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1、YCF（中职）数控系统选用与维护第三章教学课件第第3章章 数控机床的位置检测装置数控机床的位置检测装置 3.1 旋转编码器旋转编码器 3.2 光光栅尺栅尺3.3 旋转变压器和感应同步器旋转变压器和感应同步器 3.4 磁栅磁栅 3.5 典型传感器的类型与选用典型传感器的类型与选用 3.6 思考与练习思考与练习 3.1 旋转编码器 3.1.1旋转编码器的分类和结构旋转编码器的分类和结构旋转编码器是一种旋转式脉冲发生器，把机械转旋转编码器是一种旋转式脉冲发生器，把机械转角转化为脉冲。是数控机床上应用广泛的位置检角转化为脉冲。是数控机床上应用广泛的位置检测装置。同时也作为速度检测装置用于速度检测。测装
2、置。同时也作为速度检测装置用于速度检测。根据旋转编码器的结构，旋转编码器分为光电式、根据旋转编码器的结构，旋转编码器分为光电式、接触式、电磁感应式三种。从精度和可靠性方面接触式、电磁感应式三种。从精度和可靠性方面来看，光电式编码器优于其他两种。数控机床上来看，光电式编码器优于其他两种。数控机床上常用的是光电式编码器。常用的是光电式编码器。3.1 旋转编码器旋转编码器的结构如图3-1所示。在一个圆盘的圆周上刻有相等间距的线纹，分为透明和不透明部分，称为圆光栅。圆光栅和工作轴一起旋转。与圆光栅相对的，平行放置一个固定的扇形薄片，称为指示光栅。上面制有相差1/4节距的两个狭缝，称为辩向狭缝。此外，还
3、有一个零位狭缝（一转发出一个脉冲）。旋转编码器与伺服电动机相连，它的法兰盘固定在伺服电动机的端面上，构成一个完整的检测装置。图3-1 光电编码器的结构示意图3.1 旋转编码器为了判断旋转方向，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3-2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。图3-1 光电编码器
4、的结构示意图3.1 旋转编码器3.1.3绝对式编码器绝对式编码器增量式编码器只能进行相对测量，一旦在测量过程中出现计数错误，在以后的测量中会出现计数误差。而绝对式编码器克服了其缺点。绝对式编码器是一种直接编码和直接测量的检测装置，它能指示绝对位置，没有累积误差。既使电源切断后位置信息也不丢失。常用的编码器有编码盘和编码尺，统称位码盘。从编码器使用的计数制来分类，有二进制编码、二进制循环码（葛莱码）、二-十进制码等编码器。从结构原理来分类，有接触式、光电式和电磁式等。常用的是光电式二进制循环码编码器。3.1 旋转编码器如图3-3所示为绝对式码盘结构示意图。图3-3a）为二进制码盘，3-3 b）为
5、葛莱码盘。码盘上有许多同心圆（码道），它代表某种计数制的一位，每个同心圆上有绝缘与导电的部分。导电部分为“1”，绝缘部分为“0”，这样就组成了不同的图案。每一径向，若干同心圆组成的图案代表了某一绝对计数值。二进制码盘的计数图案的改变按二进制规律变化。葛莱码的计数图案的切换每次只改变一位，误差可以控制在一个单位内。图3-3 接触式编码盘结构及工作原理图3.1 旋转编码器接触式码盘可以做到9位二进制，优点是结构简单、体积小、输出信号强，不需放大。缺点是由于电刷的摩擦，使用寿命低，转速不能太高。光电式码盘没有接触磨损，寿命长，转速高，精度高。单个码盘可以做到18位进制。缺点是结构复杂，价格高。电磁式
6、码盘是在导磁性好的软铁等圆盘上，用腐蚀的方法作成相应码制的凹凸图形，当磁通通过码盘时，由于磁导大小不一样，其感应电压也不同，因而可以区分“0”和“1”，达到测量的目的。该种码盘也是一种无接触式码盘，寿命长，转速高。3.1 旋转编码器由上述可知，增量式编码器每转的输出脉冲多，测量精度高，但是能够产生计数误差。而绝对式编码器虽然没有计数误差，但是精度受到最低位（最外圆上）分段宽度的限制，其计数长度有限。为了得到更大的计数长度，将增量式编码器和绝对式编码器做在一起，形成混合式绝对式编码器。在圆盘的最外圆是高密度的增量条纹，中间有四个码道组成绝对式的四位葛莱码，每1/4同心圆被葛莱码分割为16个等分段
7、。圆盘最里面有一发“一转信号”的狭缝。该码盘的工作原理是三级计数：粗、中、精计数。码盘的转速由“一转脉冲”的计数表示。在一转内的角度位置由葛莱码的不同数值表示。每1/4圆葛莱码的细分由最外圆上的增量制码完成。3.2光栅尺3.2.1光栅的种类光栅的种类根据形状可分为长光栅和圆光栅，如图3-4，图3-5所示。长光栅主要用于测量直线位移；圆光栅主要用于测量角位移。图3-4 长光栅 图3-5 圆光栅3.2光栅尺3.2.2光栅的结构和工作原理光栅的结构和工作原理光栅是由标尺光栅和光学读数头两部分组成。标尺光栅一般固定在机床的活动部件上，如工作台。光栅读数头装在机床固定部件上。指示光栅装在光栅读数头中。标
8、尺光栅和指示光栅的平行度及二者之间的间隙（0.050.1mm）要严格保证。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。光栅读数头又叫光电转换器，它把光栅莫尔条纹变成电信号。如图3-6所示为垂直入射读数头。读数头由光源、聚光镜、指示光栅、光敏元件和驱动电路等组成。图3-6 光栅读数头3.2光栅尺当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹呈一小角度放置时，造成两光栅尺上的线纹交叉。在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠形成明暗相间的条纹，这种条纹称为“莫尔条纹”。“莫尔条纹”与光栅的线纹几乎成垂直方向排列（见图3-7）。图3-7 光栅的莫尔条纹 3.2光栅尺3.2.3直线光栅
9、尺检测装置的辩向原理直线光栅尺检测装置的辩向原理 莫尔条纹的光强度近似呈正（余）弦曲线变化，光电元件所感应的光电流变化规律近似为正（余）弦曲线。经放大、整形后，形成脉冲，可以作为计数脉冲，直接输入到计算机系统的计数器中计算脉冲数，进行显示和处理。根据脉冲的个数可以确定位移量，根据脉冲的频率可以确定位移速度。用一个光电传感器只能进行计数，不能辩向。要进行辩向，至少用两个光电传感器。图3-8所示为光栅传感器的安装示意图。通过两个狭缝S1和S2的光束分别被两个光电传感器P1、P2接受。当光栅移动时，莫尔条纹通过两个狭缝的时间不同，波形相同，相位差90。3.2光栅尺至于哪个超前，决定于标尺光栅移动的方
10、向。如图3-8所示，当标尺光栅向右移动时，莫尔条纹向上移动，缝隙S2的信号输出波形超前1/4周期；同理，当标尺光栅向左移动，莫尔条纹向下移动，缝隙S1的输出信号超前1/4周期。根据两狭缝输出信号的超前和滞后可以确定标尺光栅的移动方向。图3-8光栅的辩向原理图 3.2光栅尺为了提高光栅检测装置的精度，可以提高刻线精度和增加刻线密度。但是刻线密度大于200线/mm以上的细光栅刻线制造困难，成本高。为了提高精度和降低成本，通常采用倍频的方法来提高光栅的分辨精度，如图3-9a）所示为采用四倍频方案的光栅检测电路的工作原理。光栅刻线密度为50线/mm，采用4个光电元件和4个狭缝，每隔1/4光栅节距产生一
11、个脉冲，分辨精度可以提高四倍，并且可以辩向。当指示光栅和标尺光栅相对运动时，硅光电池接受到正弦波电流信号。这些信号送到差动放大器，再通过整形，使之成为两路正弦及余弦方波。然后经过微分电路获得脉冲。由于脉冲是在方波的上升沿上产生，为了使0、90、180、270的位置上都得到脉冲，必须把正弦和余弦方波分别反相一次，然后再微分，得到了4个脉冲。为了辨别正向和反向运动，可以用一些与门把四个方波sin、-sin、cos和-cos（即A、B、C、D）和四个脉冲进行逻辑组合。当正向运动时，通过与门Y1Y4及或门H1得到AB+AD+CD+BC四个脉冲的输出。3.2光栅尺当反向运动时，通过与门Y5Y8及或门H2
12、得到BC+AB+AD+CD四个脉冲的输出。其波形如图3-9b)所示，这样虽然光栅栅距为0.02mm，但是经过四倍频以后，每一脉冲都相当于5m，分辨精度提高了四倍。此外，也可以采用八倍频，十倍频等其他倍频电路。图3-9光栅测量装置的四细分电路与波形 3.3 旋转变压器和感应同步器3.3.1旋转变压器旋转变压器旋转变压器是一种角度测量装置，它是一种小型交流电动机。其结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰强，工作可靠，广泛应用于数控机床上。旋转变压器是一种常用的转角检测元件，由于它结构简单，工作可靠，且其精度能满足一般的检测要求，因此被广泛地应用在数控机床上。旋转变压
13、器在结构上和两相线绕式异步电动机相似，由定子和转子组成。定子绕组为变压器的原边，转子绕组为变压器的副边。定子绕组通过固定在壳体上的接线柱直接引出。转子绕组有两种不同的引出方式。根据转子绕组两种不同的引出方式，旋转变压器分有刷式和无刷式两种结构。图3-10旋转变压器结构图 3.3 旋转变压器和感应同步器旋转变压器是根据互感原理工作的。它的结构保证了其定子和转子之间的磁通呈正（余）弦规律。定子绕组加上励磁电压，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电动势。如图3-11所示，其所产生的感应电动势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。图3-11旋转变压器的工作原理 3.3 旋转变压器和感应同步器
14、旋转变压器作为位置检测装置，有两种工作方式：鉴相式工作方式和鉴幅式工作方式。鉴相式工作方式，在该工作方式下，旋转变压器定子的两相正向绕组（正弦绕组S和余弦绕组C）分别加上幅值相同，频率相同，而相位相差90的正弦交流电压，见图3-12。图3-12旋转变压器定子两相激磁绕组 3.3 旋转变压器和感应同步器3.3.2感应同步器感应同步器感应同步器是一种电磁感应式的高精度位移检测装置。实际上它是多极旋转变压器的展开形式。感应同步器分旋转式和直线式两种。旋转式用于角度测量，直线式用于长度测量。两者的工作原理相同。直线感应同步器由定尺和滑尺两部分组成。定尺与滑尺之间有均匀的气隙，在定尺表面制有连续平面绕组
15、，绕组节距为P。滑尺表面制有两段分段绕组，正弦绕组和余弦绕组。它们相对于定尺绕组在空间错开1/4节距（1/4P），定子和滑尺的结构示意图如图3-13所示。图3-13 定尺和滑尺绕组示意图 3.3 旋转变压器和感应同步器感应同步器的工作原理与旋转变压器基本一致。使用时，在滑尺绕组通以一定频率的交流电压，由于电磁感应，在定尺的绕组中产生了感应电压，其幅值和相位决定于定尺和滑尺的相对位置。如图3-14的所示为滑尺在不同的位置时定尺上的感应电压。当定尺与滑尺重合时，如图中的a点，此时的感应电压最大。当滑尺相对于定尺平行移动后，其感应电压逐渐变小。在错开1/4节距的b点，感应电压为零。依次类推，在1/2
16、节距的c点，感应电压幅值与a点相同，极性相反；在3/4节距的d点又变为零。当移动到一个节距的e点时，电压幅值与a点相同。这样，滑尺在移动一个节距的过程中，感应电压变化了一个余弦波形。滑尺每移动一个节距，感应电压就变化一个周期。图3-14 感应同步器的工作原理3.4磁栅3.4.1磁栅的结构磁栅的结构磁栅又叫磁尺，是一种高精度的位置检测装置，它由磁性标尺、拾磁磁头和检测电路组成，用拾磁原理进行工作的。首先，用录磁磁头将一定波长的方波或正弦波信号录制在磁性标尺上作为测量基准，检测时根据与磁性标尺有相对位移的拾磁磁头所拾取的信号，对位移进行检测。磁栅可用于长度和角度的测量，精度高、安装调整方便，对使用
17、环境要求较低，如对周围的电磁场的抗干扰能力较强，在油污和粉尘较多的场合使用有较好的稳定性。高精度的磁栅位置检测装置可用于各种精密机床和数控机床。其结构如图3-15所示。图3-15磁栅的结构 3.4磁栅拾磁磁头是一种磁电转换器件，它将磁性标尺上的磁信号检测出来，并转换成电信号。普通录音机上的磁头输出电压幅值与磁通的变化率成正比，属于速度响应型磁头。而由于在数控机床上需要在运动和静止时都要进行位置检测，因此应用在磁栅上的磁头是磁通响应型磁头。它不仅在磁头与磁性标尺之间有一定相对速度时能拾取信号，而且在它们相对静止时也能拾取信号。其结构如图3-16所示 图3-16 磁通响应型磁头 3.4磁栅3.4.
18、2磁栅的工作原理磁栅的工作原理励磁电流在一个周期内两次过零、两次出现峰值。相应的磁开关通断各两次。磁路由通到断的时间内，输出线圈中交链磁通量由00；磁路由断到通的时间内，输出线圈中交链磁通量由00。使用单个磁头的输出信号小，而且对磁性标尺上的磁化信号的节距和波形要求也比较高。实际使用时，将几十各磁头用一定的方式串联，构成多间隙磁头使用。3.5 典型传感器的类型与选用编码器以检测原理来分，有光学式、磁式、感应式和电容式。编码器以测量方式来分，有直线型编码器（光栅尺、磁栅尺），旋转型编码器。编码器以信号原理（刻度方法及信号输出形式）来分，有增量型编码器，绝对型编码器和混合式三种。3.6 思考与练习 1、位置检测装置的特点？2、位置检测装置的分类有哪些？典型元件有哪些？3、光电编码器的工作原理和特点？4、光栅有哪些组成？有何特点？5、莫尔条纹的特点有哪些?6、旋转变压器有哪些工作原理和特点？7、感应同步器的工作原理和特点？8、磁栅有哪些组成？有什么特点？9、磁栅的工作原理？10、光栅的特点和使用的环境是什么？