第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置(新)和數(shù)控機(jī)床編程及加工

第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(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)常用位置檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理?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，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)床的位置檢測(cè)裝置?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)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。?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(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)一般為電脈沖。將被測(cè)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(cè)速發(fā)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器和磁尺等?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置3.2位置檢測(cè)裝置的分類2）按測(cè)量基點(diǎn)的類型分類:

增量式：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。?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置3.2位置檢測(cè)裝置的分類2）按位置檢測(cè)元件的運(yùn)動(dòng)形式分類：

回轉(zhuǎn)型:直線型:測(cè)量直線位移測(cè)量角位移?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置3.2位置檢測(cè)裝置的分類3）按位置檢測(cè)元件的安裝位置分類間接測(cè)量:直接測(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。?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置3.3位置檢測(cè)裝置的主要性能指標(biāo)

1）精度

檢測(cè)精度是指檢測(cè)裝置在一定長度或轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)測(cè)量累積誤差的最大值。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，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°?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(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量沒有變化時(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。?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置3.4常用位置檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理

3.4.1旋轉(zhuǎn)變壓器

?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置3.4常用位置檢測(cè)裝置的結(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。它屬于模擬式測(cè)量裝置，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。

?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)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(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。無刷旋轉(zhuǎn)變壓器無電刷和滑環(huán)，其輸出信號(hào)大、可靠性高、壽命長及不用維修等優(yōu)點(diǎn)，因此得到廣泛應(yīng)用。

旋轉(zhuǎn)變壓器根據(jù)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。?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置3.4.1旋轉(zhuǎn)變壓器2.旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理

根據(jù)互感原理工作的，定子繞組加上勵(lì)磁電壓，通過電磁耦合，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)，就是通過測(cè)量被測(cè)軸的轉(zhuǎn)角來間接測(cè)量工作臺(tái)的位移。?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(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，也可與伺服電動(dòng)機(jī)組成一體。?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(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，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。

?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，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。通過計(jì)算定子勵(lì)磁電壓的幅值計(jì)算出相位角α，從而得出θ的大小。?問題由角位移如何計(jì)算直線位移？?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(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，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。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。?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置3.4.2感應(yīng)同步器

?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(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100mm，感應(yīng)同步器在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，如果被測(cè)量的位移長度比定尺長，怎樣解決呢？?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(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。?W可以看出：滑尺在移動(dòng)一個(gè)節(jié)距的過程中，感應(yīng)電勢(shì)變化了一個(gè)周期。

?圖定尺繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生原理?

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，其波形為余弦函數(shù)。在滑尺移動(dòng)一個(gè)節(jié)距的過程中，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)e

e＝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=2π?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＝kUmcosθcosωt

ec＝－kUmcos(θ＋π/2)sinωt＝kUmsinθsinωt?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)同步器的鑒相方式用在相位比較伺服系統(tǒng)中。?鑒幅方式：根據(jù)定尺輸出的感應(yīng)電勢(shì)的振幅變化來檢測(cè)位移量。滑尺的正弦、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)電勢(shì)分別為：es＝kUmsinθdcosθcosωtec＝kUmcosθdcos(θ＋π/2)cosωt＝－kUmcosθdsinθcosωt

?根據(jù)疊加原理，定尺上輸出總感應(yīng)電勢(shì)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う龋瑒t感應(yīng)電勢(shì)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。?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(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。旋轉(zhuǎn)編碼器也可用來檢測(cè)轉(zhuǎn)速。?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置3.4.3編碼器按輸出信號(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原理增量式光電編碼器檢測(cè)裝置由光源、聚光鏡、光柵盤、光柵板、光電管、信號(hào)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(duì)應(yīng)安裝一個(gè)光電管。?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置3.4.3編碼器當(dāng)光柵盤隨被測(cè)工作軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)過一個(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)過整形和放大等處理，變換成脈沖信號(hào)。通過計(jì)數(shù)器計(jì)量脈沖的數(shù)目，即可測(cè)定旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角位移；通過計(jì)量脈沖的頻率，即可測(cè)定旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速，測(cè)量結(jié)果可以通過數(shù)字顯示裝置進(jìn)行顯示或直接輸入到數(shù)控系統(tǒng)中。?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置3.4.3編碼器

增量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，在光電碼盤的里圈里還有一條透光條紋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)。?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置3.4.3編碼器

光電編碼器的輸出波形通過光欄板兩條狹縫的光信號(hào)A和B，相位角相差90°，通過光電管轉(zhuǎn)換并經(jīng)過信號(hào)的放大整形后，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)。

?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置3.4.3編碼器光電編碼器的測(cè)量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：?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置3.4.3編碼器

?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置3.4.3編碼器

?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(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，園光柵用來測(cè)量角位移。光柵裝置在數(shù)控設(shè)備、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。?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(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。?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(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。?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(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，長光柵裝在機(jī)床的固定部件上。短光柵隨工作臺(tái)一起移動(dòng)，長光柵的有效長度即為測(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。?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(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，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，因兩光柵尺不透明的黑色線紋的重疊部分變得越來越少，不透明區(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這個(gè)區(qū)域透過光柵，使這個(gè)區(qū)域出現(xiàn)暗帶，從而便形成了我們所見到的莫爾條紋。?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置3.4.4光柵1、光柵的組成結(jié)構(gòu)和檢測(cè)原理

莫爾條紋形成的原理

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。?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(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)尺光柵隨機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)時(shí)1）照射到光敏元件上的光線也隨著莫爾條紋移動(dòng)而產(chǎn)生明暗相間的變化，經(jīng)過光敏元件的“光一電”變換，得到與刻線移動(dòng)相對(duì)應(yīng)的正弦波信號(hào)，經(jīng)過放大、整形等處理后，變成測(cè)量脈沖輸出，波形如下圖所示。脈沖數(shù)等于移動(dòng)過的刻線數(shù)，將該脈沖信號(hào)送到計(jì)數(shù)器中計(jì)數(shù)，則計(jì)數(shù)值就反映了光柵尺移動(dòng)的距離。2）每個(gè)光敏元件相距為四分之一光柵刻線間距(ω／4)，使輸出信號(hào)的相位差為90°，通過過鑒相電路可判別其運(yùn)動(dòng)方向。?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置3.4.4光柵1、光柵的組成結(jié)構(gòu)和檢測(cè)原理

?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置3.4.4光柵2、圓光柵

?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置3.4.5磁尺

磁尺又稱為磁柵，是一種計(jì)算磁波數(shù)目的位置檢測(cè)元件?？捎糜谥本€和轉(zhuǎn)角的測(cè)量，其優(yōu)點(diǎn)是精度高、復(fù)制簡(jiǎn)單及安裝方便等，且具有較好的穩(wěn)定性，常用在油污、粉塵較多的場(chǎng)合。因此，在數(shù)控機(jī)床、精密機(jī)床和各種測(cè)量機(jī)上得到了廣泛使用。?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置磁尺的組成及結(jié)構(gòu)磁尺由磁性標(biāo)尺，磁頭和檢測(cè)電路組成，磁頭是進(jìn)行磁—電轉(zhuǎn)換的器件，它把反映位置的磁信號(hào)檢測(cè)出來，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸送給檢測(cè)電路。磁尺是利用錄磁原理工作的。是在非導(dǎo)磁材料的基體上，采用涂敷，化學(xué)沉積或電鍍上一層很薄的磁性材料，先用錄磁磁頭將按一定周期變化的方波、正弦波或電脈沖信號(hào)錄制在磁性標(biāo)尺上，作為測(cè)量基準(zhǔn)。檢測(cè)時(shí)，用拾磁磁頭將磁性標(biāo)尺上的磁信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，再送到檢測(cè)電路中去，把磁頭相對(duì)于磁性標(biāo)尺的位移量用數(shù)字顯示出來，并傳輸給數(shù)控系統(tǒng)。

磁化信號(hào)可以是脈沖，也可以為正弦波或飽和磁波。磁化信號(hào)的節(jié)距（或周期）一般有0.05㎜，0.10mm，0.20㎜，1㎜等幾種。?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置3.4.5磁尺

磁頭磁頭是進(jìn)行磁—電轉(zhuǎn)換的器件，它把反映位置的磁信號(hào)檢測(cè)出來，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸送給檢測(cè)電路。

?第三章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置3.4.5磁尺

?數(shù)控機(jī)床編程及加工機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^數(shù)控機(jī)床的加工程序編制，掌握編程的方法及技巧；將在計(jì)算機(jī)上用OpenSoftCNC軟件模擬顯示加工過程校驗(yàn)程序，然后在數(shù)控機(jī)床上對(duì)工件進(jìn)行加工；結(jié)合機(jī)械加工工藝，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化編程，提高加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心數(shù)控編程的基本原理數(shù)控編程的目的；數(shù)控編程的內(nèi)容；編程步驟。機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心數(shù)控編程的基本原理所謂編程，就是把零件的圖形尺寸、工藝過程、工藝參數(shù)、機(jī)床的運(yùn)動(dòng)以及刀具位移等內(nèi)容，按照數(shù)控機(jī)床的編程格式和能識(shí)別的語言記錄在程序單上的全過程。這樣編制的程序還必須按規(guī)定把程序單制備成控制介質(zhì)如程序紙帶、磁帶等，變成數(shù)控系統(tǒng)能讀懂的信息，再送入數(shù)控機(jī)床，數(shù)控機(jī)床的CNC裝置對(duì)程序經(jīng)過處理之后，向機(jī)床各坐標(biāo)的伺服系統(tǒng)發(fā)出指令信息，驅(qū)動(dòng)機(jī)床完成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心數(shù)控編程的目的數(shù)控編程的基本原理①分析零件圖紙，確定加工工藝過程；②計(jì)算走刀軌跡，得出刀位數(shù)據(jù)；③編寫零件加工程序；④制作控制介質(zhì)；⑤校對(duì)程序及首件試加工。機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心數(shù)控編程的內(nèi)容數(shù)控編程的基本原理機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心數(shù)控編程的步驟零件圖紙分析零件圖紙制定工藝規(guī)程數(shù)學(xué)處理編寫程序文件制作控制介質(zhì)程序校驗(yàn)及試切數(shù)控機(jī)床OpenSoftCNC軟件介紹OpenSoftCNC軟件包括數(shù)控車床模擬仿真和數(shù)控銑床模擬仿真系統(tǒng)，由軟件+標(biāo)準(zhǔn)硬件系統(tǒng)構(gòu)成，不要求專用硬件或運(yùn)動(dòng)控制卡，所有數(shù)控功能和邏輯控制功能均由軟件完成，操作界面由系統(tǒng)操作和機(jī)床控制兩大部分組成。機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心OpenSoftCNC軟件介紹機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心為例，軟件提供下列指令：以數(shù)控車床模擬仿真系統(tǒng)（OpenSoftCNC01T）組別指令功能編程格式模態(tài)

1G00快速線性移動(dòng)G00X(U)_Z(W)_√G01直線插補(bǔ)G01X(U)_Z(W)_√G02順時(shí)針圓弧插補(bǔ)G02I_K_X(U)_Z(W)_√G03逆時(shí)針圓弧插補(bǔ)G03I_K_X(U)_Z(W)_√