数控设计第5章资料课件

第第 5 章章 数控检测技术数控检测技术6/23/20245.1 5.1 概概 述述 组成：组成：位置测量装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置位置测量装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成的。组成的。作用：作用：实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换成位置控实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换成位置控制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置反馈到位置控制单制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成元，以实施闭环控制。它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。部分。闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测装置的精闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测装置的精度决定的，在设计数控机床进给伺服系统，尤其是高精度进给伺服度决定的，在设计数控机床进给伺服系统，尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择位置检测装置。系统时，必须精心选择位置检测装置。6/23/20245.1.1 5.1.1 检测装置的分类检测装置的分类 数控系统中的检测装置分为数控系统中的检测装置分为位移位移、速度速度和和电流电流三种类型。三种类型。安装的位置及耦合方式安装的位置及耦合方式直接测量直接测量和和间接测量间接测量；测量方法测量方法 增量型增量型和和绝对型绝对型;检测信号的类型检测信号的类型 模拟式模拟式和和数字式数字式；运动型式运动型式 回转型回转型和和直线型直线型；信号转换的原理信号转换的原理 光电效应、光栅效应、电磁感应原理、光电效应、光栅效应、电磁感应原理、压电效应、压阻效应和磁阻效应压电效应、压阻效应和磁阻效应等。等。6/23/2024表表5 51 1 数控机床检测装置分类数控机床检测装置分类 分分类类增增量量式式绝绝对对式式位移位移传感器传感器 回转型回转型脉冲编码器、脉冲编码器、自整角机自整角机、旋转变压器、圆感旋转变压器、圆感应同步器应同步器、光栅角度传感器光栅角度传感器、圆光栅、圆磁栅圆光栅、圆磁栅 多极旋转变压器多极旋转变压器、绝绝对脉冲编码器对脉冲编码器绝对值式光绝对值式光栅栅、三速圆感应同步器三速圆感应同步器、磁阻式多极旋转变压器磁阻式多极旋转变压器 直线型直线型直线应同步器直线应同步器、光栅尺、磁栅尺光栅尺、磁栅尺、激光干涉激光干涉仪仪霍耳位置传感器霍耳位置传感器 三速感应同步器三速感应同步器、绝绝对值磁尺、光电编码尺对值磁尺、光电编码尺、磁性编码器磁性编码器速度速度传感器传感器 交、直流测速发电机交、直流测速发电机、数字脉编码式速度传感器数字脉编码式速度传感器、霍霍耳速度传感器耳速度传感器 速度速度角度传感器角度传感器（Tachsyn）、）、数字电磁、数字电磁、磁敏式速度传感器磁敏式速度传感器电流电流传感器传感器霍耳电流传感器霍耳电流传感器6/23/2024 传感器的性能指标应包括静态特性和动态特性，主要如下。传感器的性能指标应包括静态特性和动态特性，主要如下。1.1.精度精度 符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度 称作精度。高精度和高速实时测量。称作精度。高精度和高速实时测量。2.2.分辨率分辨率 分辩率应适应机床精度和伺服系统的要求。分辩率应适应机床精度和伺服系统的要求。3.3.灵敏度灵敏度 灵敏度灵敏度高、高、一致。一致。4.4.迟滞迟滞 对某一对某一输入量，传感器的正行程的输出量与反行程的输入量，传感器的正行程的输出量与反行程的 输出量的不一输出量的不一致，称为迟滞。迟滞小。致，称为迟滞。迟滞小。5.5.测量范围和量程测量范围和量程 6.6.零漂与温漂零漂与温漂 其它：其它：可靠，抗干扰性强、使用维护方便、成本低等。可靠，抗干扰性强、使用维护方便、成本低等。5.1.2 5.1.2 数控测量装置的性能指标及要求数控测量装置的性能指标及要求 6/23/20245.2 5.2 旋转变压器旋转变压器 54318762 图图51 51 旋转变压器结构示意旋转变压器结构示意1-1-转轴转轴 2-2-轴承轴承 3-3-机壳机壳 4-4-转子铁心转子铁心 5-5-定子铁心定子铁心 6-6-端盖端盖 7-7-电刷电刷 8-8-集电环集电环6/23/2024旋转变压器（旋转变压器（ResolverResolver）简称旋变，又称作解算器或分解器。简称旋变，又称作解算器或分解器。分类：有电刷、集电环结构和无刷结构分类：有电刷、集电环结构和无刷结构 单对极元件、多对极元件（或称多极元件）单对极元件、多对极元件（或称多极元件）工作原理：电磁感应工作原理：电磁感应 5.2.1 5.2.1 旋转变压器的结构和工作原理旋转变压器的结构和工作原理 定子定子转子转子S S1R1S S2S S3S S4R2R3R46/23/2024 E E2 2=KV=KV 1 1 coscos=KV=KV m m sintcossintcos =90 =90 E E 2=02=0 =0 =0 E E 2=2=KVKV m SINm SINt t式中式中:E E 2 2转子转子绕组绕组感应电势；感应电势；V V1 1定子定子绕组励绕组励磁电压磁电压 V V1 1=V Vm msinsintt；V Vm m电压信号幅值；电压信号幅值；定、转子定、转子绕组轴线间夹角；绕组轴线间夹角；KK变压比变压比 （即绕组匝数比）（即绕组匝数比）5.2.1 5.2.1 旋转变压器的结构和工作原理旋转变压器的结构和工作原理 V1=Vmsint V1 V1 E E 2 2=0 0（=90 90）E E 2 2=KVKVm mSINSINttcoscos E E 2 2=KVKVm msinsintt（=0 ）6/23/20241.1.鉴相方式鉴相方式 V Vs s=VmsinVmsinttV Vc c=VmcosVmcostt E E2 2=KV=KV m m coscos-KV-KV c csinsin =KV =KV m m (sinsintcostcos-coscostsintsin)=KVKV m m sinsin(t-t-)5.2 2 5.2 2 旋转变压器的应用旋转变压器的应用 VSVSVsVcE2 图图5.35.3定子两相绕组励磁定子两相绕组励磁 转转子子输输出出信信号号的的相相位位角角(t-)与与转转子子的偏转角之间有着严格的对应关系。的偏转角之间有着严格的对应关系。6/23/20242.2.鉴幅方式鉴幅方式 V Vs s=VmsinVmsin电电sinsinttV Vc c=VmcosVmcos电电s sinintt E E2 2=KV=KV m m coscos机机-KV-KV c csinsin机机 =KV=KV m m sinsintt(sinsin电电coscos机机-coscos电电sinsin机机 =KVKV m m sinsin(电电-机机)sinsintt 5.2 2 5.2 2 旋转变压器的应用旋转变压器的应用 VSVSVsVcE2 图图5.35.3定子两相绕组励磁定子两相绕组励磁 感感应应电电势势（E2）是是以以为为角角频频率率、以以V Vm m sin(sin(电电 -机机 )为为幅幅值值的的交交变变电电压压信信号号。若若电电气气角角电电已已知知，只只要要测测出出E2幅幅值值(利利用用E E2 2=0)0)，便便可可间间接接的的求求出出机械角机械角机机 ，从而得出被测角位移。，从而得出被测角位移。6/23/2024 5.2 2 5.2 2 旋转变压器的应用旋转变压器的应用 VSVS6/23/20245.2.3 感应同步器 一、结构与工作原理感感应应同同步步器器和和旋旋转转变变压压器器均均为为电电磁磁式式检检测测装装置置，属属模模拟拟式式测测量量，二二者者工工作作原原理理相相同同，其其输输出出电电压压随随被被测测直直线线位位移移或或角角位位移移而而改变。改变。感应同步器按其结构特点一般分为直线式和旋转式两种：感应同步器按其结构特点一般分为直线式和旋转式两种：直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，用于直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量直线位移测量。旋转式感应同步器由转子和定子组成，用于旋转式感应同步器由转子和定子组成，用于角位移测量角位移测量。以直线式感应同步器为例，介绍其结构和工作原理。以直线式感应同步器为例，介绍其结构和工作原理。6/23/2024直直线线感感应应同同步步器器相相当当于于一一个个展展开开的的多多极极旋旋转转变变压压器器，其其结结构构如如图图4-3所所示示，定定尺尺和和滑滑尺尺的的基基板板采采用用与与机机床床热热膨膨胀胀系系数数相相近近的的钢钢板板制制成成，钢钢板板上上用用绝绝缘缘粘粘结结剂剂贴贴有有铜铜箔箔，并并利利用用腐腐蚀蚀的的办办法法做做成成图图示示的的印印刷刷绕绕组组。长长尺尺叫叫定定尺尺，安安装装在在机机床床床床身身上上，短短尺尺为为滑滑尺尺，安安装装于于移移动动部部件件上上，两两者者平平行行放放置置，保保持持0.250.05mm间间隙。隙。感感应应同同步步器器两两个个单单元元绕绕组组之之间间的的距距离离为为节节距距，滑滑尺尺和和定定尺尺的的节节距距均均为为，这这是是衡衡量量感感应应同同步步器器精精度度的的主主要要参参数数。标标准准感感应应同同步步器器定定尺尺长长250mm，滑滑尺尺长长100mm，节节距距为为2mm。定定尺尺上上是是单单向向、均均匀匀、连连续续的的感感应应绕绕组组，滑滑尺尺有有两两组组绕绕组组，一一组组为为正正弦弦绕绕组组，另另一一为为余余弦弦绕绕组组。当当正正弦弦绕绕组组与与定定尺尺绕绕组组对对齐齐时时，余余弦弦绕绕组组与与定定尺绕组相差尺绕组相差1/4节距。节距。6/23/2024V2VsVc定尺滑尺余弦绕组正弦绕组直线感应同步器结构6/23/2024 当当滑滑尺尺任任意意一一绕绕组组加加交交流流激激磁磁电电压压时时，由由于于电电磁磁感感应应作作用用，在在定定尺尺绕绕组组中中必必然然产产生生感感应应电电压压，该该感感应应电电压压取取决决于于滑滑尺尺和和定定尺尺的的相相对对位位置置。当当只只给给滑滑尺尺上上正正弦弦绕绕组组加加励励磁磁电电压压时时，定定尺尺感感应应电电压压与与定定、滑滑尺尺的的相相对对位位置置关关系系如如图图5-45-4所所示示。如如果果滑滑尺尺处处于于A A位位置置，即即滑滑尺尺绕绕组组与与定定尺尺绕绕组组完完全全对对应应重重合合，定定尺尺绕绕组组线线圈圈中中穿穿入入的的磁磁通通最最多多，则则定定尺尺上上的的感感应应电电压压最最大大。随随着着滑滑尺尺相相对对定定尺尺做做平平行行移移动动，穿穿入入定定尺尺的的磁磁通通逐逐渐渐减减少少，感感应应电电压压逐逐渐渐减减小小。当当滑滑尺尺移移到到图图中中B B点点位位置置，与与定定尺尺绕绕组组刚刚好好错错开开1/41/4节节距距时时，感感应应电电压压为为零零。再再移移动动至至1/21/2节节距距处处，即即图图中中C C点点位位置置时时，定定尺尺线线圈圈中中穿穿出出的的磁磁通通最最多多，感感应应电电压压最最大大，但但极极性性相相反反。再再移移至至3/43/4节节距距，即即图图中中D D点点位位置置时时，感感应应电电压压又又变变为为零零，当当移移动动一一个个节节距距位位置置如如图图中中E E点点，又又恢恢复复到到初初始始状状态态，与与A A点点相相同同。显显然然，在在定定尺尺移移动动一一个个节节距距的的过过程程中中，感应电压近似于余弦函数变化了一个周期，如图中感应电压近似于余弦函数变化了一个周期，如图中ABCDEABCDE。6/23/2024感应电压幅值与定尺滑尺相对位置关系6/23/2024若设定尺绕组节距为，它对应的感应电压以余弦函数变化了，若设定尺绕组节距为，它对应的感应电压以余弦函数变化了，当滑尺移动距离为时，则对应感应电压以余弦函数变化相位角。当滑尺移动距离为时，则对应感应电压以余弦函数变化相位角。由比例关系由比例关系可得可得(4-5)设表示滑尺上一相绕组的激磁电压设表示滑尺上一相绕组的激磁电压则定尺绕组感应电压为则定尺绕组感应电压为式中式中K耦合系数；耦合系数；激磁电压的幅值；激磁电压的幅值；激磁电压的角频率；激磁电压的角频率；与位移对应的角度。与位移对应的角度。6/23/2024 感应电压的幅值变化规律就是一个周期性的余弦感应电压的幅值变化规律就是一个周期性的余弦曲线。在一个周期内，感应电压的某一幅值对应两个曲线。在一个周期内，感应电压的某一幅值对应两个位移点，如图位移点，如图5-45-4中中M M、N N两点。为确定唯一位移，在滑两点。为确定唯一位移，在滑尺上与正弦绕组错开尺上与正弦绕组错开1/41/4节距处，配置了余弦绕组。同节距处，配置了余弦绕组。同样，若在滑尺的余弦绕组中通以交流励磁电压，也能样，若在滑尺的余弦绕组中通以交流励磁电压，也能得出定尺绕组感应电压与两尺相对位移的关系曲线，得出定尺绕组感应电压与两尺相对位移的关系曲线，它们之间为正弦函数关系。若滑尺上的正、余弦绕组它们之间为正弦函数关系。若滑尺上的正、余弦绕组同时励磁，就可以分辨出感应电压值所对应的唯一确同时励磁，就可以分辨出感应电压值所对应的唯一确定的位移。定的位移。6/23/2024二、应用 感感应应同同步步器器作作为为位位置置测测量量装装置置安安装装在在数数控控机机床床上上，它它也也有有两两种工作方式，鉴相式和鉴幅式。种工作方式，鉴相式和鉴幅式。1.鉴相型系统鉴相型系统供供给给滑滑尺尺的的正正、余余弦弦绕绕组组的的激激磁磁信信号号是是频频率率、幅幅值值相相同同，相相位相差位相差900的交流励磁电压的交流励磁电压根据叠加原理，定尺上的总感应电压为根据叠加原理，定尺上的总感应电压为(4-6)通过鉴别定尺感应输出电压的相位，即可测量定尺和滑尺之间通过鉴别定尺感应输出电压的相位，即可测量定尺和滑尺之间的相对位移。的相对位移。6/23/2024放大滤波基准信号发生器脉冲调相器鉴相器放大器激磁供电线路伺服电机速度控制单元机床定尺滑尺VsVcXX感应同步器鉴相测量系统框图6/23/20242.鉴幅式系统鉴幅式系统供供给给滑滑尺尺上上正正、余余弦弦绕绕组组的的励励磁磁电电压压的的频频率率相相同同、相位相同但幅值不同。相位相同但幅值不同。式中式中给定的电气角。给定的电气角。则在定尺绕组产生的总感应电压为则在定尺绕组产生的总感应电压为(4-7)式中式中与位移对应的角度。与位移对应的角度。6/23/2024鉴幅式伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来鉴幅式伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此作为位置反馈信号与指反映机械位移的数值，并以此作为位置反馈信号与指令信号进行比较构成闭环伺服系统。由式令信号进行比较构成闭环伺服系统。由式4-7可知，若可知，若电气角电气角已知，只要测出已知，只要测出V2的幅值，便能求出与位移的幅值，便能求出与位移对应的角度对应的角度。实际测量时，不断调整实际测量时，不断调整，让幅值为让幅值为零。设初始位置时，零。设初始位置时，=，V20，当滑尺相对定当滑尺相对定尺移动后，随着尺移动后，随着不断增加，不断增加，V20。若逐若逐渐改变渐改变值，直至值，直至=，V20，此时此时的变化量就的变化量就代表了代表了对应的位移量，就可测得机械位移。对应的位移量，就可测得机械位移。6/23/2024进给指令进给指令鉴幅式伺服系统原理框图鉴幅式伺服系统原理框图比较器数模转换放大环节速度单元工作台测量及信号处理电路伺服电机6/23/2024按按原原理理框框图图叙叙述述鉴鉴幅幅式式系系统统的的工工作作原原理理：进进入入比比较较器器的的信信号号有有两两路路，一一路路来来自自进进给给脉脉冲冲，它它代代表表了了数数控控装装置置要要求求机机床床工工作作台台移移动动的的位位移移量量。另另一一路路来来自自测测量量及及信信号号处处理理电电路路，以以数数字字脉脉冲冲形形式式出出现现，体体现现了了工工作作台台实实际际移移动动的的距距离离。鉴鉴幅幅式式系系统统工工作作之之前前，数数控控装装置置和和测测量量元元件件的的信信号号处处理理电电路路都都没没有有脉脉冲冲输输出出，比比较较器器的的输输出出为为零零，工工作作台台不不移移动动。出出现现进进给给脉脉冲冲信信号号后后，比比较较器器的的输输出出不不为为零零，经经数数模模转转换换电电路路将将比比较较器器输输出出的的数数字字量量转转化化为为电电压压信信号号，经经放放大大后后，由由伺伺服服电电机机带带动动工工作作台台移移动动。同同时时，工工作作在在鉴鉴幅幅状状态态的的感感应应同同步步器器的的定定尺尺感感应应出出电电压压信信号号，经经信信号号处处理理线线路路转转换换成成相相应应的的数数字字脉脉冲冲信信号号，该该数数字字脉脉冲冲信信号号作作为为反反馈馈信信号号进进入入比比较较器器与与进进给给脉脉冲冲进进行行比比较较。若若两两者者相相等等，比比较较器器输输出出为为零零，工工作作台台不不动动；若若两两者者不不相相等等，说说明明工工作作台台实实际际移移动动的的距距离离还还不不等等于于指指令令信信号号要要求求移移动动的的距距离离，伺伺服服电电机机继继续续带带动动工工作作台台移移动动，直直到到比比较较器器输输出出为零时停止。为零时停止。6/23/20244.2.34.2.3 脉冲编码器脉冲编码器 脉脉冲冲编编码码器器是是一一种种旋旋转转式式脉脉冲冲发发生生器器，能能把把机机械械转转角角变变成成电电脉脉冲冲，是是数数控控机机床床上上使使用用很很广广泛泛的的位位置置检检测测装置。脉冲编码器可分为增量式与绝对式两类。装置。脉冲编码器可分为增量式与绝对式两类。一、绝对式编码器绝绝对对式式编编码码器器是是一一种种旋旋转转式式检检测测装装置置，可可直直接接把把被被测测转转角角用用数数字字代代码码表表示示出出来来，且且每每一一个个角角度度位位置置均均有有其其对对应应的的测测量量代代码码，它它能能表表示示绝绝对对位位置置，没没有有累累积积误误差差，电电源源切切除除后后，位位置置信信息息不不丢丢失失，仍仍能能读读出出转转动动角角度度。绝绝对对式式编编码码器器有有光光电电式式、接接触触式式和和电电磁磁式式三三种种，以以接接触触式式四位绝对编码器为例来说明其工作原理。四位绝对编码器为例来说明其工作原理。6/23/2024a)b)四位二进制编码盘四位二进制编码盘6/23/2024如图所示为二进制码盘。它在一个不导电基体上作成许多金如图所示为二进制码盘。它在一个不导电基体上作成许多金属区使其导电，其中有剖面线部分为导电区，用属区使其导电，其中有剖面线部分为导电区，用“1”表示；其它表示；其它部分为绝缘区，用部分为绝缘区，用“0”表示。每一径向，由若干同心圆组成的图表示。每一径向，由若干同心圆组成的图案代表了某一绝对计数值，通常，我们把组成编码的各圈称为码案代表了某一绝对计数值，通常，我们把组成编码的各圈称为码道，码盘最里圈是公用的，它和各码道所有导电部分连在一起，道，码盘最里圈是公用的，它和各码道所有导电部分连在一起，经电刷和电阻接电源负极。在接触式码盘的每个码道上都装有电经电刷和电阻接电源负极。在接触式码盘的每个码道上都装有电刷，电刷经电阻接到电源正极当检测对象带动码盘一起转动时，刷，电刷经电阻接到电源正极当检测对象带动码盘一起转动时，电刷和码盘的相对位置发生变化，与电刷串联的电阻将会出现有电刷和码盘的相对位置发生变化，与电刷串联的电阻将会出现有电流通过或没有电流通过两种情况。若回路中的电阻上有电流通电流通过或没有电流通过两种情况。若回路中的电阻上有电流通过，为过，为“1”；反之，电刷接触的是绝缘区，电阻上无电流通过，；反之，电刷接触的是绝缘区，电阻上无电流通过，为为“0”。如果码盘顺时针转动，就可依次得到按规定编码的数字。如果码盘顺时针转动，就可依次得到按规定编码的数字信号输出，图示为信号输出，图示为4位二进制码盘，根据电刷位置得到由位二进制码盘，根据电刷位置得到由“1”和和“0”组成的二进制码，输出为组成的二进制码，输出为0000、0001、00101111。6/23/2024由由图图可可以以看看出出，码码道道的的圈圈数数就就是是二二进进制制的的位位数数，且且高高位位在在内内，低低位位在在外外。其其分分辨辨角角360o/24=22.5o，若若是是n位位二二进进制制码码盘盘，就就有有n圈圈码码道道，分分辨辨角角360o/2n，码码盘盘位位数数越越大大，所所能能分分辨辨的的角角度度越越小小，测测量量精精度度越越高高。若若要要提提高高分分辨辨力力，就就必必须须增增多多码码道道，即即二二进进制制位位数数增增多多。目目前前接接触触式式码码盘盘一一般般可可以以做做到到9位位二二进进制制，光电式码盘可以做到光电式码盘可以做到18位二进制。位二进制。用用二二进进制制代代码码做做的的码码盘盘，如如果果电电刷刷安安装装不不准准，会会使使得得个个别别电电刷刷错错位位，而而出出现现很很大大的的数数值值误误差差。如如图图5-12，当当电电刷刷由由位位置置0111向向1000过过渡渡时时，可可能能会会出出现现从从8（1000）到到15（1111）之之间间的的读读数数误误差差，一一般般称称这这种种误误差差为为非非单单值值性性误误差差。为为消消除除这这种种误差，可采用葛莱码盘。误差，可采用葛莱码盘。6/23/2024葛莱码盘四位二进制码盘非单值性误差6/23/2024 图图为为葛葛莱莱码码盘盘，其其各各码码道道的的数数码码不不同同时时改改变变，任任何何两两个个相相邻邻数数码码间间只只有有一一位位是是变变化化的的，每每次次只只切切换换一一位位数数，把把误误差差控控制制在在最最小小范范围围内内。二二进进制制码码转转换换成成葛葛莱莱码码的的法法则则是是：将将二二进进制制码码右右移移一一位位并并舍舍去去末末位位的的数数码，再与二进制数码作不进位加法，结果即为葛莱码。码，再与二进制数码作不进位加法，结果即为葛莱码。例例如如，二二进进制制码码11011101对对应应的的葛葛莱莱码码为为10111011，其其演演算过程如下：算过程如下：1101 1101（二进制码）（二进制码）11011101（不进位相加，舍去末位）（不进位相加，舍去末位）1011 1011（葛莱码）（葛莱码）6/23/2024 二、增量式脉冲编码器增增量量式式脉脉冲冲编编码码器器分分光光电电式式、接接触触式式和和电电磁磁感感应应式式三三种种。就就精精度度和和可可靠靠性性来来讲讲，光光电电式式脉脉冲冲编编码码器器优优于于其其它它两两种种，它它的的型型号号是是用用脉脉冲冲数数/转转（p/r）来来区区分分，数数控控机机床床常常用用2000、2500、3000p/r等等，现现在在已已有有每每转转发发10万万个个脉脉冲冲的的脉脉冲冲编编码码器器。脉脉冲冲编编码码器器除除用用于于角度检测外，还可以用于速度检测。角度检测外，还可以用于速度检测。光光电电式式脉脉冲冲编编码码器器通通常常与与电电机机做做在在一一起起，或或者者安安装装在在电电机机非非轴轴伸伸端端，电电动动机机可可直直接接与与滚滚珠珠丝丝杠杠相相连连，或或通通过过减减速速比比为为i的的减减速速齿齿轮轮，然然后后与与滚滚珠珠丝丝杠杠相相连连，那那么么每每个个脉脉冲冲对对应应机机床床工工作作台台移移动动的的距距离离可可用用下下式式计计算算：6/23/2024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）。6/23/2024 光电式脉冲编码器结构示意图光电式脉冲编码器结构示意图6/23/2024光光电电式式脉脉冲冲编编码码器器，它它由由光光源源、聚聚光光镜镜、光光电电盘盘、圆圆盘盘、光光电电元元件件和和信信号号处处理理电电路路等等组组成成（图图5-14）。光光电电盘盘是是用用玻玻璃璃材材料料研研磨磨抛抛光光制制成成，玻玻璃璃表表面面在在真真空空中中镀镀上上一一层层不不透透光光的的铬铬，然然后后用用照照相相腐腐蚀蚀法法在在上上面面制制成成向向心心透透光光窄窄缝缝。透透光光窄窄缝缝在在圆圆周周上上等等分分，其其数数量量从从几几百百条条到到几几千千条条不不等等。圆圆盘盘也也用用玻玻璃璃材材料料研研磨磨抛抛光光制制成成，其其透透光光窄窄缝缝为为两两条条，每每一一条条后后面面安安装装有有一一只只光光电电元元件件。光光电电盘盘与与工工作作轴轴连连在在一一起起，光光电电盘盘转转动动时时，每每转转过过一一个个缝缝隙隙就就发发生生一一次次光光线线的的明明暗暗变变化化，光光电电元元件件把把通通过过光光电电盘盘和和圆圆盘盘射射来来的的忽忽明明忽忽暗暗的的光光信信号号转转换换为为近近似似正正弦弦波波的的电电信信号号，经经过过整整形形、放放大大、和和微微分分处处理理后后，输输出出脉脉冲冲信信号号。通通过过记记录录脉脉冲冲的的数数目目，就就可可以以测测出出转转角角。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。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。6/23/2024为为了了判判断断旋旋转转方方向向，圆圆盘盘的的两两个个窄窄缝缝距距离离彼彼此此错错开开1/4节节距距，使使两两个个光光电电元元件件输输出出信信号号相相位位差差900。如如图图所所示示，A、B信信号号为为具具有有900相相位位差差的的正正弦弦波波，经经放放大和整形变为方波大和整形变为方波A1、B1。设设A相相比比B相相超超前前时时为为正正方方向向旋旋转转，则则B相相超超前前A相相就就是是负负方方向向旋旋转转，利利用用A相相与与B相相的的相相位位关关系系可可以以判判别别旋旋转转方方向向。此此外外，在在光光电电盘盘的的里里圈圈不不透透光光圆圆环环上上还还刻刻有有一一条条透透光光条条纹纹，用用以以产产生生每每转转一一个个的的零零位位脉脉冲冲信信号，它是轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲。号，它是轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲。6/23/2024电流AB节距tA1B1900脉冲编码器输出波形6/23/2024在在数数控控机机床床上上，光光电电脉脉冲冲编编码码器器作作为为位位置置检检测测装装置置，用用在在数数字比较伺服系统中，将位置检测信号反馈给字比较伺服系统中，将位置检测信号反馈给CNC装置。装置。图图 示示 为为 辨辨 向向 环环 节节 框框 图图 和和 波波 形形 图图。脉脉 冲冲 编编 码码 器器 输输 出出 的的 交交 变变 信信 号号 经经过过差差分分驱驱动动和和差差分分接接收收进进入入CNC装装置置，再再经经过过整整形形放放大大电电路路变变成成二二个个方方波波系系列列。将将和和它它的的反反向向信信号号微微分分（上上升升沿沿微微分分）后后得得到到和和脉脉冲冲系系列列，作作为为加加、减减计计数数脉脉冲冲。路路方方波波信信号号被被用用作作加加、减减计计数数脉脉冲冲的的控控制制信信号号，正正走走时时（A超超前前B），由由Y2门门输输出出加加计计数数脉脉冲冲，此此时时Y1门门输输出出为为低低电电平平；反反走走时时（B超超前前A），由由Y1门门输输出出减减计计数数脉脉冲冲，此此时时Y2门门输输出出为为低低电电平平。这这种种读读数数方方式式每每次次反反映映的的都都是是相相对对于于上上一一次次读读数数的的增增量量，而而不不能能反反映映转轴在空间的绝对位置，所以是增量读数法。转轴在空间的绝对位置，所以是增量读数法。6/23/2024光光电电脉脉冲冲编编码码器器用用于于数数字字脉脉冲冲比比较较伺伺服服系系统统的的工工作作原原理理如如下下：光光电电脉脉冲冲编编码码器器与与伺伺服服电电机机的的转转轴轴连连接接，随随着着电电机机的的转转动动产产生生脉脉冲冲序序列列，其其脉脉冲冲的的频频率率将将随随着着转转速速的的快快慢慢而而升升降降。若若工工作作台台静静止止，指指令令脉脉冲冲和和反反馈馈脉脉冲冲都都为为零零，两两路路脉脉冲冲送送入入数数字字脉脉冲冲比比较较器器中中进进行行比比较较，结结果果输输出出也也为为零零。因因伺伺服服电电机机的的速速度度给给定定为为零零，工工作作台台依依然然不不动动。随随着着指指令令脉脉冲冲的的输输出出，指指令令脉脉冲冲不不为为零零，在在工工作作台台尚尚未未移移动动之之前前，反反馈馈脉脉冲冲仍仍为为零零，比比较较器器输输出出指指令令信信号号与与反反馈馈信信号号的的差差值值，经经放放大大后后，驱驱动动电电机机带带动动工工作作台台移移动动。电电机机运运转转后后，光光电电脉脉冲冲编编码码器器将将输输出出反反馈馈脉脉冲冲送送入入比比较较器器，与与指指令令脉脉冲冲进进行行比比较较，如如果果偏偏差差不不为为零零，工工作作台台继继续续移移动动，不不断断反反馈馈，直直到到偏偏差差为为零零，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。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。6/23/2024减计数减计数加计数加计数辨向环节框图和波形图辨向环节框图和波形图差分整形放大Y1微分差分整形放大Y21微分6/23/2024辨向环节框图和波形图辨向环节框图和波形图6/23/2024数字比较伺服系统数字比较伺服系统6/23/20245.4 5.4 直线光栅直线光栅 光栅的分类：物理光栅和计量光栅光栅的分类：物理光栅和计量光栅光栅的运动方式：长光栅和圆光栅光栅的运动方式：长光栅和圆光栅光线的走向：透射光栅和反射光栅光线的走向：透射光栅和反射光栅6/23/20241.1.长光栅检测装置的结构长光栅检测装置的结构 主要结构为标尺光栅和指示光栅主要结构为标尺光栅和指示光栅栅距和栅距角（两个光栅错开的角度）栅距和栅距角（两个光栅错开的角度）5.4.1 5.4.1 长光栅检测装置的结构长光栅检测装置的结构 图图5.9 5.9 光栅的结构光栅的结构 1-1-防护垫防护垫 2-2-光栅读数头光栅读数头 3-3-标尺光栅标尺光栅 4-4-防护罩防护罩 VS312431245标尺光栅标尺光栅 图5.10 5.10 光栅读数头光栅读数头 1-1-光源光源 2-2-准直镜准直镜 3-指示光栅指示光栅 4-4-光敏元件光敏元件 5-驱动线路驱动线路 6/23/20242.2.工作原理工作原理（以透射投影为例）（以透射投影为例）摩尔条文宽度摩尔条文宽度B B的理论公式的理论公式 莫尔条纹：莫尔条纹：严格来说：严格来说：横向莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直横向莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直 5.4.1 5.4.1 长光栅检测装置的结构长光栅检测装置的结构 d d 放大放大2 2倍倍 VS d d W WW W 6/23/2024 莫尔条纹的特征：莫尔条纹的特征：（1 1）莫尔条纹的变化规律）莫尔条纹的变化规律：两片两光栅相对移过一个栅距，莫尔两片两光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹间距。由于光的衍射与干涉作用，莫尔条条纹移过一个条纹间距。由于光的衍射与干涉作用，莫尔条纹的变化规律近似正（余）弦函数，变化周期数与两光栅相纹的变化规律近似正（余）弦函数，变化周期数与两光栅相对移过对移过的栅距数同步。的栅距数同步。（2 2）放大作用）放大作用 莫尔条纹莫尔条纹宽度宽度 W W 和和光栅栅距光栅栅距 d d、栅线夹角栅线夹角之间之间关系：关系：由图可知由图可知 W=d sin W=d sin 又又很小可认为很小可认为 sin sin 故故 W=d/W=d/例如例如 d=d=0.01,0.01,=0.01rad,=0.01rad,得得W W=1mm,=1mm,放大放大100100（3 3）均化均化栅距栅距误差作用误差作用 5.4.1 5.4.1 长光栅检测装置的结构长光栅检测装置的结构 6/23/2024 莫尔条纹的细分技术：莫尔条纹的细分技术：光学细分、机械细分和电子细分光学细分、机械细分和电子细分 5.4.2 5.4.2 光栅位移光栅位移-数字变换电路数字变换电路 abcd插动放大插动放大整形整形方向辨别门电路可逆计数正脉冲反脉冲abcd插动放大插动放大(sin)(cos)整形整形反向反向微分微分微分微分ABCDACBDY1Y2Y3Y4Y8Y5Y6Y7H1H2正向脉冲反向脉冲sincosABCDABCD相加ABCD相加正走反走6/23/20245.5 5.5 光电脉冲编码器光电脉冲编码器 5.5.1 5.5.1 脉冲编码器的分类与结构脉冲编码器的分类与结构 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，可作为位置检测和速度检测装置。脉冲编码器分为：光电式、接触式和电磁感应式。脉冲编码器是一种增量检测装置，它的型号是由每转发出的脉冲数来区分。2000P/r、2500 P/r和3000 P/r等；1234567图5.14 光电脉冲编码器的结构1-光源 2-圆光栅 3-指示光栅 4-光电池组 5-机械部件 6-护罩 7-印刷电路板 6/23/2024 5.5.2 5.5.2 光电脉冲编码器的工作原理光电脉冲编码器的工作原理 t节距节距PAB90 90 图5.15光电脉冲编码器的输出波形 6/23/2024 5.5.3 5.5.3 光光电脉冲脉冲编码器的器的应用用 A相信号a+B相信号整形整形dbcef-可逆计数&单稳反向abcdefabcdef应用一：适应带加减计数要求的可逆计数器，形成加计数脉冲和减计数脉冲 6/23/2024 5.5.3 5.5.3 光光电脉冲脉冲编码器的器的应用用 应用二：适应有计数控制端和方向控制端的计数器，形成正走、反走计数脉冲和方向控制电平。A1CQA相脉冲B相脉冲整形整形单稳单稳B1D S R12Q3脉冲方向计数有方向端的可逆计数器ABA1B1CD13高电平“1”低电平“0”高电平“1”高电平“1”ABA1B1CD136/23/2024