數(shù)控機床的檢測裝置課件

數(shù)控機床的檢測裝置課件1概述

1、作用：檢測位移（線位移或角位移）和速度，發(fā)送反饋信號至數(shù)控裝置，構(gòu)成伺服系統(tǒng)的閉環(huán)或半閉環(huán)控制，使工作臺按指令的路徑精確地移動，其精度決定了加工精度。2、應(yīng)用范圍：半閉環(huán)控制的數(shù)控機床：旋轉(zhuǎn)變壓器、編碼器，安裝在電機或絲杠上，測量了電機或絲杠的角位移，也就間接地測量了工作臺的直線位移。閉環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)控機床：感應(yīng)同步器、光柵、磁柵等測量裝置，安裝在工作臺和導軌上，直接測量工作臺的直線位移。概述1、作用：2

概述3、位置檢測裝置的精度包括系統(tǒng)精度和分辨率系統(tǒng)精度：在一定長度或轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)測量累積誤差的最大值。分辨率：位置檢測系統(tǒng)能夠測量的最小位移量。3、要求：受溫度、濕度的影響小，工作可靠，抗干擾能力強；在機床移動的范圍內(nèi)滿足精度和速度要求；使用維護方便，適合機床運行環(huán)境；成本低；易于實現(xiàn)高速的動態(tài)測量。概述3、位置檢測裝置的精度包括系統(tǒng)精度和分辨率3

概述主要內(nèi)容.2位置檢測裝置分類按被測量的幾何量分：回轉(zhuǎn)型（測角位移）和直線型（測線位移）；按檢測信號的類型分：數(shù)字式和模擬式；按檢測量的基準分：增量式和絕對式。不同類型的數(shù)控機床，因工作條件和檢測要求不同，可采用不同的檢測方式。概述主要內(nèi)容.2位置檢測裝置分類按被測量的4

概述主要內(nèi)容概述數(shù)字式

數(shù)字式

模擬式

模擬式

增量式

絕對式

增量式

絕對式

回轉(zhuǎn)型

增量式脈沖編碼器圓光柵

絕對式脈沖編碼器

旋轉(zhuǎn)變壓器圓感應(yīng)同步器圓磁尺

多極旋轉(zhuǎn)變壓器3速圓感應(yīng)同步器

直線型

計量光柵激光干涉儀

多通道透射光柵

直線感應(yīng)同步器磁尺

3速直線感應(yīng)同步器絕對值式磁尺

移動一個測量單位就發(fā)出一個測量信號被測量的任一點的位置都以一個固定零點作基準概述主要內(nèi)容概述數(shù)字式數(shù)字式模擬式模擬式增量5

概述主要內(nèi)容1．增量式與絕對式

1）增量式檢測方式增量式檢測方式測量位移增量，移動一個測量單位就發(fā)出一個測量信號。優(yōu)點：檢測裝置較簡單，任何一個對中點均可作為測量起點；輪廓控制常采用缺點：對測量信號計數(shù)后才能讀出移距，一旦計數(shù)有誤，此后的測量結(jié)果將全錯；發(fā)生故障時（如斷電、斷刀等）不能再找到事故前的正確位置，必須將工作臺移至起點重新計數(shù)。概述主要內(nèi)容1．增量式與絕對式1）增量式檢測方式6

概述2）絕對式測量方式絕對式測量方式中，被測量的任一點的位置都以一個固定的零點作基準，每一被測點都有一個相應(yīng)的對零點的測量值。避免了增量式檢測方式的缺陷，但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。概述2）絕對式測量方式7

概述2．數(shù)字式與模擬式1）數(shù)字式測量方式

將被測量單位量化后以數(shù)字形式表示，測量信號一般為電脈沖，可直接把它送到數(shù)控裝置進行比較、處理特點：（1）被測量量化后轉(zhuǎn)換成脈沖個數(shù)，便于顯示和處理；（2）測量精度取決于測量單位，與量程基本無關(guān)（存在累加誤差）；（3）檢測裝置較簡單，脈沖信號抗干擾能力強。概述2．數(shù)字式與模擬式8

概述2）模擬式測量方式將被測量用連續(xù)的變量來表示，如用相位變化、電壓變化來表示，主要用于小量程測量。主要特點：（1）直接對被測量進行檢測，無需量化；（2）在小量程內(nèi)可以實現(xiàn)高精度測量；（3）可用于直接檢測和間接檢測。概述2）模擬式測量方式9

概述3．直接測量與間接測量1）直接測量對機床的直線位移采用直線型檢測裝置測量，稱為直接檢測。測量精度主要取決于測量元件的精度，不受機床傳動精度的影響。但檢測裝置要與行程等長，對大型數(shù)控機床來說，這是一個很大的限制。概述3．直接測量與間接測量10

概述2）間接測量對機床的直線位移采用回轉(zhuǎn)型檢測元件測量，稱為間接測量。優(yōu)點：使用可靠方便，無長度限制，缺點：在檢測信號中加入了直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動的傳動鏈誤差，影響檢測精度。因此為了提高定位精度，常常需要對機床的傳動誤差進行補償。概述2）間接測量11

旋轉(zhuǎn)變壓器.1旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)組成：定子、轉(zhuǎn)子分類：有刷和無刷兩種旋轉(zhuǎn)式的小型交流電動機轉(zhuǎn)子軸承分解器轉(zhuǎn)子變壓器定子變壓器二次繞組變壓器轉(zhuǎn)子線軸殼體分解器定子變壓器一次繞組無刷旋轉(zhuǎn)變壓器：特點：輸出信號大可靠性高壽命長不用維修旋轉(zhuǎn)變壓器.1旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)式的小型12

旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器分：單極對、多極對。常用單極對旋轉(zhuǎn)變壓器和雙極對旋轉(zhuǎn)變壓器。單極對：定子和轉(zhuǎn)子上各有一對磁極。轉(zhuǎn)子通常不直接與電機軸相聯(lián)，經(jīng)精密齒輪升速后再與電機軸相聯(lián)，根據(jù)絲杠導程選用齒輪升速比，以保證機床的脈沖當量與輸入設(shè)定的單位相同，升速比通常為1:2、1:3、1:4、2:3、1:5、2:5等。多極對：增加定子或轉(zhuǎn)子的極對數(shù)，使電氣轉(zhuǎn)角為機械轉(zhuǎn)角的倍數(shù)，用于高精度絕對式檢測系統(tǒng)。雙極對：定子和轉(zhuǎn)子上各有兩對相互垂直的磁極，其檢測精度較高，在數(shù)控機床中應(yīng)用普遍。旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器分：單極對、多極對。常用單極對13

旋轉(zhuǎn)變壓器.2旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理

根據(jù)互感原理工作，定子與轉(zhuǎn)子之間氣隙磁通分布呈正／余弦規(guī)律。當定子加上一定頻率的激磁電壓時，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其輸出電壓的大小取決于定子和轉(zhuǎn)子兩個繞組軸線在空間的相對位置。

旋轉(zhuǎn)變壓器.2旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理14

旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器15

旋轉(zhuǎn)變壓器主要內(nèi)容單極對旋轉(zhuǎn)變壓器：由變壓器原理，設(shè)一次繞組匝數(shù)N1，二次繞組匝數(shù)N2，變壓比n＝N1／N2，一次側(cè)輸入交變電壓：二次側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電勢：

U2—轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電勢U1—定子的激磁電壓Um—激磁電壓幅值θ—轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)變壓器主要內(nèi)容單極對旋轉(zhuǎn)變壓器：由變壓器原理，16

旋轉(zhuǎn)變壓器主要內(nèi)容正弦余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理定子和轉(zhuǎn)子繞組中各有互相垂直的兩個繞組，定子上兩個繞組分別為正弦繞組U1s、余弦繞組U1c，轉(zhuǎn)子繞組的一個繞組輸出電壓為U2，另一個繞組接高阻抗，補償轉(zhuǎn)子對定子的電樞反應(yīng)。正弦余弦旋轉(zhuǎn)變壓器主要內(nèi)容正弦余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理17

旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器的工作方式

1．鑒相工作方式給定子的兩個繞組通以同幅值、同頻率，相位差π/2的交流激磁電壓U1s＝UmsinωtU1c＝Um（sinωt+π/2）＝Umcosωt

轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時，U1s、U1c在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，經(jīng)疊加，得轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓U2

旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器的工作方式1．鑒相工作方式U18

旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時的感應(yīng)電壓：U2＝kUmsinωtsinθ＋kUmcosωtcosθ=kUmcos（ωt－θ）k—電磁耦合系數(shù)，k<1；θ—相位角，轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角。轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)時的感應(yīng)電壓：U2＝kUmcos（ωt＋θ）（ωt＋θ）～θ嚴格對應(yīng)關(guān)系，檢測出（ωt＋θ），可得θ

，可得被測軸的角位移。旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時的感應(yīng)電壓：19

旋轉(zhuǎn)變壓器2．鑒幅工作方式

定子正、余弦繞組分別通同頻率、同相位，但幅值分別為Usm和Ucm的交流激磁電壓

U1s＝UsmsinωtU1c=Ucmsinωt當給定電氣角為α時，交流激磁電壓的幅值分別為

Usm＝UmsinαUcm＝Umcosα旋轉(zhuǎn)變壓器2．鑒幅工作方式20

旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時，U1s、U1c經(jīng)疊加，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓U2為：U2＝kUmsinαsinωtsinθ＋kUmcosαsinωtcosθ

＝kUmcos（α－θ）sinωt轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)時，同理有：

U2＝kUmcos（α＋θ）sinωtU2的幅值為:kUmcos（α－θ）、kUmcos（α＋θ）可見，U2的幅值隨轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角θ變化，測量出幅值即可求得偏轉(zhuǎn)角θ，旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時，U1s、U1c經(jīng)疊加，轉(zhuǎn)子感21

旋轉(zhuǎn)變壓器主要內(nèi)容.3旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用

測量旋轉(zhuǎn)變壓器二次繞組的感應(yīng)電動勢U2的幅值或相位的變化，可知轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角θ的變化。如果將旋轉(zhuǎn)變壓器安裝在數(shù)控機床的絲杠上，當θ角從0°變化到360°時，表示絲杠上的螺母走了一個導程，這樣就間接地測量了絲杠的直線位移（導程）的大小。

旋轉(zhuǎn)變壓器主要內(nèi)容.3旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用22

旋轉(zhuǎn)變壓器

當測全長時，由于普通旋轉(zhuǎn)變壓器屬于增量式測量裝置，如果將其轉(zhuǎn)子直接與絲杠相聯(lián)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一周，僅相當于工作臺1個絲杠導程的直線位移，不能反映全行程，因此，要檢測工作臺的絕對位置，需要加一臺絕對位置計數(shù)器，累計所走的導程數(shù)，折算成位移總長度。另外，在轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)1周時，轉(zhuǎn)子的輸出電壓將隨旋轉(zhuǎn)變壓器的極數(shù)不同而不止一次地通過零點，必須在線路中加相敏檢波器來辨別轉(zhuǎn)換點和區(qū)別不同的轉(zhuǎn)向。旋轉(zhuǎn)變壓器當測全長時，由于普通旋轉(zhuǎn)變壓器23

旋轉(zhuǎn)變壓器此外，還可以用3個旋轉(zhuǎn)變壓器按1:1、10:1和100:1的比例相互配合串接，組成精、中、粗3級旋轉(zhuǎn)變壓器測量裝置。如果轉(zhuǎn)子以半周期直接與絲杠耦合（即“精”同步），結(jié)果使絲杠位移10mm，則“中”測旋轉(zhuǎn)變壓器工作范圍為100mm，“粗”測旋轉(zhuǎn)變壓器的工作范圍為1000mm。為了使機床工作臺按指令值到達一定位置，需用電氣轉(zhuǎn)換電路在實際值不斷接近指令值的過程中，使旋轉(zhuǎn)變壓器從“粗”轉(zhuǎn)換到“中”再轉(zhuǎn)換到“精”，最終的位置檢測精度由“精”旋轉(zhuǎn)變壓器決定。旋轉(zhuǎn)變壓器此外，還可以用3個旋轉(zhuǎn)變壓器按1:1、124

旋轉(zhuǎn)變壓器主要內(nèi)容.4磁阻式多極旋轉(zhuǎn)變壓器簡介

普通旋轉(zhuǎn)變壓器：精度為角分級，應(yīng)用：精度要求不高或大型機床的粗測和中測。近年廣泛采用磁阻式多極旋轉(zhuǎn)變壓器：無電刷、滑環(huán)特點：工作可靠、抗沖擊能力強，連續(xù)高速運行、壽命長，成本低，輸出信號電平高（0.5～1.5V，最高可達4V），測量精度不如感應(yīng)同步器和光柵，但高于普通旋轉(zhuǎn)變壓器，誤差不超過3.5角秒，所以在數(shù)控機床上的應(yīng)用很有前途。應(yīng)用：高精度及各種控制式電氣變速雙通道系統(tǒng)，提高數(shù)控機床定位精度。旋轉(zhuǎn)變壓器主要內(nèi)容.4磁阻式多極旋轉(zhuǎn)變25

旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一個轉(zhuǎn)子齒距，氣隙磁導變化一個周期；當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一周時，氣隙磁導變化的周期數(shù)等于轉(zhuǎn)子齒數(shù)。氣隙磁導變化，輸出繞組感應(yīng)電勢變化。通過測輸出電壓幅值的變化得轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一個轉(zhuǎn)子齒距，氣隙磁導變化一個26

感應(yīng)同步器.1感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)與種類1、分類：直線式：由定尺、滑尺組成，測直線位移，用于全閉環(huán)伺服系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)式：由定子、轉(zhuǎn)子組成，測量角位移，用于半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。感應(yīng)同步器.1感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)與種類27

感應(yīng)同步器1．直線感應(yīng)同步器定尺繞組節(jié)距w2＝2（a2+b2），W2＝2τ＝2mm滑尺正余弦繞組成W或U形。錯開1／4w2

（電角度π/2）。節(jié)距w1＝2(a1+b1)取w1＝w2或w1＝2/3w2正弦繞組余弦繞組感應(yīng)同步器1．直線感應(yīng)同步器定尺繞組節(jié)距正弦繞組28

感應(yīng)同步器

定尺和滑尺的基體常用厚度為10mm、與床身材料熱膨脹系數(shù)相近的鋼板或鑄鐵，以減小與機床的溫度誤差。平面繞組為銅箔，常用厚度為0.05mm或0.07mm的純銅箔，用絕緣粘結(jié)劑將銅箔熱壓粘結(jié)在基體上，經(jīng)精密照相腐蝕工藝制成所需印刷繞組形式。

定尺繞組表面涂一層耐切削液的清漆涂層作為保護層，防止切削液的飛濺。

滑尺繞組表面貼一層帶塑料薄膜的絕緣鋁箔，防止因靜電感應(yīng)產(chǎn)生附加容性電勢。感應(yīng)同步器定尺和滑尺的基體常用厚度為10m29

感應(yīng)同步器

直線式感應(yīng)同步器有標準式、窄式、帶式和3重（速）式等。標準式：精度最高、使用最廣；窄式：定尺、滑尺寬度比標準式小，電磁感應(yīng)強度減低，比標準式精度低，適用精度較低或機床上安裝位置窄小且安裝面難于加工的情況；帶式：定尺最長可至3m以上，不需接長，可簡化安裝，定尺隨床身熱變形而變形，但定尺較長，剛性稍差，總測量精度比標準式低；3重式：定尺有粗、中、細繞組，為絕對式檢測系統(tǒng)，特別適用大型機床。感應(yīng)同步器直線式感應(yīng)同步器有標準式、窄式30

感應(yīng)同步器2．圓感應(yīng)同步器定子、轉(zhuǎn)子采用不銹鋼、硬鋁合金等材料作基板，呈環(huán)形輻射狀。定子和轉(zhuǎn)子相對的一面均有導電繞組，繞組用厚0.05mm的銅箔構(gòu)成?；搴屠@組之間有絕緣層。繞組表面還加有一層與繞組絕緣的屏蔽層，材料為鋁箔或鋁膜。感應(yīng)同步器2．圓感應(yīng)同步器31

感應(yīng)同步器

轉(zhuǎn)子繞組：連續(xù)繞組；定子繞組：分段式、兩相正交（相差90°電角度）sin繞組、cos繞組感應(yīng)同步器轉(zhuǎn)子繞組：連續(xù)繞組；32

感應(yīng)同步器.2感應(yīng)同步器的安裝

定尺安裝在機床的不動部件上；滑尺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時必須保持定尺和滑尺平行、兩平面間的間隙約為0．25±0．05mm，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工作長度上正常耦合，減少測量誤差。感應(yīng)同步器.2感應(yīng)同步器的安裝33

感應(yīng)同步器.3感應(yīng)同步器工作原理定尺：單向均勻感應(yīng)繞組，繞組節(jié)距2τ，相當繞組空間分布的一個周期2π滑尺：有兩組激磁繞組，為正、余弦激磁繞組，節(jié)距與定尺相同，相互錯開1/4節(jié)距，當正弦繞組和定尺對準時，余弦繞組和定尺相差τ/2的距離，相當于π/2電角度。感應(yīng)同步器.3感應(yīng)同步器工作原理34

感應(yīng)同步器滑尺繞組通以交流激磁電壓時，由電磁感應(yīng)在定尺上感應(yīng)出感應(yīng)電壓，滑尺與定尺間產(chǎn)生相對位移時，電磁耦合的變化使定尺上感應(yīng)電壓隨位移的變化而變化?；咭苿右粋€節(jié)距,感應(yīng)電壓變化一個余弦波形。利用這個感應(yīng)電壓的變化進行位置檢測。E最大E=0E=-EaE=0正弦繞組通電，定子產(chǎn)生余弦波的電動勢余弦繞組通電，定子產(chǎn)生正弦波的電動勢感應(yīng)同步器滑尺繞組通以交流激磁電壓時，由電磁感應(yīng)35

感應(yīng)同步器

感應(yīng)同步器有兩種工作方式：鑒相工作方式和鑒幅工作方式1．鑒相工作方式給滑尺的正弦、余弦繞組分別通同頻率、同幅值，但相位相差π/2的交流激磁電壓Us＝UmsinωtUc=Umsin（ωt+π/2）=Umcosωt感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器有兩種工作方式：鑒相工36

感應(yīng)同步器若起始時滑尺的正弦繞組與定尺的感應(yīng)繞組重合，當滑尺移動x距離時，滑尺正弦繞組和定尺繞組不重合，在定尺上的感應(yīng)電壓為Ud1＝kUscosθ＝kUmsinωtcosθk—電磁耦合系數(shù)；Um—激磁電壓幅值；θ—滑尺繞組相對定尺繞組電氣相位角。θ的大小為go感應(yīng)同步器若起始時滑尺的正弦繞組與定尺的感應(yīng)繞組37

感應(yīng)同步器滑尺余弦繞組和定尺繞組相差l／4節(jié)距，在定尺上的感應(yīng)電壓為Ud2＝kUccos（θ＋π/2）＝－kUmsinθcosωt定尺和滑尺交變磁通經(jīng)氣隙而耦合，應(yīng)用疊加原理得定尺繞組的感應(yīng)電壓

Ud=Ud1＋Ud2＝kUmsin（ωt－θ）其中可見，Ud～

x，通過測量定尺感應(yīng)電壓相位ωt－θ

，可得滑尺位移量x

感應(yīng)同步器滑尺余弦繞組和定尺繞組相差l／4節(jié)距，38

感應(yīng)同步器將稱為相移—位移轉(zhuǎn)換系數(shù)。例：設(shè)節(jié)距2τ=2㎜，則

若脈沖當量δ＝2μm/脈沖，則相移——位移系數(shù)θρ為

感應(yīng)同步器將稱為相移—位39

感應(yīng)同步器UmsinωtUmcosωt要求輸出400Hz的調(diào)相信號。Δθ=1.8°/脈沖，則計數(shù)器的容量應(yīng)為200，觸發(fā)脈沖的頻率應(yīng)為80kHz。kUmsin（ωt－θ2）kUmsin（ωt－θ1）感應(yīng)同步器UmsinωtUmcosωt要求輸出440

感應(yīng)同步器2．鑒幅工作方式

給滑尺正、余弦繞組分別通同相位、同頻率、幅值不同的激磁電壓

Us＝Usmsinωt

Uc＝Ucmsinωt給定電氣角為α時，交流激磁電壓Us

、Uc的幅值分別為

Usm＝Umsinα

Ucm＝Umcosαα——電氣角。感應(yīng)同步器2．鑒幅工作方式給滑尺正、余弦繞組分41

感應(yīng)同步器根據(jù)疊加原理，可得定尺繞組感應(yīng)電壓Ud=Uscosθ－Ucsinθ＝Umsin（α－θ）sinωt可見，Ud的幅值Umsin（α－θ）～

θ

，若已知電氣角α，則測量出Umsin（α－θ）可間接求出θ值，從而求出x的大小。特別是：當Ud＝0時，α＝θ，因此，逐漸改變α值，使Ud＝0，便可求出θ值，從而求出x。感應(yīng)同步器根據(jù)疊加原理，可得定尺繞組感應(yīng)電壓42

感應(yīng)同步器令很小時Ud=Uscosθ－Ucsinθ

＝Umsin（α－θ）sinωt≈UmΔθ

sinωt將式代入上式

可見，當Δx很小時，Ud的幅值與Δx成正比，可通過測量Ud的幅值來測定Δx。感應(yīng)同步器令43

感應(yīng)同步器Ud～Δx：每改變一個Δx的位移增量時，就有電壓Ud

據(jù)此可實現(xiàn)對位移增量的高精度細分?？深A(yù)先設(shè)定某一門檻電平，當Ud值達到該門檻電平時，就產(chǎn)生一個脈沖信號，用該脈沖信號去控制修改激磁電壓線路，使其產(chǎn)生合適的Us、Uc，使Ud重新降低到門檻電平以下，這樣：位移量Δx

數(shù)字量——脈沖，實現(xiàn)了對位移的測量。感應(yīng)同步器Ud～Δx：每改變一個Δx的位移增44

感應(yīng)同步器將指令脈沖與反饋來的實際脈沖值進行比較得到數(shù)字量位置誤差，后經(jīng)D/A控制伺服機構(gòu)辨相產(chǎn)生實際脈沖α跟隨θ變化感應(yīng)同步器將指令脈沖與反饋來的實際脈沖值進行比較45

感應(yīng)同步器.4感應(yīng)同步器的特點

1．精度高直接對機床位移進行測量，不經(jīng)機械傳動裝置，測量精度主要取決于尺子的精度。定尺的節(jié)距誤差有平均自補償作用，定尺上感應(yīng)電壓信號有多周期的平均效應(yīng)，降低了繞組局部尺寸制造誤差的影響，從而達到較高的測量精度。２．測量長度不受限制可采用多塊定尺接長，增大測量尺寸，行程為幾米到幾十米，可實現(xiàn)中型、大型機床工作臺位移的直線測量感應(yīng)同步器.4感應(yīng)同步器的特點1．46

感應(yīng)同步器３．工作可靠、抗干擾性強感應(yīng)同步器金屬基板和床身鑄鐵的熱脹系數(shù)相近，當溫度變化時，兩者的變化規(guī)律相同，還能獲得較高的重復(fù)精度；圓感應(yīng)同步器的基板受熱后各方向的熱漲量對稱于圓心，不影響測量精度。感應(yīng)同步器是非接觸式的空間耦合器件，所以對尺面防護要求低，可選擇耐溫性能良好的非導磁性涂料作保護層，加強感應(yīng)同步器的抗溫防濕能力。感應(yīng)同步器３．工作可靠、抗干擾性強47

感應(yīng)同步器４．維護簡單、壽命長定尺和滑尺不接觸，無摩擦、磨損，使用壽命很長。加防護罩，防止切屑進入定、滑尺之間滑傷導片及防止灰塵、油污及沖擊振動。是電磁耦合器件，不需光源、光電元件，不存在元件老化及光學系統(tǒng)故障等問題。５．抗擾能力強、工藝性好、成本較低，便于復(fù)制和成批生產(chǎn)。６．輸出信號比較微弱，需要放大倍數(shù)較高的前置放大器。感應(yīng)同步器４．維護簡單、壽命長48

光柵定義：利用光的透射、衍射制成的光電檢測元件組成：標尺光柵：固定在機床活動件上光柵讀數(shù)頭：裝在機床固定件上工作臺移動，產(chǎn)生相對位移標尺光柵尺身安裝孔

掃描頭（與移動部件固定）可移動電纜光柵定義：利用光的透射、衍射制成的光電檢測元件工49光柵光柵50

光柵通常意義上講，光柵按用途分有兩大類：物理光柵（衍射光柵）：刻線細密，線紋密度200～500條/㎜，線紋相互平行且距離相等（柵距）。柵距0.002～0.005㎜，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。計量光柵：刻線稍粗，線紋密度25條/㎜、50條/㎜、100條/㎜、250條/㎜等，即柵距為0.004～0.25㎜，主要是利用光的透射和反射現(xiàn)象，用于數(shù)控機床檢測系統(tǒng)。這里所討論的光柵是指計量光柵。光柵通常意義上講，光柵按用途分有兩大類：51

光柵

計量光柵：高精度數(shù)控機床的位置檢測裝置，用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，可測量位移和轉(zhuǎn)角。讀數(shù)速率高（0—

數(shù)十萬次/每秒）非常適用動態(tài)測量。一、光柵的種類與精度按形狀：長光柵（直線光柵）、圓光柵。長光柵檢測線位移，圓光柵測量角位移按制作原理：玻璃透射光柵、金屬反射光柵。光柵計量光柵：高精度數(shù)控機床的位置檢測裝置52

光柵.1光柵的種類與精度１．長光柵（1）玻璃透射光柵是在玻璃的表面上用真空鍍膜法鍍一層金屬膜，再涂上一層均勻的感光材料，用照相腐蝕法制成透明與不透明間隔相等的線紋。特點：1）光源可采用垂直入射，光電元件可直接接受光信號，因此信號幅度大，讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)比較簡單；2）每毫米上線紋數(shù)多，一般為100、125、250條/mm，再經(jīng)過電路細分，可做到微米級的分辨率。光柵.1光柵的種類與精度53

光柵（2）金屬反射光柵是在鋼尺或不銹鋼的鏡面上用照相腐蝕法或用鉆石刀直接刻劃制成的光柵線紋；常用的線紋數(shù)為4、10、25、40、50條/mm

，分辨率低。特點：1）標尺光柵的線膨脹系數(shù)很容易做到與機床材料一致；2）標尺光柵的安裝和調(diào)整比較方便；3）安裝面積較?。?）易于接長或制成整根的鋼帶長光柵；5）不易碰碎。光柵（2）金屬反射光柵是在鋼尺或不銹鋼的鏡面上用54

光柵２．圓光柵在玻璃圓盤外環(huán)端面上，做成黑白相間條紋，條紋呈輻射狀，相互間夾角（柵距角）相等。不同的使用要求在圓周內(nèi)的線紋數(shù)不相同。一般有3種形式：（1）六十進制，如圓周內(nèi)的線紋數(shù)為：10800，21600，32400，64800等；（2）十進制，如圓周內(nèi)的線紋數(shù)為：1000，2500，5000等；（3）二進制，如圓周內(nèi)的線紋數(shù)為：512，1024，2048等。一個圓形被均分成360度，每一度有60角分，一角分等于60角秒

光柵２．圓光柵一個圓形被均分成360度，55

光柵３．計量光柵的精度取決于光柵尺本身的制造精度，即計量光柵任意兩點間的誤差。激光技術(shù)的發(fā)展使光柵制作精度得到很大提高，可達微米級，再通過細分電路可達0.1μm、甚至更高，如0.025μm。光柵檢測系統(tǒng)的工作原理基于莫爾條紋的形成原理莫爾條紋是由若干光柵線紋干涉形成的.

各種光柵中以玻璃衍射光柵的精度為最高光柵３．計量光柵的精度56

光柵.2光柵結(jié)構(gòu)與測量原理1.光柵的結(jié)構(gòu)

標尺光柵、指示光柵上均勻刻有條紋，不透光寬度（縫隙寬度）a，透光寬度（刻線寬度）b，設(shè)柵距為d，d＝a+b。通常a=b。安裝時嚴格要保證標尺光柵和指示光柵的平行度及兩者間隙（一般0.05㎜或0.1㎜）光柵.2光柵結(jié)構(gòu)與測量原理標尺光57

光柵2）光柵讀數(shù)頭作用：將莫爾條紋的光信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號。結(jié)構(gòu)分類：分光讀數(shù)頭、垂直入射讀數(shù)頭、反射讀數(shù)頭垂直入射讀數(shù)頭分光讀數(shù)頭反射讀數(shù)頭光柵2）光柵讀數(shù)頭作用：將莫爾條紋的光信號轉(zhuǎn)換成58

光柵上述光柵用于增量式測量，有的光柵讀數(shù)頭設(shè)有—個絕對零點，當停電或其他原因記錯數(shù)字時，可重新對零（方法：在兩光柵上分別有一小段光柵，這兩小段光柵重合時發(fā)出零位信號）光柵采用與機床材料膨脹系數(shù)接近的K8等玻璃材料，測量精度較高的光柵在恒溫場所或進行密封使用。用直線光柵測量時標尺光柵與行程等長，通常光柵長度為1m。行程大于1m時，需要將光柵接長光柵上述光柵用于增量式測量，有的光柵讀數(shù)頭設(shè)有—59

光柵2光柵的基本測量原理——莫爾條紋橫向透光亮帶橫向暗帶wd均勻刻線主光柵指示光柵夾角明暗相間條紋莫爾條紋移動光柵2光柵的基本測量原理——莫爾條紋橫向透光亮60

光柵通過讀出移動的莫爾條紋條數(shù)，計算出運動部件的準確位移。橫向透光亮帶橫向暗帶柵距光柵通過讀出移動的莫爾條紋條數(shù)，計算出運動部件的61

光柵莫爾條紋特性：（1）光學放大作用放大比k為：若d=0.01mm，θ＝0.01rad，則w＝1mm，k＝100

光柵莫爾條紋特性：放大比k為：若d=0.01m62

光柵（2）實現(xiàn)平均誤差作用莫爾條紋→

大量光柵線紋干涉→

誤差平均效應(yīng)

→克服個別/局部誤差→提高精度

（3）莫爾條紋移動與柵距移動成比例光柵移動一個柵距d

→莫爾條紋沿垂直方向移動一個間距w

若光柵移動方向相反，莫爾條紋移動方向也相反。光柵（2）實現(xiàn)平均誤差作用63

光柵.3光柵測量系統(tǒng)光強信號變?yōu)橥l率的電壓信號

標尺光柵移動過程中，莫爾條紋交替出現(xiàn)由亮帶到暗帶、暗帶到亮帶，光強度分布近似余弦曲線，光電元件接收到的光通量忽大忽小，產(chǎn)生近似正弦曲線的電壓信號光柵.3光柵測量系統(tǒng)光強信號變?yōu)橥l64

光柵四倍頻細分光柵四倍頻細分65

光柵

鑒向倍頻裝置d光柵鑒向倍頻裝置d66數(shù)控機床的檢測裝置課件67

光柵鑒向倍頻電路作用:

辨向、細分，提高光柵的分辨率。四倍頻細分：就是從一個莫爾條紋之產(chǎn)生一個電脈沖信號，變成為0°、90°、180°、270°都有脈沖輸出，一個周期內(nèi)送出4個脈沖。分辨率提高4倍。

分辨率取決于光柵柵距d和鑒向倍頻的倍數(shù)n，即：分辨率＝d/n。例：光柵線紋密度50條/mm（柵距20μm），經(jīng)4倍頻處理后，線紋密度提高到200條/mm，工作臺每移動5μm送出一個脈沖，即分辨率為5μm，提高4倍。光柵鑒向倍頻電路作用:68

光柵光柵在數(shù)控車床上的安裝位置光柵光柵在數(shù)控車床上的安裝位置69

光柵光柵在數(shù)控鏜銑床上的安裝位置光柵光柵在數(shù)控鏜銑床上的安裝位置70

磁柵

磁柵（磁尺）：用電磁方法計算磁波數(shù)目的一種位置檢測元件。用于線和角位移測量。與感應(yīng)同步器、光柵相比，測量精度略低。優(yōu)點：1．制作簡單，安裝、調(diào)整方便，成本低。錄制完的磁化信號，可抹去重錄?？砂惭b在機床上再錄磁，避免安裝誤差。2．長度可任意選擇，亦可錄制任意節(jié)距的磁信號。3．對使用環(huán)境要求低。在油污、粉塵較多的環(huán)境中應(yīng)用，具有較好的穩(wěn)定性。磁柵磁柵（磁尺）：用電磁方法計算磁波數(shù)目71

磁柵.1磁柵的工作原理與結(jié)構(gòu)組成：磁性標尺、磁頭和檢測電路。工作原理：

用錄磁磁頭將相等節(jié)距（常為20μm或50μm）周期變化的電信號記錄到磁性標尺上，作為測量位移量的基準尺。磁柵.1磁柵的工作原理與結(jié)構(gòu)72

磁柵1）磁性標尺的等節(jié)距錄磁的精度要求很高2）磁頭采用磁通響應(yīng)型磁頭（靜態(tài)磁頭）檢測時，用拾磁磁頭讀取記錄在磁性標尺上的磁信號，通過檢測電路將位移量用數(shù)字顯示出來或送至位置控制系統(tǒng)磁柵1）磁性標尺的等節(jié)距錄磁的精度要求很高檢測73

磁柵1．磁性標尺

非導磁材料基體（銅、不銹鋼或合金材料）上，用涂敷、化學沉積或電鍍鍍一層10～30μm厚的高導磁材料，形成均勻磁性膜。使用錄磁磁頭使磁膜磁化成節(jié)距（0.05㎜、0.10㎜、0.20㎜、1.0㎜等）相等的周期變化磁化信號（脈沖、正弦波或飽和磁波），作為測量基準。在磁尺表面涂一層1～2μm厚的耐磨塑料保護層，防磁頭與磁尺頻繁接觸、導致磁膜磨損。

磁柵1．磁性標尺74

磁柵2．磁頭把反映空間位置變化的磁化信號檢測出來，轉(zhuǎn)換成電信號，輸送給檢測電路。a.動態(tài)磁頭:有一組輸出繞組，磁頭和磁尺有一定相對速度時能讀取磁化信號，用于錄音機、磁帶機的拾磁磁頭，不能測量位移。b.靜態(tài)磁頭:磁尺與磁頭相對運動速度很低或處于靜止時（即數(shù)控機床低速運動和靜止時）能測量位移或位置。靜態(tài)磁頭在普通動態(tài)磁頭上加帶勵磁線圈的可飽和鐵心，利用了可飽和鐵心的磁性調(diào)制原理。靜態(tài)磁頭又可分為單磁頭、雙磁頭和多磁頭。磁柵2．磁頭75

磁柵磁柵的工作原理與結(jié)構(gòu)激磁繞組通高頻激磁電流I＝I0sin（ω0t／2）I的瞬時值＞某一數(shù)值時，橫臂上鐵芯材料飽和，磁阻很大，磁路被阻斷，磁性標尺的磁通Φ0不通過磁頭閉合，輸出線圈不與Φ0交鏈。I的瞬時值＜某一數(shù)值時，橫臂中磁阻降低到很小，磁路開通，輸出線圈與Φ0交鏈。（1）磁通響應(yīng)型磁頭（有可飽和鐵芯的二次諧波磁性調(diào)制器）磁柵磁柵的工作原理與結(jié)構(gòu)激磁繞組通高頻激磁電流（76

磁柵激磁電流一個周期內(nèi)兩次過零、兩次出現(xiàn)峰值，磁開關(guān)通斷各兩次。輸出線圈輸出的信號是一個調(diào)幅信號：e—輸出線圈輸出的感應(yīng)電動勢；E0—輸出線圈輸出的感應(yīng)電動勢峰值；λ—磁性標尺上的磁化信號節(jié)距；x—磁頭對磁性標尺的位移量；ω—輸出線圈感應(yīng)電動勢的頻率，是激磁電流I的頻率ω0的2倍。e和磁性標尺與磁頭相對速度無關(guān)，而是由位移量X決定的

選用磁尺的某一N極作位移零點測出e＝0，的次數(shù)，根據(jù)磁性標尺的磁信號節(jié)距λ，計算出位移量x磁柵激磁電流一個周期內(nèi)兩次過零、兩次出現(xiàn)峰值，磁77

磁柵（2）多間隙磁通響應(yīng)型磁頭

多間隙磁頭中每一個磁頭以相同的間距λm／2配置，相鄰兩磁頭的輸出繞組反相串接，得到的總輸出電壓為每個磁頭輸出電壓的疊加。磁柵（2）多間隙磁通響應(yīng)型磁頭多間78

磁柵

磁尺辨向原理與光柵、感應(yīng)同步器一致，分鑒相和鑒幅兩種測量方式。雙磁頭：兩磁頭通頻率相同、相位差90°的激磁電流，則兩個磁頭的激磁繞組的輸出電壓分別為：磁柵磁尺辨向原理與光柵、感應(yīng)同步器一致，分79

磁柵3．磁柵檢測電路

磁頭激磁電路，讀取信號的放大、濾波及辨向電路，細分內(nèi)插電路，顯示及控制電路等有幅值測量和相位測量兩種，以相位測量應(yīng)用較多。相位檢測是將第1組磁頭的激磁電流移相45°，或?qū)⑺妮敵鲂盘栆葡?0°磁柵3．磁柵檢測電路80

磁柵兩組磁頭輸出信號求和，得：

磁柵相位檢測系統(tǒng)的磁頭輸出信號與感應(yīng)同步器在鑒相工作方式下的輸出號相似。所以，它們的檢測電路也基本相似。

磁柵兩組磁頭輸出信號求和，得：磁柵相位81數(shù)控機床的檢測裝置課件82

磁柵二、磁柵位置檢測裝置的結(jié)構(gòu)類型按磁性標尺的基體形狀分為：測直線位移：實體型磁柵、帶狀磁柵和線狀磁柵測角位移：回轉(zhuǎn)型磁柵

實體型磁柵用于精度要求較高場合，其制造長度有限，因此應(yīng)用較少磁柵二、磁柵位置檢測裝置的結(jié)構(gòu)類型實體型磁柵83

磁柵

帶狀磁柵的磁尺固定在用低碳鋼做的屏蔽殼體內(nèi)，以一定的預(yù)緊力繃緊在框架或支架中，框架固定在機床上，使磁尺與機床一起伸縮，減少溫度對測量精度的影響。帶狀磁尺可做得較長，一般是1m以上，主要應(yīng)用量程較大、安裝面不易安排的場合。

磁柵帶狀磁柵的磁尺固定在用低碳鋼做的屏蔽殼84

磁柵

線狀磁柵的磁尺是具有一定直徑的圓棍形狀，磁頭具有特殊結(jié)構(gòu)，是多間隙的磁通響應(yīng)型的磁頭，把磁尺包在中間，對周圍電磁起到屏蔽的作用，具有抗干擾能力強、輸出信號大、精度高等特點，但不易做長，用于小型精密機床或結(jié)構(gòu)緊湊的測量機中磁柵線狀磁柵的磁尺是具有一定直徑的圓棍形狀85

磁柵

回轉(zhuǎn)型磁柵是一種盤形或鼓形磁柵，磁頭和帶狀磁尺的磁頭相同，主要用于角位移測量磁柵回轉(zhuǎn)型磁柵是一種盤形或鼓形磁柵，磁頭和86

編碼器1、定義：一種旋轉(zhuǎn)式測量元件，裝在被測軸上，隨被測軸一起轉(zhuǎn)動，將被測軸的角位移轉(zhuǎn)換成增量脈沖形式或絕對式的代碼形式。2、分類：接觸式光電式電磁式工作臺絲杠編碼器電機編碼器1、定義：工作臺絲杠編碼器電機87信號航空插頭（參考德國沃申道夫公司資料）

編碼器信號航空插頭（參考德國沃申道夫公司資料）編碼器88

編碼器編碼器89

拉線式角編碼器利用線輪，能將直線運動轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運動。拉線式角編碼器利用線輪，能將直線運動轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運動。90

編碼器6.接觸式編碼器是一種絕對值式的檢測裝置，可直接把被測轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來，每一個角度位置均有唯一對應(yīng)的代碼。這種測量方式即使斷電或切斷電源，也能讀出轉(zhuǎn)動角度。編碼器6.接觸式編碼器91

編碼器n位二進制碼盤，有n圈碼道，圓周均分2n等份，即有2n個數(shù)據(jù)表示不同位置，能分辨的最小角度α＝360°/2n。n越大，能分辨的角度越小，測量精度越高。例：電刷由位置（0111）向位置（1000）過渡時，可能會出現(xiàn)8～15之間的任一十進制數(shù)。這種誤差稱為非單值誤差。

消除誤差：采用循環(huán)碼（雷格碼）。各碼道的數(shù)碼不同時改變，任何兩個相鄰數(shù)碼間只有一位是變化的，每次只切換一位數(shù)，把誤差控制在最小單位內(nèi)。編碼器n位二進制碼盤，有n圈碼道，圓周均分2n92

編碼器

目前接觸式碼盤可做到8～14位二進制。若要求位數(shù)更多，則采用組合碼盤，一個作為粗計碼盤，一個作為精計碼盤。精計碼盤轉(zhuǎn)一圈，粗計碼盤依次轉(zhuǎn)一格。接觸式絕對值編碼器優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、輸出信號強。缺點：電刷磨損造成壽命降低，轉(zhuǎn)速不能太高（每分鐘幾十轉(zhuǎn)），精度受外圈（最低位）碼道寬度限制。使用范圍有限。

編碼器目前接觸式碼盤可做到8～14位二進制。93

編碼器6.光電式編碼器編碼器6.光電式編碼器94

編碼器脈沖編碼器結(jié)構(gòu)

增量式光電編碼器按每轉(zhuǎn)發(fā)出脈沖數(shù)的多少分多種型號，數(shù)控機床最常用的如表所列，根據(jù)數(shù)控機床絲杠螺距來選用。脈沖編碼器每轉(zhuǎn)脈沖移動量（mm）2000P／r2，3，4，6，82500P／r5，103000P／r3，6，12組成：光源、聚光鏡、光欄板、光電碼盤、光電元件、信號處理電路編碼器脈沖編碼器結(jié)構(gòu)脈沖編碼器每轉(zhuǎn)脈沖移動量（mm95

編碼器編碼器在數(shù)控機床中有兩種安裝方式：一、和伺服電機同軸聯(lián)接，為內(nèi)裝式編碼器，編碼器在進給傳動鏈的前端；二、連接在滾珠絲杠末端，為外裝式編碼器。外裝式包含的傳動鏈誤差比內(nèi)裝式多，位置控制精度較高；內(nèi)裝式安裝方便。編碼器編碼器在數(shù)控機床中有兩種安裝方式：96數(shù)控機床的檢測裝置課件97安裝套編碼器的安裝方式1.編碼器的套式安裝安裝套編碼器的安裝方式1.編碼器的套式安裝98安裝軸2.編碼器的軸式安裝安裝軸2.編碼器的軸式安裝99

編碼器編碼器100

編碼器光電脈沖編碼器碼盤及狹縫轉(zhuǎn)軸光敏元件光欄板及辨向用的A組、B組狹縫光源ABZ零位標志編碼器光電脈沖編碼器碼盤及狹縫轉(zhuǎn)軸光敏元件光欄板及101

編碼器判別旋向：在編碼盤兩側(cè)安裝A組與B組兩組狹縫，彼此錯開1/4節(jié)距，兩組狹縫相對應(yīng)的光敏元件，產(chǎn)生兩組近似正弦波的電流信號A、B，彼此相差90相位，經(jīng)放大整形電路后變成方波，用于辨相。

A相超前，正轉(zhuǎn)；

B相超前，反轉(zhuǎn)編碼器判別旋向：在編碼盤兩側(cè)安102

編碼器A、B兩相的作用如何進行位置和速度的測量？☆根據(jù)脈沖數(shù)目可得被測軸的角位移；☆根據(jù)脈沖頻率可得被測軸的轉(zhuǎn)速；如何辨別轉(zhuǎn)軸方向？☆根據(jù)A、B兩相相位超前滯后關(guān)系可判斷被測軸旋轉(zhuǎn)方向。如何提高分辨率？☆后續(xù)電路可利用A、B兩相的90°相位差進行細分處理（四倍頻電路實現(xiàn)）。編碼器A、B兩相的作用103

編碼器

碼盤里圈，有一條狹縫Z，每轉(zhuǎn)能產(chǎn)生一個脈沖，該脈沖信號又稱“零點脈沖”，作為測量的起始基準。Z相的作用：

被測軸的周向定位基準信號被測軸的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)記數(shù)信號編碼器碼盤里圈，有一條狹縫Z，每轉(zhuǎn)能產(chǎn)生一104

編碼器

測量精度為能分辨的最小角度，分辨角α＝360°/狹縫數(shù)。如條紋數(shù)為1024，則α＝360°/1024＝0.352°。光電編碼器的輸出信號為差動信號，進行倍頻處理，進一步提高分辨力。例如：配置2000脈沖／r光電編碼器的伺服電機直接驅(qū)動8mm螺距的滾珠絲杠，經(jīng)4倍頻處理后，相當于8000脈沖／r的角度分辨力，對應(yīng)工作臺的直線分辨力由倍頻前的0.004mm提高到0.001mrn。編碼器測量精度為能分辨的最小角度，分辨角α＝105

編碼器

光電式編碼器優(yōu)點：沒有接觸磨損，碼盤壽命長，允許轉(zhuǎn)速高，最外圈每片寬度可做得很小，因而精度高。缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高，光源壽命短。目前，有一種混合式絕對值脈沖編碼器：最外圈是高密度的增量制條紋，中間有四個碼道組成絕對值式四位循環(huán)碼，圓盤最里面有發(fā)一轉(zhuǎn)信號的狹縫。工作原理是粗、中、精三級計數(shù)，碼盤轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)由“一轉(zhuǎn)脈沖”的計數(shù)表示,在一轉(zhuǎn)以內(nèi)的角度位置由循環(huán)碼的4×16個不同數(shù)值表示，每1/4圓循環(huán)碼的細分由最外圈增量制碼完成編碼器光電式編碼器優(yōu)點：沒有接觸磨損，碼盤壽106

編碼器1．位移測量

用在數(shù)控機床進給系統(tǒng)中，光電脈沖編碼器將位置檢測信號反饋給數(shù)控裝置一般有兩種方式：一、適應(yīng)帶加減計數(shù)要求的可逆計數(shù)器，形成加計數(shù)脈沖和減計數(shù)脈沖；二、適應(yīng)有計數(shù)控制端和方向控制端的計數(shù)器，形成正走、反走計數(shù)脈沖和方向控制電平。編碼器1．位移測量107數(shù)控機床的檢測裝置課件108數(shù)控機床的檢測裝置課件109

編碼器

在數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺中，通過在回轉(zhuǎn)軸末端安裝編碼器，可測量回轉(zhuǎn)工作臺的角位移。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺與直線軸聯(lián)動時，可加工空間曲線。在交流電機變頻控制中，與電動機同軸聯(lián)接的編碼器可檢測電動機轉(zhuǎn)子磁極相對定子繞組的角度位置，用于變頻控制。編碼器在數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺中，通過在回轉(zhuǎn)軸末端110

編碼器2．主軸控制主軸位置脈沖編碼器的作用：（1）主軸旋轉(zhuǎn)與坐標軸進給的同步控制在螺紋加工中，1）對編碼器輸出脈沖計數(shù)，保證主軸每轉(zhuǎn)1周，刀具準確移動1個螺距（導程）2）一般的螺紋加工要經(jīng)過幾次切削完成，每次重復(fù)切削，進刀位置必須相同。為保證重復(fù)切削不亂扣，數(shù)控系統(tǒng)在接收到光電編碼器中的一轉(zhuǎn)脈沖（零點脈沖）后才開始螺紋切削的計算。編碼器2．主軸控制111

編碼器（2）主軸定向準停控制加工中心換刀時，為使機械手對準刀柄，主軸必須停在固定的徑向位置在固定切削循環(huán)中，如精鏜孔，要求刀具必須停在某一徑向位置才能退出。這要求主軸能準確地停在某一固定位置上，這就是主軸定向準停功能。編碼器的輸出為當前刀具號編碼器（2）主軸定向準?？刂凭幋a器的輸出為當前刀具112編碼器在定位加工中的應(yīng)用1—絕對式編碼器2—電動機3—轉(zhuǎn)軸4—轉(zhuǎn)盤5—工件6—刀具

編碼器在定位加工中的應(yīng)用1—絕對式編碼器113

編碼器（3）恒線速切削控制車床、磨床進行端面或錐面切削時，為保證Ra保持一定值，要求刀具與工件接觸點的線速度為恒值。隨著刀具徑向進給及切削直徑的逐漸減小或增大，應(yīng)不斷提高或降低主軸轉(zhuǎn)速，保持V＝2πDn為常值

V：切削線速度；

D：工件切削直徑，隨刀具進給不斷變化

n：主軸轉(zhuǎn)速。

D由坐標軸位移檢測裝置（如光電編碼器）獲得。經(jīng)軟件處理后得n，轉(zhuǎn)換成速度信號至主軸驅(qū)動裝置。編碼器（3）恒線速切削控制114

編碼器3．測速光電編碼器輸出脈沖的頻率與其轉(zhuǎn)速成正比，可代替測速發(fā)電機的模擬測速，成為數(shù)字測速裝置。編碼器3．測速115

編碼器4．零標志脈沖用于回參考點控制采用增量式的位置檢測裝置時，數(shù)控機床在接通電源后要做回到參考點的操作。參考點位置是否正確與檢測裝置中的零標志脈沖有相當大的關(guān)系。在回參考點方式時，數(shù)控機床坐標軸先以快速向參考點方向運動，當碰到減速擋塊后，坐標軸再以慢速趨近，當編碼器產(chǎn)生零標志信號后，坐標軸再移動一設(shè)定距離而停止于參考點。編碼器4．零標志脈沖用于回參考點控制116

編碼器編碼器117

編碼器

在進給坐標軸中，還應(yīng)用一種手搖脈沖發(fā)生器，一般每轉(zhuǎn)產(chǎn)生1000個脈沖，脈沖當量為1μm，輸出信號波幅為＋5V。作用：慢速對刀和手動調(diào)整機床。

編碼器在進給坐標軸中，還應(yīng)用一種手搖脈沖發(fā)生器118

編碼器1感應(yīng)同步器繞組節(jié)距為2τ，感應(yīng)電勢的相位角變化與滑尺相對于定尺移動的距離x的關(guān)系是?

χπ/τ2感應(yīng)同步器在以鑒相或鑒幅方式工作時，滑尺兩繞組的激磁電壓的特點如何?

在鑒相型系統(tǒng)中，激磁電壓是頻率、幅值相同，相位差為π/2的交變電壓。在鑒幅型系統(tǒng)中，激磁電壓是頻率、相位相同，幅值不同的交變電壓。編碼器1感應(yīng)同步器繞組節(jié)距為2τ，感應(yīng)電勢的相位119

謝謝大家謝謝大家120數(shù)控機床的檢測裝置課件121概述

1、作用：檢測位移（線位移或角位移）和速度，發(fā)送反饋信號至數(shù)控裝置，構(gòu)成伺服系統(tǒng)的閉環(huán)或半閉環(huán)控制，使工作臺按指令的路徑精確地移動，其精度決定了加工精度。2、應(yīng)用范圍：半閉環(huán)控制的數(shù)控機床：旋轉(zhuǎn)變壓器、編碼器，安裝在電機或絲杠上，測量了電機或絲杠的角位移，也就間接地測量了工作臺的直線位移。閉環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)控機床：感應(yīng)同步器、光柵、磁柵等測量裝置，安裝在工作臺和導軌上，直接測量工作臺的直線位移。概述1、作用：122

概述3、位置檢測裝置的精度包括系統(tǒng)精度和分辨率系統(tǒng)精度：在一定長度或轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)測量累積誤差的最大值。分辨率：位置檢測系統(tǒng)能夠測量的最小位移量。3、要求：受溫度、濕度的影響小，工作可靠，抗干擾能力強；在機床移動的范圍內(nèi)滿足精度和速度要求；使用維護方便，適合機床運行環(huán)境；成本低；易于實現(xiàn)高速的動態(tài)測量。概述3、位置檢測裝置的精度包括系統(tǒng)精度和分辨率123

概述主要內(nèi)容.2位置檢測裝置分類按被測量的幾何量分：回轉(zhuǎn)型（測角位移）和直線型（測線位移）；按檢測信號的類型分：數(shù)字式和模擬式；按檢測量的基準分：增量式和絕對式。不同類型的數(shù)控機床，因工作條件和檢測要求不同，可采用不同的檢測方式。概述主要內(nèi)容.2位置檢測裝置分類按被測量的124

概述主要內(nèi)容概述數(shù)字式

數(shù)字式

模擬式

模擬式

增量式

絕對式

增量式

絕對式

回轉(zhuǎn)型

增量式脈沖編碼器圓光柵

絕對式脈沖編碼器

旋轉(zhuǎn)變壓器圓感應(yīng)同步器圓磁尺

多極旋轉(zhuǎn)變壓器3速圓感應(yīng)同步器

直線型

計量光柵激光干涉儀

多通道透射光柵

直線感應(yīng)同步器磁尺

3速直線感應(yīng)同步器絕對值式磁尺

移動一個測量單位就發(fā)出一個測量信號被測量的任一點的位置都以一個固定零點作基準概述主要內(nèi)容概述數(shù)字式數(shù)字式模擬式模擬式增量125

概述主要內(nèi)容1．增量式與絕對式

1）增量式檢測方式增量式檢測方式測量位移增量，移動一個測量單位就發(fā)出一個測量信號。優(yōu)點：檢測裝置較簡單，任何一個對中點均可作為測量起點；輪廓控制常采用缺點：對測量信號計數(shù)后才能讀出移距，一旦計數(shù)有誤，此后的測量結(jié)果將全錯；發(fā)生故障時（如斷電、斷刀等）不能再找到事故前的正確位置，必須將工作臺移至起點重新計數(shù)。概述主要內(nèi)容1．增量式與絕對式1）增量式檢測方式126

概述2）絕對式測量方式絕對式測量方式中，被測量的任一點的位置都以一個固定的零點作基準，每一被測點都有一個相應(yīng)的對零點的測量值。避免了增量式檢測方式的缺陷，但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。概述2）絕對式測量方式127

概述2．數(shù)字式與模擬式1）數(shù)字式測量方式

將被測量單位量化后以數(shù)字形式表示，測量信號一般為電脈沖，可直接把它送到數(shù)控裝置進行比較、處理特點：（1）被測量量化后轉(zhuǎn)換成脈沖個數(shù)，便于顯示和處理；（2）測量精度取決于測量單位，與量程基本無關(guān)（存在累加誤差）；（3）檢測裝置較簡單，脈沖信號抗干擾能力強。概述2．數(shù)字式與模擬式128

概述2）模擬式測量方式將被測量用連續(xù)的變量來表示，如用相位變化、電壓變化來表示，主要用于小量程測量。主要特點：（1）直接對被測量進行檢測，無需量化；（2）在小量程內(nèi)可以實現(xiàn)高精度測量；（3）可用于直接檢測和間接檢測。概述2）模擬式測量方式129

概述3．直接測量與間接測量1）直接測量對機床的直線位移采用直線型檢測裝置測量，稱為直接檢測。測量精度主要取決于測量元件的精度，不受機床傳動精度的影響。但檢測裝置要與行程等長，對大型數(shù)控機床來說，這是一個很大的限制。概述3．直接測量與間接測量130

概述2）間接測量對機床的直線位移采用回轉(zhuǎn)型檢測元件測量，稱為間接測量。優(yōu)點：使用可靠方便，無長度限制，缺點：在檢測信號中加入了直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動的傳動鏈誤差，影響檢測精度。因此為了提高定位精度，常常需要對機床的傳動誤差進行補償。概述2）間接測量131

旋轉(zhuǎn)變壓器.1旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)組成：定子、轉(zhuǎn)子分類：有刷和無刷兩種旋轉(zhuǎn)式的小型交流電動機轉(zhuǎn)子軸承分解器轉(zhuǎn)子變壓器定子變壓器二次繞組變壓器轉(zhuǎn)子線軸殼體分解器定子變壓器一次繞組無刷旋轉(zhuǎn)變壓器：特點：輸出信號大可靠性高壽命長不用維修旋轉(zhuǎn)變壓器.1旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)式的小型132

旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器分：單極對、多極對。常用單極對旋轉(zhuǎn)變壓器和雙極對旋轉(zhuǎn)變壓器。單極對：定子和轉(zhuǎn)子上各有一對磁極。轉(zhuǎn)子通常不直接與電機軸相聯(lián)，經(jīng)精密齒輪升速后再與電機軸相聯(lián)，根據(jù)絲杠導程選用齒輪升速比，以保證機床的脈沖當量與輸入設(shè)定的單位相同，升速比通常為1:2、1:3、1:4、2:3、1:5、2:5等。多極對：增加定子或轉(zhuǎn)子的極對數(shù)，使電氣轉(zhuǎn)角為機械轉(zhuǎn)角的倍數(shù)，用于高精度絕對式檢測系統(tǒng)。雙極對：定子和轉(zhuǎn)子上各有兩對相互垂直的磁極，其檢測精度較高，在數(shù)控機床中應(yīng)用普遍。旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器分：單極對、多極對。常用單極對133

旋轉(zhuǎn)變壓器.2旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理

根據(jù)互感原理工作，定子與轉(zhuǎn)子之間氣隙磁通分布呈正／余弦規(guī)律。當定子加上一定頻率的激磁電壓時，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其輸出電壓的大小取決于定子和轉(zhuǎn)子兩個繞組軸線在空間的相對位置。

旋轉(zhuǎn)變壓器.2旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理134

旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器135

旋轉(zhuǎn)變壓器主要內(nèi)容單極對旋轉(zhuǎn)變壓器：由變壓器原理，設(shè)一次繞組匝數(shù)N1，二次繞組匝數(shù)N2，變壓比n＝N1／N2，一次側(cè)輸入交變電壓：二次側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電勢：

U2—轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電勢U1—定子的激磁電壓Um—激磁電壓幅值θ—轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)變壓器主要內(nèi)容單極對旋轉(zhuǎn)變壓器：由變壓器原理，136

旋轉(zhuǎn)變壓器主要內(nèi)容正弦余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理定子和轉(zhuǎn)子繞組中各有互相垂直的兩個繞組，定子上兩個繞組分別為正弦繞組U1s、余弦繞組U1c，轉(zhuǎn)子繞組的一個繞組輸出電壓為U2，另一個繞組接高阻抗，補償轉(zhuǎn)子對定子的電樞反應(yīng)。正弦余弦旋轉(zhuǎn)變壓器主要內(nèi)容正弦余弦旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理137

旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器的工作方式

1．鑒相工作方式給定子的兩個繞組通以同幅值、同頻率，相位差π/2的交流激磁電壓U1s＝UmsinωtU1c＝Um（sinωt+π/2）＝Umcosωt

轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時，U1s、U1c在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，經(jīng)疊加，得轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓U2

旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器的工作方式1．鑒相工作方式U138

旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時的感應(yīng)電壓：U2＝kUmsinωtsinθ＋kUmcosωtcosθ=kUmcos（ωt－θ）k—電磁耦合系數(shù)，k<1；θ—相位角，轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角。轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)時的感應(yīng)電壓：U2＝kUmcos（ωt＋θ）（ωt＋θ）～θ嚴格對應(yīng)關(guān)系，檢測出（ωt＋θ），可得θ

，可得被測軸的角位移。旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時的感應(yīng)電壓：139

旋轉(zhuǎn)變壓器2．鑒幅工作方式

定子正、余弦繞組分別通同頻率、同相位，但幅值分別為Usm和Ucm的交流激磁電壓

U1s＝UsmsinωtU1c=Ucmsinωt當給定電氣角為α時，交流激磁電壓的幅值分別為

Usm＝UmsinαUcm＝Umcosα旋轉(zhuǎn)變壓器2．鑒幅工作方式140

旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時，U1s、U1c經(jīng)疊加，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓U2為：U2＝kUmsinαsinωtsinθ＋kUmcosαsinωtcosθ

＝kUmcos（α－θ）sinωt轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)時，同理有：

U2＝kUmcos（α＋θ）sinωtU2的幅值為:kUmcos（α－θ）、kUmcos（α＋θ）可見，U2的幅值隨轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角θ變化，測量出幅值即可求得偏轉(zhuǎn)角θ，旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時，U1s、U1c經(jīng)疊加，轉(zhuǎn)子感141

旋轉(zhuǎn)變壓器主要內(nèi)容.3旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用

測量旋轉(zhuǎn)變壓器二次繞組的感應(yīng)電動勢U2的幅值或相位的變化，可知轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角θ的變化。如果將旋轉(zhuǎn)變壓器安裝在數(shù)控機床的絲杠上，當θ角從0°變化到360°時，表示絲杠上的螺母走了一個導程，這樣就間接地測量了絲杠的直線位移（導程）的大小。

旋轉(zhuǎn)變壓器主要內(nèi)容.3旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用142

旋轉(zhuǎn)變壓器

當測全長時，由于普通旋轉(zhuǎn)變壓器屬于增量式測量裝置，如果將其轉(zhuǎn)子直接與絲杠相聯(lián)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一周，僅相當于工作臺1個絲杠導程的直線位移，不能反映全行程，因此，要檢測工作臺的絕對位置，需要加一臺絕對位置計數(shù)器，累計所走的導程數(shù)，折算成位移總長度。另外，在轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)1周時，轉(zhuǎn)子的輸出電壓將隨旋轉(zhuǎn)變壓器的極數(shù)不同而不止一次地通過零點，必須在線路中加相敏檢波器來辨別轉(zhuǎn)換點和區(qū)別不同的轉(zhuǎn)向。旋轉(zhuǎn)變壓器當測全長時，由于普通旋轉(zhuǎn)變壓器143

旋轉(zhuǎn)變壓器此外，還可以用3個旋轉(zhuǎn)變壓器按1:1、10:1和100:1的比例相互配合串接，組成精、中、粗3級旋轉(zhuǎn)變壓器測量裝置。如果轉(zhuǎn)子以半周期直接與絲杠耦合（即“精”同步），結(jié)果使絲杠位移10mm，則“中”測旋轉(zhuǎn)變壓器工作范圍為100mm，“粗”測旋轉(zhuǎn)變壓器的工作范圍為1000mm。為了使機床工作臺按指令值到達一定位置，需用電氣轉(zhuǎn)換電路在實際值不斷接近指令值的過程中，使旋轉(zhuǎn)變壓器從“粗”轉(zhuǎn)換到“中”再轉(zhuǎn)換到“精”，最終的位置檢測精度由“精”旋轉(zhuǎn)變壓器決定。旋轉(zhuǎn)變壓器此外，還可以用3個旋轉(zhuǎn)變壓器按1:1、1144

旋轉(zhuǎn)變壓器主要內(nèi)容.4磁阻式多極旋轉(zhuǎn)變壓器簡介

普通旋轉(zhuǎn)變壓器：精度為角分級，應(yīng)用：精度要求不高或大型機床的粗測和中測。近年廣泛采用磁阻式多極旋轉(zhuǎn)變壓器：無電刷、滑環(huán)特點：工作可靠、抗沖擊能力強，連續(xù)高速運行、壽命長，成本低，輸出信號電平高（0.5～1.5V，最高可達4V），測量精度不如感應(yīng)同步器和光柵，但高于普通旋轉(zhuǎn)變壓器，誤差不超過3.5角秒，所以在數(shù)控機床上的應(yīng)用很有前途。應(yīng)用：高精度及各種控制式電氣變速雙通道系統(tǒng)，提高數(shù)控機床定位精度。旋轉(zhuǎn)變壓器主要內(nèi)容.4磁阻式多極旋轉(zhuǎn)變145

旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一個轉(zhuǎn)子齒距，氣隙磁導變化一個周期；當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一周時，氣隙磁導變化的周期數(shù)等于轉(zhuǎn)子齒數(shù)。氣隙磁導變化，輸出繞組感應(yīng)電勢變化。通過測輸出電壓幅值的變化得轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一個轉(zhuǎn)子齒距，氣隙磁導變化一個146

感應(yīng)同步器.1感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)與種類1、分類：直線式：由定尺、滑尺組成，測直線位移，用于全閉環(huán)伺服系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)式：由定子、轉(zhuǎn)子組成，測量角位移，用于半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。感應(yīng)同步器.1感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)與種類147

感應(yīng)同步器1．直線感應(yīng)同步器定尺繞組節(jié)距w2＝2（a2+b2），W2＝2τ＝2mm滑尺正余弦繞組成W或U形。錯開1／4w2

（電角度π/2）。節(jié)距w1＝2(a1+b1)取w1＝w2或w1＝2/3w2正弦繞組余弦繞組感應(yīng)同步器1．直線感應(yīng)同步器定尺繞組節(jié)距正弦繞組148

感應(yīng)同步器

定尺和滑尺的基體常用厚度為10mm、與床身材料熱膨脹系數(shù)相近的鋼板或鑄鐵，以減小與機床的溫度誤差。平面繞組為銅箔，常用厚度為0.05mm或0.07mm的純銅箔，用絕緣粘結(jié)劑將銅箔熱壓粘結(jié)在基體上，經(jīng)精密照相腐蝕工藝制成所需印刷繞組形式。

定尺繞組表面涂一層耐切削液的清漆涂層作為保護層，防止切削液的飛濺。

滑尺繞組表面貼一層帶塑料薄膜的絕緣鋁箔，防止因靜電感應(yīng)產(chǎn)生附加容性電勢。感應(yīng)同步器定尺和滑尺的基體常用厚度為10m149

感應(yīng)同步器

直線式感應(yīng)同步器有標準式、窄式、帶式和3重（速）式等。標準式：精度最高、使用最廣；窄式：定尺、滑尺寬度比標準式小，電磁感應(yīng)強度減低，比標準式精度低，適用精度較低或機床上安裝位置窄小且安裝面難于加工的情況；帶式：定尺最長可至3m以上，不需接長，可簡化安裝，定尺隨床身熱變形而變形，但定尺較長，剛性稍差，總測量精度比標準式低；3重式：定尺有粗、中、細繞組，為絕對式檢測系統(tǒng)，特別適用大型機床。感應(yīng)同步器直線式感應(yīng)同步器有標準式、窄式150

感應(yīng)同步器2．圓感應(yīng)同步器定子、轉(zhuǎn)子采用不銹鋼、硬鋁合金等材料作基板，呈環(huán)形輻射狀。定子和轉(zhuǎn)子相對的一面均有導電繞組，繞組用厚0.05mm的銅箔構(gòu)成。基板和繞組之間有絕緣層。繞組表面還加有一層與繞組絕緣的屏蔽層，材料為鋁箔或鋁膜。感應(yīng)同步器2．圓感應(yīng)同步器151

感應(yīng)同步器

轉(zhuǎn)子繞組：連續(xù)繞組；定子繞組：分段式、兩相正交（相差90°電角度）sin繞組、cos繞組感應(yīng)同步器轉(zhuǎn)子繞組：連續(xù)繞組；152

感應(yīng)同步器.2感應(yīng)同步器的安裝

定尺安裝在機床的不動部件上；滑尺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時必須保持定尺和滑尺平行、兩平面間的間隙約為0．25±0．05mm，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工作長度上正常耦合，減少測量誤差。感應(yīng)同步器.2感應(yīng)同步器的安裝153

感應(yīng)同步器.3感應(yīng)同步器工作原理定尺：單向均勻感應(yīng)繞組，繞組節(jié)距2τ，相當繞組空間分布的一個周期2π滑尺：有兩組激磁繞組，為正