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1、第3章伺服系统常用传感器及检测装置第1页，共93页，编辑于2022年，星期二1 开环控制数控机床第2页，共93页，编辑于2022年，星期二2 闭环控制数控机床 第3页，共93页，编辑于2022年，星期二3 半闭环控制数控机床第4页，共93页，编辑于2022年，星期二3.1 概概 述述3.1.1 数控机床对检测装置的主要要求数控机床对检测装置的主要要求数控机床对检测装置的主要要求有：数控机床对检测装置的主要要求有：(1)高可靠性和抗干扰能力；高可靠性和抗干扰能力；(2)满足精度和速度要求；满足精度和速度要求；(3)成本低成本低,使用维护和安装方便，适合机床运行环境；使用维护和安装方便，适合机床运
2、行环境；(4)易于实现高速的动态测量。易于实现高速的动态测量。下一页 返回第5页，共93页，编辑于2022年，星期二位置检测装置在数控机床中的位置主轴伺服单元数 控装置输出设备PLC进给伺服单元主轴电机进给电机位置检测机床本体接口电路操作面板输入设备第6页，共93页，编辑于2022年，星期二主轴伺服单元数 控装置输出设备PLC进给伺服单元主轴电机进给电机位置检测机床本体接口电路操作面板输入设备数控机床物理结构与逻辑结构比较第7页，共93页，编辑于2022年，星期二3.1 概概 述述3.1.2 位置检测装置分类位置检测装置分类 数控机床检测装置的种类很多，若按被检测的几何量分，有回转型（测数控机
3、床检测装置的种类很多，若按被检测的几何量分，有回转型（测角位移）和直线型（测线位移）；若按检测信号的类型分，有数字式和模拟角位移）和直线型（测线位移）；若按检测信号的类型分，有数字式和模拟式；若按检测量的基准分，有增量式和绝对式，如表式；若按检测量的基准分，有增量式和绝对式，如表3-1所示。对于不同所示。对于不同类型的数控机床，工作条件和检测要求不同，可采用不同的检测方类型的数控机床，工作条件和检测要求不同，可采用不同的检测方式式.下一页上一页返回第8页，共93页，编辑于2022年，星期二3.1 概概 述述增量式与绝对式增量式与绝对式(1)增量式检测方式增量式检测方式 增量式检测方式检测的是相
4、对位移增量，是终点对起点的位置坐增量式检测方式检测的是相对位移增量，是终点对起点的位置坐标增量，移动一个测量单位就发出一个测量信号，而任何一个对中点标增量，移动一个测量单位就发出一个测量信号，而任何一个对中点都可以作为测量起点，因而检测装置比较简单。其缺点是对测量信号都可以作为测量起点，因而检测装置比较简单。其缺点是对测量信号记数后才能读出位移距离，一旦计数有误，此后的测量结果将全错；记数后才能读出位移距离，一旦计数有误，此后的测量结果将全错；发生故障时（如断电、断刀等）不能再找到事故前的正确位置，事故发生故障时（如断电、断刀等）不能再找到事故前的正确位置，事故排除后，必须将工作台移至起点重新
5、计数才能找到事故前的正确位置。排除后，必须将工作台移至起点重新计数才能找到事故前的正确位置。在轮廓控制数控机床上大都采用这种测量方式。典型的检测元件有感在轮廓控制数控机床上大都采用这种测量方式。典型的检测元件有感应同步器、光栅、磁尺等。应同步器、光栅、磁尺等。下一页上一页返回第9页，共93页，编辑于2022年，星期二3.1 概概 述述(2)绝对式检测方式绝对式检测方式 绝对式检测方式中，被测量的任一点的位置都由一个固定的测绝对式检测方式中，被测量的任一点的位置都由一个固定的测量基准（即坐标原点）算起，每一测量点，都有一个相对原点的绝量基准（即坐标原点）算起，每一测量点，都有一个相对原点的绝对测
6、量值。这样就避免了增量式检测方式的缺陷，但其结构较为复对测量值。这样就避免了增量式检测方式的缺陷，但其结构较为复杂。杂。下一页上一页返回第10页，共93页，编辑于2022年，星期二3.1 概概 述述2.数字式与模拟式数字式与模拟式 数字式测量方式数字式测量方式:数字式检测是将被测量单位量化以后以数字形式表示，数字式检测是将被测量单位量化以后以数字形式表示，数字式测量输数字式测量输出测量信号一般为电脉冲，可以直接把它送到数控装置（计算机）进行比出测量信号一般为电脉冲，可以直接把它送到数控装置（计算机）进行比较、处理。其典型的测量装置如光栅位移测量装置。较、处理。其典型的测量装置如光栅位移测量装置
7、。下一页上一页返回第11页，共93页，编辑于2022年，星期二3.1 概概 述述数字式检测装置的特点是：数字式检测装置的特点是：(1)被测量量化后转换成脉冲个数，便于显示和处理；被测量量化后转换成脉冲个数，便于显示和处理；(2)测量精度取决于测量单位，与量程基本无关；测量精度取决于测量单位，与量程基本无关；(3)检测装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力强。检测装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力强。下一页上一页返回第12页，共93页，编辑于2022年，星期二3.1 概概 述述模拟式测量方式模拟式测量方式 模拟式检测是将被测量用连续的变量来表示，在数控机床中模拟模拟式检测是将被测量用连续的变量来表示，在
8、数控机床中模拟式测量主要用于小量程测量。式测量主要用于小量程测量。它的主要特点是：它的主要特点是：(1)直接对被测量进行检测，无需量化；直接对被测量进行检测，无需量化；(2)在小量程内可以实现高精度测量；在小量程内可以实现高精度测量；(3)可用于直接检测和间接检测。可用于直接检测和间接检测。下一页上一页返回第13页，共93页，编辑于2022年，星期二3.1 概概 述述3直接测量与间接测量直接测量与间接测量(1)直接测量直接测量 直接测量是将检测装置直接安装在执行部件上，对机床的直线位直接测量是将检测装置直接安装在执行部件上，对机床的直线位移采用直线型检测装置测量。其优点是直接反映工作台的直线位
9、移移采用直线型检测装置测量。其优点是直接反映工作台的直线位移量，直接测量的测量精度主要取决于测量元件的精度，不受机床传量，直接测量的测量精度主要取决于测量元件的精度，不受机床传动精度的影响；缺点是检测装置要与行程等长，这对大型数控机床动精度的影响；缺点是检测装置要与行程等长，这对大型数控机床来说，是一个很大的限制。来说，是一个很大的限制。下一页上一页返回第14页，共93页，编辑于2022年，星期二3.1 概概 述述(2)间接测量间接测量 间接测量是指采用回转型检测元件测量与工作台运动相关联间接测量是指采用回转型检测元件测量与工作台运动相关联的伺服电动机输出轴式丝杠回转运动来间接的测量机床的直线
10、位的伺服电动机输出轴式丝杠回转运动来间接的测量机床的直线位移，间接地反映工作台位移。间接测量使用可靠方便，无长度限移，间接地反映工作台位移。间接测量使用可靠方便，无长度限制，缺点是在检测信号中加入了直线运动转变为旋转运动的传动制，缺点是在检测信号中加入了直线运动转变为旋转运动的传动链误差，从而影响检测精度。因此为了提高定位精度，常常需要链误差，从而影响检测精度。因此为了提高定位精度，常常需要对机床的传动误差进行补偿。对机床的传动误差进行补偿。上一页返回第15页，共93页，编辑于2022年，星期二3.2 旋转变压器旋转变压器3.2.1旋转变压器的结构旋转变压器的结构 旋转变压器是一种输出电压随转
11、子转角变化的角位移测量装置。当旋转变压器是一种输出电压随转子转角变化的角位移测量装置。当励磁绕组以一定频率的交流电压激励时，输出绕组的电压幅值与转角成励磁绕组以一定频率的交流电压激励时，输出绕组的电压幅值与转角成正、余弦函数关系。也可以改变连接方式，使输出电压在一定范围内成正、余弦函数关系。也可以改变连接方式，使输出电压在一定范围内成线性关系。这两种旋转变压器分别称为正、余弦旋转变压器和线性旋转线性关系。这两种旋转变压器分别称为正、余弦旋转变压器和线性旋转变压器。旋转变压器又叫同步分解器，由定子和转子组成，是一种旋转变压器。旋转变压器又叫同步分解器，由定子和转子组成，是一种旋转式的小型交流电机
12、。旋转变压器分为有刷和无刷两种。式的小型交流电机。旋转变压器分为有刷和无刷两种。下一页返回第16页，共93页，编辑于2022年，星期二3.2 旋转变压器旋转变压器 有刷旋转变压器定子与转子上两相绕组轴线分别相互垂直，转子绕有刷旋转变压器定子与转子上两相绕组轴线分别相互垂直，转子绕组的引线组的引线(端点端点)经滑环引出，并通过电刷送到外面来。无刷旋转变压器无经滑环引出，并通过电刷送到外面来。无刷旋转变压器无电刷与滑环，由分解器和变压器组成，如电刷与滑环，由分解器和变压器组成，如图图3-1所示，左边是分解器，所示，左边是分解器，右边是变压器右边是变压器.下一页上一页返回第17页，共93页，编辑于2
13、022年，星期二3.2 旋转变压器旋转变压器3.2.2 旋转变压器的工作原理旋转变压器的工作原理 旋转变压器根据互感原理工作，定子与转子之间气隙磁通分布呈正旋转变压器根据互感原理工作，定子与转子之间气隙磁通分布呈正/余余弦规律。当定子加上一定频率的激磁电压时（为交变电压，频率为弦规律。当定子加上一定频率的激磁电压时（为交变电压，频率为24kHZ），通过电磁耦合，转子绕组产生感应电势，其输出电压的大小），通过电磁耦合，转子绕组产生感应电势，其输出电压的大小取决于定子和转子两个绕组轴线在空间的相对位置。两者平行时感应电取决于定子和转子两个绕组轴线在空间的相对位置。两者平行时感应电势最大，两者垂直时
14、，感应电势为零。势最大，两者垂直时，感应电势为零。下一页上一页返回第18页，共93页，编辑于2022年，星期二3.2 旋转变压器旋转变压器 单极对旋转变压器的工作情况。如单极对旋转变压器的工作情况。如图图3-2所示，设一次绕组匝数为所示，设一次绕组匝数为N1，二次绕组匝数为，二次绕组匝数为N2，n=N1/N2为变压比，当一次侧输入交变电为变压比，当一次侧输入交变电压压U1=Umsint （3-1）二次侧产生感应电势二次侧产生感应电势U2=nU1=nUmsintsin (3-2)式中，式中，U2为转子绕组感应电势；为转子绕组感应电势；U1为定子的激磁电压；为定子的激磁电压；Um为激磁电压幅值；为
15、激磁电压幅值；下一页上一页返回第19页，共93页，编辑于2022年，星期二3.2 旋转变压器旋转变压器 旋转变压器是一台小型交流电机，二次绕组跟着转子一起旋转，旋转变压器是一台小型交流电机，二次绕组跟着转子一起旋转，由式由式(3-2)可知其输出电势随着转子的角向位置呈正弦规律变化，可知其输出电势随着转子的角向位置呈正弦规律变化，当转子绕组磁轴与定子绕组磁轴垂直时，当转子绕组磁轴与定子绕组磁轴垂直时，=0，不产生感应电动势，不产生感应电动势，U2=0；当两磁轴平行时，；当两磁轴平行时，=90，感应电动势，感应电动势U2为最大，为为最大，为 U2=nUmsint (3-3)下一页上一页返回第20页
16、，共93页，编辑于2022年，星期二3.2 旋转变压器旋转变压器 正弦余弦旋转变压器的工作原理，如正弦余弦旋转变压器的工作原理，如图图3-3渐示。正弦余弦旋转变压渐示。正弦余弦旋转变压器定子和转子绕组中各有互相垂直的两个绕组，定子上的两个绕组器定子和转子绕组中各有互相垂直的两个绕组，定子上的两个绕组分别为正弦绕组分别为正弦绕组(激磁电压为激磁电压为U1s)和余弦绕组和余弦绕组(激磁电压为激磁电压为U1c)，转子绕组中的一个绕组输出电压为转子绕组中的一个绕组输出电压为U2，另一个绕组接高阻抗，用来补，另一个绕组接高阻抗，用来补偿转子对定子的电枢反应。偿转子对定子的电枢反应。下一页上一页返回第21
17、页，共93页，编辑于2022年，星期二3.2 旋转变压器旋转变压器3.2.3旋转变压器的工作方式旋转变压器的工作方式 旋转变压器作为位置检测元件，当定子绕组通入不同的激磁电压时，旋转变压器作为位置检测元件，当定子绕组通入不同的激磁电压时，有两种不同的工作方式：鉴相工作方式和鉴幅工作方式。有两种不同的工作方式：鉴相工作方式和鉴幅工作方式。(1)鉴相工作方式鉴相工作方式(2)鉴幅工作方式鉴幅工作方式下一页上一页返回第22页，共93页，编辑于2022年，星期二3.2 旋转变压器旋转变压器3.2.4 旋转变压器的应用旋转变压器的应用 根据以上分析可知，测量旋转变压器二次绕组的感应电动势根据以上分析可知
18、，测量旋转变压器二次绕组的感应电动势U2的幅值或相位的变化，可知转子偏转角的幅值或相位的变化，可知转子偏转角的变化。如果将旋转变压器安的变化。如果将旋转变压器安装在数控机床的丝杠上，当装在数控机床的丝杠上，当角从角从O变化到变化到360时，表示丝杠上时，表示丝杠上的螺母走了一个导程，这样就间接地测量了丝杠的直线位移的螺母走了一个导程，这样就间接地测量了丝杠的直线位移(导程导程)的大的大小。当测全长时，由于普通旋转变压器属于增量式测量装置，如果将其小。当测全长时，由于普通旋转变压器属于增量式测量装置，如果将其转子直接与丝杠相联，转子转动一周，仅相当于工作台转子直接与丝杠相联，转子转动一周，仅相当
19、于工作台1个丝杠导程的个丝杠导程的直线位移，不能反映全行程直线位移，不能反映全行程.下一页上一页返回第23页，共93页，编辑于2022年，星期二3.2 旋转变压器旋转变压器 因此，要检测工作台的绝对位置，需要加一台绝对位置计数器，累计所因此，要检测工作台的绝对位置，需要加一台绝对位置计数器，累计所走的导程数，折算成位移总长度。为区别转向，加一只相敏检波器来辨别不走的导程数，折算成位移总长度。为区别转向，加一只相敏检波器来辨别不同的转向。此外，还可以用同的转向。此外，还可以用3个旋转变压器按个旋转变压器按1：1、10：1和和100：1的比例相互配合串接，组成精、中、粗的比例相互配合串接，组成精、
20、中、粗3级旋转变压器测量装置。级旋转变压器测量装置。这样，如果转子以半周期直接与丝杠耦合这样，如果转子以半周期直接与丝杠耦合(即即“精精”同步同步)，结果使，结果使丝杠位移丝杠位移lOmm，则，则“中中”测旋转变压器工作范围为测旋转变压器工作范围为lOOmm，“粗粗”测旋转变压器的工作范围为测旋转变压器的工作范围为1000mm。为了使机床工作台按指令。为了使机床工作台按指令值到达一定位置，需用电气转换电路在实际值不断接近指令值的过程中，值到达一定位置，需用电气转换电路在实际值不断接近指令值的过程中，使旋转变压器从使旋转变压器从“粗粗”转换到转换到“中中”再转换到再转换到“精精”，最终的位置检测
21、，最终的位置检测精度由精度由“精精”旋转变压器决定。旋转变压器决定。上一页返回第24页，共93页，编辑于2022年，星期二3.3 感应同步器感应同步器3.3.1 感应同步器的结构与种类感应同步器的结构与种类（1）直线感应同步器）直线感应同步器 图图3-4所示为感应同步器外形图，所示为感应同步器外形图，图图3-5所示为直线感应同步所示为直线感应同步器的定尺和滑尺的绕组结构示器的定尺和滑尺的绕组结构示 意图。定尺为连续绕组，节距意图。定尺为连续绕组，节距(亦称亦称 极距极距)为为2=2(a2+b2)，其中其中a2为导电片宽，为导电片宽，b2为片间间隙，为片间间隙，定尺节距定尺节距2即为检测周期即为
22、检测周期2，常取常取2=2mm。下一页返回第25页，共93页，编辑于2022年，星期二3.3 感应同步器感应同步器 滑尺上为分段绕组，分为正弦和余弦绕组两部分，绕组可做成滑尺上为分段绕组，分为正弦和余弦绕组两部分，绕组可做成W形形或或U形。图形。图5-5中的中的ll为正弦绕组，为正弦绕组，22为余弦绕组，两者在空间错开为余弦绕组，两者在空间错开1/4定尺节距定尺节距(电角度错开电角度错开/2)。两绕组的节距都为。两绕组的节距都为1=2(a1+b1)，其中，其中a1为导电片宽，为导电片宽，b1为片间间隙，一般取为片间间隙，一般取1=2或者取或者取 1=2/32。正弦和余弦绕组的中心距。正弦和余弦
23、绕组的中心距1为为 式中，式中，n为任意正整数。为任意正整数。下一页上一页返回第26页，共93页，编辑于2022年，星期二3.3 感应同步器感应同步器（2）圆感应同步器）圆感应同步器 圆感应同步器的定子、转子都采用不锈钢、硬铝合金等材料作基板，呈圆感应同步器的定子、转子都采用不锈钢、硬铝合金等材料作基板，呈环形辐射状。定子和转子相对的一面均有导电绕组，绕组用厚环形辐射状。定子和转子相对的一面均有导电绕组，绕组用厚O.05mm的铜箔构成。基板和绕组之间有绝缘层。绕组表面还加有一层与绕的铜箔构成。基板和绕组之间有绝缘层。绕组表面还加有一层与绕组绝缘的屏蔽层，材料为铝箔或铝膜。转子绕组为连续绕组；定
24、子组绝缘的屏蔽层，材料为铝箔或铝膜。转子绕组为连续绕组；定子上有两相正交绕组上有两相正交绕组(sin绕组和绕组和cos绕组绕组)，做成分段式，两相绕组交，做成分段式，两相绕组交差分布，相差差分布，相差90电角度，如电角度，如图图3-6所示。所示。下一页上一页返回第27页，共93页，编辑于2022年，星期二3.3 感应同步器感应同步器3.3.2 感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理 如如图图3-7所示，直线式感应同步器的定尺是单向均匀感应绕组，绕所示，直线式感应同步器的定尺是单向均匀感应绕组，绕组节距为组节距为2每个节距相当于绕组空间分布的一个周期每个节距相当于绕组空间分布的一个周期2。滑尺
25、上有两组。滑尺上有两组激磁绕组，一组为正弦激磁绕组，另一组为余弦激磁绕组，两绕组激磁绕组，一组为正弦激磁绕组，另一组为余弦激磁绕组，两绕组的节距与定尺相同，并相互错开的节距与定尺相同，并相互错开1/4节距排列，当正弦激磁绕组的节距排列，当正弦激磁绕组的每一只线圈和定尺对准时，余弦激磁绕组的每一只线圈和定尺相差每一只线圈和定尺对准时，余弦激磁绕组的每一只线圈和定尺相差/2的距离，若的距离，若2=2电角度，则电角度，则/2的距离相当于二者相差的距离相当于二者相差/2的的电角度电角度.下一页上一页返回第28页，共93页，编辑于2022年，星期二3.3 感应同步器感应同步器 当向滑尺上的绕组通以交流激
26、磁电压时，则在滑尺绕组中产生激磁当向滑尺上的绕组通以交流激磁电压时，则在滑尺绕组中产生激磁电流，绕组周围产生按正弦规律变化的磁场，由电磁感应，在定尺上感电流，绕组周围产生按正弦规律变化的磁场，由电磁感应，在定尺上感应出感应电压，当滑尺与定尺间产生相对位移时，由于电磁耦合的变化，应出感应电压，当滑尺与定尺间产生相对位移时，由于电磁耦合的变化，使定尺上的感应电压随位移的变化而变化。如图使定尺上的感应电压随位移的变化而变化。如图3-8所示，当定尺与滑所示，当定尺与滑尺的绕组重合时，如图尺的绕组重合时，如图3-8中中a点所示，点所示，下一页上一页返回第29页，共93页，编辑于2022年，星期二3.3
27、感应同步器感应同步器 这时定尺上的感应电压最大。当滑尺相对于定尺作平行移这时定尺上的感应电压最大。当滑尺相对于定尺作平行移s动时，感动时，感应电压就慢慢地减小，到二者刚好错开应电压就慢慢地减小，到二者刚好错开1/4节距时，如图节距时，如图3-8中的中的b点所示，感应电压为零。再继续移动到点所示，感应电压为零。再继续移动到1/2节距位置，即图节距位置，即图3-8中的中的c点时，得到的感应电压值与点时，得到的感应电压值与a点相同但极性相反。再移动到点相同但极性相反。再移动到3/4节距，节距，即图即图3-8中的中的d点时，感应电压又变为零。当移动到一个节距，即图点时，感应电压又变为零。当移动到一个节
28、距，即图3-8中中e点位置时，情况和点位置时，情况和a点位置相同。这样，在滑尺移动一个点位置相同。这样，在滑尺移动一个节距的过程中，感应电压变化了一个余弦波形。感应同步器就是节距的过程中，感应电压变化了一个余弦波形。感应同步器就是利用这个感应电压的变化来进行位置检测的。利用这个感应电压的变化来进行位置检测的。下一页上一页返回第30页，共93页，编辑于2022年，星期二3.3 感应同步器感应同步器3.3.3 感应同步器的工作方式感应同步器的工作方式 根据不同的激磁供电方式根据不同的激磁供电方式,感应同步器也有两种不同的工作方式：感应同步器也有两种不同的工作方式：鉴相工作方式和鉴幅工作方式。鉴相工
29、作方式和鉴幅工作方式。（1）鉴相工作方式）鉴相工作方式（2）鉴幅工作方式）鉴幅工作方式下一页上一页返回第31页，共93页，编辑于2022年，星期二3.3 感应同步器感应同步器3.3.4 感应同步器的特点感应同步器的特点 (1)精度高精度高(2)测量长度不受限制测量长度不受限制(3)工作可靠、抗干扰性强工作可靠、抗干扰性强(4)维护简单、寿命长维护简单、寿命长(5)抗扰能力强、工艺性好、成本较低，便于复制和成批生产。抗扰能力强、工艺性好、成本较低，便于复制和成批生产。下一页上一页返回第32页，共93页，编辑于2022年，星期二3.3 感应同步器感应同步器3.3.5感应同步器安装使用的注意事项感应
30、同步器安装使用的注意事项 (1)感应同步器的定尺安装在机床的不动部件上；滑尺安装在机床的移感应同步器的定尺安装在机床的不动部件上；滑尺安装在机床的移动部件上。为防止切屑和油污浸入，一般在感应同步器上安装防护罩。动部件上。为防止切屑和油污浸入，一般在感应同步器上安装防护罩。(2)感应同步器在安装时必须保持定尺和滑尺平行、两尺面间的间隙感应同步器在安装时必须保持定尺和滑尺平行、两尺面间的间隙约为约为O25O05mm，其他具体的安装要求视具体的产品说明而，其他具体的安装要求视具体的产品说明而定。这样，才能保证定尺和滑尺在全部工作长度上正常耦合，减少测量误差。定。这样，才能保证定尺和滑尺在全部工作长度
31、上正常耦合，减少测量误差。下一页上一页返回第33页，共93页，编辑于2022年，星期二3.3 感应同步器感应同步器(3)直线感应同步器的标准定尺长度一般为直线感应同步器的标准定尺长度一般为250mm，当需要增加测量范围时，当需要增加测量范围时，可将定尺接长。要根据具体的使用情况，按照一定的步骤和要求拼接定可将定尺接长。要根据具体的使用情况，按照一定的步骤和要求拼接定尺，全部定尺接好后，采用激光干涉仪或量块加千分表进行全长误差测尺，全部定尺接好后，采用激光干涉仪或量块加千分表进行全长误差测量，对超差处进行重新调整，使得总长度上的累积误差不大于单块定尺量，对超差处进行重新调整，使得总长度上的累积误
32、差不大于单块定尺的最大偏差。的最大偏差。(4)由于感应同步器感应电势低，阻抗低，应加强屏蔽以防止干扰。由于感应同步器感应电势低，阻抗低，应加强屏蔽以防止干扰。上一页返回第34页，共93页，编辑于2022年，星期二 3.4 脉冲编码器 脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转角变成电脉冲，是数控机床上使用很广泛的位置检测装置。脉冲编码器可分为增量式与绝对式两类。从产生元件上分，脉冲编码器有光电式、接触式、电磁感应式三种，从精度和可靠性来看，光电式较好，数控机床上主要使用的是光电式脉冲编码器。型号用 脉冲数/转（p/r）分，常用的2000，2500，3000p/r,现在有10万p/r以上的产品
33、。它可以用于角度检测，也可用于速度检测。通常它与电机做成一体，或安装在非轴伸端。第35页，共93页，编辑于2022年，星期二 a)b)一、绝对式编码器一、绝对式编码器 绝对式编码器的工作原理 码道：测量电路：扇区：分辨率:第36页，共93页，编辑于2022年，星期二 由图5-11可以看出，码道的圈数就是二进制的位数，且高位在内，低位在外。其分辨角360o/24=22.5o，若是n位二进制码盘，就有n圈码道，分辨角360o/2n，码盘位数越大，所能分辨的角度越小，测量精度越高。若要提高分辨力，就必须增多码道，即二进制位数增多。目前接触式码盘一般可以做到9位二进制，光电式码盘可以做到18位二进制。
34、第37页，共93页，编辑于2022年，星期二图5-12 四位二进制码盘非单值性误差 自然码盘的缺点及格莱码盘 用二进制代码做的码盘，如果电刷安装不准，会使得个别电刷错位，而出现很大的数值误差。为消除这种误差，可采用葛莱码盘。第38页，共93页，编辑于2022年，星期二 图5-13为葛莱码盘，其各码道的数码不同时改变，任何两个相邻数码间只有一位是变化的，每次只切换一位数，把误差控制在最小范围内。二进制码转换成葛莱码的法则是：将二进制码右移一位并舍去末位的数码，再与二进制数码作不进位加法，结果即为葛莱码。例如，二进制码1101对应的葛莱码为1011，其演算过程如下：1101（二进制码）1101（不
35、进位相加，舍去末位）1011（葛莱码）第39页，共93页，编辑于2022年，星期二二、增量式脉冲编码器二、增量式脉冲编码器 光电式脉冲编码器通常与电机做在一起，或者安装在电机非轴伸端，电动机可直接与滚珠丝杠相连，或通过减速比为i的减速齿轮，然后与滚珠丝杠相连，那么每个脉冲对应机床工作台移动的距离可用下式计算：式中 脉冲当量（mm/脉冲）；S滚珠丝杠的导程（mm）；i减速齿轮的减速比；M脉冲编码器每转的脉冲数（p/r）。i1个脉冲（）-mmM个脉冲(360，1转)M/i个脉冲（1/i转）-S1/i mm推导：第40页，共93页，编辑于2022年，星期二第41页，共93页，编辑于2022年，星期二
36、 光电盘是用玻璃材料研磨抛光制成，玻璃表面在真空中镀上一层不透光的铬，然后用照相腐蚀法在上面制成向心透光窄缝。透光窄缝在圆周上等分，其数量从几百条到几千条不等。圆盘也用玻璃材料研磨抛光制成，其透光窄缝为两条，每一条后面安装有一只光电元件。光电盘与工作轴连在一起，光电盘转动时，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化，光电元件把通过光电盘和圆盘射来的忽明忽暗的光信号转换为近似正弦波的电信号，经过整形、放大、和微分处理后，输出脉冲信号。通过记录脉冲的数目，就可以测出转角。测出脉冲的变化率，即单位时间脉冲的数目，就可以求出速度。光电式脉冲编码器，它由光源、聚光镜、光电盘、圆盘、光电元件和信号处理电路等
37、组成（如图）。第42页，共93页，编辑于2022年，星期二电流AB节距tA1B1900脉冲编码器输出波形 为了判断旋转方向，圆盘的两个窄缝距离彼此错开1/4节距，使两个光电元件输出信号相位差900。如图5-15所示，A、B信号为具有900相位差的正弦波，经放大和整形变为方波A1、B1。设A相比B相超前时为正方向旋转，则B相超前A相就是负方向旋转，利用A相与B相的相位关系可以判别旋转方向。此外，在光电盘的里圈不透光圆环上还刻有一条透光条纹，用以产生每转一个的零位脉冲信号，它是轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲。第43页，共93页，编辑于2022年，星期二 在数控机床上，光电脉冲编码器作为位置检测
38、装置，用在数字比较伺服系统中，将位置检测信号反馈给CNC装置。图示为辨向环节框图和波形图。脉冲编码器输出的交变信号 A,B B ，经过差分驱动和差分接收进入CNC装置，再经过整形放大电路变成二个方波系列 A1,B1。将 A1 和它的反向信号1 微分（上升沿微分）后得到 和 脉冲系列，作为加、减计数脉冲。图5-16 辨向环节框图差分整形放大Y1微分差分整形放大Y2微分加计数减计数 B1路方波信号被用作加、减计数脉冲的控制信号，正走时（A超前B），由Y2门输出加计数脉冲，此时Y1门输出为低电平（图5-16）；反走时（B超前A），由Y1门输出减计数脉冲，此时Y2门输出为低电平。这种读数方式每次反映的
39、都是相对于上一次读数的增量，而不能反映转轴在空间的绝对位置，所以是增量读数法。第44页，共93页，编辑于2022年，星期二辨向环节波形图差分整形放大Y1微分差分整形放大Y2微分加计数减计数第45页，共93页，编辑于2022年，星期二 光电脉冲编码器用于数字脉冲比较伺服系统（图5-17）的工作原理如下：光电脉冲编码器与伺服电机的转轴连接，随着电机的转动产生脉冲序列，其脉冲的频率将随着转速的快慢而升降。若工作台静止，指令脉冲和反馈脉冲都为零，两路脉冲送入数字脉冲比较器中进行比较，结果输出也为零。因伺服电机的速度给定为零，工作台依然不动。随着指令脉冲的输出，指令脉冲不为零，在工作台尚未移动之前，反馈
40、脉冲仍为零，比较器输出指令信号与反馈信号的差值，经放大后，驱动电机带动工作台移动。电机运转后，光电脉冲编码器将输出反馈脉冲送入比较器，与指令脉冲进行比较，如果偏差不为零，工作台继续移动，不断反馈，直到偏差为零，即反馈脉冲数等于指令脉冲数时，工作台停在指令规定的位置上。放大环节 指令信号 比较器 伺服电机 反馈信号 工作台 数字比较伺服系统第46页，共93页，编辑于2022年，星期二3.5 光光 栅栅 光光栅栅按按用用途途分分有有两两大大类类，一一类类是是物物理理光光栅栅(亦亦称称衍衍射射光光栅栅)，另另一一类类是是计计量量光光栅栅。物物理理光光栅栅的的刻刻线线细细密密，线线纹纹密密度度一一般般
41、为为200500条条/mm，线线纹纹相相互互平平行行且且距距离离相相等等，称称此此距距离离为为栅栅距距。物物理理光光栅栅是是利利用用光光的的衍衍射射原原理理，常常用用于于光光谱谱分分析析和和光光波波波波长长的的测测定定。计计量量光光栅栅是是利利用用光光的的透透射射和和反反射射现现象象，用用于于数数控控机机床床检检测测系系统统。因因此此，这这里里所所讨讨论论的的光光栅栅是指计量光栅。是指计量光栅。下一页返回第47页，共93页，编辑于2022年，星期二3.5 光光 栅栅3.5.1光栅的种类与精度光栅的种类与精度 计量光栅按形状可以分为长光栅计量光栅按形状可以分为长光栅(又称直线光栅又称直线光栅)和
42、圆光栅。长光栅和圆光栅。长光栅用于检测直线位移，圆光栅用于测量转角位移。按制作原理又可以用于检测直线位移，圆光栅用于测量转角位移。按制作原理又可以分成玻璃透射光栅和金属反射光栅。分成玻璃透射光栅和金属反射光栅。下一页上一页返回第48页，共93页，编辑于2022年，星期二3.5 光光 栅栅1、长光栅、长光栅 (1)玻璃透射光栅是在玻璃的表面上用真空镀膜法镀一层金属膜，玻璃透射光栅是在玻璃的表面上用真空镀膜法镀一层金属膜，再涂上二一层均匀的感光材料，用照相腐蚀法制成透明与不透明间隔相再涂上二一层均匀的感光材料，用照相腐蚀法制成透明与不透明间隔相等的线纹，也有用刻蜡、腐蚀、涂黑工艺制成的。玻璃透射光
43、栅的特点等的线纹，也有用刻蜡、腐蚀、涂黑工艺制成的。玻璃透射光栅的特点是：是：光源可以采用垂直入射，光电元件可直接接受光信号，因此信号光源可以采用垂直入射，光电元件可直接接受光信号，因此信号幅度大，读数头结构比较简单；幅度大，读数头结构比较简单；每毫米上的线纹数多，一般为每毫米每毫米上的线纹数多，一般为每毫米100、125、250条，再经过电路细分，可做到微米级的分辨率。条，再经过电路细分，可做到微米级的分辨率。下一页上一页返回第49页，共93页，编辑于2022年，星期二3.5 光光 栅栅 (2)金金属属反反射射光光栅栅是是在在钢钢尺尺或或不不锈锈钢钢的的镜镜面面上上用用照照相相腐腐蚀蚀法法或
44、或用用钻钻石石刀刀直直接接刻刻划划制制成成的的光光栅栅线线纹纹；金金属属反反射射光光栅栅常常用用的的线线纹纹数数为为每每毫毫米米4、10、25、40、50条条，因因此此，其其分分辨辨率率比比玻玻璃璃透透射射光光栅栅低低。金金属属反反射射光光栅栅的的特特点点是是：标标尺尺光光栅栅的的线线膨膨胀胀系系数数很很容容易易做做到到与与机机床床材材料料一一致致；标标尺尺光光栅栅的的安安装装和和调调整整比比较较方方便便；安安装装面面积积较较小小；易易于于接接长长或或制制成成整整根根的的钢钢带带长长光光栅；栅；不易碰碎。不易碰碎。下一页上一页返回第50页，共93页，编辑于2022年，星期二3.5 光光 栅栅2
45、、圆光栅、圆光栅 在玻璃圆盘的外环端面上，做成黑白相间的条纹，条纹呈辐射状，相互在玻璃圆盘的外环端面上，做成黑白相间的条纹，条纹呈辐射状，相互问夹角问夹角(称为栅距角称为栅距角)相等。根据不同的使用要求，在圆周内的线纹数也不相等。根据不同的使用要求，在圆周内的线纹数也不相同。圆光栅一般有相同。圆光栅一般有3种形式：种形式：(1)六十进制，如圆周内的线纹数为：六十进制，如圆周内的线纹数为：10 800，21 600，32400，64800等；等；(2)十进制，如圆周内的线纹数为：十进制，如圆周内的线纹数为：1000，2500，5000等；等；(3)二进制，如圆周内的线纹数为：二进制，如圆周内的线
46、纹数为：512，1024，2048等。等。下一页上一页返回第51页，共93页，编辑于2022年，星期二3.5 光光 栅栅 3、计量光栅的精度、计量光栅的精度表表3-2各种光栅的精度各种光栅的精度 计量光栅的精度主要取决于光栅尺本身的制造精度，也就是计量光栅的精度主要取决于光栅尺本身的制造精度，也就是计量光栅任意两点间的误差。由于激光技术的发展，光栅的制作计量光栅任意两点间的误差。由于激光技术的发展，光栅的制作精度得到很大提高，目前光栅精度可达到微米级，再通过细分电精度得到很大提高，目前光栅精度可达到微米级，再通过细分电路可以达到路可以达到O.1m、甚至更高的分辨率，如：、甚至更高的分辨率，如：
47、O.025m。表。表3-2列出了几种光栅的精度数据。表中列出了几种光栅的精度数据。表中“精度精度”指两点间最大均方根误差。指两点间最大均方根误差。从表从表3-2可以看出，各种光栅中，以玻璃衍射光栅的精度为最高。可以看出，各种光栅中，以玻璃衍射光栅的精度为最高。下一页上一页返回第52页，共93页，编辑于2022年，星期二3.5 光光 栅栅3.5.2 光栅的结构与测量原理光栅的结构与测量原理（1）光栅的结构）光栅的结构 光栅由标尺光栅光栅由标尺光栅(又称长光栅又称长光栅)和光栅读数头两部分组成。标尺光栅一般和光栅读数头两部分组成。标尺光栅一般安装在机床活动部件上安装在机床活动部件上(如工作台上如工
48、作台上)，光栅读数头安装在机床固定部件上，光栅读数头安装在机床固定部件上(如机床底座上如机床底座上)。指示光栅。指示光栅(又称短光栅又称短光栅)装在光栅读数头中。当光栅装在光栅读数头中。当光栅读数头相对于标尺光栅移动时，指示光栅便在标尺光栅上相对移动。标读数头相对于标尺光栅移动时，指示光栅便在标尺光栅上相对移动。标尺光栅和指示光栅构成了光栅尺。尺光栅和指示光栅构成了光栅尺。下一页上一页返回第53页，共93页，编辑于2022年，星期二3.5 光光 栅栅 图图3-9所所示示为为一一光光栅栅尺尺的的简简单单示示意意图图，标标尺尺光光栅栅和和指指示示光光栅栅上上均均匀匀刻刻有有很很多多条条纹纹，从从局
49、局部部放放大大部部分分看看，黑黑的的部部分分为为不不透透光光宽宽度度(缝缝隙隙宽宽度度)a，白白的的部部分分为为透透光光宽宽度度(刻刻线线宽宽度度)b，设设栅栅距距为为d，则则d=a+b。通通常常情情况况下下，光光栅栅尺尺刻刻线线的的不不透透光光和和透透光光宽宽度度是是一一样样的的，即即a=b。在在安安装装光光栅栅尺尺时时，标标尺尺光光栅栅和和指指示示光光栅栅的的平平行行度度以以及及两两者者之之间的间隙间的间隙(一般取一般取O.05mm或或O.1mm)要严格保证。要严格保证。下一页上一页返回第54页，共93页，编辑于2022年，星期二3.5 光光 栅栅 光光栅栅读读数数头头又又称称光光电电转转
50、换换器器，它它由由光光源源、透透镜镜、指指示示光光栅栅、光光敏敏元元件件和和驱驱动动线线路路组组成成。光光栅栅读读数数头头的的结结构构形形式式很很多多，按按光光路路分分，常常见见的的有有分分光光读读数数头头、垂垂直直入入射射读读数数头头、反反射射读读数数头头等等，其其光光路路图图分分别别如如图图3-10(a)、(b)、(c)所所示示，图图中中Q表表示示光光源源，L表表示示透透镜镜，G表示光栅，表示光栅，P表示光电元件。表示光电元件。下一页上一页返回第55页，共93页，编辑于2022年，星期二3.5 光光 栅栅（2）光栅的基本测量原理）光栅的基本测量原理 如如图图3-11所示，对于栅距所示，对于