第六章 位移檢測

第六章位移檢測第一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四組成：一、計算機數(shù)控系統(tǒng)的組成及各部分功能程序輸入設備計算機數(shù)字控制裝置（CNC裝置）可編程控制器（PLC）主軸控制單元速度控制單元輸出設備主軸電機進給電機位置檢測器機床第二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四

位置檢測裝置是數(shù)控機床的重要組成部分。在閉環(huán)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，它的主要作用是檢測位移和速度，并發(fā)出反饋信號，構成閉環(huán)或半閉環(huán)控制。數(shù)控機床對位置檢測裝置的要求如下：（1）

工作可靠，抗干擾能力強；（2）

滿足精度和速度的要求；（3）安裝，維護方便，適合機床工作環(huán)境；（4）

成本低。6.2位移速度位置檢測裝置第三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四二、檢測裝置的類型1)直線位移測量

它是將檢測裝置直接安裝在機床拖板上，直接測量機床坐標的直線位移量，因此也稱直接測量，作為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋用。缺點:是測量裝置要和工作臺行程等長，所以在大型數(shù)控機床上受到一定限制。

1．按檢測對象不同分類

第四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四2)轉動角度測量

它是將檢測裝置安裝在驅動電動機軸上或滾珠絲杠上，通過檢測轉動件的角位移來間接測量機床坐標的直線位移量，因此也稱為間接測量，作為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋用。優(yōu)點:是測量方便可靠、無長度限制。缺點:是測量信號中增加了由回轉運動轉變?yōu)橹本€運動的傳動鏈誤差，從而影響其測量精度。

第五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四2．按其檢測信號的選取分類

1)數(shù)字式測量它是將被測位移量轉換為脈沖個數(shù)，即數(shù)字形式來表示，具有信號處理簡單，抗干擾性強等優(yōu)點。2)模擬式測量它是將被測位移量轉換為連續(xù)變化的模擬電量來表示，如電壓幅值變化、相位的變化等。因此，它對信號處理的方法相對來說比較復雜，并且需增加濾波器等，來提高抗干擾性。第六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四3．按其測量的相對值不同分類

1)增量式測量它只測相對位移量，其特點是測量裝置較簡單，對任何一個中間點都可作為測量的起點，而移動距離是由測量信號計數(shù)累加所得，一旦計數(shù)有誤，以后測量所得結果則完全錯誤。因此，在增量式檢測系統(tǒng)中基點特別重要。第七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四2)絕對式測量

絕對式測量裝置對于被測量的任意一點位置均由固定的零點標起，每一個被檢點都有一個相應的測量值。裝置的結構較增量式復雜，如編碼盤，對應于碼盤的每一個角度位置便有一組二進制位數(shù)。顯然，分辨精度要求愈高，量程愈大，則所要求的二進制位數(shù)也愈多，結構也就愈復雜。

第八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四4．按檢測裝置的名稱分類

常用的有光電盤、編碼盤、旋轉變壓器、感應同步器、光柵、磁尺等。

第九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四綜合上述各種分類方法，可用下表表示。第十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四

1.旋轉變壓器一、結構與工作原理旋轉變壓器是一種角位移測量裝置，由定子和轉子組成。旋轉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一次側，接受勵磁電壓。轉子繞組作為變壓器的二次側，通過電磁耦合得到感應電壓，只是其輸出電壓大小與轉子位置有關。旋轉變壓器通過測量電動機或被測軸的轉角來間接測量工作臺的位移。旋轉變壓器分為單極和多極形式，先分析一下單極工作情況。234第十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四如圖所示，定子和轉子各有一對磁極，設加到定子繞組勵磁電壓為，當轉子繞組的磁軸自垂直位置轉過一定角度時，轉子繞組中產生的感應電壓為當轉子轉過900，兩磁軸平行，此時轉子繞組中感應電壓最大，即。U1U1U1定子轉子U2U2U2θ1θ=00θ=θ1θ=900第十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四二、應用旋轉變壓器典型工作方式，鑒相式和鑒幅式。鑒相式是根據(jù)感應輸出電壓的相位來檢測位移量；鑒幅式是根據(jù)感應輸出電壓的幅值來檢測位移量。

1.鑒相工作方式給定子兩繞組分別通以幅值相同、頻率相同、相位差900的交流勵磁電壓，即

第十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四這兩個勵磁電壓在轉子繞組中都產生了感應電壓，如上圖所示，根據(jù)線性疊加原理，轉子中的感應電壓應為這兩個電壓的代數(shù)和：定子轉子VCVSV2θ第十四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四

由式可見，轉子輸出電壓的相位角和轉子的偏轉角之間有嚴格的對應關系，這樣，只要檢測出轉子輸出電壓的相位角，就可知道轉子的轉角。由于旋轉變壓器的轉子和被測軸連接在一起，所以，被測軸的角位移就知道了。2.鑒幅工作方式給定子的兩個繞組分別通以頻率相同、相位相同、幅值分別按正弦和余弦變化的交流激磁電壓，即第十五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四由式可見，轉子感應電壓的幅值隨轉子的偏轉角而變化，測量出幅值即可求得轉角。如果將旋轉變壓器裝在數(shù)控機床的滾珠絲杠上，當角從00到3600時，絲杠上的螺母帶動工作臺移動了一個導程，間接測量了執(zhí)行部件的直線位移。測量所走過的行程時，可加一個計數(shù)器，累計所轉的轉數(shù)，折算成位移總長度。則轉子上的疊加電壓為第十六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四1）結構與工作原理感應同步器和旋轉變壓器均為電磁式檢測裝置，屬模擬式測量，二者工作原理相同，其輸出電壓隨被測直線位移或角位移而改變。感應同步器按其結構特點一般分為直線式和旋轉式兩種：直線式感應同步器由定尺和滑尺組成，用于直線位移測量。旋轉式感應同步器由轉子和定子組成，用于角位移測量。以直線式感應同步器為例，介紹其結構和工作原理。

2.感應同步器第十七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四

結構：

直線感應同步器相當于一個展開的多極旋轉變壓器，如圖所示，定尺和滑尺的基板采用與機床熱膨脹系數(shù)相近的鋼板制成，鋼板上用絕緣粘結劑貼有銅箔，并利用腐蝕的辦法做成圖示的印刷繞組。長尺叫定尺，安裝在機床床身上，短尺為滑尺，安裝于移動部件上，兩者平行放置，保持0.25~0.05mm間隙。感應同步器兩個單元繞組之間的距離為節(jié)距，滑尺和定尺的節(jié)距均為2mm，這是衡量感應同步器精度的主要參數(shù)。標準感應同步器定尺長250mm，滑尺長100mm，節(jié)距為2mm。定尺上是單向、均勻、連續(xù)的感應繞組，滑尺有兩組繞組，一組為正弦繞組，另一為余弦繞組。當正弦繞組與定尺繞組對齊時，余弦繞組與定尺繞組相差1/4節(jié)距。

定尺滑尺余弦繞組正弦繞組V2VsVc2t2t/4第十八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四

定尺滑

A

尺

Bt241位

Ct221置

Dt243E

t2EAV2MN正弦繞組余弦繞組θBDCOP

工作原理：

第十九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四二、應用感應同步器典型工作方式，鑒相式和鑒幅式。鑒相式是根據(jù)感應輸出電壓的相位來檢測位移量；鑒幅式是根據(jù)感應輸出電壓的幅值來檢測位移量。1.鑒相工作方式給正、余弦兩繞組分別通以幅值相同、頻率相同、相位差900的交流勵磁電壓，即第二十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四在定尺的感應電壓應為：滑尺直線位移量x與之間的關系為：第二十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四2.鑒幅工作方式給滑尺的兩個繞組分別通以頻率相同、相位相同、幅值分別按正弦和余弦變化的交流激磁電壓，即在定尺繞組的感應電勢為：為定尺、滑尺實際相位角。第二十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四2.鑒幅工作方式設感應電勢與成正比，即V隨給定的位移量與工作臺實際位移的差值成正比變化。則：當較小時，有第二十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四感應同步器的特點：1）精度高極對數(shù)多，平均效應產生的測量精度比制造精度高，定、滑尺間無機械轉換環(huán)節(jié)，測量結果只受本身精度的影響。2）測量長度不受限制，可多塊尺相接安裝。3）對環(huán)境的適應性強金屬基尺與安裝部件材料的膨脹系數(shù)相近，溫度變化時，熱膨脹相同，不影響測量精度。4）維護簡單，壽命長定、滑尺無接觸，無磨損，安裝簡單。要裝防護罩。第二十四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四3.光柵

光柵種類較多。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，其檢測精度可達1μm以上。從形狀上看，又可分為圓光柵和直線光柵。圓光柵用于測量轉角位移，直線光柵用于檢測直線位移。兩者工作原理基本相似，本節(jié)著重介紹一種應用比較廣泛的透射式直線光柵。光柵尺的結構直線光柵通常包括一長和一短兩塊配套使用，其中長的稱為標尺光柵或長光柵，一般固定在機床移動部件上，要求與行程等長。短的為指示光柵或短光柵，裝在機床固定部件上。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，測量時它們相互平行放置，并保持0.05~0.1mm的間隙。第二十五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四26原理：如果將指示光柵在其自身的平面內轉過一個很小的角度，這樣兩塊光柵的刻線相交，當平行光線垂直照射標尺光柵時，則在相交區(qū)域出現(xiàn)明暗交替、間隔相等的粗大條紋，稱為摩爾條紋。當兩光柵尺沿與刻線垂直的方向相對移動時，莫爾條紋沿刻線方向移動，當光柵尺移動一個柵距，莫爾條紋正好移動一個節(jié)距。這樣只要通過光電元件檢測出莫爾條紋移動的數(shù)目和方向，就可以知道光柵移過了多少個柵距和移動的方向。第二十六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四27工作原理：

第二十七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四

特點：1.放大作用用W（mm）表示莫爾條紋的寬度，P(mm)表示柵距，θ為光柵線紋之間的夾角，如圖所示則有

莫爾條紋寬度W與角成反比，越小，放大倍數(shù)越大。WPWθθP第二十八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四

2.均化誤差作用莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同組成，例如，200條/mm的光柵，10mm寬的光柵就由2000條線紋組成，這樣柵距之間的固有相鄰誤差就被平均化了，消除了柵距之間不均勻造成的誤差。3.莫爾條紋的移動與柵距的移動成比例當光柵尺移動一個柵距P時，莫爾條紋也剛好移動了一個條紋寬度W。只要通過光電元件測出莫爾條紋的數(shù)目，就可知道光柵移動了多少個柵距，工作臺移動的距離可以計算出來。若光柵移動方向相反，則莫爾條紋移動方向也相反。第二十九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四光柵測量系統(tǒng)：第三十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四圓光柵第三十一頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四32

編碼器是一種旋轉式測量元件，通常裝在被檢測軸上（或同步帶聯(lián)接）；隨被測軸一起轉4.編碼器動，可將被測軸的角位移轉換為增量脈沖形式或絕對式的代碼形式。根據(jù)內部結構和檢測方式，編碼器可分為接觸式、光電式和電磁式3種。其中，光電編碼器在數(shù)控機床上應用較多，由霍爾效應構成的電磁編碼器則可用作速度檢測元件。第三十二頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四33（一）接觸式編碼器

接觸式編碼器是一種絕對式的檢測裝置，可直接把被測轉角用數(shù)字代碼表示出來，且每一個角度位置均有其對應的測量代碼，因此這種測量方式即使斷電或切斷電源，也能讀出轉動角度。接觸式編碼器體積小，輸出信號功率大，但易磨損，壽命短且轉速不能太高。第三十三頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四34（二）光電式編碼器

光電式編碼器是一種光電式轉角檢測裝置。編碼器用透明及不透明區(qū)域按一定編碼構成，根據(jù)其編碼方式不同，可分為增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器。增量式光電編碼器可通過光電轉換將被測軸的角位移增量轉換成相應的脈沖數(shù)字量，然后由微機數(shù)控系統(tǒng)或計數(shù)器計數(shù)得到角位移量和直線位移量。第三十四頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四35增量式光電編碼器第三十五頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四36光電編碼器需解決的兩個問題：

1、正反向辨別2、掉電位置記憶

為了測量出轉向，光瀾板的兩個窄縫距離比編碼器兩個窄縫之間的距離小1/4節(jié)距，使兩個光敏元件的輸出信號相差π/2相位。如果將其輸出的脈沖信號經頻率—電壓變換后，得到與轉軸轉速成正比的電壓信號，它就是速度反饋信號。第三十六頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四37

C相產生的脈沖叫基準脈沖,也叫零點脈沖,在數(shù)控車床主軸末端通常就使用增量式光柵編碼器，來檢測主軸的位置，以保證切削螺紋時不會亂扣。例如，J1CJK6146型數(shù)控車床主軸編碼器就采用增量式光柵編碼器LF-90BM-CO5D；MJ-520數(shù)控車床主軸編碼器采用的是Y615-720型增量式圓光柵編碼器。此外，增量式光柵編碼器也可以用于高速旋轉的轉數(shù)計數(shù)或加工中心等數(shù)控機床上的主軸準停信號。第三十七頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四絕對式編碼盤

它是一種直接編碼式的測量元件。它把被測轉角轉換成相應的代碼指示絕對位置，沒有積累誤差。編碼盤有光電式、接觸式和電磁式三種。接觸式易磨損，不易高速；光電式和電磁式是非接觸式，允許用于高速。因此，最常用的是光電式編碼盤。

第三十八頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四1．結構及工作原理

第三十九頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四

四位編碼盤，其分辨角θ＝360°/24＝22.5°。如用n位編碼盤，即分辨角θ＝360°/2n，所以n越大，分辨角度就越小，精確度也就越高。

目前接觸式碼盤一般可以做到9位二進制，而光電式碼盤可做到18位二進制。

第四十頁，共四十九頁，編輯于2023年，星期四2．格雷碼盤

在實際應用中，二進制碼盤盤上圖案變化較大，對碼盤制作和電刷安裝要求十分嚴格，否則就會產生非單值性誤差，即容易產生讀數(shù)錯誤。例如，當電刷由位置0111向位置1000過渡時，若電刷安裝位置不準或接觸不良，可能會出現(xiàn)8到15之間的任一個十進制數(shù)。為了消除這種非單值性誤差，可采用二進制循環(huán)碼盤(格雷碼盤)。

第四十一頁，