检测装置课件

CNC数控机床的检测装置数控机床的检测装置 主要内容主要内容概述概述 旋转变压器旋转变压器 感应同步器感应同步器 光栅光栅 编码器编码器CNC一、概述一、概述作用作用：检测位移（线位移或角位移）和速度，：检测位移（线位移或角位移）和速度，发送反馈信号至数控装置，构成伺服系统闭环发送反馈信号至数控装置，构成伺服系统闭环或半闭环控制，使工作台按指令路径精确地移或半闭环控制，使工作台按指令路径精确地移动。动。组成组成：检测元件（传感器）和信号处理装置。：检测元件（传感器）和信号处理装置。分分：位移、速度和电流三种类型。：位移、速度和电流三种类型。常用检测装置：旋转变压器常用检测装置：旋转变压器 感应同步器感应同步器 编码器编码器 光栅光栅CNC闭闭环环或或半半闭闭环环控控制制的的数数控控机机床床的的加加工工精精度度主主要由检测系统精度决定。要由检测系统精度决定。半闭环控制的数控机床：半闭环控制的数控机床：旋旋转转变变压压器器、编编码码器器等等，安安装装在在电电机机或或丝丝杠杠上上，测测量量电电机机或或丝丝杠杠的的角角位位移移间间接接测测量量工工作作台的直线位移。台的直线位移。闭环控制系统的数控机床：闭环控制系统的数控机床：感感应应同同步步器器、光光栅栅、磁磁栅栅等等，安安装装在在工工作作台台和导轨上，直接测量工作台的直线位移。和导轨上，直接测量工作台的直线位移。一、概述一、概述CNC位置检测装置的精度：系统精度、分辨率位置检测装置的精度：系统精度、分辨率系系统统精精度度：一一定定长长度度或或转转角角范范围围内内测测量量累累积积误误差差的的最最大大值值。一般：一般：直线位移检测精度：直线位移检测精度：0.0020.02m；回转角测量精度：回转角测量精度：10360系统分辨率：测量元件所能正确检测的最小位移量。系统分辨率：测量元件所能正确检测的最小位移量。目前：目前：直线位移分辨率：直线位移分辨率：1m，高精度，高精度0.1m；回转分辨率：可达回转分辨率：可达2。不同数控机床对检测装置精度、速度要求：不同数控机床对检测装置精度、速度要求：大型机床：速度为主；大型机床：速度为主；中小型机床、高精度机床：精度为主。中小型机床、高精度机床：精度为主。一、一、概述概述CNC1 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 1）受温度、湿度影响小，工作可靠，抗干扰能力强；）受温度、湿度影响小，工作可靠，抗干扰能力强；2）在机床移动范围内满足精度和速度要求；）在机床移动范围内满足精度和速度要求；3）使用维护方便，适合机床运行环境；）使用维护方便，适合机床运行环境；4）成本低；）成本低；5）易于实现高速的动态测量。）易于实现高速的动态测量。一、一、概述概述CNC2、位置检测装置分类位置检测装置分类(位移传感器位移传感器)一、一、概述概述3速直线感应同步器速直线感应同步器绝对值式磁尺绝对值式磁尺 直线感应同步器直线感应同步器磁尺磁尺 多通道透射多通道透射光栅光栅 计量光栅计量光栅激光干涉仪激光干涉仪 直直线线型型 多极旋转变压器多极旋转变压器3速圆感应同步器速圆感应同步器 旋转变压器旋转变压器圆感应同步器圆感应同步器圆磁尺圆磁尺 绝对式脉冲绝对式脉冲编码器编码器 增量式脉冲增量式脉冲编码器编码器圆光栅圆光栅 回回转转型型 绝对式绝对式 增量式增量式 绝对式绝对式 增量式增量式 模拟式模拟式 数字式数字式 CNC 增量式与绝对式增量式与绝对式 1）增量式检测方式）增量式检测方式测量位移增量，移动测量位移增量，移动1 1个测量单位发出个测量单位发出1 1个测量信号。个测量信号。如如：测测量量单单位位为为0.001mm，每每移移动动0.001mm发发出出1个脉冲信号，对脉冲计数得到位移量。个脉冲信号，对脉冲计数得到位移量。优优点点：装装置置较较简简单单，任任何何一一个个对对中中点点均均可可作作测测量量起起点；点；缺缺点点：一一旦旦计计数数有有误误，此此后后测测量量结结果果全全错错；发发生生故故障障（如如断断电电、断断刀刀等等）时时不不能能找找到到事事故故前前的的位位置置，须将工作台移至起点重新计数。须将工作台移至起点重新计数。一、一、概述概述CNC2）绝对式测量方式）绝对式测量方式被被测测量量的的任任一一点点的的位位置置都都以以一一个个固固定定的的零零点点作作基基准准，每每一一被被测测点点都都有有一一个个相相应应的的对对零零点点的的测测量值。量值。避免了增量式检测方式的缺陷，但结构较复杂。避免了增量式检测方式的缺陷，但结构较复杂。如：接触式码盘如：接触式码盘一、一、概述概述CNC 数字式与模拟式数字式与模拟式1）数字式测量方式）数字式测量方式以以数数字字形形式式表表示示被被测测量量，测测量量信信号号一一般般为为脉脉冲冲，可直接把它送到数控装置进行比较、处理。可直接把它送到数控装置进行比较、处理。特点：特点：（1）便于显示、处理；）便于显示、处理；（2）测测量量精精度度取取决决于于测测量量单单位位，与与量量程程基基本本无无关（存在累加误差）；关（存在累加误差）；（3）检测装置简单，脉冲信号抗干扰能力强。）检测装置简单，脉冲信号抗干扰能力强。一、一、概述概述CNC2）模拟式测量方式）模拟式测量方式用用连连续续的的变变量量表表示示被被测测量量，如如用用相相位位变变化化、电压变化表示。电压变化表示。特点：特点：（1）直接对被测量进行检测；）直接对被测量进行检测；（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。一、一、概述概述CNC 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 用直线式用直线式检测装置检测装置测直线位移，用旋转式测直线位移，用旋转式检测装置检测装置测测角位移，角位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，构成闭环作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，构成闭环控制。控制。直接检测：对机床的直线位移采用直线型检测装置测量。直接检测：对机床的直线位移采用直线型检测装置测量。测测量量精精度度取取决决于于测测量量元元件件的的精精度度，不不受受机机床床传传动动精精度度的的影影响。响。检检测测装装置置要要与与行行程程等等长长，对对大大型型数数控控机机床床来来说说，是是一一个个很很大的限制。大的限制。一、一、概述概述CNC2）间接测量）间接测量若若回转型回转型位置位置检测装置检测装置测量的回转运动只是中间测量的回转运动只是中间值，再由它推算出与之关联的移动部件的直线位值，再由它推算出与之关联的移动部件的直线位移，移，作为半闭环伺服系统的位置反馈。作为半闭环伺服系统的位置反馈。对对机机床床的的直直线线位位移移采采用用回回转转型型检检测测装装置置测测量量，称称为间接测量。为间接测量。优点优点：使用可靠方便，无长度限制，：使用可靠方便，无长度限制，缺缺点点：检检测测信信号号中中加加入入了了直直线线运运动动转转变变为为旋旋转转运运动动的的传传动动链链误误差差，影影响响检检测测精精度度。为为提提高高定定位位精精度，常需要对机床的传动误差进行补偿。度，常需要对机床的传动误差进行补偿。一、一、概述概述CNC二、二、旋转变压器旋转变压器一一种种输输出出电电压压与与角角位位移移量量成成连连续续函函数数关关系系的的感感应式微电机，应式微电机，用于用于半闭环半闭环控制的数控机床。控制的数控机床。优优点点：结结构构简简单单、动动作作灵灵敏敏、工工作作可可靠靠、对对环环境境条条件件要要求求低低（特特别别是是高高温温、高高粉粉尘尘地地方方）、输出信号幅度大、抗干扰能力强。输出信号幅度大、抗干扰能力强。缺点缺点：信号处理比较复杂。：信号处理比较复杂。CNC二、二、旋转变压器旋转变压器分类：分类：按有无电刷分：接触式和无接触式两种；按有无电刷分：接触式和无接触式两种；按极对数分：单对极和多对极；按极对数分：单对极和多对极；按用途分：计算用和数据传输用；按用途分：计算用和数据传输用；按输出电压与转子转角间的函数关系分：按输出电压与转子转角间的函数关系分：正余弦旋转变压器、线性旋转变压器、正余弦旋转变压器、线性旋转变压器、比例式旋转变压器、特殊函数旋转变压器比例式旋转变压器、特殊函数旋转变压器CNC 旋转变压器的结构旋转变压器的结构 旋旋转转变变压压器器（同同步步分分解解器器），与与两两相相绕绕线线式式异异步步电电机机相相似似，由由定定子子和和转转子子组组成成，是是一一种种旋转式的小型交流电机。旋转式的小型交流电机。有有刷刷旋旋转转变变压压器器：定定子子、转转子子上上两两相相绕绕组组轴轴线线相相互互垂垂直直，转转子子绕绕组组的的引引线线（端端点点）经经滑滑环引出，通过电刷送到外面来。环引出，通过电刷送到外面来。无无刷刷旋旋转转变变压压器器：输输出出信信号号大大、可可靠靠性性高高、寿命长、不用维修。寿命长、不用维修。二、二、旋转变压器旋转变压器CNC数数控控机机床床用用无无刷刷旋旋转转变变压压器器，组成：组成：分分解解器器：左左，结结构构与与有有刷刷旋旋转转变变压压器器基基本本相同。相同。变变压压器器：右右，无无电电刷刷与与滑滑环环即即可可把把信信号号传传递出来递出来二、二、旋转变压器旋转变压器CNC二、二、旋转变压器旋转变压器分解器定子线圈外接激磁电压，频率较高（分解器定子线圈外接激磁电压，频率较高（400、500、1000、2000、5000Hz），尺寸减小，转子转动惯量小，尺寸减小，转子转动惯量小，适用加、减速比较大或精度高的齿轮、齿条组合的场合适用加、减速比较大或精度高的齿轮、齿条组合的场合分解器转子线圈输出信号接变压器一次绕组分解器转子线圈输出信号接变压器一次绕组 5，从变压，从变压器二次绕组（转子绕组）器二次绕组（转子绕组）7 引出输出信号引出输出信号CNC单单极极对对：定定子子和和转转子各有一对磁极。子各有一对磁极。多多极极对对：定定子子或或转转子子极极对对数数增增加加，使使电电气气转转角角为为机机械械转转角角的的倍倍数数，用用于于高高精度绝对式检测。精度绝对式检测。双双极极对对：定定子子和和转转子子各各有有两两对对相相互互垂垂直直的的磁磁极极，检检测测精精度度较较高高，数数控控机机床床应用普遍。应用普遍。二、二、旋转变压器旋转变压器CNC旋转变压器转子轴与电机轴或丝杠连接在一起旋转变压器转子轴与电机轴或丝杠连接在一起。单单极极对对：转转子子经经精精密密齿齿轮轮升升速速后后再再与与电电机机轴轴相相联联，根根据据丝丝杠杠导导程程选选用用齿齿轮轮升升速速比比（通通常常为为1:2、1:3、1:4、2:3、1:5、2:5等等），保保证证机机床床的的脉脉冲冲当当量量与与输输入设定的单位相同。入设定的单位相同。多极对：不用升速，与电机直接相联，精度更高。多极对：不用升速，与电机直接相联，精度更高。一一极极对对数数少少的的和和一一个个极极对对数数多多的的两两种种旋旋转转变变压压器器可可构构成成“粗粗测测”和和“精精测测”电电气气变变速速双双通通道道检检测测装装置置，用用于高精度检测。于高精度检测。二、二、旋转变压器旋转变压器CNC 旋转变压器的工作原理旋转变压器的工作原理 互感原理互感原理，定子与转子间气隙磁通呈正余弦，定子与转子间气隙磁通呈正余弦规律分布。规律分布。当定子加上一定频率的激磁电压时，通过电磁当定子加上一定频率的激磁电压时，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电势，其输出电压的耦合，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大小取决于定子和转子两个绕组轴线在空间的相对位置。相对位置。二、二、旋转变压器旋转变压器CNC2k 1sinU2 nUm sint sin二、二、旋转变压器旋转变压器CNC二、二、旋转变压器旋转变压器以单极对旋转变压器为例以单极对旋转变压器为例Um激磁电压幅值激磁电压幅值n n绕组匝数比绕组匝数比转子偏转角转子偏转角定子绕组定子绕组励磁电压励磁电压转子转子产生感应电势产生感应电势CNC二、二、旋转变压器旋转变压器CNC1 1鉴相鉴相工作方式工作方式定子的两个绕组通同幅值、频率，但相位差定子的两个绕组通同幅值、频率，但相位差/2/2的交流激磁电压的交流激磁电压 U U1s1sU Um msintsint U U1c1cU Um m（sint+/2sint+/2）U Um mcostcost转转子子正正转转时时，U1s、U1c在在转转子子绕绕组组中中产产生生的感应电压叠加，得转子感应电压的感应电压叠加，得转子感应电压U U2 2 二、二、旋转变压器旋转变压器CNCU U2 2kUkUm msintsinsintsinkUkUm mcostcos=kUcostcos=kUm mcoscos（t-t-）U Um m激磁电压幅值；激磁电压幅值；k k电磁耦合系数，电磁耦合系数，k k11；相位角，即：转子偏转角。相位角，即：转子偏转角。转子反转时转子反转时，U U2 2k kU Um mcoscos（tt+）转子输出电压的相位角转子输出电压的相位角t+t+和和间有对应关间有对应关系，检测出系，检测出t+t+，可得，可得 ，得被测轴角位移，得被测轴角位移。实际应用时，把定子余弦绕组激磁电压的相位实际应用时，把定子余弦绕组激磁电压的相位tt作为基准相位，与作为基准相位，与t+t+比较，确定比较，确定大小。大小。二、二、旋转变压器旋转变压器CNC2鉴幅鉴幅工作方式工作方式 定子的两个绕组分别通同频率、同相位、幅值定子的两个绕组分别通同频率、同相位、幅值分别按正弦、余弦变化的交流激磁电压，即分别按正弦、余弦变化的交流激磁电压，即 U1sUmsina asint U1c=Umcosa a sint 给定电气角给定电气角时，交流激磁电压的幅值分别为时，交流激磁电压的幅值分别为 UsmUmsin UcmUmcos二、二、旋转变压器旋转变压器CNC转子正转时转子正转时，U1s、U1c经叠加，转子感应电压经叠加，转子感应电压U2为：为：U2kUmsinsintsink Umcossintcos kUmcos（）sint转子反转时转子反转时，同理有：，同理有：U2kUmcos（）sintU2的幅值分别为的幅值分别为:kUmcos（）、）、kUmcos（）幅值幅值随转子随转子偏转角偏转角变化。测量出幅值可测出变化。测量出幅值可测出。二、二、旋转变压器旋转变压器CNC由角位移如何计算直线位移由角位移如何计算直线位移?旋旋转转变变压压器器安安装装在在丝丝杠杠上上，当当角角0 360变变化化时时，表表示示丝丝杠杠上上的的螺螺母母走走1 1个个导导程程，间间接接测测量量了了丝丝杠杠的的直直线位移（导程）大小。线位移（导程）大小。加一台加一台绝对位置计数器绝对位置计数器检测工作台的绝对位置，累计检测工作台的绝对位置，累计所走的导程数，折算成位移总长度。所走的导程数，折算成位移总长度。转子每转转子每转1周，转子的输出电压不止一次通过零点，周，转子的输出电压不止一次通过零点，需加需加相敏检波器相敏检波器来辨别转换点和区别不同的转向。来辨别转换点和区别不同的转向。旋转变压器的应用旋转变压器的应用 二、二、旋转变压器旋转变压器CNC三、三、感应同步器感应同步器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，模模拟拟式测量式测量，二者工作原理相同。，二者工作原理相同。种类：直线式、旋转式（圆盘式）。种类：直线式、旋转式（圆盘式）。直线式：定尺、滑尺，测直线位移，全闭环伺服系统。直线式：定尺、滑尺，测直线位移，全闭环伺服系统。旋转式：定子、转子，测角位移，半闭环伺服系统。旋转式：定子、转子，测角位移，半闭环伺服系统。工工作作原原理理与与直直线线式式相相同同，不不同同的的是是定定子子（相相当当于于定定尺尺）、转转子子（相相当当于于滑滑尺尺）及及绕绕组组形形状状不不同同，结结构构上上分分：圆形、扇形。圆形、扇形。CNC 感应同步器的结构与种类感应同步器的结构与种类 三、三、感应同步器感应同步器（固定在床身上）（固定在床身上）（安装在移动部件上）（安装在移动部件上）平行，间隙为平行，间隙为0.250.05mm0.250.05mmCNC三、三、感应同步器感应同步器w22（a2+b2）w12（a1+b1）一般一般w1w2或或w12/3 w2CNC三、三、感应同步器感应同步器（当正弦绕组与定（当正弦绕组与定尺绕组对齐时，尺绕组对齐时，余弦绕组与定尺绕余弦绕组与定尺绕组相差组相差1/41/4节距）节距）CNC三、三、感应同步器感应同步器标准感应同步器定尺标准感应同步器定尺250mm，滑尺，滑尺100mm，节距，节距2mm直线式感应同步器有：直线式感应同步器有：标准式：标准式：精度最高、使用最广；精度最高、使用最广；窄式窄式：定尺、滑尺宽度比标准式小，比标准式精度低，：定尺、滑尺宽度比标准式小，比标准式精度低，精度较低、机床上安装位置窄小且安装面难于加工；精度较低、机床上安装位置窄小且安装面难于加工；带式：带式：定尺可至定尺可至3m以上，不需接长，定尺随床身热变形以上，不需接长，定尺随床身热变形而变形，刚性稍差，总测量精度比标准式低；而变形，刚性稍差，总测量精度比标准式低；3重式：重式：定尺有粗、中、细绕组，为绝对式检测系统，定尺有粗、中、细绕组，为绝对式检测系统，大型机床。大型机床。CNC三、三、感应同步器感应同步器结构：结构：CNC转子绕组：连续绕组；转子绕组：连续绕组；定子绕组：分段式、两相正交（相差定子绕组：分段式、两相正交（相差90电角度）电角度）sin绕组、绕组、cos绕组绕组三、三、感应同步器感应同步器CNC 感应同步器的安装感应同步器的安装 定尺定尺安装在机床的不动部件上；安装在机床的不动部件上；滑尺滑尺安装在机床的移动部件上。安装在机床的移动部件上。安装防护罩：防止切屑和油污浸入安装防护罩：防止切屑和油污浸入保保持持定定尺尺和和滑滑尺尺平平行行、间间隙隙约约025005mm，其其它它安安装装要要求求视视具具体体产产品品说说明明而而定定。保保证证定定尺尺和和滑滑尺尺在在全全工工作作长长度度上上正正常常耦耦合合，减少测量误差。减少测量误差。三、三、感应同步器感应同步器CNC直线感应同步器标准定尺长度为直线感应同步器标准定尺长度为250mm，测量范围，测量范围增加时，将定尺接长。增加时，将定尺接长。根据具体使用情况，按一定步骤和要求拼接定尺根据具体使用情况，按一定步骤和要求拼接定尺 定尺全部接好后，采用定尺全部接好后，采用激光干涉仪激光干涉仪或或量块加千分表量块加千分表进行全长误差测量，进行全长误差测量，超差处进行重新调整，使总长度上的累积误差超差处进行重新调整，使总长度上的累积误差单单块定尺的最大偏差。块定尺的最大偏差。三、三、感应同步器感应同步器CNC 感应同步器感应同步器工作原理工作原理 三、三、感应同步器感应同步器滑尺与定尺发生相对位移时，即：励磁绕组与感滑尺与定尺发生相对位移时，即：励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，感应绕组中感应电压随位移的变化而变化。感应绕组中感应电压随位移的变化而变化。CNC三、三、感应同步器感应同步器感应电压幅值与定尺滑尺相对位置关系感应电压幅值与定尺滑尺相对位置关系CNC当滑尺移动距离当滑尺移动距离 2 2t t，V V2 2 变化变化 2 2p p,当移动当移动 x x时，对应时，对应感应电压以余弦函数变化感应电压以余弦函数变化 q q角度。角度。设滑尺上一相绕组的激磁电压设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 K 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。三、三、感应同步器感应同步器CNC 1 1.鉴相工作方式鉴相工作方式 滑滑尺尺正正、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，相位差相位差90900 0的交流励磁电压的交流励磁电压 根据叠加原理，定尺上总感应电压为根据叠加原理，定尺上总感应电压为 鉴别定尺感应输出电压的相位鉴别定尺感应输出电压的相位t+，可测，可测，可测定尺和滑尺间的相对位移可测定尺和滑尺间的相对位移x。三、三、感应同步器感应同步器CNC 例如：例如：定尺感应输出电压与滑尺励磁电压间的相位定尺感应输出电压与滑尺励磁电压间的相位差为差为3.63.60 0，表明滑尺移动了多少，表明滑尺移动了多少mmmm？(0.02mm)(0.02mm)2mm三、三、感应同步器感应同步器CNC相移相移位移转换系数位移转换系数：例：设节距例：设节距2 2=2，则，则 若脉冲当量若脉冲当量2m/脉冲，则脉冲，则相移相移位移系数位移系数为为 三、三、感应同步器感应同步器CNC 滑尺正、余弦绕组的励磁电压频率同、相位同，但滑尺正、余弦绕组的励磁电压频率同、相位同，但幅值不同。幅值不同。2.鉴幅工作方式鉴幅工作方式定尺绕组产生的总感应电压为定尺绕组产生的总感应电压为三、三、感应同步器感应同步器若电气角若电气角已知，测出已知，测出V2幅值幅值kVmsin（）便能）便能求出求出角。实际测量时，不断调整角。实际测量时，不断调整，使，使kVmsin（）=0。的变化量代表了的变化量代表了对应的位移量变化，测对应的位移量变化，测得机械位移。得机械位移。CNC四、四、光光栅栅通常，光栅按用途分两大类：通常，光栅按用途分两大类：物物理理光光栅栅（衍衍射射光光栅栅）：200500条条/，栅栅距距0.0020.005，利利用用光光的的衍衍射射原原理理，用用于于光光谱谱分分析和光波波长测定。析和光波波长测定。计计量量光光栅栅：25条条/、50条条/、100条条/、250条条/等等，栅栅距距0.0040.25，利利用用光光的的透透射射和和反反射射现象，用于数控机床检测系统。现象，用于数控机床检测系统。用用于于闭闭环环控控制制系系统统，可可测测位位移移和和转转角角。读读数数速速率率高（高（0 数十万次数十万次/每秒），适用动态测量。每秒），适用动态测量。CNC 光栅的种类光栅的种类按形状按形状：长光栅（直线光栅）、圆光栅。：长光栅（直线光栅）、圆光栅。长光栅检测线位移，圆光栅测量角位移长光栅检测线位移，圆光栅测量角位移直线光栅直线光栅按制作原理按制作原理：玻璃透射光栅、金属反射光栅。：玻璃透射光栅、金属反射光栅。四、四、光栅光栅长光栅长光栅长光栅长光栅圆光栅圆光栅圆光栅圆光栅CNC长光栅长光栅（1）玻玻璃璃透透射射光光栅栅：在在玻玻璃璃表表面面上上用用真真空空镀镀膜膜法法镀镀一一层层金金属属膜膜，再再涂涂上上一一层层均均匀匀的的感感光光材材料料，用用照相腐蚀法制成透明与不透明间隔相等的线纹。照相腐蚀法制成透明与不透明间隔相等的线纹。特点：特点：1）光光源源可可采采用用垂垂直直入入射射，光光电电元元件件直直接接接接受受光光信信号，因此信号幅度大，读数头结构较简单；号，因此信号幅度大，读数头结构较简单；2）一般为）一般为100、125、250条条/mm/mm，经过电路细分，经过电路细分，可做到微米级的分辨率。可做到微米级的分辨率。四、四、光栅光栅CNC（2）金金属属反反射射光光栅栅：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或用用钻钻石石刀刀刻刻划划制制成成光光栅栅线线纹纹；常常用用4、10、25、40、50条条/mm，分辨率低。特点：，分辨率低。特点：1）标尺光栅的线膨胀系数易于与机床材料一致；）标尺光栅的线膨胀系数易于与机床材料一致；2）标尺光栅的安装和调整较方便；）标尺光栅的安装和调整较方便；3）安装面积较小；）安装面积较小；4）易于接长或制成整根的钢带长光栅；）易于接长或制成整根的钢带长光栅；5）不易碰碎。）不易碰碎。四、四、光栅光栅CNC圆光栅圆光栅在在玻玻璃璃圆圆盘盘外外环环端端面面上上，做做成成黑黑白白相相间间、呈呈辐辐射射状条纹，相互间夹角（栅距角）相等。状条纹，相互间夹角（栅距角）相等。一般有一般有3种形式：种形式：（1）六十进制，）六十进制，（2）十进制，）十进制，（3）二进制，）二进制，四、四、光栅光栅CNC 光栅的结构与测量原理光栅的结构与测量原理（以玻璃透射式直线光栅为例以玻璃透射式直线光栅为例）1光栅的结构光栅的结构组成组成：标尺光栅（长光栅）、光栅读数头：标尺光栅（长光栅）、光栅读数头 标标尺尺光光栅栅与与行行程程等等长长，通通常常光光栅栅长长度度1m，行程大于，行程大于1m时需要接长时需要接长安安装装：标标尺尺光光栅栅一一般般安安装装在在机机床床活活动动部部件件上上（如工作台上或丝杠）（如工作台上或丝杠）光光栅栅读读数数头头安安装装在在机机床床固固定定部部件件上上（如如机机床床底底座座）。指指示示光光栅栅（短短光光栅栅）装装在在光光栅栅读读数头中。数头中。四、四、光栅光栅CNC光栅的结构与测量原理光栅的结构与测量原理光栅读数头组成：光栅读数头组成：光源、透镜、指示光源、透镜、指示光栅、光敏元件、光栅、光敏元件、驱动线路。驱动线路。常见结构按光路分：常见结构按光路分：分光读数头、垂直分光读数头、垂直入射读数头、反射入射读数头、反射读数头读数头作用：将莫尔条纹作用：将莫尔条纹的光信号转换成电的光信号转换成电脉冲信号。脉冲信号。CNC光栅四、四、光栅光栅CNC尺身尺身安装孔 扫描头 （与移动部件固定）可移动电缆四、四、光栅光栅CNC不不透透光光条条纹纹宽宽度度（缝缝隙隙宽宽度度）a，透透光光宽宽度度（刻刻线宽度）线宽度）b，通常，通常a=b，栅距栅距da+b。四、四、光栅光栅CNC2光栅的基本测量原理光栅的基本测量原理安安装装时时保保证证两两光光栅栅尺尺沿沿线线纹纹方方向向保保持持一一个个很很小小夹夹角角、刻刻划划面面平平行行且且有有一一个个很很小小间间隙隙（一般（一般0.05mm，0.1mm）在在光光源源照照射射下下，在在与与的的平平分分线线相相垂垂直直的的方方向向上上，形形成成明明暗暗相相间间条条纹纹莫莫尔尔条条纹纹（横横向向莫莫尔尔条条纹纹），两两条条亮亮（暗暗）纹纹间间的的距距离离称称莫尔条纹宽度莫尔条纹宽度 w。四、四、光栅光栅CNC均匀刻线标尺光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动dw四、四、光光栅栅CNC莫尔条纹特性：莫尔条纹特性：（1）光学放大作用）光学放大作用放大比放大比k为为：若若d=0.01mm，0.01rad，则则w1mm，k100 四、四、光栅光栅CNC（2）实现平均误差作用）实现平均误差作用莫尔条纹莫尔条纹 大量光栅线纹干涉大量光栅线纹干涉 误差平均效应误差平均效应 克服个别克服个别/局部误差局部误差 提高精度提高精度（3）莫尔条纹移动与栅距移动成比例）莫尔条纹移动与栅距移动成比例光栅移动光栅移动1 1个栅距个栅距d d 莫尔条纹移动莫尔条纹移动1 1个间距个间距w w光栅移动方向相反，莫尔条纹移动方向也相反。光栅移动方向相反，莫尔条纹移动方向也相反。莫尔条纹移动方向与莫尔条纹移动方向与角分线方向垂直。角分线方向垂直。检测莫尔条纹移动位移来测量光栅移动的微小距离。检测莫尔条纹移动位移来测量光栅移动的微小距离。在在1 1个个栅栅距距d内内，光光电电元元件件所所检检测测的的光光强强变变化化为为正正弦弦（或余弦）变化。（或余弦）变化。四、四、光栅光栅CNC光栅测量系统光栅测量系统 标尺光栅移动，莫尔条纹交替由亮带到暗带、标尺光栅移动，莫尔条纹交替由亮带到暗带、暗带到亮带，光强度分布近似余弦曲线，光暗带到亮带，光强度分布近似余弦曲线，光电元件电元件变为同频率电压信号，经光栅位移变为同频率电压信号，经光栅位移数字变换电路放大、整形、微分输出脉冲。数字变换电路放大、整形、微分输出脉冲。每产生一个脉冲，代表移动了一个栅距，对每产生一个脉冲，代表移动了一个栅距，对脉冲计数可得工作台的移动距离脉冲计数可得工作台的移动距离四、四、光栅光栅CNC四、四、光栅光栅增加线纹密度，但制造较困难，成本高。增加线纹密度，但制造较困难，成本高。采用采用倍频倍频的方法来提高光栅的分辨精度。的方法来提高光栅的分辨精度。在在莫莫尔尔条条纹纹的的宽宽度度内内，放放置置四四个个光光电电元元件件，每每隔隔1/41/4光光栅栅栅栅距距产产生生一一个个脉脉冲冲，一一个个脉脉冲冲代代表表移移动动了了1/41/4栅栅距距的的位位移移，分分辨辨精精度度可可提提高高四四倍倍，这这就就是四倍频方案。是四倍频方案。一个光电元件一个光电元件只能计数只能计数,无法判断移动方向无法判断移动方向如何辩向？如何辩向？如何提高光栅检测装置的精度如何提高光栅检测装置的精度?CNC鉴向倍频电路作用鉴向倍频电路作用:辨向、细分，提高光栅的分辨率辨向、细分，提高光栅的分辨率莫莫尔尔条条纹纹原原1 1个个脉脉冲冲信信号号：0、90、180、270都都有有脉脉冲冲输输出出，一一个个周周期期内内送送出出4个个脉脉冲冲。分分辨辨率率提提高高4倍。倍。分分辨辨率率取取决决于于光光栅栅栅栅距距 d 和和鉴鉴向向倍倍频频的的倍倍数数 n，即即：分辨率分辨率d/n。例例：光光栅栅线线纹纹密密度度50条条/mm（栅栅距距20m），经经4倍倍频频处处理理后后，线线纹纹密密度度提提高高到到200条条/mm，工工作作台台每每移移动动5m送出一个脉冲，即分辨率为送出一个脉冲，即分辨率为5m，提高，提高4倍。倍。四、四、光栅光栅CNC五、五、编码器编码器旋转式测量元件，装在被测轴上；旋转式测量元件，装在被测轴上；二二进进制制、二二进进制制循循环环码码（格格雷雷码码）、余余三三码码和二一十进制码等编码器；和二一十进制码等编码器；输输出出信信号号的的形形式式：绝绝对对值值式式编编码码器器、脉脉冲冲增增量式编码器；量式编码器；内内部部结结构构和和检检测测方方式式：接接触触式式、光光电电式式、电电磁式。磁式。CNC安装方式安装方式1 1、和伺服电、和伺服电机同轴联接，机同轴联接，编码器在进给编码器在进给传动链前端；传动链前端；安装方便。安装方便。2 2、连在滚珠、连在滚珠丝杠末端，包丝杠末端，包含的传动链误含的传动链误差比前者多，差比前者多，位置控制精度位置控制精度较高；较高；工作台丝杠编码器电机五、五、编码器编码器CNC 接触式编码器接触式编码器一种绝对值式的检测装置，直接把被测转角一种绝对值式的检测装置，直接把被测转角用数字代码表示出来，每一个角度位置均有用数字代码表示出来，每一个角度位置均有唯一对应的代码。唯一对应的代码。即使断电或切断电源，也能读出转动角度。即使断电或切断电源，也能读出转动角度。五、五、编码器编码器CNC4位二进制码盘位二进制码盘 高高位位在在内内，低低位位在在外外。n位位二二进进制制码码盘盘，n圈圈码码道道，圆圆周周均均分分2n份份，即即有有2n个个数数据据表表示示不不同同位位置置，分分辨辨角角360/2n。n 越越大大，能能分分辨辨的的角角度度越越小小，测测量量精精度越高。度越高。目前目前n=814位位五、五、编码器编码器采采用用组组合合码码盘盘，一一个个为为粗粗计计码码盘盘，一一个个为为精精计计码码盘盘。精计码盘转精计码盘转1 1圈，粗计码盘转圈，粗计码盘转1 1格。格。CNC若电刷位于两位码中间或电刷接触不良，若电刷位于两位码中间或电刷接触不良，则电刷的检测读数可能会是任意的数字则电刷的检测读数可能会是任意的数字例：电刷由位置（例：电刷由位置（0111）向位置（）向位置（1000）过渡时，可能出现过渡时，可能出现815之间的任一十进制之间的任一十进制数。这种误差称为数。这种误差称为非单值误差非单值误差。消除误差：采用消除误差：采用循环码循环码（雷格码）雷格码）。五、五、编码器编码器CNC五、五、编码器编码器格雷码盘：格雷码盘：各码道的数码不同时改变，任何两个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，所以每次只切换相邻数码间只有一位是变化的，所以每次只切换一位数，把误差控制在最小单位内。一位数，把误差控制在最小单位内。CNC接触式绝对值编码器接触式绝对值编码器优点优点：结构简单、体积小、输出信号强。：结构简单、体积小、输出信号强。缺点缺点：电刷磨损造成寿命降低，转速不能：电刷磨损造成寿命降低，转速不能太高（每分钟几十转），精度受外圈（最太高（每分钟几十转），精度受外圈（最低位）码道宽度限制。使用范围有限。低位）码道宽度限制。使用范围有限。五、五、编码器编码器CNC 光电式编码器光电式编码器 常用光电式编码器（光电码盘、光电脉冲发常用光电式编码器（光电码盘、光电脉冲发生器、光电脉冲编码器）为增量式光电编码生器、光电脉冲编码器）为增量式光电编码器，一种旋转式脉冲发生器器，一种旋转式脉冲发生器把机械转角变成电脉冲，是数控机床常用的把机械转角变成电脉冲，是数控机床常用的角位移检测元件，也可用于角速度检测。角位移检测元件，也可用于角速度检测。五、五、编码器编码器CNC高分辨率的脉冲编码器高分辨率的脉冲编码器3，6，1230000脉冲r5，1025000脉冲r2，3，4，6，820000脉冲r每转脉冲移动量（mm）脉冲编码器现已有每转发出现已有每转发出10万乃至几百万个脉冲的编码器，万乃至几百万个脉冲的编码器，内部应用了微处理器。内部应用了微处理器。3，6，123000脉冲r5，102500脉冲r2，3，4，6，82000脉冲r每转脉冲移动量（mm）脉冲编码器数控机床常用编码器数控机床常用编码器:根据丝杠螺距来选用。根据丝杠螺距来选用。五、五、编码器编码器CNC五、五、编码器编码器滚珠丝杠的导程滚珠丝杠的导程脉冲当量脉冲当量减速齿轮的减速比减速齿轮的减速比脉冲编码器每转的脉冲数（脉冲编码器每转的脉冲数（p/r）CNC光源、聚光镜、光栏板、光电码盘、光电元件、光源、聚光镜、光栏板、光电码盘、光电元件、信号处理电路信号处理电路 码盘及狭缝转轴光敏元件光栏板及辨向用的A组、B组狭缝光源零位标志C五、五、编码器编码器CNCA A组与组与B B组狭缝彼此错开组狭缝彼此错开1/41/4节距，节距，对应的光敏元件产生的信号对应的光敏元件产生的信号A A、B B彼此相差彼此相差9090 相位，用于辨向。相位，用于辨向。根据脉冲数目可得被测轴的根据脉冲数目可得被测轴的角位移；角位移；根据脉冲频率可得被测轴的根据脉冲频率可得被测轴的转速；转速；根据根据A A、B B两相相位超前滞后两相相位超前滞后关系可得被测轴旋转方向。关系可得被测轴旋转方向。后续电路可利用后续电路可利用A A、B B两相的两相的9090相位差进行细分处理（四相位差进行细分处理（四倍频电路实现）。倍频电路实现）。五、五、编码器编码器CNC五、五、编码器编码器CNC码盘里圈，有一条狭缝码盘里圈，有一条狭缝 C C，每转能产生，每转能产生1 1个脉冲，该个脉冲，该脉冲信号又称脉冲信号又称“零点脉冲零点脉冲”，作为测量的起始基准。，作为测量的起始基准。作用：作用：被测轴的周向定位基准信号；被测轴的周向定位基准信号；被测轴的旋转圈数记数信号被测轴的旋转圈数记数信号五、五、编码器编码器CNC分分辨辨角角360/狭狭缝缝数数。如如条条纹纹数数为为1024，则则360/10240.352。光光电电编编码码器器的的输输出出信信号号为为差差动动信信号号，进进行行倍倍频频处处理，进一步提高分辨力。理，进一步提高分辨力。例例如如：配配置置2000脉脉冲冲r光光电电编编码码器器的的伺伺服服电电机机直直接接驱驱动动8mm螺螺距距的的滚滚珠珠丝丝杠杠，经经4倍倍频频处处理理后后，相相当当于于8000脉脉冲冲r的的角角度度分分辨辨力力，对对应应工工作作台台的的 直直 线线 分分 辨辨 力力 由由 倍倍 频频 前前 的的 0.004mm提提 高高 到到0.001mrn。五、五、编码器编码器CNC光光电电式式编编码码器器优优点点：没没有有接接触触磨磨损损，码码盘盘寿寿命命长长，允允许许转转速速高高，最最外外圈圈每每片片宽宽度度可可做做得得很很小小，因因而而精度高。精度高。缺点缺点：结构复杂，价格高，光源寿命短。：结构复杂，价格高，光源寿命短。目前，有一种目前，有一种混合式绝对值脉冲编码器：混合式绝对值脉冲编码器：最外圈最外圈是高密度的增量制条纹，是高密度的增量制条纹，中间有四个码道组成绝对值式四位循环码，中间有四个码道组成绝对值式四位循环码，圆盘最里面有发一转信号的狭缝。圆盘最里面有发一转信号的狭缝。工作原理是粗、中、精三级计数，码盘转的转数工作原理是粗、中、精三级计数，码盘转的转数由由“一转脉冲一转脉冲”的计数表示的计数表示五、五、编码器编码器CNC 电磁式编码器电磁式编码器（磁性编码器磁性编码器）输出的信号形式是数字脉冲信号。输出的信号形式是数字脉冲信号。优点：抗环境干扰能力强、响应速度快、寿命长、优点：抗环境干扰能力强、响应速度快、寿命长、结构简单、价格低廉等结构简单、价格低廉等用得最多的类型：磁敏电阻式、励磁环式用得最多的类型：磁敏电阻式、励磁环式磁敏电阻式磁性编码器又分：强磁金属磁敏电阻式、磁敏电阻式磁性编码器又分：强磁金属磁敏电阻式、半导体磁敏电阻式。半导体磁敏电阻式。励磁环式磁性编码器又称磁栅或磁尺，励磁环式磁性编码器又称磁栅或磁尺，电磁式编码器可分为增量式、绝对值式。电磁式编码器可分为增量式、绝对值式。五、五、编码器编码器CNC 编码器在数控机床中的应用编码器在数控机床中的应用 1位移测量（进给系统）位移测量（进给系统）在数控回转工作台回转轴末端安装编码器，可在数控回转工作台回转轴末端安装编码器，可测量回转工作台角位移。数控回转工作台与直测量回转工作台角位移。数控回转工作台与直线轴联动时，可加工空间曲线。线轴联动时，可加工空间曲线。在交流电机变频控制中，与电动机同轴联接的在交流电机变频控制中，与电动机同轴联接的编码器可检测转子磁极相对定子绕组的角度位编码器可检测转子磁极相对定子绕组的角度位置，用于变频控制置，用于变频控制。五、五、编码器编码器CNC2主轴控制主轴控制（1）主轴旋转与坐标轴进给的同步控制）主轴旋转与坐标轴进给的同步控制螺纹加工中，螺纹加工中，1）对对编编码码器器输输出出脉脉冲冲计计数数，保保证证主主轴轴每每转转1 1周周，刀具准确移动刀具准确移动1 1个螺距（导程）个螺距（导程）2）一一般般的的螺螺纹纹加加工工要要经经过过几几次次切切削削完完成成，每每次次重复切削，进刀位置必须相同。重复切削，进刀位置必须相同。为为保保证证重重复复切切削削不不乱乱扣扣，数数控控系系统统在在接接收收到到光光电电编编码码器器中中的的1 1转转脉脉冲冲（零零点点脉脉冲冲）后后，才才开开始始螺螺纹切削的计算。纹切削的计算。五、五、编码器编码器CNC(2)主轴定向准停控制主轴定向准停控制加加工工中中心心换换刀刀时时，为为使使机机械械手手对对准准刀刀柄柄，主主轴轴需停在固定的径向位置需停在固定的径向位置在在固固定定切切削削循循环环中中（如如精精镗镗孔孔）要要求求刀刀具具停停在在某一径向位置才能退出某一径向位置才能退出这这要要求求主主轴轴能能准准确确地地停停在在某某一一固固定定位位置置上上，这这就是主轴定向准停功能。就是主轴定向准停功能。编码器的输出为当前刀具号编码器的输出为当前刀具号五、五、编码器编码器CNC（3）恒线速切削控制）恒线速切削控制车车床床、磨磨床床进进行行端端面面或或锥锥面面切切削削时时，为为保保证证Ra保保持持一一定值，要求刀具与工件接触点的线速度为恒值。定值，要求刀具与工件接触点的线速度为恒值。随随着着刀刀具具径径向向进进给给及及切切削削直直径径的的逐逐渐渐减减小小或或增增大大，应应不断提高或降低主轴转速，保持不断提高或降低主轴转速，保持V2Dn为常值为常值 V：切削线速度；：切削线速度；D：工件切削直径，随刀具进给不断变化：工件切削直径，随刀具进给不断变化 n：主轴转速。：主轴转速。D 由由光光电电编编码码器器获获得得。经经软软件件处处理理后后得得n，转转换换成成速速度信号至主轴驱动装置。度信号至主轴驱动装置。五、五、编码器编码器CNC3测速测速光光电电编编码码器器输输出出脉脉冲冲的的频频率率与与其其转转速速成成正正比比，可可代代替测速发电机的模拟测速，成为数字测速装置。替测速发电机的模拟测速，成为数字测速装置。五、五、编码器编码器4零标志脉冲用于回参考点控制零标志脉冲用于回参考点控制采采用用增增量量式式的的位位置置检检测测装装置置时时，数数控控机机床床在在接接通通电电源后要做回到参考点的操作。源后要做回到参考点的操作。参参考考点点位位置置是是否否正正确确与与检检测测装装置置中中的的零零标标志志脉脉冲冲有有相当大的关系。相当大的关系。在在回回参参考考点点方方式式时时，数数控控机机床床坐坐标标轴轴先先以以快快速速向向参参考考点点方方向向运运动动，当当碰碰到到减减速速挡挡块块后后，坐坐标标轴轴再再以以慢慢速速趋趋近近，当当编编码码器器产产生生零零标标志志信信号号后后，坐坐标标轴轴再再移移动一设定距离而停止于参考点。动一设定距离而停止于参考点。CNC在在进进给给坐坐标标轴轴中中，还还应应用用一一种种手手摇摇脉脉冲冲发发生生器器，一一般般每每转转产产生生1000个个脉脉冲冲，脉脉冲冲当当量量为为1m，输输出出信号波幅为信号波幅为5V。作用：慢速对刀和手动调整机床。作用：慢速对刀和手动调整机床。五、五、编码器编码器个人观点供参考，欢迎讨论！