數(shù)控檢測裝置第6章

1、2022-3-2數(shù)控技術12022-3-2數(shù)控技術26.1 概述概述6.2 旋轉變壓器旋轉變壓器6.3 感應同步器感應同步器6.4 光柵光柵6.5編碼器編碼器6.6磁柵磁柵2022-3-2數(shù)控技術3 6.1.1對位置檢測裝置的要求對位置檢測裝置的要求一、一、組成組成：位置檢測裝置是由：位置檢測裝置是由檢測元件檢測元件（傳感器）和（傳感器）和信號處信號處理裝置理裝置組成的組成的 。二、二、作用作用：數(shù)控機床中，數(shù)控裝置是依靠：數(shù)控機床中，數(shù)控裝置是依靠指令值指令值與與位置檢測位置檢測裝置裝置的反饋值進行比較，來控制工作臺運動的。若有偏差，的反饋值進行比較，來控制工作臺運動的。若有偏差，經(jīng)放大后控

2、制執(zhí)行部件，使其向著經(jīng)放大后控制執(zhí)行部件，使其向著消除偏差消除偏差的方向運動，的方向運動，直到偏差為零。它是數(shù)控機床閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的重直到偏差為零。它是數(shù)控機床閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的重要組成部分要組成部分 。 閉環(huán)數(shù)控機床的加工精度在很大程度上是由位置檢測裝置閉環(huán)數(shù)控機床的加工精度在很大程度上是由位置檢測裝置的精度決定的，的精度決定的，在設計數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)，尤其是高在設計數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)，尤其是高精度進給伺服系統(tǒng)時，必須精心選擇位置檢測裝置。精度進給伺服系統(tǒng)時，必須精心選擇位置檢測裝置。6.1 概述概述2022-3-2數(shù)控技術4三、數(shù)控機床對位置檢測裝置的要求三、數(shù)控機床對位置

3、檢測裝置的要求 (1)受溫度、濕度的影響小，受溫度、濕度的影響小，工作可靠工作可靠，能長期，能長期保持精度，抗干擾能力強；保持精度，抗干擾能力強； (2)在機床執(zhí)行部件移動在機床執(zhí)行部件移動范圍范圍內，能滿足內，能滿足精度和精度和速度速度的要求；的要求； (3)使用使用維護方便維護方便，適應機床工作環(huán)境；，適應機床工作環(huán)境； (4)成本低成本低； （5）易于實現(xiàn)高速的動態(tài)測量。）易于實現(xiàn)高速的動態(tài)測量。 6.1 概述概述2022-3-2數(shù)控技術5主要技術指標：主要技術指標： 可靠性、抗干擾性、分辨率、響應速度可靠性、抗干擾性、分辨率、響應速度等等分辨率：分辨率： 位移檢測系統(tǒng)能夠測量的最小位移

4、量位移檢測系統(tǒng)能夠測量的最小位移量分辨率選擇：分辨率選擇： 測量系統(tǒng)的分辨率應比加工精度高一個數(shù)量級測量系統(tǒng)的分辨率應比加工精度高一個數(shù)量級檢測系統(tǒng)的選擇：檢測系統(tǒng)的選擇： 大型機床：速度響應要高大型機床：速度響應要高 中小型和高精度機床：以滿足精度要求為主中小型和高精度機床：以滿足精度要求為主6.1 概述概述2022-3-2數(shù)控技術6 直接測量 它是將直線型檢測裝置安裝在移動部件上，用來直接測量工作臺的直線位移，作為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋信號，而構成位置閉環(huán)控制。 優(yōu)點是準確性高、可靠性好。 缺點是測量裝置要和工作臺行程等長，所以在大型數(shù)控機床上受到一定限制。 間接測量 它是將旋轉型檢測裝

5、置安裝在驅動電機軸或滾珠絲杠上，通過檢測轉動件的角位移來間接測量機床工作臺的直線位移，作為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋用。 優(yōu)點是測量方便、無長度限制。 缺點是測量信號中增加了由回轉運動轉變?yōu)橹本€運動的傳動鏈誤差，從而影響了測量精度。 （1）直接式測量和間接式測量直接式測量和間接式測量(檢測方式）檢測方式）6.1.2檢測裝置的分類檢測裝置的分類6.1 概述概述2022-3-2數(shù)控技術7 增量式測量 在輪廓控制數(shù)控機床上多采用這種測量方式，增量式測量只測相對位移量，如測量單位為0.001mm，則每移動0.001mm就發(fā)出一個脈沖信號，其優(yōu)點是測量裝置較簡 單，任何一個對中點都可以作為測量的起點，而移

6、距是由測量信號計數(shù)累加所得，但一旦計數(shù)有誤，以后測量所得結果完全錯誤。絕對式測量 絕對式測量裝置對于被測量的任意一點位置均由固定的零點標起，每一個被測點都有一個相應的測量值。測量裝置的結構較增量式復雜，如編碼盤中，對應于碼盤的每一個角度位置便有一組二進制位數(shù)。顯然，分辨精度要求愈高，量程愈大，則所要求的二進制位數(shù)也愈多，結構就愈復雜。(2)增量式測量和絕對式測量增量式測量和絕對式測量(編碼方式）編碼方式）6.1 概述概述2022-3-2數(shù)控技術8 數(shù)字式測量 它是將被測的量以數(shù)字形式來表示，測量信號一般為脈沖，可以直接把它送到數(shù)控裝置進行比較、處理。信號抗干擾能力強、處理簡單。 模擬量測量 它

7、是將被測的量用連續(xù)變量來表示，如電壓變化、相位變化等。它對信號處理的方法相對來說比較復雜。(3)數(shù)字式測量和模擬式測量（檢測信號的類型）數(shù)字式測量和模擬式測量（檢測信號的類型）6.1 概述概述2022-3-2數(shù)控技術96.2 旋轉變壓器旋轉變壓器6.2.1 旋轉變壓器的結構旋轉變壓器的結構 旋轉變壓器是一種輸出電壓與角位移量成連續(xù)函數(shù)關系旋轉變壓器是一種輸出電壓與角位移量成連續(xù)函數(shù)關系的感應式微電動機，是一種角位移測量裝置，通過測量電的感應式微電動機，是一種角位移測量裝置，通過測量電動機或被測軸的轉角來間接測量工作臺的位移，由動機或被測軸的轉角來間接測量工作臺的位移，由定子定子和和轉子轉子組成

8、。數(shù)控機床上常見的組成。數(shù)控機床上常見的角位移測量裝置角位移測量裝置，廣泛用于，廣泛用于半閉環(huán)控制半閉環(huán)控制的數(shù)控機床。的數(shù)控機床。 旋轉變壓器轉子軸與電機軸或絲杠連接在一起，實現(xiàn)電旋轉變壓器轉子軸與電機軸或絲杠連接在一起，實現(xiàn)電機軸或絲杠轉角的測量。機軸或絲杠轉角的測量。2022-3-2數(shù)控技術106.2 旋轉變壓器旋轉變壓器6.2.1 旋轉變壓器的結構旋轉變壓器的結構優(yōu)點優(yōu)點：結構簡單、動作靈敏、工作可靠、對環(huán)境條件要求：結構簡單、動作靈敏、工作可靠、對環(huán)境條件要求低（特別是高溫、高粉塵的地方）、輸出信號幅度大和抗低（特別是高溫、高粉塵的地方）、輸出信號幅度大和抗干擾能力強等特點。干擾能力

9、強等特點。缺點缺點：信號處理比較復雜：信號處理比較復雜 旋轉變壓器的工作原理與普通變壓器基本相似，其中旋轉變壓器的工作原理與普通變壓器基本相似，其中定子繞組作為變壓器的定子繞組作為變壓器的一次側一次側，接受，接受勵磁電壓勵磁電壓。轉子繞組。轉子繞組作為變壓器的作為變壓器的二次側二次側，通過電磁耦合得到，通過電磁耦合得到感應電壓感應電壓，只是，只是其輸出電壓大小與轉子位置有關。其輸出電壓大小與轉子位置有關。 2022-3-2數(shù)控技術11旋轉變壓器的結構圖6.2 旋轉變壓器旋轉變壓器2022-3-2數(shù)控技術126.2 旋轉變壓器旋轉變壓器6.2.2 旋轉變壓器的工作原理旋轉變壓器的工作原理 旋轉變

10、壓器根據(jù)互感原理工作，旋轉變壓器根據(jù)互感原理工作，定子與轉子之間氣隙磁通分布呈定子與轉子之間氣隙磁通分布呈正余弦規(guī)律。當正余弦規(guī)律。當定子定子加上一定加上一定頻率的頻率的激磁電壓激磁電壓時，通過時，通過電磁耦電磁耦合合，轉子轉子繞組產(chǎn)生繞組產(chǎn)生感應電勢感應電勢，其，其輸出電壓輸出電壓的大小取決于定子和轉的大小取決于定子和轉子兩個繞組軸線在空間的相對位子兩個繞組軸線在空間的相對位置。置。 單極對旋轉變壓器的工作原理：單極對旋轉變壓器的工作原理：定子定子轉子轉子2022-3-2數(shù)控技術13根據(jù)互感原理工作，平行時互感最大，副邊感應電動勢最根據(jù)互感原理工作，平行時互感最大，副邊感應電動勢最大；垂直時

11、互感為零，副邊感應電動勢最小，如圖。大；垂直時互感為零，副邊感應電動勢最小，如圖。2sinmUKVt6.2 旋轉變壓器旋轉變壓器2022-3-2數(shù)控技術146.2 旋轉變壓器旋轉變壓器2022-3-2數(shù)控技術15定子激磁電壓和轉子感應電動勢的變化波形圖定子激磁電壓和轉子感應電動勢的變化波形圖 6.2 旋轉變壓器旋轉變壓器2022-3-2數(shù)控技術16使用較廣泛的為正余弦（雙極對）旋轉變壓器使用較廣泛的為正余弦（雙極對）旋轉變壓器6.2 旋轉變壓器旋轉變壓器2022-3-2數(shù)控技術176.2.3旋轉變壓器的工作方式旋轉變壓器的工作方式鑒相工作方式鑒相工作方式 鑒幅工作方式鑒幅工作方式 一、鑒相工作

12、方式一、鑒相工作方式正弦繞組和余弦繞組分別加上幅值相同、頻率相同、相位正弦繞組和余弦繞組分別加上幅值相同、頻率相同、相位相差相差90o的正弦交流電壓：的正弦交流電壓：6.2 旋轉變壓器旋轉變壓器)Cos(KUtCosCosKUtSinSinKUCosUSinUUtCosUUSinUUmmMcs2mcmstt當轉子正轉時：當轉子正轉時：2022-3-2數(shù)控技術18轉子輸出電壓的轉子輸出電壓的相位角相位角和和間有嚴格對應關系，只要檢測出間有嚴格對應關系，只要檢測出轉子輸出電壓的相位角，就可以求得轉子輸出電壓的相位角，就可以求得 ，也就可得到被測，也就可得到被測軸的角位移。軸的角位移。實際應用時，把

13、定子余弦繞組激磁電壓的相位作為基準實際應用時，把定子余弦繞組激磁電壓的相位作為基準相位，與轉子繞組的輸出電壓相位做比較，來確定相位，與轉子繞組的輸出電壓相位做比較，來確定的的大小。大小。6.2 旋轉變壓器旋轉變壓器)Cos(KUUm2t當轉子反轉時，同理可得：當轉子反轉時，同理可得：2022-3-2數(shù)控技術19二、鑒幅方式二、鑒幅方式正弦繞組和余弦繞組分別加上頻率相同、相位相等、幅正弦繞組和余弦繞組分別加上頻率相同、相位相等、幅值分別按正弦、余弦規(guī)律變化的交變電壓：值分別按正弦、余弦規(guī)律變化的交變電壓：sinsmUVtcosmUcVtwtKUtmsin)cos( tCosSinCosKUtSi

14、nSinSinKUCosUSinUUtSinCosUUSinSinUUmmcs2mcmsu6.2 旋轉變壓器旋轉變壓器當轉子正轉時：當轉子正轉時：當轉子反轉時，同理可得：當轉子反轉時，同理可得：轉子感應電壓的轉子感應電壓的幅值幅值隨轉子的隨轉子的偏轉角偏轉角而變化。測量出幅值而變化。測量出幅值可測出轉角?？蓽y出轉角。tKUUmsin)sin(22022-3-2數(shù)控技術20角位移如何計算直線位移？角位移如何計算直線位移？ 將旋轉變壓器安裝在數(shù)控機床的絲杠上，當將旋轉變壓器安裝在數(shù)控機床的絲杠上，當角從角從0變化到變化到360時，表示絲杠上的螺母走了時，表示絲杠上的螺母走了一個導程一個導程，就間接

15、地測量了絲杠的直線位移（導，就間接地測量了絲杠的直線位移（導程）的大小。程）的大小。 要檢測工作臺的絕對位置，需要加要檢測工作臺的絕對位置，需要加一臺絕對位一臺絕對位置計數(shù)器置計數(shù)器，累計所走的導程數(shù)，折算成位移總長，累計所走的導程數(shù)，折算成位移總長度。度。6.2 旋轉變壓器旋轉變壓器6.2.4 6.2.4 旋轉變壓器的工作方式旋轉變壓器的工作方式2022-3-2數(shù)控技術21 感應同步器和旋轉變壓器均為電磁式檢測裝置，屬模感應同步器和旋轉變壓器均為電磁式檢測裝置，屬模擬式測量，二者工作原理相同，其輸出電壓隨被測直線位擬式測量，二者工作原理相同，其輸出電壓隨被測直線位移或角位移而改變。移或角位移

16、而改變。 按其結構特點一般分為：按其結構特點一般分為： 直線式感應同步器直線式感應同步器：由定尺和滑尺組成，：由定尺和滑尺組成， 用于直線位移測量，閉環(huán)伺服系統(tǒng)。用于直線位移測量，閉環(huán)伺服系統(tǒng)。 旋轉式感應同步器旋轉式感應同步器：由轉子和定子組成，：由轉子和定子組成， 用于角位移測量，半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。用于角位移測量，半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。 6.3 感應同步器感應同步器2022-3-2數(shù)控技術226.3 感應同步器感應同步器直線式感應同步器直線式感應同步器6.3.1 感應同步器結構感應同步器結構2022-3-2數(shù)控技術236.3 感應同步器感應同步器直線式感應同步器的定尺繞組和滑尺繞組的結構示意圖直線

17、式感應同步器的定尺繞組和滑尺繞組的結構示意圖連續(xù)繞組連續(xù)繞組分段繞組：分段繞組： 正弦繞組正弦繞組SS 余弦繞組余弦繞組CC導電片寬導電片寬片間間隙片間間隙節(jié)距節(jié)距2022-3-2數(shù)控技術246.3 感應同步器感應同步器2022-3-2數(shù)控技術25 標準的直線式感應同步器定尺長標準的直線式感應同步器定尺長250mm，感應繞，感應繞組；滑尺長組；滑尺長100mm，正弦繞組與定尺繞組對齊時，余弦繞，正弦繞組與定尺繞組對齊時，余弦繞組與定尺繞組相差組與定尺繞組相差1/4節(jié)距節(jié)距。節(jié)距（。節(jié)距（感應同步器兩個單元繞感應同步器兩個單元繞組之間的距離組之間的距離）為）為2=2mm。 “節(jié)距節(jié)距”是衡量感應

18、同步器精度的主要參數(shù)。是衡量感應同步器精度的主要參數(shù)。 6.3 感應同步器感應同步器2022-3-2數(shù)控技術266.3.2 安裝安裝定尺定尺安裝在機床的不動部件上；安裝在機床的不動部件上；滑尺滑尺安裝在機床的移動部件上。安裝在機床的移動部件上。安裝防護罩：防止切屑和油污浸入安裝防護罩：防止切屑和油污浸入必須保持定尺和滑尺平行、兩平面的間隙約為必須保持定尺和滑尺平行、兩平面的間隙約為0.250.250.05mm0.05mm，其它安裝要求視具體的產(chǎn)品說明而定。保證定尺和滑尺在全部其它安裝要求視具體的產(chǎn)品說明而定。保證定尺和滑尺在全部工作長度上正常耦合，減少測量誤差。工作長度上正常耦合，減少測量誤差

19、。直線感應同步器的標準定尺長度一般為直線感應同步器的標準定尺長度一般為250mm，測量范圍增加，測量范圍增加時，將時，將定尺接長定尺接長。定尺全部接好后，采用定尺全部接好后，采用激光干涉儀激光干涉儀或或量塊加千分表量塊加千分表進行全長誤進行全長誤差測量，使總長度上的累積誤差差測量，使總長度上的累積誤差單塊定尺的最大偏差。單塊定尺的最大偏差。6.3 感應同步器感應同步器2022-3-2數(shù)控技術276.3.3工作原理工作原理滑尺與定尺間產(chǎn)生相對位移，由于電磁耦合的變化，使定滑尺與定尺間產(chǎn)生相對位移，由于電磁耦合的變化，使定尺上的尺上的感應電壓隨位移的變化而變化感應電壓隨位移的變化而變化。 6.3

20、感應同步器感應同步器2022-3-2數(shù)控技術286.3 感應同步器感應同步器定定尺尺繞繞組組產(chǎn)產(chǎn)生生感感應應電電壓壓原原理理圖圖2022-3-2數(shù)控技術29當滑尺移動距離為當滑尺移動距離為2，2變化為變化為2，當移動，當移動X時，則對時，則對應感應電壓以余弦函數(shù)變化應感應電壓以余弦函數(shù)變化角度。角度?？傻茫嚎傻茫?26.3 感應同步器感應同步器2022-3-2數(shù)控技術30)Sin(KVtSinCos-KVtCosSinKVVm21m2m1tVVVV6.3 感應同步器感應同步器6.3.4感應同步器的應用感應同步器的應用cosmUcVt一、鑒相工作方式一、鑒相工作方式正弦繞組和余弦繞組分別加上幅值

21、相同、頻率相同、相正弦繞組和余弦繞組分別加上幅值相同、頻率相同、相位相差位相差9090o o的交流電壓：的交流電壓：分別在定尺繞組上產(chǎn)生感應電壓：分別在定尺繞組上產(chǎn)生感應電壓：12cos sinsincosmmVKVtVKVt tCosVUSinVUmcmst22通過鑒別定尺感應輸出電壓的相位，即可測量定尺和滑尺通過鑒別定尺感應輸出電壓的相位，即可測量定尺和滑尺之間的相對位移。之間的相對位移。2022-3-2數(shù)控技術31例如例如：定尺感應輸出電壓與滑尺勵磁電壓之間的相：定尺感應輸出電壓與滑尺勵磁電壓之間的相位差為位差為3.63.6，表明滑尺移動了多少，表明滑尺移動了多少mmmm？6.3 感應同

22、步器感應同步器223.62mm2022-3-2數(shù)控技術32將將 稱為稱為相移相移位移轉換系數(shù)位移轉換系數(shù)。例如：設節(jié)距例如：設節(jié)距 ，則：，則：6.3 感應同步器感應同步器mmx/1801mm22 um2如脈沖當量如脈沖當量 /脈沖，那么其相移系數(shù)脈沖，那么其相移系數(shù) 為為 p脈沖脈沖/36. 0/180002. 0p2022-3-2數(shù)控技術33鑒相系統(tǒng)結構框圖6.3 感應同步器感應同步器2022-3-2數(shù)控技術34二、鑒幅工作方式二、鑒幅工作方式正弦繞組和余弦繞組分別加上頻率相同、相位相等、幅正弦繞組和余弦繞組分別加上頻率相同、相位相等、幅值分別按正弦、余弦規(guī)律變化的交變電壓：值分別按正弦、

23、余弦規(guī)律變化的交變電壓：)sin(sinsinsincoscossinsin2tKUtKUtKUUmmmtUUtUUmcmssincossinsin若電氣角若電氣角已知，只要測出已知，只要測出U2幅值，便能求出與位移對應的角度幅值，便能求出與位移對應的角度。實際測量時，不斷調整。實際測量時，不斷調整 ，讓幅值為零。，讓幅值為零。的變化量則代表的變化量則代表對應的位移量，就可測得機械位移對應的位移量，就可測得機械位移x。xx226.3 感應同步器感應同步器2022-3-2數(shù)控技術35鑒幅系統(tǒng)結構框圖2.3 感應同步器感應同步器數(shù)控數(shù)控裝置裝置比較器比較器 D/A轉換器轉換器 伺服伺服放大器放大器

24、伺服驅伺服驅動機構動機構鑒幅器鑒幅器電壓頻率電壓頻率 轉換器轉換器勵磁勵磁電路電路2022-3-2數(shù)控技術366.3.5 感應同步器的特點感應同步器的特點精度高；測量范圍大；環(huán)境適應性強，工作可靠；維護簡單、壽命長，安裝方便；成本低，工藝性好。6.3 感應同步器感應同步器2022-3-2數(shù)控技術376.4光柵光柵通常意義上講，光柵按用途分有兩大類：通常意義上講，光柵按用途分有兩大類：物理光柵物理光柵（衍射光柵）：（衍射光柵）：200200500500條條/ /，柵距，柵距0.0020.0020.0050.005，主要是利用光的衍射原理，用，主要是利用光的衍射原理，用于光譜分析和光波波長的測定。

25、于光譜分析和光波波長的測定。計量光柵計量光柵：2525條條/ /、5050條條/ /、100100條條/ /、250250條條/ /等，柵距等，柵距0.0040.0040.250.25，主要是利用光的透，主要是利用光的透射和反射現(xiàn)象，用于射和反射現(xiàn)象，用于數(shù)控機床閉環(huán)檢測系統(tǒng)數(shù)控機床閉環(huán)檢測系統(tǒng)。2022-3-2數(shù)控技術386.4光柵光柵6.4.1 光柵的結構和工作原理光柵的結構和工作原理一、結構一、結構 光柵種類較多。根據(jù)光線在光柵中是透射還是反射分光柵種類較多。根據(jù)光線在光柵中是透射還是反射分為為透射光柵透射光柵和反射光柵，透射光柵分辨率較反射光柵高，和反射光柵，透射光柵分辨率較反射光柵高

26、，其檢測精度可達其檢測精度可達1m以上。從形狀上看，又可分為以上。從形狀上看，又可分為圓光圓光柵柵和和直線光柵直線光柵。圓光柵用于測量轉角位移，直線光柵用。圓光柵用于測量轉角位移，直線光柵用于檢測直線位移。兩者工作原理基本相似，本節(jié)著重介于檢測直線位移。兩者工作原理基本相似，本節(jié)著重介紹一種應用比較廣泛的紹一種應用比較廣泛的透射式直線光柵透射式直線光柵。2022-3-2數(shù)控技術396.4光柵光柵6.4.1 光柵的結構和工作原理光柵的結構和工作原理組成組成：標尺光柵、光柵讀數(shù)頭：標尺光柵、光柵讀數(shù)頭標尺光柵與行程等長，通常光柵長度為標尺光柵與行程等長，通常光柵長度為1m1m，行程大于，行程大于1

27、m1m時，需要將光柵接長。時，需要將光柵接長。安裝安裝：標尺光柵一般安裝在：標尺光柵一般安裝在機床活動部件機床活動部件上（如工作臺上（如工作臺上或絲杠上）上或絲杠上）, ,光柵讀數(shù)頭安裝在光柵讀數(shù)頭安裝在機床固定部件機床固定部件上上（如機床底座上）。指示光柵裝在光柵讀數(shù)頭中。（如機床底座上）。指示光柵裝在光柵讀數(shù)頭中。2022-3-2數(shù)控技術406.4光柵光柵光柵讀數(shù)頭組成光柵讀數(shù)頭組成：光源、透鏡、指示光光源、透鏡、指示光柵、光敏元件、驅動柵、光敏元件、驅動線路。線路。常見結構按常見結構按光路光路分：分： 分光讀數(shù)頭分光讀數(shù)頭 垂直入射讀數(shù)頭垂直入射讀數(shù)頭 反射讀數(shù)頭反射讀數(shù)頭作用作用：將莫

28、爾條紋的：將莫爾條紋的光信號轉換成電脈沖光信號轉換成電脈沖信號。信號。2022-3-2數(shù)控技術416.4光柵光柵2022-3-2數(shù)控技術42 直線光柵通常包括一長和一短兩塊配套使用光柵尺，其直線光柵通常包括一長和一短兩塊配套使用光柵尺，其中長的稱為中長的稱為標尺光柵標尺光柵或長光柵，一般固定在機床移動部或長光柵，一般固定在機床移動部件上，要求與行程等長。短的為件上，要求與行程等長。短的為指示光柵指示光柵或短光柵，裝或短光柵，裝在機床固定部件上。在機床固定部件上。 兩光柵尺是刻有均勻密集線紋的透明玻璃片，線紋密度兩光柵尺是刻有均勻密集線紋的透明玻璃片，線紋密度為為25、50、100、250條條/

29、mm等。線紋之間距離相等，該等。線紋之間距離相等，該間距稱為柵距（由所需的測量精度決定），測量時它們間距稱為柵距（由所需的測量精度決定），測量時它們相互平行放置，并保持相互平行放置，并保持0.050.1mm的間隙。兩塊光柵的間隙。兩塊光柵尺的線紋數(shù)相等，線紋之間成一定的角度。尺的線紋數(shù)相等，線紋之間成一定的角度。6.4光柵光柵2022-3-2數(shù)控技術43光柵尺簡單示意圖光柵尺簡單示意圖6.4光柵光柵不透光寬度不透光寬度透光寬度透光寬度柵距柵距2022-3-2數(shù)控技術44二、二、工作原理工作原理 當指示光柵上的線紋與標尺光柵上的線紋當指示光柵上的線紋與標尺光柵上的線紋成一小角度放置時，兩光柵尺上

30、線紋互相交叉。成一小角度放置時，兩光柵尺上線紋互相交叉。在光源的照射下，交叉點附近的小區(qū)域內黑線在光源的照射下，交叉點附近的小區(qū)域內黑線重疊，形成黑色條紋，其它部分為明亮條紋，重疊，形成黑色條紋，其它部分為明亮條紋，這種明暗相間的條紋稱為這種明暗相間的條紋稱為莫爾條紋莫爾條紋。 兩條亮（暗）紋間的距離稱莫爾條紋寬度兩條亮（暗）紋間的距離稱莫爾條紋寬度w w。6.4光柵光柵2022-3-2數(shù)控技術456.4光柵光柵標尺標尺光柵光柵指示指示光柵光柵均勻刻線均勻刻線夾角夾角移動移動明暗相明暗相間條紋間條紋莫爾條紋莫爾條紋2022-3-2數(shù)控技術46莫爾條紋具有如下特性：莫爾條紋具有如下特性：1. 放

31、大作用放大作用 用用w（mm）表示莫爾條紋）表示莫爾條紋的寬度，的寬度，d(mm)表示柵距，表示柵距，(rad)為光柵線紋之間的夾角，如圖所示為光柵線紋之間的夾角，如圖所示則有：則有： 莫爾條紋寬度莫爾條紋寬度w與角與角成成反比，越小，放大倍數(shù)越大。反比，越小，放大倍數(shù)越大。放大比放大比k為：為：ddw2sin26.4光柵光柵1dw2022-3-2數(shù)控技術472. 均化誤差作用均化誤差作用 莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同組成，例如，莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同組成，例如，200條條/mm的光柵，的光柵，10mm寬的光柵就由寬的光柵就由2000條條線紋組成，這樣柵距之間的固有相鄰誤差就被平線紋

32、組成，這樣柵距之間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，提均化了，消除了柵距之間不均勻造成的誤差，提高了精度。高了精度。3. 莫爾條紋的移動與光柵的移動成比例莫爾條紋的移動與光柵的移動成比例（同步性）（同步性） 光柵尺移動一個柵距光柵尺移動一個柵距d莫爾條紋移動了一個間距莫爾條紋移動了一個間距w， 光柵尺移動方向相反光柵尺移動方向相反莫爾條紋移動方向也相反莫爾條紋移動方向也相反。6.4光柵光柵在一個柵距在一個柵距 d 內，光電元件所檢測的光強變化為正內，光電元件所檢測的光強變化為正弦（或余弦）變化弦（或余弦）變化。2022-3-2數(shù)控技術486.4.2 光柵測量系統(tǒng)光柵測

33、量系統(tǒng)光柵移動，莫爾條紋亮暗交替變化，光柵移動，莫爾條紋亮暗交替變化，光強度分布近光強度分布近似余弦曲線似余弦曲線，由光電元件變?yōu)橥l率電壓信號，經(jīng)，由光電元件變?yōu)橥l率電壓信號，經(jīng)光柵位移光柵位移數(shù)字變換電路放大、整形、微分輸出脈數(shù)字變換電路放大、整形、微分輸出脈沖。每產(chǎn)生一個脈沖，就代表移動了一個柵距，通沖。每產(chǎn)生一個脈沖，就代表移動了一個柵距，通過對脈沖計數(shù)便可得到工作臺的移動距離。過對脈沖計數(shù)便可得到工作臺的移動距離。6.4光柵光柵2022-3-2數(shù)控技術49 一個光電元件一個光電元件 只能計數(shù)，無法判斷移動方向只能計數(shù)，無法判斷移動方向如何辯向？如何辯向？如何提高光柵檢測裝置的精度如

34、何提高光柵檢測裝置的精度? 增加線紋密度，但制造較困難，成本高。采用增加線紋密度，但制造較困難，成本高。采用倍頻的方法來提高光柵的分辨精度。倍頻的方法來提高光柵的分辨精度。 在莫爾條紋的寬度內，放置四個光電元件，每在莫爾條紋的寬度內，放置四個光電元件，每隔隔1/41/4光柵柵距產(chǎn)生一個脈沖，一個脈沖代表移動光柵柵距產(chǎn)生一個脈沖，一個脈沖代表移動了了1/41/4柵距的位移，分辨精度可提高四倍，這就是柵距的位移，分辨精度可提高四倍，這就是四倍頻方案。四倍頻方案。 6.4光柵光柵2022-3-2數(shù)控技術50光柵測量系統(tǒng)四倍頻鑒向電路邏輯圖和波形圖光柵測量系統(tǒng)四倍頻鑒向電路邏輯圖和波形圖6.4光柵光柵

35、2022-3-2數(shù)控技術51 鑒向倍頻電路作用：辨向、細分，提高光柵的分辨力鑒向倍頻電路作用：辨向、細分，提高光柵的分辨力 莫爾條紋原莫爾條紋原1個脈沖信號：個脈沖信號：0、90、180、270都都有脈沖輸出，一個周期內送出有脈沖輸出，一個周期內送出4個脈沖。分辨力提高個脈沖。分辨力提高4倍。倍。 分辨率取決于光柵柵距分辨率取決于光柵柵距d 和鑒向倍頻的倍數(shù)和鑒向倍頻的倍數(shù)n，即：分辨，即：分辨率率d/n。例：光柵線紋密度例：光柵線紋密度50條條/mm（柵距（柵距20m），經(jīng)），經(jīng)4倍頻處理倍頻處理后，線紋密度提高到后，線紋密度提高到200條條/mm，工作臺每移動，工作臺每移動5m送出一送出一

36、個脈沖，即分辨力為個脈沖，即分辨力為5m，提高，提高4倍。倍。6.4光柵光柵用光柵測量位移用光柵測量位移,光柵發(fā)出光柵發(fā)出22500脈沖脈沖,測得距離為測得距離為112.5mm,光柵的分辨率是多少光柵的分辨率是多少?2022-3-2數(shù)控技術526.5 編碼器編碼器編碼器（編碼器（ 碼盤碼盤） : :旋轉式測量元件，旋轉式測量元件， 裝在被測軸裝在被測軸上，隨之一起轉動，將被測軸的角位移轉換成增量上，隨之一起轉動，將被測軸的角位移轉換成增量脈沖形式或絕對式的代碼形式。脈沖形式或絕對式的代碼形式。使用的計數(shù)制使用的計數(shù)制： 二進制、二進制循環(huán)碼（二進制、二進制循環(huán)碼（ 格雷碼）格雷碼）等編碼器；等

37、編碼器；輸出信號的形式輸出信號的形式：絕對式、脈沖增量式編碼器；：絕對式、脈沖增量式編碼器；內部結構和檢測方式內部結構和檢測方式：接觸式、光電式、電磁式。：接觸式、光電式、電磁式。2022-3-2數(shù)控技術536.5 編碼器編碼器兩種安裝方式兩種安裝方式： 編碼器和伺編碼器和伺服電機同軸聯(lián)接；服電機同軸聯(lián)接； 聯(lián)接在滾珠聯(lián)接在滾珠絲杠末端。絲杠末端。a）內裝式；b）外裝式1伺服電動機；2編碼器2022-3-2數(shù)控技術546.5 編碼器編碼器2022-3-2數(shù)控技術556.5 編碼器編碼器是一種是一種絕對值絕對值式的檢測裝置，可直接把被測式的檢測裝置，可直接把被測轉角用數(shù)字代碼表示出來，每一個角度

38、位置轉角用數(shù)字代碼表示出來，每一個角度位置均有唯一對應的代碼。均有唯一對應的代碼。即使斷電或切斷電源，也能讀出轉動角度。即使斷電或切斷電源，也能讀出轉動角度。6.5.1 6.5.1 接觸式編碼器接觸式編碼器2022-3-2數(shù)控技術566.5 編碼器編碼器2022-3-2數(shù)控技術576.5 編碼器編碼器 常用光電式編碼器（光電碼盤、光電脈沖發(fā)生常用光電式編碼器（光電碼盤、光電脈沖發(fā)生器、光電脈沖編碼器）為器、光電脈沖編碼器）為增量式增量式光電編碼器，是一光電編碼器，是一種旋轉式脈沖發(fā)生器把機械轉角變成電脈沖，是數(shù)種旋轉式脈沖發(fā)生器把機械轉角變成電脈沖，是數(shù)控機床常用的角位移檢測元件，也可用于角速

39、度檢控機床常用的角位移檢測元件，也可用于角速度檢測。測。 它的型號用脈沖數(shù)它的型號用脈沖數(shù)/轉（轉（/）來區(qū)分。數(shù)控機）來區(qū)分。數(shù)控機床常用編碼器：根據(jù)絲杠螺距來選用。床常用編碼器：根據(jù)絲杠螺距來選用。6.5.2 6.5.2 光電式編碼器光電式編碼器2022-3-2數(shù)控技術58高分辨率脈沖編碼器：每轉發(fā)出高分辨率脈沖編碼器：每轉發(fā)出10萬乃至幾百萬個脈沖的編萬乃至幾百萬個脈沖的編碼器已使用，該類脈沖編碼器裝置內部應用了微處理器。碼器已使用，該類脈沖編碼器裝置內部應用了微處理器。 數(shù)控機床常用編碼器：根據(jù)數(shù)控機床常用編碼器：根據(jù)絲杠螺距絲杠螺距來選用。來選用。脈沖編碼器脈沖編碼器每轉脈沖移動量（

40、每轉脈沖移動量（mmmm）20002000脈沖脈沖r r2 2，3 3，4 4，6 6，8 825002500脈沖脈沖r r5 5，101030003000脈沖脈沖r r3 3，6 6，1212脈沖編碼器脈沖編碼器每轉脈沖移動量（每轉脈沖移動量（mm）20000脈沖脈沖r2，3，4，6，825000脈沖脈沖r5，1030000脈沖脈沖r3，6，126.5 編碼器編碼器2022-3-2數(shù)控技術59一、一、 光電光電脈沖編碼器的結構脈沖編碼器的結構 光電式脈沖編碼器通常與電機做在一起光電式脈沖編碼器通常與電機做在一起(內裝式），或者內裝式），或者安裝在電機非軸伸端（外裝式），電動機可直接與滾珠絲杠

41、安裝在電機非軸伸端（外裝式），電動機可直接與滾珠絲杠相連，或通過減速比為相連，或通過減速比為i的減速齒輪，然后與滾珠絲杠相連，的減速齒輪，然后與滾珠絲杠相連，那么每個脈沖對應機床工作臺移動的距離可用下式計算：那么每個脈沖對應機床工作臺移動的距離可用下式計算：式中 脈沖當量（mm/脈沖）； S滾珠絲杠的導程（mm）； i減速齒輪的減速比； M脈沖編碼器每轉的脈沖數(shù)（p/r）。iMS6.5 編碼器編碼器2022-3-2數(shù)控技術60組成：組成：光源光源、聚光鏡聚光鏡、光欄板光欄板、光電碼盤光電碼盤、光電元件光電元件及及信號處信號處理電路理電路組成組成 在一個圓盤的圓周上刻有在一個圓盤的圓周上刻有相等

42、間距的線紋相等間距的線紋，分為透明和不透，分為透明和不透明的部分，稱為光電碼盤（明的部分，稱為光電碼盤（圓光柵圓光柵）。光電碼盤隨工作軸一起。光電碼盤隨工作軸一起旋轉。旋轉。與光電碼盤相對與光電碼盤相對平行平行地放置一個固定的地放置一個固定的扇形薄片扇形薄片，稱為光欄，稱為光欄板（板（指示光柵指示光柵），上面刻有，上面刻有相差相差1/4節(jié)距節(jié)距的兩個狹縫的兩個狹縫(在同一圓在同一圓周上，稱為周上，稱為辨向狹縫辨向狹縫)。光電碼盤里圈的不透光圓環(huán)上還刻有一條透光條紋光電碼盤里圈的不透光圓環(huán)上還刻有一條透光條紋Z作為參作為參考標記，用來產(chǎn)生考標記，用來產(chǎn)生“一轉脈沖一轉脈沖”信號，即碼盤轉一周時發(fā)

43、出一信號，即碼盤轉一周時發(fā)出一個個脈沖，通常稱其為脈沖，通常稱其為“零點脈沖零點脈沖”，該脈沖以差動形式輸出，用，該脈沖以差動形式輸出，用作作測量標準。測量標準。6.5 編碼器編碼器2022-3-2數(shù)控技術61光電脈沖編碼器結構示意圖光電脈沖編碼器結構示意圖 當光電碼盤與工作軸一起旋轉時，光線通過光欄板和光電當光電碼盤與工作軸一起旋轉時，光線通過光欄板和光電碼盤產(chǎn)生明暗相間的變化，由光電元件接受。通過信號處碼盤產(chǎn)生明暗相間的變化，由光電元件接受。通過信號處理電路將光信號轉換成電脈沖信號。理電路將光信號轉換成電脈沖信號。6.5 編碼器編碼器2022-3-2數(shù)控技術62A組與組與B組兩組狹縫，彼此錯開組兩組狹縫，彼此錯開1/4節(jié)距，兩組狹節(jié)距，兩組狹縫相對應的光敏元件產(chǎn)生的信號縫相對應的光敏元件產(chǎn)生的信號A、B彼此相差彼此相差90相位，用于辯向。相位，用于辯向。6.5 編碼器編碼器2022-3-2數(shù)