第六章_数控机床的检测装置

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主要内容主要内容: : 概述概述旋转变压器旋转变压器 感应同步器感应同步器 光栅光栅 磁栅磁栅 6.1 6.1 概述概述 1 1、作用：作用： 检测位移（线位移或角位移）和速度，发送反馈信号检测位移（线位移或角位移）和速度，发送反馈信号至数控装置，构成伺服系统的闭环或半闭环控制，使工至数控装置，构成伺服系统的闭环或半闭环控制，使工作台按指令的路径精确地移动，其精度决定了加工精度。作台按指令的路径精确地移动，其精度决定了加工精度。2 2、应用范围：应用范围： 半闭环控制的数控机床：半闭环控制的数控机床：旋转变压器、编码器旋转变压器、编码器，安装，

2、安装在电机或丝杠上，测量了电机或丝杠的角位移，也就在电机或丝杠上，测量了电机或丝杠的角位移，也就间接地测量了工作台的直线位移。间接地测量了工作台的直线位移。 闭环控制系统的数控机床：闭环控制系统的数控机床：感应同步器、光栅、磁栅感应同步器、光栅、磁栅等测量装置，安装在工作台和导轨上，直接测量工作等测量装置，安装在工作台和导轨上，直接测量工作台的直线位移。台的直线位移。6.1 6.1 概述概述3 3、位置检测装置的精度包括系统精度和分辨率、位置检测装置的精度包括系统精度和分辨率 系统精度系统精度：在一定长度或转角范围内测量累积误差的：在一定长度或转角范围内测量累积误差的最大值。最大值。 分辨率分

3、辨率：位置检测系统能够测量的最小位移量。：位置检测系统能够测量的最小位移量。3 3、要求：要求： 受温度、湿度的影响小，工作可靠，抗干扰能力强；受温度、湿度的影响小，工作可靠，抗干扰能力强； 在机床移动的范围内满足精度和速度要求；在机床移动的范围内满足精度和速度要求； 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； 成本低；成本低； 易于实现高速的动态测量。易于实现高速的动态测量。6.1 6.1 概述概述主要内容6.1.2 6.1.2 位置检测装置分类位置检测装置分类按被测量的几何量分：按被测量的几何量分： 回转型（测角位移）和直线型（测线位移）；回转型（测角位移）和直线型（

4、测线位移）；按检测信号的类型分：按检测信号的类型分： 数字式和模拟式；数字式和模拟式；按检测量的基准分：按检测量的基准分： 增量式和绝对式。增量式和绝对式。 不同类型的数控机床，因工作条件和检测要求不同，不同类型的数控机床，因工作条件和检测要求不同，可采用不同的检测方式。可采用不同的检测方式。6.1 6.1 概述概述主要内容概概述述数字式数字式 数字式数字式 模拟式模拟式 模拟式模拟式 增量式增量式 绝对式绝对式 增量式增量式 绝对式绝对式 回转型回转型 增量式脉冲编码器增量式脉冲编码器圆光栅圆光栅 绝对式脉冲编码器绝对式脉冲编码器 旋转变压器旋转变压器圆感应同步器圆感应同步器圆磁尺圆磁尺 多

5、极旋转变压器多极旋转变压器3速圆感应同步器速圆感应同步器 直线型直线型 计量光栅计量光栅激光干涉仪激光干涉仪 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 3速直线感应同步器速直线感应同步器绝对值式磁尺绝对值式磁尺 移动一个测量单位就发出一个测量信号被测量的任一点的位置都以一个固定零点作基准6.1 6.1 概述概述主要内容1增量式与绝对式增量式与绝对式 1 1）增量式检测方式）增量式检测方式 增量式检测方式测量位移增量，移动一个测量单位增量式检测方式测量位移增量，移动一个测量单位就发出一个测量信号。就发出一个测量信号。优点：优点：检测装置较简单，任何一个对中点均可作为测量

6、检测装置较简单，任何一个对中点均可作为测量 起点；轮廓控制常采用起点；轮廓控制常采用缺点：缺点：对测量信号计数后才能读出移距，一旦计数有误，对测量信号计数后才能读出移距，一旦计数有误，此后的测量结果将全错；发生故障时（如断电、断刀等）此后的测量结果将全错；发生故障时（如断电、断刀等）不能再找到事故前的正确位置，必须将工作台移至起点不能再找到事故前的正确位置，必须将工作台移至起点重新计数。重新计数。6.1 6.1 概述概述2 2）绝对式测量方式）绝对式测量方式 绝对式测量方式中，被测量的任一点的位置绝对式测量方式中，被测量的任一点的位置都以一个固定的零点作基准，每一被测点都有一都以一个固定的零点

7、作基准，每一被测点都有一个相应的对零点的测量值。避免了增量式检测方个相应的对零点的测量值。避免了增量式检测方式的缺陷，但其结构较为复杂。式的缺陷，但其结构较为复杂。6.1 6.1 概述概述2 2数字式与模拟式数字式与模拟式1 1）数字式测量方式）数字式测量方式 将被测量单位量化后以数字形式表示，测量信号一般将被测量单位量化后以数字形式表示，测量信号一般为电脉冲，可直接把它送到数控装置进行比较、处理为电脉冲，可直接把它送到数控装置进行比较、处理特点：特点：（1 1）被测量量化后转换成脉冲个数，便于显示和处理；）被测量量化后转换成脉冲个数，便于显示和处理；（2 2）测量精度取决于测量单位，与量程基

8、本无关（存在）测量精度取决于测量单位，与量程基本无关（存在累加误差）；累加误差）；（3 3）检测装置较简单，脉冲信号抗干扰能力强。）检测装置较简单，脉冲信号抗干扰能力强。6.1 6.1 概述概述2 2）模拟式测量方式）模拟式测量方式 将被测量用连续的变量来表示，如用相位变化、电压将被测量用连续的变量来表示，如用相位变化、电压变化来表示，主要用于小量程测量。主要特点：变化来表示，主要用于小量程测量。主要特点：（1 1）直接对被测量进行检测，无需量化；）直接对被测量进行检测，无需量化；（2 2）在小量程内可以实现高精度测量；）在小量程内可以实现高精度测量；（3 3）可用于直接检测和间接检测。）可用

9、于直接检测和间接检测。6.1 6.1 概述概述3 3直接测量与间接测量直接测量与间接测量1 1）直接测量）直接测量 对机床的直线位移采用直线型检测装置测量，称为直对机床的直线位移采用直线型检测装置测量，称为直接检测。接检测。 测量精度主要取决于测量元件的精度，不受机床传动测量精度主要取决于测量元件的精度，不受机床传动精度的影响。精度的影响。 但检测装置要与行程等长，对大型数控机床来说，这但检测装置要与行程等长，对大型数控机床来说，这是一个很大的限制。是一个很大的限制。6.1 6.1 概述概述2 2）间接测量）间接测量 对机床的直线位移采用回转型检测元件测量，称为对机床的直线位移采用回转型检测元

10、件测量，称为间接测量。间接测量。优点：优点： 使用可靠方便，无长度限制，使用可靠方便，无长度限制，缺点：缺点： 在检测信号中加入了直线运动转变为旋转运动的传动在检测信号中加入了直线运动转变为旋转运动的传动链误差，影响检测精度。因此为了提高定位精度，常链误差，影响检测精度。因此为了提高定位精度，常常需要对机床的传动误差进行补偿。常需要对机床的传动误差进行补偿。6.2 6.2 旋转变压器旋转变压器6.2.16.2.1旋转变压器的结构旋转变压器的结构组成：定子、转子组成：定子、转子分类：有刷和无刷两种分类：有刷和无刷两种旋转式的小型交流电动机旋转式的小型交流电动机12356748转子轴承分解器转子变

11、压器定子变压器二次绕组变压器转子线轴壳体分解器定子变压器一次绕组无刷旋转变压器：无刷旋转变压器：特点：特点：输出信号大输出信号大可靠性高可靠性高寿命长寿命长不用维修不用维修6.2 6.2 旋转变压器旋转变压器旋转变压器分：单极对、多极对。常用单极对旋转变压旋转变压器分：单极对、多极对。常用单极对旋转变压器和双极对旋转变压器。器和双极对旋转变压器。 单极对单极对：定子和转子上各有一对磁极。：定子和转子上各有一对磁极。 转子通常不直接与电机轴相联，经精密齿轮升速后再转子通常不直接与电机轴相联，经精密齿轮升速后再与电机轴相联，根据丝杠导程选用齿轮升速比，以保证与电机轴相联，根据丝杠导程选用齿轮升速比

12、，以保证机床的脉冲当量与输入设定的单位相同，升速比通常为机床的脉冲当量与输入设定的单位相同，升速比通常为1:21:2、1:31:3、1:41:4、2:32:3、1:51:5、2:52:5等。等。 多极对多极对：增加定子或转子的极对数，使电气转角为机：增加定子或转子的极对数，使电气转角为机械转角的倍数，用于高精度绝对式检测系统。械转角的倍数，用于高精度绝对式检测系统。 双极对双极对：定子和转子上各有两对相互垂直的磁极，其：定子和转子上各有两对相互垂直的磁极，其检测精度较高，在数控机床中应用普遍。检测精度较高，在数控机床中应用普遍。6.2 6.2 旋转变压器旋转变压器6.2.2 6.2.2 旋转变

13、压器的工作原理旋转变压器的工作原理 根据互感原理工作，定子与转子之间气隙磁通分布根据互感原理工作，定子与转子之间气隙磁通分布呈正余弦规律。当定子加上一定频率的激磁电压时，呈正余弦规律。当定子加上一定频率的激磁电压时，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电势，其通过电磁耦合，转子绕组产生感应电势，其输出电压的输出电压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。大小取决于定子和转子两个绕组轴线在空间的相对位置。 6.2 6.2 旋转变压器旋转变压器6.2 6.2 旋转变压器旋转变压器主要内容单极对旋转变压器单极对旋转变压器：由变压器原理，设一次绕组匝数：由变压器原理，设一次绕组匝数N N1 1，

14、二次绕组匝数，二次绕组匝数N N2 2，变压比，变压比n nN N1 1N N2 2，一次侧输入，一次侧输入交变电压：交变电压：tUUmsin1二次侧产生感应电势：二次侧产生感应电势： sinsin12tnUnUUmU U2 2转子绕组感应电势转子绕组感应电势U U1 1定子的激磁电压定子的激磁电压U Um m激磁电压幅值激磁电压幅值转子偏转角转子偏转角6.2 6.2 旋转变压器旋转变压器coscos2tkUem主要内容正弦余弦旋转变压器的工作原正弦余弦旋转变压器的工作原理理 定子和转子绕组中各有互相定子和转子绕组中各有互相垂直的两个绕组，定子上两个垂直的两个绕组，定子上两个绕组分别为正弦绕组

15、绕组分别为正弦绕组U U1s1s、余弦、余弦绕组绕组U U1c1c，转子绕组的一个绕组，转子绕组的一个绕组输出电压为输出电压为U U2 2，另一个绕组接，另一个绕组接高阻抗，补偿转子对定子的电高阻抗，补偿转子对定子的电枢反应。枢反应。正弦正弦余弦余弦4 5 U1 sU1 cRU2转 子定 子sinsin1tkUem6.2 6.2 旋转变压器旋转变压器旋转变压器的工作方式旋转变压器的工作方式 1 1鉴相工作方式鉴相工作方式 给定子的两个绕组通以同幅值、同频率，相位差给定子的两个绕组通以同幅值、同频率，相位差/2/2的交流激磁电压的交流激磁电压U U1s1sU Um msintsintU U1c1

16、cU Um m（sint+/2sint+/2）U Um mcostcost 转子正转时转子正转时， U U1s1s、U U1c1c在转子绕组中产生感应在转子绕组中产生感应电压，经叠加，得转子感应电压电压，经叠加，得转子感应电压U U2 2 6.2 6.2 旋转变压器旋转变压器转子正转时的感应电压：转子正转时的感应电压：U U2 2kUkUm msintsinsintsinkUkUm mcostcos=kUcostcos=kUm mcoscos（tt）k k电磁耦合系数，电磁耦合系数，k k11；相位角，转子偏转角。相位角，转子偏转角。转子反转时的感应电压：转子反转时的感应电压：U U2 2k

17、kU Um mcoscos（tt）（tt） 严格对应关系，严格对应关系，检测出（检测出（tt），可得），可得 ，可得被测轴的角位移。，可得被测轴的角位移。6.2 6.2 旋转变压器旋转变压器2 2鉴幅工作方式鉴幅工作方式 定子正、余弦绕组分别通同频率、同相位，但幅值分别定子正、余弦绕组分别通同频率、同相位，但幅值分别为为U Usmsm和和U Ucmcm的交流激磁电压的交流激磁电压 U U1s1sU UsmsmsintsintU U1c1c=U=Ucmcmsint sint 当给定电气角为当给定电气角为时，交流激磁电压的时，交流激磁电压的幅值幅值分别为分别为 U UsmsmU Um msin s

18、in U UcmcmU Um mcos cos 6.2 6.2 旋转变压器旋转变压器转子正转时转子正转时，U U1s1s、U U1c1c经叠加，转子感应电压经叠加，转子感应电压U U2 2为：为：U U2 2kUkUm msinsinsinsint tsinsinkUkUm mcossincossint tcoscos kUkUm mcoscos（）sinsint t转子反转时转子反转时，同理有：，同理有： U U2 2kUkUm mcoscos（）sintsintU U2 2的幅值为的幅值为: :kUkUm mcoscos（）、）、kUkUm mcoscos（）可见，可见， U U2 2的幅

19、值随转子的偏转角的幅值随转子的偏转角变化，变化，测量出幅值即可求得偏转角测量出幅值即可求得偏转角，6.2 6.2 旋转变压器旋转变压器主要内容6.2.3 6.2.3 旋转变压器的应用旋转变压器的应用 测量旋转变压器二次绕组的感应电动势测量旋转变压器二次绕组的感应电动势U U2 2的幅的幅值或相位的变化，可知转子偏转角值或相位的变化，可知转子偏转角的变化。的变化。 如果将旋转变压器安装在数控机床的丝杠上，如果将旋转变压器安装在数控机床的丝杠上，当当角从角从0 0变化到变化到360360时，表示丝杠上的螺母时，表示丝杠上的螺母走了一个导程，这样就间接地测量了丝杠的直线走了一个导程，这样就间接地测量

20、了丝杠的直线位移（导程）的大小。位移（导程）的大小。 6.2 6.2 旋转变压器旋转变压器 当测全长时，由于普通旋转变压器属于增量当测全长时，由于普通旋转变压器属于增量式测量装置，如果将其转子直接与丝杠相联，转子转动式测量装置，如果将其转子直接与丝杠相联，转子转动一周，仅相当于工作台一周，仅相当于工作台1 1个丝杠导程的直线位移，不能反个丝杠导程的直线位移，不能反映全行程，因此，要检测工作台的绝对位置，需要加一映全行程，因此，要检测工作台的绝对位置，需要加一台台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，累计所走的导程数，折算成位移总长度。长度。 另外，在转子每转另外，在转子

21、每转1 1周时，转子的输出电压将随旋转周时，转子的输出电压将随旋转变压器的极数不同而不止一次地通过零点，必须在线路变压器的极数不同而不止一次地通过零点，必须在线路中加中加相敏检波器相敏检波器来辨别转换点和区别不同的转向。来辨别转换点和区别不同的转向。 6.2 6.2 旋转变压器旋转变压器 此外，还可以用此外，还可以用3 3个旋转变压器按个旋转变压器按1:11:1、10:110:1和和100:1100:1的比例相互配合串接，组成精、中、粗的比例相互配合串接，组成精、中、粗3 3级旋转变压级旋转变压器测量装置。如果转子以半周期直接与丝杠耦合（即器测量装置。如果转子以半周期直接与丝杠耦合（即“精精”

22、同步），结果使丝杠位移同步），结果使丝杠位移10mm10mm，则，则“中中”测旋测旋转变压器工作范围为转变压器工作范围为100mm100mm，“粗粗”测旋转变压器的测旋转变压器的工作范围为工作范围为1000mm1000mm。 为了使机床工作台按指令值到达一定位置，需用电气为了使机床工作台按指令值到达一定位置，需用电气转换电路在实际值不断接近指令值的过程中，使旋转转换电路在实际值不断接近指令值的过程中，使旋转变压器从变压器从“粗粗” ” 转换到转换到“中中”再转换到再转换到“精精”，最，最终的位置检测精度由终的位置检测精度由“精精”旋转变压器决定。旋转变压器决定。 6.2 6.2 旋转变压器旋转

23、变压器主要内容6.2.4 6.2.4 磁阻式多极旋转变压器简介磁阻式多极旋转变压器简介 普通旋转变压器普通旋转变压器：精度为角分级，：精度为角分级，应用：精度要求不高或大型机床的粗测和中测。应用：精度要求不高或大型机床的粗测和中测。近年广泛采用近年广泛采用磁阻式多极旋转变压器磁阻式多极旋转变压器：无电刷、滑环：无电刷、滑环特点：工作可靠、抗冲击能力强，连续高速运行、寿特点：工作可靠、抗冲击能力强，连续高速运行、寿命长，成本低，输出信号电平高（命长，成本低，输出信号电平高（0.50.51.5V1.5V，最高可，最高可达达4V4V），测量精度不如感应同步器和光栅，但高于普），测量精度不如感应同步器

24、和光栅，但高于普通旋转变压器，误差不超过通旋转变压器，误差不超过3.53.5角秒，所以在数控机床角秒，所以在数控机床上的应用很有前途。上的应用很有前途。 应用：高精度及各种控制式电气变速双通道系统，提应用：高精度及各种控制式电气变速双通道系统，提高数控机床定位精度。高数控机床定位精度。6.2 6.2 旋转变压器旋转变压器转子每转过一个转转子每转过一个转子齿距，气隙磁导子齿距，气隙磁导变化一个周期；当变化一个周期；当转子转过一周时，转子转过一周时，气隙磁导变化的周气隙磁导变化的周期数等于转子齿数。期数等于转子齿数。气隙磁导变化，输气隙磁导变化，输出绕组感应电势变出绕组感应电势变化。化。zzzzz

25、zzzz通过测输出电压幅值的变化得转子的转角。通过测输出电压幅值的变化得转子的转角。6.3 6.3 感应同步器感应同步器6.3.1 6.3.1 感应同步器的结构与种类感应同步器的结构与种类1 1、分类：、分类： 直线式直线式：由定尺、滑尺组成，测直线位移，用于全闭：由定尺、滑尺组成，测直线位移，用于全闭环伺服系统。环伺服系统。 旋转式旋转式：由定子、转子组成，测量角位移，用于半闭环：由定子、转子组成，测量角位移，用于半闭环伺服系统。伺服系统。6.3 6.3 感应同步器感应同步器1 1直线感应同步器直线感应同步器38引线(a)(b)(c)12212211W2片宽a2间隔b2l1W1a1b1b1l

26、1W1/2a1定尺绕组节距定尺绕组节距w w2 22 2（a a2 2+ +b b2 2），），W W2 2222mm2mm滑尺正余弦绕组成滑尺正余弦绕组成W W或或U U形。形。错开错开1 14 4w w2 2 （电角度（电角度/2/2）。）。节距节距w w1 12(2(a a1 1+ +b b1 1) )取取w w1 1w w2 2或或w w1 12/32/3 w w2 2正弦绕组余弦绕组)21()412(21nnl6.3 6.3 感应同步器感应同步器 定尺和滑尺的定尺和滑尺的基体基体常用厚度为常用厚度为10mm10mm、与床身材料热膨、与床身材料热膨胀系数相近的钢板或铸铁，以减小与机床的

27、温度误差。胀系数相近的钢板或铸铁，以减小与机床的温度误差。 平面平面绕组绕组为铜箔，常用厚度为为铜箔，常用厚度为0.05mm0.05mm或或0.07mm0.07mm的纯铜的纯铜箔，用绝缘粘结剂将铜箔热压粘结在基体上，经精密照箔，用绝缘粘结剂将铜箔热压粘结在基体上，经精密照相腐蚀工艺制成所需印刷绕组形式。相腐蚀工艺制成所需印刷绕组形式。 定尺绕组表面定尺绕组表面涂一层耐切削液的清漆涂层作为涂一层耐切削液的清漆涂层作为保护保护层层，防止切削液的飞溅。，防止切削液的飞溅。 滑尺绕组表面滑尺绕组表面贴一层带塑料薄膜的贴一层带塑料薄膜的绝缘铝箔绝缘铝箔，防止，防止因静电感应产生附加容性电势。因静电感应产

28、生附加容性电势。6.3 6.3 感应同步器感应同步器 直线式感应同步器有标准式、窄式、带式和直线式感应同步器有标准式、窄式、带式和3 3重重（速）式等。（速）式等。 标准式：标准式：精度最高、使用最广；精度最高、使用最广； 窄式窄式：定尺、滑尺宽度比标准式小，电磁感应强度减：定尺、滑尺宽度比标准式小，电磁感应强度减低，比标准式精度低，适用精度较低或机床上安装位低，比标准式精度低，适用精度较低或机床上安装位置窄小且安装面难于加工的情况；置窄小且安装面难于加工的情况； 带式：带式：定尺最长可至定尺最长可至3m3m以上，不需接长，可简化安装，以上，不需接长，可简化安装，定尺随床身热变形而变形，但定尺

29、较长，刚性稍差，定尺随床身热变形而变形，但定尺较长，刚性稍差，总测量精度比标准式低；总测量精度比标准式低； 3 3重式：重式：定尺有粗、中、细绕组，为绝对式检测系统，定尺有粗、中、细绕组，为绝对式检测系统，特别适用大型机床。特别适用大型机床。6.3 6.3 感应同步器感应同步器2 2圆感应同步器圆感应同步器 定子、转子采用不锈钢、硬铝合金等材料作定子、转子采用不锈钢、硬铝合金等材料作基板基板，呈环形辐射状。呈环形辐射状。 定子和转子相对的一面均有定子和转子相对的一面均有导电绕组导电绕组，绕组用厚，绕组用厚0.05mm0.05mm的铜箔构成。的铜箔构成。 基板和绕组之间有基板和绕组之间有绝缘层绝

30、缘层。绕组表面还加有一层与绕。绕组表面还加有一层与绕组绝缘的组绝缘的屏蔽层屏蔽层，材料为铝箔或铝膜。，材料为铝箔或铝膜。6.3 6.3 感应同步器感应同步器 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9090电角度）电角度）sinsin绕组、绕组、coscos绕组绕组sincos6.3 6.3 感应同步器感应同步器6.3.2 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。安装防护罩：防止切屑和油污浸入安装防护罩：防止切

31、屑和油污浸入 安装时必须保持定尺和滑尺平行、两平面间的间隙安装时必须保持定尺和滑尺平行、两平面间的间隙约为约为0 025250 005mm05mm，其它安装要求视具体的产品说明，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长度上正常耦合，减而定。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。少测量误差。6.3 6.3 感应同步器感应同步器6.3.3 6.3.3 感应同步器工作原理感应同步器工作原理 定尺：单向均匀感应绕组，绕组节距定尺：单向均匀感应绕组，绕组节距22，相当绕组，相当绕组 空间分布的一个周期空间分布的一个周期22 滑尺：有两组激磁绕组，为正、余弦激磁绕组，节

32、距滑尺：有两组激磁绕组，为正、余弦激磁绕组，节距与定尺相同，相互错开与定尺相同，相互错开1/41/4节距，当正弦绕组和定尺节距，当正弦绕组和定尺对准时，余弦绕组和定尺相差对准时，余弦绕组和定尺相差/2/2的距离，相当于的距离，相当于/2/2电角度。电角度。正弦绕组余弦绕组滑尺定尺2/2UdUsUc6.3 6.3 感应同步器感应同步器1 / 41 / 23 / 41 节 距定 尺a点b点c点d点e点滑尺的位置电 磁耦 合 度感应电动势abcde滑尺绕组通以交流激磁电压滑尺绕组通以交流激磁电压时，由电磁感应在定尺上感时，由电磁感应在定尺上感应出感应电压，应出感应电压，滑尺与定尺间产生相对位移滑尺与

33、定尺间产生相对位移时，电磁耦合的变化使定尺时，电磁耦合的变化使定尺上感应电压随位移的变化而上感应电压随位移的变化而变化。变化。 滑尺移动一个节距滑尺移动一个节距, ,感应电压感应电压变化一个余弦波形。利用这变化一个余弦波形。利用这个感应电压的变化进行位置个感应电压的变化进行位置检测检测。E最大E=0E=-EaE=0正弦绕组通电，定子产生余弦波的电动势正弦绕组通电，定子产生余弦波的电动势余弦绕组通电，定子产生正弦波的电动势余弦绕组通电，定子产生正弦波的电动势6.3 6.3 感应同步器感应同步器 感应同步器有两种工作方式：鉴相工作方式和鉴幅感应同步器有两种工作方式：鉴相工作方式和鉴幅工作方式工作方

34、式 1 1鉴相工作方式鉴相工作方式 给滑尺的正弦、余弦绕组分别通同频率、同幅值，但相给滑尺的正弦、余弦绕组分别通同频率、同幅值，但相位相差位相差/2/2的交流激磁电压的交流激磁电压U Us sU Um msint sint U Uc c=U=Um msinsin（t+/t+/2 2）= =U Um mcostcost6.3 6.3 感应同步器感应同步器若起始时滑尺的正弦绕组与定尺的感应绕组重合，当滑若起始时滑尺的正弦绕组与定尺的感应绕组重合，当滑尺移动尺移动x x距离时，距离时，滑尺正弦绕组和定尺绕组不重合，滑尺正弦绕组和定尺绕组不重合，在在定尺上的感应电压为定尺上的感应电压为 U Ud1d1

35、k k U Us scoscosk k U Um msintcos sintcos kk电磁耦合系数；电磁耦合系数；U Um m激磁电压幅值；激磁电压幅值；滑尺绕组相对定尺绕组电气相位角。滑尺绕组相对定尺绕组电气相位角。的大小为的大小为xx226.3 6.3 感应同步器感应同步器滑尺余弦绕组和定尺绕组相差滑尺余弦绕组和定尺绕组相差l l4 4节距，节距，在定尺上的感在定尺上的感应电压为应电压为U Ud2d2kUkUc ccoscos（/2/2）k Uk Um msincost sincost 定尺和滑尺交变磁通经气隙而耦合，应用叠加原理得定定尺和滑尺交变磁通经气隙而耦合，应用叠加原理得定尺绕组

36、的感应电压尺绕组的感应电压 U Ud d= = U Ud d1 1U Ud d2 2kUkUm msinsin（tt）其中其中可见，可见，U Ud d x，通过测量定尺感应电压相位，通过测量定尺感应电压相位tt ，可得滑尺位移量可得滑尺位移量 x x xx226.3 6.3 感应同步器感应同步器将将 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=22=2，则，则 若脉冲当量若脉冲当量2m/2m/脉冲，则脉冲，则相移相移位移系数位移系数为为 xmmx/1801脉冲脉冲/36. 0/180002. 06.3 6.3 感应同步器感应同步器UmsintUmcost要求输出要求输出4

37、00Hz 的调相信号。的调相信号。=1.8/脉冲，则计数器的脉冲，则计数器的容量应为容量应为200，触发脉冲的频，触发脉冲的频率应为率应为80kHz。kUmsin（t2）kUmsin（t1）6.3 6.3 感应同步器感应同步器2 2鉴幅工作方式鉴幅工作方式 给滑尺正、余弦绕组分别通同相位、同频率、幅值不同给滑尺正、余弦绕组分别通同相位、同频率、幅值不同的激磁电压的激磁电压 U Us sU Usmsmsinsint t U Uc cU Ucmcmsinsint t给定电气角为给定电气角为时，交流激磁电压时，交流激磁电压U Us s 、U Uc c的幅值分别的幅值分别为为 U UsmsmU Um

38、msin sin U UcmcmU Um mcos cos 电气角。电气角。6.3 6.3 感应同步器感应同步器根据叠加原理，可得定尺绕组感应电压根据叠加原理，可得定尺绕组感应电压U Ud d= U= Us scoscosU Uc csinsinU Um msinsin（）sintsint可见，可见，U Ud d的幅值的幅值U Um msinsin（） ，若已知电气，若已知电气角角，则测量出，则测量出U Um msinsin（）可间接求出）可间接求出值，从值，从而求出而求出 x x 的大小。的大小。特别是：当特别是：当U Ud d0 0时，时，因此，逐渐改变，因此，逐渐改变值，值，使使U Ud

39、 d0 0，便可求出，便可求出值，从而求出值，从而求出x x。6.3 6.3 感应同步器感应同步器令令 很小时很小时U Ud d= U= Us scoscosU Uc csinsin U Um msinsin（）sint sint U Um m sintsint将式将式 代入上式代入上式 可见，当可见，当x x很小时，很小时，U Ud d的幅值的幅值 与与x x成正比，可成正比，可通过测量通过测量U Ud d的幅值来测定的幅值来测定x x。)sin(xx22txUUmdsinmU6.3 6.3 感应同步器感应同步器U Ud d x x：每改变一个每改变一个x x的位移增量时，就有电压的位移增量

40、时，就有电压U Ud d 据此可实现对位移增量的高精度细分。可预先设定据此可实现对位移增量的高精度细分。可预先设定某一门槛电平，当某一门槛电平，当U Ud d值达到该门槛电平时，就产生一个值达到该门槛电平时，就产生一个脉冲信号，用该脉冲信号去控制修改激磁电压线路，使脉冲信号，用该脉冲信号去控制修改激磁电压线路，使其产生合适的其产生合适的U Us s、U Uc c，使，使U Ud d重新降低到门槛电平以下，重新降低到门槛电平以下，这样：这样：位移量位移量x x数字量数字量脉冲，实现了对位移的测脉冲，实现了对位移的测量。量。6.3 6.3 感应同步器感应同步器将指令脉冲与反馈来的实际脉冲值进行比较

41、得将指令脉冲与反馈来的实际脉冲值进行比较得到数字量位置误差，后经到数字量位置误差，后经D/A控制伺服机构控制伺服机构辨相辨相产生实际脉冲产生实际脉冲跟随跟随变化变化6.3 6.3 感应同步器感应同步器6.3.4 6.3.4 感应同步器的特点感应同步器的特点 1 1精度高精度高 直接对机床位移进行测量，不经机械传动装置，测直接对机床位移进行测量，不经机械传动装置，测量精度主要取决于尺子的精度。量精度主要取决于尺子的精度。 定尺的节距误差有平均自补偿作用，定尺上感应电定尺的节距误差有平均自补偿作用，定尺上感应电压信号有多周期的平均效应，降低了绕组局部尺寸制造压信号有多周期的平均效应，降低了绕组局部

42、尺寸制造误差的影响，从而达到较高的测量精度。误差的影响，从而达到较高的测量精度。测量长度不受限制测量长度不受限制 可采用多块定尺接长，增大测量尺寸，行程为几米可采用多块定尺接长，增大测量尺寸，行程为几米到几十米，可实现中型、大型机床工作台位移的直线测到几十米，可实现中型、大型机床工作台位移的直线测量量6.3 6.3 感应同步器感应同步器工作可靠、抗干扰性强工作可靠、抗干扰性强 感应同步器金属基板和床身铸铁的热胀系数相近，感应同步器金属基板和床身铸铁的热胀系数相近，当温度变化时，两者的变化规律相同，还能获得较高的当温度变化时，两者的变化规律相同，还能获得较高的重复精度；重复精度； 圆感应同步器的

43、基板受热后各方向的热涨量对称于圆圆感应同步器的基板受热后各方向的热涨量对称于圆心，不影响测量精度。心，不影响测量精度。 感应同步器是非接触式的空间耦合器件，所以对尺感应同步器是非接触式的空间耦合器件，所以对尺面防护要求低，可选择耐温性能良好的非导磁性涂料作面防护要求低，可选择耐温性能良好的非导磁性涂料作保护层，加强感应同步器的抗温防湿能力。保护层，加强感应同步器的抗温防湿能力。6.3 6.3 感应同步器感应同步器维护简单、寿命长维护简单、寿命长 定尺和滑尺不接触，无摩擦、磨损，使用寿命很长。定尺和滑尺不接触，无摩擦、磨损，使用寿命很长。 加防护罩，防止切屑进入定、滑尺之间滑伤导片及加防护罩，防

44、止切屑进入定、滑尺之间滑伤导片及防止灰尘、油污及冲击振动。防止灰尘、油污及冲击振动。 是电磁耦合器件，不需光源、光电元件，不存在元是电磁耦合器件，不需光源、光电元件，不存在元件老化及光学系统故障等问题。件老化及光学系统故障等问题。抗扰能力强、工艺性好、成本较低，便于复制和成抗扰能力强、工艺性好、成本较低，便于复制和成批生产。批生产。输出信号比较微弱，需要放大倍数较高的前置放大输出信号比较微弱，需要放大倍数较高的前置放大器。器。6.4 6.4 光光 栅栅定义：定义：利用光的透射、衍射制成的光电检测元件利用光的透射、衍射制成的光电检测元件组成：组成： 标尺光栅：固定在机床活动件上标尺光栅：固定在机

45、床活动件上 光栅读数头：装在机床固定件上光栅读数头：装在机床固定件上工作台移动，产生相对位移工作台移动，产生相对位移标尺光栅尺身安装孔 扫描头 （与移动部件固定）可移动电缆光栅6.4 6.4 光光 栅栅通常意义上讲，光栅按用途分有两大类：通常意义上讲，光栅按用途分有两大类： 物理光栅（衍射光栅）：刻线细密，线纹密度物理光栅（衍射光栅）：刻线细密，线纹密度200200500500条条/ /，线纹相互平行且距离相等（栅距）。栅距，线纹相互平行且距离相等（栅距）。栅距0.0020.0020.0050.005，主要是利用光的衍射原理用于光谱，主要是利用光的衍射原理用于光谱分析和光波波长的测定。分析和光

46、波波长的测定。 计量光栅：刻线稍粗，线纹密度计量光栅：刻线稍粗，线纹密度2525条条/ /、5050条条/ /、100100条条/ /、250250条条/ /等，即栅距为等，即栅距为0.0040.0040.250.25，主要是利用光的透射和反射现象，用于数控机床检测主要是利用光的透射和反射现象，用于数控机床检测系统。系统。 这里所讨论的光栅是指计量光栅这里所讨论的光栅是指计量光栅。6.4 6.4 光光 栅栅 计量光栅：高精度数控机床的位置检测装置，用于闭计量光栅：高精度数控机床的位置检测装置，用于闭环控制系统，可测量位移和转角。读数速率高（环控制系统，可测量位移和转角。读数速率高（0 0 数数

47、十万次十万次/ /每秒）非常适用动态测量。每秒）非常适用动态测量。一、光栅的种类与精度一、光栅的种类与精度 按形状：长光栅（直线光栅）、圆光栅。长光栅检测按形状：长光栅（直线光栅）、圆光栅。长光栅检测线位移，圆光栅测量角位移线位移，圆光栅测量角位移 按制作原理：玻璃透射光栅、金属反射光栅。按制作原理：玻璃透射光栅、金属反射光栅。 6.4 6.4 光光 栅栅6.4.1 6.4.1 光栅的种类与精度光栅的种类与精度长光栅长光栅（1 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，用层金属膜，再涂上一层均匀的感光材料，用

48、照相腐蚀照相腐蚀法法制成透明与不透明间隔相等的线纹。特点：制成透明与不透明间隔相等的线纹。特点：1 1）光源可采用垂直入射，光电元件可直接接受光信号，）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；因此信号幅度大，读数头结构比较简单；2 2）每毫米上线纹数多，一般为）每毫米上线纹数多，一般为100100、125125、250250条条/mm/mm，再，再经过电路细分，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 6.4 光光 栅栅（2 2）金属反射光栅金属反射光栅是在钢尺或不锈钢的镜面上用照相腐是在钢尺或不锈钢的镜面上用照相腐蚀法或用

49、钻石刀直接刻划制成的光栅线纹；常用的线纹蚀法或用钻石刀直接刻划制成的光栅线纹；常用的线纹数为数为4 4、1010、2525、4040、5050条条/mm/mm ，分辨率低。，分辨率低。特点：特点：1 1）标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 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 3）安装面积较小；）安装面积较小；4 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 5）不易碰碎。）不易碰碎。6.4 6.4 光光 栅栅圆光栅圆光栅 在玻璃圆盘外环端面上，做成黑白相间条纹，条纹呈在玻

50、璃圆盘外环端面上，做成黑白相间条纹，条纹呈辐射状，相互间夹角（栅距角）相等。不同的使用要求辐射状，相互间夹角（栅距角）相等。不同的使用要求在圆周内的线纹数不相同。一般有在圆周内的线纹数不相同。一般有3 3种形式：种形式：（1 1）六十进制，如圆周内的线纹数为：）六十进制，如圆周内的线纹数为：10 80010 800，21 21 600600，32 40032 400，64 80064 800等；等；（2 2）十进制，如圆周内的线纹数为：）十进制，如圆周内的线纹数为：10001000，25002500，50005000等；等；（3 3）二进制，如圆周内的线纹数为：）二进制，如圆周内的线纹数为：5

51、12512，10241024，20482048等。等。一个一个圆形圆形被均分成被均分成360360度，度，每一度有每一度有6060角分，一角分等于角分，一角分等于6060角秒角秒 6.4 6.4 光光 栅栅计量光栅的精度计量光栅的精度 取决于光栅尺本身的制造精度，即计量光栅任意两点取决于光栅尺本身的制造精度，即计量光栅任意两点间的误差。间的误差。 激光技术的发展使光栅制作精度得到很大提高，可达激光技术的发展使光栅制作精度得到很大提高，可达微米级，再通过细分电路可达微米级，再通过细分电路可达0.1m0.1m、甚至更高，如、甚至更高，如0.025m0.025m。 光栅检测系统的工作原理基于光栅检测

52、系统的工作原理基于莫尔条纹莫尔条纹的形成原理的形成原理莫尔条纹是由若干光栅线纹干涉形成的莫尔条纹是由若干光栅线纹干涉形成的. . 各种光栅中以玻璃衍射光栅的精度为最高各种光栅中以玻璃衍射光栅的精度为最高6.4 6.4 光光 栅栅6.4.2 6.4.2 光栅结构与测量原理光栅结构与测量原理1.1.光栅的结构光栅的结构 标尺光栅、指示光栅上均匀刻有条纹，不透光宽度标尺光栅、指示光栅上均匀刻有条纹，不透光宽度（缝隙宽度）（缝隙宽度）a a，透光宽度（刻线宽度），透光宽度（刻线宽度）b b，设栅距为，设栅距为d d，d da+ba+b。通常。通常a=ba=b。安装时严格要保证标尺光栅和指示。安装时严格

53、要保证标尺光栅和指示光栅的平行度及两者间隙（一般光栅的平行度及两者间隙（一般0.050.05或或0.10.1）ab标尺光栅指示光栅d6.4 6.4 光光 栅栅2 2）光栅读数头）光栅读数头SPL2G2G1L1Q作用：将莫尔条纹的光信号转换成电脉冲信号。作用：将莫尔条纹的光信号转换成电脉冲信号。结构分类：分光读数头、垂直入射读数头、反射读数头结构分类：分光读数头、垂直入射读数头、反射读数头垂直入射读数头垂直入射读数头L1G1G2L2PQ分光读数头分光读数头反射读数头反射读数头6.4 6.4 光光 栅栅 上述光栅用于上述光栅用于增量式测量增量式测量，有的光栅读数头设有，有的光栅读数头设有个个绝对零

54、点，当停电或其他原因记错数字时，可重新对绝对零点，当停电或其他原因记错数字时，可重新对零（方法：在两光栅上分别有一小段光栅，这两小段零（方法：在两光栅上分别有一小段光栅，这两小段光栅重合时发出光栅重合时发出零位信号零位信号） 光栅采用与机床材料膨胀系数接近的光栅采用与机床材料膨胀系数接近的K8K8等玻璃材料，等玻璃材料，测量精度较高的光栅在恒温场所或进行密封使用。测量精度较高的光栅在恒温场所或进行密封使用。 用直线光栅测量时标尺光栅与行程等长，通常光栅长用直线光栅测量时标尺光栅与行程等长，通常光栅长度为度为1m1m。行程大于。行程大于1m1m时，需要将光栅接长时，需要将光栅接长6.4 6.4

55、光光 栅栅2 2 光栅的基本测量原理光栅的基本测量原理莫尔条纹莫尔条纹横向透光亮带横向暗带wd均匀刻线主光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动6.4 6.4 光光 栅栅通过读出移动的莫尔条纹条数，通过读出移动的莫尔条纹条数，计算出运动部件的准确位移。计算出运动部件的准确位移。横向透光亮带横向暗带栅距栅距6.4 6.4 光光 栅栅莫尔条纹特性：莫尔条纹特性：（1 1）光学放大作用）光学放大作用标 尺 光 栅指 示 光 栅dw/22cos2sin222dddwtg放大比放大比k为为 ：1dwk若若d d=0.01mm=0.01mm，0.01rad0.01rad，则，则w w1mm1mm，k k1

56、00100 222cosxxtgwwdx6.4 6.4 光光 栅栅（2 2）实现平均误差作用）实现平均误差作用 莫尔条纹莫尔条纹 大量光栅线纹干涉大量光栅线纹干涉 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 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 光栅移动一个栅距光栅移动一个栅距d d 莫尔条纹沿垂直方向移动一莫尔条纹沿垂直方向移动一个间距个间距w w 若光栅移动方向相反，莫尔条纹移动方向也相反。若光栅移动方向相反，莫尔条纹移动方向也相反。6.4 6.4 光光 栅栅6.4.3 6.4.3 光栅测量系统光栅测量系统 光强信号变

57、为同频率的电压信号光强信号变为同频率的电压信号 标尺光栅移动过程中，莫尔条纹交替出现标尺光栅移动过程中，莫尔条纹交替出现由亮带到暗带、暗带到亮带，光强度分布近似由亮带到暗带、暗带到亮带，光强度分布近似余弦曲线，光电元件接收到的光通量忽大忽小，余弦曲线，光电元件接收到的光通量忽大忽小，产生近似正弦曲线的电压信号产生近似正弦曲线的电压信号 6.4 6.4 光光 栅栅四倍频细分四倍频细分6.4 6.4 光光 栅栅 鉴向倍频装置鉴向倍频装置d6.4 6.4 光光 栅栅鉴向倍频电路作用鉴向倍频电路作用: : 辨向、细分，提高光栅的分辨率。辨向、细分，提高光栅的分辨率。四倍频细分四倍频细分： 就是从一个莫

58、尔条纹之产生一个电脉冲信号，变成为就是从一个莫尔条纹之产生一个电脉冲信号，变成为0 0、9090、180180、270270都有脉冲输出，一个周期内都有脉冲输出，一个周期内送出送出4 4个脉冲。分辨率提高个脉冲。分辨率提高4 4倍。倍。 分辨率取决于光栅栅距分辨率取决于光栅栅距d d和鉴向倍频的倍数和鉴向倍频的倍数n n，即：，即：分辨率分辨率d d/ /n n。 例：光栅线纹密度例：光栅线纹密度5050条条/mm/mm（栅距（栅距20m20m），经），经4 4倍倍频处理后，线纹密度提高到频处理后，线纹密度提高到200200条条/mm/mm，工作台每移动，工作台每移动5m5m送出一个脉冲，即分

59、辨率为送出一个脉冲，即分辨率为5m5m，提高，提高4 4倍。倍。6.4 6.4 光光 栅栅光栅在数控车床上的安装位置光栅在数控车床上的安装位置6.4 6.4 光光 栅栅光栅在数控镗铣床上的安装位置光栅在数控镗铣床上的安装位置6.5 6.5 磁磁 栅栅 磁栅（磁尺）：磁栅（磁尺）：用电磁方法计算磁波数目的一种位用电磁方法计算磁波数目的一种位置检测元件置检测元件。用于线和角位移测量。与感应同步器、光。用于线和角位移测量。与感应同步器、光栅相比，测量精度略低。栅相比，测量精度略低。 优点：优点：1 1制作简单，安装、调整方便，成本低。录制完的磁化制作简单，安装、调整方便，成本低。录制完的磁化信号，可

60、抹去重录。可安装在机床上再录磁，避免安信号，可抹去重录。可安装在机床上再录磁，避免安装误差。装误差。2 2长度可任意选择，亦可录制任意节距的磁信号。长度可任意选择，亦可录制任意节距的磁信号。3 3对使用环境要求低。在油污、粉尘较多的环境中应用，对使用环境要求低。在油污、粉尘较多的环境中应用，具有较好的稳定性。具有较好的稳定性。6.5 6.5 磁磁 栅栅6.5.1 6.5.1 磁栅的工作原理与结构磁栅的工作原理与结构组成：组成： 磁性标尺、磁头和检测电路。磁性标尺、磁头和检测电路。工作原理：工作原理： 用录磁磁头将相等节距（常为用录磁磁头将相等节距（常为20m 20m 或或50m50m）周）周期