第五章數(shù)控檢測(cè)裝置

1、第五章數(shù)控檢測(cè)裝置5. 1概述組成:位置測(cè)量裝置是由檢測(cè)元件（傳感器）和信號(hào)處理裝置組成。 作用:閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)為反饋控制的隨動(dòng)系統(tǒng)，它的輸出量是機(jī)械位 移、速度或加速度，利用這些量的反饋實(shí)現(xiàn)精確的位移、速度控制LI的。 數(shù)控系統(tǒng)的檢測(cè)裝置（即傳感器）起著測(cè)量和反饋兩個(gè)作用，它發(fā)出的信 號(hào)傳送給數(shù)控裝置或?qū)Ｓ每刂破鳎瑯?gòu)成閉環(huán)控制。從一定意義上看，數(shù)控 機(jī)床的加工精度和定位精度主要取決于檢測(cè)裝置的精度。傳感器能分辨 出的最小測(cè)量值稱為分辨率。分辨率不僅取決于傳感器本身，也取決于 測(cè)量線路。51.1檢測(cè)裝置的分類表5.1數(shù)控機(jī)床檢測(cè)裝置分類分類增量式絕對(duì)式位移傳感器回轉(zhuǎn)型一脈沖編碼器、自整 角機(jī)、旋

2、轉(zhuǎn)變壓器、圓感應(yīng) 同步器、光柵角度傳感器、 圓光柵、圓磁柵多極旋轉(zhuǎn)變壓器、絕對(duì)脈 沖編碼器絕對(duì)值式光 柵、三速圓感應(yīng)同步器、 磁阻式多極旋轉(zhuǎn)變壓器直線型一直線應(yīng)同步器、光 柵尺、磁柵尺、激光干涉儀 霍耳位置傳感器三速感應(yīng)同步器、絕對(duì)值 磁尺、光電編碼尺、磁性 編碼器速度傳感器交、直流測(cè)速發(fā)電機(jī)、數(shù)字 脈編碼式速度傳感器、霍耳 速度傳感器速度_角度傳感器（Tachsyn）、數(shù)字電磁、磁敬式速 度傳感器電流傳感器霍耳電流傳感器數(shù)控系統(tǒng)中的檢測(cè)裝置分為位移、速度和電流三種類型。 根據(jù)安裝的位置及耦合方式一直接測(cè)量和間接測(cè)量。 按測(cè)量方法一增量型和絕對(duì)型。按檢測(cè)信號(hào)的類型一模擬式和數(shù)字式。根據(jù)運(yùn)動(dòng)型式

3、一回轉(zhuǎn)型和直線型。按信號(hào)轉(zhuǎn)換的原理一光電效應(yīng)、光柵效應(yīng)、電磁感應(yīng)原理、壓電效 應(yīng)、壓阻效應(yīng)和磁阻效應(yīng)等。5. 1.2數(shù)控測(cè)量裝置的性能指標(biāo)及要求傳感器的性能指標(biāo)應(yīng)包括靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，主要如下。1精度：符合輸出量與輸入量之間特定函數(shù)關(guān)系的準(zhǔn)確程度稱作精 度。要滿足高精度和高速實(shí)時(shí)測(cè)量要求。2.分辨率:分辯率應(yīng)適應(yīng)機(jī)床精度和伺服系統(tǒng)的要求。3 .靈敬度:靈敏度高、一致。4. 遲滯:對(duì)某一輸入量，傳感器的正行程的輸出量與反行程的輸出量 的不一致，稱為遲滯。要求遲滯小。5. 測(cè)量范圍和量程：滿足要求，留有余地。6. 零漂與溫漂:隨時(shí)間、溫度變化要小。其它:可幕，抗干擾性強(qiáng)、使用維護(hù)方便、成本低等。

4、5.2 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變圧器是一種控制用的微電動(dòng)機(jī)，它將機(jī)械轉(zhuǎn)角變換成與該轉(zhuǎn) 角呈某一函數(shù)關(guān)系的電信號(hào)。在結(jié)構(gòu)上與二相線繞式異步電動(dòng)機(jī)相似, 山定子和轉(zhuǎn)子組成。定子繞組為變壓器的一次側(cè)，轉(zhuǎn)子繞組為變壓器的 二次側(cè)。勵(lì)磁電壓接到定子繞組上，其頻率通常為400Hz、5 00Hz、 lOOOHz和5000Hz。旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作靈敬，對(duì)環(huán)境無(wú)特殊 要求，維護(hù)方便，輸出信號(hào)幅度大，抗干擾性強(qiáng)，但測(cè)量精度較低，一般用于 精度要求不高或大型機(jī)床的粗測(cè)及中測(cè)系統(tǒng)。5.2. 1旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理旋轉(zhuǎn)變壓器(Reso I ver)簡(jiǎn)稱旋變，乂稱作解算器或分解器。分類:有電刷集電環(huán)結(jié)構(gòu)和無(wú)刷結(jié)構(gòu)。每

5、一類乂分為單對(duì)極元件、多 對(duì)極元件(或稱多極元件)。工作原理:旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理和普通變壓器的基本相似，區(qū)別在 于普通變壓器的一次、二次繞組是相對(duì)固定的，所以輸出電壓和輸入電 壓之比是常數(shù)；而旋轉(zhuǎn)變壓器的一次、二次繞組之間是隨著轉(zhuǎn)子的角位 移發(fā)生相對(duì)位置變化的，因而其輸出電壓的大小也隨之而變化。也就是 說(shuō)當(dāng)定子繞組加上交流電壓時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓的大小取決于定子與 轉(zhuǎn)子兩個(gè)繞組磁軸線在空間的相對(duì)位置。轉(zhuǎn)子繞組電壓的頻率與定子繞 組的相同，但幅值隨轉(zhuǎn)子與定子的相對(duì)角位移的正弦函數(shù)而變化。所以只 要測(cè)出轉(zhuǎn)子的輸出電壓的幅值，就可求出轉(zhuǎn)子相對(duì)定子的角位移。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組磁軸與定子繞組磁軸垂直時(shí),0=0

6、,不產(chǎn)生感應(yīng)電壓；當(dāng) 兩磁軸平行時(shí)，0=90，感應(yīng)電壓最大;當(dāng)兩磁軸為任意角度時(shí),感應(yīng)電 壓為：U 2=KU | sin 0 =KUiUsin 3 tsin 0式中：K變壓比（轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組的匝數(shù)比），U1勵(lì)磁電壓，Um勵(lì)磁電壓的幅值，3勵(lì)磁電壓的角頻率。5.2.2旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用旋轉(zhuǎn)變壓器的工作方式1.鑒相工作方式該方式是通過(guò)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓的相位確定被測(cè)角位移0，即給定子的兩個(gè)繞組分別通以同幅、同頻但相位差為90的勵(lì)磁電壓, 這兩個(gè)勵(lì)磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓是疊加在一起的。因而轉(zhuǎn) 子中的感應(yīng)電壓為兩個(gè)電壓的代數(shù)和，轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角和轉(zhuǎn)子的 偏轉(zhuǎn)角之間有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)

7、系，只要檢測(cè)岀轉(zhuǎn)子輸岀電壓的相位角，就 可以知道轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。定子正弦繞組、/余弦繞組 z O轉(zhuǎn)子Vs=VmsincotVc=Vmco s cotE 2 = K V m cosa- K V csiiia = K V m （ s incot c osa c oscotsina）=KV m s in（cota）（2）鑒幅工作方式該方式是通過(guò)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓的幅值確定被測(cè)角位移 0,即給定子的兩個(gè)繞組分別通以同相、同頻但幅值不同的交流勵(lì)磁電 壓，轉(zhuǎn)子輸出電壓的幅值隨轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角0而變化，測(cè)量出幅值即可求得 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角值。V s=Vms i n a 電 sin 31Vc=V mcos a 電 s

8、 in tE2= K V m cos a 機(jī)K V csin a 機(jī)=K V m sin 31（ s in a 電 c o s a 機(jī)一cos 電 sin a 機(jī)=KV in sin（ a 電-a 機(jī)）sin 31感應(yīng)電勢(shì)（E 2 ）是以3為角頻率、以Vm si n （ a電-a機(jī)）為幅值 的交變電壓信號(hào)。若電氣角a電已知，只要測(cè)出E2幅值（利用E2 = 0）,便可間接的求出機(jī)械角Q機(jī)，從而得出被測(cè)角位移。（笫一講） 5.3感應(yīng)同步器（笫二講）感應(yīng)同步器是利用電磁耦合原理，將位移或轉(zhuǎn)角變?yōu)殡娦盘?hào)，借以進(jìn) 行位置檢測(cè)的反饋控制，在數(shù)控機(jī)床上使用極為普遍。按其用途可分為兩大類:直線感應(yīng)同步器和圓感

9、應(yīng)同步器。詢者用于直線位移的測(cè)量，后者用于轉(zhuǎn)角的測(cè)量。在結(jié)構(gòu)上，兩者都包括固定和運(yùn)動(dòng)兩大部分，對(duì)旋轉(zhuǎn)式分別稱為定子和轉(zhuǎn)子；對(duì)直線式分 別稱為定尺和滑尺。5.3.1感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和類型感應(yīng)同步器是一種電磁感應(yīng)式多極位置傳感元件，山旋轉(zhuǎn)變壓器演 變而來(lái)。它的極對(duì)數(shù)可以做得很多，一般取3 60對(duì)極、720對(duì)極，最多 的達(dá)2000對(duì)極。由于多極結(jié)構(gòu)，在電與磁兩方面對(duì)誤差都起補(bǔ)償作用, 所以具有很高的精度。感應(yīng)同步器的勵(lì)磁頻率一般取210kHz。1.圓感應(yīng)同步器它由定子和轉(zhuǎn)子組成。轉(zhuǎn)子繞組為連續(xù)繞組；定子上有兩相正交繞 組（sin繞組和cos繞組），做成分段式，兩相繞組交差分布，相差90電 相角。屬于

10、同一相的各相繞組用導(dǎo)線串聯(lián)起來(lái)。2.直線式感應(yīng)同步器考慮到接長(zhǎng)和安裝，通常定尺繞組做成連續(xù)式單相繞組?；呱吓渲脭嗬m(xù)繞組，并且分為正弦勵(lì)磁繞組和余弦勵(lì)磁繞組，這兩 個(gè)繞組在空間上錯(cuò)開(kāi)90電相角。5.3.2感應(yīng)同步器的工作原理當(dāng)滑尺上勵(lì)磁繞組和定尺上的繞組位置重合時(shí)，耦合磁通最大，感 應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也最大。當(dāng)繼續(xù)平行移動(dòng)滑尺時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)逐漸減小，當(dāng)移動(dòng)到1/4節(jié)距位 置處，在感應(yīng)繞組內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零。繼續(xù)移動(dòng)到半個(gè)節(jié)距處,可得到與初始位置極性相反的最大感應(yīng)電 動(dòng)勢(shì)。在3/4節(jié)距處，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)乂變?yōu)榱?。移?dòng)到下一個(gè)節(jié)距時(shí)，乂回到與初始位置完全相同的耦合狀態(tài)，感應(yīng) 電動(dòng)勢(shì)最大。這樣，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨滑尺相

11、對(duì)于定尺的移動(dòng)而呈周期性變 化。o ri rT rL nmA 點(diǎn)FLJ-L-nCD 點(diǎn)2 if1nnE磁蜚廠、黑二/篡動(dòng)斥理5.3. 3感應(yīng)同步器的應(yīng)用(1)鑒相型系統(tǒng)當(dāng)在正弦繞組加勵(lì)磁電圧Us = Umsii2t,它在定尺繞組中產(chǎn)生的感 應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：U OS=K U sC o s 0 = KUm s in 3 tcos 0式中K耦合系數(shù)，0與位移X對(duì)應(yīng)的角度，定、滑尺相對(duì)移動(dòng)一個(gè)節(jié)距P=2 T ,從0變到2刃，即0 = 2X n / P = Ji x/ t同理，在余弦繞組加勵(lì)磁電壓Uc=Umcos3t,它在定尺繞組中產(chǎn)生 的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：Uoc=KUcCO s ( o + H /2)= -

12、K Um c os 3 tsin 0應(yīng)用迭加原理，定尺上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：Uo= Uos+Uoc = KUmsi n (co t 0 )下張片子中上面這張圖是鑒相檢測(cè)系統(tǒng)方框圖;下面這張圖是脈沖 相位變換器方框圖。2.鑒幅式系統(tǒng)鑒幅式伺服系統(tǒng)原理框圖進(jìn)入比較器的信號(hào)有兩路，一路來(lái)自進(jìn)給脈沖，它代表了數(shù)控裝置 要求機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)的位移量。另一路來(lái)自測(cè)量及信號(hào)處理電路，以數(shù) 字脈沖形式出現(xiàn)，體現(xiàn)了工作臺(tái)實(shí)際移動(dòng)的距離。鑒幅式系統(tǒng)工作之前， 數(shù)控裝置和測(cè)量元件的信號(hào)處理電路都沒(méi)有脈沖輸出，比較器的輸出為 零，工作臺(tái)不移動(dòng)。出現(xiàn)進(jìn)給脈沖信號(hào)后，比較器的輸出不為零，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路將比較 器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化

13、為電壓信號(hào)，經(jīng)放大后，山伺服電機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)移 動(dòng)。同時(shí)，工作在鑒幅狀態(tài)的感應(yīng)同步器的定尺感應(yīng)出電壓信號(hào)，經(jīng)信 號(hào)處理線路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字脈沖信號(hào)，該數(shù)字脈沖信號(hào)作為反饋信號(hào) 進(jìn)入比較器與進(jìn)給脈沖進(jìn)行比較。若兩者相等，比較器輸出為零,工作臺(tái)不動(dòng)；若兩者不相等，說(shuō)明工作 臺(tái)實(shí)際移動(dòng)的距離還不等于指令信號(hào)要求移動(dòng)的距離，伺服電機(jī)繼續(xù)帶 動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)，直到比較器輸出為零時(shí)停止。感應(yīng)同步器的使用特點(diǎn)(1)精度高山于感應(yīng)同步器是直接對(duì)機(jī)床位移進(jìn)行測(cè)量，中間不經(jīng)過(guò)任何機(jī)械 轉(zhuǎn)換裝置，測(cè)量精度只受本身精度限制。定尺和滑尺上的平面繞組，采用專 門的工藝方法制作精確。再加上它的極對(duì)數(shù)多，定尺上的感應(yīng)電壓信號(hào) 是多

14、周期的平均效應(yīng)，從而減少了制造繞組局部誤差的影響，所以測(cè)量精 度高。LT前直線感應(yīng)同步器的精度可達(dá)土 0.001 mm,重復(fù)精度0.000 2mm,靈敬度0.0000 5 m o直徑為3 0 2mm的感應(yīng)同步器的精度可達(dá) 0.5，重復(fù)精度0.1 ，靈敬度0.05?？善唇映筛鞣N需要的長(zhǎng)度根據(jù)測(cè)量長(zhǎng)度的要求，釆用多塊定尺接長(zhǎng)，相鄰定尺間隔也可以調(diào)整, 使拼接后總長(zhǎng)度的精度保持(或略低于)單塊定尺的精度。尺與尺之間的 繞組連接方式有兩種：當(dāng)定尺少于1 0塊時(shí)，將各繞組串聯(lián)連接，當(dāng)多于 10塊時(shí),先將各繞組分成兩組串聯(lián)，然后將此兩組再并聯(lián)，以不使定尺繞 組阻抗過(guò)高為原則。對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)直線式感應(yīng)同步

15、器金屬基尺與安裝部件的材料的膨脹系數(shù)相近，當(dāng) 環(huán)境溫度變化時(shí),兩者的變化規(guī)律相同，而不影響測(cè)量精度。感應(yīng)同步器為 非接觸式電磁耦合器件,可選耐溫性能好的非導(dǎo)磁性材料作保護(hù)層，加強(qiáng) 了其抗溫防濕的能力，同時(shí)在繞組的每個(gè)周期內(nèi)，任何時(shí)候都可以給出與 絕對(duì)位置相對(duì)應(yīng)的單值電壓信號(hào)，不受環(huán)境干擾的影響。（4）使用壽命長(zhǎng)山于感應(yīng)同步器定尺與滑尺之間不直接接觸，因而沒(méi)有磨損，所以壽 命長(zhǎng)。但是感應(yīng)同步器大多裝在切屑或切削液容易入侵的部位，所以必須 用鋼帶或折罩覆蓋,以免切屑劃傷滑尺與定尺的繞組。（5）注意安裝間隙感應(yīng)同步器安裝時(shí)要注意定尺與滑尺之間的間隙，一般在（0. 02 0. 25） mm0.05mm

16、以內(nèi),滑尺在移動(dòng)過(guò)程中，由于晃動(dòng)所引起的間隙 變化也必須控制在0.01mm之內(nèi)。如果間隙過(guò)大，必將影響測(cè)量信號(hào)的靈 敬度。5.4 直線光柵光柵用于光譜分析和光波波長(zhǎng)的測(cè)定,是測(cè)量數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)位移 的光電檢測(cè)元件。光柵分為物理光柵和計(jì)量光柵。物理光柵一一刻線細(xì)密，用于光譜分析和光波波長(zhǎng)的測(cè)定。計(jì)量光柵比較而言刻線較粗，但柵距也較小，在0.004-0. 25mm 之間，測(cè)量的位置精度非常高，分辨率也很高，達(dá)0. lum,主要用在數(shù)字 檢測(cè)系統(tǒng)。光柵傳感器為動(dòng)態(tài)測(cè)量元件，按運(yùn)動(dòng)方式分為長(zhǎng)光柵和圓光柵： 長(zhǎng)光柵用來(lái)測(cè)量直線位移；圓光柵用來(lái)測(cè)量角度位移。根據(jù)光線在光柵中的運(yùn)動(dòng)路徑分為透射光柵和反射光柵

17、。一般光柵傳感器都是做成增量式的，也可以做成絕對(duì)值式的。U前光柵傳感器應(yīng)用在高精度數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)中，其精度僅次 于激光式測(cè)量。在加工中心等高精度數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用較廣。5.4.1長(zhǎng)光柵檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)1 .長(zhǎng)光柵檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)光柵是山光源、聚光鏡、主光柵、指示光柵和光敏元件等構(gòu)成。主光柵和指示光柵分別安裝在機(jī)床的移動(dòng)部件及固定部件上，兩者 相對(duì)移動(dòng),相互平行，它們之間保持0.05mm或0.1mm的間隙。主光柵 和指示光柵的刻線錯(cuò)開(kāi)一定的角度，以得到莫爾條紋。主光柵和指示光柵通稱為光柵尺，它們是在真空鍍膜的玻璃片或長(zhǎng) 條形金屬鏡面上光刻出均勻密集的線紋。光柵的線紋相互平行，線紋之間的距離稱為柵距。

18、對(duì)于圓光柵，這些線 紋是圓心角相等的向心條紋。兩條向心紋線之間的夾角稱為柵距角。柵 距和柵距角是光柵的重要參數(shù)。對(duì)于長(zhǎng)光柵,金屬反射光柵的線紋密度為255O/mm;玻璃透射光柵 為100250/mm。對(duì)于圓光柵，一周內(nèi)刻有1 080 0條線紋（圓光柵直徑為 27 0 mm, 36 0 進(jìn)制）。圖5.9 光柵的結(jié)構(gòu)圖5.10光柵讀數(shù)頭1一防護(hù)墊2-光柵讀數(shù)頭1-光源2 準(zhǔn)直鏡 3-指示光柵3-標(biāo)尺光柵4-防護(hù)罩4-光敏元件5驅(qū)動(dòng)線路什么叫莫爾條紋？柵距相同的主光柵和指示光柵，刻線面相對(duì)的重疊在一起，中間留有 適當(dāng)小的間隙，并且兩者刻線錯(cuò)開(kāi)一定的角度0,兩塊光柵的刻線就會(huì) 相交。這樣山于光的干涉效

19、應(yīng),就會(huì)產(chǎn)主和柵線接近于垂直的明暗相間的 條紋，這些條紋就是莫爾條紋。圖4-41莫爾條紋嚴(yán)格地說(shuō),莫爾條紋排列的方向是與兩片光柵線紋夾角的平分線相 垂直。莫爾條紋中相鄰兩條亮紋或兩條暗紋之間的距離稱為莫爾條紋的 間距。摩爾條文寬度B的理論公式由兒何光學(xué)理論可以得到長(zhǎng)光柵的斜率為(6-1)(6-2)tana 八1 - W)CGt0各條紋之間的距離為式中叭主光槻的光搬常數(shù)；w2指示光柵的光棚常數(shù)；0兩光柵柵線的交角。莫爾條紋的特征(特點(diǎn)):(笫三講)(1)莫爾條紋的變化規(guī)律兩片兩光柵相對(duì)移過(guò)一個(gè)柵距，莫爾條紋移過(guò)一個(gè)條紋間距。111于光 的衍射與干涉作用,莫爾條紋的變化規(guī)律近似正(余)弦函數(shù)，變化

20、周期數(shù) 與兩光柵相對(duì)移過(guò)的柵距數(shù)同步。(2 )放大作用用W (mm)表示莫爾條紋的寬度,P(mm)表示柵距,0 (rad)為 光柵線紋之間的夾角，在兩光柵柵線夾角較小的情況下，如圖4-41所示則 有PPW =Q sin 00莫爾條紋寬度w與角0成反比，0越小,放大倍數(shù)越大。就不需要經(jīng) 過(guò)復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，便能將光柵的柵距放大,從而大大減化了電子放大線 路。（3）均化柵距誤差作用莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同組成,例如，200條/mm的光柵， 10mm寬的光柵就山2000條線紋組成，這樣?xùn)啪嘀g的固有相鄰誤差就 被平均化了，消除了柵距之間不均勻造成的誤差。（4）辨向作用當(dāng)光柵尺移動(dòng)一個(gè)柵距P時(shí)，莫

21、爾條紋也相應(yīng)地向上或向下準(zhǔn)確地 移動(dòng)一個(gè)間距W。只要通過(guò)光電元件測(cè)出莫爾條紋的數(shù)就可知道光 柵移動(dòng)了多少個(gè)柵距，工作臺(tái)移動(dòng)的距離可以計(jì)算出來(lái)。若光柵移動(dòng)方向 相反，則莫爾條紋移動(dòng)方向也相反（見(jiàn)圖4一41）。若標(biāo)尺光柵不動(dòng)，將指示光柵轉(zhuǎn)一很小的角度，兩者移動(dòng)方向及光柵 夾角關(guān)系如下表所示。因莫爾條紋移動(dòng)方向與光柵移動(dòng)方向垂直，可用 檢測(cè)垂直方向?qū)挻蟮哪獱枟l紋代替光柵水平方向移動(dòng)的微小距離。莫爾條紋移動(dòng)方向與光柵移動(dòng)方向及光柵夾角的關(guān)系表指示光柵轉(zhuǎn)角方向標(biāo)尺光柵移動(dòng)方向莫爾條紋移動(dòng)方向逆時(shí)針右f下丨方向左一上f順時(shí)針右f上f方向左一下15.4.2光柵位移一數(shù)字變換電路利用莫爾條紋的上述特點(diǎn)，光敬元

22、件可以把光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的 電壓信號(hào)，根據(jù)電壓信號(hào)的變化，我們就可測(cè)量出光柵的相對(duì)位移情況, 如位移大小、位移方向和移動(dòng)速度等。在光柵測(cè)量系統(tǒng)中，為了提高分辨率和測(cè)量精度，不可能僅靠增大 柵線的密度來(lái)實(shí)現(xiàn)。工程上采用莫爾條紋的細(xì)分技術(shù)。細(xì)分技術(shù)有光學(xué) 細(xì)分、機(jī)械細(xì)分和電子細(xì)分等方法。伺服系統(tǒng)中應(yīng)用最多的是電子細(xì)分 法。最基礎(chǔ)的是4倍頻光柵位移-數(shù)字變換電路。這種電路的組成就是后 面這張圖。(sin)差動(dòng)放大整形微分Yi111 4塊光電池發(fā)岀的信號(hào)分別為a、b、c和d ,相位彼此相關(guān)9 0。 a、c信號(hào)是相位差為18 0的兩個(gè)信號(hào)，送入差動(dòng)放大器放大, 得到sin信號(hào)。將信號(hào)幅度放大到足夠大。

23、同理b、d信號(hào)送入到另一個(gè)差動(dòng)放大器，得到cos信號(hào)。sin、c os信號(hào)經(jīng)過(guò)整形器的整形變成兩個(gè)方波，這兩個(gè)方波信號(hào) 再經(jīng)過(guò)反向又得到兩個(gè)方波信號(hào)。然后將這4個(gè)方波信號(hào)再經(jīng)過(guò)微分變成4個(gè)窄脈沖，由與門電路把 0、90、1 8 0。和2 7 0 四個(gè)位置上產(chǎn)生的窄脈沖組合起來(lái)，根據(jù) 不同的移動(dòng)方向形成正向脈沖或反向脈沖。最后再訃算出脈沖個(gè)數(shù)，來(lái) 測(cè)量光柵的實(shí)際位移。光柵移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的莫爾條紋山光電元件接受。然后經(jīng)過(guò)位移-數(shù)字變換電路形成正走、反走時(shí)的正向、反向脈沖。5.5光電脈沖編碼器5.5.1脈沖編碼器的分類與結(jié)構(gòu)脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器,能把機(jī)械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，可 作為位置檢測(cè)和速度

24、檢測(cè)裝置。脈沖編碼器分為:光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式。從精度和可靠性方 面來(lái)看，光電式脈沖編碼器優(yōu)于其他兩種。脈沖編碼器是一種增量檢測(cè)裝置，它的型號(hào)是山每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù) 來(lái)區(qū)分。數(shù)控機(jī)床上常用的有：2000 P / r. 2 5 00 P/r和3000 P/r等。圖5.14光電脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)1一光源；2-圓光柵；3-指示光柵；4-光電池組；5-機(jī)械部件;6護(hù)罩;7-印刷電路板這種檢測(cè)方式的特點(diǎn)是：檢測(cè)方式是非接觸式的，無(wú)摩擦和磨損，驅(qū)動(dòng)力矩小; 山于光電變換性能的提高，可得到較快的響應(yīng)速度。其缺點(diǎn)是抗污染能力差，容易損壞。5. 5.2光電脈沖編碼器的工作原理兩個(gè)光電元件錯(cuò)開(kāi)90相位角安裝。當(dāng)

25、圓盤旋轉(zhuǎn)一個(gè)節(jié)距時(shí),在光源 照射下，就在光電元件上得到一個(gè)光電波形輸出。A相比B相導(dǎo)前9 0 。若A相導(dǎo)前B相時(shí)為正方向旋轉(zhuǎn)，則B相導(dǎo) 前A相時(shí)就是負(fù)方向旋轉(zhuǎn)。利用A相與B相的相應(yīng)關(guān)系可以判別編碼器 的旋轉(zhuǎn)方向。A、B信號(hào)為具有9 0。相位差的正弦波，這組信號(hào)經(jīng)放大器放大與 整形，得下圖所示的輸出方波。5.5.3光電脈沖編碼器的應(yīng)用光電脈沖編碼器在數(shù)控機(jī)床上,用在數(shù)字比較伺服系統(tǒng)中，作為位置 檢測(cè)裝置。光電脈沖編碼器將位置檢測(cè)信號(hào)反饋給CNC裝置有兒種方 式：一是適應(yīng)帶加減計(jì)數(shù)要求的可逆計(jì)數(shù)器，形成加計(jì)數(shù)脈沖和減訃數(shù) 脈沖。二是適應(yīng)有計(jì)數(shù)控制端和方向控制端的訃數(shù)器，形成正走、反走訃 數(shù)脈沖和方

26、向控制電平。應(yīng)用一：適應(yīng)帶加減計(jì)數(shù)要求的可逆訃數(shù)器，形成加訃數(shù)脈沖和減訃數(shù)脈沖。a廠a1LobJJL.c 1_1Tcd nnndJnTLr nnnfe fnn光電脈沖編碼器的輸出脈沖信號(hào)A、A、B、B經(jīng)過(guò)差分驅(qū)動(dòng)傳輸進(jìn) 入CNC裝置，仍為A相信號(hào)和B相信號(hào)。將A、B信號(hào)整形后，變成規(guī)整的方波（電路中a、b點(diǎn)）。當(dāng)光電脈沖編碼器正轉(zhuǎn)時(shí),A相信號(hào)超前B相信號(hào)，經(jīng)過(guò)單穩(wěn)電路變 成d點(diǎn)的窄脈沖，與B相比反向后c點(diǎn)的信號(hào)e相，由e點(diǎn)輸出正向計(jì)數(shù)脈 沖。f點(diǎn)山于在窄脈沖出現(xiàn)時(shí)，b點(diǎn)的信號(hào)為低電平，所以f點(diǎn)也保持低 電平。這時(shí)可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行加計(jì)數(shù)。當(dāng)光電脈沖編碼器反轉(zhuǎn)時(shí)，B相信號(hào)超前A相信號(hào)，在d點(diǎn)窄脈沖

27、出現(xiàn)時(shí)，因?yàn)閏點(diǎn)是低電平，所以e點(diǎn)保持低電平。f點(diǎn)輸出窄脈沖，作為反向減訃數(shù)脈沖。這時(shí)可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行減訃 數(shù)。這樣就實(shí)現(xiàn)了不同旋轉(zhuǎn)方向時(shí),數(shù)字脈沖山不同通道輸出，分別進(jìn)入 可逆計(jì)數(shù)器做進(jìn)一步的誤差處理工作。應(yīng)用二：適應(yīng)有計(jì)數(shù)控制端和方向控制端的訃數(shù)器，形成正走、反走計(jì)數(shù)脈 沖和方向控制電平。BAlBlCD 1低電平“CTn na I I_i i_i LJIIIIi_n n n n n n iruu-髙電平“1”咼電YTri n 仃BlCD1X正走時(shí)，A脈沖超前B脈沖，B方波和Al窄脈沖進(jìn)入C“與非門”, A方波和B1窄脈沖進(jìn)入D “與非門”，則CD和D門分別輸出高電平和 負(fù)脈沖。光電脈沖編碼器的輸出脈沖信號(hào)A、A、B、B經(jīng)過(guò)差分驅(qū)動(dòng)傳輸進(jìn) 入CNC裝置，為A相信號(hào)和B相信號(hào)，該兩相信號(hào)為本電路的輸入脈沖。 經(jīng)整形和