数控机床及编程：4.3检测元件

1、4.3 伺服系统中的检测元件,一、位置检测概述二、位置检测元件分类三、光电编码器四、光栅,检测装置的精度指标主要包括系统精度和系统分辨率。系统精度是指在一定长度或转角内测量累积误差的最大值，目前一般直线位移测量精度已达到 回转测量精度达到 系统分辨率是测量元件所能正确检测的最小位移量，目前直线位移的分辨率是 角位移分辨率为 分辨率的选取与脉冲当量的选择方法相同，数值也相同，均按机床理想加工精度的 选取（或者所占比例更小,一、位置检测概述,二、位置检测元件分类,1）按测量对象不同分类 a、直线位移测量 该类测量元件如光 栅尺、磁尺、感应同步器等。 b、转角度测量 该类测量元件如光电编 码器、圆光

2、栅、编码盘、旋 转变压器等。 2）按检测信号的类型分类 a、数字式测量 b、模拟式测量 3）按测量的相对值不同分类 a、增量式测量 b、绝对式测量,表4-1 位置测量元件分类,表4-2 数控机床常用检测系统精度,三、光电编码器,德国HEIDENHAIN、长春第一光学有限公司、日本的一些公司均有光电编码器产品,常用的编码器有2000P/r，2500P/r，25000P/r，3000P/r，20000P/r，30000P/r等。每转发出的脉冲数越多，检测精度越高,图4-16 光电式脉冲编码器的结构,图4-17 脉冲编码器输出波形,增量式编码器的优缺点,优点: 原理构造简单，机械平均寿命 可在几万小

3、时以上，抗干扰能 力强，可靠性高，适合于长距 离传输。 缺点:无法输出轴转动的绝对位置信息,绝对值式编码器,绝对值式编码器是一种可直接编码的测量元件， 它把被测转角转换成相应的代码指示绝对位置， 没有积累误差。 编码盘有光电式、 接触式和电磁式三种。 为叙述简单起见， 以接触式四位绝对编码器为例来说明其工作原理,图4.30 接触式编码盘 (a) 结构简图； (b) 二进制编码盘； (c) 格雷编码盘,四位二进制编码盘， 涂黑部分是导电区， 空白部分是绝缘区。对应码道上装有电刷，当码盘随工作轴一起转动时，就可得到二进制输出，四位二进制编码盘的输出范围是00001111，分辨率位。如用N位码盘，分

4、辨率为,绝对值式旋转编码器特点,可以直接读出角度坐标的绝对值； 没有累积误差； 电源切除后位置信息不会丢失，即仍能找到原有绝对坐标位置。 分辨率是由二进制的位数来决定的，也就是说精度取决于位数，目前有10位、14位、17位等多种。位数越多结构越复杂，价格越高。 当进给转数大于一转时，需采用特殊方式计数,光电编码器,四、光栅,光栅是数控机床闭环系统用得较多的一种检测装置。 目前世界上能生产光栅测量系统的国家很多， HEIDENHAIN、雷尼绍公司，Fagor公司，以德国的HEIDENHAIN公司为著名，它无论在技术、品种、产量和市场占有率上都处于绝对领先地位,http:/,光栅尺,光栅分类,物理

5、光栅尺，通常在光谱分析 和光波波长的测定中使用； 计量光栅尺，通常用于检测高精度直线 位移和角位移，作为数控 机床的检测装置,按其用途不同,前者测量直线位移，后者测量转角位移,玻璃透射光栅,直线光栅,圆光栅,金属反射光栅,光栅尺是由光源、标尺光栅(长光栅)、指示光栅（短光栅）及光电元件(一般采用光电池或光敏三极管)组成。 一般说来，标尺光栅固定在被测体上，且随被测体移动，其长度取决于测量范围；指示光栅安装在固定的部件上，相对于光电元件固定。但是在数控机床上，恰与上述情况相反，标尺光栅安装在机床的固定部件上(如机床底座)，指示光栅安装在机床的活动部件上(如工作台或丝杠)。安装时，标尺光栅和指示光

6、栅，两者相互平行，它们之间保持0.05mm或0.1mm的间隙,莫尔条纹形成过程,指示光栅在其自身平面内相对于标尺光栅倾斜一个很小的角度，倾斜一个角度后两块光栅的刻线就会相交。当灯光通过聚光镜呈平行光线垂直照射在标尺光栅上，在两块光栅线相交的钝角平分线上，出现明暗交替、间隔相等的粗短条纹，称之为莫尔条纹，如图4-4所示,由于两光栅间有一个微小的倾斜角，使其线纹相互交叉，在交叉近旁墨线重叠，减少了挡光面积，在这个区域内出现亮带，光强最大。相反，离交叉点远的地方，两光栅不透明墨线重叠部分减少，挡光面积增大，由光源发出的光几乎全被挡住而出现暗带，光强为0。相邻两条亮带或暗带之间的距离，称为莫尔条纹节距

7、,2、横向莫尔条纹有以下特点 a.放大作用 莫尔条纹间距对栅距栅距有放大作用。 通过减小角，得到大的节距W ，从而大大简化了电子放大线路。这是光栅技术独有的特点。例如，栅距P为0.01mm，若取 将角度变为弧度,则，即条纹被放大了1200倍。 b.平均效应 莫尔条纹是由若干光栅共同形成，使得各别栅线的间距误差平均化，消除了栅距不均匀造成的误差。因而栅距间固有相邻误差被平均化了。莫尔条纹的节距误差取决于光栅刻线的平均误差,c.莫尔条纹的移动与光栅之间的移动距离成比例 当光栅移动一个栅距时，莫尔条纹也相应移动一个莫尔条纹宽度。利用这个特点就可测量位移：莫尔条纹移动一个节距，莫尔条纹明暗-明变化一周。光电元件接受的光强强-弱-强变化一周，输出一个近似按正弦规律变化的信号，信号变化一周。根据信号的变化次数，就可测量位移量，移动了多少个栅距。这样测量光栅水平方向移动的微小距离可以用检测垂直方向的宽度的莫尔条纹的变化来代替,3、提高光栅检测装置的精