第5章-数控反馈测量元件

1、1数控伺服反馈测量元件原理数控伺服反馈测量元件原理2伺服驱动系统伺服驱动系统（Servo System)CNC系统系统驱动电机驱动电机检测装置检测装置控制信号控制信号反馈信号反馈信号光栅尺光栅尺3l性能指标性能指标 系统精度：系统精度：是指在一定长度或转角内测量积累误差的最大值，是指在一定长度或转角内测量积累误差的最大值，如如0.0020.02mm/m，10/360等。等。 系统分辨率：系统分辨率：是测量元件所能正确检测的最小位移量，如目前是测量元件所能正确检测的最小位移量，如目前直线位移的分辨率为直线位移的分辨率为0.0010.01mm。角位移分辨率为。角位移分辨率为2。一、检测装置一、检测

2、装置是伺服系统的重要组成部分。是伺服系统的重要组成部分。l作用作用 检测位置和速度，发送反馈信号，构成闭环或半闭环，检测位置和速度，发送反馈信号，构成闭环或半闭环， 对驱动装置进行控制。对驱动装置进行控制。l要求要求 工作可靠，抗干扰能力强工作可靠，抗干扰能力强 满足精度、分辨率、测量范围满足精度、分辨率、测量范围 使用维修方便、成本低使用维修方便、成本低4l 检测装置的分类检测装置的分类按检测信号分：数字式、模拟式按检测信号分：数字式、模拟式按测量基准分：增量式、绝对式按测量基准分：增量式、绝对式按安装位置关系分：直接测量、间接测量按安装位置关系分：直接测量、间接测量常见检测装置常见检测装置

3、56二、检测装置的信号特征二、检测装置的信号特征伺服反馈测量传感器与控制系统的接口主要有四种形式：伺服反馈测量传感器与控制系统的接口主要有四种形式：1 Vpp 正弦电压信号接口、正弦电压信号接口、正交脉冲信号正交脉冲信号接口、接口、EnDat 串行串行数字接口和数字接口和BiSS 串行数字接口。串行数字接口。l 1 Vpp 正弦电压信正弦电压信号接口号接口增量信号增量信号A 和和B 以及以及零信号零信号R 为差动电压为差动电压信号。正弦增量信号信号。正弦增量信号A 和和B 的幅值为的幅值为1 Vpp，相位差为相位差为90度电子角。度电子角。7属于属于模拟量模拟量接口，其信号可以通过后续电子电路

4、采样细分，接口，其信号可以通过后续电子电路采样细分，以获得以获得足够高的分辨率足够高的分辨率，并具有好的动态特性。，并具有好的动态特性。缺点是模拟信号易缺点是模拟信号易受干扰受干扰、接口比较复杂。、接口比较复杂。8l正交脉冲信号接口正交脉冲信号接口正交脉冲信号也叫正交脉冲信号也叫TTL信号，包括方波脉冲电平信号信号，包括方波脉冲电平信号Ua1和和Ua2，参考点信号参考点信号Ua0，故障检测信号，故障检测信号Uas，以及反相信号，以及反相信号Ua1、Ua2、Ua0。lUa1和和Ua2相位相位差为差为90度；度；l故障检测信号故障检测信号Uas低电平表示发低电平表示发生故障生故障,高电平为高电平为

5、正常。正常。9l正交脉冲信号是正交脉冲信号是数字电平信号，数字电平信号，分辨率是固定的，其分辨率分辨率是固定的，其分辨率和动态特性不及和动态特性不及1 Vpp。l优势在于接口简单，优势在于接口简单，抗干扰能力好抗干扰能力好。10l EnDat 串行数字接口串行数字接口EnDat串行数字接口是由德国海德汉公司提出的、一种适用串行数字接口是由德国海德汉公司提出的、一种适用于于编码器编码器的的双向数字接口双向数字接口。可传输编码器的可传输编码器的位置值位置值，也能传输或更新编码器中的，也能传输或更新编码器中的信息信息。EnDat采用采用串行串行数据传输方式，只需要数据传输方式，只需要四条四条信号线，

6、数据传输与控制系统信号线，数据传输与控制系统时钟信号同步。时钟信号同步。控制系统通过给编码器发送控制系统通过给编码器发送模式指令，模式指令，可以设定在可以设定在EnDat 上传输的数据上传输的数据类型类型(位置值、参数或诊断信息等位置值、参数或诊断信息等)。11EnDat 接口具有数据传输接口具有数据传输可靠性高可靠性高、系统安全性高以及成本、系统安全性高以及成本低等优点。低等优点。采用采用EnDat 接口的编码器，大多接口的编码器，大多内置了编码器信号细分功能内置了编码器信号细分功能。因此可以与因此可以与1 Vpp 接口具有同样的分辨率。接口具有同样的分辨率。EnDat 接口是通信接口，具有

7、校验和纠错能力，接口是通信接口，具有校验和纠错能力，可靠性和抗可靠性和抗干扰能力干扰能力优于正交脉冲信号接口。优于正交脉冲信号接口。编码器内置信号细分功能编码器内置信号细分功能EnDat 2.1EnDat 2.212l BiSS 串行数字接口串行数字接口 BiSS(Bidirectional Synchronous Serial Interface)是一种是一种全数字通信接口，由德国全数字通信接口，由德国IC - Haus 公司提出，多家编码器厂商公司提出，多家编码器厂商支持该接口。支持该接口。 它的时钟和数据采用它的时钟和数据采用差分式差分式结构，抗干扰能力强，传输频率结构，抗干扰能力强，传

8、输频率最高可达最高可达10 MHz。 BiSS 总线协议有总线协议有“传感器模式传感器模式”和和“寄存器模式寄存器模式”两种通两种通讯模式。讯模式。在在传感器模式传感器模式下，不需地址就可以进行传感器数据快速读取。下，不需地址就可以进行传感器数据快速读取。在在寄存器模式寄存器模式下，读写编码器必须提供编码器地址。下，读写编码器必须提供编码器地址。13 脉冲编码器是脉冲编码器是一种旋转式的检测一种旋转式的检测角位移角位移的传感器。的传感器。 将将角位移角位移用数字用数字(脉冲脉冲)形式表示，故形式表示，故 又称脉冲编码器。广泛应用于又称脉冲编码器。广泛应用于NC机床的机床的位置检测，也常用它作为

9、速度检测元件。位置检测，也常用它作为速度检测元件。1、编码器分类、编码器分类 按码盘信号的读取方式可分为：按码盘信号的读取方式可分为：光电式、接触式和电磁式光电式、接触式和电磁式 以以光电式光电式的精度和可靠性最好，的精度和可靠性最好，NC机床常用光电式编码器机床常用光电式编码器 按测量坐标系又可分为：按测量坐标系又可分为：增量式和绝对式增量式和绝对式 按每转发出的脉冲数分为：高分辨率按每转发出的脉冲数分为：高分辨率 20000-30000p/r 普通分辨率普通分辨率 2000-3000p/r142. 增量式光电脉冲编码器增量式光电脉冲编码器(1) 组成组成 由光源、聚光镜、光电盘、光栏板、光

10、敏元件由光源、聚光镜、光电盘、光栏板、光敏元件(光电管光电管)、整形放大电路等组成。、整形放大电路等组成。15鼠标中的红外接收管就是鼠标中的红外接收管就是光传感器光传感器。鼠标移动时，滚球带动。鼠标移动时，滚球带动 x、y 方向两个方向两个码盘码盘转动，红外管接收到一个个红外线脉冲。计算机转动，红外管接收到一个个红外线脉冲。计算机分别统计分别统计 x、y 两个方向上的脉冲信号，就能确定鼠标的位置。两个方向上的脉冲信号，就能确定鼠标的位置。16光电编码器在旋转工作台上的安装光电编码器在旋转工作台上的安装17(2) 工作原理工作原理 光电盘光电盘装在被测轴上，随主轴一起转动。光电盘转动时，光电装在

11、被测轴上，随主轴一起转动。光电盘转动时，光电元件把通过光电盘和元件把通过光电盘和光栏板光栏板射过来的射过来的忽明忽暗的光信号忽明忽暗的光信号(近似于正近似于正弦信号弦信号)转换为电信号，经整形、放大等电路的变换后变成脉冲信转换为电信号，经整形、放大等电路的变换后变成脉冲信号。通过计算脉冲的数目，即可测出号。通过计算脉冲的数目，即可测出工作轴的转角；工作轴的转角；通过测定计数通过测定计数脉冲的频率，即可测出脉冲的频率，即可测出工作轴的转速工作轴的转速。(3) 脉冲编码器的辨向脉冲编码器的辨向 光栏板上两条狭缝中的光栏板上两条狭缝中的信号信号A和和B(相位差相位差90)，通过整形，通过整形，成为两

12、相方波信号。根据先后成为两相方波信号。根据先后顺序顺序，即可判断光电盘的正反转。，即可判断光电盘的正反转。若若A相超前于相超前于B相，对应电动机正转；若相，对应电动机正转；若B相超前相超前A相，对应电动相，对应电动机反转。若以该方波的前沿或后沿产生计数脉冲，可以形成代表机反转。若以该方波的前沿或后沿产生计数脉冲，可以形成代表正向位移和反向位移的脉冲序列。正向位移和反向位移的脉冲序列。A相相B相相90A相相B相相90A相相B相相90A相相B相相90(4) 提高光电脉冲编码器分辨率的方法提高光电脉冲编码器分辨率的方法 提高光电盘圆周的等分狭缝的密度，实际上是使光电盘的狭缝提高光电盘圆周的等分狭缝的

13、密度，实际上是使光电盘的狭缝变成了圆光栅线纹。变成了圆光栅线纹。 增加光电盘的发信码道，使盘上不仅只有一圈透光狭缝，而且增加光电盘的发信码道，使盘上不仅只有一圈透光狭缝，而且有若干大小不等的同心圆环狭缝有若干大小不等的同心圆环狭缝(称为码道称为码道)，光电盘回转一周发出，光电盘回转一周发出的脉冲信号数增多，使分辨率提高。的脉冲信号数增多，使分辨率提高。3、绝对式光电脉冲编码器、绝对式光电脉冲编码器 (1)结构结构 绝对式脉冲编码器结构与增量式相似，就是在码盘的每绝对式脉冲编码器结构与增量式相似，就是在码盘的每一转角位置刻有表示该位置的唯一代码，称为绝对码盘。绝对式一转角位置刻有表示该位置的唯一

14、代码，称为绝对码盘。绝对式脉冲编码器是通过读取编码盘上的代码脉冲编码器是通过读取编码盘上的代码(图案图案)来表示轴的位置。来表示轴的位置。第二节第二节 检测装置检测装置码盘的种类码盘的种类 按码制不同分按码制不同分二进制码、格雷码（二进制码、格雷码（循环码）、循环码）、十进制码十进制码、六十六十进制码进制码等，最常用的是二进制循环码盘。等，最常用的是二进制循环码盘。 纯二进制码有一个缺点：纯二进制码有一个缺点：相邻两个二进制数可能有多位相邻两个二进制数可能有多位二进制码不同，当数码切换时二进制码不同，当数码切换时有有多个数位要进行切换多个数位要进行切换，增大，增大了误读的机率。了误读的机率。

15、而而码则不同，相邻码则不同，相邻两个二进制数码只有一个数位两个二进制数码只有一个数位不同，因此不同，因此两数切换时只在一两数切换时只在一位位进行，提高了读数的可靠性。进行，提高了读数的可靠性。 (3) 工作原理工作原理 光源经过柱面镜，变成一束平行光照射在码盘上，通过码盘光源经过柱面镜，变成一束平行光照射在码盘上，通过码盘经狭缝形成一束很窄的光束照射在光电元件上，光电元件的排列经狭缝形成一束很窄的光束照射在光电元件上，光电元件的排列与码道一一对应，与码道一一对应，亮区输出为亮区输出为“1”，暗区输出为，暗区输出为“0”，再经信息，再经信息处理电路，进行放大、整形、锁存与译码，输出处理电路，进行

16、放大、整形、锁存与译码，输出自然二进制代码自然二进制代码，从而实现了角度的绝对值测量。，从而实现了角度的绝对值测量。(4) 应用应用 在实际应用过程中，用绝对脉冲编码器来检测轴的位置和速度在实际应用过程中，用绝对脉冲编码器来检测轴的位置和速度时，当编码器时，当编码器旋转超过一周旋转超过一周时，读出准确数值的解决方法：时，读出准确数值的解决方法： 在旋转轴上安装在旋转轴上安装多个码盘多个码盘，其中一些盘是专门用来计量所转过，其中一些盘是专门用来计量所转过的的圈数圈数N，而另一部分码盘是用来检测一圈以内的，而另一部分码盘是用来检测一圈以内的度数度数。之后将。之后将两个码盘所检测的进行两个码盘所检测

17、的进行(N360)的叠加。的叠加。 在在软件设计软件设计时，设置一个专门的时，设置一个专门的计数器计数器，并规定码盘上的一个，并规定码盘上的一个专门的代码为专门的代码为“零零”代码，当码盘转过代码，当码盘转过“零零”代码时，计数器的代码时，计数器的值就被自动加一，这样也可以实现即测圈数又测度数的目的。值就被自动加一，这样也可以实现即测圈数又测度数的目的。25 光栅属于光学元件，是一种高精度的光栅属于光学元件，是一种高精度的位移传感器位移传感器。1. 光栅的种类光栅的种类透射光栅透射光栅反射光栅反射光栅物理物理光栅光栅计量计量光栅光栅圆光栅圆光栅直线光栅直线光栅主要介绍一下主要介绍一下直线计量光

18、栅直线计量光栅。 高精度光栅是高精度光栅是光刻机、高端机床光刻机、高端机床的关键器件的关键器件 优于优于 0.1 m 的光栅对我禁运的光栅对我禁运 精密光栅每年进口达精密光栅每年进口达十亿元十亿元 海德汉光栅海德汉光栅为欧洲国家提供长度基准为欧洲国家提供长度基准 科学技术发展对长度计量精度的无限追求科学技术发展对长度计量精度的无限追求 纳米分辨率走向纳米分辨率走向纳米纳米精度，关键在于栅线的精度精度，关键在于栅线的精度Heidenhain 高精度光栅尺高精度光栅尺512 nm100 nm透射透射光栅检测装置的结构光栅检测装置的结构010,00,11,01,1反射反射光栅检测装置的结构光栅检测装

19、置的结构光栅检测装置基本结构示意图光栅检测装置基本结构示意图 2. 2. 直线透射光栅直线透射光栅（1 1）组成）组成(2) 直线透射光栅的工作原理直线透射光栅的工作原理 由于挡光效应和光的衍射，在与线纹几乎垂直方向上，会出由于挡光效应和光的衍射，在与线纹几乎垂直方向上，会出现现明暗交替明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为、间隔相等的粗大条纹，称为“莫尔条纹莫尔条纹” 。莫尔条纹的特点莫尔条纹的特点 放放大作用大作用 莫尔条纹纹距莫尔条纹纹距B B 与光栅节距与光栅节距w w和倾角和倾角之间的关系：之间的关系： 光栅横向移动一个节距光栅横向移动一个节距w ，莫尔条纹正好沿刻线上下移动一个，莫尔条

20、纹正好沿刻线上下移动一个节距节距B，用光电元件检测莫尔条纹信号的变化就可以测量光栅的位，用光电元件检测莫尔条纹信号的变化就可以测量光栅的位移。移。例：例：当当 w = 0.01mm， = 0.01 red， 则则 B = 1mm，将栅距放大，将栅距放大100倍的莫尔条纹宽度。倍的莫尔条纹宽度。由于由于很小，因此很小，因此 22sin/q qw= =Bq qwB光栅尺横向莫尔条纹及其参数光栅尺横向莫尔条纹及其参数 22sin/q qw= =BB2B 均化误差作用均化误差作用 莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，栅距之间的相邻莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，栅距之间的相邻误差被均化。短光栅

21、的工作长度愈长误差被均化。短光栅的工作长度愈长,这一均化误差的作用愈这一均化误差的作用愈显著。显著。 根据莫尔条纹的移动根据莫尔条纹的移动与栅距移动的对应关系与栅距移动的对应关系逆时针方向逆时针方向选择选择()顺时针方向顺时针方向选择选择() 左左 下下 上上 右右 上上 下下光栅移光栅移动方向动方向莫尔条纹莫尔条纹移动方向移动方向角的旋角的旋 转方向转方向(3) 辨向辨向 为了辨别运动方向，需配置为了辨别运动方向，需配置两个彼此错开两个彼此错开1/4纹距纹距的光电元件的光电元件，使输出电信号彼此在相位上差，使输出电信号彼此在相位上差90，若以其中的一个作为参考，若以其中的一个作为参考信号，则

22、另一个信号将信号，则另一个信号将超前超前或或滞后滞后参考信号参考信号90，由此来确定运，由此来确定运动方向。动方向。(4) 倍频倍频 倍频又称为倍频又称为细分细分，倍频数就是指在莫尔条纹一个周期的范围，倍频数就是指在莫尔条纹一个周期的范围内，等距离安装的感光元件的数目，从而在一个周期内产生若干内，等距离安装的感光元件的数目，从而在一个周期内产生若干个脉冲，达到细分的目的。个脉冲，达到细分的目的。 提高倍频数可以提高光栅的最小读数值，提高分辨率，精密提高倍频数可以提高光栅的最小读数值，提高分辨率，精密机床的测量常采用高倍频。机床的测量常采用高倍频。例：栅距例：栅距 w = 0. 1mm， 十倍频

23、后，最小读数值十倍频后，最小读数值0.01mm.第二节第二节 检测装置检测装置四倍频电路四倍频电路(5) (5) 特点特点 优点：优点： 1 1）精度高）精度高 测直线：精度测直线：精度 0.5-3um0.5-3um，分辨率，分辨率 0.1um0.1um 2 2）易实现动态测量和自动化测量）易实现动态测量和自动化测量 3 3）较强的抗干扰能力）较强的抗干扰能力 缺点：缺点： 1 1）对环境要求高，怕振动，怕油污）对环境要求高，怕振动，怕油污 2 2）高精度光栅制作成本高）高精度光栅制作成本高1Vpp信号信号TTL信号信号 BiSS 串行数字接口串行数字接口 增量式光栅：增量式光栅： 绝对式光栅

24、：绝对式光栅： EnDat串行数字接口串行数字接口HEIDENHAIN381. 激光特性激光特性激光波长激光波长很短，而且相对比较很短，而且相对比较稳定。稳定。可以满足高精度测可以满足高精度测量的要求。量的要求。 雷尼绍雷尼绍XL-80激光干涉仪所用激光波长为激光干涉仪所用激光波长为633nm。激光具有良好的激光具有良好的相干性相干性。 如果两束光相位相同，则光波会叠加增强，表现为亮条纹；如果两束光相位相同，则光波会叠加增强，表现为亮条纹； 如果两束光相位相反，则光波会相互抵消，表现为暗条纹。如果两束光相位相反，则光波会相互抵消，表现为暗条纹。2. 激光干涉测量原理激光干涉测量原理激光器激光器

25、S1S2SSS2S1移动一个波长移动一个波长，光强光强变化一个周期变化一个周期产生产生明暗相间明暗相间的条纹的条纹移动一个波长移动一个波长，光强变化一个周期，光强变化一个周期迈克尔逊激光干涉仪迈克尔逊激光干涉仪单频激光干涉仪对单频激光干涉仪对周围环境要求较高，要求环境温度、周围环境要求较高，要求环境温度、湿度、气压都比较稳定；否则其变化导致的空气湍流会湿度、气压都比较稳定；否则其变化导致的空气湍流会引起直流电平变化而影响测量精度。引起直流电平变化而影响测量精度。双频激光干涉仪双频激光干涉仪是应用是应用频率变化频率变化来测量位移的，这种来测量位移的，这种位移信息载于位移信息载于f1和和f2的频差

26、上；因此对由光强变化引起的频差上；因此对由光强变化引起的直流电平变化不敏感，抗干扰能力强。的直流电平变化不敏感，抗干扰能力强。塞曼激光器产生塞曼激光器产生1和和2两个两个不同频率不同频率的左旋和右旋圆的左旋和右旋圆偏振光。偏振光。1 12 23 34 45 56 67 78 89 91010数字数字显示显示当量当量有理有理 化化同步同步相减相减整形整形处理处理NSf1f2入入/4/4滤片滤片f2f1f2 f1f2f1f1f2f1f2入入/4/4D1 1D2 2赛赛 曼曼激光器激光器每移动一个波长每移动一个波长倍频细分电路倍频细分电路44旋转变压器是一种角度测量装置。旋转变压器是一种角度测量装置

27、。1旋转变压器的结构旋转变压器的结构 在结构上与两相绕线式异步电动机在结构上与两相绕线式异步电动机相似，由定子和转子组成。相似，由定子和转子组成。 定子绕组定子绕组为变压器的一次绕组为变压器的一次绕组 转子绕组转子绕组为变压器的二次绕组。为变压器的二次绕组。 根据转子绕组两种不同的引出方式旋转变压器分根据转子绕组两种不同的引出方式旋转变压器分 有刷式有刷式 无刷式无刷式旋转变压器的内部结构图旋转变压器的内部结构图第二节第二节 检测装置检测装置 根据根据互感原理互感原理工作的，工作的，定子定子绕组加上励磁电压，绕组加上励磁电压，通过电磁耦合，通过电磁耦合，转子转子绕组绕组产生感应电动势。产生感应

28、电动势。 输出输出感应电动势感应电动势大小与大小与转子位置有关，就是通过转子位置有关，就是通过测量被测轴的转角来间接测量被测轴的转角来间接测量工作台的位移。测量工作台的位移。2旋转变压器的工作原理旋转变压器的工作原理第二节第二节 检测装置检测装置3旋转变压器的应用旋转变压器的应用 特点特点 结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便输结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便输出信号幅度大，抗干扰能力强，工作可靠，广泛应用于数控机出信号幅度大，抗干扰能力强，工作可靠，广泛应用于数控机床上。床上。应用应用 实际使用中采用实际使用中采用的是正余弦旋转变压的是正余弦旋转变压器，其定子由两组匝

29、器，其定子由两组匝数相等、互相垂直的数相等、互相垂直的绕组构成。绕组构成。 第二节第二节 检测装置检测装置 定子上的正弦、余弦励磁绕组提供同频率、同幅值、相位定子上的正弦、余弦励磁绕组提供同频率、同幅值、相位差差90的交流电压，即的交流电压，即 usUm sint ucUm cost us和和uc单独励磁，在转子绕组上感应电势分别为单独励磁，在转子绕组上感应电势分别为 eskUm cos sint eckUm cos(/2) cost -kUm sin cost4. 旋转变压器输出信号的处理方式旋转变压器输出信号的处理方式 常用的有鉴相方式和鉴幅方式常用的有鉴相方式和鉴幅方式(1) 鉴相方式鉴相方式 根据感应输出电压的相位来检测位移量根据感应输