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1、数控原理与数控系统数控原理与数控系统第第3章章 位置检测装置及输入输出通道位置检测装置及输入输出通道31 概述概述 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，即一感二传，以满足信息的一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，即一感二传，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。要环节。 数控机床上所用的传感器是指用在数控机床

2、上的位置检测装置，它是数控机床闭数控机床上所用的传感器是指用在数控机床上的位置检测装置，它是数控机床闭环和半闭环伺服系统的重要组成部分，通常安装在机床的工作台或丝杠上，相当于环和半闭环伺服系统的重要组成部分，通常安装在机床的工作台或丝杠上，相当于普通机床的刻度盘和人的眼睛，不断地将工作台的位移量检测出来并反馈给控制系普通机床的刻度盘和人的眼睛，不断地将工作台的位移量检测出来并反馈给控制系统，使工作台按指令的路径精确地移动。统，使工作台按指令的路径精确地移动。数控原理与数控系统数控原理与数控系统一、数控机床对位置检测装置的要求一、数控机床对位置检测装置的要求 位置检测装置的精度主要包括系统精度和

3、分辨率。系统精度是指在一定长度或位置检测装置的精度主要包括系统精度和分辨率。系统精度是指在一定长度或转角范围内测量累积误差的最大值，目前一般直线位移检测精度均已达到转角范围内测量累积误差的最大值，目前一般直线位移检测精度均已达到0.0020.02mm/m以内，回转角测量精度达到以内，回转角测量精度达到10 /360；系统分辨率是指；系统分辨率是指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多数为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多数为1m，高精，高精度系统分辨率可达度系统分辨率可达0.01m,回转分辨率可达回转分辨率可达2。通常检测装置能检测到的数控机。通常检测装

4、置能检测到的数控机床运动部件的运动速度为床运动部件的运动速度为024m/min。不同类型的数控机床对检测装置的精度。不同类型的数控机床对检测装置的精度和适应速度的要求是不同的。对于大型机床以满足速度要求为主，对于中小型机和适应速度的要求是不同的。对于大型机床以满足速度要求为主，对于中小型机床和高精度机床以满足精度要求为主。所选测量系统的分辨率要比加工精度高一床和高精度机床以满足精度要求为主。所选测量系统的分辨率要比加工精度高一个数量级。个数量级。 大量事实证明，对于设计完善的高精度数控机床，它的加工精度和定位精度将主要取决于检大量事实证明，对于设计完善的高精度数控机床，它的加工精度和定位精度将

5、主要取决于检测装置，因此，精密检测装置是高精度数控机床的重要保证。测装置，因此，精密检测装置是高精度数控机床的重要保证。数控原理与数控系统数控原理与数控系统一般来说，数控机床上使用的检测装置应该满足以下要求：一般来说，数控机床上使用的检测装置应该满足以下要求：(5) 易于实现高速的动态测量，易于实现自动易于实现高速的动态测量，易于实现自动化。化。(1) 工作可靠，抗干扰性强。工作可靠，抗干扰性强。(2) 能满足精度和速度的要求。能满足精度和速度的要求。(3) 使用维护和安装方便，适合机床的工作环境。使用维护和安装方便，适合机床的工作环境。(4) 成本低。成本低。数控原理与数控系统数控原理与数控

6、系统二、位置检测装置类型二、位置检测装置类型 数控机床检测装置的的很多，按被测的几何量可分为回去转型和直线型；按数控机床检测装置的的很多，按被测的几何量可分为回去转型和直线型；按检测信号的类型可分为数字式和模拟式；按检测量的基准可分为增量式和绝对检测信号的类型可分为数字式和模拟式；按检测量的基准可分为增量式和绝对式，如表式，如表3-13-1所示。所示。表表3-1 位置检测装置分类位置检测装置分类数控原理与数控系统数控原理与数控系统1.数字式测量与模拟式测量数字式测量与模拟式测量(1)数字式测量数字式测量 数字式测量是将被测量单位量化以后以数字形式表示，数字式测量输出数字式测量是将被测量单位量化

7、以后以数字形式表示，数字式测量输出测量信号一般为电脉冲，可以直接把它送到数控装置进行比较、处理。其测量信号一般为电脉冲，可以直接把它送到数控装置进行比较、处理。其典型的测量装置如光栅位移测量。典型的测量装置如光栅位移测量。数字式检测装置的特点：数字式检测装置的特点： 被测量单位量化后转换成脉冲个数，便于显示和处理。被测量单位量化后转换成脉冲个数，便于显示和处理。测量精度取决于测量单位，与量程基本无关。测量精度取决于测量单位，与量程基本无关。检测装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力强。检测装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力强。数控原理与数控系统数控原理与数控系统 直接对被测量进行检测，无需量化。直接对

8、被测量进行检测，无需量化。 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。可用于直接检测和间接检测。可用于直接检测和间接检测。(2)模拟式测量模拟式测量 模拟式测量是将被测量用连续的变量来表示，在数控机床中模拟式测量模拟式测量是将被测量用连续的变量来表示，在数控机床中模拟式测量主要用于小量程测量。主要用于小量程测量。模拟式检测装置的特点：模拟式检测装置的特点：数控原理与数控系统数控原理与数控系统2、直接测量与间接测量、直接测量与间接测量（1）直接测量）直接测量 对于采用闭环控制的数控机床，可采用直线型检测装置，安装在工作台和导对于采用闭环控制的数控机床，可采用直线型检测装置，安装

9、在工作台和导轨上，直接测量工作台的直线位移。其测量精度主要取决于测量元件的精度，不轨上，直接测量工作台的直线位移。其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。缺点是检测装置要与行程等长，这对于大型数控机床是受机床传动精度的影响。缺点是检测装置要与行程等长，这对于大型数控机床是不利的。不利的。（2）间接测量）间接测量 对于采用半闭环控制的数控机床，一般采用回转型检测装置，安装在进给电对于采用半闭环控制的数控机床，一般采用回转型检测装置，安装在进给电机丝杠上，丝杠每旋转一定角度，都严格地对应着工作台移动的一定距离。测量机丝杠上，丝杠每旋转一定角度，都严格地对应着工作台移动的一定距离

10、。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。间接测量使用可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。间接测量使用可靠方便，无长度限制。缺点是测量精度不仅要取决于测量元件精度还要受到机床靠方便，无长度限制。缺点是测量精度不仅要取决于测量元件精度还要受到机床传动链精度的的影响，因此为了提高定位精度，必需要对机床的传动误差进行补传动链精度的的影响，因此为了提高定位精度，必需要对机床的传动误差进行补偿。偿。数控原理与数控系统数控原理与数控系统3、增量式测量与绝对式测量、增量式测量与绝对式测量（1）增量式测量）增量式测量 增量式检测的是相对位移量，是终点对起点的位置坐标增

11、量，移动一个增量式检测的是相对位移量，是终点对起点的位置坐标增量，移动一个测量单位就发出一个测量信号，面任何一个对中点都可以作为测量起点，因而测量单位就发出一个测量信号，面任何一个对中点都可以作为测量起点，因而检测装置比较简单。其缺点是对测量信号记数后才能读出位移距离，一旦计数检测装置比较简单。其缺点是对测量信号记数后才能读出位移距离，一旦计数有误，此后的测量结果将全错；发生故障时不能再找到事故前的位置，事故排有误，此后的测量结果将全错；发生故障时不能再找到事故前的位置，事故排除后，必须将工作台移至起点重新计数才能找到事故前的正确位置。在轮廓控除后，必须将工作台移至起点重新计数才能找到事故前的

12、正确位置。在轮廓控制数控机床上大都采用这种测量方式。典型的检测元件有感应同步器、光栅、制数控机床上大都采用这种测量方式。典型的检测元件有感应同步器、光栅、磁尺等。磁尺等。（2）绝对式测量）绝对式测量 绝对式检测中，被测量的任何一点的位置都由一个固定的测量基准绝对式检测中，被测量的任何一点的位置都由一个固定的测量基准（即坐标原点）算起，每一测量点都有一个相对原点的绝对测量值。这样（即坐标原点）算起，每一测量点都有一个相对原点的绝对测量值。这样就避免了增量式检测方式的缺点，但其结构较为复杂。就避免了增量式检测方式的缺点，但其结构较为复杂。数控原理与数控系统数控原理与数控系统32光栅光栅 光栅有物理

13、光栅和和计量光栅之分。物理光栅的刻线细而密，栅距光栅有物理光栅和和计量光栅之分。物理光栅的刻线细而密，栅距（两刻线间的距离）在（两刻线间的距离）在0.0020.005mm之间，通常用于光谱分析和光波之间，通常用于光谱分析和光波波长的测定。计量光栅相对来说刻线较粗，栅距在波长的测定。计量光栅相对来说刻线较粗，栅距在0.0040.25之间，常用之间，常用于数字检测系统，用来检测高精度的直线位移和角位移。本章所讨论的光于数字检测系统，用来检测高精度的直线位移和角位移。本章所讨论的光栅系指计量光栅。计量光栅具有测量精度高、响应速度快、量程宽等特点，栅系指计量光栅。计量光栅具有测量精度高、响应速度快、量

14、程宽等特点，所以在高精度的数控机床上，常使用光栅作为反馈检测元件，以实现闭环所以在高精度的数控机床上，常使用光栅作为反馈检测元件，以实现闭环位置控制。位置控制。 一、光栅的种类一、光栅的种类 计量光栅按形状可以分为直线光栅（又称长光栅）和圆光栅。计量光栅按形状可以分为直线光栅（又称长光栅）和圆光栅。直线光栅用于直线光栅用于检测直线位移，圆光栅用于检测转角位移。检测直线位移，圆光栅用于检测转角位移。按制作原理又可分为玻璃透射光栅和金属反射光栅。按制作原理又可分为玻璃透射光栅和金属反射光栅。数控原理与数控系统数控原理与数控系统1 、直线光栅、直线光栅（1）玻璃透射光栅）玻璃透射光栅 玻璃透射光栅是

15、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、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、涂黑工艺制成的。玻璃透射光栅具有以下特点：腐蚀、涂黑工艺制成的。玻璃透射光栅具有以下特点： 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，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，读数头结构较简单。读数头结构较简单。 每毫米上的线纹数多，一般为每毫米每毫米上的线纹数多，一般为每毫米100条、条、12

16、5条、条、250条，再经过电条，再经过电路细分，可做到微米级的分辨率。路细分，可做到微米级的分辨率。数控原理与数控系统数控原理与数控系统（2）金属反射光栅）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蚀法或用钻石刀直接刻金属反射光栅是在钢尺或不锈钢的镜面上用照相腐蚀法或用钻石刀直接刻划制成的光栅线纹。金属反射光栅常用的线纹数为每毫米划制成的光栅线纹。金属反射光栅常用的线纹数为每毫米4条、条、10条、条、25条、条、40条、条、50条，因此，其分辩率比玻璃透射光栅低。条，因此，其分辩率比玻璃透射光栅低。金属反射光栅具有以下特点：金属反射光栅具有以下特点：标尺光栅的线膨胀系数很容易做

17、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。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。安装面积较小。安装面积较小。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。不易碰碎。不易碰碎。 数控原理与数控系统数控原理与数控系统2. 圆光栅圆光栅（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：512、1 024、2 048等。等。 在玻璃圆盘的外环端面上，做成黑白相间的条纹，条纹呈辐射状，相在玻璃圆盘的外环端面上，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。根据不同的使用要求，在圆周内的线纹数也互间夹角（称为栅距

18、角）相等。根据不同的使用要求，在圆周内的线纹数也不相同。不相同。圆光栅一般有圆光栅一般有3种形式：种形式：（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：10 800、21 600、32 400、64 800等。等。（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：1 000、2 500、5 000等。等。数控原理与数控系统数控原理与数控系统光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件，它主要由标尺光栅和光栅光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件，它主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成，二者之间可产生相对移动，通常，标尺光栅移动，光栅读数读数头两部分

19、组成，二者之间可产生相对移动，通常，标尺光栅移动，光栅读数头固定。在光栅读数头中，安装着一个指示光栅，当光栅读数头相对于标尺光栅头固定。在光栅读数头中，安装着一个指示光栅，当光栅读数头相对于标尺光栅移动时，指示光栅便在标尺光栅上相对移动。移动时，指示光栅便在标尺光栅上相对移动。 二、光栅的结构与工作原理二、光栅的结构与工作原理现以玻璃透射式直线光栅为例，说明其工作原理。现以玻璃透射式直线光栅为例，说明其工作原理。1、光栅的结构、光栅的结构 图图3-1所示为光栅尺的示意图，所示为光栅尺的示意图，标尺光栅和指示光栅上均匀刻有标尺光栅和指示光栅上均匀刻有很多线纹，这些线纹相互平行，很多线纹，这些线纹

20、相互平行，黑色为不透光线纹（宽度黑色为不透光线纹（宽度a），白），白色为透光条纹（宽度色为透光条纹（宽度b），栅距），栅距（d）为黑白线纹宽度之和，即）为黑白线纹宽度之和，即d=a+b，通常情况下，通常情况下，a=b。安装。安装光栅尺时，要严格保证标尺光栅光栅尺时，要严格保证标尺光栅和指示光栅的平行度以及两者之和指示光栅的平行度以及两者之间的间隙间的间隙(一般取一般取0.05mm或或0.1mm)要求。要求。 图图3-1光栅尺光栅尺 数控原理与数控系统数控原理与数控系统 图图3-2所示为光栅读数头（又称光电转换器），它由光源、透镜、指示光所示为光栅读数头（又称光电转换器），它由光源、透镜、指示光

21、栅、光敏元件和驱动电路组成。读数头的光源一般采用白炽灯泡。白炽灯泡发栅、光敏元件和驱动电路组成。读数头的光源一般采用白炽灯泡。白炽灯泡发出的辐射光线，经过透镜后变成平行光束，照射在光栅尺上。光敏元件是一种出的辐射光线，经过透镜后变成平行光束，照射在光栅尺上。光敏元件是一种将光强信号转换为电信号的光电转换元件，它接收透过光栅尺的光强信号，并将光强信号转换为电信号的光电转换元件，它接收透过光栅尺的光强信号，并将其转换成与之成比例的电压信号。由于光敏元件产生的电压信号一般比较微将其转换成与之成比例的电压信号。由于光敏元件产生的电压信号一般比较微弱，在长距离传递时很容易被各种干扰信号所淹没、覆盖，造成

22、传送失真。为弱，在长距离传递时很容易被各种干扰信号所淹没、覆盖，造成传送失真。为了保证光敏元件输出的信号在传送中不失真，应首先将该电压信号进行功率和了保证光敏元件输出的信号在传送中不失真，应首先将该电压信号进行功率和电压放大，然后再进行传送。驱动电路就是实现对光敏元件输出信号进行功率电压放大，然后再进行传送。驱动电路就是实现对光敏元件输出信号进行功率和电压放大的电路。和电压放大的电路。 图图 3-2光栅读数头，光栅读数头， 根据不同的要求，读数头内常安装根据不同的要求，读数头内常安装2个或个或4个光敏元件。个光敏元件。 数控原理与数控系统数控原理与数控系统（a）分光读数头）分光读数头 （b）反

23、射读数头）反射读数头 （c） 镜像读数头镜像读数头 光栅读数头的结构形式，除图光栅读数头的结构形式，除图3-2的垂直入射式之外，按光路分，常见的的垂直入射式之外，按光路分，常见的还有分光读数头、反射读数头和镜像读数头等，其结构原理如图还有分光读数头、反射读数头和镜像读数头等，其结构原理如图3-3(a)、(b)、(c)所示。图中所示。图中q表示光源，表示光源，l表示透镜，表示透镜，g表示光栅尺，表示光栅尺，p表示光敏元件，表示光敏元件，pr表表示棱镜。示棱镜。图图3-3 光栅读数头光栅读数头 玻璃透射式直线光栅，容易受外界气温的影响而产生误差灰尘、切屑、油污、玻璃透射式直线光栅，容易受外界气温的

24、影响而产生误差灰尘、切屑、油污、水汽等容易侵入，使光学系统受到杂质的污染，影响光栅信号的幅值和精度，且水汽等容易侵入，使光学系统受到杂质的污染，影响光栅信号的幅值和精度，且光栅尺是安装在机床上，与机床连接在一起，因此，光栅必须采用与机床材料膨光栅尺是安装在机床上，与机床连接在一起，因此，光栅必须采用与机床材料膨胀系数接近的玻璃材料，并且要加强对光栅系统的维护和保养。胀系数接近的玻璃材料，并且要加强对光栅系统的维护和保养。 数控原理与数控系统数控原理与数控系统2、光栅的工作原理、光栅的工作原理 图图3-4所示为光栅的工作原理图。当使指示光栅上的线纹与标尺光栅上所示为光栅的工作原理图。当使指示光栅

25、上的线纹与标尺光栅上的线纹构成一个很小的角度的线纹构成一个很小的角度来放置两光栅尺时，必然会造成两光栅尺上来放置两光栅尺时，必然会造成两光栅尺上的线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点近旁的小区域内由于黑色线纹的线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点近旁的小区域内由于黑色线纹重叠，因而遮光面积最小，挡光效应最弱，光的累积作用使得这个区域出重叠，因而遮光面积最小，挡光效应最弱，光的累积作用使得这个区域出现亮带。相反，距交叉点较远的区域，因两光栅尺不透明的黑色线纹的重现亮带。相反，距交叉点较远的区域，因两光栅尺不透明的黑色线纹的重叠部分变得越来越少，不透明区域面积逐渐变大，即遮光面积逐渐变大，叠部分变

26、得越来越少，不透明区域面积逐渐变大，即遮光面积逐渐变大，使得挡光效应变强，只有较少的光线能通过这个区域透过光栅，使这个区使得挡光效应变强，只有较少的光线能通过这个区域透过光栅，使这个区域出现暗带。这些与光栅线纹几乎垂直，相间出现的亮、暗带就是莫尔条域出现暗带。这些与光栅线纹几乎垂直，相间出现的亮、暗带就是莫尔条纹。纹。 图图3-4 光栅工作原理光栅工作原理 数控原理与数控系统数控原理与数控系统莫尔条纹具有以下特性：莫尔条纹具有以下特性：(2)(2) 放大作用放大作用（1 1）光强强分布规律光强强分布规律 莫尔条纹的移动与两光栅尺之间的相对移动成比例。两光栅尺相对移莫尔条纹的移动与两光栅尺之间的

27、相对移动成比例。两光栅尺相对移动一个栅距动一个栅距d，莫尔条纹便相应移动一个莫尔条纹宽度，莫尔条纹便相应移动一个莫尔条纹宽度w，其方向与两光，其方向与两光栅尺相对移动的方向垂直，且当两光栅尺相对移动的方向改变时，莫尔条栅尺相对移动的方向垂直，且当两光栅尺相对移动的方向改变时，莫尔条纹移动的方向也随之改变。这样，测量光栅水平方向移动的微小距离就可纹移动的方向也随之改变。这样，测量光栅水平方向移动的微小距离就可用检测莫尔条纹移动的变化来代替。用检测莫尔条纹移动的变化来代替。 (3)(3) 误差平均效应误差平均效应(4)(4) 信息变换作用信息变换作用数控原理与数控系统数控原理与数控系统 根据上述莫

28、尔条纹的特性，在莫尔条纹移动的方向上开设根据上述莫尔条纹的特性，在莫尔条纹移动的方向上开设4个观察窗口个观察窗口a，b，c，d，且使这，且使这4个窗口两两相距个窗口两两相距14莫尔条纹宽度，即莫尔条纹宽度，即w4，由，由上述讨论可知，当两光栅尺相对移动时，莫尔条纹随之移动，从上述讨论可知，当两光栅尺相对移动时，莫尔条纹随之移动，从4个观察窗个观察窗口口a，b，c，d可以得到可以得到4个在相位上依次超前或滞后个在相位上依次超前或滞后(取决于两光栅尺相取决于两光栅尺相对移动的方向对移动的方向)14周期周期(即即2)的近似于余弦函数的光强度变化过程，用的近似于余弦函数的光强度变化过程，用la、lb、

29、lc、ld表示，见图表示，见图3-4(c)。若采用光敏元件来检测，光敏元件把。若采用光敏元件来检测，光敏元件把透过观察窗口的光强度变化透过观察窗口的光强度变化la、lb、lc、ld转换成相应的电压信号，设为转换成相应的电压信号，设为va、vb、vc、vd。根据这。根据这4个电压信号，可以检测出光栅尺的相对移动。个电压信号，可以检测出光栅尺的相对移动。 3、光栅检测装置的的应用、光栅检测装置的的应用数控原理与数控系统数控原理与数控系统 在图在图3-4(a)中，若标尺光栅固定不动，指示光栅沿正方向移动，这时，莫尔条中，若标尺光栅固定不动，指示光栅沿正方向移动，这时，莫尔条纹相应地沿向下的方向移动，

30、透过观察窗口纹相应地沿向下的方向移动，透过观察窗口a和和b，光敏元件检测到的光强度变化，光敏元件检测到的光强度变化过程过程la和和lb、及输出的相应的电压信号、及输出的相应的电压信号va和和vb ，如图，如图3-5(a)所示，在这种情况下，所示，在这种情况下，va滞后滞后vb的相位为的相位为 2；反之，若标尺光栅固定不动，指示光栅沿负方向移动，反之，若标尺光栅固定不动，指示光栅沿负方向移动，这时，莫尔条纹则相应地沿向上的方向移动，透过观察窗口这时，莫尔条纹则相应地沿向上的方向移动，透过观察窗口a和和b，光敏元件检测，光敏元件检测到的光强度变化过程到的光强度变化过程la和和lb及输出的相应的电压

31、信号及输出的相应的电压信号va和和vb，如图，如图3-5(b)所示，所示，在这种情况下，在这种情况下，va超前超前vb的相位为的相位为 2。因此，根据因此，根据va和和vb两信号相互间的超两信号相互间的超前和滞后关系，便可确定出两光栅尺之间的相对移动方向。前和滞后关系，便可确定出两光栅尺之间的相对移动方向。 由于莫尔条纹的移动与两光栅尺之间的相对移动是相对应的，故通过检测由于莫尔条纹的移动与两光栅尺之间的相对移动是相对应的，故通过检测v va a、v vb b、v vc c、v vd d这这4 4个电压信号的变化情况，便可相应地检测出两光栅尺之间的相对个电压信号的变化情况，便可相应地检测出两光

32、栅尺之间的相对移动。移动。v va a、v vb b、v vc c、v vd d每变化一个周期，即莫尔条纹每变化一个周期，表明两每变化一个周期，即莫尔条纹每变化一个周期，表明两光栅尺相对移动了一个栅距的距离；若两光栅尺之间的相对移动不到一个栅距，光栅尺相对移动了一个栅距的距离；若两光栅尺之间的相对移动不到一个栅距，因因v va a、v vb b、v vc c、v vd d是余弦函数，故根据是余弦函数，故根据v va a、v vb b、v vc c、v vd d之值也可以计算出其相之值也可以计算出其相对移动的距离对移动的距离。（1）位移大小的检测）位移大小的检测（2）位移方向的检测）位移方向的检

33、测数控原理与数控系统数控原理与数控系统图图 3-5 光栅的位移检测原理图光栅的位移检测原理图 两光栅尺的相对移动速度决定着莫尔条纹的移动速度，即决定着透过观两光栅尺的相对移动速度决定着莫尔条纹的移动速度，即决定着透过观察窗口的光强变化的频率，因此，通过检测察窗口的光强变化的频率，因此，通过检测va、vb、vc、vd的变化频率就的变化频率就可以推断出两光栅尺的相对移动速度。可以推断出两光栅尺的相对移动速度。 （3）速度检测）速度检测数控原理与数控系统数控原理与数控系统 由以上分析可知由以上分析可知, ,当两光栅尺有相对位移时，光栅读数头中的光敏元件根据当两光栅尺有相对位移时，光栅读数头中的光敏元

34、件根据透过莫尔条纹的光强度变化，将两光栅尺的相对位移即工作台的机械位移转换透过莫尔条纹的光强度变化，将两光栅尺的相对位移即工作台的机械位移转换成了四路两两相差成了四路两两相差 2的电压信号的电压信号va、vb、vc、vd，这四路电压信号的变，这四路电压信号的变化频率代表了两光栅尺相对移动的速度；它们每变化一个周期，表示两光栅尺化频率代表了两光栅尺相对移动的速度；它们每变化一个周期，表示两光栅尺相对移动了一个栅距；四路信号的超前滞后关系反映了两光栅尺的相对移动方相对移动了一个栅距；四路信号的超前滞后关系反映了两光栅尺的相对移动方向。但在实际应用中，常常需要将两光栅尺的相对位移表达成易于辨识和应用

35、向。但在实际应用中，常常需要将两光栅尺的相对位移表达成易于辨识和应用的数字脉冲量，因此，光栅读数头输出的四路电压信号还必须经过进一步的信的数字脉冲量，因此，光栅读数头输出的四路电压信号还必须经过进一步的信息处理，转换成所需的数字脉冲形式。息处理，转换成所需的数字脉冲形式。 三、光栅位移的数字转换系统三、光栅位移的数字转换系统数控原理与数控系统数控原理与数控系统 如图如图3-6所示所示, 光源通过标尺光栅和指示光栅再由物镜聚焦射到光电元件上光源通过标尺光栅和指示光栅再由物镜聚焦射到光电元件上,光光电元件把两块光栅相对移动时产生的莫尔条纹明暗的变化转变为电压变化电元件把两块光栅相对移动时产生的莫尔

36、条纹明暗的变化转变为电压变化.当标尺当标尺光栅沿与其线纹垂直方向相对指示光栅移动时光栅沿与其线纹垂直方向相对指示光栅移动时,若指示光栅的线纹与透明间隔完全若指示光栅的线纹与透明间隔完全重合重合,光电元件接收到的光通量最小光电元件接收到的光通量最小.若指示光栅的线纹与标尺光栅的经纹完全重合若指示光栅的线纹与标尺光栅的经纹完全重合,光电元件接收到的光通量最大光电元件接收到的光通量最大.因此因此,标尺光栅移动过程中标尺光栅移动过程中,莫尔条纹由亮带到暗带莫尔条纹由亮带到暗带,再由暗带到亮带再由暗带到亮带,相互交替出现相互交替出现,透过的光强度分布近似于余弦曲线透过的光强度分布近似于余弦曲线,光电元件

37、接收到光电元件接收到的光通量也忽大忽小的光通量也忽大忽小,产生了近似正弦曲线的电压信号产生了近似正弦曲线的电压信号.这样的信号这样的信号,只能用于计数只能用于计数,而不能辨别方向而不能辨别方向.实际应用中实际应用中,既要求有较高的检测精度既要求有较高的检测精度,又能辨别方向又能辨别方向.为了达到这为了达到这种要求种要求,通常使用分频电路实现通常使用分频电路实现. 图图3-6光栅测量系统光栅测量系统 数控原理与数控系统数控原理与数控系统33 旋转变压器旋转变压器 旋转变压器是一种常用的角位移检测装置，由于它结构简单、动作灵敏、旋转变压器是一种常用的角位移检测装置，由于它结构简单、动作灵敏、工作可

38、靠，且其精度能满足一般的检测要求，因此被广泛应用在半闭环控制工作可靠，且其精度能满足一般的检测要求，因此被广泛应用在半闭环控制的数控机床上。的数控机床上。一、一、 旋转变压器的结构旋转变压器的结构 旋转变压器的结构和两相绕线式异步电机的结构相似，可分为定子和转旋转变压器的结构和两相绕线式异步电机的结构相似，可分为定子和转子两大部分。定子和转子的铁芯由铁镍软磁合金或硅钢薄板冲成的槽状芯片子两大部分。定子和转子的铁芯由铁镍软磁合金或硅钢薄板冲成的槽状芯片叠成。它们的绕组分别嵌入各自的槽状铁芯内。定子绕组通过固定在壳体上叠成。它们的绕组分别嵌入各自的槽状铁芯内。定子绕组通过固定在壳体上的接线柱直接引

39、出。转子绕组有两种不同的引出方式。根据转子绕组两种不的接线柱直接引出。转子绕组有两种不同的引出方式。根据转子绕组两种不同的引出方式，旋转变压器分为有刷式和无刷式两种结构形式。同的引出方式，旋转变压器分为有刷式和无刷式两种结构形式。数控原理与数控系统数控原理与数控系统 图图3-7是有刷式旋转变压器。它的转子绕组通过滑环和电刷直接引出，其是有刷式旋转变压器。它的转子绕组通过滑环和电刷直接引出，其特点是结构简单，体积小，但因电刷与滑环是机械滑动接触的，所以旋转变压特点是结构简单，体积小，但因电刷与滑环是机械滑动接触的，所以旋转变压器的可靠性差，寿命也较短。器的可靠性差，寿命也较短。 图图3-7 有刷

40、式旋转变压器有刷式旋转变压器数控原理与数控系统数控原理与数控系统 图图38是无刷式旋转变压器。它分为两大部分，即旋转变压器本体和附加变是无刷式旋转变压器。它分为两大部分，即旋转变压器本体和附加变压器。附加变压器的原、副边铁芯及其线圈均成环形，分别固定于转子轴和壳体压器。附加变压器的原、副边铁芯及其线圈均成环形，分别固定于转子轴和壳体上，径向留有一定的间隙。旋转变压器本体的转子绕组与附加变压器原边线圈连上，径向留有一定的间隙。旋转变压器本体的转子绕组与附加变压器原边线圈连在一起，在附加变压器原边线圈中的电信号，即转子绕组中的电信号，通过电磁在一起，在附加变压器原边线圈中的电信号，即转子绕组中的电

41、信号，通过电磁耦合，经附加变压器副边线圈间接地送出去。这种结构避免了电刷与滑环之间的耦合，经附加变压器副边线圈间接地送出去。这种结构避免了电刷与滑环之间的不良接触造成的影响，提高了旋转变压器的可靠性及使用寿命，但其体积、质量、不良接触造成的影响，提高了旋转变压器的可靠性及使用寿命，但其体积、质量、成本均有所增加。成本均有所增加。图图3-8无刷式旋转变压器无刷式旋转变压器数控原理与数控系统数控原理与数控系统二、二、 旋转变压器的工作原理旋转变压器的工作原理 旋转变压器根据互感原理工作，由于旋转变压器在结构上保证了其定子和转旋转变压器根据互感原理工作，由于旋转变压器在结构上保证了其定子和转子子(旋

42、转一周旋转一周)之间气隙内磁通分布符合正之间气隙内磁通分布符合正/余弦规律，因此，当励磁电压加到定子余弦规律，因此，当励磁电压加到定子绕组时，通过电磁耦合，转子绕组便产生感应电压。图绕组时，通过电磁耦合，转子绕组便产生感应电压。图39为单极旋转变压器电为单极旋转变压器电气工作原理图。设加在定子绕组气工作原理图。设加在定子绕组s1s2的励磁电压为的励磁电压为 sin(4 1) smvvt（33） 图图 3-9 单极旋转变压器单极旋转变压器 数控原理与数控系统数控原理与数控系统根据电磁学原理，转子绕组根据电磁学原理，转子绕组b1b2中的感应电势则为中的感应电势则为 （34） 式中：式中：k旋转变压

43、器的变压比，旋转变压器的变压比，k=n1/ n2 （n1 为原边绕组匝数；为原边绕组匝数；n2为为 副边绕组匝数）；副边绕组匝数）； vm 励磁电压幅值；励磁电压幅值； 转子偏转角。转子偏转角。 由式由式(34)可知，转子绕组输出的感应电势可知，转子绕组输出的感应电势vb为以角速度为以角速度随时间随时间t变化的变化的交变电压信号，随着转子的角向位置呈正弦规律变化。当转子和定子的磁轴垂直交变电压信号，随着转子的角向位置呈正弦规律变化。当转子和定子的磁轴垂直时时,=0，不产生感应电势，不产生感应电势，vb=0；当两磁轴垂直时，；当两磁轴垂直时，=90，感应电势，感应电势vb为为最大，即最大，即 v

44、b=k vm sint 因此，只要测量出转子绕组中的感应电势因此，只要测量出转子绕组中的感应电势vb的大小，就可间接地得到转子相的大小，就可间接地得到转子相对于定子的位置，即对于定子的位置，即角的大小。如果转子安装在机床丝杠上，定子安装在机床底角的大小。如果转子安装在机床丝杠上，定子安装在机床底座上，则座上，则角代表的是丝杠（被测轴）转过的角度，它间接反映了机床工作台的位角代表的是丝杠（被测轴）转过的角度，它间接反映了机床工作台的位移。移。 数控原理与数控系统数控原理与数控系统 正弦余弦旋转变压器是常用的一种位置检测元件，其定子绕组和转子绕组正弦余弦旋转变压器是常用的一种位置检测元件，其定子绕

45、组和转子绕组均由两个匝数相等且互相垂直的绕组组成，如图均由两个匝数相等且互相垂直的绕组组成，如图3-10所示。图中所示。图中s1s2为定子为定子主绕组，主绕组，k1k2为定子辅助绕组。转子绕组为定子辅助绕组。转子绕组b1b2输出感应电压输出感应电压vb，另一绕组，另一绕组a1a2接高阻抗，用来补偿转子对定子的电枢反应。接高阻抗，用来补偿转子对定子的电枢反应。 图图 3-10 正弦余弦旋转变压器工作原理正弦余弦旋转变压器工作原理 数控原理与数控系统数控原理与数控系统 如果用两个相位差为如果用两个相位差为9090的励磁电压分别加在两个定子绕组上，励磁电的励磁电压分别加在两个定子绕组上，励磁电压的公

46、式为压的公式为 （35） （36） 则则vs和和vk在转子绕组在转子绕组b1b2上产生的感应电压分别为上产生的感应电压分别为由于感应电压是关于转子偏转角由于感应电压是关于转子偏转角的正弦和余弦函数，所以称为正弦余弦旋转变压器。的正弦和余弦函数，所以称为正弦余弦旋转变压器。 vb s = kvm sintsinvb k= kvm costcos数控原理与数控系统数控原理与数控系统三、旋转变压器工作方式三、旋转变压器工作方式 当定子绕组通入不同的励磁电压时，有两种不同的工作方式：鉴相式和当定子绕组通入不同的励磁电压时，有两种不同的工作方式：鉴相式和鉴幅式。鉴幅式。 给定子的两个绕组给定子的两个绕组

47、s1s2、 k1k2分别通入同幅、同频率但相位差为分别通入同幅、同频率但相位差为90的的励磁电压，当转子顺时针旋转时，根据线性叠加原理，转子绕组励磁电压，当转子顺时针旋转时，根据线性叠加原理，转子绕组b1b2的感应电的感应电势势vb的值为感应电压的值为感应电压vbs和和vbk之和，即之和，即 1鉴相工作方式鉴相工作方式 vb = vb s + vb k = kvm sintsin+ kvm costcos = kvmcos(t-) （37） 当转子逆时针旋转时，则当转子逆时针旋转时，则 vb = kvmcos(t+) 数控原理与数控系统数控原理与数控系统 由此可见，转子输出电压的相位角与转子的

48、偏转角之间有着严格由此可见，转子输出电压的相位角与转子的偏转角之间有着严格的对应关系，只要检测出转子输出电压的相位角，就可以知道转子的的对应关系，只要检测出转子输出电压的相位角，就可以知道转子的偏转角偏转角。在实际应用中，常把定子余弦绕组。在实际应用中，常把定子余弦绕组k1k2励磁电压的相位作励磁电压的相位作为基准相位，与转子绕组为基准相位，与转子绕组b1b2输出电压的相位作比较，用以确定转输出电压的相位作比较，用以确定转子偏转角子偏转角的大小，可得知被测轴的角位移。的大小，可得知被测轴的角位移。 数控原理与数控系统数控原理与数控系统2鉴幅式工作方式鉴幅式工作方式 给定子的两个绕组给定子的两个

49、绕组s1s2、k1k2分别通以频率、相位都相同，但幅值不分别通以频率、相位都相同，但幅值不同的交流励磁电压，则有同的交流励磁电压，则有 （38） （39） mv sinmv cos12b b式中式中和分别为交流励磁电压分别为交流励磁电压v vs s和和v vk k的幅值。的幅值。为旋转变压器电气角。为旋转变压器电气角。感应电势感应电势v vb b的值为的值为v vbsbs和和v vbkbk之和，即之和，即 转子顺时针旋转时，绕组转子顺时针旋转时，绕组（310） 数控原理与数控系统数控原理与数控系统当转子逆时针旋转时，则当转子逆时针旋转时，则 vb = kvmcos(+)sint 由式由式(3-

50、10)可知，转子感应电势可知，转子感应电势vb的幅值为的幅值为kvmcos(-)交变电压交变电压信号，随转子的偏转角信号，随转子的偏转角而变化，所以，只要检测出转子输出电压的而变化，所以，只要检测出转子输出电压的幅值即可知道转子的偏转角幅值即可知道转子的偏转角。在实际应用中，可不断修改。在实际应用中，可不断修改角，使角，使其跟综转子偏转角其跟综转子偏转角的变化，从而得到被测轴的角位移。的变化，从而得到被测轴的角位移。 数控原理与数控系统数控原理与数控系统三、三、 旋转变压器的应用旋转变压器的应用 测量旋转变压器的感应电压测量旋转变压器的感应电压vb的幅值或相位的变化，就可知转子偏转角的幅值或相

51、位的变化，就可知转子偏转角的变的变化。如果将其安装在数控机床的丝杠上，当化。如果将其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，表示丝杠旋时，表示丝杠旋转了一周，与丝杠相配合的螺母移动了一个导程，这样可间接地测量丝杠的直线位转了一周，与丝杠相配合的螺母移动了一个导程，这样可间接地测量丝杠的直线位移（导程）的大小。由于普通旋转变压器属于增量式测量装置，无法测量工作台的移（导程）的大小。由于普通旋转变压器属于增量式测量装置，无法测量工作台的整个行程，若要测量工作台的绝对位置，也就是机床丝杠转过的若干次小角度整个行程，若要测量工作台的绝对位置，也就是机床丝杠转过的若干次小角度之和，即之

52、和，即 需加一台绝对位置计数器，累计工作台所走的导程数，折算成位移的总长度。需加一台绝对位置计数器，累计工作台所走的导程数，折算成位移的总长度。另外还需一只相敏检波器来辨别不同的转向。另外还需一只相敏检波器来辨别不同的转向。 数控原理与数控系统数控原理与数控系统34 感应同步器感应同步器 感应同步器是一种电磁式高精度位置检测装置。按其结构特点一般分为直线式感应同步器是一种电磁式高精度位置检测装置。按其结构特点一般分为直线式和旋转式两种。直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量；旋转式和旋转式两种。直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量；旋转式感应同步器由转子和定子组成，用

53、于角位移测量。感应同步器具有检测精度比较高、感应同步器由转子和定子组成，用于角位移测量。感应同步器具有检测精度比较高、抗干扰性强、寿命长、维护方便、成本低、工艺性好等优点。本节仅以直线式感应抗干扰性强、寿命长、维护方便、成本低、工艺性好等优点。本节仅以直线式感应同步器为例，对其结构特点和工作原理进行叙述。同步器为例，对其结构特点和工作原理进行叙述。 一、工作原理一、工作原理 感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，如图如图3-11所示。定尺与滑尺平行安装，且保所示。定尺与滑尺平行安装，且保持一定的间隙。定尺上有单向均匀连续感应持一定的间隙。定尺上有单向均匀连续感应绕

54、组，其节距用绕组，其节距用2表示，每个节距相当于绕表示，每个节距相当于绕组空间分布的一个组空间分布的一个2周期。滑尺上有两组励周期。滑尺上有两组励磁绕组，一组为正弦励磁绕组磁绕组，一组为正弦励磁绕组a，另一组为余，另一组为余弦励磁绕组弦励磁绕组b，两绕组的节距与定尺绕组的节，两绕组的节距与定尺绕组的节距相等，并相互错开距相等，并相互错开1/4节距排列。当正弦励节距排列。当正弦励磁绕组磁绕组a的线圈和定尺对准时，余弦励磁绕组的线圈和定尺对准时，余弦励磁绕组的线圈与定尺相差的线圈与定尺相差/2的距离，即二者相差的距离，即二者相差/2的电角度。的电角度。 图图3-11 数控原理与数控系统数控原理与数

55、控系统图图3-12 同步感应器工作原理同步感应器工作原理 当向滑尺的两个绕组中的任一绕组通以交变激磁当向滑尺的两个绕组中的任一绕组通以交变激磁电压时，则在滑尺绕组中产生励磁电流，绕组周围产电压时，则在滑尺绕组中产生励磁电流，绕组周围产生变化的磁场，由于电磁效应，定尺绕组上必然产生生变化的磁场，由于电磁效应，定尺绕组上必然产生相应的感应电势，感应电势的大小取决于滑尺相对于相应的感应电势，感应电势的大小取决于滑尺相对于定尺的位置。当滑尺与定尺产生相对位移时，由于电定尺的位置。当滑尺与定尺产生相对位移时，由于电磁耦合的变化，使定尺上的感应电势随位移的变化而磁耦合的变化，使定尺上的感应电势随位移的变化

56、而变化。图变化。图3-123-12给出了滑尺相对于定尺处于不同的位置给出了滑尺相对于定尺处于不同的位置时，定尺绕组中感应电势的变化情况。图中时，定尺绕组中感应电势的变化情况。图中a a点表示滑点表示滑尺绕组与定尺绕组重合，这时定尺绕组中的感应电势尺绕组与定尺绕组重合，这时定尺绕组中的感应电势最大；如果滑尺相对于定尺从最大；如果滑尺相对于定尺从a a点逐渐向左点逐渐向左( (或右或右) )平行平行移动，感应电势就随之逐渐减小，在两绕组刚好错开移动，感应电势就随之逐渐减小，在两绕组刚好错开1 14 4节距的位置节距的位置b b点，感应电势减为零；若再继续移动，点，感应电势减为零；若再继续移动，移到

57、移到1 12 2节距的节距的c c点，感应电势值与点，感应电势值与a a点相同，但极性点相同，但极性相反；到达相反；到达3 34 4节距的节距的d d点时，感应电势再一次变为点时，感应电势再一次变为零；其后，移动了一个节距到达零；其后，移动了一个节距到达e点，情况就又与点，情况就又与a点点相同了，相当于又回到了相同了，相当于又回到了a点。这样，滑尺在移动一个点。这样，滑尺在移动一个节距的过程中，感应同步器定尺绕组中的感应电势近节距的过程中，感应同步器定尺绕组中的感应电势近似于余弦函数变化了一个周期。同步感应器就是利用似于余弦函数变化了一个周期。同步感应器就是利用这个感应电势的变化来进行位置检测

58、的。这个感应电势的变化来进行位置检测的。 数控原理与数控系统数控原理与数控系统二、感应同步器的工作方式二、感应同步器的工作方式 根据施加的励磁交变电压信号的不同，感应同步器也分为鉴相式和鉴幅式两种根据施加的励磁交变电压信号的不同，感应同步器也分为鉴相式和鉴幅式两种工作方式。工作方式。 sin （414）smvvt 给滑尺绕组给滑尺绕组a a和绕组和绕组b b分别通以幅值、频率相同，而相位差为分别通以幅值、频率相同，而相位差为9090的交流励磁的交流励磁电压，即电压，即 1、鉴相工作方式、鉴相工作方式（3-11） 若起始时滑尺的正弦绕组与定尺绕组重合，当滑尺移动时，滑尺的正弦绕若起始时滑尺的正弦

59、绕组与定尺绕组重合，当滑尺移动时，滑尺的正弦绕组与定尺绕组不重合，当滑尺移动组与定尺绕组不重合，当滑尺移动x距离时，则在定尺上的感应电势为距离时，则在定尺上的感应电势为 vbs= kvscos= kvm cossint式中：式中：k电耦合系数；电耦合系数；vm 励磁电压幅值；励磁电压幅值； 滑尺绕组相对于定尺的空间电气相位角，反映的是定尺和滑尺的相滑尺绕组相对于定尺的空间电气相位角，反映的是定尺和滑尺的相 对移动的距离对移动的距离x，可用下式表示：，可用下式表示： =(22 )x=( )x （312） 数控原理与数控系统数控原理与数控系统 滑尺的正弦绕组滑尺的正弦绕组a与定尺的感应绕组重合时，

60、滑尺余弦绕组与定尺的感应绕组重合时，滑尺余弦绕组b与定尺绕组相差与定尺绕组相差1/4节距，它在定尺上的感应电势为节距，它在定尺上的感应电势为 vb k = kvkcos（+/2）=kvmcostsin应用叠加原理可知，定尺绕组中的感应电势为应用叠加原理可知，定尺绕组中的感应电势为 vb =vbs+vb k =- kvmsin(t-) (3-13) 从式（从式（3-13）中可以看出，在鉴相工作方式中，由于耦合系数）中可以看出，在鉴相工作方式中，由于耦合系数k、励磁电、励磁电压幅值压幅值vm以及频率以及频率t均是常数，所以定尺的感应电势均是常数，所以定尺的感应电势vb只随空间相位角只随空间相位角的