第三章數(shù)控機床的位置檢測裝置(新)教學(xué)提綱

第三章數(shù)控機床(shùkònɡjīchuánɡ)的位置檢測裝置第一節(jié)數(shù)控機床中位置檢測裝置所起的作用與要求第二節(jié)數(shù)控機床位置檢測裝置的分類第三節(jié)位置檢測裝置的主要性能指標第四節(jié)常用(chánɡyònɡ)位置檢測裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理第一頁，共49頁。3.1位置檢測裝置的作用與要求位置檢測裝置是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分，在第二章中我們知道：在閉環(huán)或半閉環(huán)控制的數(shù)控機床中，必須利用(lìyòng)位置檢測裝置把機床運動部件的實際位移量隨時檢測出來，與給定的控制值(指令信號)進行比較，從而控制驅(qū)動元件正確運轉(zhuǎn)，使工作臺(或刀具)按規(guī)定的軌跡和坐標移動。第三章數(shù)控機床(shùkònɡjīchuánɡ)的位置檢測裝置第二頁，共49頁。第三章數(shù)控機床的位置檢測(jiǎncè)裝置3.1位置檢測裝置的作用與要求1）穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強。數(shù)控機床的工作環(huán)境存在油污、潮濕、灰塵、沖擊振動等，檢測裝置要能夠在這樣的惡劣環(huán)境下工作穩(wěn)定，并且受環(huán)境溫度影響小，能夠抵抗較強的電磁干擾。2）滿足精度和速度的要求。為保證(bǎozhèng)數(shù)控機床的精度和效率，檢測裝置必須具有足夠的精度和檢測速度，位置檢測裝置分辨率應(yīng)高于數(shù)控機床的分辨率一個數(shù)量級。3）安裝維護方便、成本低廉。受機床結(jié)構(gòu)和應(yīng)用環(huán)境的限制，要求位置檢測裝置體積小巧，便于安裝調(diào)試。盡量選用價格低廉，性能價格比高的檢測裝置。數(shù)控機床加工精度，在很大程度上取決于數(shù)控機床位置檢測裝置的精度，因此，位置檢測裝置是數(shù)控機床的關(guān)鍵部件之一，它對于提高數(shù)控機床的加工精度有決定性的作用。第三頁，共49頁。第三章數(shù)控機床的位置(wèizhi)檢測裝置3.2位置檢測裝置的分類數(shù)控機床的位置檢測裝置類型很多，按檢測信號的類型可分為數(shù)字式和模擬式；按檢測量的基準可分為增量式和絕對式；按測量值的性質(zhì)可分為直接測量和間接測量。對于不同類型的數(shù)控機床，因工作(gōngzuò)條件和檢測要求不同，應(yīng)采用不同的檢測方式。

1）按輸出信號的形式分類：

數(shù)字式:模擬式:將被測量以數(shù)字形式表示，測量信號(xìnhào)一般為電脈沖。將被測量以連續(xù)變化的物理量來表示（電壓相位/電壓幅值變化）脈沖編碼器、光柵等測速發(fā)電機、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器和磁尺等第四頁，共49頁。第三章數(shù)控機床的位置(wèizhi)檢測裝置3.2位置(wèizhi)檢測裝置的分類2）按測量基點的類型分類:

增量(zēnɡliànɡ)式：絕對式：只測量位移增量，并用數(shù)字脈沖的個數(shù)表示單位位移的數(shù)量。測量的是被測部件在某一絕對坐標系中的絕對坐標位置。脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光柵、磁柵、激光干涉儀等絕對式脈沖編碼器、三速式絕對編碼器（或稱多圈式絕對編碼器）等。第五頁，共49頁。第三章數(shù)控機床的位置檢測(jiǎncè)裝置3.2位置檢測裝置的分類2）按位置檢測元件(yuánjiàn)的運動形式分類：

回轉(zhuǎn)型(zhuǎnxínɡ):直線型:測量直線位移測量角位移第六頁，共49頁。第三章數(shù)控機床(shùkònɡjīchuánɡ)的位置檢測裝置3.2位置(wèizhi)檢測裝置的分類3）按位置(wèizhi)檢測元件的安裝位置(wèizhi)分類間接測量:直接(zhíjiē)測量:間接測量是將位置檢測裝置安裝在執(zhí)行部件前面的傳動元件或驅(qū)動電機軸上，測量其角位移，經(jīng)過轉(zhuǎn)換以后才能得到執(zhí)行部件的直線位移。直接測量是將位置檢測裝置安裝在執(zhí)行部件（即末端件）上，直接測量執(zhí)行部件末端件的直線位移或角位移。第七頁，共49頁。第三章數(shù)控機床的位置檢測(jiǎncè)裝置3.3位置檢測裝置的主要性能指標1）精度檢測精度是指檢測裝置在一定長度或轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)測量累積(lěijī)誤差的最大值。數(shù)控機床用傳感器要滿足高精度和高速實時測量的要求。直線位移檢測精度通常在±0.002～0.02mm/m、角位移檢測精度在±0.4″～1″/360°。2）分辨率位置檢測裝置能檢測的最小位置變化量稱作分辨率。分辨率應(yīng)適應(yīng)機床精度和伺服系統(tǒng)的要求。分辨率的高低，對系統(tǒng)的性能和運行平穩(wěn)性具有很大的影響。檢測裝置的分辨率一般按機床加工精度的1／3～1／10選取（也就是說，位置檢測裝置的分辨率要高于機床加工精度）。直線位移分辨率一般為1μm，高精度系統(tǒng)分辨率可達0.001μm、角位移分辨率可達0.01″/360°第八頁，共49頁。第三章數(shù)控機床(shùkònɡjīchuánɡ)的位置檢測裝置3.3位置檢測裝置的主要性能指標3）靈敏度輸出信號的變化量相對于輸入(shūrù)信號變化量的比值為靈敏度。實時測量裝置不但要靈敏度高，而且輸出、輸入(shūrù)關(guān)系中各點的靈敏度應(yīng)該是一致的。4）遲滯對某一輸入(shūrù)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。數(shù)控伺服系統(tǒng)的傳感器要求遲滯小。5）測量范圍和量程傳感器的測量范圍要滿足系統(tǒng)的要求，并留有余地。6）零漂與溫漂零漂與溫漂是在輸入(shūrù)量沒有變化時，隨時間和溫度的變化，位置檢測裝置的輸出量發(fā)生了變化。傳感器的漂移量是其重要性能標志，零漂和溫漂反映了隨時間和溫度的改變，傳感器測量精度的微小變化。第九頁，共49頁。第三章數(shù)控機床(shùkònɡjīchuánɡ)的位置檢測裝置3.4常用位置檢測裝置的結(jié)構(gòu)(jiégòu)和工作原理3.4.1旋轉(zhuǎn)變壓器

第十頁，共49頁。第三章數(shù)控機床的位置檢測(jiǎncè)裝置3.4常用位置檢測裝置(zhuāngzhì)的結(jié)構(gòu)和工作原理3.4.1旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器又稱同步分解器，是利用變壓器原理實現(xiàn)角位移測量的檢測裝置(zhuāngzhì)。它屬于模擬式測量裝置(zhuāngzhì)，具有輸出信號幅值大、抗干擾能力強、結(jié)構(gòu)簡單、動作靈敏、性能可靠等特點，同時，對環(huán)境條件要求不高，廣泛用于半閉環(huán)進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)中。但其信號處理比較復(fù)雜。它將機械轉(zhuǎn)角變換成與該轉(zhuǎn)角呈某一函數(shù)關(guān)系的電信號，可用于角位移測量。在結(jié)構(gòu)上與二相線繞式異步電動機相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成。勵磁電壓接到定子繞組上，轉(zhuǎn)子繞組輸出感應(yīng)電壓，輸出電壓隨被測角位移的變化而變化。

第十一頁，共49頁。第三章數(shù)控機床的位置檢測(jiǎncè)裝置3.4.1旋轉(zhuǎn)變壓器1.分類根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組兩種不同的引出方式旋轉(zhuǎn)變壓器分有刷式和無刷式。有刷式旋轉(zhuǎn)變壓器的特點是結(jié)構(gòu)簡單，體積小，但因電刷與滑環(huán)是機械滑動接觸的，所以可靠性差，壽命短。無刷旋轉(zhuǎn)變壓器無電刷和滑環(huán)，其輸出信號大、可靠性高、壽命長及不用維修等優(yōu)點，因此(yīncǐ)得到廣泛應(yīng)用。

旋轉(zhuǎn)變壓器根據(jù)(gēnjù)變壓器的磁極對數(shù)不同可分為單極式和多極式。單極式旋轉(zhuǎn)變壓器的定子與轉(zhuǎn)子上僅一對磁極，多極式旋轉(zhuǎn)變壓定子與轉(zhuǎn)子上有多對磁極，與單極式相比增加了電氣轉(zhuǎn)角與機械轉(zhuǎn)角的倍數(shù)，用于高精度絕對式檢測系統(tǒng)。在數(shù)控機床上應(yīng)用較多的是雙極式旋轉(zhuǎn)變壓器。第十二頁，共49頁。第三章數(shù)控機床的位置(wèizhi)檢測裝置3.4.1旋轉(zhuǎn)變壓器2.旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理(yuánlǐ)根據(jù)互感原理(yuánlǐ)工作的，定子繞組加上勵磁電壓，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電功勢。輸出感應(yīng)電功勢大小與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)，就是通過測量被測軸的轉(zhuǎn)角來間接測量工作臺的位移。第十三頁，共49頁。第三章數(shù)控機床(shùkònɡjīchuánɡ)的位置檢測裝置3.4.1旋轉(zhuǎn)變壓器2.旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理因此，旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓的幅值是嚴格地按轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角θ的正弦規(guī)律變化的，由此可知，只要測量出旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓的幅值，就能測量出轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角θ。旋轉(zhuǎn)變壓器可單獨和滾珠絲杠相連(xiānɡlián)，也可與伺服電動機組成一體。第十四頁，共49頁。3.4.1旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器可以通過輸出電壓的相位或輸出電壓的幅值來反映所測位移量的大小，因此其工作方法有鑒相型方式和鑒幅型方式兩種。1）鑒相型方式在旋轉(zhuǎn)變壓器的兩個定子繞組中，分別通入同幅、同頻，但相位差π/2的交流勵磁電壓U1s和U1c，即：

當轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時，這兩個勵磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生(chǎnshēng)的感應(yīng)電壓經(jīng)疊加，得到轉(zhuǎn)子的輸出電壓U2：

式中K——電磁耦合系數(shù)，k<1；θ——輸出電壓的相位角（即轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角）。當轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)時，同樣可以得到輸出電壓U2：由此可見，轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角ωt+θ和θ間有對應(yīng)關(guān)系。檢測出ωt+θ，便能得到θ值（即被測軸角位移）。實際應(yīng)用時，把定子余弦繞組勵磁電壓的相位ωt作為基準相位，與轉(zhuǎn)子輸出電壓U2的相位ωt+θ比較，從而確定θ大小。

第十五頁，共49頁。3.4.1旋轉(zhuǎn)變壓器2）鑒幅型方式在旋轉(zhuǎn)變壓器的兩個定子(dìngzǐ)繞組中，分別通入同相、同頻，但幅值分別按正弦和余弦變化的勵磁電壓U1s和U1c，即:

式中：α——勵磁電壓的相位角。當轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時，這兩個勵磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓經(jīng)疊加，得到轉(zhuǎn)子的輸出電壓U2：

當轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)時，輸出電壓U2：

由此可見，若電氣角α已知，測出輸出電壓的幅值kUmcos（α－θ）便能求出θ角（即被測軸的角位移）。實際測量時，不斷的修改定子(dìngzǐ)勵磁電壓的幅值（等效于修改α角），使它跟蹤θ變化，使kUmcos（α－θ）=0。當α=θ，轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電壓最大。通過計算定子(dìngzǐ)勵磁電壓的幅值計算出相位角α，從而得出θ的大小。第十六頁，共49頁。問題由角位移如何計算直線(zhíxiàn)位移？第十七頁，共49頁。第三章數(shù)控機床的位置(wèizhi)檢測裝置3.4.2感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器是旋轉(zhuǎn)變壓器演變而來，也是一種電磁感應(yīng)式的位移檢測裝置。按結(jié)構(gòu)和用途可分為直線感應(yīng)同步器和圓盤(yuánpán)旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器兩類，直線感應(yīng)同步器用于測量直線位移，圓盤(yuánpán)旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器用于測量角位移，兩者的工作原理基本相同。感應(yīng)同步器具有較高的測量精度和分辨率，工作可靠，抗干擾能力強，使用壽命長。目前，直線式感應(yīng)同步器的測量精度可達1.5μm，測量分辨率可0.05μm，并可測量較大位移。因此，感應(yīng)同步器廣泛應(yīng)用于坐標鏜床、坐標銑床及其他機床的定位；旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器常用于雷達天線定位跟蹤、精密機床或測量儀器的分度裝置等。第十八頁，共49頁。第三章數(shù)控機床的位置檢測(jiǎncè)裝置3.4.2感應(yīng)同步器

第十九頁，共49頁。第三章數(shù)控機床的位置(wèizhi)檢測裝置3.4.2感應(yīng)同步器1.直線型感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分(bùfen)組成，下圖是感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)示意圖。定尺和滑尺分別安裝在機床床身和移動部件上，定尺或滑尺隨工作臺一起移動，兩者平行放置，保持0.2～0.3mm間隙。標準的感應(yīng)同步器定尺250mm，尺上有一組感應(yīng)繞組；滑尺長100mm，感應(yīng)同步器在實際應(yīng)用時，如果被測量(cèliáng)的位移長度比定尺長，怎樣解決呢？第二十頁，共49頁。第三章數(shù)控機床的位置(wèizhi)檢測裝置3.4.2感應(yīng)同步器1.直線型感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)尺上有兩組勵磁繞組，一組為正弦勵磁繞組Us，一組為余弦(yúxián)勵磁繞組Uc。繞組的節(jié)距與定尺繞組節(jié)距相同，均為2mm，用τ表示。當正弦勵磁繞組與定尺繞組對齊時，余弦(yúxián)勵磁繞組與定尺繞組相差1／4節(jié)距。由于定尺繞組是均勻的，因此，滑尺上的兩個繞組在空間位置上相差1／4節(jié)距，即π/2相位角。第二十一頁，共49頁。W可以(kěyǐ)看出：滑尺在移動一個節(jié)距的過程中，感應(yīng)電勢變化了一個周期。

第二十二頁，共49頁。圖定尺繞組(ràozǔ)感應(yīng)電動勢產(chǎn)生原理第二十三頁，共49頁。顯然在定尺和滑尺的相對位移中，感應(yīng)電壓呈周期性變化，其波形(bōxínɡ)為余弦函數(shù)。在滑尺移動一個節(jié)距的過程中，感應(yīng)電壓變化了一個余弦周期。同樣，若在滑尺的余弦繞組中通以交流勵磁電壓，也能得出定尺繞組中感應(yīng)電壓與兩尺相對位移的關(guān)系曲線，它們之間為正弦函數(shù)關(guān)系。若勵磁電壓u＝Umsinωt則定尺繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電勢ee＝kUmcosθcosωt式中Um—勵磁電壓幅值(V)；ω—勵磁電壓角頻率(rad/s)；k—比例常數(shù)，其值與繞組間最大互感系數(shù)有關(guān)；θ—滑尺相對定尺在空間的相位角。在一個節(jié)距W內(nèi)，位移x與θ的關(guān)系應(yīng)為θ＝2πx/W感應(yīng)同步器就是利用感應(yīng)電勢的變化，來檢測在一個節(jié)距W內(nèi)的位移量，為絕對式測量。例：感應(yīng)電勢與勵磁電壓相位差θ=1.8°，節(jié)距W=2mm，由θ=2πx/W，則X=0.01mm第二十四頁，共49頁。感應(yīng)同步器作為位置測量裝置在數(shù)控機床上有兩種工作方式：鑒相式和鑒幅式。鑒相式：在該工作方式下，給滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別通上幅值、頻率相同，而相位角相差π/2的交流電壓：Us=UmsinωtUc=Umcosωt激磁信號將在空間(kōngjiān)產(chǎn)生一個以ω為頻率移動的電磁波。磁場切割定尺導(dǎo)線，并在其中感應(yīng)出電動勢，該電動勢隨著定尺與滑尺位置的不同而產(chǎn)生超前或滯后的相位差θ。根據(jù)滑尺在定尺上的感應(yīng)電壓關(guān)系，分別在定尺繞組上得到感應(yīng)電勢為：es＝kUmcosθcosωtec＝－kUmcos(θ＋π/2)sinωt＝kUmsinθsinωt第二十五頁，共49頁。根據(jù)疊加原理，定尺繞組上總輸出感應(yīng)電勢e為e＝es＋ec＝kUmcosθcosωt＋kUmsinθsinωt＝kUmcos(ωt－θ)＝kUmcos(ωt－2πx/W)根據(jù)上式，通過鑒別定尺輸出的感應(yīng)電勢的相位，即可測量定尺和滑尺之間的相對位置。感應(yīng)同步器的鑒相方式(fāngshì)用在相位比較伺服系統(tǒng)中。第二十六頁，共49頁。鑒幅方式：根據(jù)定尺輸出的感應(yīng)(gǎnyìng)電勢的振幅變化來檢測位移量。滑尺的正弦、余弦繞組勵磁電壓為同頻率、同相位，但不同幅值，即us＝Umsinθdsinωtuc＝Umcosθdsinωt式中θd—勵磁電壓的給定相位角分別勵磁時，在定尺繞組上產(chǎn)生的輸出感應(yīng)(gǎnyìng)電勢分別為：es＝kUmsinθdcosθcosωtec＝kUmcosθdcos(θ＋π/2)cosωt＝－kUmcosθdsinθcosωt第二十七頁，共49頁。根據(jù)疊加原理，定尺上輸出總感應(yīng)電勢(diànshì)為e＝es＋ec＝kUm(sinθdcosθ－cosθdsinθ)cosωt＝kUmsin(θd－θ)cosωt＝kUmsin(θd－2πx/W)cosωt設(shè)初始狀態(tài)θd＝θ，則e＝0。當滑尺相對定尺有一位移，使θ變?yōu)棣龋う?，則感應(yīng)電勢(diànshì)增量為Δe≈kUmΔxcosωt式中Δθ=2πΔx/W由此可知，在Δx較小的情況下，Δe與Δx成正比，也就是鑒別Δe幅值，即可測Δx大小。當Δx較大時，通過改變θd，使θd＝θ,使Δe＝0，根據(jù)θd可以確定θ，從而確定位移量Δx。第二十八頁，共49頁。第三章數(shù)控機床(shùkònɡjīchuánɡ)的位置檢測裝置3.4.3編碼器旋轉(zhuǎn)編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式的角位移檢測裝置，在數(shù)控機床中得到了廣泛的使用。旋轉(zhuǎn)編碼器通常安裝在被測軸上，隨被測軸一起轉(zhuǎn)動，直接將被測角位移轉(zhuǎn)換成數(shù)字(脈沖)信號，所以也稱為旋轉(zhuǎn)脈沖編碼器，這種測量方式?jīng)]有累積誤差(wùchā)。旋轉(zhuǎn)編碼器也可用來檢測轉(zhuǎn)速。第二十九頁，共49頁。第三章數(shù)控機床(shùkònɡjīchuánɡ)的位置檢測裝置3.4.3編碼器按輸出(shūchū)信號形式，旋轉(zhuǎn)編碼器可以分為增量式和絕對式兩種類型。常用的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器為增量式光電編碼器，其原理如圖所示。增量式光電編碼器示意(shìyì)原理增量式光電編碼器檢測裝置由光源、聚光鏡、光柵盤、光柵板、光電管、信號處理電路等組成。光柵盤和光柵板用玻璃研磨拋光制成，玻璃的表面在真空中鍍一層不透明的鉻，然后用照相腐蝕法，在光柵盤的邊緣上開有間距相等的透光狹縫。在光柵板上制成兩條狹縫，每條狹縫的后面對應(yīng)安裝一個光電管。第三十頁，共49頁。第三章數(shù)控機床的位置(wèizhi)檢測裝置3.4.3編碼器當光柵盤隨被測工作軸一起轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)過一個縫隙，光電管就會感受到一次光線的明暗變化，使光電管的電阻值改變，這樣就把光線的明暗變化轉(zhuǎn)變成電信號的強弱變化，而這個電信號的強弱變化近似于正弦波的信號，經(jīng)過整形和放大等處理，變換成脈沖信號。通過計數(shù)器計量脈沖的數(shù)目，即可測定(cèdìng)旋轉(zhuǎn)運動的角位移；通過計量脈沖的頻率，即可測定(cèdìng)旋轉(zhuǎn)運動的轉(zhuǎn)速，測量結(jié)果可以通過數(shù)字顯示裝置進行顯示或直接輸入到數(shù)控系統(tǒng)中。第三十一頁，共49頁。第三章數(shù)控機床(shùkònɡjīchuánɡ)的位置檢測裝置3.4.3編碼器

增量(zēnɡliànɡ)式光電編碼器外形結(jié)構(gòu)圖實際應(yīng)用的光電編碼器的光柵板上有兩組條紋A、A和B、B，A組與B組的條紋彼此錯開1／4節(jié)距，兩組條紋相對應(yīng)的光敏元件所產(chǎn)生的信號彼此相差90°相位，用于辨向。此外，在光電碼盤的里圈里還有一條(yītiáo)透光條紋C(零標志刻線)，用以每轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個脈沖，該脈沖信號又稱零標志脈沖，作為測量基準。第三十二頁，共49頁。第三章數(shù)控機床的位置(wèizhi)檢測裝置3.4.3編碼器

光電編碼器的輸出(shūchū)波形通過光欄板兩條狹縫的光信號A和B，相位角相差90°，通過光電管轉(zhuǎn)換并經(jīng)過信號的放大(fàngdà)整形后，成為兩相方波信號。根據(jù)先后順序，即可判斷光電盤的正反轉(zhuǎn)。若A相超前于B相，對應(yīng)電動機正轉(zhuǎn)；若B相超前A相，對應(yīng)電動機反轉(zhuǎn)。第三十三頁，共49頁。第三章數(shù)控機床的位置(wèizhi)檢測裝置3.4.3編碼器光電編碼器的測量(cèliáng)精度取決于它所能分辨的最小角度，而這與光柵盤圓周的條紋數(shù)有關(guān)，即分辨角分辨角α=360°/條紋如果條紋數(shù)為1024，則分辨角α=360°/1024=0.352°。思考題：第三十四頁，共49頁。第三章數(shù)控機床(shùkònɡjīchuánɡ)的位置檢測裝置3.4.3編碼器

第三十五頁，共49頁。第三章數(shù)控機床的位置(wèizhi)檢測裝置3.4.3編碼器

第三十六頁，共49頁。第三章數(shù)控機床的位置(wèizhi)檢測裝置3.4.4光柵光柵是一種高精度的位移傳感器，按結(jié)構(gòu)可分為直線光柵和圓光柵，直線光柵用于測量直線位移，園光柵用來測量角位移。光柵裝置在數(shù)控設(shè)備(shèbèi)、坐標鏜床、工具顯微鏡X-Y工作臺上廣泛使用的位置檢測裝置，光柵主要用于測量運動位移，確定工作臺運動方向及確定工作臺運動的速度。第三十七頁，共49頁。第三章數(shù)控機床的位置(wèizhi)檢測裝置3.4.4光柵與其他位置檢測裝置相比，光柵的主要特點如下：1)檢測精度高。直線光柵的精度可達±5μm，分辨率可達0．0001mm。2)響應(yīng)速度較快，可實現(xiàn)動態(tài)測量，易于實現(xiàn)檢測及數(shù)據(jù)處理的自動化。3)使用(shǐyòng)環(huán)境要求較高，怕油污、灰塵及振動。4)安裝、維護困難，成本較高。第三十八頁，共49頁。第三章數(shù)控機床的位置(wèizhi)檢測裝置3.4.4光柵1、光柵的組成結(jié)構(gòu)和檢測原理光柵是一種在透明玻璃上或金屬的反光平面上刻上平行、等距的密集刻線，制成的光學(xué)元件。數(shù)控機床上用的光柵尺，是利用兩個光柵相互(xiānghù)重疊時形成的莫爾條紋現(xiàn)象，制成的光電式位移測量裝置。按制造工藝不同可分為透射光柵和反射光柵。透射光柵是在透明的玻璃表面刻上間隔相等的不透明的線紋制成的，線紋密度可達到每毫米1000條以上；反射光柵一般是在金屬的反光平面上刻上平行、等距的密集刻線，利用反射光進行測量，其刻線密度一般為每毫米300～1﹐500線，最常用的是600線/mm。第三十九頁，共49頁。第三章數(shù)控機床(shùkònɡjīchuánɡ)的位置檢測裝置3.4.4光柵1、光柵的組成結(jié)構(gòu)和檢測原理直線透射光柵尺的結(jié)構(gòu)如下圖所示，由光源、長光柵(標尺光柵)、短光柵(指示光柵)、光電元件等組成，一般移動的光柵為短光柵，長光柵裝在機床的固定部件上。短光柵隨工作臺一起(yīqǐ)移動，長光柵的有效長度即為測量范圍。兩塊光柵的刻線密度(即柵距)相等，其相互平行并保持一定的間隙(0.05～0.1mm)，并且使兩塊光柵的刻線相互傾斜一個微小的角度θ。第四十頁，共49頁。第三章數(shù)控機床的位置檢測(jiǎncè)裝置3.4.4光柵1、光柵的組成結(jié)構(gòu)和檢測原理當光線平行照射光柵時，由于光的透射及衍射效應(yīng)，在與線紋垂直的方向上，準確地說，在與兩光柵線紋夾角θ的平分線相垂直的方向上，會出現(xiàn)明暗交替、間隔相等(xiāngděng)的粗條紋，這就是“莫爾干涉條紋”，簡稱莫爾條紋。下圖是莫爾條紋形成的原理圖。在光源的照射下，交叉點近旁的小區(qū)域內(nèi)由于黑色線紋重疊，因而遮光面積最小，擋光效應(yīng)最弱，光的累積作用使得這個區(qū)域出現(xiàn)亮帶。相反，距交叉點較遠的區(qū)域，因兩光柵尺不透明(tòumíng)的黑色線紋的重疊部分變得越來越少，不透明(tòumíng)區(qū)域面積逐漸變大，即遮光面積逐漸變大，使得擋光效應(yīng)變強，只有較少的光線能通過這個區(qū)域透過光柵，使這個區(qū)域出現(xiàn)暗帶，從而便形成了我們所見到的莫爾條紋。第四十一頁，共49頁。第三章數(shù)控機床的位置檢測(jiǎncè)裝置3.4.4光柵1、光柵的組成結(jié)構(gòu)和檢測(jiǎncè)原理

莫爾條紋(tiáowén)形成的原理

當光柵移動一個柵距形時，莫爾條紋也相應(yīng)移動一莫爾條紋的間距B，即光柵某一固定點的光強按明一暗一明規(guī)律交替變化一次。因此，光電元件只要讀出移動的莫爾條紋數(shù)目，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。第四十二頁，共49頁。第三章數(shù)控機床的位置檢測(jiǎncè)裝置3.4.4光柵1、光柵的組成結(jié)構(gòu)和檢測原理為了對莫爾條紋的移動計數(shù)，并判別工作臺移動的方向，在光柵尺的一側(cè)安裝上光源，另一側(cè)安裝上4個光敏元件，每個光敏元件相距為四分之一光柵刻線間距(ω／4)。當標尺光