第6章 数控机床的检测装置

1、CNC第第6 6章章 数控机床的检测装置数控机床的检测装置 主要内容 主要内容主要内容 6.1 概述概述 6.2 旋转变压器旋转变压器 6.3 感应同步器感应同步器 6.4 光栅光栅 6.5 编码器编码器 CNC 主要内容 6.1 概述概述 组成：组成：位置检测装置是由检测元件（传感器）位置检测装置是由检测元件（传感器） 和信号处理装置组成的。和信号处理装置组成的。 作用：作用：实时测量执行部件的位移和速度信号，实时测量执行部件的位移和速度信号， 并变换成位置控制单元所要求的信号形式。它是闭并变换成位置控制单元所要求的信号形式。它是闭 环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。环、半闭环进给伺服系

2、统的重要组成部分。 闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位 置检测装置的精度决定的，在设计数控机床进给伺置检测装置的精度决定的，在设计数控机床进给伺 服系统，尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心服系统，尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心 选择位置检测装置。选择位置检测装置。 CNC 主要内容 6.1 概述概述 数控系统中的检测装置分为数控系统中的检测装置分为位移位移、速度速度和和电流电流三种类型。三种类型。 信号转换的原理信号转换的原理光电效应、光栅效应、电磁感应光电效应、光栅效应、电磁感应 原理、压电效应、压阻效应和磁阻效应原理、压电效应、压阻效应

3、和磁阻效应等。等。 安装的位置及耦合方式安装的位置及耦合方式直接测量直接测量和和间接测量间接测量； 测量方法测量方法 增量型增量型和和绝对型绝对型; ; 检测信号的类型检测信号的类型 模拟式模拟式和和数字式数字式； 运动型式运动型式 回转型回转型和和直线型直线型； CNC 主要内容 数控机床对检测装置的主要要求数控机床对检测装置的主要要求 1）受温度、湿度影响小，工作可靠，抗干扰能力）受温度、湿度影响小，工作可靠，抗干扰能力 强；强； 2）在机床移动范围内满足精度和速度要求；）在机床移动范围内满足精度和速度要求； 3）使用维护方便，适合机床运行环境；）使用维护方便，适合机床运行环境； 4）成本

4、低；）成本低； 5）易于实现高速的动态测量。）易于实现高速的动态测量。 6.1 概述概述 CNC 主要内容 6.2 旋转变压器旋转变压器 旋转变压器是一种旋转变压器是一种输出电压与角位移量成连续函输出电压与角位移量成连续函 数关系数关系的感应式微电机，的感应式微电机，数控机床上常见的角位数控机床上常见的角位 移测量装置，广泛用于移测量装置，广泛用于半闭环半闭环控制的数控机床。控制的数控机床。 优点：结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境优点：结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境 条件要求低（特别是高温、高粉尘的地方）、输条件要求低（特别是高温、高粉尘的地方）、输 出信号幅度大和抗干扰能力强等特点

5、出信号幅度大和抗干扰能力强等特点. . 缺点：信号处理比较复杂。缺点：信号处理比较复杂。 旋转变压器转子轴与电机轴或丝杠连接在一起，实现电机旋转变压器转子轴与电机轴或丝杠连接在一起，实现电机 轴或丝杠转角的测量。轴或丝杠转角的测量。 6.2 旋转变压器旋转变压器 CNC 主要内容 6.2 旋转变压器旋转变压器 旋转变压器的分类旋转变压器的分类 按有无电刷分：接触式和无接触式两种； 按极对数分：单对极和多对极； 按输出电压与转子转角间的函数关系分：正余弦旋 转变压器、线性旋转变压器、比例式旋转变压器以 及特殊函数旋转变压器等。 CNC 主要内容 由定子和转子组成由定子和转子组成，结构上与旋转式的

6、小型交结构上与旋转式的小型交 流电机相似。流电机相似。 有刷旋转变压器有刷旋转变压器定子、转子上两相绕组轴线分定子、转子上两相绕组轴线分 别相互垂直，转子绕组的引线（端点）经滑环别相互垂直，转子绕组的引线（端点）经滑环 引出，并通过电刷送到外面。引出，并通过电刷送到外面。 6.2 旋转变压器旋转变压器 CNC 主要内容 端盖端盖 6.2 旋转变压器旋转变压器 1 8 7 6 2 旋转变压器有刷结构示意图旋转变压器有刷结构示意图 54 机壳机壳 3 转轴转轴 轴承轴承 转子铁心转子铁心 定子铁心定子铁心 电刷电刷 滑环滑环 CNC 主要内容 6.2 旋转变压器旋转变压器 数控机床主要使用无刷旋转

7、变压器，组成：数控机床主要使用无刷旋转变压器，组成： 分解器、变压器，不通过电刷与滑环把信号分解器、变压器，不通过电刷与滑环把信号 传递出来传递出来 无刷旋转变压器无刷旋转变压器具有输出信号大、可靠性高、具有输出信号大、可靠性高、 寿命长及不用维修等优点。寿命长及不用维修等优点。 CNC 主要内容 1 2 3 5 6 74 8 6.2 旋转变压器旋转变压器 分解器分解器 变压器变压器 1-转子轴2-壳体3-分解器定子4-变压器定子5-变压器一 次绕组6-变压器转子线轴7-变压器二次绕组8-分解器转子 CNC 主要内容 6.2.2 旋转变压器的工作原理旋转变压器的工作原理 原理：原理：电磁感应互

8、感原理电磁感应互感原理 当当定子定子加上一定频率的励磁电压时，通过加上一定频率的励磁电压时，通过 电磁耦合，电磁耦合，转子转子绕组产生感应电势，其绕组产生感应电势，其输输 出电压出电压的大小取决于定子和转子两个绕组的大小取决于定子和转子两个绕组 轴线在空间的相对位置。轴线在空间的相对位置。 6.2 旋转变压器旋转变压器 CNC 主要内容 56 2 2 2 111 0 U1=UmsintU1=UmsintU1=Umsint 定子 转子 激磁 输出 U1 U2 t t =0 2=0 U2=0 =90 2=k 1 U2=nUmsint 0 2=k 1sin U2=nUmsintsin U2 nU1s

9、in 6.2 旋转变压器旋转变压器 CNC 主要内容 6.2 旋转变压器旋转变压器 单极型旋转变压器的定子和转子单极型旋转变压器的定子和转子各有一对磁极各有一对磁极， 假设加到定子绕组的假设加到定子绕组的励磁电压为励磁电压为U U1 1，则转子通过，则转子通过 电磁耦合，电磁耦合，产生感应电势产生感应电势U U2 2。 tUU m sin 1 sinsinsin 12 tnUnUU m Um励磁电压幅值励磁电压幅值 n绕组匝数比绕组匝数比 转子偏转角转子偏转角 CNC 主要内容 6.2 旋转变压器旋转变压器 56 2 2 2 111 0 U1=UmsintU1=UmsintU1=Umsint

10、定子 转子 激磁 输出 U1 U2 t t =0 2=0 U2=0 =90 2=k 1 U2=nUmsint 0 2=k 1sin U2=nUmsintsin tUU m sin 1 2 sinsin m UnUt CNC 主要内容 6.2 旋转变压器旋转变压器 45 U1s U1c R U2转子 定子 cossin 112cs kUkUU 1c 1s 1ccos 1ssin CNC 主要内容 6.2 旋转变压器旋转变压器 CNC 主要内容 6.2 旋转变压器旋转变压器 1 1鉴相工作方式鉴相工作方式 给定子的两个绕组通以相同幅值、相同频率，给定子的两个绕组通以相同幅值、相同频率， 但相位差但

11、相位差/2/2的交流励磁电压的交流励磁电压 U U1s 1s U Um msintsint U U1c 1c U Um m（sint+/2sint+/2）U Um mcostcost 当转子正转时当转子正转时，这两个励磁电压在转子绕组，这两个励磁电压在转子绕组 中产生的感应电压经叠加，得到转子的感应中产生的感应电压经叠加，得到转子的感应 电压电压U U2 2为为 cossin 112cs kUkUU CNC 主要内容 6.2 旋转变压器旋转变压器 U U2 2kUkUm msintsinsintsinkUkUm mcostcoscostcos =kU =kUm mcoscos（tt- -） 当

12、转子反转时当转子反转时，同样可得到，同样可得到 U U2 2k k U Um mcoscos（tt+ +） 转子输出电压的相位角和转子输出电压的相位角和间有严格对应关系，只要间有严格对应关系，只要 检测出转子输出电压的相位角，就可以求得检测出转子输出电压的相位角，就可以求得 ，也就，也就 可得到被测轴的角位移。可得到被测轴的角位移。 实际应用时，把定子余弦绕组励磁电压的相位作为基实际应用时，把定子余弦绕组励磁电压的相位作为基 准相位，与转子绕组的输出电压相位做比较，来确定准相位，与转子绕组的输出电压相位做比较，来确定 的大小。的大小。 CNC 主要内容 6.2 旋转变压器旋转变压器 2鉴幅工作

13、方式鉴幅工作方式 给定子的两个绕组分别通以频率相同、相位相给定子的两个绕组分别通以频率相同、相位相 同、幅值分别按正弦和余弦变化的交流励磁电同、幅值分别按正弦和余弦变化的交流励磁电 压，即压，即 U1sUmsin sint U1c= Umcos sint CNC 主要内容 6.2 旋转变压器旋转变压器 转子正转时转子正转时，U1s、U1c经叠加，转子感应电压经叠加，转子感应电压U2为：为： U2kUmsinsintsink Umcossintcos kUmcos（）sint 转子反转时转子反转时，同理有：，同理有： U2kUmcos（） sint U2的幅值分别为的幅值分别为: :kUmcos

14、（）、）、kUmcos（） 转子感应电压的转子感应电压的幅值幅值随转子的随转子的偏转角偏转角而变化。测量出而变化。测量出 幅值可测出幅值可测出 转角。转角。 CNC 主要内容 三、旋转变压器的应用三、旋转变压器的应用 由角位移如何计算直线位移由角位移如何计算直线位移? 将旋转变压器安装在数控机床的丝杠上，当将旋转变压器安装在数控机床的丝杠上，当角从角从 0变化到变化到360时，表示丝杠上的螺母走了一个导程，时，表示丝杠上的螺母走了一个导程， 就间接地测量了丝杠的直线位移（导程）的大小。就间接地测量了丝杠的直线位移（导程）的大小。 要检测工作台的绝对位置，需加一台要检测工作台的绝对位置，需加一台

15、绝对位置计数器绝对位置计数器， 累计所走的导程数，折算成位移总长度。累计所走的导程数，折算成位移总长度。 6.2 旋转变压器旋转变压器 CNC6.3 感应同步器感应同步器 感应同步器原理同旋转变压器，其输出电压随被测直线位感应同步器原理同旋转变压器，其输出电压随被测直线位 移或角位移而改变。移或角位移而改变。 根据用途和结构特点分：直线式、旋转式两类。根据用途和结构特点分：直线式、旋转式两类。 直线式：定尺、滑尺，测直线位移，用于闭环伺服系统。直线式：定尺、滑尺，测直线位移，用于闭环伺服系统。 旋转式：定子、转子，测角位移，用于半闭环伺服系统。旋转式：定子、转子，测角位移，用于半闭环伺服系统。

16、 6.3 感应同步器感应同步器 CNC 6.3.1 感应同步器的结构感应同步器的结构 6.3 感应同步器感应同步器 （固定在床身上）（固定在床身上）（安装在移动部件上）（安装在移动部件上） 平行，间隙为平行，间隙为0.250.250.05mm0.05mm CNC6.3 感应同步器感应同步器 w22（a2+b2） w12（a1+b1） 一般一般w1w2 或或 w12/3 w2 CNC6.3 感应同步器感应同步器 （当正弦绕组与定尺（当正弦绕组与定尺 绕组对齐时，绕组对齐时， 余弦绕组与定尺绕组余弦绕组与定尺绕组 相差相差1/41/4节距。）节距。） CNC6.3 感应同步器感应同步器 “节距节距

17、”是衡量感应同步器精度的主要参数。是衡量感应同步器精度的主要参数。 标准直线感应同步器定尺长标准直线感应同步器定尺长250mm，滑尺长，滑尺长100mm， 节距为节距为2mm。 CNC6.3 感应同步器感应同步器 结构：结构： CNC 转子绕组：连续绕组；转子绕组：连续绕组； 定子绕组：分段式、两相正交（相差定子绕组：分段式、两相正交（相差90电角度）电角度） sin绕组、绕组、cos绕组绕组 6.3 感应同步器感应同步器 CNC 6.3.2 感应同步器的安装感应同步器的安装 定尺定尺安装在机床的不动部件上；安装在机床的不动部件上； 滑尺滑尺安装在机床的移动部件上。安装在机床的移动部件上。 安

18、装防护罩：防止切屑和油污浸入安装防护罩：防止切屑和油污浸入 必须保持定尺和滑尺平行、两平面的间隙约必须保持定尺和滑尺平行、两平面的间隙约 为为025005mm，其它安装要求视具体的，其它安装要求视具体的 产品说明而定。保证定尺和滑尺在全部工作产品说明而定。保证定尺和滑尺在全部工作 长度上正常耦合，减少测量误差。长度上正常耦合，减少测量误差。 6.3 感应同步器感应同步器 CNC 直线感应同步器的标准定尺长度一般为直线感应同步器的标准定尺长度一般为250mm，测量范，测量范 围增加时，将定尺接长。围增加时，将定尺接长。 根据具体使用情况，按一定步骤和要求拼接定尺根据具体使用情况，按一定步骤和要求

19、拼接定尺 定尺全部接好后，采用定尺全部接好后，采用激光干涉仪激光干涉仪或或量块加千分表量块加千分表进行全进行全 长误差测量，使总长度上的累积误差长误差测量，使总长度上的累积误差单块定尺的最大偏单块定尺的最大偏 差。差。 6.3 感应同步器感应同步器 CNC 6.3.3 感应同步器工作原理感应同步器工作原理 正弦绕组 余弦绕组 滑尺 定尺 2/2 Ud UsUc 6.3 感应同步器感应同步器 滑尺、定尺间发生相对位移，由于电磁耦合的滑尺、定尺间发生相对位移，由于电磁耦合的 变化，使感应绕组中的感应电压随位移的变化变化，使感应绕组中的感应电压随位移的变化 而变化。而变化。 CNC6.3 感应同步器

20、感应同步器 感应电压幅值与定尺滑尺相对位置关系感应电压幅值与定尺滑尺相对位置关系 A B C D CNC 当滑尺移动距离为当滑尺移动距离为 2 2 ，V V2 2 变化变化 2 2 , ,当移动当移动 x x时，则对时，则对 应感应电压以余弦函数变化应感应电压以余弦函数变化 角度角度。 可得可得 设设 表示滑尺上一相绕组的励磁电压表示滑尺上一相绕组的励磁电压 则定尺绕组感应电压为则定尺绕组感应电压为 2 2x xx 2 2 tVV ms sin tKVKVV ms sincoscos 2 6.3 感应同步器感应同步器 CNC 1 1. .鉴相工作方式鉴相工作方式 供给滑尺的正、余弦绕组的励磁信

21、号是供给滑尺的正、余弦绕组的励磁信号是频率、频率、 幅值相同，相位相差幅值相同，相位相差90900 0的交流励磁电压的交流励磁电压 根据叠加原理，定尺上的总感应电压为根据叠加原理，定尺上的总感应电压为 通过鉴别定尺感应输出电压的相位，即可测量通过鉴别定尺感应输出电压的相位，即可测量 定尺和滑尺之间的相对位移。定尺和滑尺之间的相对位移。 tVV tVV mc ms cos sin )sin( 2 coscoscossin 2 tKV tKVtKVV m mm 6.3 感应同步器感应同步器 xx 2 2 CNC xx 2 2 例如：例如： 定尺感应输出电压与滑尺励磁电压之间的相位差定尺感应输出电压

22、与滑尺励磁电压之间的相位差 为为3.63.60 0，表明滑尺移动了多少，表明滑尺移动了多少mmmm？ 2mm 6.3 感应同步器感应同步器 (0.02mm)(0.02mm) CNC 将将 称为称为相移相移位移转换系数位移转换系数。 例：设节距例：设节距2 2=2，则则 若脉冲当量若脉冲当量2m/脉冲，则脉冲，则相移系数相移系数 为 为 x mm x /180 1 脉冲/36. 0180002. 0 6.3 感应同步器感应同步器 CNC 供给滑尺上正、余弦绕组的励磁电压的频率相同、供给滑尺上正、余弦绕组的励磁电压的频率相同、 相位相同但幅值不同。相位相同但幅值不同。 2.鉴幅工作方式鉴幅工作方式

23、 tVV tVV mc ms sincos sinsin 则在定尺绕组产生的总感应电压为则在定尺绕组产生的总感应电压为 sinsincoscossinsin 2 tKVtKVV mm tKVmsinsin 6.3 感应同步器感应同步器 若电气角若电气角已知，只要测出已知，只要测出V2幅值，便能求出与位移幅值，便能求出与位移 对应的角度对应的角度。实际测量时，不断调整。实际测量时，不断调整 ，让幅值为，让幅值为 零。则零。则的变化量就代表了的变化量就代表了对应的位移量，就可测对应的位移量，就可测 得机械位移。得机械位移。 CNC6.4 光栅光栅 通常意义上讲，光栅按用途分有两大类：通常意义上讲，

24、光栅按用途分有两大类： 物理光栅物理光栅（衍射光栅）：（衍射光栅）： 200500条条/，栅距，栅距0.0020.005，主要是利，主要是利 用光的衍射原理，用于光谱分析和光波波长的测用光的衍射原理，用于光谱分析和光波波长的测 定。定。 计量光栅计量光栅： 25条条/、50条条/、100条条/、250条条/等，栅距等，栅距 0.0040.04，主要是利用光的透射和反射现象，主要是利用光的透射和反射现象， 用于数控机床闭环检测系统。用于数控机床闭环检测系统。 6.4 光栅光栅 CNC 6.4.1 光栅的种类光栅的种类 按形状按形状：长光栅（直线光栅）、圆光栅。：长光栅（直线光栅）、圆光栅。 长光

25、栅检测线位移，圆光栅测量角位移长光栅检测线位移，圆光栅测量角位移 直线光栅直线光栅按制作原理按制作原理：玻璃透射光栅、金属反射：玻璃透射光栅、金属反射 光栅。光栅。 6.4 光栅光栅 CNC 长光栅长光栅 （1）玻璃透射光栅玻璃透射光栅 是在玻璃的表面上用真空镀膜法镀一层金属膜，再涂是在玻璃的表面上用真空镀膜法镀一层金属膜，再涂 上一层均匀的感光材料，用照相腐蚀法制成透明与不上一层均匀的感光材料，用照相腐蚀法制成透明与不 透明间隔相等的线纹，也有用刻蜡、腐蚀、涂黑工艺透明间隔相等的线纹，也有用刻蜡、腐蚀、涂黑工艺 制成的。制成的。 特点：特点： 1）光源可采用垂直入射，光电元件可直接接受光信）

26、光源可采用垂直入射，光电元件可直接接受光信 号，因此信号幅度大，读数头结构比较简单；号，因此信号幅度大，读数头结构比较简单； 2）每毫米上线纹数多，一般为）每毫米上线纹数多，一般为100、125、250条条/mm/mm， 经过电路细分，可做到微米级的分辨率。经过电路细分，可做到微米级的分辨率。 6.4 光栅光栅 CNC （2）金属反射光栅金属反射光栅：在钢尺或不锈钢的镜面上用照相：在钢尺或不锈钢的镜面上用照相 腐蚀法或用钻石刀刻划制成的光栅线纹；常用的线纹数腐蚀法或用钻石刀刻划制成的光栅线纹；常用的线纹数 为为4、10、25、40、50条条/mm ，分辨率低。，分辨率低。 特点：特点： 1）标

27、尺光栅的线膨胀系数很容易做到与机床材料一致；）标尺光栅的线膨胀系数很容易做到与机床材料一致； 2）标尺光栅的安装和调整比较方便；）标尺光栅的安装和调整比较方便； 3）安装面积较小；）安装面积较小； 4）易于接长或制成整根的钢带长光栅；）易于接长或制成整根的钢带长光栅； 5）不易碰碎。）不易碰碎。 6.4 光栅光栅 CNC 圆光栅圆光栅 在玻璃圆盘外环端面上，做成黑白相间的条纹，在玻璃圆盘外环端面上，做成黑白相间的条纹， 条纹呈辐射状，相互间夹角（称为栅距角）相等。条纹呈辐射状，相互间夹角（称为栅距角）相等。 6.4 光栅光栅 CNC 6.4.2光栅的结构与测量原理光栅的结构与测量原理 （以玻璃

28、透射式直线光栅为例以玻璃透射式直线光栅为例） 1光栅的结构光栅的结构 组成：组成：标尺光栅（长光栅）、光栅读数头标尺光栅（长光栅）、光栅读数头 标尺光栅与行程等长，通常光栅长度为标尺光栅与行程等长，通常光栅长度为1m，行程，行程 大于大于1m时，需要将光栅接长时，需要将光栅接长 安装：标尺光栅安装：标尺光栅一般安装在机床活动部件上（如工作台一般安装在机床活动部件上（如工作台 上或丝杠上）上或丝杠上）, ,光栅读数头光栅读数头安装在机床固定部件上（如机安装在机床固定部件上（如机 床底座上）。指示光栅（短光栅）装在光栅读数头中。床底座上）。指示光栅（短光栅）装在光栅读数头中。 6.4 光栅光栅 C

29、NC光栅的结构与测量原理光栅的结构与测量原理 光栅读数头组成：光光栅读数头组成：光 源、透镜、指示光栅、源、透镜、指示光栅、 光敏元件、驱动线路。光敏元件、驱动线路。 常见结构常见结构按光路分按光路分： 分光读数头、垂直入分光读数头、垂直入 射读数头、反射读数射读数头、反射读数 头头 作用：将莫尔条纹的作用：将莫尔条纹的 光信号转换成电脉冲光信号转换成电脉冲 信号。信号。 S P L2 G2 G1 L1 Q G1 G2 P L t Q L1 G1 G2 L2 P Q CNC 光栅光栅 6.4 光栅光栅 CNC 尺身尺身 尺身安装孔尺身安装孔 光栅读数头光栅读数头 （与移动部件固定）（与移动部件

30、固定） 可移动电缆可移动电缆 6.4 光栅光栅 CNC 不透光条纹宽度（缝隙宽度）不透光条纹宽度（缝隙宽度）a，透光宽度（刻线宽，透光宽度（刻线宽 度）度）b，通常，通常a=b，栅距栅距da+b。 安装时要严格保证标尺光栅和指示光栅的平行度安装时要严格保证标尺光栅和指示光栅的平行度( (一一 般为般为0.1mm0.1mm之内之内) )及两者之间的间隙（一般及两者之间的间隙（一般0.050.1） a b 标尺光栅 指示光栅 d 6.4 光栅光栅 CNC 2光栅的基本测量原理光栅的基本测量原理 两光栅尺沿线纹方向保持一个很小的夹角两光栅尺沿线纹方向保持一个很小的夹角、 刻划面平行且有一个很小间隙（

31、一般刻划面平行且有一个很小间隙（一般0.05mm， 0.1mm） 在光源照射下，在与两光栅线纹角在光源照射下，在与两光栅线纹角的平分线的平分线 相垂直的方向上，形成明暗相间条纹相垂直的方向上，形成明暗相间条纹莫尔莫尔 条纹条纹（横向莫尔条纹），两条亮（横向莫尔条纹），两条亮（暗暗）纹间的）纹间的 距离称莫尔条纹宽度距离称莫尔条纹宽度 w 。 6.4 光栅光栅 均匀刻线均匀刻线 标尺标尺 光栅光栅 指示光指示光 栅栅 夹角夹角 明暗相间明暗相间 条纹条纹 莫尔条纹莫尔条纹 移动移动 CNC 标尺光栅标尺光栅 指示光栅指示光栅 d CNC d 标尺光栅标尺光栅 指示光栅指示光栅 CNC d 标尺光

32、栅标尺光栅 指示光栅指示光栅 CNC WW d 标尺光栅标尺光栅 指示光栅指示光栅 均匀刻线均匀刻线 标尺标尺 光栅光栅 指示光指示光 栅栅 夹角夹角 明暗相间明暗相间 条纹条纹 莫尔条纹莫尔条纹 移动移动 CNC 莫尔条纹莫尔条纹特性：特性： （1）光学放大作用光学放大作用 标尺光栅 指示光栅 d w /2 2cos2sin 222 ddd w tg 放大比放大比k为为 ： 1 d w k 若若d=0.01mm，0.01rad，则，则 w1mm，k100 6.4 光栅光栅 x d w x w x tg 2 cos 2 2 2 CNC （2）均化误差作用）均化误差作用 莫尔条纹莫尔条纹 大量光

33、栅线纹形成大量光栅线纹形成 误差平均效应误差平均效应 克服个别克服个别/ /局部误差局部误差 提高精度提高精度 （3）莫尔条纹移动与栅距移动成比例莫尔条纹移动与栅距移动成比例 光栅移动一栅距光栅移动一栅距d d 莫尔条纹移动一个间距莫尔条纹移动一个间距w w 光栅移动方向相反，莫尔条纹移动方向也相反。光栅移动方向相反，莫尔条纹移动方向也相反。 莫尔条纹移动方向与两光栅夹角莫尔条纹移动方向与两光栅夹角移动方向垂直。移动方向垂直。 可通过检测莫尔条纹移动的变化，测量光栅水平方向移可通过检测莫尔条纹移动的变化，测量光栅水平方向移 动的微小距离。动的微小距离。 在一个栅距在一个栅距d内，光电元件所检测

34、的光强变化为正弦内，光电元件所检测的光强变化为正弦 （或余弦）变化。（或余弦）变化。 6.4 光栅光栅 CNC 6.6.3 光栅测量系统光栅测量系统 P1 P2 P3 P4 硅光电池 差 动 放 大 器 整 形 器 差 动 放 大 器 整 形 器 方 向 判 别 门 电 路 可 逆 计 数 器 控制回路 正向脉冲 反向脉冲 标尺光栅 指示光栅 聚光镜 光源 标尺光栅移动，莫尔条纹交替由亮带到暗带、暗标尺光栅移动，莫尔条纹交替由亮带到暗带、暗 带到亮带，带到亮带，光强度分布近似正弦曲线光强度分布近似正弦曲线，光电元件，光电元件 变为同频率电压信号，经光栅位移变为同频率电压信号，经光栅位移数字变换

35、电数字变换电 路放大、整形、微分输出脉冲。每产生一个脉冲，路放大、整形、微分输出脉冲。每产生一个脉冲， 就代表移动了一个栅距，通过对脉冲计数便可得就代表移动了一个栅距，通过对脉冲计数便可得 到工作台的移动距离到工作台的移动距离 6.4 光栅光栅 CNC6.4 光栅光栅 增加线纹密度，但制造较困难，成本高。增加线纹密度，但制造较困难，成本高。 采用采用倍频倍频的方法来提高光栅的分辨精度。的方法来提高光栅的分辨精度。 在莫尔条纹的宽度内，放置四个光电元件，每隔在莫尔条纹的宽度内，放置四个光电元件，每隔 1/41/4光栅栅距产生一个脉冲，一个脉冲代表移动了光栅栅距产生一个脉冲，一个脉冲代表移动了 1

36、/41/4栅距的位移，分辨精度可提高四倍，这就是四栅距的位移，分辨精度可提高四倍，这就是四 倍频方案。倍频方案。 一个光电元件一个光电元件只能计数只能计数, ,无法判断移动方向无法判断移动方向 如何辩向？如何辩向？ 如何提高光栅检测装置的精度如何提高光栅检测装置的精度? CNC 差 动 放大器 整形 ; 联接在滚珠丝杠联接在滚珠丝杠 末端；末端； 工作台工作台 丝杠丝杠 编码器编码器 电机电机 6.5 编码器编码器 CNC 6.5.1 接触式编码器接触式编码器 是一种是一种绝对值绝对值式的检测装置，可直接把被测式的检测装置，可直接把被测 的角位移用数字代码表示出来，且每一个角的角位移用数字代码

37、表示出来，且每一个角 度位置均有表示该位置的唯一对应的代码。度位置均有表示该位置的唯一对应的代码。 即使断电或切断电源，也能读出角位移（转即使断电或切断电源，也能读出角位移（转 动角度）。动角度）。 6.5 编码器编码器 CNC 4位二进制码盘位二进制码盘 高位在内，低位在外。高位在内，低位在外。n位二进制码盘，有位二进制码盘，有n圈码道，圆圈码道，圆 周均分周均分2n等份等份( (有有2n不同不同位置位置) )，最小分辨角，最小分辨角360/2n。 n 越大，能分辨的角度越小，测量精度越高。越大，能分辨的角度越小，测量精度越高。目前目前n =814位。位。 - + 电刷 绝缘体 导电体 转轴

38、 E 0000 1000 1001 1011 1010 1110 1111 1101 1100 0100 0101 0111 0110 0010 0011 0001 2 0 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 2 2 2 3 2 1 2 0 21 22 2 3 6.5 编码器编码器 若要求位数更多，采用组合码盘，一个为粗计码盘，若要求位数更多，采用组合码盘，一个为粗计码盘， 一个为精计码盘。精计码盘转一个为精计码盘。精计码盘转1 1圈，粗计码盘转圈，粗计码盘转1 1格。格

39、。 CNC 码盘制作和电刷安装要求十分严格，若电刷恰好码盘制作和电刷安装要求十分严格，若电刷恰好 位于两位码中间或电刷接触不良，则电刷的检测位于两位码中间或电刷接触不良，则电刷的检测 读数可能会是任意的数字。读数可能会是任意的数字。 例：电刷由位置（例：电刷由位置（0111）向位置（）向位置（1000）过渡时，）过渡时， 可能会出现可能会出现815之间的任一十进制数。这种误差之间的任一十进制数。这种误差 称为称为非单值误差非单值误差。 6.5 编码器编码器 - + 电刷 绝缘体 导电体 转轴 E 0000 1000 1001 1011 1010 1110 1111 1101 1100 0100

40、 0101 0111 0110 0010 0011 0001 2 0 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 2 2 2 3 2 1 2 0 21 22 2 3 0111-1000，1001 1010， 1011，1100 1101，1110， 1111 CNC6.5 编码器编码器 格雷码盘：格雷码盘：各码道的数码不同时改变，每次只切换一位数，各码道的数码不同时改变，每次只切换一位数， 把误差控制在最小单位内。把误差控制在最小单位内。 1000 1 3 2 6 7 4 12

41、13 14 15 10 11 9 0000 5 0 0001 0011 0010 0110 0111 0101 1001 1011 1010 1110 1111 1101 0100 1100 8 消除误差：采用消除误差：采用循环码（格雷码）循环码（格雷码）。 CNC6.5 编码器编码器 二进制码转换成二进制码转换成格雷格雷码的法则是码的法则是： 将二进制码右移一位并舍去末位的数码，将二进制码右移一位并舍去末位的数码， 再与二进制数码作不进位加法，结果即为再与二进制数码作不进位加法，结果即为 格雷格雷码。码。 例如，二进制码例如，二进制码11011101对应的对应的格雷格雷码为码为 101110

42、11，其演算过程如下：，其演算过程如下： 1101 1101 （二进制码）（二进制码） 11011101（右移一位，舍去末位）（右移一位，舍去末位） 1011 1011 （格雷格雷码）码） CNC 接触式绝对值编码器接触式绝对值编码器 优点：优点：结构简单、体积小、输出信号强。结构简单、体积小、输出信号强。 缺点：缺点：电刷磨损造成寿命降低，转速不能电刷磨损造成寿命降低，转速不能 太高（每分钟几十转），精度受码道数限太高（每分钟几十转），精度受码道数限 制，使用范围有限。制，使用范围有限。 6.5 编码器编码器 CNC 6.5.2 光电式编码器光电式编码器 常用光电式编码器（光电码盘、光电脉冲

43、发生常用光电式编码器（光电码盘、光电脉冲发生 器、光电脉冲编码器）为器、光电脉冲编码器）为增量式增量式光电编码器，光电编码器， 是一种旋转式脉冲发生器是一种旋转式脉冲发生器 把把机械的角位移变成电脉冲机械的角位移变成电脉冲，是数控机床常用，是数控机床常用 的的角位移角位移检测元件，也可用于检测元件，也可用于角速度检测角速度检测。 6.5 编码器编码器 CNC 高分辨率的脉冲编码器高分辨率的脉冲编码器 脉冲编码器每转脉冲移动量（mm） 20000脉冲脉冲r2，3，4，6，8 25000脉冲脉冲r5，10 30000脉冲脉冲r3，6，12 每转发出每转发出10万乃至几百万个脉冲的编码器已使用，万乃至几百万个脉冲的编码器已使用， 该