《《数控机床结构原理与应用》第2章 数控机床检测装置.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《数控机床结构原理与应用》第2章 数控机床检测装置.ppt（121页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第第2章章 数控机床检测装置数控机床检测装置本章要点本章要点2.1 概述概述 2.2 编码器（码盘）编码器（码盘）2.3 光栅光栅 2.4 磁栅磁栅 2.5 感应同步器感应同步器 2.6 旋转变压器旋转变压器 2.7 测速发电机测速发电机 2.8 激光在机床位置检测上的应用激光在机床位置检测上的应用 本章要点本章要点本章要点本章要点:1掌握检测装置的功能以及数控机床对检测装置的要求，掌握检测装置的功能以及数控机床对检测装置的要求，能正确判别其检测方式。能正确判别其检测方式。2掌握编码器的工作原理与应用。掌握编码器的工作原理与应用。3掌握光栅的工作原理与应用。掌握光栅的工作原理与应用。4掌握磁栅
2、的工作原理与应用。掌握磁栅的工作原理与应用。5掌握感应同步器的工作原理与应用。掌握感应同步器的工作原理与应用。6掌握测速发电机的工作原理与应用。掌握测速发电机的工作原理与应用。7掌握激光在机床位置检测上的应用。掌握激光在机床位置检测上的应用。下一页本章要点本章要点伺服系统分为开环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统伺服系统分为开环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统用步进电机作执行元件，不用检测装置及反馈。其控制精度用步进电机作执行元件，不用检测装置及反馈。其控制精度取决于步进电机和丝杠的精度。闭环控制系统必须有检测环取决于步进电机和丝杠的精度。闭环控制系统必须有检测环节取得反馈信号，并根据反
3、馈信号来控制伺服电机带动工作节取得反馈信号，并根据反馈信号来控制伺服电机带动工作台移动，消除实际位置（或速度）与指令位置（或速度）之台移动，消除实际位置（或速度）与指令位置（或速度）之间的误差。其加工精度主要由检测装置的精度决定，而检测间的误差。其加工精度主要由检测装置的精度决定，而检测装置的精度通过分辨力来体现。分辨力是位移检测系统所能装置的精度通过分辨力来体现。分辨力是位移检测系统所能测量的最小位移量。分辨力的高低不仅取决于检测元件本身测量的最小位移量。分辨力的高低不仅取决于检测元件本身也取决于检测线路，分辨力越小，说明检测精度越高。也取决于检测线路，分辨力越小，说明检测精度越高。下一页上
4、一页返回本章要点本章要点如如图图2-1所示为带有位置检测装置的闭环控制系统框图。图所示为带有位置检测装置的闭环控制系统框图。图中检测装置包括检测传感器和测量电路，其作用是将位置或中检测装置包括检测传感器和测量电路，其作用是将位置或速度等被测参数经过一系列转换由物理量转化为计算机所能速度等被测参数经过一系列转换由物理量转化为计算机所能识别的数字脉冲信号，送入微机数控装置以控制驱动元件正识别的数字脉冲信号，送入微机数控装置以控制驱动元件正确运转。确运转。上一页 返回2.1 概述概述 为提高数控机床的加工精度，必须提高测量元件和测量系统为提高数控机床的加工精度，必须提高测量元件和测量系统的精度，不同
5、的数控机床对测量元件和测量系统的精度要求、的精度，不同的数控机床对测量元件和测量系统的精度要求、允许的最高移动速度各不相同。通常大型数控机床以满足速允许的最高移动速度各不相同。通常大型数控机床以满足速度要求为主，中、小型和高精度数控机床以满足精度要求为度要求为主，中、小型和高精度数控机床以满足精度要求为主。选择测量系统的分辨率和脉冲当量时，一般要求比加工主。选择测量系统的分辨率和脉冲当量时，一般要求比加工精度高一个数量级。精度高一个数量级。2.1.1 检测装置的功能检测装置的功能 检测装置是检测装置是CNC系统的重要组成部分。其主要作用是把检测系统的重要组成部分。其主要作用是把检测到的位移和速
6、度测量信号作为反馈信号，并将反馈信号转换到的位移和速度测量信号作为反馈信号，并将反馈信号转换成数字送回计算机，与数控装置发出的脉冲指令信号进行比成数字送回计算机，与数控装置发出的脉冲指令信号进行比较，若有偏差，经放大后控制驱动和执行部件，使其向消除较，若有偏差，经放大后控制驱动和执行部件，使其向消除偏差的方向运动，直到偏差为零。偏差的方向运动，直到偏差为零。下一页 返回2.1 概述概述检测元件的作用是检测位移和速度，发送反馈信号。在闭环检测元件的作用是检测位移和速度，发送反馈信号。在闭环伺服系统中检测装置是必不可少的。检测装置的精度直接影伺服系统中检测装置是必不可少的。检测装置的精度直接影响数
7、控机床的定位精度和加工精度。响数控机床的定位精度和加工精度。数控机床对检测装置的要求数控机床对检测装置的要求 正由于检测装置对数控机床的精度有直接影响，所以数控机正由于检测装置对数控机床的精度有直接影响，所以数控机床对检测装置的要求如下：床对检测装置的要求如下：1受温度、湿度的影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗受温度、湿度的影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗干扰能力强。干扰能力强。2在机床执行部件移动范围内，能满足加工精度和加工速度在机床执行部件移动范围内，能满足加工精度和加工速度的要求。的要求。3使用维护方便，适合机床的运行环境。使用维护方便，适合机床的运行环境。上一页 下一页 返回2.
8、1 概述概述4便于与计算机联接。便于与计算机联接。5成本低。成本低。检测方式分类检测方式分类 在数控机床上应用的检测装置主要有位置检测和速度检测，在数控机床上应用的检测装置主要有位置检测和速度检测，其目的是精确控制位置和速度。目前常用的传感器主要有编其目的是精确控制位置和速度。目前常用的传感器主要有编码器、光栅、磁栅、感应同步器和旋转变压器等。光栅的分码器、光栅、磁栅、感应同步器和旋转变压器等。光栅的分辨率一般要优于光电编码器，其次是旋转变压器。对于不同辨率一般要优于光电编码器，其次是旋转变压器。对于不同类型的数控机床，根据不同的工作条件和不同的检测要求，类型的数控机床，根据不同的工作条件和不
9、同的检测要求，应该采用不同的检测方式，如应该采用不同的检测方式，如表表2-1所示。所示。上一页 下一页 返回2.1 概述概述数控机床中测量传感器按形状一般有直线型和旋转型两种。数控机床中测量传感器按形状一般有直线型和旋转型两种。直线型测量工作台的直线位移。其测量精度主要取决于测量直线型测量工作台的直线位移。其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。旋转型测量与工作元件的精度，不受机床传动精度的影响。旋转型测量与工作台直线运动相关联的回转运动，间接测量工作台的直线位移。台直线运动相关联的回转运动，间接测量工作台的直线位移。其测量精度取决于测量元件和机床传动链两者的精度。其测量精
10、度取决于测量元件和机床传动链两者的精度。1增量式测量与绝对式测量增量式测量与绝对式测量 按照检测装置的编码方式可分为增量式测量和绝对式测量。按照检测装置的编码方式可分为增量式测量和绝对式测量。（1）增量式测量）增量式测量 增量式测量是只测量位移增量，即工作台每移动一个基本单增量式测量是只测量位移增量，即工作台每移动一个基本单位长度单位，测量装置便发出一个测量信号，此信号通常是位长度单位，测量装置便发出一个测量信号，此信号通常是脉冲形式。脉冲形式。上一页 下一页 返回2.1 概述概述其优点是检测装置比较简单，能做到高精度，任何一个对中其优点是检测装置比较简单，能做到高精度，任何一个对中点均可作为
11、测量起点，其缺点是一旦计数有误，此后结果全点均可作为测量起点，其缺点是一旦计数有误，此后结果全错。发生故障时，事故排除后，再也找不到正确位置。典型错。发生故障时，事故排除后，再也找不到正确位置。典型的增量式测量装置有光栅和增量式光电编码器。的增量式测量装置有光栅和增量式光电编码器。（2）绝对式测量）绝对式测量 绝对式测量是被测的任一点的位置都由一个固定的零点算起，绝对式测量是被测的任一点的位置都由一个固定的零点算起，每一测量点都有一对应的测量值，常以数据形式表示。典型每一测量点都有一对应的测量值，常以数据形式表示。典型的绝对式测量装置有接触式编码器和绝对式光电编码器。的绝对式测量装置有接触式编
12、码器和绝对式光电编码器。上一页 下一页 返回2.1 概述概述2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 对机床的直线位移采用直线型检测装置检测，称为直接测量。对机床的直线位移采用直线型检测装置检测，称为直接测量。直接测量的精度主要取决于测量元件的精度，不受机床传动直接测量的精度主要取决于测量元件的精度，不受机床传动装置的直接影响，但检测装置要与行程等长，这对大型数控装置的直接影响，但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。典型的直接测量装置有光栅、机床来说，是一个很大的限制。典型的直接测量装置有光栅、感应同步器、磁尺和编码器。感应同步器、磁尺和编码器。
13、（2）间接测量）间接测量 对机床直线位移采用回转型检测元件测量，称为间接测量。对机床直线位移采用回转型检测元件测量，称为间接测量。间接测量的精度取决于检测装置和机床对传动链两者的精度，间接测量的精度取决于检测装置和机床对传动链两者的精度，但间接测量无长度限制。典型的间接测量装置有编码器和旋但间接测量无长度限制。典型的间接测量装置有编码器和旋转变压器。转变压器。上一页 下一页 返回2.1 概述概述3数字式测量与模拟式测量数字式测量与模拟式测量（1）数字式测量）数字式测量 数字式测量以量化后的数字形式表示被测的量。其特点是测数字式测量以量化后的数字形式表示被测的量。其特点是测量装置简单，信号抗干扰
14、能力强；被测量量化后转换成脉冲量装置简单，信号抗干扰能力强；被测量量化后转换成脉冲个数，便于显示处理；测量精度取决于测量单位，与量程基个数，便于显示处理；测量精度取决于测量单位，与量程基本无关。典型的数字式测量装置有光电编码器、接触式编码本无关。典型的数字式测量装置有光电编码器、接触式编码器和光栅。器和光栅。（2）模拟式测量）模拟式测量 模拟式测量是将被测的量用连续的变量表示，如用电压变化、模拟式测量是将被测的量用连续的变量表示，如用电压变化、相位变化来表示。在大量程内作精确的模拟式检测，在技术相位变化来表示。在大量程内作精确的模拟式检测，在技术上有较高的要求，数控机床中模拟式测量主要用于小量
15、程测上有较高的要求，数控机床中模拟式测量主要用于小量程测量且实现高精度测量。其特点是直接对被测量进行检测，无量且实现高精度测量。其特点是直接对被测量进行检测，无需量化；在小量程内可以实现高精度测量；可用于直接检测需量化；在小量程内可以实现高精度测量；可用于直接检测和间接检测。典型的模拟式测量装置有旋转变压器、感应同和间接检测。典型的模拟式测量装置有旋转变压器、感应同步器和磁栅。步器和磁栅。上一页 下一页 返回2.1 概述概述4接触式测量与非接触式测量接触式测量与非接触式测量（1）接触式测量）接触式测量 接触式测量的测量传感器与被测对象间存在着机械联系，因接触式测量的测量传感器与被测对象间存在着
16、机械联系，因此机床本身的变形、振动等因素会对测量产生一定的影响。此机床本身的变形、振动等因素会对测量产生一定的影响。典型的接触式测量装置有光栅、磁栅、感应同步器和接触式典型的接触式测量装置有光栅、磁栅、感应同步器和接触式编码器。编码器。（2）非接触式测量）非接触式测量 非接触式测量的传感器与被测对象间是分离的，不发生机械非接触式测量的传感器与被测对象间是分离的，不发生机械联系。典型的非接触式测量装置有双频激光干涉仪和光电式联系。典型的非接触式测量装置有双频激光干涉仪和光电式编码器。编码器。上一页 返回2.2 编码器（码盘）编码器（码盘）编码器又称编码盘或码盘，是一种旋转式测量元件，通常安编码器
17、又称编码盘或码盘，是一种旋转式测量元件，通常安装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的机械角装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的机械角位移转换成增量脉冲形式或绝对式的代码形式。它具有精度位移转换成增量脉冲形式或绝对式的代码形式。它具有精度高、结构紧凑和工作可靠等优点，常在半闭环伺服系统中作高、结构紧凑和工作可靠等优点，常在半闭环伺服系统中作为角位移数字式检测元件。为角位移数字式检测元件。如如图图2-2所示为编码器与主轴安装的两种形式（即同轴和异所示为编码器与主轴安装的两种形式（即同轴和异轴安装），主要作用是当数控机床加工螺纹时，用编码器作轴安装），主要作用是当数控机床加工螺纹时
18、，用编码器作为主轴位置信号的反馈元件，将发出的主轴转角位置变化信为主轴位置信号的反馈元件，将发出的主轴转角位置变化信号输送给计算机，控制机床纵向或横向电机运转，实现螺纹号输送给计算机，控制机床纵向或横向电机运转，实现螺纹加工的目的。加工的目的。下一页 返回2.2 编码器（码盘）编码器（码盘）编码器根据内部结构和检测方式可分为接触式、光电式和电编码器根据内部结构和检测方式可分为接触式、光电式和电磁式三种形式，其中光电式编码器的精度和可靠性都优于其磁式三种形式，其中光电式编码器的精度和可靠性都优于其他两种，因而广泛应用于数控机床上。另外，按照每转发出他两种，因而广泛应用于数控机床上。另外，按照每转
19、发出的脉冲数的多少又分为的脉冲数的多少又分为2000/r、2500/r、3000/r、4000/r等多种型号。根据数控机床滚珠丝杠的螺距来选用等多种型号。根据数控机床滚珠丝杠的螺距来选用不同型号的编码器。不同型号的编码器。2.2.1 光电式编码器光电式编码器 光电式编码器是一种光电式非接触式转角检测装置。码盘用光电式编码器是一种光电式非接触式转角检测装置。码盘用透明及不透明区域按一定编码构成。根据其编码方式不同，透明及不透明区域按一定编码构成。根据其编码方式不同，可分为增量式光电编码器和绝对式光电编码器。可分为增量式光电编码器和绝对式光电编码器。上一页 下一页 返回2.2 编码器（码盘）编码器
20、（码盘）光电编码器利用光电原理把机械角位移变换成电脉冲信号，光电编码器利用光电原理把机械角位移变换成电脉冲信号，是数控机床最常用的位置检测元件。光电编码器按输出信号是数控机床最常用的位置检测元件。光电编码器按输出信号与对应位置的关系，通常分为增量式光电编码器、绝对式光与对应位置的关系，通常分为增量式光电编码器、绝对式光电编码器和混合式光电编码器。电编码器和混合式光电编码器。1光电式编码器的结构光电式编码器的结构 如如图图2-3所示为光电脉冲编码器的结构。它由电路板、圆光所示为光电脉冲编码器的结构。它由电路板、圆光栅、指示光栅、轴、光敏元件、光源和连接法兰等组成。栅、指示光栅、轴、光敏元件、光源
21、和连接法兰等组成。其中，圆光栅是在一个圆盘的周围上刻有相等间距的线纹，其中，圆光栅是在一个圆盘的周围上刻有相等间距的线纹，分为透明和不透明的部分，圆光栅和工作轴一起旋转。与圆分为透明和不透明的部分，圆光栅和工作轴一起旋转。与圆光栅相对平行地放置一个固定的扇形薄片，称为指示光栅，光栅相对平行地放置一个固定的扇形薄片，称为指示光栅，上面刻有相差上面刻有相差1/4节距的两个狭缝和一个零位狭缝。光电编节距的两个狭缝和一个零位狭缝。光电编码器通过十字连接头或键与伺服电机相连。它的法兰固定在码器通过十字连接头或键与伺服电机相连。它的法兰固定在电机端面上，罩上防尘罩，构成一个完整的检测装置。电机端面上，罩上
22、防尘罩，构成一个完整的检测装置。上一页 下一页 返回2.2 编码器（码盘）编码器（码盘）2光电编码器的工作原理光电编码器的工作原理（1）增量式光电编码器的工作原理）增量式光电编码器的工作原理增量式光电编码器能够把回转件的旋转方向、旋转角度和旋增量式光电编码器能够把回转件的旋转方向、旋转角度和旋转角速度准确测量出来，然后通过光电转换将其转换成相应转角速度准确测量出来，然后通过光电转换将其转换成相应的脉冲数字量，然后由微机数控系统或计数器计数得到角位的脉冲数字量，然后由微机数控系统或计数器计数得到角位移或直线位移量。绝对式光电脉冲编码器可将被测转角转换移或直线位移量。绝对式光电脉冲编码器可将被测转
23、角转换成相应的代码来指示绝对位置而没有累计误差，是一种直接成相应的代码来指示绝对位置而没有累计误差，是一种直接编码式的测量装置。编码式的测量装置。上一页 下一页 返回2.2 编码器（码盘）编码器（码盘）如如图图2-4（a）所示为光电编码器实物图例，如所示为光电编码器实物图例，如图图2-4（b）所示为增量式光电编码器测量系统的原理图。在码盘的边缘所示为增量式光电编码器测量系统的原理图。在码盘的边缘上设有间距相等的透光缝隙，码盘的两侧分别安装光源与光上设有间距相等的透光缝隙，码盘的两侧分别安装光源与光敏元件（光电池、光敏三极管等）。当码盘随被测轴一起旋敏元件（光电池、光敏三极管等）。当码盘随被测轴
24、一起旋转时，每转过一个缝隙就有一次光线的明暗变化，投射到光转时，每转过一个缝隙就有一次光线的明暗变化，投射到光敏元件上的光强就发生变化，光敏元件把光线的明暗变化转敏元件上的光强就发生变化，光敏元件把光线的明暗变化转变成电信号的变化。然后，经放大、整形处理后，输出脉冲变成电信号的变化。然后，经放大、整形处理后，输出脉冲信号。脉冲的个数就等于转过的缝隙数。如果将脉冲信号送信号。脉冲的个数就等于转过的缝隙数。如果将脉冲信号送到计数器中计数，就可以测出码盘转过的角度。测出单位时到计数器中计数，就可以测出码盘转过的角度。测出单位时间内脉冲的数目，就可以求出码盘的旋转速度。间内脉冲的数目，就可以求出码盘的
25、旋转速度。上一页 下一页 返回2.2 编码器（码盘）编码器（码盘）在图在图2-4中，因测得的角度值都是相对于上一次读数的增量中，因测得的角度值都是相对于上一次读数的增量值，所以是一种增量式角位移检测装置。其输出的信号是脉值，所以是一种增量式角位移检测装置。其输出的信号是脉冲，通过计量脉冲的数目和频率，即可测出被测轴的转角和冲，通过计量脉冲的数目和频率，即可测出被测轴的转角和转速。转速。由于增量式光电编码器每转过一个分辨角就发出一个脉冲信由于增量式光电编码器每转过一个分辨角就发出一个脉冲信号，由此可得出如下结论：号，由此可得出如下结论：根据脉冲的数目可得出工作轴的回转角度，然后由传动比根据脉冲的
26、数目可得出工作轴的回转角度，然后由传动比换算为直线位移距离；换算为直线位移距离；根据脉冲的频率可得工作轴的转速；根据脉冲的频率可得工作轴的转速；根据光栏板上两条狭缝中信号的先后顺序（相位）可判别根据光栏板上两条狭缝中信号的先后顺序（相位）可判别光电编码盘的正反转。光电编码盘的正反转。上一页 下一页 返回2.2 编码器（码盘）编码器（码盘）此外，在光电编码器的内圈还增加一条透光条纹此外，在光电编码器的内圈还增加一条透光条纹Z，每转产生，每转产生一个零位脉冲信号。在进给电动机所用的光电编码器上，零一个零位脉冲信号。在进给电动机所用的光电编码器上，零位脉冲用于精确确定机床的参考点，而在主轴电动机上，
27、则位脉冲用于精确确定机床的参考点，而在主轴电动机上，则可用于主轴准停以及螺纹加工等。可用于主轴准停以及螺纹加工等。进给电动机常用增量式光电编码器的分辨率有进给电动机常用增量式光电编码器的分辨率有2000p/r、2024p/r、2500p/r等。目前，光电编码器每转可发出数等。目前，光电编码器每转可发出数万至数百万个方波信号，因此可满足高精度位置检测的需要。万至数百万个方波信号，因此可满足高精度位置检测的需要。上一页 下一页 返回2.2 编码器（码盘）编码器（码盘）光电编码器的安装有两种形式，一种是安装在伺服电机的非光电编码器的安装有两种形式，一种是安装在伺服电机的非输出轴端称为内装式编码器，用
28、于半闭环控制；另一种是安输出轴端称为内装式编码器，用于半闭环控制；另一种是安装在传动链末端，称为外置式编码器，用于闭环控制。光电装在传动链末端，称为外置式编码器，用于闭环控制。光电编码器安装要保证连接部位可靠、不松动，否则会影响位置编码器安装要保证连接部位可靠、不松动，否则会影响位置检测精度，引起进给运动不稳定，机床产生振动。检测精度，引起进给运动不稳定，机床产生振动。（2）绝对式光电编码器的工作原理）绝对式光电编码器的工作原理 绝对式光电编码器的光盘上有透光和不透光的编码图案，编绝对式光电编码器的光盘上有透光和不透光的编码图案，编码方式可以有二进制编码、二进制循环编码、二至十进制编码方式可以
29、有二进制编码、二进制循环编码、二至十进制编码等。绝对式光电编码器通过读取编码盘上的编码图案来确码等。绝对式光电编码器通过读取编码盘上的编码图案来确定位置。定位置。上一页 下一页 返回2.2 编码器（码盘）编码器（码盘）如如图图2-5所示为绝对式光电编码器原理图，所示为绝对式光电编码器原理图，图图2-5（b）是结是结构图。在构图。在图图2-5（a）中，码盘上有四条码道。码道就是码盘中，码盘上有四条码道。码道就是码盘上的同心圆。按照二进制分布规律，把每条码道加工成透明上的同心圆。按照二进制分布规律，把每条码道加工成透明和不透明相间的形式。码盘的一侧安装光源，另一侧安装一和不透明相间的形式。码盘的一
30、侧安装光源，另一侧安装一排径向排列的光电管，每个光电管对准一条码道。当光源照排径向排列的光电管，每个光电管对准一条码道。当光源照射码盘时，如果是透明区，则光线被光电管接受，并转变成射码盘时，如果是透明区，则光线被光电管接受，并转变成电信号，输出信号为电信号，输出信号为“1”；如果不是透明区，光电管接受不；如果不是透明区，光电管接受不到光线，输出信号为到光线，输出信号为“0”。被测轴带动码盘旋转时，光电管。被测轴带动码盘旋转时，光电管输出的信息就代表了轴的相应位置，即绝对位置。输出的信息就代表了轴的相应位置，即绝对位置。上一页 下一页 返回2.2 编码器（码盘）编码器（码盘）绝对式光电编码器转过
31、的圈数则由绝对式光电编码器转过的圈数则由RAM保存，断电后由后备保存，断电后由后备电池供电，保证机床的位置即使断电或断电后又移动过也能电池供电，保证机床的位置即使断电或断电后又移动过也能够正确的记录下来。因此采用绝对式光电编码器进给电动机够正确的记录下来。因此采用绝对式光电编码器进给电动机的数控系统只要出厂时建立过机床坐标系，则以后就不用再的数控系统只要出厂时建立过机床坐标系，则以后就不用再做回参考点的操作，而保证机床坐标系一直有效。绝对式光做回参考点的操作，而保证机床坐标系一直有效。绝对式光电编码器与进给驱动装置或数控装置通常采用通讯的方式，电编码器与进给驱动装置或数控装置通常采用通讯的方式
32、，反馈位置信息。反馈位置信息。（3）编码器正反转辨别）编码器正反转辨别 随着码盘的转动，光敏元件输出的信号不是方波，而是近似随着码盘的转动，光敏元件输出的信号不是方波，而是近似正弦波。为了测出转向，光栏板的两个狭缝距离应为正弦波。为了测出转向，光栏板的两个狭缝距离应为m1/4p（p为码盘两个狭缝之间的距离即节距，为码盘两个狭缝之间的距离即节距，m为任意整数），为任意整数），使两个光敏元件的输出信号相差使两个光敏元件的输出信号相差/2相位。如相位。如图图2-6所示。所示。上一页 下一页 返回2.2 编码器（码盘）编码器（码盘）为了判别码盘的旋转方向，可在码盘两侧再装一套光电转换为了判别码盘的旋转
33、方向，可在码盘两侧再装一套光电转换装置，两套光电装置在圆周方向错开装置，两套光电装置在圆周方向错开p/4节距，它们分别用节距，它们分别用A和和B表示。两套光电转换装置产生两组近似于正弦波的电流表示。两套光电转换装置产生两组近似于正弦波的电流信号信号IA和和IB，两者相位相差，两者相位相差90，经放大和整形电路处理后，经放大和整形电路处理后变成方波，如变成方波，如图图2-6所示。若电流所示。若电流IA的相位超前于的相位超前于IB，对应，对应电动机为正向旋转；若电动机为正向旋转；若IB相超前于相超前于IA时，对应电动机为反向时，对应电动机为反向旋转。若以该方波的前沿或后沿产生计数脉冲，可以形成代旋
34、转。若以该方波的前沿或后沿产生计数脉冲，可以形成代表正向位移和反向位移的脉冲序列。表正向位移和反向位移的脉冲序列。光电编码器的优点是没有接触磨损，码盘寿命长，允许转速光电编码器的优点是没有接触磨损，码盘寿命长，允许转速高，精度较高。缺点为结构复杂，价格高，光源寿命短。高，精度较高。缺点为结构复杂，价格高，光源寿命短。上一页 下一页 返回2.2 编码器（码盘）编码器（码盘）2.2.2 接触式编码器接触式编码器接触式编码器是一种绝对式检测装置，可直接把被测转角用接触式编码器是一种绝对式检测装置，可直接把被测转角用数字代码表示出来，且每一个角度位置均有其对应的测量代数字代码表示出来，且每一个角度位置
35、均有其对应的测量代码，因此这种测量方式即使断电或切断电源，也能读出转动码，因此这种测量方式即使断电或切断电源，也能读出转动角度。其特点是电刷与码盘上导电区直接接触，以测出码盘角度。其特点是电刷与码盘上导电区直接接触，以测出码盘的位置。接触式编码器的基体是绝缘体，码道是一组同心圆，的位置。接触式编码器的基体是绝缘体，码道是一组同心圆，码道的数目根据分辨率来决定。码道的数目根据分辨率来决定。如如图图2-7所示为一个四位二进制码盘。它在一个不导电基体所示为一个四位二进制码盘。它在一个不导电基体上做成许多金属区使其导电，其中涂黑部分为导电区，用上做成许多金属区使其导电，其中涂黑部分为导电区，用“1”表
36、示；其它部分为绝缘区，用表示；其它部分为绝缘区，用“0”表示。这样，在每表示。这样，在每一个径向上，都有由一个径向上，都有由“1”、“0”组成的二进制代码。最里组成的二进制代码。最里一圈是公用的，它和各码道所有导电部分连在一起，经电刷一圈是公用的，它和各码道所有导电部分连在一起，经电刷和电阻接电源正极。和电阻接电源正极。上一页 下一页 返回2.2 编码器（码盘）编码器（码盘）除公用圈以外，四位二进制码盘的四圈码道上也都装有电刷，除公用圈以外，四位二进制码盘的四圈码道上也都装有电刷，电刷经电阻接地。由于码盘是与被测转轴连在一起的，而电电刷经电阻接地。由于码盘是与被测转轴连在一起的，而电刷位置是固
37、定的，则当码盘随被测轴一起转动时，电刷和码刷位置是固定的，则当码盘随被测轴一起转动时，电刷和码盘的位置发生相对变化，若电刷接触的是导电区域，则经电盘的位置发生相对变化，若电刷接触的是导电区域，则经电刷、码道、电阻和电源形成回路，该回路中的电阻上有电流刷、码道、电阻和电源形成回路，该回路中的电阻上有电流流过，为流过，为“1”；反之，若电刷接触的是绝缘区域，则不能形；反之，若电刷接触的是绝缘区域，则不能形成回路，电阻上无电流流过，为成回路，电阻上无电流流过，为“0”。由此可根据电刷的位。由此可根据电刷的位置得到由置得到由“1”、“0”组成的四位二进制码。码道的圈数就组成的四位二进制码。码道的圈数就
38、是二进制的位数，且高位在内，低位在外。因此，若是是二进制的位数，且高位在内，低位在外。因此，若是n位二位二进制码盘，就有进制码盘，就有n圈码道，且圆周均分圈码道，且圆周均分2n等分，即共有等分，即共有2n个个数据来分别表示其不同位置，所能分辨的角度（即分辨率）数据来分别表示其不同位置，所能分辨的角度（即分辨率）为为 上一页 下一页 返回2.2 编码器（码盘）编码器（码盘）位数位数n越大，所能分辨的角度越小，测量精度就越高。所以，越大，所能分辨的角度越小，测量精度就越高。所以，要提高分辨率，就必须提高码道数，即二进制位数。要提高分辨率，就必须提高码道数，即二进制位数。目前接触式编码器一般可以做到
39、目前接触式编码器一般可以做到9位二进制。若要求位数更多，位二进制。若要求位数更多，则采用组合码盘，一个作为粗计码盘，一个作为精计码盘，则采用组合码盘，一个作为粗计码盘，一个作为精计码盘，精计码盘转一圈，粗计码盘依次转一格。另外，在实际应用精计码盘转一圈，粗计码盘依次转一格。另外，在实际应用中对码盘制作和电刷安装要求十分严格，否则就会产生非单中对码盘制作和电刷安装要求十分严格，否则就会产生非单值性误差。例如，当电刷由（值性误差。例如，当电刷由（0111）向位置（）向位置（1000）过渡）过渡时，若电刷安装位置不准或接触不良，可能会出现时，若电刷安装位置不准或接触不良，可能会出现815之之间的任何
40、一个十进制数。这种误差称为非单值性误差。为了间的任何一个十进制数。这种误差称为非单值性误差。为了消除这种非单值性误差，可采用二进制循环码盘（格雷码盘）消除这种非单值性误差，可采用二进制循环码盘（格雷码盘）。上一页 下一页 返回2.2 编码器（码盘）编码器（码盘）如如图图2-8所示为一个四位格雷码盘。通过与所示为一个四位格雷码盘。通过与图图2-7比较，其比较，其不同之处在于：它的各码道并不同时改变，任何两个相邻数不同之处在于：它的各码道并不同时改变，任何两个相邻数码间只有一位是变化的，所以每次只切换一位数，把误差控码间只有一位是变化的，所以每次只切换一位数，把误差控制在最小单位内。制在最小单位内
41、。将二进制码转换成格雷码的法则是：将二进制码与其本身右将二进制码转换成格雷码的法则是：将二进制码与其本身右移一位后并舍去末位的数码作不进位加法，得出的结果即为移一位后并舍去末位的数码作不进位加法，得出的结果即为格雷码（循环码）。格雷码（循环码）。上一页 下一页 返回2.2 编码器（码盘）编码器（码盘）例如：二进制码例如：二进制码0101对应的格雷码为对应的格雷码为0111，演算过程如下：，演算过程如下：0101 （二进制码）（二进制码）010 （右移一位并舍去末位）（右移一位并舍去末位）0111 （格雷码）（格雷码）式中，式中，表示无进位相加。表示无进位相加。接触式码盘的优点是结构简单、体积小
42、、输出信号功率大。接触式码盘的优点是结构简单、体积小、输出信号功率大。缺点是有磨损、寿命短且转速不能太高。缺点是有磨损、寿命短且转速不能太高。上一页 下一页 返回2.2 编码器（码盘）编码器（码盘）2.2.3 电磁式编码器电磁式编码器 电磁式编码器是在导磁圆盘上用腐蚀的方法做成一定的编码电磁式编码器是在导磁圆盘上用腐蚀的方法做成一定的编码图形，使导磁性有的地方高有的地方低。再用一个很小的马图形，使导磁性有的地方高有的地方低。再用一个很小的马蹄形磁芯作磁头，上面绕两组线圈，原边用正弦电流激磁，蹄形磁芯作磁头，上面绕两组线圈，原边用正弦电流激磁，由于副边感应电动势与整个磁路磁导有关，因而可以区分数
43、由于副边感应电动势与整个磁路磁导有关，因而可以区分数码码0或数码或数码1。这也是一种非接触式编码器，具有寿命长、转。这也是一种非接触式编码器，具有寿命长、转速高等优点，是一种比较有发展前途的码盘。速高等优点，是一种比较有发展前途的码盘。上一页 返回2.3 光栅光栅 光栅是一种最常见的测量装置，是在玻璃或金属基体上均匀光栅是一种最常见的测量装置，是在玻璃或金属基体上均匀刻划很多等节距的线纹而制成。其制作工艺是在一块长形玻刻划很多等节距的线纹而制成。其制作工艺是在一块长形玻璃上用真空镀膜的方法镀上一层不透光的金属膜，再涂上一璃上用真空镀膜的方法镀上一层不透光的金属膜，再涂上一层均匀的感光材料，然后
44、用照相腐蚀法制成等节距的透光和层均匀的感光材料，然后用照相腐蚀法制成等节距的透光和不透光相间的线纹，这些线纹与运动方向垂直，线纹间的距不透光相间的线纹，这些线纹与运动方向垂直，线纹间的距离为栅距，而单位长度上的线纹数目叫线纹密度。离为栅距，而单位长度上的线纹数目叫线纹密度。2.3.1 光栅的结构和工作原理光栅的结构和工作原理 1光栅的结构光栅的结构 光栅装置的结构由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。光栅光栅装置的结构由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。光栅读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成。读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成。如如图图2-9（a）所示为直线光栅实
45、物图例，所示为直线光栅实物图例，图图2-9（b）所示所示为垂直入射光栅读数头。为垂直入射光栅读数头。下一页 返回2.3 光栅光栅在光栅测量中，通常由一长一短两块光栅尺配套使用，其中在光栅测量中，通常由一长一短两块光栅尺配套使用，其中长的一块称为主光栅或标尺光栅，固定在机床的活动部件上，长的一块称为主光栅或标尺光栅，固定在机床的活动部件上，随运动部件移动，要求与行程等长。短的一块称为指示光栅，随运动部件移动，要求与行程等长。短的一块称为指示光栅，安装在光栅读数头中，光栅读数头安装在机床的固定部件上。安装在光栅读数头中，光栅读数头安装在机床的固定部件上。两光栅尺上的刻线密度均匀且相互平行放置，并保
46、持一定的两光栅尺上的刻线密度均匀且相互平行放置，并保持一定的间隙（间隙（0.05mm或或0.1mm）。如）。如图图2-10所示为一光栅尺所示为一光栅尺的简单示意图。的简单示意图。上一页 下一页 返回2.3 光栅光栅两个光栅尺上均匀刻有很多条纹，从其局部放大部分来看，两个光栅尺上均匀刻有很多条纹，从其局部放大部分来看，白的部分白的部分b为透光宽度，黑的部分为透光宽度，黑的部分a为不透光宽度，若为不透光宽度，若P为栅为栅距，则距，则P=a+b。通常情况下，光栅尺刻线的不透光宽度和。通常情况下，光栅尺刻线的不透光宽度和透光宽度是一样的，即透光宽度是一样的，即a：b=1：1。在在图图2-9（b）中，标
47、尺光栅不属于光栅读数头，但它要穿过中，标尺光栅不属于光栅读数头，但它要穿过光栅读数头，且保证指示光栅有准确的位置对应关系。标尺光栅读数头，且保证指示光栅有准确的位置对应关系。标尺光栅和指示光栅统称为光栅尺。栅距与线纹密度互为倒数，光栅和指示光栅统称为光栅尺。栅距与线纹密度互为倒数，常见的直线光栅线纹密度为常见的直线光栅线纹密度为50条条/mm、100条条/mm和和200条条/mm。上一页 下一页 返回2.3 光栅光栅2、光栅的工作原理、光栅的工作原理 如如图图2-11所示的莫尔条纹。在安装时，将两块栅距相同、黑所示的莫尔条纹。在安装时，将两块栅距相同、黑白宽度相同的标尺光栅和指示光栅刻线面平行
48、放置，将指示白宽度相同的标尺光栅和指示光栅刻线面平行放置，将指示光栅在其自身平面内倾斜一很小的角度，以便使它的刻线与光栅在其自身平面内倾斜一很小的角度，以便使它的刻线与标尺光栅的刻线间保持一个很小的夹角标尺光栅的刻线间保持一个很小的夹角。这样，在光源的照。这样，在光源的照射下，就形成了光栅刻线几乎垂直的横向明暗相同的宽条纹，射下，就形成了光栅刻线几乎垂直的横向明暗相同的宽条纹，即莫尔条纹。原因是由于光的干涉效应，在即莫尔条纹。原因是由于光的干涉效应，在a线附近，两块光线附近，两块光栅尺的刻线相互重叠，光栅尺上的透光狭缝互不遮挡，透光栅尺的刻线相互重叠，光栅尺上的透光狭缝互不遮挡，透光性最强形成
49、亮带；在性最强形成亮带；在b线附近，两块光栅尺的刻线互相错开，线附近，两块光栅尺的刻线互相错开，一块光栅尺的不透光部分刚好遮住另一光栅尺的透光部分，一块光栅尺的不透光部分刚好遮住另一光栅尺的透光部分，所以透光性最差，形成暗带。所以透光性最差，形成暗带。如如图图2-12所示表示横向莫尔条纹参数间的关系。所示表示横向莫尔条纹参数间的关系。上一页 下一页 返回2.3 光栅光栅其中其中 AB=W 因而因而由于由于值很小，上式可简化成值很小，上式可简化成式中，式中，单位为单位为rad。上一页 下一页 返回2.3 光栅光栅2.3.2 光栅的种类光栅的种类 光栅的种类繁多，可分为计量光栅和物理光栅；透射光栅
50、和光栅的种类繁多，可分为计量光栅和物理光栅；透射光栅和反射光栅等。反射光栅等。1物理光栅物理光栅物理光栅刻线细且密，节距很小（物理光栅刻线细且密，节距很小（200500条条/mm），主），主要利用光的衍射现象。物理光栅常用于光谱分析和光波波长要利用光的衍射现象。物理光栅常用于光谱分析和光波波长测定。测定。2计量光栅计量光栅 计量光栅刻线较粗（计量光栅刻线较粗（25、50、100和和250条条/mm），主要是），主要是利用光的透射和反射现象。由于计量光栅应用莫尔条纹原理，利用光的透射和反射现象。由于计量光栅应用莫尔条纹原理，因而所测的位置精度相当高，有很高的分辨率，很易做到因而所测的位置精度相当