數(shù)控機(jī)床檢測裝置

第三章數(shù)控機(jī)床檢測裝置31概述檢測裝置是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，它是依靠指令值和檢測裝置的反饋值比較后發(fā)出控制指令，控制伺服系統(tǒng)和傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床各種加工過程，保證具有較高的加工精度。數(shù)控檢測裝置的主要作用是檢測運(yùn)動(dòng)部件的位移和速度，并反饋檢測信號。其精度對數(shù)控機(jī)床的定位精度和加工精度均有很大影響，要提高數(shù)控機(jī)床的加工精度，就必須提高檢測裝置和檢測系統(tǒng)的精度。數(shù)控機(jī)床對檢測裝置的要求主要有以下幾點(diǎn)：（1）工作有較高的可靠性和抗干擾能力檢測裝置應(yīng)能抗各種電磁干擾，抗干擾能力強(qiáng)，基準(zhǔn)尺對溫度和濕度敏感性低，溫濕度變化對測量精度等環(huán)境因素的影響小。（2）滿足精度和速度的要求分辨率應(yīng)在0001～001㎜內(nèi)，測量精度應(yīng)滿足±0002～002㎜/m，運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)滿足0～20m/min。（3）便于安裝和維護(hù)檢測裝置安裝時(shí)要滿足一定的安裝精度要求，安裝精度要合理，考慮到影響，整個(gè)檢測裝置要求有較好的防塵、防油污、防切屑等措施。（4）成本低、壽命長不同類型的數(shù)控機(jī)床對檢測系統(tǒng)的分辨率和速度有不同的要求，一般情況下，選擇檢測系統(tǒng)的分辨率或脈沖當(dāng)量，要求比加工精度高一個(gè)數(shù)量級。

檢測裝置根據(jù)被測物理量分為位移、速度、和電流三種類型；按測量方法分為增量式和絕對值式兩種；根據(jù)運(yùn)動(dòng)形式分為旋轉(zhuǎn)型和直線型檢測裝置。表3-1數(shù)控機(jī)床檢測裝置的分類311檢測裝置的分類312數(shù)控檢測裝置的性能指標(biāo)傳感器的性能指標(biāo)包括靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性（1）精度符合輸出量與輸入量之間的特定函數(shù)關(guān)系的準(zhǔn)確程度稱為精度，數(shù)控用傳感器要滿足高精度和高速實(shí)時(shí)測量的要求。（2）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。分辨率的提高，對提高系統(tǒng)其他性能指標(biāo)和運(yùn)行平穩(wěn)性都很重要。（3）靈敏度實(shí)時(shí)測量裝置靈敏度要高，輸出、輸入關(guān)系中對應(yīng)的靈敏度要求一致。（4）遲滯對某一輸入量，傳感器的正行程的輸出量和反行程的輸出量的不一致，稱為遲滯。數(shù)控伺服系統(tǒng)的傳感器要求遲滯要小。（5）測量范圍傳感器的測量范圍要滿足系統(tǒng)的要求，并留有余地。（6）零漂與溫漂傳感器的漂移量是其重要性能標(biāo)志，它反映了隨時(shí)間和溫度的改變，傳感器測量精度的微小變化。313位置傳感器的測量方式1、直接測量和間接測量位置傳感器按形狀可分為直線式和旋轉(zhuǎn)式。用直線式位置傳感器測直線位移，用旋轉(zhuǎn)式位置傳感器測角位移，則該測量方式稱為直接測量。由于檢測裝置要和行程等長，故其在大型數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用中受到限制。如旋轉(zhuǎn)式位置傳感器測量的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)只是中間值，由它再推算出與之相關(guān)聯(lián)的工作臺(tái)的直線位移，那么該測量方式稱為間接測量。這種檢測方式先由檢測裝置測量進(jìn)給絲杠的旋轉(zhuǎn)位移，再利用旋轉(zhuǎn)位移與直線位移之間的線性關(guān)系求出直線位移量。由于存在著直線與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)間的中間傳遞誤差，故準(zhǔn)確性和可靠性不如直接測量。其優(yōu)點(diǎn)是無長度限制。2、數(shù)字式測量和模擬式測量數(shù)字式測量是以量化后的數(shù)字形式表示被測量。得到的測量信號通常是電脈沖形式，它將脈沖個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)后以數(shù)字形式表示位移。模擬式測量是以模擬量表示被測量，得到的測量信號是電壓或電流，電壓或電流的大小反映位移量的大小。由于模擬量需經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后才能被計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)接受，所以目前模擬式測量在計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用很少。而數(shù)字式測量檢測裝置簡單，信號抗干擾能力強(qiáng)，且便于顯示和處理，所以目前應(yīng)用非常普遍。3、增量式測量和絕對式測量增量式測量的特點(diǎn)是只測量位移增量，即工作臺(tái)每移動(dòng)一個(gè)基本長度單位，檢測裝置便發(fā)出一個(gè)測量信號，此信號通常是脈沖形式。這樣，一個(gè)脈沖所代表的基本長度單位就是分辨率，而通過對脈沖計(jì)數(shù)便可得到位移量。321感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和類型結(jié)構(gòu):感應(yīng)同步器是一種電磁感應(yīng)式多極位置傳感元件，是由旋轉(zhuǎn)變壓器演變而來，即相當(dāng)于一個(gè)展開的旋轉(zhuǎn)變壓器。它的極對數(shù)一般取600、720對極，最多的可達(dá)2000對極。由于多極結(jié)構(gòu)，在電與磁兩方面均能對誤差起補(bǔ)償作用，所以具有很高的精度。感應(yīng)同步器的勵(lì)磁頻率一般取2～10H。分類：感應(yīng)同步器按其運(yùn)動(dòng)方式分為旋轉(zhuǎn)式（圓形感應(yīng)同步器）和直線式兩種。兩者都包括固定和運(yùn)動(dòng)兩部分，對旋轉(zhuǎn)式分別稱為定子和轉(zhuǎn)子；對直線式分別稱為定尺和滑尺。前者測量角位移，后者測量直線位移。32感應(yīng)同步器1旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。定子、轉(zhuǎn)子都用不銹鋼、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(dǎo)電繞組，繞組用銅箔構(gòu)成（）。基板和繞組之間有絕緣層。繞組表面還要加一層和繞組絕緣的屏蔽層（材料為鋁箔或鋁膜）。轉(zhuǎn)子繞組為連續(xù)繞組；定子上有兩相正交繞組（正弦繞組和余弦繞組），做成分段式，兩相繞組交差分布，相差成90°相位角。屬于同一相的各相繞組用導(dǎo)線串聯(lián)起來（如圖3-2）。1-轉(zhuǎn)子基板：2-轉(zhuǎn)子繞組：3-定子繞組；4-定子基板；5-絕緣層；6-屏蔽層

2直線式感應(yīng)同步器直線式感應(yīng)同步器是直線條形，它同樣由基板、絕緣層、定尺與滑尺繞組及屏蔽層組成。由于直線式感應(yīng)同步器一般都必須用在機(jī)床上，為使線膨脹系數(shù)一致，所以感應(yīng)同步器基板的材料用鋼板或鑄鐵。通常定尺繞組做成連續(xù)式單相繞組，滑尺繞組做成分段式的兩相正交繞組。圖3-4（b）中自左向右四個(gè)接點(diǎn)分別是scs/c/。ss/為正弦繞組，cc/為余弦繞組，左右。定尺比滑尺長，其中被滑尺繞組所覆蓋的定尺有效導(dǎo)體數(shù)稱為直線感應(yīng)同步器的極數(shù)。定尺繞組中相鄰兩有效導(dǎo)體之間的距離稱為節(jié)距，滑尺繞組相鄰兩有效導(dǎo)體之間的距離稱為節(jié)距，一般都統(tǒng)稱為節(jié)距，用2τ表示，常取為2mm，節(jié)距代表了測量周期。直線式感應(yīng)同步器分為標(biāo)致型、窄型、帶型、和三重型。三重型結(jié)構(gòu)是在一根標(biāo)尺上有粗、中、精三種繞組，以便構(gòu)成絕對測量系統(tǒng)。電路工作情況32感應(yīng)同步器321感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和類型結(jié)構(gòu):感應(yīng)同步器是一種電磁感應(yīng)式多極位置傳感元件，是由旋轉(zhuǎn)變壓器演變而來，即相當(dāng)于一個(gè)展開的旋轉(zhuǎn)變壓器。它的極對數(shù)一般取600、720對極，最多的可達(dá)2000對極。由于多極結(jié)構(gòu)，在電與磁兩方面均能對誤差起補(bǔ)償作用，所以具有很高的精度。感應(yīng)同步器的勵(lì)磁頻率一般取2～10H。分類：感應(yīng)同步器按其運(yùn)動(dòng)方式分為旋轉(zhuǎn)式（圓形感應(yīng)同步器）和直線式兩種。兩者都包括固定和運(yùn)動(dòng)兩部分，對旋轉(zhuǎn)式分別稱為定子和轉(zhuǎn)子；對直線式分別稱為定尺和滑尺。前者測量角位移，后者測量直線位移。1旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。定子、轉(zhuǎn)子都用不銹鋼、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(dǎo)電繞組，繞組用銅箔構(gòu)成（）?；搴屠@組之間有絕緣層。繞組表面還要加一層和繞組絕緣的屏蔽層（材料為鋁箔或鋁膜）。轉(zhuǎn)子繞組為連續(xù)繞組；定子上有兩相正交繞組（正弦繞組和余弦繞組），做成分段式，兩相繞組交差分布，相差成90°相位角。屬于同一相的各相繞組用導(dǎo)線串聯(lián)起來（如圖3-2）。1-轉(zhuǎn)子基板：2-轉(zhuǎn)子繞組：3-定子繞組；4-定子基板；5-絕緣層；6-屏蔽層

2直線式感應(yīng)同步器直線式感應(yīng)同步器是直線條形，它同樣由基板、絕緣層、定尺與滑尺繞組及屏蔽層組成。由于直線式感應(yīng)同步器一般都必須用在機(jī)床上，為使線膨脹系數(shù)一致，所以感應(yīng)同步器基板的材料用鋼板或鑄鐵。通常定尺繞組做成連續(xù)式單相繞組，滑尺繞組做成分段式的兩相正交繞組。圖3-4（b）中自左向右四個(gè)接點(diǎn)分別是scs/c/。ss/為正弦繞組，cc/為余弦繞組，左右。定尺比滑尺長，其中被滑尺繞組所覆蓋的定尺有效導(dǎo)體數(shù)稱為直線感應(yīng)同步器的極數(shù)。定尺繞組中相鄰兩有效導(dǎo)體之間的距離稱為節(jié)距，滑尺繞組相鄰兩有效導(dǎo)體之間的距離稱為節(jié)距，一般都統(tǒng)稱為節(jié)距，用2τ表示，常取為2mm，節(jié)距代表了測量周期。直線式感應(yīng)同步器分為標(biāo)致型、窄型、帶型、和三重型。三重型結(jié)構(gòu)是在一根標(biāo)尺上有粗、中、精三種繞組，以便構(gòu)成絕對測量系統(tǒng)。電路工作情況322感應(yīng)同步器的工作原理1感應(yīng)同步器的工作原理以直線式感應(yīng)同步器為例，感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成，如圖3-5所示。定尺和滑尺平行安裝，且保持一定間隙。定尺表面制有連續(xù)平面繞組，滑尺上制有兩組分段繞組，分別稱為正弦繞組和余弦繞組，這兩段繞組相對于定尺繞組在空間錯(cuò)開1/4節(jié)距，節(jié)距用2τ表示。工作時(shí)，當(dāng)在滑尺兩個(gè)繞組中的任一繞組加上激勵(lì)電壓時(shí)，由于電磁感應(yīng)，在定尺繞組中會(huì)感應(yīng)出相同頻率的感應(yīng)電壓，通過對感應(yīng)電壓的測量，可以精確地測量出位移量。在a點(diǎn)時(shí)，定尺與滑尺繞組重合，這時(shí)感應(yīng)電壓最大；當(dāng)滑尺相對于定尺平行移動(dòng)后，感應(yīng)電壓逐漸減小，在錯(cuò)開1/4節(jié)距的b點(diǎn)時(shí)，感應(yīng)電壓為零；再繼續(xù)移至1/2節(jié)距的c點(diǎn)時(shí)，得到的電壓值與點(diǎn)相同。這樣，滑尺在移動(dòng)一個(gè)節(jié)距的過程中，感應(yīng)電壓變化了一個(gè)余弦波形。由此可見，在勵(lì)磁繞組中加上一定的交變勵(lì)磁電壓，感應(yīng)繞組中會(huì)感應(yīng)出相同頻率的感應(yīng)電壓，其幅值大小隨著滑尺移動(dòng)作余弦規(guī)律變化?；咭苿?dòng)一個(gè)節(jié)距，感應(yīng)電壓變化一個(gè)周期。感應(yīng)同步器就是利用感應(yīng)電壓的變化進(jìn)行位置檢測的。圖3-6所示為滑尺在不同位置時(shí)定尺上的感應(yīng)電壓。圖3-6所示為滑尺在不同位置時(shí)定尺上的感應(yīng)電壓2感應(yīng)同步器的檢測電路（1）相位（鑒相式）工作方式在此工作方式下，給滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別通以同頻、同幅但相位相差的交流勵(lì)磁電壓，即兩繞組在定尺上的感應(yīng)電壓勵(lì)磁信號將在空間產(chǎn)生一個(gè)ω頻率移動(dòng)的行波。磁場切割定尺導(dǎo)片，并在其中感應(yīng)出電動(dòng)勢，該電動(dòng)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。疊加后為由上式可知，定尺的感應(yīng)電壓與滑尺的位移有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，通過測量定尺感應(yīng)電壓的相位，即可測量出滑尺相對于定尺的位移。例如，定尺感應(yīng)電動(dòng)勢與滑尺勵(lì)磁電動(dòng)勢之間的相位角=180°，在節(jié)距2τ=2mm的情況下，。（2）幅值（鑒幅式）工作方式在這種工作方式下，給滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別通上相位、頻率相同，但幅值不同的勵(lì)磁電壓，并根據(jù)定尺上感應(yīng)電壓的幅值變化來測定滑尺和定尺之間的相對位移量。在幅值工作方式中，每當(dāng)改變一個(gè)位移增量，就有誤差電壓，當(dāng)超過某一預(yù)先整定門檻電平就會(huì)產(chǎn)生脈沖信號，并以此來修正勵(lì)磁信號、，使誤差信號重新降到門檻電平以下（相當(dāng)節(jié)距零點(diǎn)），這樣把位移量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，實(shí)現(xiàn)位移測量。3感應(yīng)同步器的典型應(yīng)用1感應(yīng)同步器的使用特點(diǎn):（1）精度高（2）拼接成各種需要的長度（3）對環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)（4）使用壽命長（5）注意安裝間隙2鑒相測量系統(tǒng)的應(yīng)用數(shù)控機(jī)床閉環(huán)系統(tǒng)采用鑒相式系統(tǒng)時(shí)，其結(jié)構(gòu)方框圖如圖3-8所示。誤差信號±Δ,用來控制數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使機(jī)床向消除誤差的方向運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成位置反饋，指令信號的相位角由數(shù)控裝置發(fā)出。機(jī)床工作時(shí)，由于定尺和滑尺之間產(chǎn)生了相對移動(dòng)，則定尺上感應(yīng)電壓的相位發(fā)生了變化，其值為。當(dāng)≠0時(shí)，鑒相器有信號±Δ輸出，使機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)。當(dāng)滑尺與定尺的相對位置達(dá)到指令要求值時(shí)0，即=0，鑒相器輸出電壓為零，工作臺(tái)停止移動(dòng)。3鑒幅測量系統(tǒng)的應(yīng)用33光柵位置檢測裝置331光柵檢測裝置的結(jié)構(gòu)光柵分為物理光柵和計(jì)量光柵。物理光柵：刻線細(xì)密，用于光譜分析和光波波長的測定。計(jì)量光柵：比較而言刻線較粗，但柵距也較小，在0004—之間，主要用在數(shù)字檢測系統(tǒng)。光柵傳感器為動(dòng)態(tài)檢測元件，按運(yùn)動(dòng)方式分為長光柵和圓光柵，長光柵用來測量直線位移；圓光柵用來測量角度位移。根據(jù)光線在光柵中的運(yùn)動(dòng)路徑分為透射光柵和反射光柵。目前光柵傳感器應(yīng)用在高精度數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)中，其精度僅次于激光式測量。光柵檢測裝置的結(jié)構(gòu)：長光柵檢測裝置（直線光柵傳感器）是由標(biāo)尺光柵、指示光柵和光柵讀數(shù)頭等組成。標(biāo)尺光柵一般固定在機(jī)床活動(dòng)部件上（如工作臺(tái)上），光柵讀數(shù)頭裝在機(jī)床固定部件上。當(dāng)光柵主讀數(shù)頭相對于標(biāo)尺光柵移動(dòng)時(shí)，指示光柵便在標(biāo)尺光柵上相對移動(dòng)。圖3-10給出了光柵檢測裝置的安裝結(jié)構(gòu)。標(biāo)尺光柵和指示光柵的平行度以及兩者之間的間隙要嚴(yán)格保證（005—）。1光柵檢測裝置的結(jié)構(gòu)：2光柵尺：標(biāo)尺光柵和指示光柵通稱為光柵尺它們是在真空鍍膜的玻璃片上或長條形金屬鏡面上光刻出均勻密集的線紋。光柵的線紋相互平行，線紋之間的距離叫做柵距。對于圓光柵，這些線紋是圓心角相等的向心條紋。兩條向心條紋線之間的夾角叫做柵距角。柵距和柵距角是光柵的重要參數(shù)。對于長光柵，金屬反射光柵的線條紋密度為每毫米有25—50個(gè)條紋；玻璃透射光柵為每毫米100—250個(gè)條紋。對于圓光柵，一周內(nèi)刻有10800條線紋；（圓光柵直徑為270mm,360進(jìn)制）。讀數(shù)頭是由光源，透鏡、指示光柵、光敏元件和驅(qū)動(dòng)線路組成。3光柵讀數(shù)頭光柵讀數(shù)頭又叫光電轉(zhuǎn)換器，它把光柵莫爾條紋變?yōu)殡娦盘枴D中的標(biāo)尺光柵不屬于光柵讀數(shù)頭，但它要穿過光柵讀數(shù)頭，且保證與指示光柵有準(zhǔn)確的相互位置關(guān)系。光柵讀數(shù)頭有分光讀數(shù)頭、反射讀數(shù)頭和鏡像讀數(shù)頭等幾種。1光柵傳感器工作原理當(dāng)指示光柵上的線紋和標(biāo)尺光柵上的線紋之間形成一個(gè)小角度，并且兩個(gè)光柵尺刻面相對平行放置時(shí)，在光源的照射下，位于幾乎垂直柵紋上，形成明暗相間的條紋。這種條紋稱為“莫爾條紋”（圖3-12）。嚴(yán)格地說，莫爾條紋排列的方向是與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直。莫爾條紋中兩條亮紋或兩條暗紋之間的距離稱為莫多條紋的寬度，以W表示。332光柵傳感器工作原理圖3-12莫爾條紋2莫爾條紋特征（1）莫爾條紋的變化規(guī)律：兩片光柵相對移過一個(gè)柵距，莫爾條紋移過一個(gè)條紋距離。由于光的衍射與干涉作用，莫爾條紋的變化規(guī)律近似正（余）弦函數(shù)，變化周期數(shù)與光柵相對位移的柵距數(shù)同步。（2）放大作用：在兩光柵柵線夾角較小的情況下，莫爾條紋寬度W和光柵柵距d、柵線角θ之間有下列關(guān)系：θ的單位為rad,W的單位為mm。由于θ角很小，sin≈θ,則若d=,θ=,則由上式可得W=1，即把光柵距轉(zhuǎn)換成放大100倍的莫爾條紋寬度。（3）均化誤差作用：誤差莫爾條紋是由若干光柵條紋共用形成，例如每毫米100線的光柵，10mm寬度的莫爾條紋就有1000條線紋，這樣?xùn)啪嘀g的相鄰誤差就被平均化了，消除了由于柵距不均勻、斷裂等造成的誤差。333光柵位移—數(shù)字變換電路在光柵測量系統(tǒng)中，提高分辨率和測量精度，不可能僅靠增大柵線的密度實(shí)現(xiàn)。工程上采用莫爾條紋的細(xì)分技術(shù)，細(xì)分技術(shù)有光學(xué)細(xì)分、機(jī)械細(xì)分和電子細(xì)分等方法。伺服系統(tǒng)中，應(yīng)用最多的是電子細(xì)分方法。14倍頻光柵位移—數(shù)字變換電路的組成。光柵移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的莫爾條紋由光電元件接收圖中由4塊光電池發(fā)出的信號分別為a、b、c和d，相位彼此相差90°。a、c信號相差為180°,送入差動(dòng)放大器放大，得正弦信號。將信號幅度放大足夠大。同理b、d信號送入另一個(gè)差動(dòng)放大器，得到余弦信號。正、余弦信號經(jīng)過整形后變成方波A和B，A和B信號經(jīng)反向得C和D的信號。A、B、C、D信號再經(jīng)微分變成窄脈沖A/、B/、C/、D/，即在正走或反走時(shí)每個(gè)方波的上升沿產(chǎn)生窄脈沖，由與門電路把0°、90°、180°、270°4個(gè)位置上產(chǎn)生的窄脈沖組合起來，根據(jù)不同的移動(dòng)方向形成正向脈沖或反向脈沖，用可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，測量光柵的實(shí)際位移如圖3-14圖3-134倍頻電路341脈沖編碼器的分類和結(jié)構(gòu)數(shù)控機(jī)床上主要使用光電式脈沖編碼器。脈沖編碼器是一種增量檢測裝置，它的型號是由每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)來區(qū)分。經(jīng)過變換電路也可用于速度檢測，同時(shí)作為速度檢測裝置；脈沖編碼器分光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式三種。34光電脈沖編碼器脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，能把機(jī)械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)變成電脈沖，是數(shù)控機(jī)床上使用廣泛的位置檢測裝置。數(shù)控機(jī)床上常用的脈沖編碼器有：2000P/r、2500P/r和3000P/r等；在高速、高精度數(shù)字伺服系統(tǒng)中，應(yīng)用高分辨率的脈沖編碼器，如20000P/r；25000P/r和30000P/r等，現(xiàn)在已有使用每轉(zhuǎn)發(fā)出10萬個(gè)脈沖。圖3-15所示為光電脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)。1-光源；2-光柵；3-指示光柵；4-光電池組；5-機(jī)械部件；6-護(hù)罩；7-印刷電路板。342光電脈沖編碼器的工作原理當(dāng)圓光柵旋轉(zhuǎn)時(shí)，光線透過兩個(gè)光柵的線紋部分，形成明暗相間的三路莫爾條紋。同時(shí)光電元件接收這些光信號。并轉(zhuǎn)化為交替變化的電信號A、B（近似于正弦波）和。再經(jīng)放大和整形變成方波。其中A、B信號稱為主計(jì)數(shù)脈沖，它們在相位上相差90°如圖3-16所示；信號稱為零位脈沖，“一轉(zhuǎn)一個(gè)”，該信號與A、B信號嚴(yán)格同步。零位脈沖的寬度是主計(jì)數(shù)脈沖寬度的一半，細(xì)分后同比例變窄。這些信號作為位移測量脈沖。如經(jīng)過頻率/電壓變換，又可作為速度測量反饋信號。圖3-16光電脈沖編碼器的輸出波形光電脈沖編碼器應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床數(shù)字比較伺服系統(tǒng)中，作為位置檢測裝置。光電脈沖編碼器將位置檢測信號反饋給裝置有幾種方式：343光電脈沖編碼器的應(yīng)用一是適應(yīng)帶加減計(jì)數(shù)要求的可逆計(jì)數(shù)器，形成加計(jì)數(shù)脈沖和減計(jì)數(shù)脈沖。二是適應(yīng)有計(jì)數(shù)控制端和方向控制端的計(jì)數(shù)器，形成正走、反走計(jì)數(shù)脈沖和方向控制電平。1第一種方式的電路圖波形圖現(xiàn)代全數(shù)字伺服系統(tǒng)中，由專門的微處理器通過軟件對光電脈沖編碼器的信號進(jìn)行采集、傳送、處理，完成位置控制任務(wù)。上面介紹的光電脈沖編碼器主要用于進(jìn)給系統(tǒng)中。如在主運(yùn)動(dòng)（主軸控制）中也采用這種光電脈沖編碼器，則該系統(tǒng)成為具有位置控制功能的主軸控制系統(tǒng)，或者叫做“”軸控制。在一般主軸控制系統(tǒng)中，采用主軸位置脈沖編碼器。其原理和與光電脈沖編碼器一樣，只是光柵線紋數(shù)為1024/周，經(jīng)4倍頻細(xì)分電路后，為每轉(zhuǎn)4096個(gè)脈沖。2產(chǎn)生方向控制信號和計(jì)數(shù)脈沖的電路圖波形圖在進(jìn)給坐標(biāo)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(gè)脈沖，脈沖當(dāng)量1μm，它的作用是慢速對刀和手動(dòng)調(diào)整機(jī)床。35旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器是一種控制用的微電機(jī)，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。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。定子繞組為變壓器的原邊，轉(zhuǎn)子繞組為變壓器的副邊。激磁電壓接到定子繞組上，其頻率通常為400H、500H、1000H和5000H。旋轉(zhuǎn)變壓器特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)作靈敏，對環(huán)境無特殊要求，維護(hù)方便。輸出信號幅度大，抗干擾性強(qiáng)，工作可靠。因此廣泛用于數(shù)控機(jī)床上。351旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理旋轉(zhuǎn)變壓器在結(jié)構(gòu)上保證定子和轉(zhuǎn)子之間空氣隙內(nèi)磁通分布符合正弦規(guī)律，因此當(dāng)勵(lì)磁電壓回到定子繞組上時(shí)，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，如圖3-19所示。其輸出電壓大小取決于轉(zhuǎn)子的角度位置，即隨著轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)的角度呈正弦變化圖3-19旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢應(yīng)為：式中：n——變壓比；U1——定子的輸出電壓；Um——定子最大瞬時(shí)電壓。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁軸平行時(shí)，即θ=90°時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢最大352旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用中，通常采用的是正弦、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器。其定子和轉(zhuǎn)子繞組中各有相互垂直的兩個(gè)繞組，如圖3-20。當(dāng)激磁繞組用兩個(gè)相位相差90°的電壓供電時(shí)，應(yīng)用疊加原理，在副邊的一個(gè)轉(zhuǎn)子繞組中磁通為（另一繞組短接）圖3-20正弦、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器而輸出電壓為由此可知，當(dāng)把激磁信號U1=Umsinωt和U2=Umcosωt加于定子繞組時(shí)，旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組便可輸出感應(yīng)信號U3。若轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過角度θ，那么感應(yīng)信號U3和激磁信號U2之間一定存在著相位差，這個(gè)相位差可通過鑒相器線路檢測出來，并表示成相應(yīng)的電壓信號。這樣，通過該電壓信號的測量便可得到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度θ1。但由于U3=nUmcosωt-θ1是關(guān)于變量θ1的周期函數(shù)，故轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周，U3值將周期性地變化一次。因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，不但要測出U3大小，而且還要測出U3的周期變化次數(shù)；或者將被測角位移θ1限制在180°之內(nèi)，即每次測量過程中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度小于半周期。36磁尺位置檢測裝置磁尺（磁柵）是一種高精度的位置檢測裝置，可用于長度和角度的測量，具有精度高、安裝調(diào)試方便，以及對使用條件要求較低等一系列優(yōu)點(diǎn)。在油污、粉塵較多的工作環(huán)境下使用穩(wěn)定性較好。361磁尺測量裝置的組成和工作原理1、磁尺的結(jié)構(gòu)組成磁尺是由磁性標(biāo)尺、讀取磁頭和檢測電路組成，其結(jié)構(gòu)如圖3-21所示。它是利用錄磁原理工作的。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錄制在磁性標(biāo)尺上，作為測量基準(zhǔn)。檢測時(shí)，用拾磁磁頭將磁性標(biāo)尺上的磁信號轉(zhuǎn)化成電信號，再送到檢測電路中去，把磁頭相對于磁性標(biāo)尺的位移量用數(shù)字顯示出來，并傳輸給數(shù)控系統(tǒng)。2、磁性標(biāo)尺和磁頭按照基體的形狀，磁尺可分為平面實(shí)體型磁尺、帶狀磁尺、線狀磁尺和回轉(zhuǎn)型磁尺，前三種用于測量直線位移，后一種用于測量角位移。圖3-22磁頭的結(jié)構(gòu)磁頭是進(jìn)行磁-電轉(zhuǎn)換的變換器，它把反映位置的磁化信號檢測出來，并轉(zhuǎn)換成電信號輸送給檢測電路。根據(jù)數(shù)控機(jī)床的要求，為了在低速運(yùn)動(dòng)和靜止時(shí)也能進(jìn)行位置檢測。磁尺上采用的是磁通響應(yīng)型磁頭。該種磁頭結(jié)構(gòu)如圖3-22所示。磁頭有兩組繞組，分別為繞在磁路截面尺寸較小的橫臂上的勵(lì)磁繞組和繞在磁路截面尺寸較大的豎桿上的拾磁繞組（輸出繞組）。當(dāng)對勵(lì)磁繞組施加勵(lì)磁電流ia=i0sinωt時(shí)，若ia的瞬時(shí)值大于某一數(shù)值，橫桿上的鐵芯材料飽和，這時(shí)磁阻很大，磁路被阻斷，磁性標(biāo)尺的磁通φ0不能通過磁頭閉合，輸出線圈不與φ0交鏈；如果ia的的瞬時(shí)值小于某一數(shù)值，ia所產(chǎn)生的磁通也隨之降低，兩橫桿中的磁阻也降低到很小，磁通開路，φ0與輸出線圈交鏈。由此可見，勵(lì)磁線圈的作用相當(dāng)于磁開關(guān)。3、磁尺的工作原理勵(lì)磁電流在一個(gè)周期內(nèi)兩次過零，兩次出現(xiàn)峰值。相應(yīng)的磁開關(guān)通斷兩次。磁路在由通到斷的時(shí)間內(nèi)，輸出線圈中交鏈磁通量由φ0變化到0；磁路在由斷到通的時(shí)間內(nèi)，輸出線圈中交鏈磁通量由0變化到φ0。φ0由磁性標(biāo)尺中的磁信號決定，因此，輸出線圈中輸出的是一個(gè)調(diào)幅信號：式中：Usc——輸出線圈中的輸出感應(yīng)電勢；Um——輸出電勢峰值；λ——磁性標(biāo)尺節(jié)距；——選定某一N極作為位移零點(diǎn)，為磁頭對磁性標(biāo)尺的位移量；ω——輸出線圈感應(yīng)電勢的頻率，它比勵(lì)磁電流ia的頻率ω0高一倍。可見，磁頭輸出信號的幅值是位移的函數(shù)，只要測出過0的次數(shù)，就可以知道的大小。使用單個(gè)磁頭輸出信號弱，而且對磁性標(biāo)尺上磁化信號的節(jié)距和波形要求也較高。所以實(shí)際上，總是將幾十個(gè)磁頭以一定的方式串聯(lián)，構(gòu)成多間隙磁頭使用。為了辨別磁頭的移動(dòng)方向，通常采用間距為（m1/4）λ的兩組磁頭（m=1,2,3,…）,并使兩組磁頭的勵(lì)磁電流的相位相差45°,這樣兩組的