第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置(新)教學(xué)提綱

第三章數(shù)控機(jī)床(shùkònɡjīchuánɡ)的位置檢測(cè)裝置第一節(jié)數(shù)控機(jī)床中位置檢測(cè)裝置所起的作用與要求第二節(jié)數(shù)控機(jī)床位置檢測(cè)裝置的分類第三節(jié)位置檢測(cè)裝置的主要性能指標(biāo)第四節(jié)常用(chánɡyònɡ)位置檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理第一頁(yè)，共49頁(yè)。3.1位置檢測(cè)裝置的作用與要求位置檢測(cè)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(jī)床中，必須利用(lìyòng)位置檢測(cè)裝置把機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位移量隨時(shí)檢測(cè)出來(lái)，與給定的控制值(指令信號(hào))進(jìn)行比較，從而控制驅(qū)動(dòng)元件正確運(yùn)轉(zhuǎn)，使工作臺(tái)(或刀具)按規(guī)定的軌跡和坐標(biāo)移動(dòng)。第三章數(shù)控機(jī)床(shùkònɡjīchuánɡ)的位置檢測(cè)裝置第二頁(yè)，共49頁(yè)。第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)(jiǎncè)裝置3.1位置檢測(cè)裝置的作用與要求1）穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)。數(shù)控機(jī)床的工作環(huán)境存在油污、潮濕、灰塵、沖擊振動(dòng)等，檢測(cè)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(qiáng)的電磁干擾。2）滿足精度和速度的要求。為保證(bǎozhèng)數(shù)控機(jī)床的精度和效率，檢測(cè)裝置必須具有足夠的精度和檢測(cè)速度，位置檢測(cè)裝置分辨率應(yīng)高于數(shù)控機(jī)床的分辨率一個(gè)數(shù)量級(jí)。3）安裝維護(hù)方便、成本低廉。受機(jī)床結(jié)構(gòu)和應(yīng)用環(huán)境的限制，要求位置檢測(cè)裝置體積小巧，便于安裝調(diào)試。盡量選用價(jià)格低廉，性能價(jià)格比高的檢測(cè)裝置。數(shù)控機(jī)床加工精度，在很大程度上取決于數(shù)控機(jī)床位置檢測(cè)裝置的精度，因此，位置檢測(cè)裝置是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件之一，它對(duì)于提高數(shù)控機(jī)床的加工精度有決定性的作用。第三頁(yè)，共49頁(yè)。第三章數(shù)控機(jī)床的位置(wèizhi)檢測(cè)裝置3.2位置檢測(cè)裝置的分類數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置類型很多，按檢測(cè)信號(hào)的類型可分為數(shù)字式和模擬式；按檢測(cè)量的基準(zhǔn)可分為增量式和絕對(duì)式；按測(cè)量值的性質(zhì)可分為直接測(cè)量和間接測(cè)量。對(duì)于不同類型的數(shù)控機(jī)床，因工作(gōngzuò)條件和檢測(cè)要求不同，應(yīng)采用不同的檢測(cè)方式。

1）按輸出信號(hào)的形式分類：

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

增量(zēnɡliànɡ)式：絕對(duì)式：只測(cè)量位移增量，并用數(shù)字脈沖的個(gè)數(shù)表示單位位移的數(shù)量。測(cè)量的是被測(cè)部件在某一絕對(duì)坐標(biāo)系中的絕對(duì)坐標(biāo)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(duì)式脈沖編碼器、三速式絕對(duì)編碼器（或稱多圈式絕對(duì)編碼器）等。第五頁(yè)，共49頁(yè)。第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)(jiǎncè)裝置3.2位置檢測(cè)裝置的分類2）按位置檢測(cè)元件(yuánjiàn)的運(yùn)動(dòng)形式分類：

回轉(zhuǎn)型(zhuǎnxínɡ):直線型:測(cè)量直線位移測(cè)量角位移第六頁(yè)，共49頁(yè)。第三章數(shù)控機(jī)床(shùkònɡjīchuánɡ)的位置檢測(cè)裝置3.2位置(wèizhi)檢測(cè)裝置的分類3）按位置(wèizhi)檢測(cè)元件的安裝位置(wèizhi)分類間接測(cè)量:直接(zhíjiē)測(cè)量:間接測(cè)量是將位置檢測(cè)裝置安裝在執(zhí)行部件前面的傳動(dòng)元件或驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸上，測(cè)量其角位移，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換以后才能得到執(zhí)行部件的直線位移。直接測(cè)量是將位置檢測(cè)裝置安裝在執(zhí)行部件（即末端件）上，直接測(cè)量執(zhí)行部件末端件的直線位移或角位移。第七頁(yè)，共49頁(yè)。第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)(jiǎncè)裝置3.3位置檢測(cè)裝置的主要性能指標(biāo)1）精度檢測(cè)精度是指檢測(cè)裝置在一定長(zhǎng)度或轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)測(cè)量累積(lěijī)誤差的最大值。數(shù)控機(jī)床用傳感器要滿足高精度和高速實(shí)時(shí)測(cè)量的要求。直線位移檢測(cè)精度通常在±0.002～0.02mm/m、角位移檢測(cè)精度在±0.4″～1″/360°。2）分辨率位置檢測(cè)裝置能檢測(cè)的最小位置變化量稱作分辨率。分辨率應(yīng)適應(yīng)機(jī)床精度和伺服系統(tǒng)的要求。分辨率的高低，對(duì)系統(tǒng)的性能和運(yùn)行平穩(wěn)性具有很大的影響。檢測(cè)裝置的分辨率一般按機(jī)床加工精度的1／3～1／10選?。ㄒ簿褪钦f(shuō)，位置檢測(cè)裝置的分辨率要高于機(jī)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(dá)0.001μm、角位移分辨率可達(dá)0.01″/360°第八頁(yè)，共49頁(yè)。第三章數(shù)控機(jī)床(shùkònɡjīchuánɡ)的位置檢測(cè)裝置3.3位置檢測(cè)裝置的主要性能指標(biāo)3）靈敏度輸出信號(hào)的變化量相對(duì)于輸入(shūrù)信號(hào)變化量的比值為靈敏度。實(shí)時(shí)測(cè)量裝置不但要靈敏度高，而且輸出、輸入(shūrù)關(guān)系中各點(diǎn)的靈敏度應(yīng)該是一致的。4）遲滯對(duì)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(cè)量范圍和量程傳感器的測(cè)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(méi)有變化時(shí)，隨時(shí)間和溫度的變化，位置檢測(cè)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(biāo)志，零漂和溫漂反映了隨時(shí)間和溫度的改變，傳感器測(cè)量精度的微小變化。第九頁(yè)，共49頁(yè)。第三章數(shù)控機(jī)床(shùkònɡjīchuánɡ)的位置檢測(cè)裝置3.4常用位置檢測(cè)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(yè)，共49頁(yè)。第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)(jiǎncè)裝置3.4常用位置檢測(cè)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(shí)現(xiàn)角位移測(cè)量的檢測(cè)裝置(zhuāngzhì)。它屬于模擬式測(cè)量裝置(zhuāngzhì)，具有輸出信號(hào)幅值大、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作靈敏、性能可靠等特點(diǎn)，同時(shí)，對(duì)環(huán)境條件要求不高，廣泛用于半閉環(huán)進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。但其信號(hào)處理比較復(fù)雜。它將機(jī)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(hào)，可用于角位移測(cè)量。在結(jié)構(gòu)上與二相線繞式異步電動(dòng)機(jī)相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成。勵(lì)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(cè)角位移的變化而變化。

第十一頁(yè)，共49頁(yè)。第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)(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(wú)刷式。有刷式旋轉(zhuǎn)變壓器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，但因電刷與滑環(huán)是機(jī)械滑動(dòng)接觸的，所以可靠性差，壽命短。無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器無(wú)電刷和滑環(huán)，其輸出信號(hào)大、可靠性高、壽命長(zhǎng)及不用維修等優(yōu)點(diǎn)，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(duì)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(duì)磁極，多極式旋轉(zhuǎn)變壓定子與轉(zhuǎn)子上有多對(duì)磁極，與單極式相比增加了電氣轉(zhuǎn)角與機(jī)械轉(zhuǎn)角的倍數(shù)，用于高精度絕對(duì)式檢測(cè)系統(tǒng)。在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用較多的是雙極式旋轉(zhuǎn)變壓器。第十二頁(yè)，共49頁(yè)。第三章數(shù)控機(jī)床的位置(wèizhi)檢測(cè)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(lì)磁電壓，通過(guò)電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電功勢(shì)。輸出感應(yīng)電功勢(shì)大小與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)，就是通過(guò)測(cè)量被測(cè)軸的轉(zhuǎn)角來(lái)間接測(cè)量工作臺(tái)的位移。第十三頁(yè)，共49頁(yè)。第三章數(shù)控機(jī)床(shùkònɡjīchuánɡ)的位置檢測(cè)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(yán)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(cè)量出旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓的幅值，就能測(cè)量出轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角θ。旋轉(zhuǎn)變壓器可單獨(dú)和滾珠絲杠相連(xiānɡlián)，也可與伺服電動(dòng)機(jī)組成一體。第十四頁(yè)，共49頁(yè)。3.4.1旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器可以通過(guò)輸出電壓的相位或輸出電壓的幅值來(lái)反映所測(cè)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(gè)定子繞組中，分別通入同幅、同頻，但相位差π/2的交流勵(lì)磁電壓U1s和U1c，即：

當(dāng)轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時(shí)，這兩個(gè)勵(lì)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(dāng)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)時(shí)，同樣可以得到輸出電壓U2：由此可見(jiàn)，轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角ωt+θ和θ間有對(duì)應(yīng)關(guān)系。檢測(cè)出ωt+θ，便能得到θ值（即被測(cè)軸角位移）。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，把定子余弦繞組勵(lì)磁電壓的相位ωt作為基準(zhǔn)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(yè)，共49頁(yè)。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(gè)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(lì)磁電壓U1s和U1c，即:

式中：α——?jiǎng)?lì)磁電壓的相位角。當(dāng)轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時(shí)，這兩個(gè)勵(lì)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(dāng)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)時(shí)，輸出電壓U2：

由此可見(jiàn)，若電氣角α已知，測(cè)出輸出電壓的幅值kUmcos（α－θ）便能求出θ角（即被測(cè)軸的角位移）。實(shí)際測(cè)量時(shí)，不斷的修改定子(dìngzǐ)勵(lì)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(dāng)α=θ，轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電壓最大。通過(guò)計(jì)算定子(dìngzǐ)勵(lì)磁電壓的幅值計(jì)算出相位角α，從而得出θ的大小。第十六頁(yè)，共49頁(yè)。問(wèn)題由角位移如何計(jì)算直線(zhíxiàn)位移？第十七頁(yè)，共49頁(yè)。第三章數(shù)控機(jī)床的位置(wèizhi)檢測(cè)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(lái)，也是一種電磁感應(yīng)式的位移檢測(cè)裝置。按結(jié)構(gòu)和用途可分為直線感應(yīng)同步器和圓盤(pán)(yuánpán)旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器兩類，直線感應(yīng)同步器用于測(cè)量直線位移，圓盤(pán)(yuánpán)旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器用于測(cè)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(cè)量精度和分辨率，工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)。目前，直線式感應(yīng)同步器的測(cè)量精度可達(dá)1.5μm，測(cè)量分辨率可0.05μm，并可測(cè)量較大位移。因此，感應(yīng)同步器廣泛應(yīng)用于坐標(biāo)鏜床、坐標(biāo)銑床及其他機(jī)床的定位；旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器常用于雷達(dá)天線定位跟蹤、精密機(jī)床或測(cè)量?jī)x器的分度裝置等。第十八頁(yè)，共49頁(yè)。第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)(jiǎncè)裝置3.4.2感應(yīng)同步器

第十九頁(yè)，共49頁(yè)。第三章數(shù)控機(jī)床的位置(wèizhi)檢測(cè)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(jī)床床身和移動(dòng)部件上，定尺或滑尺隨工作臺(tái)一起移動(dòng)，兩者平行放置，保持0.2～0.3mm間隙。標(biāo)準(zhǔn)的感應(yīng)同步器定尺250mm，尺上有一組感應(yīng)繞組；滑尺長(zhǎng)100mm，感應(yīng)同步器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，如果被測(cè)量(cèliáng)的位移長(zhǎng)度比定尺長(zhǎng)，怎樣解決呢？第二十頁(yè)，共49頁(yè)。第三章數(shù)控機(jī)床的位置(wèizhi)檢測(cè)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(lì)磁繞組，一組為正弦勵(lì)磁繞組Us，一組為余弦(yúxián)勵(lì)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(dāng)正弦勵(lì)磁繞組與定尺繞組對(duì)齊時(shí)，余弦(yúxián)勵(lì)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(gè)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(yè)，共49頁(yè)。W可以(kěyǐ)看出：滑尺在移動(dòng)一個(gè)節(jié)距的過(guò)程中，感應(yīng)電勢(shì)變化了一個(gè)周期。

第二十二頁(yè)，共49頁(yè)。圖定尺繞組(ràozǔ)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生原理第二十三頁(yè)，共49頁(yè)。顯然在定尺和滑尺的相對(duì)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(dòng)一個(gè)節(jié)距的過(guò)程中，感應(yīng)電壓變化了一個(gè)余弦周期。同樣，若在滑尺的余弦繞組中通以交流勵(lì)磁電壓，也能得出定尺繞組中感應(yīng)電壓與兩尺相對(duì)位移的關(guān)系曲線，它們之間為正弦函數(shù)關(guān)系。若勵(lì)磁電壓u＝Umsinωt則定尺繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)ee＝kUmcosθcosωt式中Um—?jiǎng)?lì)磁電壓幅值(V)；ω—?jiǎng)?lì)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(duì)定尺在空間的相位角。在一個(gè)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(shì)的變化，來(lái)檢測(cè)在一個(gè)節(jié)距W內(nèi)的位移量，為絕對(duì)式測(cè)量。例：感應(yīng)電勢(shì)與勵(lì)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(yè)，共49頁(yè)。感應(yīng)同步器作為位置測(cè)量裝置在數(shù)控機(jī)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(hào)將在空間(kōngjiān)產(chǎn)生一個(gè)以ω為頻率移動(dòng)的電磁波。磁場(chǎng)切割定尺導(dǎo)線，并在其中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)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(shì)為：es＝kUmcosθcosωtec＝－kUmcos(θ＋π/2)sinωt＝kUmsinθsinωt第二十五頁(yè)，共49頁(yè)。根據(jù)疊加原理，定尺繞組上總輸出感應(yīng)電勢(shì)e為e＝es＋ec＝kUmcosθcosωt＋kUmsinθsinωt＝kUmcos(ωt－θ)＝kUmcos(ωt－2πx/W)根據(jù)上式，通過(guò)鑒別定尺輸出的感應(yīng)電勢(shì)的相位，即可測(cè)量定尺和滑尺之間的相對(duì)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(yè)，共49頁(yè)。鑒幅方式：根據(jù)定尺輸出的感應(yīng)(gǎnyìng)電勢(shì)的振幅變化來(lái)檢測(cè)位移量?；叩恼?、余弦繞組勵(lì)磁電壓為同頻率、同相位，但不同幅值，即us＝Umsinθdsinωtuc＝Umcosθdsinωt式中θd—?jiǎng)?lì)磁電壓的給定相位角分別勵(lì)磁時(shí)，在定尺繞組上產(chǎn)生的輸出感應(yīng)(gǎnyìng)電勢(shì)分別為：es＝kUmsinθdcosθcosωtec＝kUmcosθdcos(θ＋π/2)cosωt＝－kUmcosθdsinθcosωt第二十七頁(yè)，共49頁(yè)。根據(jù)疊加原理，定尺上輸出總感應(yīng)電勢(shì)(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(dāng)滑尺相對(duì)定尺有一位移，使θ變?yōu)棣龋う?，則感應(yīng)電勢(shì)(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(cè)Δx大小。當(dāng)Δx較大時(shí)，通過(guò)改變?chǔ)萪，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(yè)，共49頁(yè)。第三章數(shù)控機(jī)床(shùkònɡjīchuánɡ)的位置檢測(cè)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(cè)裝置，在數(shù)控機(jī)床中得到了廣泛的使用。旋轉(zhuǎn)編碼器通常安裝在被測(cè)軸上，隨被測(cè)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，直接將被測(cè)角位移轉(zhuǎn)換成數(shù)字(脈沖)信號(hào)，所以也稱為旋轉(zhuǎn)脈沖編碼器，這種測(cè)量方式?jīng)]有累積誤差(wùchā)。旋轉(zhuǎn)編碼器也可用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)速。第二十九頁(yè)，共49頁(yè)。第三章數(shù)控機(jī)床(shùkònɡjīchuánɡ)的位置檢測(cè)裝置3.4.3編碼器按輸出(shūchū)信號(hào)形式，旋轉(zhuǎn)編碼器可以分為增量式和絕對(duì)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(cè)裝置由光源、聚光鏡、光柵盤(pán)、光柵板、光電管、信號(hào)處理電路等組成。光柵盤(pán)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(pán)的邊緣上開(kāi)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(duì)應(yīng)安裝一個(gè)光電管。第三十頁(yè)，共49頁(yè)。第三章數(shù)控機(jī)床的位置(wèizhi)檢測(cè)裝置3.4.3編碼器當(dāng)光柵盤(pán)隨被測(cè)工作軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)縫隙，光電管就會(huì)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(hào)的強(qiáng)弱變化，而這個(gè)電信號(hào)的強(qiáng)弱變化近似于正弦波的信號(hào)，經(jīng)過(guò)整形和放大等處理，變換成脈沖信號(hào)。通過(guò)計(jì)數(shù)器計(jì)量脈沖的數(shù)目，即可測(cè)定(cèdìng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角位移；通過(guò)計(jì)量脈沖的頻率，即可測(cè)定(cèdìng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速，測(cè)量結(jié)果可以通過(guò)數(shù)字顯示裝置進(jìn)行顯示或直接輸入到數(shù)控系統(tǒng)中。第三十一頁(yè)，共49頁(yè)。第三章數(shù)控機(jī)床(shùkònɡjīchuánɡ)的位置檢測(cè)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(shí)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(cuò)開(kāi)1／4節(jié)距，兩組條紋相對(duì)應(yīng)的光敏元件所產(chǎn)生的信號(hào)彼此相差90°相位，用于辨向。此外，在光電碼盤(pán)的里圈里還有一條(yītiáo)透光條紋C(零標(biāo)志刻線)，用以每轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，該脈沖信號(hào)又稱零標(biāo)志脈沖，作為測(cè)量基準(zhǔn)。第三十二頁(yè)，共49頁(yè)。第三章數(shù)控機(jī)床的位置(wèizhi)檢測(cè)裝置3.4.3編碼器

光電編碼器的輸出(shūchū)波形通過(guò)光欄板兩條狹縫的光信號(hào)A和B，相位角相差90°，通過(guò)光電管轉(zhuǎn)換并經(jīng)過(guò)信號(hào)的放大(fàngdà)整形后，成為兩相方波信號(hào)。根據(jù)先后順序，即可判斷光電盤(pán)的正反轉(zhuǎn)。若A相超前于B相，對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；若B相超前A相，對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。第三十三頁(yè)，共49頁(yè)。第三章數(shù)控機(jī)床的位置(wèizhi)檢測(cè)裝置3.4.3編碼器光電編碼器的測(cè)量(cèliáng)精度取決于它所能分辨的最小角度，而這與光柵盤(pán)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(yè)，共49頁(yè)。第三章數(shù)控機(jī)床(shùkònɡjīchuánɡ)的位置檢測(cè)裝置3.4.3編碼器

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

第三十六頁(yè)，共49頁(yè)。第三章數(shù)控機(jī)床的位置(wèizhi)檢測(cè)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(cè)量直線位移，園光柵用來(lái)測(cè)量角位移。光柵裝置在數(shù)控設(shè)備(shèbèi)、坐標(biāo)鏜床、工具顯微鏡X-Y工作臺(tái)上廣泛使用的位置檢測(cè)裝置，光柵主要用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)位移，確定工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向及確定工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的速度。第三十七頁(yè)，共49頁(yè)。第三章數(shù)控機(jī)床的位置(wèizhi)檢測(cè)裝置3.4.4光柵與其他位置檢測(cè)裝置相比，光柵的主要特點(diǎn)如下：1)檢測(cè)精度高。直線光柵的精度可達(dá)±5μm，分辨率可達(dá)0．0001mm。2)響應(yīng)速度較快，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，易于實(shí)現(xiàn)檢測(cè)及數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化。3)使用(shǐyòng)環(huán)境要求較高，怕油污、灰塵及振動(dòng)。4)安裝、維護(hù)困難，成本較高。第三十八頁(yè)，共49頁(yè)。第三章數(shù)控機(jī)床的位置(wèizhi)檢測(cè)裝置3.4.4光柵1、光柵的組成結(jié)構(gòu)和檢測(cè)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(jī)床上用的光柵尺，是利用兩個(gè)光柵相互(xiānghù)重疊時(shí)形成的莫爾條紋現(xiàn)象，制成的光電式位移測(cè)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(dá)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(jìn)行測(cè)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(yè)，共49頁(yè)。第三章數(shù)控機(jī)床(shùkònɡjīchuánɡ)的位置檢測(cè)裝置3.4.4光柵1、光柵的組成結(jié)構(gòu)和檢測(cè)原理直線透射光柵尺的結(jié)構(gòu)如下圖所示，由光源、長(zhǎng)光柵(標(biāo)尺光柵)、短光柵(指示光柵)、光電元件等組成，一般移動(dòng)的光柵為短光柵，長(zhǎng)光柵裝在機(jī)床的固定部件上。短光柵隨工作臺(tái)一起(yīqǐ)移動(dòng)，長(zhǎng)光柵的有效長(zhǎng)度即為測(cè)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(gè)微小的角度θ。第四十頁(yè)，共49頁(yè)。第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)(jiǎncè)裝置3.4.4光柵1、光柵的組成結(jié)構(gòu)和檢測(cè)原理當(dāng)光線平行照射光柵時(shí)，由于光的透射及衍射效應(yīng)，在與線紋垂直的方向上，準(zhǔn)確地說(shuō)，在與兩光柵線紋夾角θ的平分線相垂直的方向上，會(huì)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(jiǎn)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(diǎn)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(gè)區(qū)域出現(xiàn)亮帶。相反，距交叉點(diǎn)較遠(yuǎn)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(lái)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(qiáng)，只有較少的光線能通過(guò)這個(gè)區(qū)域透過(guò)光柵，使這個(gè)區(qū)域出現(xiàn)暗帶，從而便形成了我們所見(jiàn)到的莫爾條紋。第四十一頁(yè)，共49頁(yè)。第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)(jiǎncè)裝置3.4.4光柵1、光柵的組成結(jié)構(gòu)和檢測(cè)(jiǎncè)原理

莫爾條紋(tiáowén)形成的原理

當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)柵距形時(shí)，莫爾條紋也相應(yīng)移動(dòng)一莫爾條紋的間距B，即光柵某一固定點(diǎn)的光強(qiáng)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(dòng)的莫爾條紋數(shù)目，就知道光柵移動(dòng)了多少柵距，從而也就知道了運(yùn)動(dòng)部件的準(zhǔn)確位移量。第四十二頁(yè)，共49頁(yè)。第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)(jiǎncè)裝置3.4.4光柵1、光柵的組成結(jié)構(gòu)和檢測(cè)原理為了對(duì)莫爾條紋的移動(dòng)計(jì)數(shù)，并判別工作臺(tái)移動(dòng)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(gè)光敏元件，每個(gè)光敏元件相距為四分之一光柵刻線間距(ω／4)。當(dāng)標(biāo)尺光