第六章 数控机床检测装置

1、第六章第六章 数控机床的检测装置数控机床的检测装置v6.1 概述概述v6.2 旋转变压器旋转变压器v6.3 感应同步器感应同步器v6.4 脉冲编码器脉冲编码器v6.5 光栅测量装置光栅测量装置v6.6 速度传感器速度传感器v6.7 位置传感器位置传感器图图6-1 6-1 CNCCNC系统的组成系统的组成6.1.16.1.1 检测概述检测概述：位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环、半位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环、半闭环控制系统中，它的主要作用是检测位移和速度，并闭环控制系统中，它的主要作用是检测位移和速度，并发出反馈信号，构成闭环或半闭环控制。发出反馈信号，构成闭环或半闭

2、环控制。6.1 概述概述数控机床对位置检测装置的要求数控机床对位置检测装置的要求 工作可靠，抗干扰能力强；工作可靠，抗干扰能力强； 满足精度和速度的要求；满足精度和速度的要求； 易于安装，维护方便，适应机床工作环境；易于安装，维护方便，适应机床工作环境； 成本低。成本低。位移检测装置的分类位移检测装置的分类测角测角测长测长位移检测装置位移检测装置数字式数字式增量式增量式光电盘光电盘圆光栅圆光栅数码盘数码盘绝对式绝对式模拟式模拟式增量式增量式同步分解器同步分解器圆感应同步器圆感应同步器磁盘磁盘绝对式绝对式多极同步分解器多极同步分解器同步分解器组件同步分解器组件三重式圆感应同步器三重式圆感应同步器

3、长光栅长光栅多通道透射光栅多通道透射光栅直线感应同步器直线感应同步器磁尺磁尺数字式数字式增量式增量式绝对式绝对式模拟式模拟式增量式增量式绝对式绝对式多重式直线感应同步器多重式直线感应同步器6.2 旋转变压器旋转变压器6.2.1 旋转变压器的结构和工作原理旋转变压器的结构和工作原理6.2.2 旋转变压器的应用旋转变压器的应用旋转变压器（又称同步分解器旋转变压器（又称同步分解器) )6.2.1 旋转变压器的结构和工作原理旋转变压器的结构和工作原理v旋转变压器（又称同步分解器旋转变压器（又称同步分解器) )是一种旋转式的小型交流电是一种旋转式的小型交流电机，它由定子和转子组成。图机，它由定子和转子组

4、成。图6-2所示的是一种无刷旋转变压所示的是一种无刷旋转变压器的结构图，左边为分解器，右边为变压器。旋转变压器是器的结构图，左边为分解器，右边为变压器。旋转变压器是根据互感原理工作的。根据互感原理工作的。图图6-6-2 2 无刷旋转变压器的结构图无刷旋转变压器的结构图1电机轴；电机轴；2外壳；外壳；3分解器定子；分解器定子；4变压器定子绕组；变压器定子绕组；5变压器转子绕组；变压器转子绕组；6变压器转子；变压器转子；7变压器定子；变压器定子；8分解器转子；分解器转子；9分解器定子绕组；分解器定子绕组；10分解器转子绕组分解器转子绕组旋转变压器是一种角位移测量装置，由定子和转子组成。旋转变压器是

5、一种角位移测量装置，由定子和转子组成。是根据互感原理工作的。是根据互感原理工作的。旋转变压器的工作原理与普通变压器基本相似，其中定旋转变压器的工作原理与普通变压器基本相似，其中定子绕组作为变压器的原边，接受励磁电压。转子绕组作子绕组作为变压器的原边，接受励磁电压。转子绕组作为变压器的副边，通过电磁耦合得到感应电压，只是其为变压器的副边，通过电磁耦合得到感应电压，只是其输出电压大小与转子位置有关。输出电压大小与转子位置有关。旋转变压器通过测量电动机或被测轴的转角来间接测量旋转变压器通过测量电动机或被测轴的转角来间接测量工作台的位移。工作台的位移。旋转变压器分为单极和多极形式，先分析一下单极工作旋

6、转变压器分为单极和多极形式，先分析一下单极工作情况。情况。注注 意：意：v旋转变压器是根据互感原理工作的。它的结构设计与制造旋转变压器是根据互感原理工作的。它的结构设计与制造保证了定子与转子之间的空气隙内的磁通分布呈正弦规律，保证了定子与转子之间的空气隙内的磁通分布呈正弦规律，当定子绕组上加交流激磁电压时，通过互感在转子绕组中当定子绕组上加交流激磁电压时，通过互感在转子绕组中产生感应电动势，其输出电压的大小取决于定子与转子两产生感应电动势，其输出电压的大小取决于定子与转子两个绕组轴线在空间的相对位置个绕组轴线在空间的相对位置角。两者平行时互感最大，角。两者平行时互感最大，副边的感应电动势也最大

7、；两者垂直时互感为零，感应电副边的感应电动势也最大；两者垂直时互感为零，感应电动势也为零。动势也为零。v式中：式中：K-K-变压比，即两个绕组匝数比变压比，即两个绕组匝数比W1/W2W1/W2；U1-U1-定子的激磁电压定子的激磁电压；Vm-Vm-定子的最大瞬时电压；定子的最大瞬时电压；励磁信号角频率；励磁信号角频率；旋转变压器转角。旋转变压器转角。 输出：输出：U2=KU1sin =KVmsint sin (6-1a)输入：输入：U1=VmsintU2=KVmsint (6-1b)图图6-6-3 3旋转变压器的工作原理图旋转变压器的工作原理图当平行时，当平行时，=906.2.2 旋转变压器的

8、应用旋转变压器的应用v实际使用时通常采用多极形式，如正余弦旋转变压器，实际使用时通常采用多极形式，如正余弦旋转变压器，其其定子和转子均由两个匝数相等，轴线相互垂直的绕定子和转子均由两个匝数相等，轴线相互垂直的绕组构成组构成。一个转子绕组接高阻抗作为补偿，另一个转。一个转子绕组接高阻抗作为补偿，另一个转子绕组作为输出，应用叠加原理，其磁通为：子绕组作为输出，应用叠加原理，其磁通为：转子输出电压则为：转子输出电压则为：cossin2cs cossin2csKVKVV应用旋转变压器作位置检测元件，有两种方法：应用旋转变压器作位置检测元件，有两种方法：鉴相型鉴相型和和鉴幅型鉴幅型应用。应用。（1 1）

9、鉴相型应用）鉴相型应用v在此状态下，旋转变压器的定子两相正交绕组即在此状态下，旋转变压器的定子两相正交绕组即正弦正弦绕组绕组S S和余弦绕组和余弦绕组C C中分别加上幅值相等、频率相同而中分别加上幅值相等、频率相同而相位相差相位相差9090的正弦交流电压的正弦交流电压( (如图如图6-56-5所示所示) )， Us=Vmsint （6-2） Uc=Vmcost (6-3) 这两相激磁电压会产生旋转磁场，在转子绕组中这两相激磁电压会产生旋转磁场，在转子绕组中( (另一另一绕组短接绕组短接) )感应电动势为感应电动势为 U2=Ussin+Uccosv即即U2=KVmsintsin+KVmcostc

10、os =KVmcos(t-)v测量转子绕组输出电压的测量转子绕组输出电压的相位角相位角，即可即可测得转子相对测得转子相对于定子的空间转角位置于定子的空间转角位置。在实际应用时，把对。在实际应用时，把对定子定子正正弦绕组激磁的交流电压弦绕组激磁的交流电压相位作为基准相位相位作为基准相位，与，与转子转子绕绕组输出组输出电压相位作比较电压相位作比较，来确定转子转角的位移。，来确定转子转角的位移。(2) (2) 鉴幅型应用鉴幅型应用v这种应用中，定子两相绕组的激磁电压为这种应用中，定子两相绕组的激磁电压为频率相同频率相同、相位相同相位相同而而幅值分别按正弦、余弦规律变化幅值分别按正弦、余弦规律变化的交

11、变电的交变电压，即压，即Us=Vmsinsint (6-4) Uc=Vmcossint (6-5) 激磁电压频率为激磁电压频率为24 kHz。v定子激磁信号产生的合成磁通在转子绕组中产生感应定子激磁信号产生的合成磁通在转子绕组中产生感应电动势电动势U2U2，其大小与转子和定子的相对位置即其大小与转子和定子的相对位置即mm有关，有关，并与激磁的幅值并与激磁的幅值VmsinVmsin和和VmcosVmcos有关，即有关，即 U2=KVmsin(-m)sint (6-6) 若若m=，则则U2=0。v在实际应用中，不断在实际应用中，不断修改定子激磁信号的修改定子激磁信号的( (即激磁即激磁幅值幅值)

12、)，使，使其跟踪其跟踪mm的变化的变化。当感应电动势。当感应电动势U2U2的幅值的幅值KVmsin(-m)KVmsin(-m)为零时，说明为零时，说明角的大小就是被测角角的大小就是被测角位移位移mm的大小。的大小。v从物理概念上理解，从物理概念上理解，m=m=表示定子绕组合成磁通表示定子绕组合成磁通由与转子绕组的线圈平面平行，即没有磁力线穿过转由与转子绕组的线圈平面平行，即没有磁力线穿过转子绕组线圈，故感应电动势为零。当子绕组线圈，故感应电动势为零。当垂直于转子绕垂直于转子绕组线圈平面时，即组线圈平面时，即m=m=9090时，转子绕组中感应时，转子绕组中感应电动势最大。电动势最大。v如果将旋转

13、变压器装在数控机床的滚珠丝杠上，当角如果将旋转变压器装在数控机床的滚珠丝杠上，当角从从00到到3600 时，丝杠上的螺母带动工作台移动了一个时，丝杠上的螺母带动工作台移动了一个导程，间接测量了执行部件的直线位移。测量所走过导程，间接测量了执行部件的直线位移。测量所走过的行程时，可加一个计数器，累计所转的转数，折算的行程时，可加一个计数器，累计所转的转数，折算成位移总长度。成位移总长度。注注 意：意：?小结小结旋转变压器作为位置检测装置，旋转变压器作为位置检测装置，有两种典型工作方式，鉴相式和鉴幅式。有两种典型工作方式，鉴相式和鉴幅式。鉴相式是根据感应输出电压的相位来检测位移量；鉴相式是根据感应

14、输出电压的相位来检测位移量；鉴幅式是根据感应输出电压的幅值来检测位移量。鉴幅式是根据感应输出电压的幅值来检测位移量。旋转变压器是一种角位移测量装置，由定子和转子组成。旋转变压器是一种角位移测量装置，由定子和转子组成。旋转变压器旋转变压器是根据互感原理工作的。是根据互感原理工作的。返回第返回第6章目录章目录6.3 感应同步器感应同步器6.3.1感应同步器的结构感应同步器的结构6.3.2感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理6.3.3感应同步器的特点感应同步器的特点6.3.4 感应同步器的应用感应同步器的应用6.3.1 感应同步器的结构感应同步器的结构v感应同步器和旋转变压器均为感应同步器和旋转

15、变压器均为电磁式检测装置电磁式检测装置，属，属模拟式模拟式测测量，二者工作原理相同，其量，二者工作原理相同，其输出电压随被测直线位移或角位输出电压随被测直线位移或角位移而改变。移而改变。v感应同步器按其结构特点一般分为感应同步器按其结构特点一般分为直线式直线式和和旋转式旋转式两种：两种： 直线式直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量。感应同步器由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量。旋转式旋转式感应同步器由转子和定子组成，用于角位移测量。感应同步器由转子和定子组成，用于角位移测量。图图6-66-6感应同步器的结构图感应同步器的结构图直线感应同步器直线感应同步器v直线感应同步器相当于一个

16、直线感应同步器相当于一个展开的多极旋转变压器展开的多极旋转变压器，其结构如图其结构如图6-66-6所示，定尺和滑尺的基板采用与机床热所示，定尺和滑尺的基板采用与机床热膨胀系数相近的钢板制成，钢板上用绝缘粘结剂贴有膨胀系数相近的钢板制成，钢板上用绝缘粘结剂贴有铜箔，并利用腐蚀的办法做成图示的铜箔，并利用腐蚀的办法做成图示的印刷绕组印刷绕组。长尺长尺叫定尺叫定尺，安装在机床床身上安装在机床床身上，短尺为滑尺短尺为滑尺，安装于移安装于移动部件上动部件上，两者，两者平行放置平行放置，保持，保持0.25-0.050.25-0.05mmmm间隙。间隙。图图6-66-6感应同步器的结构图感应同步器的结构图直

17、线感应同步器结构直线感应同步器结构A 正弦绕组正弦绕组 B 余弦绕组余弦绕组 直线感应同步器结构直线感应同步器结构 v感应同步器两个单元绕组之感应同步器两个单元绕组之间的距离为间的距离为节距节距，滑尺和定，滑尺和定尺的尺的节距均匀节距均匀，这是衡量感，这是衡量感应同步器精度的主要参数。应同步器精度的主要参数。标准感应同步器定尺长标准感应同步器定尺长250250mmmm，滑尺长滑尺长100100mmmm，节距节距为为2 2mmmm。定尺上是单向、均定尺上是单向、均匀、连续的感应绕组匀、连续的感应绕组，滑尺滑尺有两组绕组，一组为正弦绕有两组绕组，一组为正弦绕组，另一为余弦绕组。组，另一为余弦绕组。

18、当当正正弦绕组与定尺绕组对齐时，弦绕组与定尺绕组对齐时，余弦绕组与定尺绕组相差余弦绕组与定尺绕组相差1/41/4节距节距。6.3.2 感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理v感应同步器的工作感应同步器的工作原理与旋转变压器原理与旋转变压器基本上相同，使用基本上相同，使用时，时，在滑尺绕组通在滑尺绕组通以一定频率的交流以一定频率的交流电压电压，由于电磁感，由于电磁感应，应，在定尺绕组中在定尺绕组中产生感应电动势，产生感应电动势，其幅值和相位取决其幅值和相位取决于定尺与滑尺的相于定尺与滑尺的相对位置对位置，如图，如图6-76-7所所示。示。图图6-76-7感应同步器的工作原理图感应同步器的工作原

19、理图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 定 尺 滑 A 尺 B241 位 C221 置 D243 E 2 E A V2 M N 正弦绕组 余弦绕组 B D C O P 感应电压幅值与定尺滑尺相对位置关系图感应电压幅值与定尺滑尺相对位置关系图 若设定尺绕组节距为若设定尺绕组节距为t，它对应的感应电压以余弦，它对应的感应电压以余弦函数变化了，当滑尺移动距离为函数变化了，当滑尺移动距离为x时，则对应感应电压时，则对应感应电压以余弦函数变化相位角。由比例关系以余弦函数变化相位角。由比例关系可得可得 设表示滑尺上一相绕组的激磁电压设表示滑尺上一相绕组的激磁电压 则定尺绕

20、组感应电压为则定尺绕组感应电压为 式中式中 K耦合系数；耦合系数； 激磁电压的幅值；激磁电压的幅值； 激磁电压的角频率；激磁电压的角频率； 与位移对应的角度。与位移对应的角度。22xxx22tVVmssintKVKVVmssincoscos2mVv感应电压的幅值变化规律就是一个周期性的余弦曲线。感应电压的幅值变化规律就是一个周期性的余弦曲线。在一个周期内，感应电压的某一幅值对应两个位移点，在一个周期内，感应电压的某一幅值对应两个位移点，如关系图中如关系图中M M、N N两点。为确定唯一位移，在滑尺上与两点。为确定唯一位移，在滑尺上与正弦绕组错开正弦绕组错开1/41/4节距处，配置了余弦绕组。同

21、样，若节距处，配置了余弦绕组。同样，若在滑尺的余弦绕组中通以交流励磁电压，也能得出定在滑尺的余弦绕组中通以交流励磁电压，也能得出定尺绕组感应电压与两尺相对位移的关系曲线，它们之尺绕组感应电压与两尺相对位移的关系曲线，它们之间为正弦函数关系间为正弦函数关系( (图中图中OP)OP)。若滑尺上的正、余弦绕若滑尺上的正、余弦绕组同时励磁，就可以分辨出感应电压值所对应的唯一组同时励磁，就可以分辨出感应电压值所对应的唯一确定的位移。确定的位移。（1 1） 鉴相方式鉴相方式v给绕组给绕组S S和和C C分别通以幅值相同、频率相同但分别通以幅值相同、频率相同但相位相差相位相差9090的交的交流电压，即流电压

22、，即 Us=Vmsint (6-7) Us=Vmsint (6-7) Uc=Vmcost (6-8) Uc=Vmcost (6-8)分别在定尺的绕组上产生分别在定尺的绕组上产生感应电压感应电压为为 V1=KVmcossint (6V1=KVmcossint (69)9)V2=-KVmsincost (6V2=-KVmsincost (610)10)则 在 定 尺 绕 组 上 产 生 合 成 电 压 为则 在 定 尺 绕 组 上 产 生 合 成 电 压 为 V=V1+V2V=V1+V2 V=KVmcossint-KVmsincost V=KVmcossint-KVmsincost =KVmsin

23、(t-) (6 =KVmsin(t-) (611)11)若感应同步器的若感应同步器的节距为节距为2 2，则滑尺直则滑尺直线线 位 移 量位 移 量 x x 与与 之 间 的 关 系 为之 间 的 关 系 为 =2x/2=x/=2x/2=x/ (6 (612)12)可见，在一个节距内可见，在一个节距内与与x x是一一对应是一一对应的。的。通过测量定尺感应电压的相位通过测量定尺感应电压的相位，即可测量出定尺相对滑尺的位移即可测量出定尺相对滑尺的位移x x。图图6-86-8鉴相系统的结构框图鉴相系统的结构框图（2 2） 鉴幅方式鉴幅方式v则感应到定尺绕组电势为则感应到定尺绕组电势为V=-KVmsin

24、(m-)sint (6-15a)v若若m=，则则V=0。给滑尺的正弦绕组给滑尺的正弦绕组S S和余弦绕组和余弦绕组C C分别通以频率相同、相位分别通以频率相同、相位相同但相同但幅值不同幅值不同且能由指令角位移且能由指令角位移调节的交流电压，即调节的交流电压，即Us=Vmsinsint (6-13)Uc=Vmcossint (6-14)假定激磁电压的假定激磁电压的与定尺、滑尺的实际相位角与定尺、滑尺的实际相位角m不一致时，不一致时，设设m=+，则则V=-KVmsinsint，当，当很小时，上式可近很小时，上式可近似表示为似表示为V=-(KVmsint)，可知，可知，定尺上感应电势与定尺上感应电势

25、与成成正比正比，即，即V随指令给定的位移量随指令给定的位移量x()与工作台实际位移量与工作台实际位移量x1(m)的差值的差值x()成正比变化。因此通过成正比变化。因此通过测量测量V的幅值的幅值，就就可以测定位移量可以测定位移量x的大小。的大小。v当工作台位移值未达到指当工作台位移值未达到指令要求值时，即令要求值时，即x1x(m)时，定尺上感时，定尺上感应电压应电压V0。该电压经检该电压经检波放大控制伺服驱动机构波放大控制伺服驱动机构带动机床工作台移动。当带动机床工作台移动。当工作台移动至工作台移动至x1=x(m=)时，定尺上感应电压时，定尺上感应电压V=0，误差信号消失，工作台停误差信号消失，

26、工作台停止移动。定尺上感应电压止移动。定尺上感应电压V V同时输至相敏放大器，与同时输至相敏放大器，与来自相位补偿器的标准正来自相位补偿器的标准正弦信号进行比较，以控制弦信号进行比较，以控制工作台的运动方向。工作台的运动方向。图图6-96-9鉴幅系统的结构框图鉴幅系统的结构框图6.3.3 感应同步器的特点感应同步器的特点v(1) (1) 精度高精度高 感应同步器的极对数多，平均效应所产生的测量精感应同步器的极对数多，平均效应所产生的测量精度要比制造精度高，且输出信号是由滑尺和定尺之间相对移动产度要比制造精度高，且输出信号是由滑尺和定尺之间相对移动产生的，中间无机械转换环节，所以测量结果只受本身

27、精度的影响。生的，中间无机械转换环节，所以测量结果只受本身精度的影响。v(2) (2) 测量长度不受限制测量长度不受限制 当测量长度大于当测量长度大于250 250 mmmm时，可以采用多时，可以采用多块尺接长，相邻定尺间隔可用块规或激光测长仪进行调整，使总块尺接长，相邻定尺间隔可用块规或激光测长仪进行调整，使总长度上的累积误差不大于单块定尺的最大偏差。长度上的累积误差不大于单块定尺的最大偏差。v(3) (3) 对环境的适应性强对环境的适应性强 直线式感应同步器的金属基尺与安装部直线式感应同步器的金属基尺与安装部件的材料的膨胀系数相似，当环境温度变化时，两者的变化规律件的材料的膨胀系数相似，当

28、环境温度变化时，两者的变化规律相同，而不影响测量精度。相同，而不影响测量精度。v(4) (4) 维护简单、寿命长维护简单、寿命长 定尺、滑尺之间无接触磨损，在机床上定尺、滑尺之间无接触磨损，在机床上安装简单。但使用时需要加防护罩，防止切屑进入定、滑尺之间安装简单。但使用时需要加防护罩，防止切屑进入定、滑尺之间划伤导片。划伤导片。 由于感应同步器具有一系列的优点，所以广泛用于位移检测。由于感应同步器具有一系列的优点，所以广泛用于位移检测。感应同步器安装时，要注意定尺与滑尺之间的间隙，一般在感应同步器安装时，要注意定尺与滑尺之间的间隙，一般在(0.25(0.250.05) 0.05) mmmm范围

29、内。间隙变化也必须控制在范围内。间隙变化也必须控制在0.01 0.01 mmmm之内。之内。如间隙过大，将影响测量信号的灵敏度。其特点如下。如间隙过大，将影响测量信号的灵敏度。其特点如下。 如果感应同步器的节距为如果感应同步器的节距为2mm，脉冲当量选定为脉冲当量选定为=0.001mm，一个脉冲对应的相移角一个脉冲对应的相移角1为为 数控装置每发一个进给脉冲，经脉冲调相器变为超前基准数控装置每发一个进给脉冲，经脉冲调相器变为超前基准信号一个信号一个0.180相移角的信号，即相移角的信号，即1=1-0=0.180。此时因工此时因工作台未动，反馈信号相对于基准信号的相位差作台未动，反馈信号相对于基

30、准信号的相位差2=2-0=0（2为定尺绕组上作为反馈信号所取的感应电压为定尺绕组上作为反馈信号所取的感应电压U2的相位）。的相位）。鉴相器将鉴相器将12 =0.180的相位差检测出来，经放大后的相位差检测出来，经放大后控制伺服电动机带动工作台移动。随着工作台的移动，控制伺服电动机带动工作台移动。随着工作台的移动，2逐逐渐增大，相位差渐增大，相位差逐渐减少，直至逐渐减少，直至0。 18. 0360216.3.4 感应同步器的应用感应同步器的应用小结小结作为位置检测装置，作为位置检测装置，有两种典型工作方式，鉴相式和鉴幅式。有两种典型工作方式，鉴相式和鉴幅式。鉴相式是根据感应输出电压的相位来检测位

31、移量；鉴相式是根据感应输出电压的相位来检测位移量；鉴幅式是根据感应输出电压的幅值来检测位移量。鉴幅式是根据感应输出电压的幅值来检测位移量。感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置，属模拟感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置，属模拟式测量，二者工作原理相同，其输出电压随被测直线位式测量，二者工作原理相同，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。是根据互感原理工作的。是根据互感原理工作的。返回第返回第6章目录章目录6.4 脉冲编码器脉冲编码器6.4.1增量式编码器增量式编码器6.4.2绝对值式编码器绝对值式编码器6.4.3脉冲编码器的使用脉冲编码器的使用脉冲编码器脉冲编码器v

32、脉冲编码器是一种脉冲编码器是一种光学光学式式位置检测元件位置检测元件，编码盘直接，编码盘直接装装在转轴在转轴上，以测出轴的旋转角度位置和速度变化，其输上，以测出轴的旋转角度位置和速度变化，其输出信号为出信号为电脉冲电脉冲。v脉冲编码器是一种脉冲编码器是一种旋转旋转式式脉冲发生器脉冲发生器，能把，能把机械转角机械转角变变成成电脉冲电脉冲，是数控机床上使用很广泛的位置检测装置。，是数控机床上使用很广泛的位置检测装置。v这种检测方式的特点是：检测方式是这种检测方式的特点是：检测方式是非接触式非接触式的，无摩的，无摩擦和磨损，驱动力小，响应速度快。按编码的方式，可擦和磨损，驱动力小，响应速度快。按编码

33、的方式，可分为增量式和绝对值式两种。分为增量式和绝对值式两种。6.4.1 增量式编码器增量式编码器v增量式脉冲编码器分增量式脉冲编码器分光电式光电式、接触式接触式和和电磁感应式电磁感应式三三种。就精度和可靠性来讲，光电式脉冲编码器优于其种。就精度和可靠性来讲，光电式脉冲编码器优于其它两种，它的型号是用脉冲数它两种，它的型号是用脉冲数/ /转（转（p/rp/r）来区分，数来区分，数控机床常用控机床常用20002000、25002500、30003000p/rp/r等，现在已有每转发等，现在已有每转发1010万个脉冲的脉冲编码器。脉冲编码器除用于万个脉冲的脉冲编码器。脉冲编码器除用于角度检角度检测

34、测外，还可以用于外，还可以用于速度检测速度检测。注注 意：意：光电式脉冲编码器通常与电机做在一起，或者安装光电式脉冲编码器通常与电机做在一起，或者安装在电机非轴伸端，电动机可直接与滚珠丝杠相连，在电机非轴伸端，电动机可直接与滚珠丝杠相连，或通过减速比为或通过减速比为i i的减速齿轮，然后与滚珠丝杠相的减速齿轮，然后与滚珠丝杠相连，那么每个脉冲对应机床工作台移动的距离可用连，那么每个脉冲对应机床工作台移动的距离可用下式计算：下式计算：式中式中 脉冲当量（脉冲当量（mm/脉冲）；脉冲）；S滚珠丝杠的导程（滚珠丝杠的导程（mm）；）；i减速齿轮的减速比；减速齿轮的减速比；M脉冲编码器每转的脉冲数（脉

35、冲编码器每转的脉冲数（p/r）。）。iMS光电式脉冲编码器结构光电式脉冲编码器结构 数字显示 信号处理电路 光电盘 圆盘 光电元件 聚光镜 光源 光电式脉冲编码器结构示意图光电式脉冲编码器结构示意图 光电式脉冲编码器，它由光源、聚光镜、光电盘、光电式脉冲编码器，它由光源、聚光镜、光电盘、圆盘、光电元件和信号处理电路等组成（如图）。光圆盘、光电元件和信号处理电路等组成（如图）。光电盘是用玻璃材料研磨抛光制成，玻璃表面在真空中电盘是用玻璃材料研磨抛光制成，玻璃表面在真空中镀上一层不透光的铬，然后用照相腐蚀法在上面制成镀上一层不透光的铬，然后用照相腐蚀法在上面制成向心透光窄缝。透光窄缝在圆周上等分，

36、其数量从几向心透光窄缝。透光窄缝在圆周上等分，其数量从几百条到几千条不等。圆盘也用玻璃材料研磨抛光制成，百条到几千条不等。圆盘也用玻璃材料研磨抛光制成，其透光窄缝为两条，每一条后面安装有一只光电元件。其透光窄缝为两条，每一条后面安装有一只光电元件。光电盘与工作轴连在一起光电盘与工作轴连在一起 ，光电盘转动时，每转过一，光电盘转动时，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化，光电元件把通过个缝隙就发生一次光线的明暗变化，光电元件把通过光电盘和圆盘射来的忽明忽暗的光信号转换为近似正光电盘和圆盘射来的忽明忽暗的光信号转换为近似正弦波的电信号，经过整形、放大、和微分处理后，输弦波的电信号，经过整形、放大

37、、和微分处理后，输出脉冲信号。通过记录脉冲的数目，就可以测出转角。出脉冲信号。通过记录脉冲的数目，就可以测出转角。测出脉冲的变化率，即单位时间脉冲的数目，就可以测出脉冲的变化率，即单位时间脉冲的数目，就可以求出速度。求出速度。 光电式脉冲编码器的组成光电式脉冲编码器的组成 为了判断旋转方向，圆盘的两个窄缝距离彼此错开为了判断旋转方向，圆盘的两个窄缝距离彼此错开1/41/4节距，使两个光电元件输出信号相位差节距，使两个光电元件输出信号相位差90900 0。如图。如图所示，所示，A A、B B信号为具有信号为具有90900 0相位差的正弦波，经放大和相位差的正弦波，经放大和整形变为方波整形变为方波

38、A A1 1、B B1 1。 设设A A相比相比B B相超前时为正方向旋转，则相超前时为正方向旋转，则B B相超前相超前A A相相就是负方向旋转，利用就是负方向旋转，利用A A相与相与B B相的相位关系可以判别相的相位关系可以判别旋转方向。此外，在光电盘的里圈不透光圆环上还刻旋转方向。此外，在光电盘的里圈不透光圆环上还刻有一条透光条纹，用以产生每转一个的零位脉冲信号，有一条透光条纹，用以产生每转一个的零位脉冲信号，它是轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲。它是轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲。 电流电流 A B 节距节距 t A1 B1 900 脉冲编码器输出波形脉冲编码器输出波形 v增量式编

39、码器的工作原理如图增量式编码器的工作原理如图6-106-10所示。在图所示。在图6-10(6-10(a)a)中，中，E E为等节距的辐射状透光窄缝圆盘，为等节距的辐射状透光窄缝圆盘，Q1Q1、Q2Q2为光源，为光源，DADA、DBDB、DCDC为光电元件为光电元件( (光敏二极管或光电池光敏二极管或光电池) )，DADA与与DBDB错开错开9090相位角相位角安装。安装。图图6-10 6-10 增量式编码器增量式编码器v当当圆盘旋转一个节距圆盘旋转一个节距时，在光源照射下，就在时，在光源照射下，就在光电元光电元件件DADA、DBDB上得图上得图6-10(6-10(b)b)所示的光电波形所示的光

40、电波形输出，输出，A A、B B信信号为具有号为具有9090相位差的正弦波。这组信号经放大器放相位差的正弦波。这组信号经放大器放大与整形后，得图大与整形后，得图6-10(6-10(c)c)所示的输出方波，所示的输出方波，A A相比相比B B相相超前超前9090，其电压幅值为，其电压幅值为5 5V V。设设A A相超前相超前B B相时为相时为正方正方向旋转向旋转，则，则B B相超前相超前A A相时为反方向旋转，以判别编码相时为反方向旋转，以判别编码器的旋转方向。器的旋转方向。C C相产生的脉冲为基准脉冲，又称零点相产生的脉冲为基准脉冲，又称零点脉冲，它是转轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲脉冲，

41、它是转轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲。v如用数控车床如用数控车床切削螺纹切削螺纹时，可将这种脉冲当做车刀时，可将这种脉冲当做车刀进进刀点和退刀点的信号刀点和退刀点的信号使用，以保证切削螺纹时不会乱使用，以保证切削螺纹时不会乱扣。这种脉冲也可用于扣。这种脉冲也可用于高速旋转的转数计数高速旋转的转数计数或加工中或加工中心等数控机床上的心等数控机床上的主轴准停信号主轴准停信号。A A、B B相脉冲信号经相脉冲信号经频率电压变换后，得到与转轴转速成正比例的电压信频率电压变换后，得到与转轴转速成正比例的电压信号，它就是速度反馈信号号，它就是速度反馈信号。v增量式编码器的增量式编码器的缺点缺点是，有可

42、能由于噪声或其他外界是，有可能由于噪声或其他外界干扰产生干扰产生计数错误计数错误，若因停电，刀具破损而停机，事，若因停电，刀具破损而停机，事故排除后故排除后不能再找到事故前执行部件的正确位置不能再找到事故前执行部件的正确位置。6.4.2 绝对值式编码器绝对值式编码器v绝对式编码器是一种旋转式检测装置，可直接把绝对式编码器是一种旋转式检测装置，可直接把被测被测转角转角用用数字代码表示数字代码表示出来，且每一个角度位置均有其出来，且每一个角度位置均有其对应的测量代码，它能表示绝对位置，没有累积误差，对应的测量代码，它能表示绝对位置，没有累积误差，电源切除后，位置信息不丢失，仍能读出转动角度。电源切

43、除后，位置信息不丢失，仍能读出转动角度。v绝对值式编码器是利用绝对值式编码器是利用其圆盘上的图案来表示数值的其圆盘上的图案来表示数值的。v绝对式编码器有绝对式编码器有光电式光电式、接触式接触式和和电磁式电磁式三种，以接三种，以接触式四位绝对编码器为例来说明其工作原理。触式四位绝对编码器为例来说明其工作原理。码位码位四位二进制编码盘a) b)v图图6-116-11所示为二进制编码盘，图中所示为二进制编码盘，图中空白的部分空白的部分透光，表透光，表示示“0 0”；加点；加点( (阴影阴影) )的部分不透光，表示的部分不透光，表示“1 1”。按照。按照圆盘上形成的二进位的圆盘上形成的二进位的每一环配

44、置光电变换器每一环配置光电变换器，即图中，即图中用黑点所示位置，用黑点所示位置，隔着圆盘从后侧用光源照射隔着圆盘从后侧用光源照射。此编码。此编码盘共有四环，每一环配置的光电变换器对应为盘共有四环，每一环配置的光电变换器对应为2020、2121、2222、2323。图中，内侧是二进制的高位，即。图中，内侧是二进制的高位，即2323；外侧是二；外侧是二进制的低位，如进制的低位，如“11011101”，读出的是十进制，读出的是十进制“1313”的角的角度坐标值。度坐标值。二进制编码器的主要缺点是图案变化无规律，二进制编码器的主要缺点是图案变化无规律，在使用中多位同时变化，易产生较多的误读在使用中多位

45、同时变化，易产生较多的误读。经改进后。经改进后的结构为的结构为葛莱编码盘葛莱编码盘，它的，它的特点特点是，是，每相邻十进制数之每相邻十进制数之间只一位二进制码不同间只一位二进制码不同。因此，图案的切换只用一位数。因此，图案的切换只用一位数( (二进制的位二进制的位) )进行。所以能把误读控制在一个数单位之进行。所以能把误读控制在一个数单位之内，提高了可靠性。内，提高了可靠性。绝对值式编码器的优缺点绝对值式编码器的优缺点v绝对值式编码器比增量编码器具有较多绝对值式编码器比增量编码器具有较多优点优点：坐标值坐标值可从绝对编码盘中直接读出，不会有累积进程中的误可从绝对编码盘中直接读出，不会有累积进程

46、中的误计数计数；运转速度可以提高，编码器本身具有机械式存运转速度可以提高，编码器本身具有机械式存储功能储功能，即便因停电或其他原因造成坐标值清除，通，即便因停电或其他原因造成坐标值清除，通电后，仍可找到原绝对坐标位置。电后，仍可找到原绝对坐标位置。v其其缺点缺点是，当进给是，当进给转数大于一转转数大于一转时，需作特别处理，时，需作特别处理，如用减速齿轮将两个以上的编码器连接起来，组成多如用减速齿轮将两个以上的编码器连接起来，组成多级检测装置，但其结构复杂、成本高。级检测装置，但其结构复杂、成本高。6.4.3 脉冲编码器的使用脉冲编码器的使用脉冲编码器是一种回转编码器，可以用来测相对位移，脉冲编

47、码器是一种回转编码器，可以用来测相对位移，单位时间内的相对角位移就是角速度。单位时间内的相对角位移就是角速度。 回转编码器在检测角位移的同时，配以定时器便可检回转编码器在检测角位移的同时，配以定时器便可检测出角速度。测出角速度。6.5 光光栅栅测量装置测量装置6.5.1 光栅的工作原理光栅的工作原理6.5.2 光栅测量的装置光栅测量的装置6.5.3 直线光栅检测装置的线路直线光栅检测装置的线路6.5.4 光栅检测系统光栅检测系统光栅简介光栅简介v光栅种类较多。根据光线在光栅中是透射还是反射分光栅种类较多。根据光线在光栅中是透射还是反射分为为透射光栅透射光栅和和反射光栅反射光栅，透射光栅分辨率较

48、反射光栅，透射光栅分辨率较反射光栅高，其检测精度可达高，其检测精度可达1 1mm以上。从以上。从形状上看，又可分形状上看，又可分为圆光栅和直线光栅为圆光栅和直线光栅。圆光栅用于测量转角位移，直。圆光栅用于测量转角位移，直线光栅用于检测直线位移。两者工作原理基本相似，线光栅用于检测直线位移。两者工作原理基本相似，本节着重介绍一种应用比较广泛的透射式直线光栅。本节着重介绍一种应用比较广泛的透射式直线光栅。v直线光栅通常包括一长和一短两块配套使用，其中长直线光栅通常包括一长和一短两块配套使用，其中长的称为标尺光栅或长光栅，一般固定在机床移动部件的称为标尺光栅或长光栅，一般固定在机床移动部件上，要求与

49、行程等长。短的为指示光栅或短光栅，装上，要求与行程等长。短的为指示光栅或短光栅，装在机床固定部件上。两光栅尺是刻有均匀密集线纹的在机床固定部件上。两光栅尺是刻有均匀密集线纹的透明玻璃片，线纹密度为透明玻璃片，线纹密度为2525、5050、100100、250250条条/ /mmmm等。等。线纹之间距离相等，该间距称为栅距，测量时它们相线纹之间距离相等，该间距称为栅距，测量时它们相互平行放置，并保持互平行放置，并保持0.050.10.050.1mmmm的间隙。的间隙。v计量光栅有长光栅和圆光栅两种计量光栅有长光栅和圆光栅两种，是数控机床和数显，是数控机床和数显系统常用的检测元件。它具有系统常用的

50、检测元件。它具有精度高，响应速度较快精度高，响应速度较快等优点。光栅测量是一种等优点。光栅测量是一种非接触式测量非接触式测量。6.5.1 光栅的工作原理光栅的工作原理v光栅位移检测装置由光栅位移检测装置由光源光源、两块光栅两块光栅( (长光栅、短光栅长光栅、短光栅) )和和光电元件光电元件等组成，见图等组成，见图6-13(6-13(a)a)。图图6-13 6-13 光栅的工作原理图光栅的工作原理图原理说明原理说明v光栅是在一块长条形的光学玻璃上均匀地刻上许多与光栅是在一块长条形的光学玻璃上均匀地刻上许多与运动方向垂直的线条运动方向垂直的线条，线条之间距离，线条之间距离( (称为称为栅距栅距)

51、)可以可以根据所需的精度决定，一般每毫米刻根据所需的精度决定，一般每毫米刻5050、100100、200200条条线。线。长光栅长光栅G1G1装在机床的移动部件上装在机床的移动部件上，称为，称为标尺光栅标尺光栅；短光栅短光栅G2G2装在机床的固定部件上装在机床的固定部件上，称为，称为指示光栅指示光栅。两。两块光栅互相平行并保持一定的间隙块光栅互相平行并保持一定的间隙( (如如0.05 0.05 mmmm或或0.1 0.1 mmmm等等) )，而两块光栅的刻线密度相同。，而两块光栅的刻线密度相同。原理说明原理说明（放大作用）（放大作用）v如果将指示光栅在其自身的平面如果将指示光栅在其自身的平面内

52、转过一个很小的角内转过一个很小的角度后度后，这样两块光栅的刻线相交，当平行光线垂直照，这样两块光栅的刻线相交，当平行光线垂直照射标尺光栅时，则在相交区域出现射标尺光栅时，则在相交区域出现明暗交替、间隔相明暗交替、间隔相等的粗大条纹等的粗大条纹，称为，称为莫尔条纹莫尔条纹。由于两块光栅的刻线。由于两块光栅的刻线密度相等，即密度相等，即栅距栅距相等，使产生的莫尔条纹的方向相等，使产生的莫尔条纹的方向与光栅刻线方向大致垂直。其几何关系见图与光栅刻线方向大致垂直。其几何关系见图6-13(6-13(b)b)。当当很小时，很小时，莫尔条纹的节距莫尔条纹的节距为为 W=/ (6-16)W=/ (6-16)v

53、这表明这表明莫尔条纹的节距是栅距的莫尔条纹的节距是栅距的1/1/倍倍。原理说明原理说明（移动成比例并具有方向性）（移动成比例并具有方向性）v当标尺光栅移动时，莫尔条纹就沿与光栅移动方向垂当标尺光栅移动时，莫尔条纹就沿与光栅移动方向垂直的方向移动直的方向移动。当光栅。当光栅移动一个栅距移动一个栅距时，莫尔条纹时，莫尔条纹就相应准确地就相应准确地移动一个节距移动一个节距W W，也就是说两者一一对应。也就是说两者一一对应。因此，因此，只要读出移过莫尔条纹的数目，就可知道光栅只要读出移过莫尔条纹的数目，就可知道光栅移过了多少个栅距移过了多少个栅距，而栅距在制造光栅时是已知的，而栅距在制造光栅时是已知的

54、，所以所以光栅的移动距离就可以通过光电检测系统对移过光栅的移动距离就可以通过光电检测系统对移过的莫尔条纹数进行计数、处理后自动测量出来。的莫尔条纹数进行计数、处理后自动测量出来。原理说明原理说明（均化误差）（均化误差）v如果光栅的刻线为如果光栅的刻线为100100条，即栅距为条，即栅距为0.01 0.01 mmmm时，人们是无法时，人们是无法用肉眼来分辨的，但它的莫尔条纹却清晰可见。所以用肉眼来分辨的，但它的莫尔条纹却清晰可见。所以莫尔条莫尔条纹是一种简单的放大机构纹是一种简单的放大机构，其，其放大倍数取决于两光栅刻线的放大倍数取决于两光栅刻线的交角交角，如如=0.01 mm=0.01 mm，

55、W=10 mmW=10 mm，则其放大倍数为则其放大倍数为1/1/=W/=1 000=W/=1 000倍。这种放大特点是莫尔条纹系统的独具倍。这种放大特点是莫尔条纹系统的独具特点。特点。v莫尔条纹的另一特点，就是莫尔条纹的另一特点，就是平均效应平均效应。因为莫尔条纹是由若。因为莫尔条纹是由若干条光栅刻线组成，若光电元件接受长度为干条光栅刻线组成，若光电元件接受长度为10 10 mmmm，在在=0.01 mm=0.01 mm时，光电元件接受的信号是由时，光电元件接受的信号是由1 0001 000条刻线组成，条刻线组成，所以制造数控技术上的缺陷，例如间断地少几根线，只会影所以制造数控技术上的缺陷，

56、例如间断地少几根线，只会影响千分之几的光电效果。因此，用光栅测量长度，决定其精响千分之几的光电效果。因此，用光栅测量长度，决定其精度的要素不是一根刻线，而是一组线的平均精度。度的要素不是一根刻线，而是一组线的平均精度。 标尺光栅莫尔条纹莫尔条纹6.5.2 光栅测量的装置光栅测量的装置v在实际使用中，大多数装置是在实际使用中，大多数装置是把光源、指示光栅和光电元把光源、指示光栅和光电元件组合在一起，称之为读数头件组合在一起，称之为读数头。读数头的结构形式很多，。读数头的结构形式很多，但就其光路来看可分为以下几种。但就其光路来看可分为以下几种。1. 分光读数头分光读数头2. 垂直入射读数头垂直入射

57、读数头3. 反射读数头反射读数头1. 1. 分光读数头分光读数头v它的原理图见图它的原理图见图6-146-14，光源，光源Q Q发出的光经透镜发出的光经透镜L1L1变成平变成平行光，照射到光栅行光，照射到光栅G1G1和和G2G2上，由透镜上，由透镜L2L2把在指示光栅把在指示光栅G2G2上形成的莫尔条纹聚焦，并在它的焦面上安置光电上形成的莫尔条纹聚焦，并在它的焦面上安置光电元件以接受莫尔条纹的明暗信号。元件以接受莫尔条纹的明暗信号。这种光学系统是莫尔条纹光这种光学系统是莫尔条纹光学系统的基本型。这种分光学系统的基本型。这种分光读数头，刻线截面为锯齿形，读数头，刻线截面为锯齿形，栅距为栅距为0.

58、004 0.004 mmmm，锯齿的倾锯齿的倾角是根据光栅材料的折射率角是根据光栅材料的折射率与入射光的波长确定的。与入射光的波长确定的。图图6-146-14分光读数头原理图分光读数头原理图分光读数头分光读数头v不过，这种光栅间距比较小，两块光栅之间的间隙也小。为不过，这种光栅间距比较小，两块光栅之间的间隙也小。为了保护光栅表面，常需粘一层保护玻璃，而这样小的间隙是了保护光栅表面，常需粘一层保护玻璃，而这样小的间隙是不行的。因此，在实际使用中采用投影系统不行的。因此，在实际使用中采用投影系统( (见图见图6 6-15)-15)，它，它是在是在光栅光栅G1G1与与G2G2之间装上等倍投影透镜之间

59、装上等倍投影透镜L3L3、L4L4。这样，这样，G1G1的的像就以同样大小的像投影在像就以同样大小的像投影在G2G2上形成莫尔条纹。这种系统本上形成莫尔条纹。这种系统本质上与前面的相同，质上与前面的相同，只是只是G1G1和和G2G2之间的距离拉长了之间的距离拉长了，从而满，从而满足了实际的使用要求。这种读数头主要用在高精度坐标控制足了实际的使用要求。这种读数头主要用在高精度坐标控制和精密测量仪器上。和精密测量仪器上。图图6-156-15等倍投影系统等倍投影系统2. 2. 垂直入射读数头垂直入射读数头v这种读数头主要是用于每毫米这种读数头主要是用于每毫米2525125125线的玻璃透射光线的玻璃

60、透射光栅系统栅系统( (见图见图6-16)6-16)。从光源从光源Q Q经直透镜经直透镜L L使光束使光束垂直照射到标尺光栅垂直照射到标尺光栅G1G1上，上，然后通过指示光栅然后通过指示光栅G2G2由光由光电元件电元件P P接收。两块光栅之接收。两块光栅之间的距离间的距离t t是根据有效光波是根据有效光波的波长的波长和光栅栅距和光栅栅距来来选择，即选择，即t=/t=/。但这仅但这仅仅是理论值，在实际使用仅是理论值，在实际使用中还要具体选择。中还要具体选择。图图6-16 6-16 玻璃透射光栅系统玻璃透射光栅系统垂直入射读数头的结构垂直入射读数头的结构v图图6-176-17为垂直入射读数头的结构