第3章数控机床的检测装置2222--陈光明--2015

1、CNC 南京农业大学工学院南京农业大学工学院教材名称：数控技术及应用数控技术及应用课程名称：数控技术数控技术（32学时，2学分）主讲教师： 陈光明陈光明 副教授副教授 硕士生导师硕士生导师 CNC第第3 3章章 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3.1 概述概述 3.2 旋转变压器旋转变压器 3.3 感应同步器感应同步器 3.4 光栅光栅 3.5 磁栅磁栅 3.6 编码器编码器CNC主要内容3.1 概述概述 组成：组成：位置测量装置是由检测元件（传感器）和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。信号处理装置组成的。 作用：作用：实时测量执行部件的位移和速度信

2、号，并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。它是闭环、变换成位置控制单元所要求的信号形式。它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。半闭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，检测装置的精度决定的，在设计数控机床进给伺服系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。置检测装置。CNC主要内容3.1 概述概述 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

3、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。CNC主要内容3.1 概述概述分分 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、自整角脉冲编码器、自整角机机 、旋转变压器

4、、圆感应同步、旋转变压器、圆感应同步器器 、光栅角度传感器、光栅角度传感器 、圆光、圆光栅、圆磁栅栅、圆磁栅 多极旋转变压器多极旋转变压器 、绝对脉、绝对脉冲编码器冲编码器 绝对值式光栅绝对值式光栅 、 三速圆感应同步器三速圆感应同步器 、磁阻、磁阻式多极旋转变压器式多极旋转变压器 直线型直线型直线感应同步器直线感应同步器 、光、光栅尺、磁栅尺栅尺、磁栅尺 、激光干涉仪、激光干涉仪 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 、绝对值、绝对值磁尺、光电编码尺磁尺、光电编码尺 、磁性、磁性编码器编码器 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 、 数字数字脉冲编

5、码式速度传感器脉冲编码式速度传感器 、霍耳、霍耳速度传感器速度传感器 速度速度角度传感器、数字电角度传感器、数字电磁、磁敏式速度传感器磁、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 CNC主要内容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、湿度影响小，工作可靠，抗干扰能力强；）受温、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。 3.

6、1 概述概述CNC主要内容3.2 旋转变压器旋转变压器 是一种是一种输出电压输出电压与与角位移量角位移量成连续函数关系成连续函数关系的感应的感应式微电机，式微电机，数控机床上常见的数控机床上常见的角位移测量角位移测量装置，广泛用装置，广泛用于于半闭环控制半闭环控制的数控机床。的数控机床。优点：优点：结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境条件要结构简单、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）、输出信号幅度大求低（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。和抗干扰能力强等特点。缺点：缺点：信号处理比较复杂。信号处理比较复杂。旋转变压器转子轴与电机轴或丝

7、杠连接在一起，实现电机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。轴或丝杠转角的测量。旋转变压器旋转变压器CNC主要内容3.2 旋转变压器旋转变压器旋转变压器的分类旋转变压器的分类 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、比例式旋转变压器以及特殊函数旋转变压器等。CNC主要内容端盖端盖3.2 旋转变压器旋转变压器18762旋转变压器有刷结构示意旋转变压器有刷结构示意54机壳机壳 3转轴转轴轴承轴承转子铁心转子铁心定子铁心定子铁心电刷电刷集电环集电环3.2.1旋转变压器的结构旋

8、转变压器的结构 CNC主要内容3.2.1旋转变压器的结构旋转变压器的结构 由定子和转子组成，由定子和转子组成，是一种旋转式的小型交流是一种旋转式的小型交流电机。电机。有刷旋转变压器有刷旋转变压器定子、转子上两相绕组轴线分定子、转子上两相绕组轴线分别相互垂直，转子绕组的引线（端点）经滑环别相互垂直，转子绕组的引线（端点）经滑环引出，并通过电刷送到外面来。引出，并通过电刷送到外面来。3.2 旋转变压器旋转变压器CNC主要内容123567483.2 旋转变压器旋转变压器分解器分解器变压器变压器数控机床主要使用无刷旋转变压器，数控机床主要使用无刷旋转变压器，无刷旋转变压器无刷旋转变压器具具有输出信号大

9、、可靠性高、寿命长及不用维修等优点。有输出信号大、可靠性高、寿命长及不用维修等优点。CNC主要内容3.2.2 旋转变压器的工作原理旋转变压器的工作原理 原理：原理：电磁感应，电磁感应，当当定子定子加上一定频率的加上一定频率的激磁电压时，通过激磁电压时，通过电电磁耦合磁耦合，转子转子绕组产绕组产生感应电势，其生感应电势，其输出输出电压电压的大小取决于定的大小取决于定子和转子两个绕组轴子和转子两个绕组轴线在空间的相对位置。线在空间的相对位置。 3.2 旋转变压器旋转变压器tVVms sin tKVKVVmsB sinsinsin CNC主要内容 562221110U1=UmsintU1=Umsin

10、tU1=Umsint定子转子激磁输出U1U2tt=0 2=0U2=0 =90 2=k 1U2=nUmsint0 2=k 1sinU2=nUmsintsinU2 nUm sint sin3.2 旋转变压器旋转变压器CNC主要内容3.2 旋转变压器旋转变压器单极型旋转变压器的定子和转子单极型旋转变压器的定子和转子各有一对磁极各有一对磁极，假设加到定子绕组的假设加到定子绕组的励磁电压为励磁电压为U U1 1，则转子通过，则转子通过电磁耦合，电磁耦合，产生感应电势产生感应电势U U2 2。tUUmsin1sinsin12tnUnUUmUm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

11、偏转角CNC主要内容3.2 旋转变压器旋转变压器 56 2221110U1=UmsintU1=UmsintU1=Umsint定 子转 子激 磁输 出U1U2tt =0 2=0U2= 0 =90 2=k 1U2= nUmsint0 2=k 1sinU2= nUmsintsintUUmsin1sinsin2tKUUmCNC主要内容3.2 旋转变压器旋转变压器4 5 U1 sU1 cRU2转 子定 子cossin112cskUkUU 1c 1s 1ccos 1ssin CNC主要内容3.2 旋转变压器旋转变压器给定子的两个绕组通以相同幅值、相同频率，但相位给定子的两个绕组通以相同幅值、相同频率，但相

12、位差差/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当转子正转时当转子正转时，这两个激磁电压在转子绕组中产生的，这两个激磁电压在转子绕组中产生的感应电压经叠加，得到转子的感应电压感应电压经叠加，得到转子的感应电压U U2 2为为 cossin112cskUkUU1鉴相工作方式鉴相工作方式CNC主要内容3.2 旋转变压器旋转变压器U U2 2kUkUm msintsinsintsinkUkUm mcostcoscostcos = =kUkUm mcoscos（t-t-）当转子

13、反转时当转子反转时，同样可得到，同样可得到 U U2 2k k U Um mcoscos（tt+ +）转子输出电压的相位角和转子输出电压的相位角和间有严格对应关系，只要检间有严格对应关系，只要检测出转子输出电压的相位角，就可以求得测出转子输出电压的相位角，就可以求得 ，也就可得，也就可得到被测轴的角位移。到被测轴的角位移。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。 CNC主要内容2 2鉴幅工作方式鉴幅工作方式3.2 旋转变压器旋转变压器给

14、定子的两个绕组分别通以频率相同、相位相同、幅给定子的两个绕组分别通以频率相同、相位相同、幅值分别按正弦和余弦变化的交流激磁电压，即值分别按正弦和余弦变化的交流激磁电压，即 U1sUmsin sint U1c= Umcos sint CNC主要内容3.2 旋转变压器旋转变压器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（） sint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。测量出而变

15、化。测量出幅值可测出幅值可测出 转角。转角。CNC主要内容三、旋转变压器的应用三、旋转变压器的应用 由角位移如何计算直线位移由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一个导程，时，表示丝杠上的螺母走了一个导程，就间接地测量了丝杠的直线位移（导程）的大小。就间接地测量了丝杠的直线位移（导程）的大小。要检测工作台的绝对位置，需加一台要检测工作台的绝对位置，需加一台绝对位置计数器绝对位置计数器，累计所走的导程数，折算成位移总长度。累计所走的导程数，折算成位移总长度。3.2 旋转变压器旋转变

16、压器CNC3.3 感应同步器感应同步器感应同步器原理同旋转变压器，其输出电压随被测直线位感应同步器原理同旋转变压器，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。根据用途和结构特点分：根据用途和结构特点分：直线式、旋转式两类。直线式、旋转式两类。直线式：直线式：定尺、滑尺，测直线位移，用于闭环伺服系统。定尺、滑尺，测直线位移，用于闭环伺服系统。旋转式：旋转式：定子、转子，测角位移，用于半闭环伺服系统。定子、转子，测角位移，用于半闭环伺服系统。CNC3.3.1 感应同步器的结构感应同步器的结构3.3 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

17、部件上）平行，间隙为平行，间隙为0.250.05mm0.250.05mmCNC3.3 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 w2CNC3.3 感应同步器感应同步器（当正弦绕组与定尺（当正弦绕组与定尺绕组对齐时，绕组对齐时，余弦绕组与定尺绕组余弦绕组与定尺绕组相差相差1/41/4节距。）节距。）CNC3.3 感应同步器感应同步器“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。 标准感应同步器定尺长标准感应同步器定尺长250mm，滑尺长，滑尺长100mm，节，节距为距为2mm。CNC3.3 感应同步器感应同步器圆感应

18、同步器结构：圆感应同步器结构：CNC转子绕组：转子绕组：连续绕组；连续绕组；定子绕组：定子绕组：分段式、两相正交（相差分段式、两相正交（相差90电角度）电角度） sin绕组、绕组、cos绕组绕组3.3 感应同步器感应同步器CNC3.3.2 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必须保持定尺和滑尺平行、两平面的间隙约必须保持定尺和滑尺平行、两平面的间隙约为为025005mm，其它安装要求视具体的，其它安装要求视具体的产品说明而定。

19、保证定尺和滑尺在全部工作产品说明而定。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。长度上正常耦合，减少测量误差。3.3 感应同步器感应同步器CNC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，测量范围增加时，将定尺接长。围增加时，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进行全长误差测量，使总长度上的累积误差长误差测量，使总长度上的累积误差单块定尺的最大偏单块定尺的最大偏差。差。 3.3 感应同

20、步器感应同步器CNC3.3.3 感应同步器工作原理感应同步器工作原理 正弦绕组余弦绕组滑尺定尺2/2UdUsUc3.3 感应同步器感应同步器滑尺、定尺间发生相对位移，由于电磁耦合的变滑尺、定尺间发生相对位移，由于电磁耦合的变化，使感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化，使感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化。化。CNC3.3 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ABCDCNC 当滑尺移动距离为当滑尺移动距离为 2 2 ，V V2 2 变化变化 2 2 , ,当移动当移动 x x时，则对时，则对应感应电压以余弦函数变化应感应电压以余弦函数变化 角度角度。22xxx22tVVm

21、ssintKVKVVmssincoscos23.3 感应同步器感应同步器可得可得设设 表示滑尺上一相绕组的激磁电压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CNC1 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供给滑尺的正、余弦绕组的激磁信号是频率、幅频率、幅值相同，相位相差值相同，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根据叠加原理，定尺上的总感应电压为 通过鉴别定尺感应输出电压的相位，即可测量定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。尺和滑尺之间的相对位移。tVVtVV

22、mcmscossin)sin(2coscoscossin2tKVtKVtKVVmmm3.3 感应同步器感应同步器xx22CNCxx22 例如：例如： 定尺感应输出电压与滑尺励磁电压之间的相位定尺感应输出电压与滑尺励磁电压之间的相位差为差为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) 2mm3.3 感应同步器感应同步器CNC将将 称为称为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，则相移系数相移系数为为 xmmx/1801脉冲/36. 0180002. 03.3 感应同步

23、器感应同步器CNC 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。 2.鉴幅工作方式鉴幅工作方式tVVtVVmcmssincossinsin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sinsincoscossinsin2tKVtKVVmmtKVmsinsin3.3 感应同步器感应同步器若电气角若电气角已知，只要测出已知，只要测出V2幅值，便能求出与位移对应幅值，便能求出与位移对应的角度的角度。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。的变的变化量则代表化量则代表对应

24、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。 CNC3.4 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）：200500条条/，栅距，栅距0.0020.005，主要是利用光的衍射原理，用于，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。光谱分析和光波波长的测定。计量光栅计量光栅：25条条/、50条条/、100条条/、250条条/等，栅距等，栅距0.0040.25，主要是利用光的透射，主要是利用光的透射和反射现象，用于数控机床闭环检测系统。和反射现象，用于数控机床闭环检测系统。CNC按形状按形状：

25、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。 3.4 光栅光栅3.4.1 光栅的种类光栅的种类CNC玻璃透射光栅玻璃透射光栅是在玻璃的表面上涂上一层均匀的感光是在玻璃的表面上涂上一层均匀的感光材料或金属镀膜，用照相腐蚀等方法制成透明与不透材料或金属镀膜，用照相腐蚀等方法制成透明与不透明间隔相等的线纹。明间隔相等的线纹。特点：特点：光源可采用垂直入射，光电元件可直接接受光信号，光源可采用垂直入射，光电元件可直接接受光信

26、号，因此信号幅度大，读数头结构比较简单；因此信号幅度大，读数头结构比较简单；每毫米上线纹数多，一般为每毫米上线纹数多，一般为100、125、250条条/mm/mm，经过电路细分，可做到微米级的分辨率。经过电路细分，可做到微米级的分辨率。 3.4 光栅光栅直线光栅直线光栅CNC金属反射光栅金属反射光栅：在钢尺或不锈钢的镜面上用照相腐蚀法或在钢尺或不锈钢的镜面上用照相腐蚀法或用钻石刀刻划制成的光栅线纹；常用的线纹数为用钻石刀刻划制成的光栅线纹；常用的线纹数为4、10、25、40、50条条/mm ，分辨率低。，分辨率低。特点：特点：标尺光栅的线膨胀系数很容易做到与机床材料一致；标尺光栅的线膨胀系数很

27、容易做到与机床材料一致；标尺光栅的安装和调整比较方便；标尺光栅的安装和调整比较方便；安装面积较小；安装面积较小；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；不易碰碎。不易碰碎。3.4 光栅光栅CNC在玻璃圆盘外环端面上，做成黑白相间、呈辐射在玻璃圆盘外环端面上，做成黑白相间、呈辐射状条纹，相互间夹角（栅距角）相等。状条纹，相互间夹角（栅距角）相等。3.4 光栅光栅圆光栅圆光栅CNC（以玻璃透射式直线光栅为例以玻璃透射式直线光栅为例） 光栅的结构光栅的结构组成：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

28、1m，行程，行程 大于大于1m时，需要将光栅接长时，需要将光栅接长安装：标尺光栅安装：标尺光栅一般安装在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）光栅读数头光栅读数头安装在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。3.4 光栅光栅3.4.2光栅的结构与测量原理光栅的结构与测量原理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：光光源、透镜、指示光栅、源、透镜、指示光栅、光敏元件、驱动线路。光敏元件、驱动线路。常见结构常见结构按光路分按光路分：

29、分光读数头、垂直入分光读数头、垂直入射读数头、反射读数射读数头、反射读数头头作用：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。 SPL2G2G1L1QG1G2PLtQL1G1G2L2PQCNC光栅光栅3.4 光栅光栅CNC尺身尺身尺身安装孔尺身安装孔 扫描头扫描头 （与移动部件固定）（与移动部件固定）可移动电缆可移动电缆3.4 光栅光栅CNC不透光条纹宽度（缝隙宽度）不透光条纹宽度（缝隙宽度）a，透光宽度（刻线宽，透光宽度（刻线宽度）度）b，通常，通常a=b，栅距栅距da+b。安装时严格要保证标尺光栅和指示光栅的平行度及两安装时严格要保证标尺光栅和指示光栅的平

30、行度及两者间隙（一般者间隙（一般0.05或或0.1）ab标尺光栅指示光栅d3.4 光栅光栅CNC光栅的基本测量原理光栅的基本测量原理两光栅尺沿线纹方向保持一个很小的夹角两光栅尺沿线纹方向保持一个很小的夹角、刻、刻划面平行且有一个很小间隙（一般划面平行且有一个很小间隙（一般0.05mm，0.1mm）在光源照射下，在与两光栅线纹角在光源照射下，在与两光栅线纹角的平分线相的平分线相垂直的方向上，形成明暗相间条纹垂直的方向上，形成明暗相间条纹莫尔条纹莫尔条纹（横向莫尔条纹），两条亮（横向莫尔条纹），两条亮（暗暗）纹间的距离称）纹间的距离称莫尔条纹宽度莫尔条纹宽度 w 。3.4 光栅光栅CNC均匀刻线均

31、匀刻线标尺标尺光栅光栅指示指示光栅光栅夹角夹角明暗相间明暗相间条纹条纹莫尔条纹莫尔条纹移动移动dw3.4 光栅光栅CNC莫尔条纹特性：莫尔条纹特性：（1）光学放大作用）光学放大作用标 尺 光 栅指 示 光 栅dw/22cos2sin222dddwtg放大比放大比k为为 ：1dwk若若d=0.01mmd=0.01mm，0.01rad0.01rad，则，则w w1mm1mm，k k100100 3.4 光栅光栅xdwxwxtg2cos222CNC（2）均化误差作用）均化误差作用莫尔条纹莫尔条纹 大量光栅线纹形成大量光栅线纹形成 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

32、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一栅距光栅移动一栅距d d 莫尔条纹移动一个间距莫尔条纹移动一个间距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。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弦（或内，光电元件所检测的光强变化为正弦（或余弦）变化。余弦）变化。3.4 光栅光栅CNC3.6.3 光栅测量系统光栅测量系统 P1P2P3P4硅光电池差动放大器整形器差动放大器整形器方向判别门电路可逆计数器控制回路正向脉冲反向脉冲标尺光栅指示光栅聚光镜光源标尺光栅移动，莫尔条纹亮暗交替变化，标尺光栅

33、移动，莫尔条纹亮暗交替变化，光强度光强度分布近似余弦曲线分布近似余弦曲线，由光电元件，由光电元件变为同频率电压变为同频率电压信号，经光栅位移信号，经光栅位移数字变换电路放大、整形、数字变换电路放大、整形、微分输出脉冲。每产生一个脉冲，就代表移动了微分输出脉冲。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一个栅距，通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离。动距离。3.4 光栅光栅CNC3.4 光栅光栅 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。采用倍频倍频的的方法来提高光栅的分辨精度。方法来提高光栅的分辨精度。 在莫尔条纹的宽度内，放置四

34、个光电元件，每隔在莫尔条纹的宽度内，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栅栅距的位移，分辨精度可提高四倍，这就是四倍频方案。距的位移，分辨精度可提高四倍，这就是四倍频方案。 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差 动放 大 器整 形& 1微 分微 分反 相&（sin）（sin）差 动放 大 器整 形微 分微 分反 相（cos）（cos）& 1Y1Y2Y3Y4Y5

35、Y6Y7Y8H2P1P2P3P4CABDCABDABADCDBCBCABADCDH1正 向 脉 冲反 向 脉 冲（s i n）（c o s）正 向 反 向ABCD相 加ABCD相 加DCBA正向时上升沿微分反向时上升沿微分3.4 光栅光栅CNC鉴向倍频电路作用鉴向倍频电路作用: :辨向、细分，提高光栅的分辨力辨向、细分，提高光栅的分辨力莫尔条纹原莫尔条纹原1 1个脉冲信号：个脉冲信号：0、90、180、270都有都有脉冲输出，一个周期内送出脉冲输出，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，

36、即：分，即：分辨率辨率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送出送出一个脉冲，即分辨力为一个脉冲，即分辨力为5m，提高，提高4倍。倍。3.4 光栅光栅CNC3.6 编码器编码器编码器（码盘）编码器（码盘）: :旋转式测量元件，装在被测旋转式测量元件，装在被测 轴上，随之一起转动，将被轴上，随之一起转动，将被 测轴的角位移转换成增量脉测轴的角位移转换成增量脉 冲形式或绝对式的代码形式。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

37、制循环码（格雷二进制、二进制循环码（格雷 码）等编码器；码）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、：接触式、光电式光电式、电磁式。、电磁式。CNC两种安装方式：两种安装方式：编码器和伺服电编码器和伺服电机同轴联接机同轴联接; ;联接在滚珠丝杠联接在滚珠丝杠末端；末端；工作台工作台丝杠丝杠编码器编码器电机电机3.6 编码器编码器CNC是一种是一种绝对值绝对值式的检测装置，可直接把被测转角式的检测装置，可直接把被测转角用数字代码表示出来，每一个角度位置均有唯一用数字代码表示出来，每一个角度位置均有

38、唯一对应的代码。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。 3.6 编码器编码器3.6.1 接触式编码器接触式编码器CNC4位二进制码盘位二进制码盘 高位在内，低位在外。高位在内，低位在外。n n位二进制码盘，有位二进制码盘，有n n圈码道，圆周圈码道，圆周均分均分2 2n n等份等份( (有有2 2n n不同位置不同位置) )，最小分辨角，最小分辨角360360/2/2n n。 n n 越大，能分辨的角度越小，测量精度越高。目前越大，能分辨的角度越小，测量精度越高。目前n n =8 81414位。位。-+电 刷绝 缘 体导 电 体转 轴E0 0

39、0 01 0 0 01 0 0 110111010111011111 1 0 11 1 0 00 1 0 00 1 0 101110110001000110 0 0 1200 0 0 00 0 0 10 0 1 0001101000 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 0101111001 1 0 11 1 1 01 1 1 1222321202122233.6 编码器编码器CNC码盘制作和电刷安装很严格，若电刷恰好位于两位码中间码盘制作和电刷安装很严格，若电刷恰好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。或电刷接触不良，则电刷

40、的检测读数可能会是任意的数字。例：例：01111000，可能会出现，可能会出现815之间的任一十进制数。之间的任一十进制数。这种误差称为这种误差称为非单值误差非单值误差。3.6 编码器编码器-+电刷绝缘体导电体转轴E0000100010011011101011101111110111000100010101110110001000110001200000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111222321202122230111-1000，1001 1010， 1011，1100 1101，1110， 1111若要

41、求位数更多，采用组合码盘，一个为粗计码盘，一若要求位数更多，采用组合码盘，一个为粗计码盘，一个为精计码盘。精计码盘转个为精计码盘。精计码盘转1 1圈，粗计码盘转圈，粗计码盘转1 1格。格。CNC3.6 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，每次只切换一位数，各码道的数码不同时改变，每次只切换一位数，把误差控制在最小单位内。把误差控制在最小单位内。 1000 1 3 2 6 7 4 12 13 14 15 10 11 9 0000 5 0 0001 0011 0010 0110 0111 0101 1001 1011 1010 1110 1111 1101 0100 1100

42、8 消除误差：消除误差：采用采用循环码（格雷码）循环码（格雷码）。CNC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，转速不能太高电刷磨损造成寿命降低，转速不能太高（每分钟几十转），精度受码道数限制。使用（每分钟几十转），精度受码道数限制。使用范围有限。范围有限。 3.6 编码器编码器接触式绝对值编码器接触式绝对值编码器CNC3.6.2 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，光电编码器，是一种旋转式脉冲发生器是一种旋转式脉冲发生器把把机械转角变成电脉冲机械转角变成电脉冲，是数控机床常用的，是数控机床常用的角角位移位移检测元件，也可用于检测元件，也可用于角速度检测角速度检测。3.6 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脉冲编码器每转脉冲移动量（mm）20000脉冲脉冲r2，3，4，6，825000脉冲脉冲r5，1030000脉冲脉冲r3，6，1210万乃至几百万个脉冲的编码器已使用，该类脉万乃至几百万个脉冲的编码器已使用，该类脉冲编码