數(shù)顯表原理與應(yīng)用

1、數(shù)顯表原理與應(yīng)用*數(shù)顯表原理與應(yīng)用數(shù)顯表原理與應(yīng)用一、數(shù)顯表概念二、數(shù)顯表在機床改造中的應(yīng)用三、NEWALL數(shù)顯與球刪尺介紹四、GS9000 數(shù)顯表介紹一、數(shù)顯表概念v 數(shù)顯表是一種用于顯示的電子儀表，目前在各行各業(yè)均有應(yīng)數(shù)顯表是一種用于顯示的電子儀表，目前在各行各業(yè)均有應(yīng)用，因為其顯示數(shù)據(jù)精確而且一目了然，所以在很多場合下用，因為其顯示數(shù)據(jù)精確而且一目了然，所以在很多場合下已經(jīng)代替了已經(jīng)代替了指針式儀表。從我們指針式儀表。從我們家中的電子鐘表到工家中的電子鐘表到工廠用的顯示數(shù)據(jù)牌，廠用的顯示數(shù)據(jù)牌，無論是對時間的把握無論是對時間的把握還是對產(chǎn)量的控制都還是對產(chǎn)量的控制都提供了精準的數(shù)字顯提供

2、了精準的數(shù)字顯示，用數(shù)字量替換了示，用數(shù)字量替換了模擬量。模擬量。v 廣義和狹義之分廣義和狹義之分*二、數(shù)顯表在機床改造中的應(yīng)用二、數(shù)顯表在機床改造中的應(yīng)用v 數(shù)顯表的選用原則數(shù)顯表的選用原則 機床類型與控制軸數(shù)機床類型與控制軸數(shù) 檢測元件類型檢測元件類型 控制精度控制精度 可靠性可靠性 價格價格v 數(shù)顯表安裝方式：數(shù)顯表安裝方式：*四川工程職業(yè)技術(shù)學院四川工程職業(yè)技術(shù)學院v 如何安裝球柵尺如何安裝球柵尺 v 球柵尺的安裝是十分簡單的，一般是將球柵尺兩端用專用支架固球柵尺的安裝是十分簡單的，一般是將球柵尺兩端用專用支架固定在機床上。讀數(shù)頭固定在機床的走刀架上，與球柵尺做相對運定在機床上。讀數(shù)頭

3、固定在機床的走刀架上，與球柵尺做相對運動。有時小機床把讀數(shù)頭固定、球柵尺做運動。動。有時小機床把讀數(shù)頭固定、球柵尺做運動。v 3米以上的球柵尺（含米以上的球柵尺（含3米），要在尺的中間加裝彈性支架。一般米），要在尺的中間加裝彈性支架。一般1.5米距離裝一個彈性支架。米距離裝一個彈性支架。v 8米以下的（含米以下的（含8米）球柵尺不用接，米）球柵尺不用接，8米以上的尺需要接長。如米以上的尺需要接長。如10米的球柵尺要取兩根米的球柵尺要取兩根4.9米的鋼管、各在一端內(nèi)徑車扣。再取米的鋼管、各在一端內(nèi)徑車扣。再取0.2米的鋼管一根米的鋼管一根,兩端都在外徑上車扣。然后它們都裝上等量的鋼球兩端都在外徑

4、上車扣。然后它們都裝上等量的鋼球擰上即可。擰上即可。v 安裝數(shù)顯表時要注意盡可能遠離機床的電動機。以避免產(chǎn)生不安裝數(shù)顯表時要注意盡可能遠離機床的電動機。以避免產(chǎn)生不必要干擾信號。必要干擾信號。*三、三、NEWALLNEWALL數(shù)顯與球刪尺介紹數(shù)顯與球刪尺介紹v Newall公司于公司于1968年成立于英國年成立于英國Peterborough，現(xiàn)已發(fā)，現(xiàn)已發(fā)展成為施奈德電器集團的一份子，隸屬于施奈德展成為施奈德電器集團的一份子，隸屬于施奈德CST事業(yè)部（傳感器事業(yè)部（傳感器技術(shù)事業(yè)部）。自成立以來，技術(shù)事業(yè)部）。自成立以來，Newall公司一直致力于為機械及自動公司一直致力于為機械及自動化領(lǐng)域提

5、供定位準確的高可靠產(chǎn)品，旨在幫助客戶不斷提高生產(chǎn)力化領(lǐng)域提供定位準確的高可靠產(chǎn)品，旨在幫助客戶不斷提高生產(chǎn)力和制造效率。和制造效率。Newall作為球柵尺及數(shù)顯表的生產(chǎn)商，其專業(yè)產(chǎn)品廣受客戶推崇。作為球柵尺及數(shù)顯表的生產(chǎn)商，其專業(yè)產(chǎn)品廣受客戶推崇。Newall品牌的數(shù)顯表，采用領(lǐng)先技術(shù)與制造工藝，專為提高機床品牌的數(shù)顯表，采用領(lǐng)先技術(shù)與制造工藝，專為提高機床生產(chǎn)效率而設(shè)計。主要與生產(chǎn)效率而設(shè)計。主要與Newall Spherosyn和和Microsyn系系列球柵尺配套使用，是非常可靠的數(shù)顯系統(tǒng)。列球柵尺配套使用，是非常可靠的數(shù)顯系統(tǒng)。*NEWALL數(shù)顯表型號數(shù)顯表型號v A50v B60v C

6、80v E70v E90v SA100v TOPAZ-Dv DP-900*v Newall球柵尺優(yōu)勢球柵尺優(yōu)勢 防護等級防護等級IP67(6 灰塵難以進入，完全防塵?；覊m難以進入，完全防塵。7 浸在深度不超過浸在深度不超過1米的米的水下可防止水進入。水下可防止水進入。) 防塵、防油、防鐵屑，能在惡劣環(huán)境下工作防塵、防油、防鐵屑，能在惡劣環(huán)境下工作 無機械磨損無機械磨損 無需日常清理與維護無需日常清理與維護 抗沖擊、耐震動抗沖擊、耐震動 可靠性高可靠性高*v Newall球柵尺優(yōu)勢球柵尺優(yōu)勢v 位置傳感器可粗略地被分為兩大類，直流型和交流型。光電式和位置傳感器可粗略地被分為兩大類，直流型和交流型

7、。光電式和磁力式傳感器就屬于直流型，這兩類傳感器均包含線性傳感器和磁力式傳感器就屬于直流型，這兩類傳感器均包含線性傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器。交流型傳感器要么是電感型，要么是電容型。旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)編碼器。交流型傳感器要么是電感型，要么是電容型。旋轉(zhuǎn)器屬于電感型角度傳感器，而器屬于電感型角度傳感器，而LVDT、感應(yīng)同步器和、感應(yīng)同步器和Newall球柵球柵則屬于電感型線性傳感器。則屬于電感型線性傳感器。v 交流傳感器的信號為含基波分量的交流調(diào)制信號，直流傳感器的信號則交流傳感器的信號為含基波分量的交流調(diào)制信號，直流傳感器的信號則為直流調(diào)制信號。在存在偏置誤差、信號漂移和低頻干擾的情況下，直為直流調(diào)制信號。在存

8、在偏置誤差、信號漂移和低頻干擾的情況下，直流信號有其致命弱點。流信號有其致命弱點。v 偏置誤差可通過專門的運算放大器消除，實際上就是將直流信號偏置誤差可通過專門的運算放大器消除，實際上就是將直流信號先轉(zhuǎn)化為交流信號，消除誤差偏置后再轉(zhuǎn)換回直流信號。而交流先轉(zhuǎn)化為交流信號，消除誤差偏置后再轉(zhuǎn)換回直流信號。而交流傳感器內(nèi)的耦合電路本身就能消除大部分偏置誤差。傳感器內(nèi)的耦合電路本身就能消除大部分偏置誤差。*v 信號漂移也是讓直流傳感器頭疼的一個問題，尤其是對于光柵來信號漂移也是讓直流傳感器頭疼的一個問題，尤其是對于光柵來說，說，LED光源和太陽電池會不斷老化，更容易引起輸出信號的光源和太陽電池會不斷

9、老化，更容易引起輸出信號的漂移。像漂移。像Newall球柵這樣的傳感器，采用電磁感應(yīng)的測量方式，是球柵這樣的傳感器，采用電磁感應(yīng)的測量方式，是基于系統(tǒng)某些穩(wěn)定的物理特性，如：線圈圈數(shù)比、磁導率等，這些是不基于系統(tǒng)某些穩(wěn)定的物理特性，如：線圈圈數(shù)比、磁導率等，這些是不會隨時間而改變特性的。會隨時間而改變特性的。v 低頻干擾，尤其是低頻電源的干擾，會作用于直流信號，除非低頻干擾，尤其是低頻電源的干擾，會作用于直流信號，除非延長系統(tǒng)響應(yīng)時間，否則很難被排除。交流傳感器，是在某一延長系統(tǒng)響應(yīng)時間，否則很難被排除。交流傳感器，是在某一精確穩(wěn)定的頻率下工作，故可以采用高頻和低頻濾波器消除干精確穩(wěn)定的頻率下

10、工作，故可以采用高頻和低頻濾波器消除干擾，且不影響系統(tǒng)響應(yīng)速度。擾，且不影響系統(tǒng)響應(yīng)速度。v Newall球柵曾因其原始球柵距大于光柵距而遭人置疑。但事實上，球柵曾因其原始球柵距大于光柵距而遭人置疑。但事實上，對于交流信號而言，通過電細分插補實現(xiàn)高分辨率，比直流信號更容對于交流信號而言，通過電細分插補實現(xiàn)高分辨率，比直流信號更容易實現(xiàn)。就像旋轉(zhuǎn)編碼器能夠?qū)崿F(xiàn)同光電編碼器一樣的精度和分辨率易實現(xiàn)。就像旋轉(zhuǎn)編碼器能夠?qū)崿F(xiàn)同光電編碼器一樣的精度和分辨率，Newall球柵也可以達到與直線光柵和磁柵一樣的高性能。球柵也可以達到與直線光柵和磁柵一樣的高性能。*v球柵尺與微柵尺性能比較球柵尺與微柵尺性能比較

11、*技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)球柵尺球柵尺SPHEROSYN微柵尺微柵尺MICROSYN測量分辨率測量分辨率0.005mm/0.001mm0.001mm/0.0005mm測量準確度測量準確度(0.01+0.005/m)mm0.005mm最大運行速度最大運行速度2m/sec0.75m/sec有效行程有效行程5011684mm(30m)501050mm信號輸出信號輸出Sin/Cos或或RS422-TTLSin/Cos或或RS422-TTL讀數(shù)頭尺寸讀數(shù)頭尺寸54mm131mm28mm 35mm75mm25mm防護等級防護等級IP67(IEC529)IP67(IEC529)抗沖擊抗沖擊100g(IEC69-2-

12、6)100g(IEC69-2-6)耐振動耐振動30g(IEC-2-27)30g(IEC-2-27)熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)1210-6/K1210-6/Kv 球柵尺原理球柵尺原理v 球柵采用電磁感應(yīng)技術(shù)，含讀數(shù)頭和尺身兩部分。球柵采用電磁感應(yīng)技術(shù)，含讀數(shù)頭和尺身兩部分。v 尺身是一根不銹鋼管，內(nèi)裝精密的鎳鎘合金球構(gòu)成。生產(chǎn)調(diào)試時，會對合金球加尺身是一根不銹鋼管，內(nèi)裝精密的鎳鎘合金球構(gòu)成。生產(chǎn)調(diào)試時，會對合金球加載一定的預緊力，使其緊密排列。讀數(shù)頭內(nèi)封裝有線圈組及電路，測量時，讀數(shù)載一定的預緊力，使其緊密排列。讀數(shù)頭內(nèi)封裝有線圈組及電路，測量時，讀數(shù)頭沿尺身滑動。頭沿尺身滑動。*v 上圖顯示了讀數(shù)頭

13、內(nèi)線圈的排列情況。采集線圈共有上圖顯示了讀數(shù)頭內(nèi)線圈的排列情況。采集線圈共有6組，在一個球柵距內(nèi)，相同繞向的組，在一個球柵距內(nèi)，相同繞向的ABCD四個線圈組成一組，鑒于合金球是緊密排列的，相鄰的兩個四個線圈組成一組，鑒于合金球是緊密排列的，相鄰的兩個A線圈間距是一線圈間距是一定的，即為一個球距。采集線圈之外是激磁線圈。定的，即為一個球距。采集線圈之外是激磁線圈。v 在一個球柵距內(nèi)，不同位置的合金球切割磁力線的截面積不同，因而磁導率會成周期性變在一個球柵距內(nèi)，不同位置的合金球切割磁力線的截面積不同，因而磁導率會成周期性變化。線圈采集到的感應(yīng)電壓，亦隨之變化。化。線圈采集到的感應(yīng)電壓，亦隨之變化。

14、*v 如圖，一個球柵距內(nèi)，不同位置的如圖，一個球柵距內(nèi)，不同位置的線圈，采集到的線圈，采集到的ABCD四向感應(yīng)信號四向感應(yīng)信號幅值的變化。同組的四個線圈，位置需幅值的變化。同組的四個線圈，位置需滿足一定要求，例如，當一個感應(yīng)信號滿足一定要求，例如，當一個感應(yīng)信號（如（如A）在波峰位置時，對應(yīng)的另一）在波峰位置時，對應(yīng)的另一個感應(yīng)信號（如個感應(yīng)信號（如C）應(yīng)在波谷位置。）應(yīng)在波谷位置。這對信號經(jīng)過差分混合產(chǎn)生如圖這對信號經(jīng)過差分混合產(chǎn)生如圖2b所所示的信號（如示的信號（如A-C），這一中間信），這一中間信號與原始感應(yīng)信號有一定相位差。號與原始感應(yīng)信號有一定相位差。如如A-C信號相位超強信號相位超

15、強45度，而度，而D-B信信號的相位則滯后號的相位則滯后45度。中間信號再進度。中間信號再進行濾波整合，才得到最終輸出信號。讀行濾波整合，才得到最終輸出信號。讀數(shù)頭沿著尺身滑動時，輸出信號的相位數(shù)頭沿著尺身滑動時，輸出信號的相位將隨其在將隨其在0度至度至360度之間變化。度之間變化。*v 輸出信號基波頻率為輸出信號基波頻率為10KHz，峰峰值約為，峰峰值約為5伏，直流輸出電位約為伏，直流輸出電位約為5伏。在一伏。在一個球柵距（如每個球柵距（如每12.7毫米）內(nèi)，測量出的位置值都是絕對值。如圖就說明毫米）內(nèi)，測量出的位置值都是絕對值。如圖就說明了：了：90度相位差對應(yīng)的是度相位差對應(yīng)的是3.17

16、5mm的位移。的位移。*v光柵尺原理與應(yīng)用光柵尺原理與應(yīng)用v光柵分為物理光柵和計量光柵兩大類。檢測直線光柵分為物理光柵和計量光柵兩大類。檢測直線位移的稱為直線光柵，檢測角度位移的稱為圓光位移的稱為直線光柵，檢測角度位移的稱為圓光柵；根據(jù)光電元件感光方式不同，可將光柵分為柵；根據(jù)光電元件感光方式不同，可將光柵分為玻璃透射式光柵和金屬反射式光柵。玻璃透射式光柵和金屬反射式光柵。直線玻璃透射式光柵和金屬反射式光柵檢測裝置分別如直線玻璃透射式光柵和金屬反射式光柵檢測裝置分別如圖所示。圖所示。 透射式光柵檢測裝置反射式光柵檢測裝置v 玻璃透射式光柵是在透明的光學玻璃表面制成感光涂層或金屬玻璃透射式光柵是

17、在透明的光學玻璃表面制成感光涂層或金屬鍍膜，經(jīng)過涂敷，蝕刻等工藝制成間隔相等的透明與不透明線鍍膜，經(jīng)過涂敷，蝕刻等工藝制成間隔相等的透明與不透明線紋，線紋的間距和寬度相等并與運動方向垂直，線紋之間的間紋，線紋的間距和寬度相等并與運動方向垂直，線紋之間的間距稱為柵距。常用的線紋密度為距稱為柵距。常用的線紋密度為25條條/、50條條/、100條條/、250條條/。條數(shù)越多，光柵的分辨率越高。條數(shù)越多，光柵的分辨率越高。v 圓光柵是在玻璃圓盤的圓環(huán)端面上，制成透光與不透光相間的條紋，圓光柵是在玻璃圓盤的圓環(huán)端面上，制成透光與不透光相間的條紋，條紋呈輻射狀，相互間的夾角相等。條紋呈輻射狀，相互間的夾角

18、相等。v 直線透射式光柵直線透射式光柵v 1. 組成組成v 由標尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成，光柵讀數(shù)頭包括光源、由標尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成，光柵讀數(shù)頭包括光源、透鏡、光電元件、指示光柵等。如圖透鏡、光電元件、指示光柵等。如圖9-14所示。所示。v 標尺光柵和指示光柵也可稱為長光柵和短光柵，它們的線紋標尺光柵和指示光柵也可稱為長光柵和短光柵，它們的線紋密度相等。長光柵可安裝在機床的固定部件上（如機床床密度相等。長光柵可安裝在機床的固定部件上（如機床床身），其長度應(yīng)等于工作臺的全行程；短光柵長度較短，隨身），其長度應(yīng)等于工作臺的全行程；短光柵長度較短，隨光柵讀數(shù)頭安裝在機床的移動部件上。光

19、柵讀數(shù)頭安裝在機床的移動部件上。光柵位置檢測裝置的組成1光源 2透鏡 3標尺光柵4指示光柵 5光電元件v 2. 工作原理工作原理v 在測量時，長短兩光柵尺面相互平行地重疊在一起，并保持在測量時，長短兩光柵尺面相互平行地重疊在一起，并保持0.01至至0.1mm的間隙，指示光柵相對標尺光柵在自身平面內(nèi)旋的間隙，指示光柵相對標尺光柵在自身平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)一個微小的角度轉(zhuǎn)一個微小的角度。當光線平行照射光柵時，由于光的透射和。當光線平行照射光柵時，由于光的透射和衍射效應(yīng)，在與兩光柵線紋夾角衍射效應(yīng)，在與兩光柵線紋夾角的平分線相垂直的方向上，的平分線相垂直的方向上，會出現(xiàn)明暗交替、間隔相等的粗條紋會出現(xiàn)明暗交替

20、、間隔相等的粗條紋莫爾條紋，如圖所示。莫爾條紋，如圖所示。莫爾條紋形成原理v 兩條暗帶或明帶之間的距離稱為莫爾條紋的間距兩條暗帶或明帶之間的距離稱為莫爾條紋的間距B，若光柵的柵，若光柵的柵距為距為W，則，則因為因為很小，則很小，則由此可見，莫爾條紋的間距與光柵的柵距成正比。由此可見，莫爾條紋的間距與光柵的柵距成正比。 2sin2WB WB 莫爾條紋具有如下特點：莫爾條紋具有如下特點： v 由上式可知，莫爾條紋的間距由上式可知，莫爾條紋的間距B是光柵柵距是光柵柵距W的的1/，由于，由于很?。ㄐ∮诤苄。ㄐ∮?0），故），故BW，即莫爾條紋具有放大作用。例如，即莫爾條紋具有放大作用。例如，當柵距為當

21、柵距為W=0.01，=0.001rad時，莫爾條紋的間距時，莫爾條紋的間距B=10。因此，不需要經(jīng)過復雜的光學系統(tǒng)，就能把光柵的柵。因此，不需要經(jīng)過復雜的光學系統(tǒng)，就能把光柵的柵距轉(zhuǎn)換成放大了距轉(zhuǎn)換成放大了1000倍的莫爾條紋的寬度，從而大大簡化了電倍的莫爾條紋的寬度，從而大大簡化了電子放大線路，這是光柵技術(shù)獨有的特點。子放大線路，這是光柵技術(shù)獨有的特點。v （2）起均化誤差作用）起均化誤差作用 v 莫爾條紋由若干線紋組成，若光電元件接受長度為莫爾條紋由若干線紋組成，若光電元件接受長度為10，當，當W=0.01時，時， 10寬的莫爾條紋就由寬的莫爾條紋就由1000條線紋組成，因此，條線紋組成，

22、因此，制造上的間距誤差（或缺陷），只會影響千分之幾的光電效果。所以，制造上的間距誤差（或缺陷），只會影響千分之幾的光電效果。所以，莫爾條紋測量長度時，決定其精度的不是一條線紋，而是一組線紋的莫爾條紋測量長度時，決定其精度的不是一條線紋，而是一組線紋的平均效應(yīng)。平均效應(yīng)。v （3）莫爾條紋的變化規(guī)律）莫爾條紋的變化規(guī)律v 長短兩光柵相對移動一個柵距長短兩光柵相對移動一個柵距W，莫爾條紋移動一個條紋間，莫爾條紋移動一個條紋間距距B，即光柵某一固定點的光強按明，即光柵某一固定點的光強按明暗暗明規(guī)律交替變化一次。光明規(guī)律交替變化一次。光電元件只要讀出移動的莫爾條紋條紋數(shù)，就知道光柵移動了多少柵距，電元

23、件只要讀出移動的莫爾條紋條紋數(shù)，就知道光柵移動了多少柵距，從而也就知道了運動部件的準確位移量。從而也就知道了運動部件的準確位移量。3. 光柵的辨向與信號處理光柵的辨向與信號處理v 在移動過程中，經(jīng)過光柵的光線，其光強呈正（余）弦函數(shù)變化，反在移動過程中，經(jīng)過光柵的光線，其光強呈正（余）弦函數(shù)變化，反映莫爾條紋的移動的光信號由光電元件接收轉(zhuǎn)換成近似正（余）弦函映莫爾條紋的移動的光信號由光電元件接收轉(zhuǎn)換成近似正（余）弦函數(shù)的電壓信號，然后經(jīng)信號處理裝置整形、放大及微分處理后，即可數(shù)的電壓信號，然后經(jīng)信號處理裝置整形、放大及微分處理后，即可輸出與檢測位移成比例的脈沖信號。為了既能計數(shù)，又能判別工作臺

24、輸出與檢測位移成比例的脈沖信號。為了既能計數(shù)，又能判別工作臺移動的方向，如圖所示的光柵用了移動的方向，如圖所示的光柵用了4個光電元件。每個光電元件相個光電元件。每個光電元件相距四分之一柵距（距四分之一柵距（W/4）。當指示光柵相對標尺光柵移動時，莫）。當指示光柵相對標尺光柵移動時，莫爾條紋通過各個光電元件的時間不一樣，光電元件的電信號雖然波形爾條紋通過各個光電元件的時間不一樣，光電元件的電信號雖然波形一樣，但相位相差一樣，但相位相差1/4周期。根據(jù)各光電元件輸出信號的相位關(guān)周期。根據(jù)各光電元件輸出信號的相位關(guān)系，就可確定指示光柵移動的方向。系，就可確定指示光柵移動的方向。v 光柵的特點光柵的特點v 1. 有很高的檢測精度?，F(xiàn)在光柵的精度可達微米級，再經(jīng)細分電有很高的檢測精度?，F(xiàn)在光柵的精度可達微米級，再經(jīng)細分電路可以達到路可以達到0.1微米。微米。v