数控检测装置第6章综述课件

第6章 数控机床的检测装置安徽科技学院机电与车辆工程学院8/3/20241数控技术主要内容：6.1 概述概述6.2 旋转变压器旋转变压器6.3 感应同步器感应同步器6.4 光栅光栅6.5编码器编码器6.6磁栅磁栅8/3/20242数控技术6.1.1对位置检测装置的要求对位置检测装置的要求一、一、组成组成：位置检测装置是由：位置检测装置是由检测元件检测元件（传感器）和（传感器）和信号处信号处理装置理装置组成的组成的。二、二、作用作用：数控机床中，数控装置是依靠：数控机床中，数控装置是依靠指令值指令值与与位置检测位置检测装置装置的反馈值进行比较，来控制工作台运动的。若有偏差，的反馈值进行比较，来控制工作台运动的。若有偏差，经放大后控制执行部件，使其向着经放大后控制执行部件，使其向着消除偏差消除偏差的方向运动，的方向运动，直到偏差为零。它是数控机床闭环和半闭环伺服系统的重直到偏差为零。它是数控机床闭环和半闭环伺服系统的重要组成部分要组成部分。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，的精度决定的，在设计数控机床进给伺服系统，尤其是高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。精度进给伺服系统时，必须精心选择位置检测装置。6.1 概述概述8/3/20243数控技术三、数控机床对位置检测装置的要求三、数控机床对位置检测装置的要求 (1)受温度、湿度的影响小，受温度、湿度的影响小，工作可靠工作可靠，能长期，能长期保持精度，抗干扰能力强；保持精度，抗干扰能力强；(2)在机床执行部件移动在机床执行部件移动范围范围内，能满足内，能满足精度和精度和速度速度的要求；的要求；(3)使用使用维护方便维护方便，适应机床工作环境；，适应机床工作环境；(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。6.1 概述概述8/3/20244数控技术主要技术指标：主要技术指标：可靠性、抗干扰性、分辨率、响应速度可靠性、抗干扰性、分辨率、响应速度等等分辨率：分辨率：位移检测系统能够测量的最小位移量位移检测系统能够测量的最小位移量分辨率选择：分辨率选择：测量系统的分辨率应比加工精度高一个数量级测量系统的分辨率应比加工精度高一个数量级检测系统的选择：检测系统的选择：大型机床：速度响应要高大型机床：速度响应要高 中小型和高精度机床：以满足精度要求为主中小型和高精度机床：以满足精度要求为主6.1 概述概述8/3/20245数控技术直接测量 它是将直线型检测装置安装在移动部件上，用来直接测量工作台的直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，而构成位置闭环控制。优点是准确性高、可靠性好。缺点是测量装置要和工作台行程等长，所以在大型数控机床上受到一定限制。间接测量 它是将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。优点是测量方便、无长度限制。缺点是测量信号中增加了由回转运动转变为直线运动的传动链误差，从而影响了测量精度。（1）直接式测量和间接式测量直接式测量和间接式测量(检测方式）检测方式）6.1.2检测装置的分类检测装置的分类6.1 概述概述8/3/20246数控技术增量式测量 在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式，增量式测量只测相对位移量，如测量单位为0.001mm，则每移动0.001mm就发出一个脉冲信号，其优点是测量装置较简 单，任何一个对中点都可以作为测量的起点，而移距是由测量信号计数累加所得，但一旦计数有误，以后测量所得结果完全错误。绝对式测量 绝对式测量装置对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标起，每一个被测点都有一个相应的测量值。测量装置的结构较增量式复杂，如编码盘中，对应于码盘的每一个角度位置便有一组二进制位数。显然，分辨精度要求愈高，量程愈大，则所要求的二进制位数也愈多，结构就愈复杂。(2)增量式测量和绝对式测量增量式测量和绝对式测量(编码方式）编码方式）6.1 概述概述8/3/20247数控技术数字式测量 它是将被测的量以数字形式来表示，测量信号一般为脉冲，可以直接把它送到数控装置进行比较、处理。信号抗干扰能力强、处理简单。模拟量测量 它是将被测的量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等。它对信号处理的方法相对来说比较复杂。(3)数字式测量和模拟式测量（检测信号的类型）数字式测量和模拟式测量（检测信号的类型）6.1 概述概述8/3/20248数控技术6.2 旋转变压器旋转变压器6.2.1 旋转变压器的结构旋转变压器的结构 旋转变压器是一种输出电压与角位移量成连续函数关系旋转变压器是一种输出电压与角位移量成连续函数关系的感应式微电动机，是一种角位移测量装置，通过测量电的感应式微电动机，是一种角位移测量装置，通过测量电动机或被测轴的转角来间接测量工作台的位移，由动机或被测轴的转角来间接测量工作台的位移，由定子定子和和转子转子组成。数控机床上常见的组成。数控机床上常见的角位移测量装置角位移测量装置，广泛用于，广泛用于半闭环控制半闭环控制的数控机床。的数控机床。旋转变压器转子轴与电机轴或丝杠连接在一起，实现电旋转变压器转子轴与电机轴或丝杠连接在一起，实现电机轴或丝杠转角的测量。机轴或丝杠转角的测量。8/3/20249数控技术6.2 旋转变压器旋转变压器6.2.1 旋转变压器的结构旋转变压器的结构优点优点：结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境条件要求：结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境条件要求低（特别是高温、高粉尘的地方）、输出信号幅度大和抗低（特别是高温、高粉尘的地方）、输出信号幅度大和抗干扰能力强等特点。干扰能力强等特点。缺点缺点：信号处理比较复杂：信号处理比较复杂 旋转变压器的工作原理与普通变压器基本相似，其中旋转变压器的工作原理与普通变压器基本相似，其中定子绕组作为变压器的定子绕组作为变压器的一次侧一次侧，接受，接受励磁电压励磁电压。转子绕组。转子绕组作为变压器的作为变压器的二次侧二次侧，通过电磁耦合得到，通过电磁耦合得到感应电压感应电压，只是，只是其输出电压大小与转子位置有关。其输出电压大小与转子位置有关。8/3/202410数控技术旋转变压器的结构图6.2 旋转变压器旋转变压器8/3/202411数控技术6.2 旋转变压器旋转变压器6.2.2 旋转变压器的工作原理旋转变压器的工作原理 旋转变压器根据互感原理工作，旋转变压器根据互感原理工作，定子与转子之间气隙磁通分布呈定子与转子之间气隙磁通分布呈正余弦规律。当正余弦规律。当定子定子加上一定加上一定频率的频率的激磁电压激磁电压时，通过时，通过电磁耦电磁耦合合，转子转子绕组产生绕组产生感应电势感应电势，其，其输出电压输出电压的大小取决于定子和转的大小取决于定子和转子两个绕组轴线在空间的相对位子两个绕组轴线在空间的相对位置。置。单极对旋转变压器的工作原理：单极对旋转变压器的工作原理：定子定子转子转子8/3/202412数控技术根据互感原理工作，平行时互感最大，副边感应电动势最根据互感原理工作，平行时互感最大，副边感应电动势最大；垂直时互感为零，副边感应电动势最小，如图。大；垂直时互感为零，副边感应电动势最小，如图。6.2 旋转变压器旋转变压器8/3/202413数控技术6.2 旋转变压器旋转变压器8/3/202414数控技术定子激磁电压和转子感应电动势的变化波形图定子激磁电压和转子感应电动势的变化波形图 6.2 旋转变压器旋转变压器8/3/202415数控技术使用较广泛的为正余弦（双极对）旋转变压器使用较广泛的为正余弦（双极对）旋转变压器6.2 旋转变压器旋转变压器8/3/202416数控技术6.2.3旋转变压器的工作方式旋转变压器的工作方式鉴相工作方式鉴相工作方式 鉴幅工作方式鉴幅工作方式 一、鉴相工作方式一、鉴相工作方式正弦绕组和余弦绕组分别加上幅值相同、频率相同、相位正弦绕组和余弦绕组分别加上幅值相同、频率相同、相位相差相差90o的正弦交流电压：的正弦交流电压：6.2 旋转变压器旋转变压器当转子正转时：当转子正转时：8/3/202417数控技术转子输出电压的转子输出电压的相位角相位角和和间有严格对应关系，只要检测出间有严格对应关系，只要检测出转子输出电压的相位角，就可以求得转子输出电压的相位角，就可以求得 ，也就可得到被测，也就可得到被测轴的角位移。轴的角位移。实际应用时，把定子余弦绕组激磁电压的相位作为基准实际应用时，把定子余弦绕组激磁电压的相位作为基准相位，与转子绕组的输出电压相位做比较，来确定相位，与转子绕组的输出电压相位做比较，来确定的的大小。大小。6.2 旋转变压器旋转变压器当转子反转时，同理可得：当转子反转时，同理可得：8/3/202418数控技术二、鉴幅方式二、鉴幅方式正弦绕组和余弦绕组分别加上频率相同、相位相等、幅正弦绕组和余弦绕组分别加上频率相同、相位相等、幅值分别按正弦、余弦规律变化的交变电压：值分别按正弦、余弦规律变化的交变电压：6.2 旋转变压器旋转变压器当转子正转时：当转子正转时：当转子反转时，同理可得：当转子反转时，同理可得：转子感应电压的转子感应电压的幅值幅值随转子的随转子的偏转角偏转角而变化。测量出幅值可而变化。测量出幅值可测出转角。测出转角。wqatKUUmsin)sin(2+=8/3/202419数控技术角位移如何计算直线位移？角位移如何计算直线位移？将旋转变压器安装在数控机床的丝杠上，当将旋转变压器安装在数控机床的丝杠上，当角从角从0变化到变化到360时，表示丝杠上的螺母走了时，表示丝杠上的螺母走了一个导程一个导程，就间接地测量了丝杠的直线位移（导，就间接地测量了丝杠的直线位移（导程）的大小。程）的大小。要检测工作台的绝对位置，需要加要检测工作台的绝对位置，需要加一台绝对位一台绝对位置计数器置计数器，累计所走的导程数，折算成位移总长，累计所走的导程数，折算成位移总长度。度。6.2 旋转变压器旋转变压器6.2.4 6.2.4 旋转变压器的工作方式旋转变压器的工作方式8/3/202420数控技术 感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置，属模感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置，属模拟式测量，二者工作原理相同，其输出电压随被测直线位拟式测量，二者工作原理相同，其输出电压随被测直线位移或角位移而改变。移或角位移而改变。按其结构特点一般分为：按其结构特点一般分为：直线式感应同步器直线式感应同步器：由定尺和滑尺组成，：由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量，闭环伺服系统。用于直线位移测量，闭环伺服系统。旋转式感应同步器旋转式感应同步器：由转子和定子组成，：由转子和定子组成，用于角位移测量，半闭环伺服系统。用于角位移测量，半闭环伺服系统。6.3 感应同步器感应同步器8/3/202421数控技术6.3 感应同步器感应同步器直线式感应同步器直线式感应同步器6.3.1 感应同步器结构感应同步器结构8/3/202422数控技术6.3 感应同步器感应同步器直线式感应同步器的定尺绕组和滑尺绕组的结构示意图直线式感应同步器的定尺绕组和滑尺绕组的结构示意图连续绕组连续绕组分段绕组：分段绕组：正弦绕组正弦绕组SS 余弦绕组余弦绕组CC导电片宽导电片宽片间间隙片间间隙节距节距8/3/202423数控技术6.3 感应同步器感应同步器8/3/202424数控技术 标准的直线式感应同步器定尺长标准的直线式感应同步器定尺长250mm，感应绕，感应绕组；滑尺长组；滑尺长100mm，正弦绕组与定尺绕组对齐时，余弦绕，正弦绕组与定尺绕组对齐时，余弦绕组与定尺绕组相差组与定尺绕组相差1/4节距节距。节距（。节距（感应同步器两个单元绕感应同步器两个单元绕组之间的距离组之间的距离）为）为2=2mm。“节距节距”是衡量感应同步器精度的主要参数。是衡量感应同步器精度的主要参数。6.3 感应同步器感应同步器8/3/202425数控技术6.3.2 安装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必须保持定尺和滑尺平行、两平面的间隙约为必须保持定尺和滑尺平行、两平面的间隙约为0.250.250.05mm0.05mm，其它安装要求视具体的产品说明而定。保证定尺和滑尺在全部其它安装要求视具体的产品说明而定。保证定尺和滑尺在全部工作长度上正常耦合，减少测量误差。工作长度上正常耦合，减少测量误差。直线感应同步器的标准定尺长度一般为直线感应同步器的标准定尺长度一般为250mm，测量范围增加，测量范围增加时，将时，将定尺接长定尺接长。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进行全长误差测量，使总长度上的累积误差差测量，使总长度上的累积误差单块定尺的最大偏差。单块定尺的最大偏差。6.3 感应同步器感应同步器8/3/202426数控技术6.3.3工作原理工作原理滑尺与定尺间产生相对位移，由于电磁耦合的变化，使定滑尺与定尺间产生相对位移，由于电磁耦合的变化，使定尺上的尺上的感应电压随位移的变化而变化感应电压随位移的变化而变化。6.3 感应同步器感应同步器8/3/202427数控技术6.3 感应同步器感应同步器定定尺尺绕绕组组产产生生感感应应电电压压原原理理图图8/3/202428数控技术当滑尺移动距离为当滑尺移动距离为2，2变化化为2，当移，当移动动X时时，则对则对应应感感应电压应电压以余弦函数以余弦函数变变化化角度。角度。可得：可得：6.3 感应同步器感应同步器8/3/202429数控技术6.3 感应同步器感应同步器6.3.4感应同步器的应用感应同步器的应用一、鉴相工作方式一、鉴相工作方式正弦绕组和余弦绕组分别加上幅值相同、频率相同、相正弦绕组和余弦绕组分别加上幅值相同、频率相同、相位相差位相差9090o o的交流电压：的交流电压：分别在定尺绕组上产生感应电压：分别在定尺绕组上产生感应电压：通过鉴别定尺感应输出电压的相位，即可测量定尺和滑尺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。之间的相对位移。8/3/202430数控技术例如例如：定尺感应输出电压与滑尺励磁电压之间的相：定尺感应输出电压与滑尺励磁电压之间的相位差为位差为3.63.6，表明滑尺移动了多少，表明滑尺移动了多少mmmm？6.3 感应同步器感应同步器3.62mm8/3/202431数控技术将将 称为称为相移相移位移转换系数位移转换系数。例如：设节距例如：设节距 ，则：，则：6.3 感应同步器感应同步器如脉冲当量如脉冲当量 /脉冲，那么其相移系数脉冲，那么其相移系数 为为 8/3/202432数控技术鉴相系统结构框图6.3 感应同步器感应同步器8/3/202433数控技术二、鉴幅工作方式二、鉴幅工作方式正弦绕组和余弦绕组分别加上频率相同、相位相等、幅正弦绕组和余弦绕组分别加上频率相同、相位相等、幅值分别按正弦、余弦规律变化的交变电压：值分别按正弦、余弦规律变化的交变电压：若电气角若电气角已知，只要测出已知，只要测出U2幅值，便能求出与位移对应的角度幅值，便能求出与位移对应的角度。实际测量时，不断调整实际测量时，不断调整，让幅值为零。，让幅值为零。的变化量则代表的变化量则代表对应对应的位移量，就可测得机械位移的位移量，就可测得机械位移x。6.3 感应同步器感应同步器8/3/202434数控技术鉴幅系统结构框图2.3 感应同步器感应同步器数控数控装置装置比较器比较器 D/A转换器转换器 伺服伺服放大器放大器伺服驱伺服驱动机构动机构鉴幅器鉴幅器电压频率电压频率 转换器转换器励磁励磁电路电路8/3/202435数控技术6.3.5 感应同步器的特点感应同步器的特点1.精度高；2.测量范围大；3.环境适应性强，工作可靠；4.维护简单、寿命长，安装方便；5.成本低，工艺性好。6.3 感应同步器感应同步器8/3/202436数控技术6.4光栅光栅通常意义上讲，光栅按用途分有两大类：通常意义上讲，光栅按用途分有两大类：物理光栅物理光栅（衍射光栅）：（衍射光栅）：200200500500条条/，栅距，栅距0.0020.0020.0050.005，主要是利用光的衍射原理，用，主要是利用光的衍射原理，用于光谱分析和光波波长的测定。于光谱分析和光波波长的测定。计量光栅计量光栅：2525条条/、5050条条/、100100条条/、250250条条/等，栅距等，栅距0.0040.0040.250.25，主要是利用光的透，主要是利用光的透射和反射现象，用于射和反射现象，用于数控机床闭环检测系统数控机床闭环检测系统。8/3/202437数控技术6.4光栅光栅6.4.1 光栅的结构和工作原理光栅的结构和工作原理一、结构一、结构 光光栅栅种种类类较较多多。根根据据光光线线在在光光栅栅中中是是透透射射还还是是反反射射分分为为透透射射光光栅栅和和反反射射光光栅栅，透透射射光光栅栅分分辨辨率率较较反反射射光光栅栅高高，其其检检测测精精度度可可达达1m以以上上。从从形形状状上上看看，又又可可分分为为圆圆光光栅栅和和直直线线光光栅栅。圆圆光光栅栅用用于于测测量量转转角角位位移移，直直线线光光栅栅用用于于检检测测直直线线位位移移。两两者者工工作作原原理理基基本本相相似似，本本节节着着重重介介绍一种应用比较广泛的绍一种应用比较广泛的透射式直线光栅透射式直线光栅。8/3/202438数控技术6.4光栅光栅6.4.1 光栅的结构和工作原理光栅的结构和工作原理组成组成：标尺光栅、光栅读数头：标尺光栅、光栅读数头标尺光栅与行程等长，通常光栅长度为标尺光栅与行程等长，通常光栅长度为1m1m，行程大于，行程大于1m1m时，需要将光栅接长。时，需要将光栅接长。安装安装：标尺光栅一般安装在：标尺光栅一般安装在机床活动部件机床活动部件上（如工作台上（如工作台上或丝杠上）上或丝杠上）,光栅读数头安装在光栅读数头安装在机床固定部件机床固定部件上上（如机床底座上）。指示光栅装在光栅读数头中。（如机床底座上）。指示光栅装在光栅读数头中。8/3/202439数控技术6.4光栅光栅光栅读数头组成光栅读数头组成：光源、透镜、指示光光源、透镜、指示光栅、光敏元件、驱动栅、光敏元件、驱动线路。线路。常见结构按常见结构按光路光路分：分：分光读数头分光读数头 垂直入射读数头垂直入射读数头 反射读数头反射读数头作用作用：将莫尔条纹的：将莫尔条纹的光信号转换成电脉冲光信号转换成电脉冲信号。信号。8/3/202440数控技术6.4光栅光栅8/3/202441数控技术直线光栅通常包括一长和一短两块配套使用光栅尺，其直线光栅通常包括一长和一短两块配套使用光栅尺，其中长的称为中长的称为标尺光栅标尺光栅或长光栅，一般固定在机床移动部或长光栅，一般固定在机床移动部件上，要求与行程等长。短的为件上，要求与行程等长。短的为指示光栅指示光栅或短光栅，装或短光栅，装在机床固定部件上。在机床固定部件上。两光栅尺是刻有均匀密集线纹的透明玻璃片，线纹密度两光栅尺是刻有均匀密集线纹的透明玻璃片，线纹密度为为25、50、100、250条条/mm等。线纹之间距离相等，该等。线纹之间距离相等，该间距称为栅距（由所需的测量精度决定），测量时它们间距称为栅距（由所需的测量精度决定），测量时它们相互平行放置，并保持相互平行放置，并保持0.050.1mm的间隙。两块光栅尺的间隙。两块光栅尺的线纹数相等，线纹之间成一定的角度。的线纹数相等，线纹之间成一定的角度。6.4光栅光栅8/3/202442数控技术光栅尺简单示意图光栅尺简单示意图6.4光栅光栅不透光宽度不透光宽度透光宽度透光宽度栅距栅距8/3/202443数控技术二、二、工作原理工作原理 当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一小角度放置时，两光栅尺上线纹互相交叉。成一小角度放置时，两光栅尺上线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠，形成黑色条纹，其它部分为明亮条纹，重叠，形成黑色条纹，其它部分为明亮条纹，这种明暗相间的条纹称为这种明暗相间的条纹称为莫尔条纹莫尔条纹。两条亮（暗）纹间的距离称莫尔条纹宽度两条亮（暗）纹间的距离称莫尔条纹宽度w w。6.4光栅光栅8/3/202444数控技术6.4光栅光栅标尺标尺光栅光栅指示指示光栅光栅均匀刻线均匀刻线夹角夹角移动移动明暗相明暗相间条纹间条纹莫尔条纹莫尔条纹8/3/202445数控技术莫尔条纹具有如下特性：莫尔条纹具有如下特性：1.放大作用放大作用 用用w（mm）表示莫尔条纹）表示莫尔条纹的宽度，的宽度，d(mm)表示栅距，表示栅距，(rad)为光栅线纹之间的夹角，如图所示为光栅线纹之间的夹角，如图所示则有：则有：莫尔条纹宽度莫尔条纹宽度w与角与角成成反比，越小，放大倍数越大。反比，越小，放大倍数越大。放大比放大比k为：为：6.4光栅光栅8/3/202446数控技术2.均化误差作用均化误差作用 莫莫尔尔条条纹纹是是由由光光栅栅的的大大量量刻刻线线共共同同组组成成，例例如如，200条条/mm的的光光栅栅，10mm宽宽的的光光栅栅就就由由2000条条线线纹纹组组成成，这这样样栅栅距距之之间间的的固固有有相相邻邻误误差差就就被被平平均均化化了了，消消除除了了栅栅距距之之间间不不均均匀匀造造成成的的误误差差，提提高高了精度。了精度。3.莫尔条纹的移动与光栅的移动成比例莫尔条纹的移动与光栅的移动成比例（同步性）（同步性）光栅尺移动一个栅距光栅尺移动一个栅距d莫尔条纹移动了一个间距莫尔条纹移动了一个间距w，光栅尺移动方向相反光栅尺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也相反。6.4光栅光栅在一个栅距在一个栅距 d 内，光电元件所检测的光强变化为正内，光电元件所检测的光强变化为正弦（或余弦）变化弦（或余弦）变化。8/3/202447数控技术6.4.2 光栅测量系统光栅测量系统光栅移动，莫尔条纹亮暗交替变化，光栅移动，莫尔条纹亮暗交替变化，光强度分布近光强度分布近似余弦曲线似余弦曲线，由光电元件变为同频率电压信号，经，由光电元件变为同频率电压信号，经光栅位移光栅位移数字变换电路放大、整形、微分输出脉数字变换电路放大、整形、微分输出脉冲。每产生一个脉冲，就代表移动了一个栅距，通冲。每产生一个脉冲，就代表移动了一个栅距，通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离。过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离。6.4光栅光栅8/3/202448数控技术 一个光电元件一个光电元件 只能计数，无法判断移动方向只能计数，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?增加线纹密度，但制造较困难，成本高。采用增加线纹密度，但制造较困难，成本高。采用倍频的方法来提高光栅的分辨精度。倍频的方法来提高光栅的分辨精度。在莫尔条纹的宽度内，放置四个光电元件，每在莫尔条纹的宽度内，放置四个光电元件，每隔隔1/41/4光栅栅距产生一个脉冲，一个脉冲代表移动光栅栅距产生一个脉冲，一个脉冲代表移动了了1/41/4栅距的位移，分辨精度可提高四倍，这就是栅距的位移，分辨精度可提高四倍，这就是四倍频方案。四倍频方案。6.4光栅光栅8/3/202449数控技术光栅测量系统四倍频鉴向电路逻辑图和波形图光栅测量系统四倍频鉴向电路逻辑图和波形图6.4光栅光栅8/3/202450数控技术 鉴向倍频电路作用：辨向、细分，提高光栅的分辨力鉴向倍频电路作用：辨向、细分，提高光栅的分辨力 莫尔条纹原莫尔条纹原1个脉冲信号：个脉冲信号：0、90、180、270都都有脉冲输出，一个周期内送出有脉冲输出，一个周期内送出4个脉冲。分辨力提高个脉冲。分辨力提高4倍。倍。分辨率取决于光栅栅距分辨率取决于光栅栅距d 和鉴向倍频的倍数和鉴向倍频的倍数n，即：分辨，即：分辨率率d/n。例：光栅线纹密度例：光栅线纹密度50条条/mm（栅距（栅距20m），经），经4倍频处理倍频处理后，线纹密度提高到后，线纹密度提高到200条条/mm，工作台每移动，工作台每移动5m送出一送出一个脉冲，即分辨力为个脉冲，即分辨力为5m，提高，提高4倍。倍。6.4光栅光栅用光栅测量位移用光栅测量位移,光栅发出光栅发出22500脉冲脉冲,测得距离为测得距离为112.5mm,光栅的分辨率是多少光栅的分辨率是多少?8/3/202451数控技术6.5 编码器编码器编码器（编码器（码盘码盘）:旋转式测量元件，旋转式测量元件，装在被测轴装在被测轴上，随之一起转动，将被测轴的角位移转换成增量上，随之一起转动，将被测轴的角位移转换成增量脉冲形式或绝对式的代码形式。脉冲形式或绝对式的代码形式。使用的计数制使用的计数制：二进制、二进制循环码（二进制、二进制循环码（格雷码）格雷码）等编码器；等编码器；输出信号的形式输出信号的形式：绝对式、脉冲增量式编码器；：绝对式、脉冲增量式编码器；内部结构和检测方式内部结构和检测方式：接触式、光电式、电磁式。：接触式、光电式、电磁式。8/3/202452数控技术6.5 编码器编码器两种安装方式两种安装方式：编码器和伺编码器和伺服电机同轴联接；服电机同轴联接；联接在滚珠联接在滚珠丝杠末端。丝杠末端。a）内装式；b）外装式1伺服电动机；2编码器8/3/202453数控技术6.5 编码器编码器8/3/202454数控技术6.5 编码器编码器是一种是一种绝对值绝对值式的检测装置，可直接把被测式的检测装置，可直接把被测转角用数字代码表示出来，每一个角度位置转角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。均有唯一对应的代码。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。6.5.1 6.5.1 接触式编码器接触式编码器8/3/202455数控技术6.5 编码器编码器8/3/202456数控技术6.5 编码器编码器 常用光电式编码器（光电码盘、光电脉冲发生常用光电式编码器（光电码盘、光电脉冲发生器、光电脉冲编码器）为器、光电脉冲编码器）为增量式增量式光电编码器，是一光电编码器，是一种旋转式脉冲发生器把机械转角变成电脉冲，是数种旋转式脉冲发生器把机械转角变成电脉冲，是数控机床常用的角位移检测元件，也可用于角速度检控机床常用的角位移检测元件，也可用于角速度检测。测。它的型号用脉冲数它的型号用脉冲数/转（转（/）来区分。数控）来区分。数控机机床常用编码器：根据丝杠螺距来选用。床常用编码器：根据丝杠螺距来选用。6.5.2 6.5.2 光电式编码器光电式编码器8/3/202457数控技术高分辨率脉冲编码器：每转发出高分辨率脉冲编码器：每转发出10万乃至几百万个脉冲的编万乃至几百万个脉冲的编码器已使用，该类脉冲编码器装置内部应用了微处理器。码器已使用，该类脉冲编码器装置内部应用了微处理器。数控机床常用编码器：根据数控机床常用编码器：根据丝杠螺距丝杠螺距来选用。来选用。脉冲编码器脉冲编码器每转脉冲移动量（每转脉冲移动量（mmmm）20002000脉冲脉冲r r2 2，3 3，4 4，6 6，8 825002500脉冲脉冲r r5 5，101030003000脉冲脉冲r r3 3，6 6，1212脉冲编码器脉冲编码器每转脉冲移动量（每转脉冲移动量（mm）20000脉冲脉冲r2，3，4，6，825000脉冲脉冲r5，1030000脉冲脉冲r3，6，126.5 编码器编码器8/3/202458数控技术一、一、光电光电脉冲编码器的结构脉冲编码器的结构 光电式脉冲编码器通常与电机做在一起光电式脉冲编码器通常与电机做在一起(内装式），或者内装式），或者安装在电机非轴伸端（外装式），电动机可直接与滚珠丝杠安装在电机非轴伸端（外装式），电动机可直接与滚珠丝杠相连，或通过减速比为相连，或通过减速比为i的减速齿轮，然后与滚珠丝杠相连，的减速齿轮，然后与滚珠丝杠相连，那么每个脉冲对应机床工作台移动的距离可用下式计算：那么每个脉冲对应机床工作台移动的距离可用下式计算：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）。6.5 编码器编码器8/3/202459数控技术组成：组成：光源光源、聚光镜聚光镜、光栏板光栏板、光电码盘光电码盘、光电元件光电元件及及信号处信号处理电路理电路组成组成 在一个圆盘的圆周上刻有在一个圆盘的圆周上刻有相等间距的线纹相等间距的线纹，分为透明和不透，分为透明和不透明的部分，称为光电码盘（明的部分，称为光电码盘（圆光栅圆光栅）。光电码盘随工作轴一起。光电码盘随工作轴一起旋转。旋转。与光电码盘相对与光电码盘相对平行平行地放置一个固定的地放置一个固定的扇形薄片扇形薄片，称为光栏，称为光栏板（板（指示光栅指示光栅），上面刻有，上面刻有相差相差1/4节距节距的两个狭缝的两个狭缝(在同一圆在同一圆周上，称为周上，称为辨向狭缝辨向狭缝)。光电码盘里圈的不透光圆环上还刻有一条透光条纹光电码盘里圈的不透光圆环上还刻有一条透光条纹Z作为参作为参考标记，用来产生考标记，用来产生“一转脉冲一转脉冲”信号，即码盘转一周时发出一信号，即码盘转一周时发出一个个脉冲，通常称其为脉冲，通常称其为“零点脉冲零点脉冲”，该脉冲以差动形式输出，用，该脉冲以差动形式输出，用作作测量标准。测量标准。6.5 编码器编码器8/3/202460数控技术光电脉冲编码器结构示意图光电脉冲编码器结构示意图 当光电码盘与工作轴一起旋转时，光线通过光栏板和光电码当光电码盘与工作轴一起旋转时，光线通过光栏板和光电码盘产生明暗相间的变化，由光电元件接受。通过信号处理电盘产生明暗相间的变化，由光电元件接受。通过信号处理电路将光信号转换成电脉冲信号。路将光信号转换成电脉冲信号。6.5 编码器编码器8/3/202461数控技术A组与组与B组两组狭缝，彼此错开组两组狭缝，彼此错开1/4节距，两组狭节距，两组狭缝相对应的光敏元件产生的信号缝相对应的光敏元件产生的信号A、B彼此相差彼此相差90相位，用于辩向。相位，用于辩向。6.5 编码器编码器8/3/202462数控技术二、二、光电光电脉冲编码器的脉冲编码器的工作原理工作原理如何进行位置和速度的测量如何进行位置和速度的测量?根据脉冲数目可得被测轴的角位移；根据脉冲数目可得被测轴的角位移；根据脉冲频率可得被测轴的转速。根据脉冲频率可得被测轴的转速。如何辨别转轴方向如何辨别转轴方向?根据根据A、B两相相位超前滞后两相相位超前滞后 关系可判断被测轴旋转方向。关系可判断被测轴旋转方向。如何提高分别率如何提高分别率?后续电路可利用后续电路可利用A、B两相的两相的90相位差进行细分处理相位差进行细分处理（四倍频电路实现）。（四倍频电路实现）。6.5 编码器编码器8/3/202463数控技术思考思考：用光电脉冲编码器测某轴转速，：用光电脉冲编码器测某轴转速，2min测得测得17800个脉冲个脉冲,已知编码器每转已知编码器每转950个脉冲个脉冲,则轴的则轴的转速是多少转速是多少?码盘里圈，有一条狭缝码盘里圈，有一条狭缝C，每转能产生，每转能产生1个脉冲，个脉冲，该脉冲信号又称该脉冲信号又称“零点脉冲零点脉冲”，作为测量的起始，作为测量的起始基准。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。6.5 编码器编码器8/3/202464数控技术测量精度为能分辨的最小角度，分辨角测量精度为能分辨的最小角度，分辨角360/狭缝数。如狭缝数。如条纹数为条纹数为1024，则则 360/1024 0.352。光电编码器的输出信号为差动信号，进行倍频处理，进一步光电编码器的输出信号为差动信号，进行倍频处理，进一步提高分辨率。提高分辨率。例如：配置例如：配置2000脉冲脉冲r光电编码器的伺服电机直接驱动光电编码器的伺服电机直接驱动8mm螺距的滚珠丝杠，经螺距的滚珠丝杠，经4倍频处理后，相当于倍频处理后，相当于8000脉冲脉冲r的角度分辨率，对应工作台的直线分辨率由倍频前的的角度分辨率，对应工作台的直线分辨率由倍频前的0.004mm提高到提高到0.001mm。6.5 编码器编码器8/3/202465数控技术光电式编码器光电式编码器优点优点：没有接触磨损，码盘寿命长，允许转速高，最外没有接触磨损，码盘寿命长，允许转速高，最外圈每片宽度可做得很小，因而精度高。圈每片宽度可做得很小，因而精度高。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。编码器在数控机床中的编码器在数控机床中的应用应用：1.位置检测位置检测(进给系统进给系统)2.C轴控制轴控制(主轴控制主轴控制)定向停止定向停止 螺纹加工螺纹加工 3.测速测速6.5 编码器编码器8/3/202466数控技术思考：思考：工作方式工作方式检测元件检测元件绝对式绝对式增量式增量式数字式数字式模拟式模拟式直接式直接式间接式间接式旋转式旋转式变压器变压器直线式直线式感应同感应同步器步器长光栅长光栅脉冲编脉冲编码器码器8/3/202467数控技术本章作业本章作业1、数控机床对位置检测装置有何要求?怎样对位置检测装置进行分类?2、简述旋转变压器的工作原理，并说明它的应用。3、简述感应同步器的工作原理，并说明它的应用。4、简述光栅的构成和工作原理。5、简述光电脉冲编码器的构成和工作原理。8/3/202468数控技术信号处理装置信号处理装置abz码盘基片透镜光源光敏元件透光狭缝光欄板节距m+/48/3/202469数控技术