数控设计第5章

1、2021-12-31 数控检测技术数控检测技术2021-12-31 组成：组成：位置测量装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置位置测量装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成的。组成的。 作用：作用：实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换成位置控实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换成位置控制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置反馈到位置控制单制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成元，以实施闭环控制。它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。部分。 闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测装置的

2、精闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测装置的精度决定的，在设计数控机床进给伺服系统，尤其是高精度进给伺服度决定的，在设计数控机床进给伺服系统，尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择位置检测装置。系统时，必须精心选择位置检测装置。2021-12-31数控系统中的检测装置分为数控系统中的检测装置分为位移位移、速度速度和和电流电流三种类型。三种类型。 安装的位置及耦合方式安装的位置及耦合方式直接测量直接测量和和间接测量间接测量； 测量方法测量方法 增量型增量型和和绝对型绝对型; ; 检测信号的类型检测信号的类型 模拟式模拟式和和数字式数字式； 运动型式运动型式 回转型回转型和和直线型直线

3、型； 信号转换的原理信号转换的原理 光电效应、光栅效应、电磁感应原理、光电效应、光栅效应、电磁感应原理、 压电效应、压阻效应和磁阻效应压电效应、压阻效应和磁阻效应等。等。2021-12-31表表5 51 1 数控机床检测装置分类数控机床检测装置分类分分 类类 增增 量量 式式 绝绝 对对 式式 位移位移传感器传感器 回转型回转型脉冲编码器、脉冲编码器、自整角机自整角机 、旋转变压器、圆感旋转变压器、圆感应同步器应同步器 、光栅角度传感器光栅角度传感器 、圆光栅、圆磁栅圆光栅、圆磁栅 多极旋转变压器多极旋转变压器 、绝绝对脉冲编码器对脉冲编码器 绝对值式光绝对值式光栅栅 、 三速圆感应同步器三速

4、圆感应同步器 、磁阻式多极旋转变压器磁阻式多极旋转变压器 直线型直线型直线应同步器直线应同步器 、光栅尺、磁栅尺光栅尺、磁栅尺 、激光干涉仪激光干涉仪 霍耳位置传感器霍耳位置传感器 三速感应同步器三速感应同步器 、绝绝对值磁尺、光电编码尺对值磁尺、光电编码尺 、磁性编码器磁性编码器 速度速度传感器传感器 交、直流测速发电机交、直流测速发电机 、 数字脉编码式速度传感器数字脉编码式速度传感器 、霍霍耳速度传感器耳速度传感器 速度速度角度传感器角度传感器（Tachsyn）、数字电磁、）、数字电磁、磁敏式速度传感器磁敏式速度传感器 电流电流传感器传感器 霍耳电流传感器霍耳电流传感器 2021-12-

5、31 传感器的性能指标应包括静态特性和动态特性，主要如下。传感器的性能指标应包括静态特性和动态特性，主要如下。 1.1.精度精度 符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度 称作精度。高精度和高速实时测量。称作精度。高精度和高速实时测量。 2.2.分辨率分辨率 分辩率应适应机床精度和伺服系统的要求。分辩率应适应机床精度和伺服系统的要求。 3.3.灵敏度灵敏度 灵敏度灵敏度高、高、一致。一致。 4.4.迟滞迟滞 对某一对某一输入量，传感器的正行程的输出量与反行程的输入量，传感器的正行程的输出量与反行程的 输出量的不一输出量的不一致，称为迟滞。迟滞小。

6、致，称为迟滞。迟滞小。 5.5.测量范围和量程测量范围和量程 6.6.零漂与温漂零漂与温漂 其它：其它： 可靠，抗干扰性强、使用维护方便、成本低等。可靠，抗干扰性强、使用维护方便、成本低等。 5.1.2 5.1.2 数控测量装置的性能指标及要求数控测量装置的性能指标及要求2021-12-315.2 5.2 旋转变压器旋转变压器 54318762 图图5 51 1 旋转变压器结构示意旋转变压器结构示意1-1-转轴转轴 2-2-轴承轴承 3-3-机壳机壳 4-4-转子铁心转子铁心 5-5-定子铁心定子铁心 6-6-端盖端盖 7-7-电刷电刷 8-8-集电环集电环 2021-12-31旋转变压器（旋

7、转变压器（ResolverResolver）简称旋变，又称作解算器或分解器。）简称旋变，又称作解算器或分解器。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（或称多极元件）单对极元件、多对极元件（或称多极元件）工作原理：电磁感应工作原理：电磁感应 5.2.1 5.2.1 旋转变压器的结构和工作原理旋转变压器的结构和工作原理 定子定子转子转子S S1R1S S2S S3S S4R2R3R42021-12-31 E E2 2= KV= KV 1 1 cos cos = KV = KV m sintcosm sintcos =90=90 E E 2 =

8、02 = 0 =0=0 E E 2 = 2 = KVKV m SINm SINt t式中式中: : E E 2 2转子转子绕组绕组感应电势；感应电势； V V1 1定子定子绕组励绕组励磁电压磁电压 V V1 1=V=Vm msinsintt； V Vm m电压信号幅值；电压信号幅值； 定、转子定、转子绕组轴线间夹角；绕组轴线间夹角； K K变压比变压比 （即绕组匝数比）（即绕组匝数比） 5.2.1 5.2.1 旋转变压器的结构和工作原理旋转变压器的结构和工作原理 V1=VmsintV1V1E E 2 2= =0 0（= 90 90） E E 2 2=KV=KVm mSINSINttcoscos

9、 E E 2 2= = KVKVm msinsintt（= = 0 ） 2021-12-311.1.鉴相方式鉴相方式 V Vs s=Vmsin=VmsinttV Vc c=Vmcos=Vmcostt E E2 2= KV= KV m m cos cos- KV- KV c csinsin = KV = KV m m ( (sinsintcostcos- - coscostsintsin) ) = = KVKV m m sinsin( (t-t-) ) 5.2 2 5.2 2 旋转变压器的应用旋转变压器的应用 VSVSVsVcE2 图图5.35.3 定子两相绕组励磁定子两相绕组励磁 转子输出信号

10、的相位角转子输出信号的相位角(t-)与转子与转子的偏转角之间有着严格的对应关系。的偏转角之间有着严格的对应关系。2021-12-312.2.鉴幅方式鉴幅方式 V Vs s=Vmsin=Vmsin电电sinsinttV Vc c=Vmcos=Vmcos电电s sinintt E E2 2 = KV= KV m m cos cos机机- KV- KV c csinsin机机 = KV= KV m m sinsintt( (sinsin电电coscos机机- - coscos电电sinsin机机 = = KVKV m m sinsin( (电电-机机) ) sinsintt 5.2 2 5.2 2

11、旋转变压器的应用旋转变压器的应用 VSVSVsVcE2 图图5.35.3 定子两相绕组励磁定子两相绕组励磁 感应电势（感应电势（E2）是以）是以为角频率、为角频率、以以V Vm m sin(sin(电电 - -机机 ) )为幅值的交变电为幅值的交变电压信号。若电气角压信号。若电气角电电已知，只要测出已知，只要测出E2 幅值幅值( (利用利用E E2 2 = =0)0)，便可间接的求出，便可间接的求出机械角机械角机机 ，从而得出被测角位移。，从而得出被测角位移。 2021-12-31 5.2 2 5.2 2 旋转变压器的应用旋转变压器的应用 VSVS2021-12-31 一、结构与工作原理 感应

12、同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置，属模拟式测感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置，属模拟式测量，二者工作原理相同，其输出电压随被测直线位移或角位移而量，二者工作原理相同，其输出电压随被测直线位移或角位移而改变。改变。 感应同步器按其结构特点一般分为直线式和旋转式两种：感应同步器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，用于直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量直线位移测量。 旋转式感应同步器由转子和定子组成，用于旋转式感应同步器由转子和定子组成，用于角位移测量角位移测量。 以直线式感应同步器为例，介绍其结构和工作原理。以直线式感应同步器为例

13、，介绍其结构和工作原理。2021-12-31 直线感应同步器相当于一个展开的多极旋转变压器，其结构直线感应同步器相当于一个展开的多极旋转变压器，其结构如图如图4-3所示，定尺和滑尺的基板采用与机床热膨胀系数相近的所示，定尺和滑尺的基板采用与机床热膨胀系数相近的钢板制成，钢板上用绝缘粘结剂贴有铜箔，并利用腐蚀的办法做钢板制成，钢板上用绝缘粘结剂贴有铜箔，并利用腐蚀的办法做成图示的印刷绕组。长尺叫定尺，安装在机床床身上，短尺为滑成图示的印刷绕组。长尺叫定尺，安装在机床床身上，短尺为滑尺，安装于移动部件上，两者平行放置，保持尺，安装于移动部件上，两者平行放置，保持0.250.05mm间间隙。隙。 感

14、应同步器两个单元绕组之间的距离为节距，滑尺和定尺的感应同步器两个单元绕组之间的距离为节距，滑尺和定尺的节距均为，这是衡量感应同步器精度的主要参数。标准感应同步节距均为，这是衡量感应同步器精度的主要参数。标准感应同步器定尺长器定尺长250mm，滑尺长，滑尺长100mm，节距为，节距为2mm。定尺上是单。定尺上是单向、均匀、连续的感应绕组，滑尺有两组绕组，一组为正弦绕组，向、均匀、连续的感应绕组，滑尺有两组绕组，一组为正弦绕组，另一为余弦绕组。当正弦绕组与定尺绕组对齐时，余弦绕组与定另一为余弦绕组。当正弦绕组与定尺绕组对齐时，余弦绕组与定尺绕组相差尺绕组相差1/4节距。节距。 2021-12-31

15、V2VsVc定尺滑尺余弦绕组正弦绕组直线感应同步器结构2021-12-31 当滑尺任意一绕组加交流激磁电压时，由于电磁感应当滑尺任意一绕组加交流激磁电压时，由于电磁感应作用，在定尺绕组中必然产生感应电压，该感应电压取作用，在定尺绕组中必然产生感应电压，该感应电压取决于滑尺和定尺的相对位置。当只给滑尺上正弦绕组加决于滑尺和定尺的相对位置。当只给滑尺上正弦绕组加励磁电压时，定尺感应电压与定、滑尺的相对位置关系励磁电压时，定尺感应电压与定、滑尺的相对位置关系如图如图5-45-4所示。如果滑尺处于所示。如果滑尺处于A A位置，即滑尺绕组与定尺位置，即滑尺绕组与定尺绕组完全对应重合，定尺绕组线圈中穿入的

16、磁通最多，绕组完全对应重合，定尺绕组线圈中穿入的磁通最多，则定尺上的感应电压最大。随着滑尺相对定尺做平行移则定尺上的感应电压最大。随着滑尺相对定尺做平行移动，穿入定尺的磁通逐渐减少，感应电压逐渐减小。当动，穿入定尺的磁通逐渐减少，感应电压逐渐减小。当滑尺移到图中滑尺移到图中B B点位置，与定尺绕组刚好错开点位置，与定尺绕组刚好错开1/41/4节距时，节距时，感应电压为零。再移动至感应电压为零。再移动至1/21/2节距处，即图中节距处，即图中C C点位置时，点位置时，定尺线圈中穿出的磁通最多，感应电压最大，但极性相定尺线圈中穿出的磁通最多，感应电压最大，但极性相反。再移至反。再移至3/43/4节

17、距，即图中节距，即图中D D点位置时，感应电压又变点位置时，感应电压又变为零，当移动一个节距位置如图中为零，当移动一个节距位置如图中E E点，又恢复到初始状点，又恢复到初始状态，与态，与A A点相同。显然，在定尺移动一个节距的过程中，点相同。显然，在定尺移动一个节距的过程中，感应电压近似于余弦函数变化了一个周期，如图中感应电压近似于余弦函数变化了一个周期，如图中ABCDEABCDE。 2021-12-31感应电压幅值与定尺滑尺相对位置关系 定 尺 滑 A 尺 B241 位 C221 置 D243 E 2 E A V2 M N 正弦绕组 余弦绕组 B D C O P 2021-12-31 若设定

18、尺绕组节距为，它对应的感应电压以余弦函数变化若设定尺绕组节距为，它对应的感应电压以余弦函数变化了，当滑尺移动距离为时，则对应感应电压以余弦函数变化相位了，当滑尺移动距离为时，则对应感应电压以余弦函数变化相位角。由比例关系角。由比例关系可得可得 (4-5) 设表示滑尺上一相绕组的激磁电压设表示滑尺上一相绕组的激磁电压 则定尺绕组感应电压为则定尺绕组感应电压为 式中式中 K耦合系数；耦合系数； 激磁电压的幅值；激磁电压的幅值； 激磁电压的角频率；激磁电压的角频率； 与位移对应的角度。与位移对应的角度。22xxx22tVVmssintKVKVVmssincoscos2mV2021-12-31 感应电

19、压的幅值变化规律就是一个周期性的余弦感应电压的幅值变化规律就是一个周期性的余弦曲线。在一个周期内，感应电压的某一幅值对应两个曲线。在一个周期内，感应电压的某一幅值对应两个位移点，如图位移点，如图5-45-4中中M M、N N两点。为确定唯一位移，在滑两点。为确定唯一位移，在滑尺上与正弦绕组错开尺上与正弦绕组错开1/41/4节距处，配置了余弦绕组。同节距处，配置了余弦绕组。同样，若在滑尺的余弦绕组中通以交流励磁电压，也能样，若在滑尺的余弦绕组中通以交流励磁电压，也能得出定尺绕组感应电压与两尺相对位移的关系曲线，得出定尺绕组感应电压与两尺相对位移的关系曲线，它们之间为正弦函数关系。若滑尺上的正、余

20、弦绕组它们之间为正弦函数关系。若滑尺上的正、余弦绕组同时励磁，就可以分辨出感应电压值所对应的唯一确同时励磁，就可以分辨出感应电压值所对应的唯一确定的位移。定的位移。 2021-12-31二、应用 感应同步器作为位置测量装置安装在数控机床上，它也有两感应同步器作为位置测量装置安装在数控机床上，它也有两种工作方式，鉴相式和鉴幅式。种工作方式，鉴相式和鉴幅式。 1. 鉴相型系统鉴相型系统 供给滑尺的正、余弦绕组的激磁信号是频率、幅值相同，相供给滑尺的正、余弦绕组的激磁信号是频率、幅值相同，相位相差位相差900的交流励磁电压的交流励磁电压 根据叠加原理，定尺上的总感应电压为根据叠加原理，定尺上的总感应

21、电压为 (4-6) 通过鉴别定尺感应输出电压的相位，即可测量定尺和滑尺之间通过鉴别定尺感应输出电压的相位，即可测量定尺和滑尺之间的相对位移。的相对位移。tVVtVVmcmscossin)sin(2coscoscossin2tKVtKVtKVVmmm2021-12-31放大滤波基准信号发生器脉冲调相器鉴相器放大器激磁供电线路伺服电机速度控制单元机床定尺滑尺VsVcXX感应同步器鉴相测量系统框图2021-12-31 2. 鉴幅式系统鉴幅式系统 供给滑尺上正、余弦绕组的励磁电压的频率相同、供给滑尺上正、余弦绕组的励磁电压的频率相同、相位相同但幅值不同。相位相同但幅值不同。 式中式中给定的电气角。给定

22、的电气角。 则在定尺绕组产生的总感应电压为则在定尺绕组产生的总感应电压为 (4-7) 式中式中 与位移对应的角度。与位移对应的角度。 tVVtVVmcmssincossinsinsinsincoscossinsin2tKVtKVVmmtKVmsinsin2021-12-31 鉴幅式伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来鉴幅式伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此作为位置反馈信号与指反映机械位移的数值，并以此作为位置反馈信号与指令信号进行比较构成闭环伺服系统。由式令信号进行比较构成闭环伺服系统。由式4-7可知，可知，若电气角若电气角 已知，只要测出已知，只要测出V2的幅值，

23、便能求出与位的幅值，便能求出与位移对应的角度移对应的角度 。实际测量时，不断调整。实际测量时，不断调整 ，让幅值，让幅值为零。设初始位置时，为零。设初始位置时， = ，V20，当滑尺相对，当滑尺相对定尺移动后，随着定尺移动后，随着不断增加，不断增加， ， V2 0 。若。若逐渐改变逐渐改变值，直至值，直至 = ，V20，此时，此时的变化量的变化量就代表了就代表了对应的位移量，就可测得机械位移。对应的位移量，就可测得机械位移。 2021-12-31 进给指令进给指令 鉴幅式伺服系统原理框图鉴幅式伺服系统原理框图比较器数模转换放大环节速度单元工作台测量及信号处理电路伺服电机2021-12-31 按

24、原理框图叙述鉴幅式系统的工作原理：进入比较器的信号按原理框图叙述鉴幅式系统的工作原理：进入比较器的信号有两路，一路来自进给脉冲，它代表了数控装置要求机床工作台有两路，一路来自进给脉冲，它代表了数控装置要求机床工作台移动的位移量。另一路来自测量及信号处理电路，以数字脉冲形移动的位移量。另一路来自测量及信号处理电路，以数字脉冲形式出现，体现了工作台实际移动的距离。鉴幅式系统工作之前，式出现，体现了工作台实际移动的距离。鉴幅式系统工作之前，数控装置和测量元件的信号处理电路都没有脉冲输出，比较器的数控装置和测量元件的信号处理电路都没有脉冲输出，比较器的输出为零，工作台不移动。出现进给脉冲信号后，比较器

25、的输出输出为零，工作台不移动。出现进给脉冲信号后，比较器的输出不为零，经数模转换电路将比较器输出的数字量转化为电压信号，不为零，经数模转换电路将比较器输出的数字量转化为电压信号，经放大后，由伺服电机带动工作台移动。同时，工作在鉴幅状态经放大后，由伺服电机带动工作台移动。同时，工作在鉴幅状态的感应同步器的定尺感应出电压信号，经信号处理线路转换成相的感应同步器的定尺感应出电压信号，经信号处理线路转换成相应的数字脉冲信号，该数字脉冲信号作为反馈信号进入比较器与应的数字脉冲信号，该数字脉冲信号作为反馈信号进入比较器与进给脉冲进行比较。若两者相等，比较器输出为零，工作台不动；进给脉冲进行比较。若两者相等

26、，比较器输出为零，工作台不动；若两者不相等，说明工作台实际移动的距离还不等于指令信号要若两者不相等，说明工作台实际移动的距离还不等于指令信号要求移动的距离，伺服电机继续带动工作台移动，直到比较器输出求移动的距离，伺服电机继续带动工作台移动，直到比较器输出为零时停止。为零时停止。 2021-12-31 脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械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，是数控机床上使用很广泛的位置检测转角变成电脉冲，是数控机床上使用很广泛的位置检测装置。脉冲编码器可分为增量式与绝对式两类。装置。脉冲编码器可分为增量式与绝对式两类。 一、绝对式编码器 绝对式编码器是

27、一种旋转式检测装置，可直接把被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，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。绝电源切除后，位置信息不丢失，仍能读出转动角度。绝对式编码器有光电式、接触式和电磁式三种，以接触式对式编码器有光电式、接触式和电磁式三种，以接触式四位绝对编码器为例来说明其工作原理。四位绝对编码器为例来说明其工作原理。 2021-12-31 a) b)四位二进制编码盘四位二进制编码盘20

28、21-12-31 如图所示为二进制码盘。它在一个不导电基体上作成许多金如图所示为二进制码盘。它在一个不导电基体上作成许多金属区使其导电，其中有剖面线部分为导电区，用属区使其导电，其中有剖面线部分为导电区，用“1”表示；其它表示；其它部分为绝缘区，用部分为绝缘区，用“0”表示。每一径向，由若干同心圆组成的图表示。每一径向，由若干同心圆组成的图案代表了某一绝对计数值，通常，我们把组成编码的各圈称为码案代表了某一绝对计数值，通常，我们把组成编码的各圈称为码道，码盘最里圈是公用的，它和各码道所有导电部分连在一起，道，码盘最里圈是公用的，它和各码道所有导电部分连在一起，经电刷和电阻接电源负极。在接触式码

29、盘的每个码道上都装有电经电刷和电阻接电源负极。在接触式码盘的每个码道上都装有电刷，电刷经电阻接到电源正极当检测对象带动码盘一起转动时，刷，电刷经电阻接到电源正极当检测对象带动码盘一起转动时，电刷和码盘的相对位置发生变化，与电刷串联的电阻将会出现有电刷和码盘的相对位置发生变化，与电刷串联的电阻将会出现有电流通过或没有电流通过两种情况。若回路中的电阻上有电流通电流通过或没有电流通过两种情况。若回路中的电阻上有电流通过，为过，为“1”；反之，电刷接触的是绝缘区，电阻上无电流通过，；反之，电刷接触的是绝缘区，电阻上无电流通过，为为“0”。如果码盘顺时针转动，就可依次得到按规定编码的数字。如果码盘顺时针

30、转动，就可依次得到按规定编码的数字信号输出，图示为信号输出，图示为4位二进制码盘，根据电刷位置得到由位二进制码盘，根据电刷位置得到由“1”和和“0”组成的二进制码，输出为组成的二进制码，输出为0000、0001、00101111。 2021-12-31 由图可以看出，码道的圈数就是二进制的位数，且高位在内，由图可以看出，码道的圈数就是二进制的位数，且高位在内，低位在外。其分辨角低位在外。其分辨角360o/24=22.5o，若是，若是n位二进制码盘，位二进制码盘，就就有有n圈码道，分辨角圈码道，分辨角360o/2n，码盘位数越大，所能分辨的，码盘位数越大，所能分辨的角度越小，测量精度越高。若要提

31、高分辨力，就必须增多码道，角度越小，测量精度越高。若要提高分辨力，就必须增多码道，即二进制位数增多。目前接触式码盘一般可以做到即二进制位数增多。目前接触式码盘一般可以做到9位二进制，位二进制，光电式码盘可以做到光电式码盘可以做到18位二进制。位二进制。 用二进制代码做的码盘，如果电刷安装不准，会使得个别电用二进制代码做的码盘，如果电刷安装不准，会使得个别电刷错位，而出现很大的数值误差。如图刷错位，而出现很大的数值误差。如图5-12，当电刷由位置，当电刷由位置0111向向1000过渡时，可能会出现从过渡时，可能会出现从8（1000）到）到15（1111）之间的读数误差，一般称这种误差为非单值性误

32、差。为消除这种之间的读数误差，一般称这种误差为非单值性误差。为消除这种误差，可采用葛莱码盘。误差，可采用葛莱码盘。 2021-12-31 1000 1111 23 22 21 20 1000 1 3 2 6 7 4 12 13 14 15 10 11 9 0000 5 0 0001 0011 0010 0110 0111 0101 1001 1011 1010 1110 1111 1101 0100 1100 8 葛莱码盘 四位二进制码盘非单值性误差 2021-12-31 图为葛莱码盘，其各码道的数码不同时改变，任图为葛莱码盘，其各码道的数码不同时改变，任何两个相邻数码间只有一位是变化的，每次

33、只切换一何两个相邻数码间只有一位是变化的，每次只切换一位数，把误差控制在最小范围内。二进制码转换成葛位数，把误差控制在最小范围内。二进制码转换成葛莱码的法则是：将二进制码右移一位并舍去末位的数莱码的法则是：将二进制码右移一位并舍去末位的数码，再与二进制数码作不进位加法，结果即为葛莱码。码，再与二进制数码作不进位加法，结果即为葛莱码。 例如，二进制码例如，二进制码11011101对应的葛莱码为对应的葛莱码为10111011，其演，其演算过程如下：算过程如下： 1101 1101 （二进制码）（二进制码） 11011101（不进位相加，舍去末位）（不进位相加，舍去末位） 1011 1011 （葛莱

34、码）（葛莱码）2021-12-31 二、增量式脉冲编码器 增量式脉冲编码器分光电式、接触式和电磁感增量式脉冲编码器分光电式、接触式和电磁感应式三种。就精度和可靠性来讲，光电式脉冲编码器应式三种。就精度和可靠性来讲，光电式脉冲编码器优于其它两种，它的型号是用脉冲数优于其它两种，它的型号是用脉冲数/转（转（p/r）来区）来区分，数控机床常用分，数控机床常用2000、2500、3000p/r等，现在等，现在已有每转发已有每转发10万个脉冲的脉冲编码器。脉冲编码器除万个脉冲的脉冲编码器。脉冲编码器除用于角度检测外，还可以用于速度检测。用于角度检测外，还可以用于速度检测。 光电式脉冲编码器通常与电机做在

35、一起，或者安光电式脉冲编码器通常与电机做在一起，或者安装在电机非轴伸端，电动机可直接与滚珠丝杠相连，装在电机非轴伸端，电动机可直接与滚珠丝杠相连，或通过减速比为或通过减速比为i的减速齿轮，然后与滚珠丝杠相连，的减速齿轮，然后与滚珠丝杠相连，那么每个脉冲对应机床工作台移动的距离可用下式计那么每个脉冲对应机床工作台移动的距离可用下式计算算：2021-12-31iMS式中 脉冲当量（mm/脉冲）；S滚珠丝杠的导程（mm）；i减速齿轮的减速比；M脉冲编码器每转的脉冲数（p/r）。2021-12-31 光电式脉冲编码器结构示意图光电式脉冲编码器结构示意图 数字显示 信号处理电路 光电盘 圆盘 光电元件

36、聚光镜 光源 2021-12-31 光电式脉冲编码器，它由光源、聚光镜、光电盘、圆盘、光光电式脉冲编码器，它由光源、聚光镜、光电盘、圆盘、光电元件和信号处理电路等组成（图电元件和信号处理电路等组成（图5-14）。光电盘是用玻璃材料）。光电盘是用玻璃材料研磨抛光制成，玻璃表面在真空中镀上一层不透光的铬，然后用研磨抛光制成，玻璃表面在真空中镀上一层不透光的铬，然后用照相腐蚀法在上面制成向心透光窄缝。透光窄缝在圆周上等分，照相腐蚀法在上面制成向心透光窄缝。透光窄缝在圆周上等分，其数量从几百条到几千条不等。圆盘也用玻璃材料研磨抛光制成，其数量从几百条到几千条不等。圆盘也用玻璃材料研磨抛光制成，其透光窄

37、缝为两条，每一条后面安装有一只光电元件。光电盘与其透光窄缝为两条，每一条后面安装有一只光电元件。光电盘与工作轴连在一起工作轴连在一起 ，光电盘转动时，每转过一个缝隙就发生一次光，光电盘转动时，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化，光电元件把通过光电盘和圆盘射来的忽明忽暗的线的明暗变化，光电元件把通过光电盘和圆盘射来的忽明忽暗的光信号转换为近似正弦波的电信号，经过整形、放大、和微分处光信号转换为近似正弦波的电信号，经过整形、放大、和微分处理后，输出脉冲信号。通过记录脉冲的数目，就可以测出转角。理后，输出脉冲信号。通过记录脉冲的数目，就可以测出转角。测出脉冲的变化率，即单位时间脉冲的数目，就可以

38、求出速度。测出脉冲的变化率，即单位时间脉冲的数目，就可以求出速度。 2021-12-31 为了判断旋转方向，圆盘的两个窄缝距离彼此错为了判断旋转方向，圆盘的两个窄缝距离彼此错开开1/4节距，使两个光电元件输出信号相位差节距，使两个光电元件输出信号相位差900。如。如图所示，图所示，A、B信号为具有信号为具有900相位差的正弦波，经放相位差的正弦波，经放大和整形变为方波大和整形变为方波A1、B1。 设设A相比相比B相超前时为正方向旋转，则相超前时为正方向旋转，则B相超前相超前A相就是负方向旋转，利用相就是负方向旋转，利用A相与相与B相的相位关系可以判相的相位关系可以判别旋转方向。此外，在光电盘的

39、里圈不透光圆环上还别旋转方向。此外，在光电盘的里圈不透光圆环上还刻有一条透光条纹，用以产生每转一个的零位脉冲信刻有一条透光条纹，用以产生每转一个的零位脉冲信号，它是轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲。号，它是轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲。 2021-12-31 电流 A B 节距 t A1 B1 900 脉冲编码器输出波形 2021-12-31 在数控机床上，光电脉冲编码器作为位置检测装置，用在数在数控机床上，光电脉冲编码器作为位置检测装置，用在数字比较伺服系统中，将位置检测信号反馈给字比较伺服系统中，将位置检测信号反馈给CNC装置。装置。 图示为辨向环节框图和波形图。脉冲编码器输出的交

40、变信图示为辨向环节框图和波形图。脉冲编码器输出的交变信号号 经过差分驱动和差分接收进入经过差分驱动和差分接收进入CNC装置，再经过整装置，再经过整形放大电路变成二个方波系列形放大电路变成二个方波系列 。将。将 和它的反向信号和它的反向信号 微分（上升沿微分）后得到微分（上升沿微分）后得到 和和 脉冲系列，作为加、减计数脉冲系列，作为加、减计数脉冲。脉冲。 路方波信号被用作加、减计数脉冲的控制信号，正走时路方波信号被用作加、减计数脉冲的控制信号，正走时（A超前超前B），由），由Y2门输出加计数脉冲，此时门输出加计数脉冲，此时Y1门输出为低电平；门输出为低电平；反走时（反走时（B超前超前A），由）

41、，由Y1门输出减计数脉冲，此时门输出减计数脉冲，此时Y2门输出为门输出为低电平。这种读数方式每次反映的都是相对于上一次读数的增量，低电平。这种读数方式每次反映的都是相对于上一次读数的增量，而不能反映转轴在空间的绝对位置，所以是增量读数法。而不能反映转轴在空间的绝对位置，所以是增量读数法。 BBAA、11BA、1A1A1A1A1B2021-12-31 光电脉冲编码器用于数字脉冲比较伺服系统的工作原理如光电脉冲编码器用于数字脉冲比较伺服系统的工作原理如下：光电脉冲编码器与伺服电机的转轴连接，随着电机的转动产下：光电脉冲编码器与伺服电机的转轴连接，随着电机的转动产生脉冲序列，其脉冲的频率将随着转速的

42、快慢而升降。若工作台生脉冲序列，其脉冲的频率将随着转速的快慢而升降。若工作台静止，指令脉冲和反馈脉冲都为零，两路脉冲送入数字脉冲比较静止，指令脉冲和反馈脉冲都为零，两路脉冲送入数字脉冲比较器中进行比较，结果输出也为零。因伺服电机的速度给定为零，器中进行比较，结果输出也为零。因伺服电机的速度给定为零，工作台依然不动。随着指令脉冲的输出，指令脉冲不为零，在工工作台依然不动。随着指令脉冲的输出，指令脉冲不为零，在工作台尚未移动之前，反馈脉冲仍为零，比较器输出指令信号与反作台尚未移动之前，反馈脉冲仍为零，比较器输出指令信号与反馈信号的差值，经放大后，驱动电机带动工作台移动。电机运转馈信号的差值，经放大

43、后，驱动电机带动工作台移动。电机运转后，光电脉冲编码器将输出反馈脉冲送入比较器，与指令脉冲进后，光电脉冲编码器将输出反馈脉冲送入比较器，与指令脉冲进行比较，如果偏差不为零，工作台继续移动，不断反馈，直到偏行比较，如果偏差不为零，工作台继续移动，不断反馈，直到偏差为零，即反馈脉冲数等于指令脉冲数时，工作台停在指令规定差为零，即反馈脉冲数等于指令脉冲数时，工作台停在指令规定的位置上。的位置上。2021-12-31 减计数减计数 加计数加计数 辨向环节框图和波形图辨向环节框图和波形图差分整 形放大Y1微分差分整 形放大Y21微分AA1A1A1A1BBB1A2021-12-31 辨向环节框图和波形图辨

44、向环节框图和波形图1A1B1A1A1A1B1A1B1A2Y1Y2021-12-31 数字比较伺服系统数字比较伺服系统 放 大 环 节 指 令 信 号 比 较 器 伺 服 电 机 反 馈 信 号 工 作 台 2021-12-315.4 5.4 直线光栅直线光栅 光栅的分类：物理光栅和计量光栅光栅的分类：物理光栅和计量光栅光栅的运动方式：长光栅和圆光栅光栅的运动方式：长光栅和圆光栅光线的走向：透射光栅和反射光栅光线的走向：透射光栅和反射光栅2021-12-311.1.长光栅检测装置的结构长光栅检测装置的结构 主要结构为标尺光栅和指示光栅主要结构为标尺光栅和指示光栅栅距和栅距角（两个光栅错开的角度）栅距和栅距角（两个光栅错开的角度） 5.4.1 5.4.1 长光栅检测装置的结构长光栅检测装置的结构 图图5.9 5.9 光栅的结构光栅的结构 1-1-防护垫防护垫 2-2-光栅读数头光栅读数头 3-3-标尺光栅标尺光栅 4-4-防护罩防护罩 VS312431245标尺光栅标尺光栅 图图5.10 5.10 光栅读数头光栅读数头 1-1-光源光源 2-2-准直镜准直镜 3-指示光栅指示光栅 4-4-光敏元件光敏元件 5-驱动线路驱动线路 2021-12-312.2.工作原理工作原理（以透射投影为例）（以透射投影为例） 摩尔条