第三章数控机床的位置检测

1、提提要要本章主要介绍数控机床的位置检测装置作用及分类，本章主要介绍数控机床的位置检测装置作用及分类，讲解了旋转变压器、感应同步器、光电编码器、光栅讲解了旋转变压器、感应同步器、光电编码器、光栅和脉冲编码器的结构、工作原理及其应用。和脉冲编码器的结构、工作原理及其应用。要点要点：数控机床的位置检测装置作用及分类，光电编：数控机床的位置检测装置作用及分类，光电编码器和光栅结构、工作原理及其应用。码器和光栅结构、工作原理及其应用。难点难点：光电编码器和光栅结构、工作原理及其应用。：光电编码器和光栅结构、工作原理及其应用。学时：学时：4 4学时学时第第三三章章 数控机床的位置检测数控机床的位置检测目目

2、标标 掌握旋转变压器，感应同步器的结构特点、工作掌握旋转变压器，感应同步器的结构特点、工作 原理及应用。原理及应用。 掌握掌握光栅和光电编码器的结构特点、工作原理光栅和光电编码器的结构特点、工作原理 及应用。及应用。 了解了解数控机床的位置检测装置作用及类型。数控机床的位置检测装置作用及类型。第第三三章章 数控机床的位置检测数控机床的位置检测 了解脉冲编码器的结构特点、工作原理及应用。了解脉冲编码器的结构特点、工作原理及应用。 建建议议学生学习本章节，可学生学习本章节，可结合数控中心的结合数控中心的数控机床来了解旋转变压器、感应同数控机床来了解旋转变压器、感应同步器、光电编码器和光栅等位置检测

3、步器、光电编码器和光栅等位置检测装置的结构特点、工作原理。装置的结构特点、工作原理。第第三三章章 数控机床的位置检测数控机床的位置检测第一节第一节 概概 述述 位置检测装置是位置检测装置是NCNC机床重要组成部分，在闭环系机床重要组成部分，在闭环系统中其主要作用是检测位移量，并发出反馈信号与数统中其主要作用是检测位移量，并发出反馈信号与数控装置发出指令信号比较，如有偏差，经放大后控制控装置发出指令信号比较，如有偏差，经放大后控制执行部件，使其朝消除偏差方向运动，直至偏差为零。执行部件，使其朝消除偏差方向运动，直至偏差为零。 为提高数控机床的加工精度，须提高检测元件和为提高数控机床的加工精度，须

4、提高检测元件和检测系统的精度，不同类型数控机床，对检测元件和检测系统的精度，不同类型数控机床，对检测元件和检测系统的精度要求、允许的最高移动速度各不相同。检测系统的精度要求、允许的最高移动速度各不相同。 一般要求检测元件的分辨率在一般要求检测元件的分辨率在0.00010.00010.01mm0.01mm之之内、测量精度为内、测量精度为0.0010.0010.02mm/m,0.02mm/m,运动速度为运动速度为0 0 2424m/minm/min。一、位置检测装置的要求一、位置检测装置的要求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：l检测元件是数控机床伺服系统的重要组成部分。它

5、的检测元件是数控机床伺服系统的重要组成部分。它的作用是检测位移，发送反馈信号，构成闭环控制。作用是检测位移，发送反馈信号，构成闭环控制。l数控机床的运动精度主要由检测系统的精度决定。数控机床的运动精度主要由检测系统的精度决定。l位移检测系统能够测量的最小位移量称为分辨率。位移检测系统能够测量的最小位移量称为分辨率。l分辨率不仅取决于检测元件本身，也取决于测分辨率不仅取决于检测元件本身，也取决于测量线路。在设计数控机床，尤其是高精度或大量线路。在设计数控机床，尤其是高精度或大中型数控机床时，必须选用检测元件。中型数控机床时，必须选用检测元件。二、位置检测装置的分类二、位置检测装置的分类从检测的从

6、检测的信号分信号分 直线型直线型回转型回转型 从传感器从传感器输出信号分输出信号分 模拟式模拟式 数字式数字式 2 2检测传感器分类检测传感器分类直线感应同步器、长光栅、直线感应同步器、长光栅、 长磁栅、激光干涉仪长磁栅、激光干涉仪旋转变压器、圆感应同步器、旋转变压器、圆感应同步器、圆光栅、圆磁栅、编码盘圆光栅、圆磁栅、编码盘光栅检测装置、脉冲编码盘光栅检测装置、脉冲编码盘旋转变压器、感应同步器旋转变压器、感应同步器 感应同步器感应同步器抗干扰能力强，对环境要求低，维护简单、抗干扰能力强，对环境要求低，维护简单、价格低，寿命较长，具有一定精度、应用较广。价格低，寿命较长，具有一定精度、应用较广

7、。 光栅光栅抗干扰能力强，高分辨率、大量程、测量精度高、抗干扰能力强，高分辨率、大量程、测量精度高、 应用广泛，但成本较高，制造工艺要求高。应用广泛，但成本较高，制造工艺要求高。 磁栅磁栅抗干扰能力强，对环境条件要求低，安装调整方便，抗干扰能力强，对环境条件要求低，安装调整方便，精度高，但存在磁信号的稳定性，磁头磨损等问题。精度高，但存在磁信号的稳定性，磁头磨损等问题。 3 3检测元件的特点检测元件的特点 旋转变压器旋转变压器抗干扰能力强、工作可靠、结构简单、抗干扰能力强、工作可靠、结构简单、动作灵敏、信号输出幅度大，对环境无特殊要求，维护方便，动作灵敏、信号输出幅度大，对环境无特殊要求，维护

8、方便，应用广泛。应用广泛。 脉冲编码盘脉冲编码盘工作可靠、精度高，结构紧凑、成本低，工作可靠、精度高，结构紧凑、成本低，是精密数字控制和伺服系统中常用的角位移数字式检测元是精密数字控制和伺服系统中常用的角位移数字式检测元器件，但抗污染能力差，易损坏。器件，但抗污染能力差，易损坏。 激光干涉仪激光干涉仪精度很高，但抗震性、抗干扰能力差，精度很高，但抗震性、抗干扰能力差，价格较贵，应用较少。价格较贵，应用较少。 l不同类型不同类型NCNC机床对检测系统要求不同。大型数机床对检测系统要求不同。大型数控机床要求速度响应高，中型和高精度数控机控机床要求速度响应高，中型和高精度数控机床以满足精度要求为主。

9、测量系统分辨率一般床以满足精度要求为主。测量系统分辨率一般要求比加工精度高一个数量级。要求比加工精度高一个数量级。l直接测量直接测量-对机床直线位移采用直线型检测元对机床直线位移采用直线型检测元件测量，其测量精度取决于测量元件精度，不件测量，其测量精度取决于测量元件精度，不受机床传动精度的影响。受机床传动精度的影响。l间接测量间接测量-对机床直线位移采用回转型检测元对机床直线位移采用回转型检测元件测量，测量精度取决于测量元件和机床传动件测量，测量精度取决于测量元件和机床传动链两者的精度。为提高定位精度，常需对机床链两者的精度。为提高定位精度，常需对机床的传动误差进行补偿。的传动误差进行补偿。二

10、、位置检测装置的分类二、位置检测装置的分类回转型检测装置回转型检测装置直线型检测装置直线型检测装置数字式检数字式检测装置测装置模 拟 式 检模 拟 式 检测装置测装置数 字 式 检数 字 式 检测装置测装置模 拟 式 检模 拟 式 检测装置测装置光电盘光电盘同 步 分 解同 步 分 解器器直线光栅直线光栅直 线 感 应直 线 感 应同步器同步器数码盘数码盘圆 形 感 应圆 形 感 应同步器同步器多 通 道 透多 通 道 透射光栅射光栅直磁尺直磁尺圆光栅圆光栅圆形磁尺圆形磁尺计量光栅计量光栅绝 对 值 式绝 对 值 式磁尺磁尺测量方式测量方式将检测装置直接安在执行部件上，如光栅，将检测装置直接安

11、在执行部件上，如光栅，感应同步器用于直接测量工作台直线位移。感应同步器用于直接测量工作台直线位移。将检测装置安在滚珠丝杠或驱动电机轴上，将检测装置安在滚珠丝杠或驱动电机轴上，通过检测转动件的角位移来间接测量执行部通过检测转动件的角位移来间接测量执行部件的直线位移。件的直线位移。将被测量以数字形式表示，测量量一般为将被测量以数字形式表示，测量量一般为电脉冲。电脉冲。将被测的量以连续变量表示，如电压变化、将被测的量以连续变量表示，如电压变化、相位变化等。主要用于小量程测量。相位变化等。主要用于小量程测量。只测位移量，如测量单位为只测位移量，如测量单位为0.01 mm,0.01 mm,则每移动则每移

12、动0.010.01mmmm就发出一个脉冲信号。就发出一个脉冲信号。被测量的任意一点位置均由固定的零点标起，被测量的任意一点位置均由固定的零点标起，每一个被测点都有一个相应的测量值每一个被测点都有一个相应的测量值。同步分解器同步分解器圆感应分解器圆感应分解器磁盘磁盘位置检位置检测装置测装置多级同步分解器多级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光电盘光电盘圆光栅圆光栅数码盘数码盘测角测角测长测长增量式增量式绝对式绝对式数字式数字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数字式数字式模拟式模拟式增量式增量式绝对式绝对式直线感应分解器直线感应分

13、解器磁尺磁尺长光栅长光栅多通道透射光栅多通道透射光栅多重式直线感应同步器多重式直线感应同步器1 1感应同步器的结构感应同步器的结构l感应同步器是从旋转变压器发展而来的直线式感应器-一个展开的多极旋转变压器。l利用滑尺上的激磁绕组和定尺上的感应绕组之间相对位置变化而产生电磁耦合变化，发出相应的位置电信号来实现位移检测。第二节第二节 感应同步器位置检测装置感应同步器位置检测装置感应同步器的结构感应同步器的结构l感应同步器由定尺和滑尺两部分组成。定尺安装在移动部件的导轨上，长度大于被检测件长度；滑尺较短，安装在运动部件上。定尺和滑尺均由基板（钢或铝合金板）、平面绕组和保护屏蔽层等部分组成。 sins

14、in coscos 节距2（2mm） 节距（0.5mm）41 绝缘粘胶 铜箔 铝箔 耐切削液涂层 基板(钢、铜)定尺定尺滑尺滑尺l直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，测量直线位移；直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，测量直线位移；l旋转式感应同步器由定子和转子组成；测量角度位移。旋转式感应同步器由定子和转子组成；测量角度位移。 定尺和滑尺的结构定尺和滑尺的结构: : 基板上用绝缘粘接剂粘上一层铜箔，基板上用绝缘粘接剂粘上一层铜箔，基板材料可用防磁钢板，铝板等，基板材料可用防磁钢板，铝板等，定尺表定尺表面涂一层耐切削液的涂层，滑尺的铜箔绕面涂一层耐切削液的涂层，滑尺的铜箔绕组上用绝缘粘合剂粘在一层铝

15、箔。组上用绝缘粘合剂粘在一层铝箔。 在铜箔上用制造印刷线路板的方法制在铜箔上用制造印刷线路板的方法制成节距成节距T T22，一般为，一般为2mm2mm的方形绕组。的方形绕组。其中定尺上为一个绕组，滑尺上有正弦激其中定尺上为一个绕组，滑尺上有正弦激磁绕组和余弦激磁绕组两个绕组，两绕组磁绕组和余弦激磁绕组两个绕组，两绕组的位置相互错开的位置相互错开1/41/4节距。节距。安装: l定尺一般安装在机床的不动元件上，滑尺安装在可动元件上。l也可将定尺安装在可动元件上，滑尺安装在不动元件上。l两者应与机床导轨基准面平行，定、滑尺之间间隙为0.250.005mm。定尺标准长为250mm，当要检测的长度大于

16、250mm，可用多块接长。安装结构有定尺组件、滑尺组件和防护罩三部分。安装结构有定尺组件、滑尺组件和防护罩三部分。定尺组件与滑尺组件分别由尺子（定尺定尺组件与滑尺组件分别由尺子（定尺8 8和滑尺和滑尺5 5）和尺座（定尺座）和尺座（定尺座2 2和滑尺座和滑尺座6 6）组成，它们分别安装在机床的工作台）组成，它们分别安装在机床的工作台1 1和床身和床身2 2等不动和移等不动和移动部件上。防护罩动部件上。防护罩4 4是保护它不受切屑的侵入。是保护它不受切屑的侵入。7 7为调整板。为调整板。感应同步器感应同步器工作原理同旋工作原理同旋转变压器的工作原理相同转变压器的工作原理相同，滑尺滑尺的两个激磁绕

17、组通的两个激磁绕组通以以激磁电压激磁电压，滑，滑尺尺与定尺与定尺相对移动时，在相对移动时，在定尺定尺上便上便产生产生感应电压感应电压，感应电压，感应电压随位移的变化而变化。随位移的变化而变化。节距为节距为=2mm=2mm规律规律：滑尺移动一个节距 感生电动势按余弦波形变化一个周期2，在一个节距内： 检测相位 的变化， 即可检测一个节距内的位移量 。22/2/xx滑尺移动一个节距，感应电压变化一个余弦波形。滑尺移动一个节距，感应电压变化一个余弦波形。感应同步器工作原理图感应同步器工作原理图当滑尺相对定尺移动后，感当滑尺相对定尺移动后，感应电压逐渐变小，在错开应电压逐渐变小，在错开1/41/4节节

18、距的距的b b点时，感应电压为零。再点时，感应电压为零。再继续移到继续移到1/21/2节距的节距的c c点时得到点时得到的电压值与的电压值与a a点位置相同，但极点位置相同，但极性相反。随后感应电压在性相反。随后感应电压在3/43/4节节距位置距位置d d点时又变为零，在移动点时又变为零，在移动一个节距到一个节距到e e点时，电压幅值与点时，电压幅值与a a点位置相同。点位置相同。U0U01USUSUSUSUS定尺滑尺l鉴相型（鉴相型（相位工作方式相位工作方式）通过测通过测量感应电压的相位来测量位移。量感应电压的相位来测量位移。l鉴幅型（鉴幅型（幅值工作方式幅值工作方式）通过测通过测量感应电压

19、的幅值来测量位移。量感应电压的幅值来测量位移。 鉴相测量系统鉴相测量系统 相位工作方式相位工作方式： 供给滑尺的激磁信号为频率、幅值相同，供给滑尺的激磁信号为频率、幅值相同，相位角相差相位角相差9090的交流电压。的交流电压。 tuutuumcmscossin两绕组在定尺上的两绕组在定尺上的感生电压：感生电压：据线性叠加原理，定尺上感应的据线性叠加原理，定尺上感应的总电压总电压： 22cossincoscos()cossin2smcmUkukUtUkukUt 222sincoscossinsin()mmmUUUkUtkUtkUt说明说明： 上式建立了感生电压U U2 2与相位 间的关系。 鉴别

20、定尺上的感应电压的鉴别定尺上的感应电压的相位相位，可得，可得位移值位移值： 鉴相系统结构方框图鉴相系统结构方框图指令信号指令信号 1sin()kt反馈信号反馈信号（感应电压）sin()kt1误差信号误差信号22xx 鉴幅测量系统鉴幅测量系统 幅值工作方式幅值工作方式： 滑尺绕组通入相位滑尺绕组通入相位 相同、频率相同、频率 相同，相同，但幅值不同的但幅值不同的励磁电压励磁电压：（工作台：（工作台移动指令移动指令） 11( )x1sinsinsmuUt1cossincmuUt 幅值工作方式幅值工作方式： 定尺上的定尺上的感生电压：感生电压：2121sinsincoscossinsinmmUkUt

21、UkUt 定尺上感应的总电压定尺上感应的总电压： （正、余弦绕组同时供电，线性叠加 ）2111sinsincoscossinsinsinsin()mmmUkUtkUtkUt幅值工作方式幅值工作方式： 结论结论： 感生电压的幅值 随指令给定的位移量与工作台实际位移量 的差值的正弦规律变化。2U11( )x( )xtkUUmsin)sin(12 (1)(1)精度高精度高 多线圈耦合，在精度上由平均补多线圈耦合，在精度上由平均补偿作用。平均效应所产生的测量精度要比制造精偿作用。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位移度高，且输出信号是由滑尺和定尺之间相对位移产生的

22、，中间无机械转换环节，故测量结果只受产生的，中间无机械转换环节，故测量结果只受本身精度影响。本身精度影响。 直线式，精度为直线式，精度为2.5m,2.5m,最高可达最高可达1m1m； 圆盘式，精度可达圆盘式，精度可达11。 (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250mm250mm时，可以来用多块尺接长，相邻定尺可用块规或时，可以来用多块尺接长，相邻定尺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。大于单块定尺的最大偏差。 (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

23、金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，当环境属基尺与安装部件的材料的膨胀系数，当环境温度变化时，两者变化规律相同，不影响测量温度变化时，两者变化规律相同，不影响测量精度。不怕油液、灰尘和冷却液等。精度。不怕油液、灰尘和冷却液等。(4)(4)维护简单、寿命长维护简单、寿命长 定尺、滑尺之间无接触定尺、滑尺之间无接触磨损，在机床上安装简单。但使用时加防护罩磨损，在机床上安装简单。但使用时加防护罩，防止切屑进入定、滑尺之间划伤导片。，防止切屑进入定、滑尺之间划伤导片。(5)(5)可高速检测，相对移动速度可高速检测，相对移动速度60 m/min60 m/min。(6)(6)制造简单，

24、价格便宜。制造简单，价格便宜。 旋转变压器（旋转变压器（ResolverResolver）是一种控）是一种控制用的微电机。简称旋变，又称作解算制用的微电机。简称旋变，又称作解算器或分解器。器或分解器。 旋转变压器是一种常用的转角检测旋转变压器是一种常用的转角检测元件，由于它结构简单，工作可靠，且元件，由于它结构简单，工作可靠，且其精度能满足一般的检测要求，因此被其精度能满足一般的检测要求，因此被广泛应用在数控机床上。广泛应用在数控机床上。第三节第三节 旋转变压器旋转变压器l分类：有电刷、集电环结构和无刷结构分类：有电刷、集电环结构和无刷结构 单对极元件、多对极元件（或称多极元单对极元件、多对极

25、元件（或称多极元件）件） 定子定子转子转子S S1 1R R1 1S S2 2S S3 3S S4 4R R2 2R R3 3R R4 4 旋转变压器的结构与绕线式异步电机相似，其定子和转子铁芯由高导磁的铁镍软磁合金或硅铜薄板冲成的带槽芯片叠成，槽中嵌入定子绕组和转子绕组。定子绕组通过固定在壳体上的接线板直接引出；转子绕组有两种不同的引出方式。根据转子绕组不同的引出方式可将旋转变压器分为有刷式和无刷式两种结构形式。 有 刷 式 旋有 刷 式 旋转 变 压 器转 变 压 器结 构 简 单结 构 简 单， 体 积 小， 体 积 小， 但 电 刷， 但 电 刷与 滑 环 是与 滑 环 是机 械 滑

26、动机 械 滑 动接 触 ， 所接 触 ， 所以 旋 转 变以 旋 转 变压 器 的 可压 器 的 可靠 性 差 ，靠 性 差 ，寿 命 也 较寿 命 也 较短。短。 旋转变压器由定子和转子组成，定子绕组相当于变压器的原边，转子绕组相当于变压器的副边。将励磁电压接到原边时，转子上感应的输出电压与转子的角位移成固定的函数关系，因此可以用做角度检测。 （1）安装部位l旋转变压器安装主要有两种方式： 与电动机同轴； 与最终传动环节同轴。（2）轴连接方式 直接连接。通过各种联轴器连接。联轴器形式有锥销套筒型、夹紧环型、波纹管型及膜片型等。 间接连接。通过齿轮或同步带传动。 旋转变压器按照互感原理工作旋转

27、变压器按照互感原理工作. .定子绕组上分别加上交变定子绕组上分别加上交变励磁电压励磁电压, ,当转子旋转时，通过电磁耦合，转子绕组内产当转子旋转时，通过电磁耦合，转子绕组内产生感应电势生感应电势感应电压。感应电压。定定 子子U U c c ( ( C C o o s s ) )U U s s ( ( S S i i n n ) )转转 子子U UU U=kUsSin=kUsSin或或 U U=kUcCos=kUcCosUs,UcUs,Uc为定子正弦、余弦绕组上的激磁电压，为定子正弦、余弦绕组上的激磁电压，k k为变压为变压比比= =定子绕组与转子绕组的匝数比定子绕组与转子绕组的匝数比W1/W2

28、W1/W2。2 2工作原理工作原理l 应用旋转变压器作位置检测元件，有两种应用旋转变压器作位置检测元件，有两种 方法：鉴相型和鉴幅型应用。方法：鉴相型和鉴幅型应用。l 通常采用的是通常采用的是正弦、余弦旋转变压器正弦、余弦旋转变压器， 其定子和转子绕组中各有互相垂直的两其定子和转子绕组中各有互相垂直的两 个绕组，见图个绕组，见图4-54-5。 （1 1）鉴相型应用）鉴相型应用 l旋转变压器的定子两相正交绕组即正弦绕组旋转变压器的定子两相正交绕组即正弦绕组s s和余弦绕组和余弦绕组c c中分别中分别加上幅值相等、频率相同而相位相差加上幅值相等、频率相同而相位相差90900 0的正弦交流电压，即的

29、正弦交流电压，即l 这两相激磁电压产生旋转磁场，在转子绕组中（另一绕组短接这两相激磁电压产生旋转磁场，在转子绕组中（另一绕组短接）感应电压为）感应电压为cossinmcmsVUtVUcossin2csUUUk电磁耦合系数测量转子绕组输出电压（测量转子绕组输出电压（感应电压感应电压）的相位角）的相位角就等于转子的机就等于转子的机械转角械转角。旋转变压器的转子是和伺服电机或传动轴连接在一起。旋转变压器的转子是和伺服电机或传动轴连接在一起的，从而可以求得执行部件的角位移。的，从而可以求得执行部件的角位移。实际应用时，把对定子正弦绕组激磁的交流电压相位作为基准实际应用时，把对定子正弦绕组激磁的交流电压

30、相位作为基准相位，与转子绕组输出电压相位作比较，确定转子转角位移。相位，与转子绕组输出电压相位作比较，确定转子转角位移。 (2)(2)鉴幅型应用鉴幅型应用 l这种应用中，定子两相绕组的激磁电压为频率相同、这种应用中，定子两相绕组的激磁电压为频率相同、相位相同而幅值分别按正弦、余弦规律变化的交变电相位相同而幅值分别按正弦、余弦规律变化的交变电压，即压，即l 激磁电压频率为激磁电压频率为2 24kHz4kHz。l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2 2，其大小与转子，其大小与转子 和定子的和定子的相对位置相对位置m m有关，并有

31、关，并与激磁的幅值与激磁的幅值V Vm msinsin和和V Vm mcoscos有关，即有关，即若若m m=, V=, V2 2=0=0。 =电气角电气角tVUtVUmcmssincossinsintKVVmmsin)sin(2VSVS 感应电动势感应电动势2 是以是以为角频率、以为角频率、以为幅值的交变电压信号。若为幅值的交变电压信号。若定子激磁信定子激磁信号号电气角电气角已知，只要测出已知，只要测出V V2 2 幅值幅值( (利利用用V V2 2 = =0)0)，便可间接的求出机械角，便可间接的求出机械角m ，从而得出被测角位移。从而得出被测角位移。 tKVVmmsin)sin(2同理，

32、如果转子逆向转动，可得同理，如果转子逆向转动，可得 (5-4)(5-4) 由上式由上式(5-3)(5-3)和和(5-4)(5-4)可见，转子感应电压的可见，转子感应电压的幅值随转子的偏转角而变化，测量出幅值即可求幅值随转子的偏转角而变化，测量出幅值即可求得转角。得转角。 如果将旋转变压器装在数控机床的滚珠丝杠如果将旋转变压器装在数控机床的滚珠丝杠上，当角从上，当角从0 00 0到到3603600 0时，丝杠上的螺母带动工作台时，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。测量所走过的行程时，可加一个计数器，累移。测量所走过的行程

33、时，可加一个计数器，累计所转的转数，折算成位移总长度。计所转的转数，折算成位移总长度。tKVVmmsin)sin(2l物理概念上理解，物理概念上理解，m m=l表示定子绕组合成磁通表示定子绕组合成磁通与转子绕组的线圈平面平与转子绕组的线圈平面平行，即没有磁力线穿过转行，即没有磁力线穿过转子绕组线圈，故感应电动子绕组线圈，故感应电动势为零。势为零。l当由垂直于转子绕组线圈当由垂直于转子绕组线圈平面时，即平面时，即m m=90900 0时时，转子绕组中感应电动势，转子绕组中感应电动势最大。最大。l实际应用中，根据转子误实际应用中，根据转子误差电压的大小，不断修改差电压的大小，不断修改定子激磁信号的

34、定子激磁信号的(即激即激磁幅值磁幅值) )，使其跟踪，使其跟踪m m的的变化。当感应电动势变化。当感应电动势U U2 2的的幅值幅值KVKVm msin(-sin(-m m) )为零为零时，时，说明说明角的大小就是角的大小就是被测角位移被测角位移m m的大小。的大小。 光栅是闭环系统中用得比较多的检测装置，可用作光栅是闭环系统中用得比较多的检测装置，可用作直线位移和直线位移和转角的检测转角的检测。l光栅有光栅有透射光栅透射光栅和和反射光栅反射光栅两类。两类。l透射光栅透射光栅 在透明玻璃片上刻有平行等距的密集线条，常用在透明玻璃片上刻有平行等距的密集线条，常用的有的有5050线线/ /毫米、毫

35、米、l00l00线线/ /毫米和毫米和200200线线/ /毫米毫米( (指直线光栅指直线光栅) )。其特点是光源可采用垂直入射光，光电元件能直接接受，其特点是光源可采用垂直入射光，光电元件能直接接受，因此信号幅值较大，信噪比好，光电转换因此信号幅值较大，信噪比好，光电转换( (读数头）的结构读数头）的结构简单。由于线纹数多，本身巳达简单。由于线纹数多，本身巳达0.01mm0.01mm，故电子线路较简，故电子线路较简单。这种光栅一般每片最长为单。这种光栅一般每片最长为2m2m，若测量长度较长，可采，若测量长度较长，可采用双片或多片接长的办法。用双片或多片接长的办法。l反射光栅反射光栅 在金属镜

36、面上制成全反射或漫反射平行等距的密在金属镜面上制成全反射或漫反射平行等距的密集线条，常用的材料有钢或铝等，其每毫米刻线数有集线条，常用的材料有钢或铝等，其每毫米刻线数有4 4、1010、2525、4040、5050，甚至有，甚至有600600线，因此可以得到很高的精度，线，因此可以得到很高的精度，且长度不受限制，其膨胀系数可做到与机床材料一致，避且长度不受限制，其膨胀系数可做到与机床材料一致，避免温度的影响，安装使用比较方便。免温度的影响，安装使用比较方便。 包括标尺光栅和指示光栅包括标尺光栅和指示光栅. .根据制造方法和光学原理不同，光栅可分为透射光栅和反射光栅根据制造方法和光学原理不同，光

37、栅可分为透射光栅和反射光栅. . 透射光栅是在光学玻璃表面，或在玻璃表面感光材料的涂层透射光栅是在光学玻璃表面，或在玻璃表面感光材料的涂层上刻成光栅线纹。其特点是上刻成光栅线纹。其特点是: : 光源可以垂直入射，光电元件直接接受光照，因此信号幅光源可以垂直入射，光电元件直接接受光照，因此信号幅值比较大，信噪比好，光电密度为值比较大，信噪比好，光电密度为200200线线/mm/mm时，光栅本身就已时，光栅本身就已经细分到经细分到0.005mm0.005mm从而减轻了电子线路的负担。从而减轻了电子线路的负担。光光源源透透镜镜标标尺尺光光栅栅G Gs s指指示示光光栅栅G Gi i光光电电元元件件驱

38、驱动动电电路路驱驱动动电电路路l光栅又可分为光栅又可分为直线光栅直线光栅和和圆盘光栅圆盘光栅l直线光栅是测量直线位移，直线光栅是测量直线位移，l圆盘光栅是测量角位移。圆盘光栅简称圆盘光栅是测量角位移。圆盘光栅简称圆光栅，其刻线呈辐射状，在一圆周内圆光栅，其刻线呈辐射状，在一圆周内的等距线纹数有三种形式：的等距线纹数有三种形式：6060进制进制(10800(10800，2160021600，3240032400，6480064800等线纹数等线纹数) )、1010进制进制(1000(1000，25002500，50005000等线纹数等线纹数) )、2 2进制进制(512(512，1024102

39、4，20482048等线纹数等线纹数) )，视需要而选择。视需要而选择。pW 光栅结构：光栅结构： 1.1.标尺光栅、标尺光栅、 2.2.指示光指示光栅、栅、3 3.光电元件、光电元件、4.4.光源。光源。 2 2光栅的工作原理光栅的工作原理光栅检测装置的结构光栅检测装置的结构光光源源透透镜镜标标尺尺光光栅栅G Gs s指指示示光光栅栅G Gi i光光电电元元件件驱驱动动电电路路驱驱动动电电路路执行部件带着标尺光栅相对指示光栅移动，通过读数头的光执行部件带着标尺光栅相对指示光栅移动，通过读数头的光电转换，发送出与位移量对应的数字脉冲信号，用作位置反电转换，发送出与位移量对应的数字脉冲信号，用作

40、位置反馈信号或位置显示信号馈信号或位置显示信号 原理原理 1 1）指示光栅与标尺光栅刻度等宽。）指示光栅与标尺光栅刻度等宽。2 2）平行装配，且无摩擦）平行装配，且无摩擦3 3）两尺条纹之间有一定夹角）两尺条纹之间有一定夹角4 4）当指示光栅与标尺光栅相对运动时，会产生与光栅线）当指示光栅与标尺光栅相对运动时，会产生与光栅线垂直的横向的条纹，该条纹为莫尔条纹，当移动一个栅垂直的横向的条纹，该条纹为莫尔条纹，当移动一个栅距时，摩尔条纹也移动一个纹距距时，摩尔条纹也移动一个纹距 标尺光栅莫尔条纹莫尔条纹应用较多的干涉条纹式光栅，是利用光的应用较多的干涉条纹式光栅，是利用光的衍射现象产生莫尔干涉条纹

41、。当两片光栅衍射现象产生莫尔干涉条纹。当两片光栅互相平行，其刻线相互成一小角度互相平行，其刻线相互成一小角度时，时，两光栅有相对运动就会生明暗相间的干涉两光栅有相对运动就会生明暗相间的干涉条纹，将光源来的光经透镜变成平行光，条纹，将光源来的光经透镜变成平行光，垂直照射在光栅上，经狭缝垂直照射在光栅上，经狭缝s s和透镜由光和透镜由光电元件接受，即可得到与位移成比例的电电元件接受，即可得到与位移成比例的电信号。信号。当当d =0.01mmd =0.01mm，( (l00l00线线/ /毫米毫米)=0.01)=0.01弧度，纹距弧度，纹距W=1mmW=1mm，即利用挡光效应，可把光栅线距转换成放大

42、，即利用挡光效应，可把光栅线距转换成放大100100倍的摩倍的摩尔条纹的宽度。尔条纹的宽度。表明莫尔条纹的节距是栅距的表明莫尔条纹的节距是栅距的1 1倍。倍。(1)(1)干涉条纹方向与干涉条纹方向与标尺光栅的刻线几标尺光栅的刻线几乎垂直。乎垂直。(2)(2)放大作用放大作用: :用用W W（mmmm）表示莫尔条）表示莫尔条纹的宽度，纹的宽度，d d(mm)(mm)表示栅距，表示栅距，(rad)(rad)为光栅线纹之间的为光栅线纹之间的夹角。夹角。ddWsind标尺光栅标尺光栅指示光栅指示光栅光栅节距光栅节距摩尔条纹节距摩尔条纹节距 作用：作用： 放大作用放大作用误差均化作用误差均化作用 测量位

43、移测量位移W光栅倾角光栅倾角(3)(3)误差均化作用误差均化作用：摩尔条纹是由许多根刻线共同形成的，摩尔条纹是由许多根刻线共同形成的，这样可使光栅的节距误差得到平均化。这样可使光栅的节距误差得到平均化。(4) (4) 信息变换作用：信息变换作用：摩尔条纹的移动摩尔条纹的移动与与栅距之间的移动成比栅距之间的移动成比例。当两个光栅相对移动一个栅距例。当两个光栅相对移动一个栅距d d时，摩尔时，摩尔条纹相应地移条纹相应地移动一个纹距动一个纹距W W，因此两者的移动是对应的，这样便于记数；，因此两者的移动是对应的，这样便于记数；标尺光栅移动的方向相反，干涉条纹移动的方向也反向。标尺光栅移动的方向相反，

44、干涉条纹移动的方向也反向。 (5) (5) 光强分布规律：当用平行光束照射光栅时，就形成明光强分布规律：当用平行光束照射光栅时，就形成明暗相间的摩尔条纹。其由暗纹到亮纹的光强分布近似余弦函暗相间的摩尔条纹。其由暗纹到亮纹的光强分布近似余弦函数。数。 三、应用（光栅位移数字转换系统）三、应用（光栅位移数字转换系统） 当光栅移动一个栅距，莫尔条纹便移动一当光栅移动一个栅距，莫尔条纹便移动一个条纹宽度，假定开辟一小窗口观察莫尔条纹个条纹宽度，假定开辟一小窗口观察莫尔条纹的变化情况，可发现它在移动一个栅距期间明的变化情况，可发现它在移动一个栅距期间明暗变化了一个周期，暗变化了一个周期，理论上光栅亮度变

45、化是一理论上光栅亮度变化是一个三角波形，但由于漏光和不能达到最大亮度个三角波形，但由于漏光和不能达到最大亮度，被削顶削底后而近似一个正弦波（见图，被削顶削底后而近似一个正弦波（见图3-43-4）。硅光电池将近似正弦波的光强信号变为同。硅光电池将近似正弦波的光强信号变为同频率的电压信号（见图频率的电压信号（见图3-53-5），），经光栅位移经光栅位移数字变换电路放大、整形、微数字变换电路放大、整形、微分输出脉冲。每产生一个脉冲，就代表移动了分输出脉冲。每产生一个脉冲，就代表移动了一个栅距那么大的位移，通过对脉冲计数便可一个栅距那么大的位移，通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离。得到工作台的移动

46、距离。 O 亮度 电压 图3-4 光栅的实际亮度变化 图3-5 光栅的输出波形图 光栅位移 O 光栅位移 光栅测量系统光栅测量系统 P1 P2 P3 P4 指示光栅 标尺光栅 硅光电池 聚光镜 光源 光栅测量系统由光源、光栅测量系统由光源、聚光镜、光栅尺、光电元件聚光镜、光栅尺、光电元件和驱动线路组成。读数头光和驱动线路组成。读数头光源采用普通灯泡，发出辐射源采用普通灯泡，发出辐射光线，经过聚光镜后变为平光线，经过聚光镜后变为平行光束，照射光栅尺。行光束，照射光栅尺。光电光电元件（常用硅光电池）接受元件（常用硅光电池）接受透过光栅尺的光强信号，并透过光栅尺的光强信号，并转换成相应的电压信号。转

47、换成相应的电压信号。 驱动线路的作用是将电驱动线路的作用是将电压信号进行电压和功率放大压信号进行电压和功率放大。除标尺光栅与工作台一起。除标尺光栅与工作台一起移动外，移动外，光源、聚光镜、指光源、聚光镜、指示光栅、光电元件和驱动线示光栅、光电元件和驱动线路均装在一个壳体内，作成路均装在一个壳体内，作成一个单独部件固定在机床上一个单独部件固定在机床上，这个部件称为光栅读数头，这个部件称为光栅读数头，又叫光电转换器，又叫光电转换器，其作用其作用把光栅莫尔条纹的光信号变把光栅莫尔条纹的光信号变成电信号。成电信号。 l将明暗相间的干涉将明暗相间的干涉条纹用光电元件接条纹用光电元件接收后，经过放大、收后

48、，经过放大、整形、微分变成脉整形、微分变成脉冲信号，即可用来冲信号，即可用来测量位移量，如右测量位移量，如右图。可见图。可见每个线距每个线距可以发两个脉冲信可以发两个脉冲信号号。 根据摩尔条纹的上述特点，可在摩尔根据摩尔条纹的上述特点，可在摩尔条纹的移动方向上开设条纹的移动方向上开设4 4个窗口个窗口P1P1，P2P2，P3P3，P4P4，并且使这并且使这4 4个窗口两两相距个窗口两两相距1/41/4摩尔条纹宽度摩尔条纹宽度( (W/4),W/4),可可从从这这4 4个观个观察窗口察窗口进行进行：l机床移动部件的位移检测机床移动部件的位移检测；l确定移动部件的方向确定移动部件的方向；l确定移动

49、速度确定移动速度。标尺光栅安装在机床移动部件上，光标尺光栅安装在机床移动部件上，光栅读数头安装在机床固定部件。当标栅读数头安装在机床固定部件。当标尺光栅移动一个栅距时，摩尔条纹移尺光栅移动一个栅距时，摩尔条纹移动一个摩尔条纹宽度，即透过任一个动一个摩尔条纹宽度，即透过任一个窗口的光强变化一个周期。透过观察窗口的光强变化一个周期。透过观察窗口透过的光强变化的周期数确定标窗口透过的光强变化的周期数确定标尺光栅移动了一个栅距，即测得机床尺光栅移动了一个栅距，即测得机床移动部件的位移。移动部件的位移。当采用一个光电元件即只开一个窗口观察，只能计当采用一个光电元件即只开一个窗口观察，只能计数，却无法判断

50、移动方向。因为无论莫尔条纹上移数，却无法判断移动方向。因为无论莫尔条纹上移或下移，从一固定位置看其明暗变化是相同的。或下移，从一固定位置看其明暗变化是相同的。 安装两个彼此错开安装两个彼此错开1/41/4节距的光电元件，当光栅移动时，莫节距的光电元件，当光栅移动时，莫尔条纹通过两个隙缝的时间不同所以两个光电元件所获得的尔条纹通过两个隙缝的时间不同所以两个光电元件所获得的电信号虽然波形相同，但相位相差电信号虽然波形相同，但相位相差9090。若以其一为参考信号，。若以其一为参考信号，则另一信号超前或滞后参考信号，由此可判定运动方向。则另一信号超前或滞后参考信号，由此可判定运动方向。 根据摩尔条纹的

51、特点，根据摩尔条纹的特点，标尺光栅的标尺光栅的移动位移与摩尔条纹的移动位移成移动位移与摩尔条纹的移动位移成比例。因此，标尺光栅的移动速度比例。因此，标尺光栅的移动速度和摩尔条纹的移动速度相一致和摩尔条纹的移动速度相一致，也，也与观察窗口的光强变化频率相对应与观察窗口的光强变化频率相对应。可根据透过观察窗口的光强变化。可根据透过观察窗口的光强变化频率来确定标尺光栅的移动速度，频率来确定标尺光栅的移动速度，得到机床移动部件的移动速度得到机床移动部件的移动速度。 提高光栅分辨精度的措施提高光栅分辨精度的措施 1 1）提高刻线精度和增加刻线密度）提高刻线精度和增加刻线密度 有限有限 增加线纹密度能提高

52、光栅检测装置精度，但制造较困难，增加线纹密度能提高光栅检测装置精度，但制造较困难，成本高。实际应用中，既要提高测量精度，同时又能达到自成本高。实际应用中，既要提高测量精度，同时又能达到自动辨向的目的，通常采用倍频或细分的方法来提高光栅的分动辨向的目的，通常采用倍频或细分的方法来提高光栅的分辨精度。辨精度。 2 2）倍频）倍频 常用常用 四倍颁方案四倍颁方案 如果在莫尔条纹的宽度内，放置四个光电如果在莫尔条纹的宽度内，放置四个光电元件，每隔元件，每隔1/41/4光栅栅距产生一个脉冲，一个脉冲代表移动光栅栅距产生一个脉冲，一个脉冲代表移动了了1/41/4栅距的位移，分辨精度可提高四倍，即四倍频方案

53、。栅距的位移，分辨精度可提高四倍，即四倍频方案。例如光栅刻线密度为例如光栅刻线密度为5050线线mmmm，采用，采用4 4个光电元件和个光电元件和4 4个隙缝，个隙缝，每隔每隔1 14 4光栅节距产生一个脉冲，分辨精度可提高四倍。光栅节距产生一个脉冲，分辨精度可提高四倍。 四倍颁方案四倍颁方案 莫尔条纹细分技术：光学细分、机械细分和电子细分莫尔条纹细分技术：光学细分、机械细分和电子细分 abcd插动放大插动放大整形整形方向辨别门电路可逆计数正脉冲反脉冲abcd插动放大插动放大(sin)(cos)整形整形反向反向微分微分微分微分ABCDACBDY1Y2Y3Y4Y8Y5Y6Y7H1H2正向脉冲反向

54、脉冲sincosABCDABCD相加ABCD相加正走反走 a) 原理电路图 Y6微分微分微分整形P1P2P4P3 差动 放大器 差动放 大器整形反相反相Y1Y2Y3Y4Y5Y7Y8微分 B A D C或门H1或门H2与门 - sin cos A B C D A B C D正向 相加AB+AD+CD+BC 反向 相加BC+CD+AD+AB 四倍频辨向电路四倍频辨向电路波形图波形图 图3-7中的P1、P2、P3、P4是四块硅光电池，产生的信号相位彼此相差90o。P1、P3信号是相位差180o的两个信号，接差动放大器放大，得正弦信号。P2、P4信号送另一个差动放大器，得到余弦信号。正弦和余弦信号经整

55、形变成方波A和B，为使每隔1/4节距都有脉冲，把A、B各自反向一次得C、D信号，A、B、C、D信号再经微分变成窄脉冲A、B、C、D，即在正走或反走时每个方波的上升沿产生窄脉冲，由与门电路把0o、90o、180o、270o四个位置上产生的窄脉冲组合起来，根据不同的移动方向形成正向或反向脉冲。正向运动时，用与门Y1-Y4及或门H1，得到AB+AD+CD+BC的四个输出脉冲；反向运动时，用与门Y5Y8及或门H2，得到BC+ CD+AD+ AB的四个输出脉冲，其波形见图3-7b。 l精度比较高。一是光栅本身线纹的精度就很高；二是由精度比较高。一是光栅本身线纹的精度就很高；二是由于干涉条纹是由许多线纹所

56、组成，因此有误差平均的作于干涉条纹是由许多线纹所组成，因此有误差平均的作用。又由于采用倍频线路，分辨率较高。因此多用于精用。又由于采用倍频线路，分辨率较高。因此多用于精密位移测量。密位移测量。l对于直线位移的检查，若长度大于对于直线位移的检查，若长度大于2m2m，可采用透射光栅，可采用透射光栅接长的办法，但技术上困难些。接长的办法，但技术上困难些。 l对环境的要求较高，要用保护罩防尘、防液，且不能振对环境的要求较高，要用保护罩防尘、防液，且不能振动，因此其维护保养极为重要。动，因此其维护保养极为重要。l制造上需要精密设备，价格较贵。制造上需要精密设备，价格较贵。l1床身；2光栅尺；3扫描头；l

57、4滚珠丝杠螺母副；5床鞍 光栅尺在机床上的安装示意图 脉冲编码器又称码盘，是一种回转式数字测量元件，脉冲编码器又称码盘，是一种回转式数字测量元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。根据内根据内部结构和检测方式，码盘可分为部结构和检测方式，码盘可分为接触式、光电式和电磁式接触式、光电式和电磁式三种。其中，光电编码器在数控机床上应用较多，而由霍三种。其中，光电编码器在数控机床上应用较多，而由霍尔效应构成的电磁码盘则可用作速度检测元件。尔效应构成的

58、电磁码盘则可用作速度检测元件。光电编码器的构成光电编码器的构成 光源、指示光栅、圆光源、指示光栅、圆光栅、光电元件。光栅、光电元件。脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转角变成电脉冲，可作为位能把机械转角变成电脉冲，可作为位置检测和速度检测装置。置检测和速度检测装置。增量式脉冲编码器的型号是由每转发增量式脉冲编码器的型号是由每转发出的脉冲数来区分。出的脉冲数来区分。2000P/r2000P/r、2500 2500 P/rP/r和和3000 P/r3000 P/r等；等；1234567图图3-8 3-8 光电脉冲编码器的结构光电脉冲编码器的结构1-1-光源

59、光源 2-2-圆光栅圆光栅 3-3-指示光栅指示光栅 4-4-光光电池组电池组 5-5-机械部件机械部件 6-6-护罩护罩 7-7-印刷印刷电路板电路板 一、绝对式编码器 绝对式编码器是一种旋转式检测装置，可直接把被测转角用数字代码表示出来，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，电源切除后，位置信息不丢失，仍能读出转动角度。q 结构和工作原理结构和工作原理l 码盘基片上有多圈码道，码盘基片上有多圈码道，且每码道的刻线数相等；且每码道的刻线数相等；l对应每圈都有光电传感器；对应每圈都有光电传感器；l输出信号的路数与码盘圈数输出信号的路数与码盘圈数成正比；成正比；l

60、检测信号按某种规律编码输检测信号按某种规律编码输出，故可测得被测轴的周向出，故可测得被测轴的周向绝对位置。绝对位置。0 1 0 11 1 1 00 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 10 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 02 23 32 22 2212 20 0 图3-9 四位二进制编码盘二进制码盘在一不导电基体上作成许多金属区使二进制码盘在一不导电基体上作成许多金属区使其导电，剖面线部分为导电区，用其导电，剖面线部分为导电区，用“1 1”表示；其表示；其它部分为绝缘区，用它部