位置檢測(cè)裝置61課件

1、本章重點(diǎn)、難點(diǎn)和知識(shí)拓展本章重點(diǎn):用于檢測(cè)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件位置、速度的各種檢測(cè)裝置及其工作原理。知識(shí)拓展：數(shù)控機(jī)床常用的位置檢測(cè)裝置有光柵、編碼器、感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器及磁柵等。從測(cè)量的方式看有直接測(cè)量和間接測(cè)量；從測(cè)量裝置的原理和輸出信號(hào)看有絕對(duì)式測(cè)量和增量式測(cè)量及數(shù)字式測(cè)量和模擬式測(cè)量。本章難點(diǎn)：每種檢測(cè)裝置使用場(chǎng)合和安裝方式。圖6-1 CNC系統(tǒng)的組成6.1.1檢測(cè)概述 位置檢測(cè)裝置是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。在閉環(huán)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，它的主要作用是檢測(cè)位移和速度，并發(fā)出反饋信號(hào)，構(gòu)成閉環(huán)或半閉環(huán)控制。6.1 概述6.1概述圖6-2富士通CNC系統(tǒng)原理圖工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)；滿足精度和速度

2、的要求；易于安裝，使用維護(hù)方便，適應(yīng)機(jī)床工作環(huán)境；成本低。數(shù)控機(jī)床對(duì)位置檢測(cè)裝置的要求 位置檢測(cè)裝置按工作條件和測(cè)量要求不同，有下面幾種分類方法：直接測(cè)量：對(duì)直線位移采用直線型檢測(cè)元件測(cè)量間接測(cè)量：對(duì)直線位移采用回轉(zhuǎn)型檢測(cè)元件測(cè)量6.1.2 檢測(cè)元件的作用與分類數(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。 安裝的位置及耦合方式直接測(cè)量和間接測(cè)量； 測(cè)量方法 增量型和絕對(duì)型; 檢測(cè)信號(hào)的類型 模擬式和數(shù)字式； 運(yùn)動(dòng)型式 回轉(zhuǎn)型和直線型； 信號(hào)轉(zhuǎn)換的原理 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。 工作臺(tái)絲杠編碼器步進(jìn)電機(jī)間接測(cè)量示例直接測(cè)量示例封閉式光柵尺測(cè)角測(cè)長

3、位移檢測(cè)裝置數(shù)字式增量式光電盤圓光柵數(shù)碼盤絕對(duì)式模擬式增量式 旋轉(zhuǎn)變壓器（同步分解器）圓感應(yīng)同步器磁盤絕對(duì)式多極同步分解器同步分解器組件三重式圓感應(yīng)同步器長光柵多通道透射光柵直線感應(yīng)同步器磁尺數(shù)字式增量式絕對(duì)式模擬式增量式絕對(duì)式多重式直線感應(yīng)同步器位移檢測(cè)裝置的分類6.2.1 旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理6.2.2 旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用（又稱同步分解器)6.2 旋轉(zhuǎn)變壓器 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種旋轉(zhuǎn)式的小型交流電機(jī)，它由定子和轉(zhuǎn)子組成。圖6-3所示的是一種無刷旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)圖，左邊為分解器，右邊為變壓器。旋轉(zhuǎn)變壓器是根據(jù)互感原理工作的。圖6-3 無刷旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)圖6.2.1 旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原

4、理第6章思考題與習(xí)題-解答旋轉(zhuǎn)變壓器 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種角位移測(cè)量裝置。結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)作靈敏、對(duì)環(huán)境無特殊要求、維護(hù)方便、輸出信號(hào)幅度大、抗干擾性強(qiáng)，工作可靠。 旋轉(zhuǎn)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原邊，接受勵(lì)磁電壓。轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的副邊，通過電磁耦合得到感應(yīng)電壓，只是其輸出電壓大小與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)。 旋轉(zhuǎn)變壓器分為單極和多極形式，先分析一下單極工作情況。旋轉(zhuǎn)變壓器是根據(jù)互感原理工作的。它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造保證了定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣隙內(nèi)的磁通分布呈正弦規(guī)律，當(dāng)定子繞組上加交流激磁電壓時(shí)，通過互感在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其輸出電壓的大小取決于定子與轉(zhuǎn)子兩個(gè)繞組軸線在

5、空間的相對(duì)位置角。圖6-4旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理圖兩者垂直時(shí)互感為零，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也為零；兩者平行時(shí)互感最大，副邊的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也最大。式中：K-變壓比，即兩個(gè)繞組匝數(shù)比W1/W2；U1-定子的激磁電壓；Vm-定子的最大瞬時(shí)電壓； 勵(lì)磁信號(hào)角頻率；旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)角。輸出：U2=KU1sin =KVmsintsin (6-1a)輸入：U1=Vmsint最大互感電壓U2=KVmsint (6-1b)圖6-4旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理圖 實(shí)際使用時(shí)通常采用多極形式，如正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，其定子和轉(zhuǎn)子均由兩個(gè)匝數(shù)相等，軸線相互垂直的繞組構(gòu)成，如圖所示。6.2.2 旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用 一個(gè)轉(zhuǎn)子繞組接高阻抗作為補(bǔ)償，另一個(gè)

6、轉(zhuǎn)子繞組作為輸出，應(yīng)用疊加原理，其磁通為：轉(zhuǎn)子輸出電壓則為：應(yīng)用旋轉(zhuǎn)變壓器作位置檢測(cè)元件，有兩種方法：鑒相型和鑒幅型應(yīng)用。 在此狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)變壓器的定子兩相正交繞組即正弦繞組S和余弦繞組C中分別加上幅值相等、頻率相同而相位相差90的正弦交流電壓(如圖6-5所示)， Us=Vmsint （6-2） Uc=Vmcost (6-3) 這兩相激磁電壓會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在轉(zhuǎn)子繞組中(另一繞組短接)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 U2=Ussin+Uccos 即U2=KVmsintsin+KVmcostcos =KVmcos(t-) （1）鑒相型應(yīng)用 測(cè)量轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓的相位角，即可測(cè)得轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的空間轉(zhuǎn)角位置。在實(shí)際

7、應(yīng)用時(shí)，把對(duì)定子正弦繞組激磁的交流電壓相位作為基準(zhǔn)相位，與轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓相位作比較，來確定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的位移。 定子兩相繞組的激磁電壓為頻率相同、相位相同而幅值分別按正弦、余弦規(guī)律變化的交變電壓，即 Us=Vmsinsint (6-4) Uc=Vmcossint (6-5) 激磁電壓頻率為24 kHz。 定子激磁信號(hào)產(chǎn)生的合成磁通在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U2，其大小與轉(zhuǎn)子和定子的相對(duì)位置即m有關(guān)，并與激磁的幅值Vmsin和Vmcos有關(guān)，即 U2=KVmsin(-m)sint (6-6) (2) 鑒幅型應(yīng)用若m=，則U2=0。m=90時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大。 在實(shí)際應(yīng)用中，不斷調(diào)整定子激

8、磁信號(hào)的電氣角(即激磁幅值)，使其跟蹤機(jī)械角m的變化。當(dāng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U2的幅值KVmsin(-m)為零時(shí)，說明角的大小就是被測(cè)角位移m的大小。 注 意：旋轉(zhuǎn)變壓器作為角度位置檢測(cè)裝置，有兩種典型工作方式，鑒相式和鑒幅式。鑒相式是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的相位來檢測(cè)位移量；鑒幅式是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的幅值來檢測(cè)位移量。旋轉(zhuǎn)變壓器是一種角位移測(cè)量裝置，由定子和轉(zhuǎn)子組成。旋轉(zhuǎn)變壓器是根據(jù)互感原理工作的。小結(jié)6.3.1感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)6.3.2感應(yīng)同步器的工作原理6.3.3感應(yīng)同步器的特點(diǎn)6.3.4 感應(yīng)同步器的應(yīng)用6.3 感應(yīng)同步器 感應(yīng)同步器和旋轉(zhuǎn)變壓器均為電磁式檢測(cè)裝置，屬模擬式測(cè)量，二者工作原理相同，其輸

9、出電壓隨被測(cè)直線位移或角位移而改變。 感應(yīng)同步器按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一般分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種： 直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成，用于直線位移測(cè)量。旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成，用于角位移測(cè)量。圖6-5感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)圖6.3.1 感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)sincos節(jié)距2（2mm）絕緣粘膠銅箔鋁箔耐切削液涂層基板(鋼、銅)定尺滑尺 直線感應(yīng)同步器相當(dāng)于一個(gè)展開的多極旋轉(zhuǎn)變壓器，定尺和滑尺的基板采用與機(jī)床熱膨脹系數(shù)相近的鋼板制成，鋼板上用絕緣粘結(jié)劑貼有銅箔，并利用腐蝕的辦法做成圖示的印刷繞組。長尺叫定尺，安裝在機(jī)床床身上，短尺為滑尺，安裝于移動(dòng)部件上，兩者平行放置，保持0.25-0.05

10、mm間隙。 感應(yīng)同步器兩個(gè)單元繞組之間的距離為節(jié)距，滑尺和定尺的節(jié)距均為2，這是衡量感應(yīng)同步器精度的主要參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)同步器定尺長250mm，滑尺長100mm，節(jié)距為2mm。定尺上是單向、均勻、連續(xù)的感應(yīng)繞組，滑尺有兩組繞組，一組為正弦繞組，另一為余弦繞組。圖6-6感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)圖 感應(yīng)電壓的幅值變化規(guī)律是一個(gè)周期性的余弦曲線。為確定唯一位移，在滑尺上與正弦繞組錯(cuò)開1/4節(jié)距處（當(dāng)正弦繞組與定尺繞組對(duì)齊時(shí)），配置了余弦繞組。若滑尺上的正、余弦繞組同時(shí)勵(lì)磁，就可以分辨出感應(yīng)電壓值所對(duì)應(yīng)的唯一確定的位移。 感應(yīng)同步器的工作原理與旋轉(zhuǎn)變壓器基本上相同，使用時(shí)，在滑尺繞組通以一定頻率的交流電壓，由于

11、電磁感應(yīng)，在定尺繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其幅值和相位取決于定尺與滑尺的相對(duì)位置，如圖6-7所示。圖6-7感應(yīng)同步器的工作原理圖6.3.2 感應(yīng)同步器的工作原理給繞組S和C分別通以幅值相同、頻率相同但相位相差90的交流電壓，即Us=Vmsint Uc=Vmcost 分別在定尺的繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電壓為 V1=KVmcossintV2=-KVmsincost 則在定尺繞組上產(chǎn)生合成電壓為V=V1+V2 V=KVmcossint-KVmsincost =KVmsin(t-) 圖6-8鑒相系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖（1） 鑒相方式 若感應(yīng)同步器的節(jié)距為2，則滑尺直線位移量x與之間的關(guān)系為=2x/2=x/。可見，在一個(gè)節(jié)

12、距內(nèi)與x是一一對(duì)應(yīng)的。通過測(cè)量定尺感應(yīng)電壓的相位，即可測(cè)量出定尺相對(duì)滑尺的位移x。則感應(yīng)到定尺繞組電勢(shì)為V=-KVmsin(m-)sint若m=，則V=0。 給滑尺的正弦繞組S和余弦繞組C分別通以頻率相同、相位相同但幅值不同且能由指令角位移調(diào)節(jié)的交流電壓，即Us=Vmsinsint Uc=Vmcossint （2） 鑒幅方式 假定激磁電壓的與定尺、滑尺的實(shí)際相位角m不一致時(shí)，設(shè)m=+，則V=-KVmsinsint當(dāng)很小時(shí)，上式可近似表示為 V=-(KVmsint) 由上式可知，定尺上感應(yīng)電勢(shì)與成正比，即V隨指令給定的位移量x()與工作臺(tái)實(shí)際位移量x1(m)的差值x()成正比變化。因此通過測(cè)量V

13、的幅值，就可以測(cè)定位移量x的大小。 當(dāng)工作臺(tái)位移值x1未達(dá)到指令要求值時(shí)，即x1x(m)時(shí)，定尺上感應(yīng)電壓V0。該電壓經(jīng)檢波放大控制伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)。當(dāng)工作臺(tái)移動(dòng)至x1=x(m=)時(shí)，定尺上感應(yīng)電壓V=0，誤差信號(hào)消失，工作臺(tái)停止移動(dòng)。定尺上感應(yīng)電壓V同時(shí)輸至相敏放大器，與來自相位補(bǔ)償器的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)進(jìn)行比較，以控制工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向。 由于感應(yīng)同步器具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛用于位移檢測(cè)。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(0.250.05) mm范圍內(nèi)。間隙變化也必須控制在0.01 mm之內(nèi)。如間隙過大，將影響測(cè)量信號(hào)的靈敏度。其特點(diǎn)：6.3.3 感應(yīng)同步器的

14、特點(diǎn)(1) 精度高 感應(yīng)同步器的極對(duì)數(shù)多，平均效應(yīng)所產(chǎn)生的測(cè)量精度要比制造精度高，且輸出信號(hào)是由滑尺和定尺之間相對(duì)移動(dòng)產(chǎn)生的，中間無機(jī)械轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，所以測(cè)量結(jié)果只受本身精度的影響。(2) 測(cè)量長度不受限制 當(dāng)測(cè)量長度大于250 mm時(shí)，可以采用多塊尺接長，相鄰定尺間隔可用塊規(guī)或激光測(cè)長儀進(jìn)行調(diào)整，使總長度上的累積誤差不大于單塊定尺的最大偏差。(3) 對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng) 直線式感應(yīng)同步器的金屬基尺與安裝部件的材料的膨脹系數(shù)相似，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。(4) 維護(hù)簡單、壽命長 定尺、滑尺之間無接觸磨損，在機(jī)床上安裝簡單。但使用時(shí)需要加防護(hù)罩，防止切屑進(jìn)入定、滑尺之間劃

15、傷導(dǎo)片。 如果感應(yīng)同步器的節(jié)距為2mm，脈沖當(dāng)量選定為=0.001mm，一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的相移角1為 數(shù)控裝置每發(fā)一個(gè)進(jìn)給脈沖，經(jīng)脈沖調(diào)相器變?yōu)槌盎鶞?zhǔn)信號(hào)一個(gè)0.18相移角的信號(hào)，即1=1-0=0.18。此時(shí)因工作臺(tái)未動(dòng)，反饋信號(hào)相對(duì)于基準(zhǔn)信號(hào)的相位差2=2-0=0（2為定尺繞組上作為反饋信號(hào)所取的感應(yīng)電壓U2的相位）。鑒相器將12 =0.18的相位差檢測(cè)出來，經(jīng)放大后控制伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。隨著工作臺(tái)的移動(dòng)，2逐漸增大，相位差逐漸減少，直至0。 6.3.4 感應(yīng)同步器的應(yīng)用作為位置檢測(cè)裝置， 有兩種典型工作方式，鑒相式和鑒幅式。鑒相式是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的相位來檢測(cè)位移量；鑒幅式是根據(jù)感應(yīng)

16、輸出電壓的幅值來檢測(cè)位移量。感應(yīng)同步器和旋轉(zhuǎn)變壓器均為電磁式檢測(cè)裝置，屬模擬式測(cè)量，二者工作原理相同，其輸出電壓隨被測(cè)直線位移或角位移而改變。是根據(jù)互感原理工作的。小結(jié)6.4 脈沖編碼器6.4.1增量式編碼器6.4.2絕對(duì)值式編碼器6.4.3脈沖編碼器的使用 脈沖編碼器是一種光學(xué)式位置檢測(cè)元件，編碼盤直接裝在轉(zhuǎn)軸上，以測(cè)出軸的旋轉(zhuǎn)角度位置和速度變化，其輸出信號(hào)為電脈沖。 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，是數(shù)控機(jī)床上使用很廣泛的位置檢測(cè)裝置。 這種檢測(cè)方式的特點(diǎn)是：檢測(cè)方式是非接觸式的，無摩擦和磨損，驅(qū)動(dòng)力小，響應(yīng)速度快。按編碼的方式，可分為增量式和絕對(duì)值式兩種。脈沖編

17、碼器增量式脈沖編碼器分光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式三種。就精度和可靠性來講，光電式脈沖編碼器優(yōu)于其它兩種，它的型號(hào)是用脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)（p/r）來區(qū)分，數(shù)控機(jī)床常用2000、2500、3000p/r等，現(xiàn)在已有每轉(zhuǎn)發(fā)10萬個(gè)脈沖的脈沖編碼器。脈沖編碼器除用于角度檢測(cè)外，還可以用于速度檢測(cè)。6.4.1 增量式編碼器光電脈沖編碼器結(jié)構(gòu)及工作原理 abz碼盤基片光源透光狹縫節(jié)距m+/4信號(hào)處理裝置光電編碼器的構(gòu)成 光源、指示光柵、圓光柵、光電元件。第6章思考題與習(xí)題-解答脈沖編碼器 光電盤是用玻璃材料研磨拋光制成，玻璃表面在真空中鍍上一層不透光的鉻，然后用照相腐蝕法在上面制成向心透光窄縫。 A與B錯(cuò)開90相

18、位角安裝。 光電碼盤隨被測(cè)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，在光源的照射下，透過光電碼盤和光柵板形成忽明忽暗的光信號(hào)，光敏元件把此光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過信號(hào)處理裝置的整形、放大等處理后輸出。輸出的波形有六路： 其中， 是 的取反信號(hào)。 信號(hào)處理裝置abz節(jié)距m+/4AAa 輸出信號(hào)的作用及其處理 A、B兩相的作用根據(jù)脈沖的數(shù)目可得出被測(cè)軸的角位移；根據(jù)脈沖的頻率可得被測(cè)軸的轉(zhuǎn)速；根據(jù)A、B兩相的相位超前滯后關(guān)系可判斷被測(cè)軸旋轉(zhuǎn)方向。Z相的作用 被測(cè)軸的周向定位基準(zhǔn)信號(hào)；被測(cè)軸的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)記數(shù)信號(hào)。AB90OZ碼盤轉(zhuǎn)一圈 如用數(shù)控車床切削螺紋時(shí)，可將這種脈沖當(dāng)做車刀進(jìn)刀點(diǎn)和退刀點(diǎn)的信號(hào)使用，以保證切削螺紋時(shí)不會(huì)亂扣。

19、這種脈沖也可用于高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)或加工中心等數(shù)控機(jī)床上的主軸準(zhǔn)停信號(hào)。A、B相脈沖信號(hào)經(jīng)頻率電壓變換后，得到與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速成正比例的電壓信號(hào)，它就是速度反饋信號(hào)。 增量式編碼器的缺點(diǎn)是，有可能由于噪聲或其他外界干擾產(chǎn)生計(jì)數(shù)錯(cuò)誤，若因停電，刀具破損而停機(jī)，事故排除后不能再找到事故前執(zhí)行部件的正確位置。 絕對(duì)式編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式檢測(cè)裝置，可直接把被測(cè)轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來，且每一個(gè)角度位置均有其對(duì)應(yīng)的測(cè)量代碼，它能表示絕對(duì)位置，沒有累積誤差，電源切除后，位置信息不丟失，仍能讀出轉(zhuǎn)動(dòng)角度。 絕對(duì)值式編碼器是利用其圓盤上的圖案來表示數(shù)值的。 絕對(duì)式編碼器有光電式、接觸式和電磁式三種，以接觸式四位絕對(duì)編碼

20、器為例來說明其工作原理。6.4.2 絕對(duì)值式編碼器 結(jié)構(gòu)和工作原理 碼盤基片上有多圈碼道，且每碼道的刻線數(shù)相等； 對(duì)應(yīng)每圈都有光電傳感器； 輸出信號(hào)的路數(shù)與碼盤圈數(shù)成正比； 檢測(cè)信號(hào)按某種規(guī)律編碼輸出，故可測(cè)得被測(cè)軸的周向絕對(duì)位置。23222120圖所示為二進(jìn)制編碼盤，圖中空白的部分透光，表示“0”；陰影部分不透光，表示“1”。按照?qǐng)A盤上形成的二進(jìn)位的每一環(huán)配置光電變換器，即圖中用黑點(diǎn)所示位置，隔著圓盤從后側(cè)用光源照射。此編碼盤共有四環(huán)，每一環(huán)配置的光電變換器對(duì)應(yīng)為20、21、22、23。圖中，內(nèi)側(cè)是二進(jìn)制的高位，即23；外側(cè)是二進(jìn)制的低位，如“1101”，讀出的是十進(jìn)制“13”的角度坐標(biāo)值。

21、二進(jìn)制編碼器的主要缺點(diǎn)是圖案變化無規(guī)律，在使用中多位同時(shí)變化，易產(chǎn)生較多的誤讀。經(jīng)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖所示的葛萊編碼盤圖6-9 二進(jìn)制編碼器圖6-10 葛萊編碼器葛萊編碼器葛萊碼盤，其各碼道的數(shù)碼不同時(shí)改變，任何兩個(gè)相鄰數(shù)碼間只有一位是變化的，每次只切換一位數(shù)，把誤差控制在最小范圍內(nèi)。二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成葛萊碼的法則是：將二進(jìn)制碼右移一位并舍去末位的數(shù)碼，再與二進(jìn)制數(shù)碼作不進(jìn)位加法，結(jié)果即為葛萊碼。 例如，二進(jìn)制碼1101對(duì)應(yīng)的葛萊碼為1011，其演算過程如下： 1101 （二進(jìn)制碼） 110（舍去末位，不進(jìn)位相加，） 1011 （葛萊碼）二進(jìn)制碼與葛萊碼的換算光電編碼器在伺服電機(jī)中的應(yīng)用 利用編碼器測(cè)

22、量伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角，并通過伺服控制系統(tǒng)控制其各種運(yùn)行參數(shù)。脈沖編碼器是一種回轉(zhuǎn)編碼器，可以用來測(cè)相對(duì)位移，單位時(shí)間內(nèi)的相對(duì)角位移就是角速度?；剞D(zhuǎn)編碼器在檢測(cè)角位移的同時(shí)，配以定時(shí)器便可檢測(cè)出角速度。脈沖編碼器在經(jīng)過一個(gè)單位角位移時(shí)，便產(chǎn)生一個(gè)脈沖，圖6-11是用脈沖編碼器作速度檢測(cè)的原理圖。PG(A)是脈沖編碼器的輸出脈沖。可以看出，用脈沖編碼器輸出信號(hào)的上升沿打開計(jì)數(shù)器，對(duì)高頻時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)；用其下降沿打開鎖存器，對(duì)計(jì)數(shù)器內(nèi)的計(jì)數(shù)值進(jìn)行鎖存，這樣，鎖存器的內(nèi)容就是角位移所經(jīng)過的時(shí)間，求其倒數(shù)，便可得到速度。圖6-11用脈沖編碼器作速度檢測(cè)原理圖脈沖編碼器作速度檢測(cè)的原理6.5 光刪測(cè)量

23、裝置6.5.1 光柵的工作原理6.5.2 光柵測(cè)量的裝置6.5.3 直線光柵檢測(cè)裝置的線路6.5.4 光柵檢測(cè)系統(tǒng) 光柵是閉環(huán)系統(tǒng)中用得比較多的檢測(cè)裝置，可用作直線位移和轉(zhuǎn)角的檢測(cè)。 根據(jù)光線在光柵中是透射還是反射分為透射光柵和反射光柵，透射光柵分辨率較反射光柵高，其檢測(cè)精度可達(dá)1m以上。 從形狀上看，又可分為圓光柵和直線光柵。圓光柵用于測(cè)量轉(zhuǎn)角位移，直線光柵用于檢測(cè)直線位移。兩者工作原理基本相似，本節(jié)著重介紹一種應(yīng)用比較廣泛的透射式直線光柵。光柵簡介大量等寬等間距平行狹縫(或反射面)構(gòu)成的光學(xué)元件。衍射光柵 (透射光柵)反射光柵(閃耀光柵)光柵 光柵制作機(jī)制光柵：在玻璃片上刻劃出一系列平行等

24、距的劃痕,刻過的地方不透光，未刻地方透光。全息光柵：通過全息照相，將激光產(chǎn)生的干涉條紋在干板上曝光，經(jīng)顯影定影制成全息光柵。通常在 1 cm 內(nèi)刻有成千上萬條透光狹縫。其中長的稱為標(biāo)尺光柵或長光柵，一般固定在機(jī)床移動(dòng)部件上，要求與行程等長。短的為指示光柵或短光柵，裝在機(jī)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，線紋密度為25、50、100、250條/mm等。線紋之間距離相等，該間距稱為柵距，測(cè)量時(shí)它們相互平行放置，并保持0.050.1mm的間隙。 它具有精度高，響應(yīng)速度較快等優(yōu)點(diǎn)。光柵測(cè)量是一種非接觸式測(cè)量。光柵位移檢測(cè)裝置由光源、兩塊光柵(長光柵、短光柵)和光電元件等組成，見圖6

25、-12(a)。圖6-12 光柵的工作原理圖6.5.1 光柵的工作原理 原理 1）指示光柵與標(biāo)尺光柵刻度等寬。2）平行裝配，且無摩擦3）兩尺條紋之間有一定夾角4）當(dāng)指示光柵與標(biāo)尺光柵相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與光柵線垂直的橫向的條紋，該條紋為莫爾條紋，當(dāng)移動(dòng)一個(gè)柵距時(shí)，摩爾條紋也移動(dòng)一個(gè)紋距如果將指示光柵在其自身的平面內(nèi)轉(zhuǎn)過一個(gè)很小的角度后，這樣兩塊光柵的刻線相交，當(dāng)平行光線垂直照射標(biāo)尺光柵時(shí)，則在相交區(qū)域出現(xiàn)明暗交替、間隔相等的粗大條紋，稱為莫爾條紋。由于兩塊光柵的刻線密度相等，即柵距相等，使產(chǎn)生的莫爾條紋的方向與光柵刻線方向大致垂直。其幾何關(guān)系見圖6-13(b)。當(dāng)很小時(shí)，莫爾條紋的節(jié)距為 W=/

26、(6-16)這表明莫爾條紋的節(jié)距是柵距的1/倍。如=0.01 mm，W=10 mm，則其放大倍數(shù)為1/=W/=1 000倍。原理說明（放大作用） 長光柵圓光柵光柵原理說明（移動(dòng)成比例并具有方向性）當(dāng)標(biāo)尺光柵移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋就沿與光柵移動(dòng)方向垂直的方向移動(dòng)。當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)柵距時(shí)，莫爾條紋就相應(yīng)準(zhǔn)確地移動(dòng)一個(gè)節(jié)距W，也就是說兩者一一對(duì)應(yīng)。因此，只要讀出移過莫爾條紋的數(shù)目，就可知道光柵移過了多少個(gè)柵距，所以光柵的移動(dòng)距離就可以通過光電檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)移過的莫爾條紋數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)、處理后自動(dòng)測(cè)量出來。莫爾條紋的另一特點(diǎn)，就是平均效應(yīng)。因?yàn)槟獱枟l紋是由若干條光柵刻線組成，若光電元件接受長度為10 mm，在=0.0

27、1 mm時(shí)，光電元件接受的信號(hào)是由1 000條刻線組成，所以制造技術(shù)上的缺陷，例如間斷地少幾根線，只會(huì)影響千分之幾的光電效果。因此，用光柵測(cè)量長度，決定其精度的要素不是一根刻線，而是一組線的平均精度。原理說明（均化誤差） 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 在實(shí)際使用中，大多數(shù)裝置是把光源、指示光柵和光電元件組合在一起，稱之為讀數(shù)頭。讀數(shù)頭的結(jié)構(gòu)形式很多，但就其光路來看可分為以下幾種。1. 分光讀數(shù)頭2.

28、垂直入射讀數(shù)頭3. 反射讀數(shù)頭6.5.2 光柵測(cè)量的裝置透光縫寬度 a不透光縫寬度 b光柵常數(shù)（柵距）:光柵常數(shù)與光柵單位長度的刻痕數(shù)N的關(guān)系它的原理圖見圖6-13，光源Q發(fā)出的光經(jīng)透鏡L1變成平行光，照射到光柵G1和G2上，由透鏡L2把在指示光柵G2上形成的莫爾條紋聚焦，并在它的焦面上安置光電元件以接受莫爾條紋的明暗信號(hào)。這種光學(xué)系統(tǒng)是莫爾條紋光學(xué)系統(tǒng)的基本型。這種分光讀數(shù)頭，刻線截面為鋸齒形，柵距為0.004 mm，鋸齒的傾角是根據(jù)光柵材料的折射率與入射光的波長確定的。圖6-13分光讀數(shù)頭原理圖1. 分光讀數(shù)頭這種光柵間距比較小，為了保護(hù)光柵表面，常需粘一層保護(hù)玻璃，而這樣小的間隙是不行的

29、。因此，在實(shí)際使用中采用投影系統(tǒng)(見圖614)，它是在光柵G1與G2之間裝上等倍投影透鏡L3、L4。這樣，G1的像就以同樣大小的像投影在G2上形成莫爾條紋。這種系統(tǒng)本質(zhì)上與前面的相同，只是G1和G2之間的距離拉長了，從而滿足了實(shí)際的使用要求。這種讀數(shù)頭主要用在高精度坐標(biāo)控制和精密測(cè)量儀器上。圖6-14等倍投影系統(tǒng)這種讀數(shù)頭主要是用于每毫米25125線的玻璃透射光柵系統(tǒng)(見圖6-15)。從光源Q經(jīng)直透鏡L使光束垂直照射到標(biāo)尺光柵G1上，然后通過指示光柵G2由光電元件P接收。兩塊光柵之間的距離t是根據(jù)有效光波的波長和光柵柵距來選擇，即t=/。但這僅僅是理論值，在實(shí)際使用中還要具體選擇。圖6-15

30、玻璃透射光柵系統(tǒng)2. 垂直入射讀數(shù)頭 圖6-16為垂直入射讀數(shù)頭的結(jié)構(gòu)示意圖，光源1通過透鏡2后變成平行光照射在標(biāo)尺光柵3和指示光柵4上，形成莫爾條紋后由光電池5接受信號(hào)。圖6-16垂直入射讀數(shù)頭的結(jié)構(gòu)示意圖1光源；2透鏡；3標(biāo)尺光柵；4指示光柵；5光電池；6螺釘；7壓板；8滾動(dòng)軸承垂直入射讀數(shù)頭的結(jié)構(gòu) 這種讀數(shù)頭主要用于每毫米2550線以下的反射光柵系統(tǒng)，如圖6-17所示。經(jīng)直透鏡L1，將光源Q變成平行光，并以對(duì)光柵法面為的入射角(一般為30)投影到標(biāo)尺光柵G1的反射面上；反射回來的光束先通過指示光柵G2形成莫爾條紋，然后經(jīng)透鏡L1由光電元件P接收信號(hào)。圖6-17 反射光柵系統(tǒng)3. 反射讀數(shù)

31、頭圖6-18為光柵測(cè)量裝置的邏輯框圖，為了提高光柵分辨精度，線路采用了4倍頻的方案。圖6-18 光柵測(cè)量裝置的邏輯框圖6.5.3 直線光柵檢測(cè)裝置的線路 當(dāng)光柵刻線密度為50線/毫米時(shí)，采用4個(gè)光電元件和4個(gè)縫隙。每隔14光柵節(jié)距產(chǎn)生1個(gè)脈沖，分辨精度可提高4倍。 當(dāng)指示光柵和標(biāo)尺光柵相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，硅光電池產(chǎn)生正弦波電流信號(hào)，這些信號(hào)送至差動(dòng)放大器，再通過整形，使之成兩路正弦及余弦方波。然后經(jīng)微分電路獲得脈沖，由于脈沖是在方波的上升邊產(chǎn)生的，如圖618所示。為了使0、90、180及270的位置上都得到脈沖，所以將正弦和余弦方波分別各自反相一次，然后再微分，這樣可以得到四個(gè)脈沖。四倍頻原理 為了判

32、別正向或反向運(yùn)動(dòng)，還用一些與門把4個(gè)方波sin、-sin、cos及-cos(即A、C、B及D)和4個(gè)脈沖進(jìn)行邏輯組合。當(dāng)正方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過與門14及或門H1得到AB+AD+CD+BC4個(gè)脈沖輸出；當(dāng)反方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過與門58及或門H2得到BC+AB+AD+CD4個(gè)脈沖輸出。這樣，如果光柵的柵距為0.02 mm，4倍頻后每1個(gè)脈沖都相當(dāng)于0.005 mm，使分辨精度提高4倍。 當(dāng)然，倍頻數(shù)還可以增加到8倍頻等，但一般到20倍頻以上就比較困難了。四倍頻原理第6章思考題與習(xí)題-解答RG4直線光柵激光尺圓光柵速度傳感器分直線速度型和角速度型。前面介紹的光電編碼器，它除了用作角位移傳感器外，同時(shí)也被用作

33、速度傳感器。測(cè)速發(fā)電機(jī)也是一種常用的速度傳感器。速度傳感器一般用于數(shù)控系統(tǒng)伺服單元的速度檢測(cè)控制中，因此角速度傳感器用得較多。6.6 速度傳感器是一種能把機(jī)械轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的傳感器。它與一般的發(fā)電機(jī)相比有如下兩個(gè)特點(diǎn)。 (1) 輸出電壓與轉(zhuǎn)速嚴(yán)格地呈線性關(guān)系。 (2) 輸出電勢(shì)與轉(zhuǎn)速比的斜率大。測(cè)速發(fā)電機(jī)分交流和直流兩大類。 交流測(cè)速發(fā)電機(jī)又有同步、異步之分。在機(jī)電一體化控制系統(tǒng)中，常用的是交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)和直流測(cè)速發(fā)電機(jī)。6.6.1 測(cè)速發(fā)電機(jī)1 交流測(cè)速發(fā)電機(jī) （1）基本結(jié)構(gòu) 異步測(cè)速發(fā)電機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用較多，其結(jié)構(gòu)與交流伺服電動(dòng)機(jī)相似，如圖所示。根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同分為籠式轉(zhuǎn)子和

34、空心杯轉(zhuǎn)子兩種?？招谋D(zhuǎn)子的應(yīng)用較多，它由電阻率較大、溫度系數(shù)較小的非磁性材料制成，以使測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出特性線性度好、精度高。杯壁通常只有0.2mm0.3mm的厚度，轉(zhuǎn)子較輕以使測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性較小。 1空心杯轉(zhuǎn)子；2外定子； 3內(nèi)定子；4勵(lì)磁繞組；5輸出繞組 圖8.4 空心杯轉(zhuǎn)子測(cè)速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu) 內(nèi)定子上嵌有輸出繞組，外定子上嵌有勵(lì)磁繞組并使兩繞組在空間位置上有相差90電角度。內(nèi)外定子的相對(duì)位置是可以調(diào)節(jié)的，可通過轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)定子的位置來調(diào)節(jié)剩余電壓，使剩余電壓為最小值。 1空心杯轉(zhuǎn)子；2外定子；3內(nèi)定子；4勵(lì)磁繞組；5輸出繞組圖8.4 空心杯轉(zhuǎn)子測(cè)速發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu) 當(dāng)在勵(lì)磁繞組上施加恒定的單相交流

35、電壓U1時(shí)，發(fā)電機(jī)工作繞組便會(huì)輸出與轉(zhuǎn)速n大小成正比的交流電壓信號(hào)U2，其有效值為： E2=4.44N2f1Kd/1.414n 式中，N2為輸出繞組的線圈匝數(shù)；f1為勵(lì)磁電壓的頻率；K為繞組系數(shù)(K1)；d為電機(jī)中的合成磁通。圖6-19交流測(cè)速發(fā)電機(jī)工作原理圖 一般做成永磁式，其工作原理如圖所示。在恒定磁場(chǎng)o下，當(dāng)電樞以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞上的導(dǎo)體切割磁力線，在瞬間產(chǎn)生空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Eo，它的值由下式確定： Eo=Ceon 式中，Ce為電勢(shì)常數(shù)； o為磁通。從上式看出，空載輸出電壓V=Eo，它與轉(zhuǎn)速n成正比。當(dāng)存在負(fù)載電阻R1和電樞回路總電阻Ro時(shí)，則 V=Eo-IRo=Eo-VRo/R1 V=

36、Eo/(1+Ro/R1)=Ceon/(1+Ro/R1) 由此看出，當(dāng)o、Ro、R1不變時(shí)，輸出電壓V與轉(zhuǎn)速n成正比。 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)工作原理圖2. 直流測(cè)速發(fā)電機(jī)影響直流測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)量結(jié)果的因素(1) 周圍環(huán)境溫度的變化使繞組電阻發(fā)生變化，從而產(chǎn)生線性誤差。(2) 電樞反應(yīng)，也就是由于電樞電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)影響測(cè)速發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)，從而引起測(cè)量誤差。(3) 電樞回路的電阻隨電樞電流的變化而變化，破壞了輸出電壓與轉(zhuǎn)速的線性關(guān)系。為了減少以上影響：測(cè)速發(fā)電機(jī)的磁路應(yīng)選得足夠飽和；同時(shí)還應(yīng)將負(fù)載電流限制在較小的范圍內(nèi)。注 意：6.7 位置傳感器 位置傳感器和位移傳感器不一樣，它所測(cè)量的不是一段距離的變化

37、量，而是通過檢測(cè)，確定是否已到達(dá)某一位置。因此，它不需要產(chǎn)生連續(xù)變化的模擬量，只需要產(chǎn)生能反映某種狀態(tài)的開關(guān)量就可以了。這種傳感器常用于數(shù)控機(jī)床換刀具、工件或工作臺(tái)到位或行程限制等輔助機(jī)能的信號(hào)檢測(cè)。 位置傳感器分接觸式和接近式兩種。接觸式傳感器是能獲取兩個(gè)物體是否接觸之信息的一種傳感器；而接近式傳感器則是用來判別在某一范圍內(nèi)是否有某一物體的一種傳感器。6.7.1 接觸式位置傳感器（1） 微動(dòng)開關(guān)位置傳感器（2）二維矩陣式位置傳感器這類傳感器用微動(dòng)開關(guān)之類的觸點(diǎn)器件便可構(gòu)成。它有以下兩種。（1） 微動(dòng)開關(guān)位置傳感器用于檢測(cè)物體位置，圖6-20所示的幾種構(gòu)造和分布形式。圖6-20 微動(dòng)開關(guān)位置傳

38、感器（a）構(gòu)造；（b）分布形式（2）二維矩陣式位置傳感器 二維矩陣式位置傳感器如圖621所示，它一般用于機(jī)械手掌內(nèi)側(cè)，在手掌內(nèi)側(cè)常安裝有多個(gè)二值觸覺傳感器，用以檢測(cè)自身與某一物體的接觸位置。圖6-21 二維矩陣式位置傳感器1柔軟電極；2柔軟絕緣體開關(guān)式觸覺傳感器特點(diǎn)：外形尺寸十分大空間分辨率低利用陣列這一概念已開發(fā)了許多重要的傳感器。壓阻式陣列觸覺傳感器碳?xì)郑–SA）靈敏度高，具有較強(qiáng)的耐過載能力。缺點(diǎn)是有遲滯，線性差。 導(dǎo)電橡膠的電阻也會(huì)隨壓力的變化而變化，因此也常用來作為觸覺傳感器的敏感材料。碳?xì)郑–SA）用于自動(dòng)往復(fù)控制或限位保護(hù)等。行程開關(guān)(限位開關(guān))(b)示意圖 結(jié)構(gòu)與按鈕類似，但其動(dòng)作要由機(jī)械撞擊。未撞擊撞擊(a)外形圖6.7.2 接近式位置傳感器 接近式位置傳感器的種類： 電磁式； 光電式； 靜電容式； 氣壓式； 超聲波式。接近式位置傳感器的原理 基本工作原理可用圖6-22表示。圖6-22 接近式位置傳感器接近覺主要感知傳感器與對(duì)象物之間的接近程度。b）無鐵磁體時(shí)磁力線的形狀c）鐵磁體接近時(shí)磁力線的形狀1. 電