielle Behandlung erfolgen, und muss mit dem Verzögerungsgetriebe mehr als zwei Encoder verbunden werden, um eine mehrstufige Prüfeinrichtung zu bilden, die ihre Struktur komplex und kostenhof macht.

1 Inkremental-Encoder

1.1 Struktur des inkrementären optischen Encoders

Ein Inkremental-Encoder bezieht sich auf eine Reihe von Impulsen, die mit der Drehachse drehende Scheibe gegeben wird, und diese Impulse mit dem Zähler entsprechend der Drehrichtung gezählt werden, um die gedrehte Winkelverschiebung anzugeben. Die schematische Darstellung der Struktur des inkrementären optoelektronischen Encoders ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1 Schema der Struktur der inkrementellen Optikplatte

Die Optikscheibe ist mit der Drehachse verbunden. Die Scheibe kann aus Glas gefertigt werden, die Oberfläche ist mit einer Schicht lichtdurchlässiges Metallchrom beschichtet und an den Kanten eine zentrale Lichtdurchlässige Schlitze bildet. Die Lichtdurchlässigen Schlitze sind auf dem Umfang der Scheiben gleich verteilt und variieren in der Anzahl von Hunderten bis zu Tausenden. Auf diese Weise wird der gesamte Umfang der Scheibe gleichmäßig in n Lichtdurchlässige Schlitze aufgeteilt. Eine inkrementale Optocode-Platte kann auch aus Edelstahlplatten gefertigt werden, die anschließend eine gleichmäßig verteilte Lichtdurchlässigkeitsschlitze an den umlaufenden Kanten schneiden.

1.2 Arbeitsprinzip des Inkrementalencoders

Das Arbeitsprinzip des Inkrementalencoders ist in Abbildung 2 dargestellt. Es besteht aus einer Hauptscheibe, einer Referenzscheibe, einem optischen System und einem optischen Wandler. Auf dem Rand der Hauptscheibe (Optische Scheibe) der Grafik sind strahlenförmige schmale Nächte mit gleichem Abstand graviert, die eine gleichmäßig verteilte transparente und undurchsichtige Zone bilden. Die Anzeigescheibe ist parallel zur Hauptscheibe und hat zwei Sätze von transparenten Erkennungsschmalen a und b eingegraviert, die sich 1/4 des Abstands voneinander trennen, um das Ausgangssignal der beiden optischen Wandler A und B um 90 ° in der Phase zu unterscheiden. Bei der Arbeit steht die Anzeigescheibe still, die Hauptscheibe dreht sich zusammen mit der Drehachse, und das Licht, das von der Lichtquelle ausgestrahlt wird, wird auf die Hauptscheibe und die Anzeigescheibe projiziert. Wenn der undurchsichtige Bereich auf der Hauptscheibe genau mit der transparenten schmalen Naht auf der Anzeigeschibe ausgerichtet ist, wird das Licht vollständig verdeckt und die Ausgangsspannung des optischen Wandlers ist klein; Wenn die transparente Zone auf der Hauptscheibe genau mit der transparenten schmalen Naht auf der Anzeigeschibe ausgerichtet ist, passiert das gesamte Licht und die Ausgangsspannung des optischen Wandlers ist groß. Jedes Mal, wenn die Hauptscheibe einen Gravurzyklus dreht, gibt der optische Wandler eine ungefähre Sinuswellenspannung aus, und die Ausgangsspannungsphasendifferenz der optischen Wandler A und B beträgt 90°.

Abbildung 2 Arbeitsprinzip des Inkrementalen Encoders Abbildung 3 Ausgangswellenform des Optoelektronischen Encoders

Die Lichtquelle des optoelektronischen Encoders ist eine eigene Leuchtdiode mit Fokussierungseffekt. Wenn sich die Optikplatte mit der Arbeitsachse dreht, bildet das Licht durch die Schlitze der Optikplatte und der Lichtbalkenplatte ein überleuchtendes Lichtsignal. Das Lichtempfindliche Element wandelt dieses Lichtsignal in ein elektrisches Impulssignal um, nach der Signalverarbeitungsschaltung wird das Impulssignal an das CNC-System ausgegeben, und die Bitverschiebung kann auch direkt durch das Digitalrohr angezeigt werden.

Die Messgenauigkeit des optischen Encoders hängt von der Anzahl der schmalen Streifen auf dem Umfang der Scheibe ab, der unterscheidbare Winkel α ist:

α = 360°/n (1) Auflösung = 1/n (2)

Zum Beispiel: Die Anzahl der Lichtdurchlässigkeitsschlitze an den Randen der Scheibe beträgt 1024, so kann der kleine Winkel α = 360 ° / 1024 = 0,352 ° unterschieden werden.

Um die Drehrichtung der Scheibe zu bestimmen, müssen zwei Schlitze auf der Lichtbalkenplatte festgelegt werden, deren Abstand das (m + 1/4) Mal der Abstand der beiden Schlitze auf der Scheibe ist, m ist eine positive Ganzzahl, und zwei Gruppen entsprechender Lichtempfindliche Elemente wie A, B in Abbildung 1 festgelegt werden, manchmal auch als cos- und sin-Elemente bezeichnet. Wenn das Objekt sich dreht, gibt ein koaxialer oder assoziierter optischer Encoder ein digitales Impulssignal mit einem Phasenunterschied von 90° zwischen A und B aus. Die Ausgangswellenform des optischen Encoders ist in Abbildung 3 dargestellt. Um die Position der Drehung der Scheibe zu ermitteln, muss auch ein Referenzpunkt wie der 'Null-Ziffer-Schlitz' in Abbildung 1 festgelegt werden. Jede Umdrehung der Scheibe erzeugt das Lichtempfindliche Element, dem der Zero-Mark-Schlitz entspricht, einen Impuls, der als 'Eindrehungs-Impuls' bezeichnet wird, siehe C0-Impuls in Abbildung 3.

Abbildung 4 zeigt die Wellenform des Signals A und B und ihre Zeitreihenbeziehung, wenn der Encoder sich positiv dreht und die Phase des Signals A 90° vor dem Signal B liegt, wie in Abbildung 4(a) gezeigt; Bei Umkehr ist die Signalphase B 90° vor dem Signal A, wie in Abbildung 4(b) gezeigt. Die Zahl der ausgegebenen Impulse A und B ist linear in Beziehung zu der gemessenen Winkelverschiebung, so dass die entsprechende Winkelverschiebung durch die Zählung der Paare der Impulse berechnet werden kann. Aus diesem Verhältnis zwischen A und B wird die Drehrichtung und die Drehwinkelverschiebung/Geschwindigkeit der gemessenen Maschine korrekt abgestimmt, was als Impulserkennung und -zählung bezeichnet wird. Die Identifizierung und Zählung von Impulsen ist sowohl mit Software als auch mit Hardware möglich.

Abbildung 4 Positive und umgekehrte Wellenformen des optischen Encoders

2. Typenkoder

Ein Typencoder ist ein Detektionselement, das den gemessenen Winkel direkt in den entsprechenden Code umwandelt, indem die Musterinformationen auf der Scheibe gelesen werden. Codierungsscheiben gibt es drei Arten von optoelektronischen, kontaktförmigen und elektromagnetischen.

Optoelektronische Scheiben sind derzeit die häufigsten Anwendungen, es ist die binäre Codierung auf einer Scheibe aus transparentem Material gedruckt. Abbildung 5 zeigt eine vierstellige binäre Scheibe, wobei die Kreise auf der Scheibe jeweils einen binären digitalen Codekanal repräsentieren und ein schwarz-weißes Muster auf dem gleichen Codekanal drucken, um eine Codierung zu bilden. Die schwarzen und weißen Lichtdurchlässigkeitsbereiche stellen die binären '0' und '1' dar. Auf einer vierstelligen Opticode-Platte gibt es vier Kreise von digitalen Codekanalen, jeder Codekanal repräsentiert ein binäres Bit, die Innenseite ist hoch, die Außenseite ist niedrig, die Zahl der programmierbaren Zahlen im Bereich von 360 ° ist 24 = 16.

Bei der Arbeit wird die Stromversorgung auf der einen Seite des Codes platziert, und auf der anderen Seite wird der optische Empfänger platziert, und jeder Codekanal sollte ein optisches Rohr und eine Verstärkungs- und Formschaltung haben. Die Scheibe wird an verschiedene Positionen gedreht, das optische Element empfängt das Lichtsignal und verwandelt sich in das entsprechende elektrische Signal, nach der Vergrößerung wird es zum entsprechenden digitalen elektrischen Signal. Aufgrund der Herstellungs- und Installationsgenauigkeit kann jedoch ein Lesefehler entstehen, wenn sich die Scheibe während des Wechsels der beiden Segmente dreht. Zum Beispiel, wenn sich das Zifferblatt in Uhrzeigerrichtung dreht und sich von der Position '0111' in '1000' ändert, können sich alle vier Ziffern gleichzeitig ändern und die Zahl in einen der 16 Codes falsch interpretiert werden, wie 1111, 1011, 1101, ... 0001 usw., was einen unerschätzten großen numerischen Fehler verursacht, den Fehler als nicht-einwertigen Fehler bezeichnet.

Um nicht einwertige Fehler zu beseitigen, können die folgenden Methoden verwendet werden.

2.1 Kreislaufscheiben (oder Grau-Scheiben)

Der Loopcode wird üblicherweise auch als Graucode bezeichnet und ist auch eine binäre Codierung mit nur zwei Zahlen "0" und "1". Abbildung 6 zeigt einen vierstelligen Binärzyklus-Code. Diese Codierung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich nur ein Code zwischen zwei beliebigen benachbarten Codes ändert, d.h. "0" in "1" oder "1" in "0". Daher kann der entstehende Lesefehler bei der Transformation von zwei Zahlen nicht mehr als '1' überschreiten und nur als eine der beiden benachbarten Zahlen gelesen werden. Daher ist es eine effektive Methode, um nicht-einwertige Fehler zu beseitigen.

2.2 Binäre Kreislaufscheibe mit Positions-Optoelektronik

Diese Scheibe fügt ein weiteres Signalbit in den äußeren Kreis der vierstelligen Binärzyklusscheibe hinzu. Abbildung 7 zeigt eine binäre Kreislaufscheibe mit einer Positions-Optoelektronik. Die Position des Signalbits auf dem äußeren Ring der Scheibe ist genau mit der Zustandslinie falsch und wird nur gelesen, wenn das optische Element am Signalbit ein Signal hat, so dass kein nicht-einwertiger Fehler entsteht.