第6章 位置检测装置

1、 位置检测装置位置检测装置 输输 入入 装装 置置 输输 出出 装装 置置 计计 算算 机机 数数 控控 装装 置置 PLCPLC 主轴控制单元主轴控制单元主轴主轴 机床机床 伺服电机伺服电机速度控制单元速度控制单元 工工 作作 台台 位置检测反馈装置位置检测反馈装置 数控机床的组成数控机床的组成 6.1 6.1 概概 述述 组成：组成：位置测量装置是由位置测量装置是由检测元件检测元件（传感器）和（传感器）和信号信号 处理装置处理装置组成的。组成的。 作用：作用：实时实时测量执行部件的测量执行部件的位移位移和和速度速度信号，并变换信号，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

2、成位置控制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置 反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。它是闭环、半闭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部分。环进给伺服系统的重要组成部分。 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测装置的精度决定的，在设计数控机床进给伺服系统，尤，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其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择位置检测装置 。 位置检测装置按工作条件和测量要求不同，有下面位置检测装置按工作条件和测量要求不同，有下

3、面 几种分类方法：几种分类方法： 6.1 6.1 概概 述述 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、光电效应、光栅效应、 电磁感应原理、压电效应、电磁感应原理、压电效应、 压阻效应和磁阻效应压阻效应和磁阻效应等。等。 6.1 6.1 概概 述述 直接测量直接测量和和间接测量间接测量 将直线型检测装置安装在将直线型检测装置安装在移动部件上移动

4、部件上，用来直接测量，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。成位置闭环控制。 优点：准确性高、可靠性好优点：准确性高、可靠性好 缺点：测量装置要和工作台行程等长，大型数控机床上受制。缺点：测量装置要和工作台行程等长，大型数控机床上受制。 直接测量直接测量 将旋转型检测装置安装在驱动将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上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，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。作为

5、半闭环伺服系统的位置反馈用。 优点：测量方便、无长度限制优点：测量方便、无长度限制 缺点：测量信号中增加了由回转运动转变为直线运动的传缺点：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，影响测量精度。动链误差，影响测量精度。 间接测量间接测量 数字式测量数字式测量和和模拟式测量模拟式测量 将被测的量以数字形式来表示，测量信号一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。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。信号抗干扰能力强、处理简单。 数字式测量数字式测量 将被测的量用连续变量来表示，如电压变化、

6、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。相位变化等。它对信号处理的方法相对来说比较复杂。 模拟量测量模拟量测量 增量式测量增量式测量 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，如测量单位为只测相对位移量，如测量单位为0.001mm0.001mm，则每移动，则每移动0.001mm0.001mm就就 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，点都可以作

7、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。但一旦计数有误，以后测量所得结果完全错误。 增量式测量增量式测量和和绝对式测量绝对式测量 绝对式测量绝对式测量 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，便有一组二进制位数。显

8、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。则所要求的二进制位数也愈多，结构就愈复杂。 数控机床检测装置分类数控机床检测装置分类 分 类 增 量 式 绝 对 式 位移 传感器 回转型脉冲编码器、自整 角机 、旋转变压器、圆感应同 步器 、光栅角度传感器 、圆 光栅、圆磁栅 多极旋转变压器 、绝对 脉冲编码器 绝对值式光 栅 、 三速圆感应同步器 、磁阻式多极旋转变压器 直线型直线应同步器 、光 栅尺、磁栅尺 、激光干涉仪 霍耳位置传感器 三速感应同步器 、绝对 值磁尺、光电编码尺 、磁 性编码器 速度 传感器 交、直流测速发电机 、 数字 脉编码式速度传感器 、

9、霍耳速 度传感器 速度角度传感器（ Tachsyn）、数字电磁、磁 敏式速度传感器 电流 传感器 霍耳电流传感器 6.1 6.1 概概 述述 数控机床对位置检测装置的要求如下：数控机床对位置检测装置的要求如下： （1 1）工作可靠，抗干扰能力强；工作可靠，抗干扰能力强； （2 2）满足精度和速度的要求；满足精度和速度的要求； （3 3）易于安装，维护方便，适应机床工作环境；）易于安装，维护方便，适应机床工作环境；成本成本 低。低。 6.1 6.1 概概 述述 性能指标应包括性能指标应包括静态特性静态特性和和动态特性动态特性，主要如下。，主要如下。 1.1.精度精度 符合输出量与输入量之间特定函

10、数关系的准确程度称作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。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 灵敏度高、一致。灵敏度高、一致。 4.4.迟滞迟滞 对某一输入量，传感器的正行程的输出量与反行程的输对某一输入量，传感器的正行程的输出量与反行程的输 出量的不一致，称为迟滞。迟滞小。出量的不一致，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

11、性强、使用维护方便、成本低等。 6.1 6.1 概概 述述 旋旋 转转 变变 压压 器器 感感 应应 同同 步步 器器 光光 栅栅 尺尺 编编 码码 器器 磁磁 栅栅 6.3 6.3 感应同步器感应同步器 6.4 6.4 光栅光栅 6.5 6.5 编码盘编码盘 6.2 6.2 旋转变压器旋转变压器 6.6 6.6 磁栅磁栅 6.7 6.7 激光干涉仪激光干涉仪 6.2 6.2 旋转变压器旋转变压器 旋转变压器（旋转变压器（resolver/transformerresolver/transformer）是）是 一种电磁式传感器，又称一种电磁式传感器，又称同步分解器同步分解器。它是一。它是一 种

12、种测量角度测量角度用的小型交流电动机，用来测量旋用的小型交流电动机，用来测量旋 转物体的转轴角位移和角速度，由定子和转子转物体的转轴角位移和角速度，由定子和转子 组成。组成。 6.2 6.2 旋转变压器旋转变压器 1.1.结构结构 有刷旋转变压器有刷旋转变压器 结构上看，旋转变压器相当结构上看，旋转变压器相当 于一台两相的绕线转子异步于一台两相的绕线转子异步 电动机。电动机。其一、二次侧绕组其一、二次侧绕组 分别放在定、转子上，一次分别放在定、转子上，一次 侧绕组与二次侧绕组之间的侧绕组与二次侧绕组之间的 电磁耦合程度与转子的转角电磁耦合程度与转子的转角 密切相关，输出电压与转子密切相关，输出

13、电压与转子 转角成一定函数关系。转角成一定函数关系。 按照输出电压与转子转角间的函数关系，旋转按照输出电压与转子转角间的函数关系，旋转 变压器可以分为：变压器可以分为： （1 1）正余弦旋转变压器正余弦旋转变压器 （2 2）线性旋转变压器线性旋转变压器 （3 3）特种函数旋转变压器特种函数旋转变压器 输出电压与转子转角成正余弦函数关系输出电压与转子转角成正余弦函数关系 输出电压在一定转角范围内与转子转角输出电压在一定转角范围内与转子转角 成正比成正比 可见，旋转变压器是将角度信号转换成与其成可见，旋转变压器是将角度信号转换成与其成 某种函数关系的电压信号，其主要用途就是进行三某种函数关系的电压

14、信号，其主要用途就是进行三 角函数计算、坐标变换和角度数据传输等。角函数计算、坐标变换和角度数据传输等。 正余弦旋转变压器正余弦旋转变压器为例为例 正弦绕组正弦绕组 2.2.工作原理工作原理 6.2 6.2 旋转变压器旋转变压器 1 U S1 S2 S3 S4 R2 R1 q q (a)(b) 旋转变压器的绕组结构旋转变压器的绕组结构 定子绕组定子绕组转子绕组转子绕组 余弦绕组余弦绕组 励磁绕组电压励磁绕组电压： 1 sin m UUt 输出绕组感应电压：输出绕组感应电压： 21 sin m EkUkUt 任意夹角任意夹角时：时： 21 sinsinsin m EkUkUtqq 转子绕组输出电

15、压的幅值严格按照转子偏转角的转子绕组输出电压的幅值严格按照转子偏转角的 正弦规律正弦规律变化变化 3.3.应用应用 6.2 6.2 旋转变压器旋转变压器 (b) 转子绕组转子绕组 正弦绕组正弦绕组 1 U S1 S2 S3 S4 (a) 定子绕组定子绕组 余弦绕组余弦绕组 R2 R1 q q 鉴相工作方式鉴相工作方式 鉴幅工作方式鉴幅工作方式 sin cos sm cm VUt VUt cos() m UKUtq 机 （1 1）鉴相工作方式）鉴相工作方式 给定子正交绕组分别输入的激磁信号是频率、幅值相同，给定子正交绕组分别输入的激磁信号是频率、幅值相同， 相位相差相位相差90900 0的交流励

16、磁电压的交流励磁电压 根据叠加原理，转子绕组上的总感应电压为根据叠加原理，转子绕组上的总感应电压为 通过通过鉴别转子绕组鉴别转子绕组输出电压的输出电压的相位相位，即可测量转子，即可测量转子 相对定子的转角，从而可以求得执行部件的直线位移或相对定子的转角，从而可以求得执行部件的直线位移或 角位移。角位移。 sinsin cossin sm cm UUt UUt q q 电 电 Ucossin m KUtqq 电机 （2 2）鉴幅工作方式）鉴幅工作方式 给定子正交绕组输入的激磁信号电压频率相同、相位相给定子正交绕组输入的激磁信号电压频率相同、相位相 同但幅值不同。同但幅值不同。 式中式中 给定的电

17、气角。给定的电气角。 则在转子绕组产生的总感应电压为则在转子绕组产生的总感应电压为 q电 由式可知，若电气角由式可知，若电气角 已知，只要测出已知，只要测出U U的幅值，便能的幅值，便能 求机械角位移求机械角位移 。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KUmKUm， 则则 的变化量就代表了机械角位移的变化量就代表了机械角位移 。q机 q电 q电 q电 q机 主要技术数据主要技术数据 (1) (1) 额定电压。额定电压。 指励磁绕组应加的电压，有指励磁绕组应加的电压，有1212、1616、 2626、3636、6060、9090、110110、115115、220V2

18、20V等几种。等几种。 (2) (2) 额定频率。额定频率。 指励磁电压的频率，有指励磁电压的频率，有50Hz50Hz、400Hz400Hz、 500Hz500Hz等。选择时应根据自己的需要，一般工频等。选择时应根据自己的需要，一般工频50Hz50Hz的使的使 用起来比较方便，但性能会差一些，而用起来比较方便，但性能会差一些，而400Hz400Hz的性能较好，的性能较好， 但成本较高，故应选择性价比比较适中的产品。但成本较高，故应选择性价比比较适中的产品。 4.4.选用选用 6.2 6.2 旋转变压器旋转变压器 (3) (3) 变比。变比。指在规定的励磁一方的励磁绕组上加上额指在规定的励磁一方

19、的励磁绕组上加上额 定频率的额定电压时，与励磁绕组轴线一致的处于零位的定频率的额定电压时，与励磁绕组轴线一致的处于零位的 非励磁一方绕组的开路输出电压与励磁电压的比值，有非励磁一方绕组的开路输出电压与励磁电压的比值，有 0.150.15、0.560.56、0.650.65、0.780.78、1.01.0和和2.02.0等几种。等几种。 (4) (4) 输出相位移。输出相位移。 指输出电压与输入电压的相位差。指输出电压与输入电压的相位差。 该值越小越好，一般约在该值越小越好，一般约在33l2l2电角度左右。电角度左右。 (5) (5) 开路输入阻抗（空载输入阻抗）。开路输入阻抗（空载输入阻抗）。

20、 输出绕组开路输出绕组开路 时，从励磁绕组看进去的等效阻抗值。标准开路输入阻抗时，从励磁绕组看进去的等效阻抗值。标准开路输入阻抗 有有200200、400400、600600、10001000、20002000、30003000、40004000、60006000和和 1000010000等几种。等几种。 主要技术数据主要技术数据 6.3 6.3 感应同步器感应同步器 感应同步器和旋转变压器均为感应同步器和旋转变压器均为电磁式电磁式检测装置，检测装置， 属属模拟式模拟式测量，二者工作原理相同，其输出电压随测量，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。被测直线位移或角位移而改

21、变。 6 6. .3 3 感应同步器感应同步器 感应同步器按其结构特点一般分为：感应同步器按其结构特点一般分为： 直线式直线式 旋转式旋转式 旋转式旋转式感应同步器由转子和感应同步器由转子和 定子组成，用于角位移测量。定子组成，用于角位移测量。 直线式直线式感应同步感应同步 器由定尺和滑尺器由定尺和滑尺 组成，用于直线组成，用于直线 位移测量。位移测量。 直直 线线 感感 应应 同同 步步 器器 结结 构构 U2 定尺 滑尺 余弦绕组正弦绕组 US Uc 5.5.1.11.1 结构特点结构特点 直线感应同步器相当于一个展开的多极旋转变压器，其直线感应同步器相当于一个展开的多极旋转变压器，其 结

22、构如图所示，定尺和滑尺的基板采用与机床热膨胀系数相结构如图所示，定尺和滑尺的基板采用与机床热膨胀系数相 近的钢板制成，钢板上用绝缘粘结剂贴有铜箔，并利用腐蚀近的钢板制成，钢板上用绝缘粘结剂贴有铜箔，并利用腐蚀 的办法做成图示的印刷绕组。长尺叫的办法做成图示的印刷绕组。长尺叫定尺定尺，安装在机床床身，安装在机床床身 上，短尺为上，短尺为滑尺滑尺，安装于移动部件上，两者平行放置，保持，安装于移动部件上，两者平行放置，保持 0.250.250.05mm0.05mm间隙。间隙。 感应同步器两个单元绕组之间的距离为感应同步器两个单元绕组之间的距离为节距节距，滑尺和定，滑尺和定 尺的节距均为尺的节距均为2

23、 2，这是衡量感应同步器精度的主要参数。，这是衡量感应同步器精度的主要参数。 标准感应同步器定尺长标准感应同步器定尺长250mm250mm，滑尺长，滑尺长100mm100mm，节距为，节距为2mm2mm。 定尺上是单向、均匀、连续的感应绕组，滑尺有两组绕组，定尺上是单向、均匀、连续的感应绕组，滑尺有两组绕组， 一组为一组为正弦绕组正弦绕组，另一为，另一为余弦绕组余弦绕组。当正弦绕组与定尺绕组。当正弦绕组与定尺绕组 对齐时，余弦绕组与定尺绕组相差对齐时，余弦绕组与定尺绕组相差1/41/4节距。节距。 U2 定尺 滑尺 余弦绕组正弦绕组 US Uc 2 当滑尺任意一绕组加交流激磁电压时，由于当滑尺

24、任意一绕组加交流激磁电压时，由于电磁感应电磁感应作作 用，在定尺绕组中必然产生用，在定尺绕组中必然产生感应电压感应电压，该感应电压取决于滑，该感应电压取决于滑 尺和定尺的尺和定尺的相对位置相对位置。当只给滑尺上正弦绕组加励磁电压时。当只给滑尺上正弦绕组加励磁电压时 ，定尺感应电压与定、滑尺的相对位置关系如图所示。，定尺感应电压与定、滑尺的相对位置关系如图所示。 定 尺 滑 A 尺 Bt2 4 1 位 Ct2 2 1 置 Dt2 4 3 E t2 E A V2 正弦绕组 B D C O P 移动距离 定 尺 滑 A 尺 Bt2 4 1 位 Ct2 2 1 置 Dt2 4 3 E t2 如果滑尺处

25、于如果滑尺处于A A位置，即滑尺位置，即滑尺 绕组与定尺绕组完全对应重合，定绕组与定尺绕组完全对应重合，定 尺绕组线圈中穿入的磁通最多，则尺绕组线圈中穿入的磁通最多，则 定尺上的感应电压最大。随着滑尺定尺上的感应电压最大。随着滑尺 相对定尺做平行移动，穿入定尺的相对定尺做平行移动，穿入定尺的 磁通逐渐减少，感应电压逐渐减小。磁通逐渐减少，感应电压逐渐减小。 当滑尺移到图中当滑尺移到图中B B点位置，与定尺点位置，与定尺 绕组刚好错开绕组刚好错开1/41/4节距时，感应电节距时，感应电 压为零。再移动至压为零。再移动至1/21/2节距处，即节距处，即 图中图中C C点位置时，定尺线圈中穿出点位置

26、时，定尺线圈中穿出 的磁通最多，感应电压最大，但极的磁通最多，感应电压最大，但极 性相反。再移至性相反。再移至3/43/4节距，即图中节距，即图中D D 点位置时，感应电压又变为零，当点位置时，感应电压又变为零，当 移动一个节距位置如图中移动一个节距位置如图中E E点，又点，又 恢复到初始状态，与恢复到初始状态，与A A点相同。显点相同。显 然，在定尺移动一个节距的过程中，然，在定尺移动一个节距的过程中， 感应电压近似于余弦函数变化了一感应电压近似于余弦函数变化了一 个周期，如图中个周期，如图中ABCDEABCDE。 t q 22 x t t q xx 2 2 UU sin sm t 2 UU

27、 cosU cossin sm KKtqq 若设定尺绕组节距为若设定尺绕组节距为22，它对应的感应电压以余弦函数变化了，当滑，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。由比例关系尺移动距离为时，则对应感应电压以余弦函数变化相位角。由比例关系 可得可得 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 K耦合系数；耦合系数； UmUm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。 U 感应电压的幅值变化规律就是一个周期

28、性的余弦曲线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位移点，。在一个周期内，感应电压的某一幅值对应两个位移点， 如图中如图中M M、N N两点。为确定唯一位移，在滑尺上与正弦绕组两点。为确定唯一位移，在滑尺上与正弦绕组 错开错开1/41/4节距处，配置了余弦绕组。同样，若在滑尺的余弦节距处，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，也能得出定尺绕组感应电压与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，它们之间为正弦函数关系两尺相对位移的关系曲线，它们之间为正弦函数关系( (图中图中 OP)OP

29、)。若滑尺上的正、余弦绕组同时励磁，就可以分辨出感。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定的位移。应电压值所对应的唯一确定的位移。 E A V2 M N 正弦绕组 余弦绕组 B D C O P UUsin UUcos sm cm t t 2 UU coscos + U sincosU cos() 2 mmm KtKtKt qqq 1. 1. 鉴相工作方式鉴相工作方式 供给滑尺的正、余弦绕组的激磁信号是频率、幅值相同，供给滑尺的正、余弦绕组的激磁信号是频率、幅值相同， 相位相差相位相差90900 0的交流励磁电压的交流励磁电压 根据叠加原理，定尺上的总感应电压为

30、根据叠加原理，定尺上的总感应电压为 通过通过鉴别鉴别定尺感应输出电压的定尺感应输出电压的相位相位，即可测量定尺，即可测量定尺 和滑尺之间的相对位移。例如定尺感应输出电压与滑尺和滑尺之间的相对位移。例如定尺感应输出电压与滑尺 励磁电压之间的相位差为励磁电压之间的相位差为3.63.60 0，当节距为，当节距为2mm2mm的情况下，的情况下， 表明滑尺移动了表明滑尺移动了? ? 有两种工作方式，有两种工作方式，鉴相式鉴相式和和鉴幅式鉴幅式。 应用应用 0.02mm0.02mm tUU tUU mc ms sincos sinsin Usincos m KUtq 2 2. 2. 鉴幅工作方式鉴幅工作方

31、式 供给滑尺上正、余弦绕组的励磁电压的频率相同、相位供给滑尺上正、余弦绕组的励磁电压的频率相同、相位 相同但幅值不同。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 式中式中 与位移对应的角度。与位移对应的角度。 鉴幅式伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映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令信号进机械位移的数值，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。行比较构成闭环伺服系统。 由式可知，若电气角由式可知，若电气角已知，只要测出已知，只要测出U

32、U2 2的幅值，便的幅值，便 能求出与位移对应的角度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。设初始位置时，让幅值为零。设初始位置时，=，U U2 20 0，当滑尺相对，当滑尺相对 定尺移动后，随着定尺移动后，随着不断增加，不断增加，U U2 2 0 0 。若逐渐。若逐渐 改变改变值，直至值，直至=，U U2 20 0，此时，此时的变化量就代表了的变化量就代表了 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。 Usincos m KUtq 2 6.4 6.4 光栅光栅 光栅光栅 光学原理光学原理 根据光线在光栅中是透射还是反射分为透射光

33、栅和反射根据光线在光栅中是透射还是反射分为透射光栅和反射 光栅，透射光栅分辨率较反射光栅高，其检测精度可达光栅，透射光栅分辨率较反射光栅高，其检测精度可达1m1m 以上。以上。 从形状上看，又可分为圆光栅和直线光栅。圆光栅用于从形状上看，又可分为圆光栅和直线光栅。圆光栅用于 测量转角位移，直线光栅用于检测直线位移。两者工作原理测量转角位移，直线光栅用于检测直线位移。两者工作原理 基本相似，本节着重介绍一种应用比较广泛的透射式直线光基本相似，本节着重介绍一种应用比较广泛的透射式直线光 栅。栅。 直线光栅通常包括一长和一短两块配套使用，其中长的直线光栅通常包括一长和一短两块配套使用，其中长的 称为

34、称为标尺光栅标尺光栅或长光栅，一般固定在或长光栅，一般固定在机床床身机床床身上，要求与行上，要求与行 程等长。短的为程等长。短的为指示光栅指示光栅或短光栅，装在或短光栅，装在机床工作台机床工作台上。两上。两 光栅尺是刻有均匀密集线纹的透明玻璃片，线纹密度为光栅尺是刻有均匀密集线纹的透明玻璃片，线纹密度为2525、 5050、100100、250250条条/mm/mm等。线纹之间距离相等，该间距称为等。线纹之间距离相等，该间距称为栅距栅距， 测量时它们相互平行放置，并保持测量时它们相互平行放置，并保持0.050.1mm0.050.1mm的间隙。的间隙。 1.1.长光栅检测装置的结构长光栅检测装置

35、的结构 6.4 6.4 光栅光栅 图图 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 V S 3 1 2 4 31245 标尺光栅标尺光栅 图图 光栅读数头光栅读数头 1-1-光源光源 2-2-透镜透镜 3-3-指示光栅指示光栅 4-4-光敏元件光敏元件 5-5-驱动线路驱动线路 主要结构为主要结构为标尺光栅标尺光栅和和指示光栅指示光栅 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） 6.4 6.4 光栅光栅 40 当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一小角度当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹

36、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重叠，遮光面积最小，档光效应叉点附近的小区域内黑线重叠，遮光面积最小，档光效应 最弱，形成明亮条纹，其它部分为黑色条纹，这种明暗相最弱，形成明亮条纹，其它部分为黑色条纹，这种明暗相 间的条纹称为间的条纹称为莫尔条纹莫尔条纹。莫尔条纹与光栅线纹几乎成垂直。莫尔条纹与光栅线纹几乎成垂直 方向排列。严格地说，是与两片光栅线纹夹角的平分线相方向排列。严格地说，是与两片光栅线纹夹角的平分线相 垂直。垂直。 6.4 6.4 光栅光栅 2.2.工作原理工作原理 6.4 6.

37、4 光栅光栅 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 由于光的衍射与干涉作用，莫尔条纹的变化规律近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。似正（余）弦函数。 6.4 6.4 光栅光栅 （2 2）放大作用）放大作用 莫尔条纹宽度莫尔条纹宽度W W和光栅栅距和光栅栅距d d、栅线夹角、栅线夹角之间关系：之间关系： 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/ 莫尔条纹宽度莫尔条纹宽度W W与角成反比与角成反比， 越小，放大倍数越大。越小，放大倍数越大。 例如例如 d = d =

38、0.01, 0.01, = = 0.01rad, 0.01rad, 得得W W =1mm, =1mm, 放放 大大100100倍倍 标尺光栅 W 指示光栅（斜） d 6.4 6.4 光栅光栅 （3 3）均化误差作用）均化误差作用 莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同组成，例如，莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同组成，例如，200200 条条/mm/mm的光栅，的光栅，10mm10mm宽的光栅就由宽的光栅就由20002000条线纹组成，这样条线纹组成，这样 栅距之间的固有相邻误差就被平均化了，消除了栅距之栅距之间的固有相邻误差就被平均化了，消除了栅距之 间不均匀造成的误差。间不均匀造成的误差。 6.4 6

39、.4 光栅光栅 （4 4）莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例）莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例 当光栅尺移动一个栅距当光栅尺移动一个栅距d d时，莫尔条纹也刚好移动了一个时，莫尔条纹也刚好移动了一个 条纹宽度条纹宽度W W。只要通过光电元件测出莫尔条纹的数目，就可知。只要通过光电元件测出莫尔条纹的数目，就可知 道光栅移动了多少个栅距，工作台移动的距离可以计算出来。道光栅移动了多少个栅距，工作台移动的距离可以计算出来。 若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动方向也相反若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动方向也相反 标尺光栅 W 指示光栅（斜） d 标尺方向 指示尺转角方向 莫尔条纹方向 标尺方向 指示尺

40、转角方向 莫尔条纹方向 6.4 6.4 光栅光栅 P1 P2 P3 P4 指示光栅 标尺光栅 硅光电池 聚光镜 光源 图图光栅测量系统光栅测量系统 光栅测量系统，由光栅测量系统，由光源、聚光镜、光栅尺、光电元件和驱动线路光源、聚光镜、光栅尺、光电元件和驱动线路组成。组成。 读数头光源采用普通的灯泡，发出辐射光线，经过聚光镜后变为平行光束，读数头光源采用普通的灯泡，发出辐射光线，经过聚光镜后变为平行光束， 照射光栅尺。光电元件（常使用硅光电池）接受透过光栅尺光强信号，并照射光栅尺。光电元件（常使用硅光电池）接受透过光栅尺光强信号，并 将其转换成相应的电压信号。由于此信号比较微弱，在长距离传递时，

41、很将其转换成相应的电压信号。由于此信号比较微弱，在长距离传递时，很 容易被各种干扰信号淹没，造成传递失真，驱动线路的作用就是将电压信容易被各种干扰信号淹没，造成传递失真，驱动线路的作用就是将电压信 号进行电压和功率放大。号进行电压和功率放大。 除除标尺光栅与工标尺光栅与工 作台一起移动外作台一起移动外，光，光 源、聚光镜、指示光源、聚光镜、指示光 栅、光电元件和驱动栅、光电元件和驱动 线路均装在一个壳体线路均装在一个壳体 内，作成一个单独部内，作成一个单独部 件固定在机床上，这件固定在机床上，这 个部件称为个部件称为光栅读数光栅读数 头头，又叫光电转换器，又叫光电转换器， 其作用把光栅莫尔条其

42、作用把光栅莫尔条 纹的光信号变成电信纹的光信号变成电信 号。号。 采用一个光电元件即只开一个窗口观察，只能计数，采用一个光电元件即只开一个窗口观察，只能计数， 却无法判断移动方向。因为无论莫尔条纹上移或下移，从却无法判断移动方向。因为无论莫尔条纹上移或下移，从 一固定位置看其明暗变化是相同的。为了确定运动方向，一固定位置看其明暗变化是相同的。为了确定运动方向， 至少要放置两个光电元件至少要放置两个光电元件，两者相距，两者相距1/41/4莫尔条纹宽度。莫尔条纹宽度。 当光栅移动时，莫尔条纹通过两个光电元件的时间不同，当光栅移动时，莫尔条纹通过两个光电元件的时间不同， 所以两个光电元件所获得的电信

43、号虽然波形相同，但相位所以两个光电元件所获得的电信号虽然波形相同，但相位 相差相差9090o o。根据两光电元件输出信号的超前和滞后，可以。根据两光电元件输出信号的超前和滞后，可以 确定标尺光栅移动方向。确定标尺光栅移动方向。 （1 1） 增加线纹密度，能提高光栅检测装置的精度，但增加线纹密度，能提高光栅检测装置的精度，但 制造较困难，成本高。制造较困难，成本高。 应用光栅，如何提高机床测量精度？应用光栅，如何提高机床测量精度？ （2 2）通常采用）通常采用倍频或细分倍频或细分的方法来提高光栅的分辨精的方法来提高光栅的分辨精 度，如果在莫尔条纹的宽度内，放置四个光电元件，每隔度，如果在莫尔条纹

44、的宽度内，放置四个光电元件，每隔 1/41/4光栅栅距产生一个脉冲，一个脉冲代表移动了光栅栅距产生一个脉冲，一个脉冲代表移动了1/41/4栅距栅距 那么大位移，分辨精度可提高四倍，这就是那么大位移，分辨精度可提高四倍，这就是四倍频四倍频方案。方案。 Y6 微 分 微 分 微 分 整 形 P1 P2 P4 P3 差 动 放 大 器 差 动 放 大 器 整 形 反 相 反 相 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y7 Y8 微 分 B A D C 原理电路图 sin cos A C B D AB CD BC BC CD AD AB AD H2 H1 sin cos A B C D A B C D 正向

45、相加AB+AD+CD+BC 反向 相加BC+CD+AD+AB 四倍频辨向电路波形 若光栅栅距若光栅栅距0.01mm0.01mm，则工作台每移动，则工作台每移动0.0025mm0.0025mm，就，就 会送出一个脉冲，即分辨率为会送出一个脉冲，即分辨率为0.0025mm0.0025mm。由此可见，光。由此可见，光 栅检测系统的分辨力不仅取决于光栅尺的栅距，还取决栅检测系统的分辨力不仅取决于光栅尺的栅距，还取决 于鉴向倍频的倍数。除四倍频以外，还有十倍频、二十于鉴向倍频的倍数。除四倍频以外，还有十倍频、二十 倍频等。倍频等。 6.5 6.5 编码盘编码盘 脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械

46、转角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。变成电脉冲。 6.5 6.5 编码盘编码盘 从从输出信号形式输出信号形式分，脉冲编码器分为增量式与绝对式两类。分，脉冲编码器分为增量式与绝对式两类。 从从产生元件产生元件上分，脉冲编码器有光电式、接触式、电磁感应上分，脉冲编码器有光电式、接触式、电磁感应 式三种，从精度和可靠性来看，光电式较好，数控机床上主式三种，从精度和可靠性来看，光电式较好，数控机床上主 要使用的是光电式脉冲编码器。要使用的是光电式脉冲编码器。 型号用型号用 脉冲数脉冲数/ /转转（p/rp/r）分，常用的）分，常用的20002000，25002500， 30

47、00p/r, 3000p/r, 现在有现在有1010万万p/rp/r以上的产品。以上的产品。 它可以用于角度检测，也可用于速度检测。它可以用于角度检测，也可用于速度检测。 内装式内装式和和外装式外装式。 6.5 6.5 编码盘编码盘 接触式编码器接触式编码器是一种旋转式检测装置，可直接把被测是一种旋转式检测装置，可直接把被测 转角用数字代码表示出来，且每一个角度位置均有其对应转角用数字代码表示出来，且每一个角度位置均有其对应 的测量代码，它能表示绝对位置，没有累积误差，的测量代码，它能表示绝对位置，没有累积误差，电源切电源切 除后，位置信息不丢失除后，位置信息不丢失，仍能读出转动角度。，仍能读

48、出转动角度。 6.5.1 6.5.1 接触式编码器接触式编码器 如图所示为二进制码盘。它在一个不导电基体上作成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许多金属区使其导电，其中有剖面线部分为导电区导电区，用，用“1 1” 表示；其它部分为表示；其它部分为绝缘区绝缘区，用，用“0 0”表示。每一径向，由若表示。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干同心圆组成的图案代表了某一绝对计数值. . 6.5.1 6.5.1 接触式编码器接触式编码器 通常，我们把组成编码的各圈称为通常，我们把组成编码的各圈称为码道码道，码盘最里圈是公用的，它，码

49、盘最里圈是公用的，它 和各码道所有导电部分连在一起，经和各码道所有导电部分连在一起，经电刷和电阻电刷和电阻接电源接电源正极正极。在接触式。在接触式 码盘的每个码道上都装有码盘的每个码道上都装有电刷电刷，电刷经电阻接到，电刷经电阻接到地地。当检测对象带动码。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 会出现有电流通过或没有电流通过两种情况。会出现有电流通过或没有电流通过两种情况。 若回路中的电阻上若回路中的电阻上有电流通过，为有电流通过，为“1 1”；反之，电刷接触的是绝缘；反之，电刷接触的是绝缘

50、 区，电阻上区，电阻上无电流通过，为无电流通过，为“0 0”。如果码盘顺时针转动，就可依次得到。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，图示为按规定编码的数字信号输出，图示为4 4位二进制码盘，根据电刷位置得到位二进制码盘，根据电刷位置得到 由由“1 1”和和“0 0”组成的二进制码，输出为组成的二进制码，输出为00000000、00010001、0010001011111111。 格雷码码盘（右）格雷码码盘（右） 特点：二进制循环码特点：二进制循环码 目的：解决纯二进制码盘（左）数据读数易出现大偏差问题目的：解决纯二进制码盘（左）数据读数易出现大偏差问题 由图可以看出，码

51、道的圈数就是二进制的位数，且由图可以看出，码道的圈数就是二进制的位数，且 高位在内，低位在外。其分辨角高位在内，低位在外。其分辨角360360o o/2/24 4=22.5=22.5o o， 若是若是n n位二进制码盘，就有位二进制码盘，就有n n圈码道，圈码道， 分辨角分辨角360360o o/2/2n n， 码盘位数越大，所能分辨的角度越小，测量精度越码盘位数越大，所能分辨的角度越小，测量精度越 高。若要提高分辨力，就必须增多码道，即二进制位数高。若要提高分辨力，就必须增多码道，即二进制位数 增多。增多。 目前接触式码盘一般可以做到目前接触式码盘一般可以做到9 9位二进制，光电式位二进制，

52、光电式 码盘可以做到码盘可以做到1818位二进制。位二进制。 6.5.1 6.5.1 接触式编码器接触式编码器 光电式光电式 脉冲编码脉冲编码 器，它由器，它由 光源、聚光源、聚 光镜、光光镜、光 电码盘、电码盘、 光栏板、光栏板、 光电元件光电元件 和信号处和信号处 理电路理电路等等 组成。组成。 6.5.2 6.5.2 光电式编码器光电式编码器 光电码盘光电码盘是用玻璃材料研磨抛光制成，玻璃表面在真是用玻璃材料研磨抛光制成，玻璃表面在真 空中镀上一层不透光的铬，然后用照相腐蚀法在上面制成空中镀上一层不透光的铬，然后用照相腐蚀法在上面制成 向心透光窄缝。透光窄缝在圆周上等分，其数量从几百条向心透光窄缝。透光窄缝在圆周上等分，其数量从几百条 到几千条不等。到几千条不等。 光栏板光栏板也用玻璃材料研磨抛光制成，其透光窄缝为两也用玻璃材料研磨抛光制成，其透光窄缝为两 条，每一条后面安装有一只光电元件。条，每一条后面安装有一只光电元件。 光电码