位置检测装置机床数控技术

1、 吴金文 2016年4月25日第五章第五章 位置检测装置（位置检测装置（1） 位置检测装置位置检测装置是数控机床的重要组成部分。作用作用: 检测位移和速度，并发出反馈信号和数控装置发出的指令信号相比较，构成闭环闭环、半闭环控制。半闭环控制。5.1.1位置检测装置的要求位置检测装置的要求 受温度、湿度影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗干扰能力强; 在机床执行部件工作范围内，能满足精度和速度要求; 使用维护方便，适应机床工作环境； 成本低。 检测元件的精度指标检测元件的精度指标： 系统精度系统精度在一定长度或转角内测量累积误差的最大值 （0.0010.02mm/m， 10/360） 系统分辨率系

2、统分辨率所能正确检测的最小位移量 0.0010.01mm，2 （取1/31/10机床加工精度）检测元件的作用检测元件的作用 检测元件是数控机床伺服系统的重要组成部分。检测元件是数控机床伺服系统的重要组成部分。它的作用是检测位移，发送反馈信号，构成闭环它的作用是检测位移，发送反馈信号，构成闭环控制。控制。 数控机床的运动精度主要由检测系统的精度决定。数控机床的运动精度主要由检测系统的精度决定。 位移检测系统能够测量的最小位移量称为分辨率。位移检测系统能够测量的最小位移量称为分辨率。 分辨率不仅取决于检测元件本身，也取决于测量分辨率不仅取决于检测元件本身，也取决于测量线路。在设计数控机床，尤其是高

3、精度或大中型线路。在设计数控机床，尤其是高精度或大中型数控机床时，必须选用检测元件。数控机床时，必须选用检测元件。从检测的从检测的信号分信号分 直线型直线型回转型回转型 从传感器从传感器输出信号分输出信号分 模拟式模拟式 数字式数字式检测元件具体分类举例检测元件具体分类举例直线感应同步器、长光栅、直线感应同步器、长光栅、 长磁栅、激光干涉仪长磁栅、激光干涉仪旋转变压器、圆感应同步器、旋转变压器、圆感应同步器、圆光栅、圆磁栅、编码盘圆光栅、圆磁栅、编码盘光栅检测装置、脉冲编码盘光栅检测装置、脉冲编码盘旋转变压器、感应同步器旋转变压器、感应同步器 不同类型不同类型NCNC机床对检测系统要求不同。大

4、型数机床对检测系统要求不同。大型数控机床要求速度响应高，中型和高精度数控机控机床要求速度响应高，中型和高精度数控机床以满足精度要求为主。测量系统分辨率一般床以满足精度要求为主。测量系统分辨率一般要求比加工精度高一个数量级。要求比加工精度高一个数量级。 直接测量直接测量-对机床直线位移采用直线型检测元对机床直线位移采用直线型检测元件测量，其测量精度取决于测量元件精度，不件测量，其测量精度取决于测量元件精度，不受机床传动精度的影响。受机床传动精度的影响。 间接测量间接测量-对机床直线位移采用回转型检测元对机床直线位移采用回转型检测元件测量，测量精度取决于测量元件和机床传动件测量，测量精度取决于测量

5、元件和机床传动链两者的精度。为提高定位精度，常需对机床链两者的精度。为提高定位精度，常需对机床传动误差进行补偿。传动误差进行补偿。5.1.2位置检测装置的分类位置检测装置的分类测量方式测量方式将检测装置直接安在执行部件上，如光栅，将检测装置直接安在执行部件上，如光栅，感应同步器用于直接测量工作台直线位移。感应同步器用于直接测量工作台直线位移。将检测装置安在滚珠丝杠或驱动电机轴上，将检测装置安在滚珠丝杠或驱动电机轴上，通过检测转动件的角位移来间接测量执行部通过检测转动件的角位移来间接测量执行部件的直线位移。件的直线位移。将被测量以数字形式表示，测量量一般为将被测量以数字形式表示，测量量一般为电脉

6、冲。电脉冲。将被测的量以连续变量表示，如电压变化、将被测的量以连续变量表示，如电压变化、相位变化等。主要用于小量程测量。相位变化等。主要用于小量程测量。只测位移量，如测量单位为只测位移量，如测量单位为0.01 mm,0.01 mm,则每移动则每移动0.010.01mmmm就发出一个脉冲信号。就发出一个脉冲信号。被测量的任意一点位置均由固定的零点标起，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。每一个被测点都有一个相应的测量值。同步分解器同步分解器圆感应分解器圆感应分解器磁盘磁盘位置检位置检测装置测装置多级同步分解器多级同步分解器同步分解器组件同步分解器组件三重式圆

7、感应同步器三重式圆感应同步器光电盘光电盘圆光栅圆光栅数码盘数码盘测角测角测长测长增量式增量式绝对式绝对式数字式数字式模拟式模拟式增量式增量式绝对式绝对式增量式增量式绝对式绝对式数字式数字式模拟式模拟式增量式增量式绝对式绝对式直线感应分解器直线感应分解器磁尺磁尺长光栅长光栅多通道透射光栅多通道透射光栅多重式直线感应同步器多重式直线感应同步器5.2 光光 栅栅1.1.光栅的种类光栅的种类 光栅有光栅有透射光栅透射光栅和和反射光栅反射光栅两类。两类。 透射光栅透射光栅 在透明玻璃片上刻有平行等距的密集线条，常用在透明玻璃片上刻有平行等距的密集线条，常用的有的有5050线线/ /毫米、毫米、l00l0

8、0线线/ /毫米和毫米和200200线线/ /毫米毫米( (指直线光栅指直线光栅) )。其特点是光源可采用垂直入射光，光电元件能直接接受，其特点是光源可采用垂直入射光，光电元件能直接接受，因此信号幅值较大，信噪比好，读数头的结构简单。因此信号幅值较大，信噪比好，读数头的结构简单。 反射光栅反射光栅 在金属镜面上制成全反射或漫反射平行等距的密在金属镜面上制成全反射或漫反射平行等距的密集线条，常用的材料有钢或铝等，其每毫米刻线数有集线条，常用的材料有钢或铝等，其每毫米刻线数有4 4、1010、2525、4040、5050，甚至有，甚至有600600线，因此可以得到很高的精度，且线，因此可以得到很高

9、的精度，且长度不受限制。长度不受限制。两种光栅的特点两种光栅的特点 : 玻璃玻璃透射光栅透射光栅 光源可垂直入射，信号幅度大，读数头结构简单; 刻线密度大100条/mm, 细分后，分辨率达微米级; 易碎，热膨胀系数与机床不一致，影响测量精度. 金属金属反射光栅反射光栅 钢尺、钢带钢尺、钢带 照相腐蚀、钻石刀刻划照相腐蚀、钻石刀刻划 热膨胀系数与机床一致，安装调整方便，易接长，不易碎热膨胀系数与机床一致，安装调整方便，易接长，不易碎 pW 光栅结构：光栅结构： 1.1.标尺光栅、标尺光栅、 2.2.指示光指示光栅、栅、3 3.光电元件、光电元件、4.4.光源。光源。 2 2光栅工作结构光栅工作结

10、构 原理原理 1 1）指示光栅与标尺光栅刻度等宽。）指示光栅与标尺光栅刻度等宽。2 2）平行装配，且无摩擦）平行装配，且无摩擦3 3）两尺条纹之间有一定夹角）两尺条纹之间有一定夹角4 4）当指示光栅与标尺光栅相对运动时，会产生与光栅线）当指示光栅与标尺光栅相对运动时，会产生与光栅线垂直的横向的条纹，该条纹为莫尔条纹，当移动一个栅垂直的横向的条纹，该条纹为莫尔条纹，当移动一个栅距时，摩尔条纹也移动一个纹距距时，摩尔条纹也移动一个纹距莫尔条纹的产生莫尔条纹的产生1、标尺光栅和指示光栅的栅距、标尺光栅和指示光栅的栅距P 2、指示光栅在其自身平面内相对、指示光栅在其自身平面内相对于标尺光栅倾斜一个很小

11、的角度于标尺光栅倾斜一个很小的角度, 两块光栅的刻线就会相交。当灯两块光栅的刻线就会相交。当灯光通过聚光镜呈平行光线垂直照光通过聚光镜呈平行光线垂直照射在标尺光栅上，在与两块光栅射在标尺光栅上，在与两块光栅线纹相交的钝角平分线方向，出线纹相交的钝角平分线方向，出现明暗交替，间隔相等的粗短条纹，现明暗交替，间隔相等的粗短条纹，称之为横向莫尔条纹。称之为横向莫尔条纹。a=栅距栅距p莫尔条纹产生动画莫尔条纹产生动画莫尔条纹移动方向与光栅移动方向及光栅夹角的关系莫尔条纹移动方向与光栅移动方向及光栅夹角的关系应用较多的干涉条纹式光栅，是利用光的应用较多的干涉条纹式光栅，是利用光的衍射现象产生莫尔干涉条纹

12、。当两片光栅衍射现象产生莫尔干涉条纹。当两片光栅互相平行，其刻线相互成一小角度互相平行，其刻线相互成一小角度时，时，两光栅有相对运动就会生明暗相间的干涉两光栅有相对运动就会生明暗相间的干涉条纹，将光源来的光经透镜变成平行光，条纹，将光源来的光经透镜变成平行光，垂直照射在光栅上，经狭缝垂直照射在光栅上，经狭缝s s和透镜由光和透镜由光电元件接受，即可得到与位移成比例的电电元件接受，即可得到与位移成比例的电信号。信号。工作原理当当P =0.01mmP =0.01mm，( (l00l00线线/ /毫米毫米)=0.01)=0.01弧度，纹距弧度，纹距W=1mmW=1mm，即利用挡光效应，可把光栅线距转

13、换成放大即利用挡光效应，可把光栅线距转换成放大100100倍的摩尔倍的摩尔条纹的宽度。条纹的宽度。表明莫尔条纹的节距是栅距的表明莫尔条纹的节距是栅距的1 1倍。倍。(1)(1)干涉条纹方向与干涉条纹方向与标尺光栅的刻线几标尺光栅的刻线几乎垂直。乎垂直。(2)(2)放大作用放大作用: :用用W W（mmmm）表示莫尔条）表示莫尔条纹的宽度，纹的宽度，P(mm)P(mm)表示栅距，表示栅距，(rad)(rad)为光栅线纹之间的为光栅线纹之间的夹角。夹角。莫尔条纹的特点(3)(3)误差均化作用误差均化作用：摩尔条纹是由许多根刻线共同形成的，摩尔条纹是由许多根刻线共同形成的，这样可使光栅的节距误差得到

14、平均化。这样可使光栅的节距误差得到平均化。(4) (4) 成比例运动：摩尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例。成比例运动：摩尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例。当两个光栅相对移动一个栅距当两个光栅相对移动一个栅距d d时，摩尔条纹相应地移动一时，摩尔条纹相应地移动一个纹距个纹距W W，因此两者的移动是对应的，这样便于记数；标尺，因此两者的移动是对应的，这样便于记数；标尺光栅移动的方向相反，干涉条纹移动的方向也反向。光栅移动的方向相反，干涉条纹移动的方向也反向。 d d摩尔条纹摩尔条纹标尺光栅标尺光栅指示光栅指示光栅光栅节距光栅节距摩尔条纹节距摩尔条纹节距 作用：作用： 放大作用放大作用误差均化作

15、用误差均化作用方便测量位移方便测量位移W W光栅倾角光栅倾角光栅测量系统光栅测量系统 光栅测量系光栅测量系统由光源、统由光源、聚光镜、光聚光镜、光栅尺、光电栅尺、光电元件和驱动元件和驱动线路组成。线路组成。三、应用（光栅位移数字转换系统）三、应用（光栅位移数字转换系统） 当光栅移动一个栅距，莫尔条纹便移动一当光栅移动一个栅距，莫尔条纹便移动一个条纹宽度，假定开辟一小窗口观察莫尔条纹个条纹宽度，假定开辟一小窗口观察莫尔条纹的变化情况，可发现它在移动一个栅距期间明的变化情况，可发现它在移动一个栅距期间明暗变化了一个周期。暗变化了一个周期。 理论上光栅亮度变化是一个三角波形，但理论上光栅亮度变化是一

16、个三角波形，但由于漏光和不能达到最大亮度，被削顶削底后由于漏光和不能达到最大亮度，被削顶削底后而近似一个正弦波（见图而近似一个正弦波（见图3-43-4）。硅光电池将近。硅光电池将近似正弦波的光强信号变为同频率的电压信号似正弦波的光强信号变为同频率的电压信号（见图（见图3-53-5），），经光栅位移经光栅位移数字变换电路放大、整形、微数字变换电路放大、整形、微分输出脉冲。每产生一个脉冲，就代表移动了分输出脉冲。每产生一个脉冲，就代表移动了一个栅距那么大的位移，通过对脉冲计数便可一个栅距那么大的位移，通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离。得到工作台的移动距离。 O 亮度 电压 图3-4 光栅的实

17、际亮度变化 图3-5 光栅的输出波形图 光栅位移 O 光栅位移 将明暗相间的干涉将明暗相间的干涉条纹用光电元件接条纹用光电元件接收后，经过放大、收后，经过放大、整形、微分变成脉整形、微分变成脉冲信号，即可用来冲信号，即可用来测量位移量，如右测量位移量，如右图。可见图。可见每个线距每个线距可以发两个脉冲信可以发两个脉冲信号号。 根据摩尔条纹的上述特点，可在摩尔根据摩尔条纹的上述特点，可在摩尔条纹的移动方向上开设条纹的移动方向上开设4 4个窗口个窗口P1P1，P2P2，P3P3，P4P4，并且使这并且使这4 4个窗口两两相距个窗口两两相距1/41/4摩尔条纹宽度摩尔条纹宽度(W/4),(W/4),

18、可从这可从这4 4个观个观察窗口进行：察窗口进行： 机床移动部件的位移检测；机床移动部件的位移检测； 确定移动部件的方向；确定移动部件的方向； 确定移动速度。确定移动速度。 增加线纹密度，能提高光栅检测装置精度，增加线纹密度，能提高光栅检测装置精度，但制造较困难，成本高。实际应用中，既要提但制造较困难，成本高。实际应用中，既要提高测量精度，同时又能达到自动辨向的目的，高测量精度，同时又能达到自动辨向的目的，通常采用倍频或细分的方法来提高光栅的分辨通常采用倍频或细分的方法来提高光栅的分辨精度，精度， 如果在莫尔条纹的宽度内，放置四个光电如果在莫尔条纹的宽度内，放置四个光电元件，每隔元件，每隔1/

19、41/4光栅栅距产生一个脉冲，一个脉光栅栅距产生一个脉冲，一个脉冲代表移动了冲代表移动了1/41/4栅距的位移，分辨精度可提高栅距的位移，分辨精度可提高四倍，即四倍频方案。四倍，即四倍频方案。提高精度的方法提高精度的方法5.3 脉冲编码器脉冲编码器 脉冲编码器脉冲编码器又称码盘码盘，是一种回转式数字测量元件，通常装在被检测轴上装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。式的代码形式。根据内部结构和检测方式码盘可分为接触式接触式、光电式光电式和电磁式电磁式3 3种种。其中，光光电码盘在数控机床上应用较多电码盘在数控机床上

20、应用较多，而由霍尔效应构成的电磁码盘则可用作速度检测元件。另外，它还可分为绝对式绝对式和增量式增量式两种。进给伺服电动机进给伺服电动机联轴器联轴器滚珠丝杠滚珠丝杠进给伺服电动机及传动机构进给伺服电动机及传动机构编码器编码器 结构及工作原理结构及工作原理 信号处理装置abz光电盘透镜光源光电元件圆 盘 透 光狭缝光欄板节距AABBZZm+/4一、增量式脉冲编码器 增量式脉冲编码器分光电式、接触式和电磁感应式三种。光电式脉冲编码器的精度和可靠性优于其它两种，其型号用脉冲数/转来区分，现在已有每转发10万个脉冲的脉冲编码器。脉冲编码器可用于角度和速度检测。光电式脉冲编码器由光源、透镜、光电盘、圆盘、

21、光电元件和信号处理电路等组成。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AABBZZ节距m+/4光源光电盘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，再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，其数量从几百条到几千条不等。圆盘也用玻璃材料研磨抛光制成，其透光窄缝为两条，每一条后面安装一只光电元件。图5-5 光电式脉冲编码器结构示意图 光电盘与工作轴连在一起 ，光电盘转动时，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化，光电元件把通过光电盘和圆盘射来的忽明忽暗的光信号转换为近似正弦波的电信号，经过整形、放大、和微分处理后，输出脉冲信号。 通过记录脉冲的数目

22、，就可以测出转角。 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。 节距节距PAB90 90 光电码盘随被测轴一起转动，在光源的照射下，透过光电码盘和光欄板形成忽明忽忽明忽暗的光信号暗的光信号，光敏元件把此光信号转换成电信号，通过信号处理装置的整形、放大等处理后输出。输出的波形有六路：输出的波形有六路：的取反信号。AA 、ZZBB、ZBA、ZBA、AB90Z码盘转一圈是 输出信号的作用及其处理输出信号的作用及其处理 A、B两相的作用两相的作用根据脉冲的数目脉冲的数目可得出被测轴的角位移；根据脉冲的频率脉冲的频率可得被测轴的转速；根据A、B两相的相位超前、滞后关系可判断被测轴旋转方向。

23、后续电路可利用A、B两相的90相位差进行细分处理（四倍频电路实现）。ABCP90O Z相的作用相的作用 被测轴的周向定位基准信号；被测轴的旋转圈数记数信号。 的作用的作用后续电路可利用A、 两相实现差分输入，以消除远距离传输的共模干扰。Z码盘转一圈ZBA、Aq增量式码盘的规格及分辨率增量式码盘的规格及分辨率 规格规格 增量式增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数； 现在市场上提供的规格从 36线线/ 转转 到 10万线万线 /转转 都有； 选择：伺服系统要求的分辨率； 考虑机械传动系统的参数。 分辨率（分辨角）分辨率（分辨角） 设增量式码盘的规格为 n 线/转：n360提高增量式光电编码

24、器分辨率的方法提高增量式光电编码器分辨率的方法 提高圆周的等分狭缝的密度提高圆周的等分狭缝的密度 增加光电盘的发讯通道增加光电盘的发讯通道 使盘上有若干大小使盘上有若干大小不等的同心圆环狭缝（码道），光电盘转一不等的同心圆环狭缝（码道），光电盘转一周，发出的脉冲个数增多，分辨率提高。周，发出的脉冲个数增多，分辨率提高。 增量式编码器的缺点增量式编码器的缺点 有可能产生计数错误（由于噪声或其它外界干有可能产生计数错误（由于噪声或其它外界干扰）扰） 若因停电、刀具破损而停机，事故排除后不能若因停电、刀具破损而停机，事故排除后不能找到事故前执行部件的正确位置找到事故前执行部件的正确位置二、绝对式编码

25、器 绝对式编码器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的测量代码，它能表示绝对位置，没有累积误差，电源切除后，位置信息不丢失，仍能读出转动角度。2. 绝对式编码绝对式编码器器码盘基片上有多圈码道，且每码道的刻线数相等；对应每圈都有光电传感器；输出信号的路数与码盘圈数成正比；检测信号按某种规律编码输出，故可测得被测轴的周向绝对位置。23222120绝对编码盘的编码方式绝对编码盘的编码方式 及特点及特点 二进制编码：二进制编码：特点：编码循序与位置循序相一致，但可能产生非单值性误差。 误差分析： 100023222120 1111 图5-9 四位二进制

26、编码盘 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“1”；反之，电刷接触的是绝缘区，电阻上无电流通过，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信号输出，图示为4位二进制码盘，根据电刷位置得到由“1”和“0”组成的二进制码，输出为0000、0001、00101111。 由图3-9可看出，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360o/24=22.5o，若是n位二进制码盘，就有n圈码道，分辨角360o/2n，码盘位数越大，所能分辨的角度越小，测量精度越高。

27、 用二进制代码做的码盘，如果电刷安装不准，会使得个别电刷错位，而出现很大的数值误差。如图3-10，当电刷由位置0111向1000过渡时，可能会出现从8（1000）到15（1111）之间的读数误差，一般称这种误差为非单值性误差。为消除这种误差，可采用葛莱码盘。 格雷码格雷码（循环码、葛莱码）特点：任何两个编码之间只有一位是变化的，因而可把误差控制在最小单位上。但编码与位置循序无直接规律。23222120 格雷码的编码方法格雷码的编码方法 它是从二进制码转换而来的，转换规则为：转换规则为： 将二进制码与其本身右移一位后并舍去末位的数码作不进位加法，得出的结果即为格雷格雷码码( (循环码循环码) )。例题：例题： 将二进制码0101转换成对应的格雷码：