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1、3.6数控机床的检测装置数控机床的检测装置3.6.1检测装置的分类检测装置的分类1.位置检测装置的要求位置检测装置的要求在闭环数控系统中，在闭环数控系统中，位置检测装置的作位置检测装置的作用是检测机床运动部件的位置和速度，发送用是检测机床运动部件的位置和速度，发送反馈信号，构成闭环控制系统。反馈信号，构成闭环控制系统。检测系统的检测系统的精度决定了精度决定了CNC的精度和分辨率。的精度和分辨率。1)能满足精度和速度的要求；能满足精度和速度的要求；2)高能可靠性和高抗干扰能力强；高能可靠性和高抗干扰能力强；3)使用、维护简单方便；使用、维护简单方便；4)成本低；成本低；通常通常，检测装置的分辨率
2、，检测装置的分辨率(即检测的最小位移量即检测的最小位移量)在在0.0110微米内；微米内；运动速度为运动速度为024m/min。12.位置检测装置的分类位置检测装置的分类由于工作条件和测量要求不同，由于工作条件和测量要求不同，数控机床常数控机床常用以下几种测量方式：用以下几种测量方式：1)绝对值测量方式和增量测量方式绝对值测量方式和增量测量方式绝对值测量方式是任一被测量点位置都由一绝对值测量方式是任一被测量点位置都由一个固定的零点（即坐标原点）算起，每一测量点，个固定的零点（即坐标原点）算起，每一测量点，都有一个相应的对原点的测量值。都有一个相应的对原点的测量值。增量测量方式检测的是相对位移量
3、，有多个增量测量方式检测的是相对位移量，有多个测量基准，任何一个对中点都可作为测量起点，测量基准，任何一个对中点都可作为测量起点，因而检测装置比较简单。因而检测装置比较简单。轮廓控制数控机床大都采用增量测量方式。轮廓控制数控机床大都采用增量测量方式。典型元件如感应同步器、光栅、磁尺等。典型元件如感应同步器、光栅、磁尺等。22)数字式测量和模拟式测量数字式测量和模拟式测量数字式测量数字式测量是将被测量量化后以数字量表示，是将被测量量化后以数字量表示，可直接送到可直接送到CNC进行比较、处理。进行比较、处理。如光栅、编码器等，如光栅、编码器等，特点是：特点是：(1)被测量量化成脉冲个数，便于处理；
4、被测量量化成脉冲个数，便于处理；(2)结构比较简单，脉冲信号抗干扰强。结构比较简单，脉冲信号抗干扰强。模拟式测量模拟式测量是将被测量用连续的变量（如相是将被测量用连续的变量（如相位变化、电压幅值变化）来表示的。在数控机床位变化、电压幅值变化）来表示的。在数控机床上模拟式测量主要用于小量程的测量。上模拟式测量主要用于小量程的测量。如旋转变压器、感应同步器等，如旋转变压器、感应同步器等，特点是：特点是：(1)直接测量被测量，无须量化；直接测量被测量，无须量化；(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。33)直接测量和间接测量直接测量和间接测量直接测量直接测量是将检测装置直接
5、安装在直线运动部件是将检测装置直接安装在直线运动部件上，测量直线位移量。上，测量直线位移量。常用光栅，感应同步器等。常用光栅，感应同步器等。优点优点是直接反映运动部件的直线位移量；是直接反映运动部件的直线位移量；缺点缺点是检测装置要和行程等长。是检测装置要和行程等长。间接测量间接测量是通过测量与运动部件直线运动相关是通过测量与运动部件直线运动相关联的回转角度间接地测量直线位移。联的回转角度间接地测量直线位移。常用编码器、常用编码器、旋转变压器等。旋转变压器等。优点优点是使用可靠方便，无长度限制；是使用可靠方便，无长度限制；缺点缺点是测量信号加入机械传动链误差，从而影是测量信号加入机械传动链误差
6、，从而影响测量精度。响测量精度。4一、脉冲编码器一、脉冲编码器脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，它将，它将机械几何转角转换成脉冲或数字量的传感器。可机械几何转角转换成脉冲或数字量的传感器。可用于位置和速度的检测，是目前应用最多的传感用于位置和速度的检测，是目前应用最多的传感器，根据检测原理，脉冲编码器可分为器，根据检测原理，脉冲编码器可分为光电式光电式、电磁感应式电磁感应式和和接触式接触式三种。三种。1.脉冲编码器分类脉冲编码器分类3.6.2常用的位置检测装置常用的位置检测装置52.光电脉冲编码器结构原理光电脉冲编码器结构原理 光电编码器光电编码器是由是由圆光栅
7、圆光栅、扇扇形指示光栅形指示光栅、光光电检测装置电检测装置组成。组成。圆光栅盘是圆光栅盘是在一定直径圆盘在一定直径圆盘的圆周上等分地的圆周上等分地开通若干个长方开通若干个长方形孔，形孔，圆盘与电圆盘与电动机同轴动机同轴。6 圆光栅与电动机同速圆光栅与电动机同速旋转时，光线透过两个光旋转时，光线透过两个光栅形成明暗相间的条纹，栅形成明暗相间的条纹，经光电元件接受转换成交经光电元件接受转换成交变电信号，接近正弦波，变电信号，接近正弦波，经量化整形成脉冲信号。经量化整形成脉冲信号。计算每秒光电编码器计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。当前电动机的转速。为判
8、为判别旋转方向，编码器提供别旋转方向，编码器提供相位相差相位相差90的两路脉冲的两路脉冲A，B信号和一个信号和一个“一转脉一转脉冲冲”定位用定位用C信号。信号。7光电编码器输出波形 光电编码器光电编码器优点优点是原理构造简单，机械平均寿是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。适合于长距离传输。缺点缺点是无法输出轴转动的绝对是无法输出轴转动的绝对位置信息。位置信息。90节距节距节距节距P P8二、绝对值编码器二、绝对值编码器 绝对值编码器是一种直接编码直接测量的传绝对值编码器是一种直接编码直接测量的传感器
9、，它直接输出数字量。感器，它直接输出数字量。结构与脉冲编码器类似，只是其圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，直接形成二进制数直接形成二进制数。绝对值绝对值编码器也编码器也分为分为光电式
10、光电式、电磁式电磁式和和接触接触式式三种。常用为光电式，其码盘三种。常用为光电式，其码盘如图。如图。9光电绝对值编码器光电绝对值编码器光电绝对值编码器光电绝对值编码器 10二进制自然码盘二进制自然码盘二进制格雷循环码盘二进制格雷循环码盘11 绝对值编码器是利用自然二进制或循环二进制绝对值编码器是利用自然二进制或循环二进制（格雷码）方式进行光电转换的。它（格雷码）方式进行光电转换的。它与增量式编码与增量式编码器的区别是不要计数器，在转轴的任意位置都可器的区别是不要计数器，在转轴的任意位置都可读读出一个固定的与位置相对应的数字码，根据码盘上出一个固定的与位置相对应的数字码，根据码盘上读出的编码确定
11、转轴的绝对位置读出的编码确定转轴的绝对位置。其特点是：其特点是：1)可以直接读出角度坐标的绝对值；可以直接读出角度坐标的绝对值；2)没有累积误差；没有累积误差；3)电源切除后位置信息不会丢失。电源切除后位置信息不会丢失。绝对值编码器分辨率是由二进制的位数来决定绝对值编码器分辨率是由二进制的位数来决定的，即其精度取决于码道数的，即其精度取决于码道数N，码道越多，分辨率码道越多，分辨率就越高。目前有就越高。目前有10位、位、14位、位、16位等绝对值编码器位等绝对值编码器产品。产品。12三、光栅三、光栅按光线按光线可可分反射、透射光栅；分反射、透射光栅；按原理按原理可分透射直线式、莫尔条纹式光栅；
12、可分透射直线式、莫尔条纹式光栅；按形状按形状还可分为圆光栅和长光栅。还可分为圆光栅和长光栅。圆光栅用于角位移的检测，长光栅用于直线位圆光栅用于角位移的检测，长光栅用于直线位移的检测。移的检测。光栅是一种非接触式测量，它将机械位移或光栅是一种非接触式测量，它将机械位移或模拟量转变成数字脉冲，测量精度高模拟量转变成数字脉冲，测量精度高(微米级微米级)。光栅的测量原理是将光栅移动时产生的光线光栅的测量原理是将光栅移动时产生的光线明暗变化转化成脉冲电信号变化而工作的。明暗变化转化成脉冲电信号变化而工作的。13 光栅光栅由光栅尺和光栅读数头由光栅尺和光栅读数头两部分组成。光栅尺包两部分组成。光栅尺包括标
13、尺光栅和指示光栅。光栅的结构如图。括标尺光栅和指示光栅。光栅的结构如图。1.光栅检测装置组成光栅检测装置组成 标尺光栅标尺光栅固定在机床运动部件上，固定在机床运动部件上，指示光栅指示光栅在光栅读在光栅读数头内部，装在机床固定件上数头内部，装在机床固定件上，两者间隙，两者间隙0.050.051 1mmmm。(1)光栅结构光栅结构光栅读数头光栅读数头14对于长光栅：线纹等距平行线，间距称栅距对于长光栅：线纹等距平行线，间距称栅距p p。对于圆光栅：线纹是等栅距角的向心条纹。对于圆光栅：线纹是等栅距角的向心条纹。栅距栅距p和栅距角是决定光栅性质的基本参数。和栅距角是决定光栅性质的基本参数。常见长光栅
14、的线纹密度为常见长光栅的线纹密度为25250条条/mm。圆光圆光栅，若直径为栅，若直径为110mm，一周内刻线达一周内刻线达6001024条，条，甚至更高。甚至更高。同一个光栅元件，其标尺光栅和指示光栅的线同一个光栅元件，其标尺光栅和指示光栅的线纹密度必须相同。纹密度必须相同。(2)光栅尺线纹光栅尺线纹 光栅是用真空镀膜的方法在透明玻璃片或长光栅是用真空镀膜的方法在透明玻璃片或长条形金属镜面上光刻均匀密集线纹形成的条形金属镜面上光刻均匀密集线纹形成的。15光栅检测装置结构示意图光栅检测装置结构示意图(3)光栅检测装置构成光栅检测装置构成162.透射直线式透射直线式光栅检测装置光栅检测装置 这种
15、光栅这种光栅只能透过单个透明间隔只能透过单个透明间隔，光强度弱，光强度弱，脉冲信号也不强，适用于线纹较粗的场合。脉冲信号也不强，适用于线纹较粗的场合。结构特点：结构特点：指示光栅与指示光栅与标尺光栅线标尺光栅线纹平行纹平行17指示光栅指示光栅3.莫尔条纹式莫尔条纹式光栅检测装置光栅检测装置结构特点：结构特点：指示光栅与指示光栅与标尺光栅线标尺光栅线纹交叉纹交叉角角wp18WP/莫尔条纹莫尔条纹特点：特点：1)1)光强近似余弦分布；光强近似余弦分布；2)2)放大光栅栅距；放大光栅栅距；3)3)平均栅距误差；平均栅距误差；4)4)莫尔条纹的移动与栅莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例。距之间的移动
16、成比例。（标尺走过一个（标尺走过一个p p，莫莫尔条纹移动一个尔条纹移动一个w w）wp191 1）响应速度快、量程宽、测量精度高；）响应速度快、量程宽、测量精度高；测直线位移，精度可达测直线位移，精度可达0.50.53 3m(300mmm(300mm范围内范围内)，分辨率可达分辨率可达0.10.1mm；测角位移，精度可达测角位移，精度可达0.150.15，分辨率可达分辨率可达0.10.1，甚至更高。，甚至更高。2 2）可实现动态测量，易于自动化；）可实现动态测量，易于自动化；3 3）具有较强的抗干扰能力；）具有较强的抗干扰能力；4 4）怕振动、怕油污，高精度光栅的制作成本高。）怕振动、怕油污，高精度光栅的制作成本高。4.光栅测量特点光栅测量特点20