第四章数控

1、第一节概述第一节概述第二节编码器和编码盘第二节编码器和编码盘第三节光栅测量装置第三节光栅测量装置第四节磁栅测量装置第四节磁栅测量装置第四章数控机床的位置检测装置第五节旋转变压器测量装置第五节旋转变压器测量装置第六节感应同步器测量装置第六节感应同步器测量装置 开环系统无检测装置，用步进电动机驱动开环系统无检测装置，用步进电动机驱动( (图图4-1a)4-1a)，每输入一个指令脉冲，步进电动机就旋转，每输入一个指令脉冲，步进电动机就旋转一定角度，它的旋转速度由指令脉冲频率控制，转一定角度，它的旋转速度由指令脉冲频率控制，转角大小由脉冲个数决定。角大小由脉冲个数决定。闭环系统的检测装置安装闭环系统的

2、检测装置安装在带动刀具或工件移动的部件上，如工作台的支承在带动刀具或工件移动的部件上，如工作台的支承导轨和动导轨上。半闭环系统中的检测元件安装在导轨和动导轨上。半闭环系统中的检测元件安装在伺服电动机上，在伺服电动机的尾部装有编码器或伺服电动机上，在伺服电动机的尾部装有编码器或测速发电机，分别检测移动部件的位移和速度。测速发电机，分别检测移动部件的位移和速度。第一节概述第一节概述一、开环、闭环、半闭环系统一、开环、闭环、半闭环系统二、数控机床对检测装置的要求二、数控机床对检测装置的要求(1)(1)满足数控机床的精度和速度要求。满足数控机床的精度和速度要求。(2)(2)工作可靠。工作可靠。(3)(

3、3)便于安装和维护测量装置的安装精度要合理。便于安装和维护测量装置的安装精度要合理。(4)(4)成本低。成本低。三、检测装置的常用类型三、检测装置的常用类型 在半闭环和闭环系统中，位置检测装置常用类在半闭环和闭环系统中，位置检测装置常用类型如表型如表41所示。所示。 1工作原理工作原理 增量式光电编码器能够把回转件的旋转增量式光电编码器能够把回转件的旋转方向、旋转角度和旋转速度准确检测出来。方向、旋转角度和旋转速度准确检测出来。第二节编码器和编码盘第二节编码器和编码盘一、增量式光电编码器一、增量式光电编码器图图42是增量式光电编码器的工作原理图。是增量式光电编码器的工作原理图。 2位置和转速测

4、量位置和转速测量 (1) 位置测量把输出的脉冲位置测量把输出的脉冲 和和 ，分别输入到，分别输入到可逆计数器的正、反计数端进行计数，可检测到输出可逆计数器的正、反计数端进行计数，可检测到输出脉冲的数量，把这个数量乘以脉冲当量脉冲的数量，把这个数量乘以脉冲当量(转角脉冲转角脉冲)就可测出圆盘转过的角度。就可测出圆盘转过的角度。 (2) 转速测量转速可由编码器发出的脉冲频率转速测量转速可由编码器发出的脉冲频率或周期测量。或周期测量。fg图图45是用脉冲频率法测转速原理图。是用脉冲频率法测转速原理图。脉冲频率测量脉冲频率测量n=(N1/N)(60/t) N1:t时时间内测得脉冲数；间内测得脉冲数；N

5、:编码器每转脉冲编码器每转脉冲数；数；t：采样时间（：采样时间（s)图图46是用脉冲周期法测量转速原理图。是用脉冲周期法测量转速原理图。脉冲周期测量：脉冲周期测量： n=60(2N2NT) N:编码器每转脉冲数；编码器每转脉冲数；N2:一个脉冲间隔内一个脉冲间隔内脉冲输出个数；脉冲输出个数；T：标准脉冲周期（：标准脉冲周期（s)二、编码盘测量装置二、编码盘测量装置 图图47a是四码道接触式二进制编码盘结构及是四码道接触式二进制编码盘结构及工作原理图，黑的部分为导电部分表示工作原理图，黑的部分为导电部分表示1，白的部，白的部分为绝缘部分表示分为绝缘部分表示0，四个码道都装有电刷，最里，四个码道都

6、装有电刷，最里一圈是公共极。图一圈是公共极。图47b是葛莱码盘，相邻图案只是葛莱码盘，相邻图案只有一个扇块变化，能把读数错误控制在一位。有一个扇块变化，能把读数错误控制在一位。是一种直接编码式的测量元件，直接把被测转角或角位移转换成相应的代码，指示的是绝对位置，而无绝对误差。在电源切断后不会失去信息。缺点：结构复杂，价格较贵，不易做到高精度和高分辨率 光栅装置的结构是光栅装置的结构是由标尺光栅和指示光栅由标尺光栅和指示光栅组成，在标尺光栅和指组成，在标尺光栅和指示光栅上都有密度相同示光栅上都有密度相同的许多刻线，称为光栅的许多刻线，称为光栅条纹，见图条纹，见图48。第三节光栅测量装置第三节光栅

7、测量装置一、光栅测量的工作原理一、光栅测量的工作原理莫尔条纹是明暗相间的条纹，见图莫尔条纹是明暗相间的条纹，见图49。P/2=Wsin(/2) 很小WP/ 二、光栅测量装置的数字变换线路二、光栅测量装置的数字变换线路图图410是光栅测量系统简图。是光栅测量系统简图。可获得两组相位相差900的放大信号，经放大处理后可得到正向和方向脉冲。 为了提高光栅的分辨精度，除了增大刻线密度和为了提高光栅的分辨精度，除了增大刻线密度和提高刻线精度外，还可用倍频的方法细分。图提高刻线精度外，还可用倍频的方法细分。图411是数字变换电路和变换后的波形图。是数字变换电路和变换后的波形图。三、读数头三、读数头 实际应

8、用中，把光源、光电元件和光栅组合一实际应用中，把光源、光电元件和光栅组合一起称为读数头，读数头按其光路分为分光式、直射起称为读数头，读数头按其光路分为分光式、直射式、反射式三种，见图式、反射式三种，见图412。光栅 磁栅测量装置是由磁性标尺、读取磁头和检测磁栅测量装置是由磁性标尺、读取磁头和检测线路组成。磁栅按基体形状的不同可以分为直线位线路组成。磁栅按基体形状的不同可以分为直线位移测量用的实体型磁栅、带状磁栅和线状磁栅；用移测量用的实体型磁栅、带状磁栅和线状磁栅；用于角度位移测量的有回转型磁栅等于角度位移测量的有回转型磁栅等(见图见图414)。第四节磁栅测量装置第四节磁栅测量装置一、磁栅测量

9、装置的组成一、磁栅测量装置的组成二、磁头二、磁头 1读取磁头读取磁头读取磁头是进行磁电转换的变读取磁头是进行磁电转换的变换器，它把记录在磁性标尺上的磁化信号检测出来换器，它把记录在磁性标尺上的磁化信号检测出来送至检测线路，如图送至检测线路，如图415所示。所示。 2多间隙磁通响应型磁头多间隙磁通响应型磁头将几个磁头串联起将几个磁头串联起来组成多间隙响应型磁头，以提高输出信号幅度，提来组成多间隙响应型磁头，以提高输出信号幅度，提高测量分辨率及准确性，如图高测量分辨率及准确性，如图416所示。所示。三、检测电路三、检测电路 图图417是鉴幅型是鉴幅型检测电路，两组磁头通检测电路，两组磁头通以同频、

10、同相、同幅值以同频、同相、同幅值的励磁电流，由于两组的励磁电流，由于两组磁头的安装位置相差磁头的安装位置相差(n+1/4)(n为正整数为正整数)，因此检波整形后的方波因此检波整形后的方波相差相差90相位。相位。 图图418是鉴相电路。两磁头的安装距离与是鉴相电路。两磁头的安装距离与鉴幅式相同，相差鉴幅式相同，相差(n+1/4)。 旋转变压器的结旋转变压器的结构和两相绕线式异步构和两相绕线式异步电机的结构相似，可电机的结构相似，可分为定子和转子两大分为定子和转子两大部分。图部分。图420是有是有刷式旋转变压器。刷式旋转变压器。第五节旋转变压器测量装置第五节旋转变压器测量装置一、旋转变压器的结构一

11、、旋转变压器的结构图图421是无刷式旋转变压器。是无刷式旋转变压器。二、旋转变压器的组成及工作原理二、旋转变压器的组成及工作原理 旋转变压器是测量角位移用的小型交流电动机，旋转变压器是测量角位移用的小型交流电动机，它的定子绕组接受励磁电压，励磁频率它的定子绕组接受励磁电压，励磁频率400、500、1000、3000、5000Hz；转子绕组通过电磁耦合而；转子绕组通过电磁耦合而感应电压。（见图感应电压。（见图422）三、相位工作方式三、相位工作方式 用函数发生器使两个定子绕组通以同频、同用函数发生器使两个定子绕组通以同频、同幅但相位相差幅但相位相差/2的交流电压，见图的交流电压，见图423。标准直线式感应同步器结构、尺寸如图标准直线式感应同步器结构、尺寸如图425所示。所示。第六节感应同步器测量装置第六节感应同步器测量装置一、感应同步器的结构一、感应同步器的结构二、感应同步器的工作原理二、感应同步器的工作原理 直线式感应同直线式感应同步器用于直线位移步器用