数控技术第5章

第五章位置检测装置2023/2/1南京理工大学

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黄新燕概述常用的检测装置有旋转变压器、感应同步器、编码器、光栅、磁栅等。位置检测装置的作用:是检测位移（线位移或角位移）和速度，发送反馈信号至数控装置，构成伺服系统的闭环或半闭环控制，使工作台按指令的路径精确地移动。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，目前一般长度位置检测精度均已达到±0.002～0.02㎜／m以内，回转角测量精度达到±10″／360°；系统分辨率是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1μm，高精度系统分辨率可达0.1μm，回转分辨率为2″2023/2/1南京理工大学

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黄新燕数控机床对检测装置的主要要求数控机床对检测装置的主要要求有：1）受温度、湿度的影响小，工作可靠，抗干扰能力强；2）在机床移动的范围内满足精度和速度要求；3）使用维护方便，适合机床运行环境，便于与数控系统相联；4）成本低；5）易于实现高速的动态测量。2023/2/1南京理工大学

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黄新燕位置检测装置的测量方式若按被测量的几何量分，有回转型（测角位移）和直线型（测线位移）；若按检测信号的类型分，有数字式和模拟式；若按检测量的基准分，有增量式和绝对式。2023/2/1南京理工大学

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黄新燕1.直接测量和间接测量1）直接测量

所测值为最终值不再需要推算。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。但检测装置要与行程等长，这对大型数控机床来说，是一个很大的限制。2）间接测量所测值为中间值，由它再推算出最终值，称为间接测量。间接测量使用可靠方便，无长度限制，缺点是在检测信号中加入了旋转转变为直线运动的传动链误差，从而影响检测精度。因此为了提高定位精度，常常需要对机床的传动误差进行补偿。2023/2/1南京理工大学

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黄新燕2.数字式与模拟式1）数字式测量方式数字式测量是将被测量用测量单位量化以后以数字形式表示，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。数字式检测装置的特点是：被测量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；检测装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力强。2023/2/1南京理工大学

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黄新燕2.数字式与模拟式2）模拟式测量方式模拟式测量是将被测量用连续的模拟量来表示，如用相位变化、电压、电流变化来表示。主要用于小量程测量。它的主要特点是：直接对被测量进行检测，无需量化；在小量程内可以实现高精度测量；可用于直接测量和间接测量。2023/2/1南京理工大学

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黄新燕3.增量式与绝对式1）增量式检测方式增量式测量单纯测量位移增量，移动一个测量单位就发出一个测量信号。其优点是检测装置比较简单，任何一个对中点均可作为测量起点；缺点是对测量信号计数后才能读出移距，一旦计数有误，此后的测量结果将全错；同时发生故障时（如断电、断刀等）不能再找到事故前的正确位置，事故排除后，这时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。2）绝对式测量方式绝对式测量方式中，被测量的任一点的位置都以一个固定的零点作基准，每一被测点都有一个相应的测量值。

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黄新燕数字式模拟式增量式绝对式增量式绝对式回转型增量式脉冲编码器圆光栅绝对式脉冲编码器旋转变压器圆感应同步器多极旋转变压器直线型计量光栅、激光干涉仪多通道透射光栅编码尺直线感应同步器绝对值式磁尺位置检测装置的分类2023/2/1南京理工大学

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黄新燕5.1感应同步器(1)感应同步器的分类感应同步器根据用途和结构特点可分成直线式和旋转式（圆盘式）两大类。直线式由定尺和滑尺组成，用以测量直线位移，用于全闭环伺服系统。旋转式由定子和转子组成，用以测量旋转角度，用于半闭环伺服系统。利用两个平面形印刷电路绕组的互感随位置改变而变化的原理(电磁感应原理)进行测量2023/2/1南京理工大学

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黄新燕(a)定尺绕组(b)W型滑尺绕组(c)U型滑尺绕组2023/2/1南京理工大学

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黄新燕定尺和滑尺的基体通常采用厚度为10mm、与机床床身材料的热膨胀系数相近的的钢板或铸铁制成，以减小与机床的温度误差。平面绕组为铜箔，通常采用厚度为0.05mm或0.07mm的纯铜箔，用绝缘粘结剂将铜箔热压粘结在基体上，经精密的照相腐蚀工艺制成所需印刷绕组形式。在定尺绕组表面上涂上一层耐切削液的清漆涂层作为保护层，以防止切削液的飞溅影响。在滑尺绕组表面上贴一层带塑料薄膜的绝缘铝箔，以防止在感应绕组中因静电感应产生的附加的容性电势。2023/2/1南京理工大学

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黄新燕直线式感应同步器通常有标准式、窄式、带式和3重（速）式等多种.其中标准式直线感应同步器是直线式感应同步器中精度最高、使用也最广的一种；窄式直线感应同步器的定尺、滑尺的宽度比标准式小，它的电磁感应强度减低，比标准式的精度低，适用于精度较低或机床上安装位置窄小且安装面难于加工的情况带式直线感应同步器由于定尺最长可至3m以上，不需接长，可简化安装，可使定尺随机床床身热变形而变形，但由于定尺较长，刚性稍差，其总测量精度要比标准式的低；3重式直线感应同步器的定尺有粗、中、细绕组，为绝对式测量系统，特别适用于大型机床。2023/2/1南京理工大学

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黄新燕(2)感应同步器的安装感应同步器的定尺安装在机床的不动部件上；滑尺安装在机床的移动部件上。为防止切屑和油污浸入，一般在感应同步器上安装防护罩。感应同步器在安装时必须保持定尺和滑尺平行、两平面间的间隙约为0.25±0.05mm。这样，才能保证定尺和滑尺在全部工作长度上正常耦合，减少测量误差。直线感应同步器的标准定尺长度一般为250mm，当需要增加测量范围时，可将定尺接长。2023/2/1南京理工大学

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黄新燕（3）感应同步器的工作原理直线式感应同步器绕组原理图2023/2/1南京理工大学

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黄新燕因余弦绕组与正弦绕组错开1/4个节距，即π/2的相位角，由余弦绕组激磁在定尺上产生的感应电压应按正弦规律变化。定尺上的总感应电压，是上述两个感应电压的线性叠加。2023/2/1南京理工大学

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黄新燕根据不同的激磁供电方式，感应同步器有两种不同的工作方式：鉴相工作方式和鉴幅工作方式。1.鉴相工作方式（相位工作方式）2.鉴幅工作方式（幅值工作方式）感应电压线性叠加得总感应电压为：

U=kUscosθ-kUcsinθ=kVm

sin(ωt-θ)感应电压为:U=kUscos

θ+kUcsinθ=kVmsinωt(sinφcosθ-cosφsinθ)=kVmsin(φ-θ)sinωt2023/2/1南京理工大学

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黄新燕(4)感应同步器的优点精度高:直线感应同步器直接对机床位移进行测量，不经过任何机械传动装置，测量精度主要取决于尺子的精度。测量长度不受限制；工作可靠、抗干扰性强；维护简单，寿命长；抗扰能力强、工艺性好、成本较低，便于复制和成批生产。输出信号比较微弱，需要放大倍数较高的前置放大器。2023/2/1南京理工大学

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黄新燕相位比较伺服系统原理框图2023/2/1南京理工大学

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黄新燕5.2光栅光栅按用途分有两大类，一类是物理光栅（亦称衍射光栅），另一类是计量光栅。物理光栅的刻线细密，线纹密度一般为200～500条/㎜，线纹相互平行且距离相等，称此距离为栅距。物理光栅的栅距一般为0.002～0.005㎜，主要是利用光的衍射原理，常用于光谱分析和光波波长的测定。而计量光栅的刻线稍粗，线纹密度一般为25条/㎜、50条/㎜、100条/㎜、250条/㎜等，即：栅距为0.004～0.25㎜，主要是利用光的透射和反射现象，用于数控机床检测系统。因此，这里所讨论的光栅是指计量光栅。

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黄新燕5.2.1光栅的构造计量光栅按形状可以分为长光栅（又称直线光栅）和圆光栅。长光栅用于检测直线位移，圆光栅用于测量转角位移。按制作原理又可以分成玻璃透射光栅和金属反射光栅。2023/2/1南京理工大学

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黄新燕长光栅——玻璃透射光栅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、腐蚀、涂黑工艺制成的。玻璃透射光栅的特点是：1）光源可以采用垂直入射，光电元件可直接接受光信号，因此信号幅度大，读数头结构比较简单；2）每毫米上的线纹数多，一般为每毫米100、125、250条，再经过电路细分，可做到微米级的分辨率。2023/2/1南京理工大学

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黄新燕长光栅——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、10、25、40、50条，因此，其分辨率比玻璃透射光栅低。金属反射光栅的特点是：1）标尺光栅的线膨胀系数很容易做到与机床材料一致2）标尺光栅的安装和调整比较方便3）安装面积较小4）易于接长或制成整根的钢带长光栅5）不易碰碎2023/2/1南京理工大学

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黄新燕圆光栅在玻璃圆盘的外环端面上，做成黑白相间条纹，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不相同。圆光栅一般有3种形式：（1）六十进制，如圆周内的线纹数为：10800，21600，32400，64800等；（2）十进制，如圆周内的线纹数为：1000，2500，5000等；（3）二进制，如圆周内的线纹数为：512，1024，2048等。2023/2/1南京理工大学

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黄新燕计量光栅的精度计量光栅的精度主要取决于光栅尺本身的制造精度，也就是计量光栅任意两点间的误差。由于激光技术的发展，光栅的制作精度得到很大提高，目前光栅精度可达到微米级，再通过细分电路可以达到0.1μm、甚至更高的分辨率，如：0.025μm。2023/2/1南京理工大学

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黄新燕计量光栅光栅长度（直径）（㎜）线纹数精度长光栅玻璃透射光栅500100/㎜5μm100010μm110010μm11003～5μm5002～3μm金属反射光栅122040/㎜13μm50025/㎜7μm高精度金属反射光栅100050/㎜7.5μm玻璃衍射光栅300250/㎜±1.5μm圆光栅玻璃圆光栅Φ27010800/周3″2023/2/1南京理工大学

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黄新燕5.2.2光栅的测量原理光栅的结构光栅由标尺光栅（又称长光栅）和光栅读数头两部分组成。标尺光栅和指示光栅构成了光栅副在安装光栅尺时，标尺光栅和指示光栅的平行度以及两者之间的间隙（一般取0.05㎜或0.1㎜）要严格保证2023/2/1南京理工大学

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黄新燕光栅的结构光栅读数头光栅读数头又称光电转换器，它由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成。光栅读数头的结构形式很多，按光路分，常见的有分光读数头、垂直入射读数头、反射读数头和镜像读数头，光路图如图所示，图中Q表示光源，L表示透镜，G表示光栅，P表示光敏元件。分光读数头垂直入射读数头2023/2/1南京理工大学

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黄新燕反射读数头2023/2/1南京理工大学

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黄新燕ω摩尔条纹标尺光栅指示光栅光栅节距摩尔条纹节距θW光栅倾角工作原理2023/2/1南京理工大学

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W、ω、θ之间的关系

BC=ABsin(θ/2)其中BC=ω/2，

AB=W，W=（ω/2）/sin(θ/2)由于θ很小，θ单位为rad时，Sin(θ/2)≈θ/2W≈ω/θ莫尔条纹放大原理2023/2/1南京理工大学

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黄新燕主光栅莫尔条纹的性质:1.当用平行光束照射光栅时,透过莫尔条纹的光强度分布近似于余弦函数;2.起放大作用;3.实现平均误差的作用;4.莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例莫尔条纹形成原理令k=W/ω=1/θ,则k为放大比。如ω=0.01mm，取θ=0.002rad=0.11o

则W=5mm,

K=500,

即放大500倍，这样光栅节距虽小，摩尔条纹的节距却有5mm，因此摩尔条纹清晰可见，易于测量。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。光栅横向移动一个节距ω，摩尔条纹正好沿刻线上下移动一个节距W，或者说在光栅刻线的某一位置，摩尔条纹明--暗--明变化一个周期，这为光元件的安装与信号检测提供了良好的条件。2023/2/1南京理工大学

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黄新燕（1）位移大小的检测（2）位移方向的检测（3）速度的检测5.2.3光栅信息处理2023/2/1南京理工大学

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黄新燕光强度信号转变为电压信号放大整形鉴向倍频2023/2/1南京理工大学

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黄新燕ENBENA2023/2/1南京理工大学

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黄新燕5.3编码器编码器又称码盘，是一种旋转式测量元件，通常装在被测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换成增量脉冲形式或绝对式的代码形式。编码器是一种按一定的编码形式，将一个圆盘分成若干等分，并利用电子、光电或电磁器件，把代表被测位移量大小的各等分上的编码转换成便于应用的其他二进制表达方式的测量装置。

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黄新燕编码器的分类根据使用的计数制不同，有二进制编码、二进制循环码（格雷码）、余三码和二一十进制码等编码器根据输出信号的形式的不同，可分为绝对值式编码器和脉冲增量式编码器根据内部结构和检测方式可分为接触式、光电式和电磁式三种根据在机床上安装形式的不同分为内装式编码器和外装式编码器，内装式编码器和伺服电动机同轴联接在一起，伺服电动机再和滚珠丝杠连接，编码器在进给传动链的前端；二是外装式编码器连接在滚珠丝杠末端。外装式包含的传动链误差比内装式多，位置控制精度较高；但内装式安装方便。2023/2/1南京理工大学

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黄新燕5.3.1接触式编码盘接触式码盘是一种绝对值式的检测装置，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表示该位置的唯一对应的代码。2023/2/1南京理工大学

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黄新燕注意：根据与电刷串联的电阻上有无电流通过，可用相应的二进制代码表示。码道的圈数就是二进制的位数，且高位在内，低位在外。由此可以推断出，若是n位二进制码盘，就有n圈码道，且圆周均分2n等分，即共有2n个数据来分别表示其不同位置，所能分辨的最小角度α为：α＝360°/2n。

目前接触式码盘一般可以做到8～14位二进制。若要求位数更多，则采用组合码盘，一个粗计码盘，一个作为精计码盘。精计码盘转一圈，粗计码盘依次转一格。2023/2/1南京理工大学

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黄新燕缺点及解决方法易引起非单值性误差：对于4位二进制码盘，由于电刷错位会产生从0（0000）到15（1111）之间的读数误差，一般称这种误差为非单值误差。解决方法：（1）采用双电刷，即在编码盘的不同位置分别安装一组电刷，并且当一组电刷位于过渡线上时，另一组电刷位于中间。这样，根据两组电刷的空间位置和测得的编码值进行比较判断，可推算出正确的测量值。（3）采用特殊代码即循环码。其特点是：相邻两个代码间只有一位数变化，即由1变为0，由0变为1，这样，由于电刷安装不准确而产生的误差最多不超过一个编码单位，误差能够大大减小。2023/2/1南京理工大学

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黄新燕接触式编码器的特点接触式绝对值编码器优点是简单、体积小、输出信号强。缺点是电刷磨损造成寿命降低，转速不能太高（每分钟几十转），精度受最高位码道宽度限制。因此使用范围有限。目前，电刷最小宽度可做到0.1mm左右。

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黄新燕5.3.2光电编码器常用的光电式编码器为增量式光电编码器，亦称光电码盘、光电脉冲发生器、光电脉冲编码器等，是一种旋转式脉冲发生器，它把机械转角变成电脉冲，是数控机床上常用的一种角位移检测元件，也可用于角速度检测。特点：光电式编码器的优点是没有接触磨损，码盘寿命长，允许转速高缺点是结构复杂，价格高，光源寿命短。2023/2/1南京理工大学

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黄新燕1—光源；2—透镜；3—光栏板；4—光电码盘；5—光电元件；6—参考标记一转脉冲信号分辨角α＝360°/狭缝数2023/2/1南京理工大学

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黄新燕指示光栅有两组线纹A和B，每组线纹的节距和圆光栅的节距相同，但A、B两组线纹彼此错开1/4个节距，每组线纹与旋转圆光栅配合产生两路脉冲A和B用于记数和辩向。2023/2/1南京理工大学

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黄新燕2023/2/1南京理工大学

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黄新燕5.3.3编码器在数控机床上的应用1.位移测量2.主轴控制（1）主轴旋转与坐标轴进给的同步控制

在螺纹加工中，为了保证切削螺纹的螺距，必须有固定的进刀点和退刀点。安装在主轴上的光电脉冲编码器在切削螺纹时主要解决两个问题：

1）通过对编码器输出脉冲的计数，保证主轴每转一周，刀具准确地移动