第6章 数控机床检测装置

1、CNC第第6 6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 磁栅磁栅 6.6 编码器编码器CNC主要内容6.1 概述概述位置检测装置位置检测装置作用作用：检测位移（线位移或角：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，位移）和速度，发送反馈信号至数控装置，构成伺服系统的闭环或半闭环控制，使工作构成伺服系统的闭环或半闭环控制，使工作台按指令的路径精确地移动。台按指令的路径精确地移动。位置测量装置位置测量装置组成组成：检测元件（传感器）和：检测元件（传感器

2、）和信号处理装置。信号处理装置。数控系统中的检测装置分：位移、速度和电数控系统中的检测装置分：位移、速度和电流三种类型。流三种类型。常用常用位移位移检测装置：旋转变压器、感应同步检测装置：旋转变压器、感应同步器、编码器、光栅、磁栅等。器、编码器、光栅、磁栅等。CNC主要内容闭环或半闭环控制的数控机床的加工精度闭环或半闭环控制的数控机床的加工精度主要由检测系统精度决定。主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：旋转变压器、编码器旋转变压器、编码器等等，安装在电机或丝，安装在电机或丝杠上，测量电机或丝杠的角位移间接测量杠上，测量电机或丝杠的角位移间接测量工作台的直线位移。

3、工作台的直线位移。闭环控制系统的数控机床：闭环控制系统的数控机床：感应同步器、光栅、磁栅等，安装在工作感应同步器、光栅、磁栅等，安装在工作台和导轨上，直接测量工作台的直线位移。台和导轨上，直接测量工作台的直线位移。6.1 概述概述CNC主要内容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、分辨率系统精度：在一定长度或转角范围内测量累积误差系统精度：在一定长度或转角范围内测量累积误差的最大值。一般：的最大值。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

4、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。6.1 概述概述CNC主要内容6.1.1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）受温度、湿度影响小，工作可靠，抗干扰能力强；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

5、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。 6.1 概述概述CNC主要内容6.1.2 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) 6.1 概述概述数字式数字式 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 回回转转型型 增量式脉冲增量式脉冲编码器编码器圆光栅圆光栅 绝对式脉冲绝对式脉冲编码器编码器 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 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 直直线线型型 计量光栅计量光栅激光

6、干涉仪激光干涉仪 多通道透射多通道透射光栅光栅 直线感应同步器直线感应同步器磁尺磁尺 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 CNC主要内容1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，移动一个测量单位就发出一个测量位移增量，移动一个测量单位就发出一个测量信号。测量信号。如：测量单位为如：测量单位为0.001mm，每移，每移动动0.001mm发出发出1个脉冲信号，通过对脉冲计个脉冲信号，通过对脉冲计数可得到位移量。数可得到位移量。优点：检测装置较简单，任何一个对中点均可优点：检测装置较简单，任何一个对中点均可作为测量起点；作为测量起点；缺点

7、：一旦计数有误，此后测量结果将全错；缺点：一旦计数有误，此后测量结果将全错；发生故障时（如断电、断刀等）不能再找到事发生故障时（如断电、断刀等）不能再找到事故前的位置，必须将工作台移至起点重新计数。故前的位置，必须将工作台移至起点重新计数。6.1 概述概述CNC主要内容2）绝对式测量方式）绝对式测量方式被测量的任一点的位置都以一个固定的零点被测量的任一点的位置都以一个固定的零点作基准，每一被测点都有一个相应的对零点作基准，每一被测点都有一个相应的对零点的测量值。的测量值。避免了增量式检测方式的缺陷，但其结构较避免了增量式检测方式的缺陷，但其结构较为复杂。为复杂。接触式码盘接触式码盘6.1 概述

8、概述CNC主要内容2数字式与模拟式数字式与模拟式1）数字式测量方式）数字式测量方式将被测的量以数字形式来表示将被测的量以数字形式来表示，测量信号一般，测量信号一般为脉冲，可直接把它送到数控装置进行比较、为脉冲，可直接把它送到数控装置进行比较、处理。特点：处理。特点：（1）被测量）被测量以数字形式表示以数字形式表示，便于显示、处，便于显示、处理；理；（2）测量精度取决于测量单位，与量程基本）测量精度取决于测量单位，与量程基本无关（存在累加误差）；无关（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。6.1 概述概述CNC主要内容2）模拟式测量方式）

9、模拟式测量方式将被测量用连续的变量来表示，如用相位将被测量用连续的变量来表示，如用相位变化、电压变化表示。特点：变化、电压变化表示。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。6.1 概述概述CNC主要内容3直接测量与间接测量直接测量与间接测量1）直接测量）直接测量位置位置检测装置检测装置所测量的对象就是被测量本身，即：所测量的对象就是被测量本身，即：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，用旋转式检测装检测装置置测角位移，测角位

10、移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信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。号，而构成位置闭环控制。直接检测：对机床的直线位移采用直线型检测装直接检测：对机床的直线位移采用直线型检测装置测量。置测量。测量精度主要取决于测量元件的精度，不受机床测量精度主要取决于测量元件的精度，不受机床传动精度的影响。传动精度的影响。检测装置要与行程等长，对大型数控机床来说，检测装置要与行程等长，对大型数控机床来说，是一个很大的限制。是一个很大的限制。6.1 概述概述CNC主要内容2）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测量的回转运动只是中间值，再由它推算出与

11、之关联的移动部件的直间值，再由它推算出与之关联的移动部件的直线位移，线位移，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。对机床的直线位移采用回转型检测对机床的直线位移采用回转型检测装置装置测量，测量，称为间接测量。称为间接测量。优点：使用可靠方便，无长度限制，优点：使用可靠方便，无长度限制，缺点：在检测信号中加入了直线运动转变为旋缺点：在检测信号中加入了直线运动转变为旋转运动的传动链误差，影响检测精度。为提高转运动的传动链误差，影响检测精度。为提高定位精度，常需要对机床的传动误差进行补偿。定位精度，常需要对机床的传动误差进行补偿。6.1 概述概述CNC主要内容6.2 旋转变压器

12、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机，感应式微电机，数控机床上常见的角位移测量数控机床上常见的角位移测量装置，广泛用于装置，广泛用于半闭环半闭环控制的数控机床。控制的数控机床。优点：结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环优点：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）、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干扰能力强等特点输出信号幅度大和抗干扰能力强等特点. .缺点：信号处理比较复杂。缺点：信号处理比较复杂。CNC主要内容6.2 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

13、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：计算用旋转变压器和数据传输按用途分：计算用旋转变压器和数据传输用变压器；用变压器；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、比正余弦旋转变压器、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例式旋转变压器以及特殊函数旋转变压器等。等。CNC主要内容6.2.1旋转变压器的结构旋转变压器的结构 旋转变压器（同步分解器），与两相绕线式旋转变压器（同步分解器），与两相绕线式异步电机相似，异步

14、电机相似，由定子和转子组成，由定子和转子组成，是一种是一种旋转式的小型交流电机。旋转式的小型交流电机。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）经分别相互垂直，转子绕组的引线（端点）经滑环引出，并通过电刷送到外面来。滑环引出，并通过电刷送到外面来。无刷旋转变压器无刷旋转变压器具有输出信号大、可靠性高、具有输出信号大、可靠性高、寿命长及不用维修等优点。寿命长及不用维修等优点。6.2 旋转变压器旋转变压器CNC主要内容数控机床主要数控机床主要使用无刷旋转使用无刷旋转变压器，组成：变压器，组成：分解器：左，分解器：左，结构与有刷旋

15、结构与有刷旋转变压器基本转变压器基本相同。相同。 变压器：右，变压器：右，无电刷与滑环，无电刷与滑环，作用是不通过作用是不通过电刷与滑环把电刷与滑环把信号传递出来信号传递出来6.2 旋转变压器旋转变压器CNC主要内容12356748分解器定子线圈外接激磁电压（频率分解器定子线圈外接激磁电压（频率400Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、5000Hz），频率较高，旋转变压器，频率较高，旋转变压器尺寸显著减小，转子转动惯量也很小，适用加、减速比尺寸显著减小，转子转动惯量也很小，适用加、减速比较大或精度高的齿轮、齿条组合使用的场合；较大或精度高的齿轮、齿条组合使用的场合；分解器转子线圈输出

16、信号接到变压器的一次绕组分解器转子线圈输出信号接到变压器的一次绕组5，从，从变压器的二次绕组（转子绕组）变压器的二次绕组（转子绕组）7引出最后的输出信号引出最后的输出信号6.2 旋转变压器旋转变压器CNC主要内容单极对：定子和转单极对：定子和转子各有一对磁极。子各有一对磁极。多极对：增加定子多极对：增加定子或转子极对数，使或转子极对数，使电气转角为机械转电气转角为机械转角的倍数，用于高角的倍数，用于高精度绝对式检测。精度绝对式检测。双极对：定子和转双极对：定子和转子上各有两对相互子上各有两对相互垂直的磁极，检测垂直的磁极，检测精度较高，数控机精度较高，数控机床中应用普遍。床中应用普遍。6.2

17、旋转变压器旋转变压器CNC主要内容旋转变压器转子轴与电机轴或丝杠连接在一起，实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。现电机轴或丝杠转角的测量。单极对：转子经精密齿轮升速后再与电机轴相联，单极对：转子经精密齿轮升速后再与电机轴相联，根据丝杠导程选用齿轮升速比（升速比通常为根据丝杠导程选用齿轮升速比（升速比通常为1:2、1:3、1:4、2:3、1:5、2:5等），以保证机床的脉冲当等），以保证机床的脉冲当量与输入设定的单位相同。量与输入设定的单位相同。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。一极对数少的和一个极对数多的

18、两种旋转变压器可一极对数少的和一个极对数多的两种旋转变压器可构成构成“粗测粗测”和和“精测精测”电气变速双通道检测装置，电气变速双通道检测装置，用于高精度检测。用于高精度检测。6.2 旋转变压器旋转变压器CNC主要内容6.2.2 旋转变压器的工作原理旋转变压器的工作原理 根据互感原理工作，定子与转子之间气隙根据互感原理工作，定子与转子之间气隙磁通分布呈正余弦规律。磁通分布呈正余弦规律。当定子加上一定频率的激磁电压时，通过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，其输电磁耦合，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出电压的大小取决于定子和转子两个

19、绕组轴线在空间的相对位置。轴线在空间的相对位置。 6.2 旋转变压器旋转变压器CNC主要内容 562221110U1=UmsintU1=UmsintU1=Umsint定子转子激磁输出U1U2tt=0 2=0U2=0 =90 2=k 1U2=nUmsint0 2=k 1sinU2=nUmsintsin2k 1sinU2 nUm sint sin6.2 旋转变压器旋转变压器CNC主要内容6.2 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U1U1，则转子通过，则转子通过电磁耦合，电磁耦

20、合，产生感应电势产生感应电势U2U2。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偏转角CNC主要内容6.2 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= nUmsintsintUUmsin1sinsin12tnUnUUmCNC主要内容6.2 旋转变压器旋转变压器4 5 U1 sU1 cRU2转 子定 子cossin112cskUkUUCNC主要内

21、容6.2 旋转变压器旋转变压器1 1鉴相工作方式鉴相工作方式给定子的两个绕组通以相同幅值、相同频率，给定子的两个绕组通以相同幅值、相同频率，但相位差但相位差/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当转子正转时当转子正转时，这两个激磁电压在转子绕组，这两个激磁电压在转子绕组中产生的感应电压经叠加，得到转子的感应中产生的感应电压经叠加，得到转子的感应电压电压U U2 2为为 cossin112cskUkUUCNC主要内容6.2 旋转变压器旋转变压器U U2 2kUkUm

22、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。当转子反转时当转子反转时，同样可得到，同样可得到 U U2 2k kU 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，就可以求得检测出转子输出电压的相位角，就可以求得 ，也就，也就可得到被测轴的角位移。可得到被测轴的角位移。实际应用时，把定子余弦绕

23、组激磁电压的相位作为基实际应用时，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，来确定准相位，与转子绕组的输出电压相位做比较，来确定的大小。的大小。 CNC主要内容6.2 旋转变压器旋转变压器2鉴幅工作方式鉴幅工作方式 给定子的两个绕组分别通以频率相同、相位相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同、幅值分别按正弦和余弦变化的交流激磁电压，即压，即 U1sUmsin sint U1c= Umcos sint 当给定电气角为当给定电气角为时，交流激磁电压的幅值分时，交流激磁电压的幅值分别为别为 UsmUmsin UcmUmco

24、s CNC主要内容6.2 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（） sintU2的幅值分别为的幅值分别为: :kUmcos（）、）、kUmcos（）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

25、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。转子每转转子每转1周时，转子的输出电压将随旋转变压器的周时，转子的输出电压将随旋转变压器的极数不同而不止一次地通过零点，需加极数不同而不止一次地通过零点，需加相敏检波器相敏检波器来

26、来辨别转换点和区别不同的转向。辨别转换点和区别不同的转向。 6.2 旋转变压器旋转变压器CNC6.3 感应同步器感应同步器感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置，属感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置，属模拟式测量模拟式测量，二者工作原理相同，其输出电压随被，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。测直线位移或角位移而改变。种类：根据用途和结构特点分直线式、旋转式（圆种类：根据用途和结构特点分直线式、旋转式（圆盘式）两类。盘式）两类。直线式：定尺、滑尺，测直线位移，用于全闭环伺直线式：定尺、滑尺，测直线位移，用于全闭环伺服系统。服系统。旋转式：定子、转子，测量角位移，用

27、于半闭环伺旋转式：定子、转子，测量角位移，用于半闭环伺服系统。服系统。工作原理与直线式相同，不同的是定子（相当于定工作原理与直线式相同，不同的是定子（相当于定尺）、转子（相当于滑尺）及绕组形状不同，结构尺）、转子（相当于滑尺）及绕组形状不同，结构上分：圆形、扇形。上分：圆形、扇形。CNC6.3.1 感应同步器的结构与种类感应同步器的结构与种类 6.3 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）（安装在移动部件上）平行，间隙为平行，间隙为0.250.05mm0.250.05mmCNC6.3 感应同步器感应同步器w22（a2+b2）w12（a1+b1）一般一般w1w2

28、或或w12/3 w2CNC6.3 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。）CNC6.3 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。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，电磁感应强度减：定尺、滑尺宽度比标准式小，电磁感应强度减低，比标准式精

29、度低，适用精度较低或机床上安装位低，比标准式精度低，适用精度较低或机床上安装位置窄小且安装面难于加工的情况；置窄小且安装面难于加工的情况；带式：带式：定尺最长可至定尺最长可至3m以上，不需接长，可简化安装，以上，不需接长，可简化安装，定尺随床身热变形而变形，但定尺较长，刚性稍差，定尺随床身热变形而变形，但定尺较长，刚性稍差，总测量精度比标准式低；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，特别适用大型机床。特别适用大型机床。 CNC6.3 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

30、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6.3 感应同步器感应同步器CNC6.3.2 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、两平面的间隙必须保持定尺和滑尺平行、两平面的间隙约为约为025005mm，其它安装要求视，其它安装要求视具体的产品说明而定。保证定尺和滑尺在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。

31、全部工作长度上正常耦合，减少测量误差。6.3 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，测量范围增加时，将定尺接长。测量范围增加时，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量块加千分表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CNC6.3.3 感应同步器工作

32、原理感应同步器工作原理 正弦绕组余弦绕组滑尺定尺2/2UdUsUc6.3 感应同步器感应同步器当滑尺与定尺间发生相对位移时，即：励磁绕当滑尺与定尺间发生相对位移时，即：励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，使感应绕组中的感应电压随位移的合的变化，使感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化。变化而变化。CNC6.3 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感应电压幅值与定尺滑尺相对位置关系 定 尺 滑 A 尺 B241 位 C221 置 D243 E 2 E A V2 M N 正弦绕组 余弦绕组 B D C O P CNC当滑

33、尺移动距离为当滑尺移动距离为 2 2 ，V2 V2 变化变化 2 2 , ,当移动当移动 x x时，则对应感应电压以余弦函数变化时，则对应感应电压以余弦函数变化 角度角度。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； 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。22xxx22tVVmssintKVKVVmssincoscos2mV6.3 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 供给滑尺的正、余弦绕组的

34、激磁信号是供给滑尺的正、余弦绕组的激磁信号是频率、频率、幅值相同，相位相差幅值相同，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。定尺和滑尺之间的相对位移。tVVtVVmcmscossin)sin(2coscoscossin2tKVtKVtKVVmmm6.3 感应同步器感应同步器CNCxx22 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3.63.60 0，表

35、明滑尺移动了多少，表明滑尺移动了多少mmmm？(0.02mm) (0.02mm) 2mm6.3 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。例：设节距距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 xmmx/1801脉冲脉冲/36. 0/180002. 06.3 感应同步器感应同步器CNC 供给滑尺上正、余弦绕组的励磁电压的频率相同、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。相位相同但幅值不同。 2.鉴幅工作方式鉴幅工作方式tVVtVVmcmssincossinsin则在定尺绕组产生的总

36、感应电压为则在定尺绕组产生的总感应电压为sinsincoscossinsin2tKVtKVVmmtKVmsinsin6.3 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，便能求出与位移幅值，便能求出与位移对应的角度对应的角度。实际测量时，不断调整。实际测量时，不断调整 ，让幅值为，让幅值为零。则零。则的变化量就代表了的变化量就代表了对应的位移量，就可测对应的位移量，就可测得机械位移。得机械位移。 CNC6.4 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.

37、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，用于数控机床检测系统。和反射现象，用于数控机床检测系统。这里所讨论的光栅是指计量光栅这里所讨论的光栅是指计量光栅：高精度数控机高精度数控机床的位置检测装置，用于闭环控制系统，可测量床的位置检测装置，用于闭环控制系统，可测量位移和转角。读数速率高（位移和转角。读数速率高（0 数十万次数十万次/每秒）每秒）非常适用动态测

38、量。非常适用动态测量。CNC6.4.1 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：玻璃透射光栅、金属反射光栅。光栅。 6.4 光栅光栅CNC长光栅长光栅（1）玻璃透射光栅玻璃透射光栅是在玻璃的表面上用真空镀膜是在玻璃的表面上用真空镀膜法镀一层金属膜，再涂上一层均匀的感光材料，法镀一层金属膜，再涂上一层均匀的感光材料，用照相腐蚀法制成透明与不透明间隔相等的线纹。用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

39、）光源可采用垂直入射，光电元件可直接接受光）光源可采用垂直入射，光电元件可直接接受光信号，因此信号幅度大，读数头结构比较简单；信号，因此信号幅度大，读数头结构比较简单；2）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。 6.4 光栅光栅CNC（2）金属反射光栅金属反射光栅：在钢尺或不锈钢的镜面上用：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；常用的线纹数为的线纹数为4、10、25、40、50条条/mm ，分辨率低。

40、，分辨率低。特点：特点：1）标尺光栅的线膨胀系数很容易做到与机床材料）标尺光栅的线膨胀系数很容易做到与机床材料一致；一致；2）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；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。6.4 光栅光栅CNC圆光栅圆光栅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。不同的使用要求在圆周内的线纹数不相同。一般不同的使用要求在圆周内的线纹数不相同。一般有有3种形式

41、：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，6.4 光栅光栅CNC6.4.2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1m，行程大于，行程大于1m时，需要将光栅接长时，需要将光栅接长安装安装：标尺光栅标尺光栅一般安装在机床活动部件上一般安装在机床活动部件上（如工作台上或丝杠上）（如工作台上或丝杠上） 光栅读数头光栅读数头安装在机床固定部件上

42、（如安装在机床固定部件上（如机床底座上）。指示光栅（短光栅）装在光栅机床底座上）。指示光栅（短光栅）装在光栅读数头中。读数头中。6.4 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、指光源、透镜、指示光栅、光敏元示光栅、光敏元件、驱动线路。件、驱动线路。常见结构按光路常见结构按光路分：分光读数头、分：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：将莫尔条作用：将莫尔条纹的光信号转换纹的光信号转换成电脉冲信号。成电脉冲信号。 SPL2G2G1L1QG1G2PLtQL1G1G2L2PQCNC光栅6.4 光栅光栅CNC尺身尺

43、身安装孔 扫描头 （与移动部件固定）可移动电缆6.4 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d6.4 光栅光栅CNC2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、刻划面平行且有一个很小间隙（一般刻划面平行且有一个很小间隙（一般0.05mm，0.1mm）在光源照射下

44、，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的平分线相垂直的方向上，形成明暗相间条纹线相垂直的方向上，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）纹间的距离称莫尔条纹宽度纹间的距离称莫尔条纹宽度 w 。6.4 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dw6.4 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=0.01mm，0.01rad，则则w1mm，k100 6.4 光栅光栅xdw

45、xwxtg2cos222CNC（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一个栅距光栅移动一个栅距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。莫尔条纹移动方向与两光栅夹角莫尔条纹移动方向与两光栅夹角移动方向垂直。移动方向垂直。可通过检测莫尔条纹移动测量光栅水平方向移动的微可通过检测莫尔条纹移动测量光栅

46、水平方向移动的微小距离。小距离。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内，光电元件所检测的光强变化为正弦（或余弦）变化。（或余弦）变化。6.4 光栅光栅CNC6.6.3 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

47、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，就代表移动了一个栅距，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通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离6.4 光栅光栅CNC6.4 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。 在莫尔条纹的宽度内，放置四个光电元件，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

48、倍，这就栅距的位移，分辨精度可提高四倍，这就是四倍频方案。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）& 1Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8H2P1P2P3P4CABDCABDABADCDBCBCABADCDH1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

49、正向时上升沿微分反向时上升沿微分6.4 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，提高光栅的分辨率辨向、细分，提高光栅的分辨率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都有脉冲输出，一个周期内送出都有脉冲输出，一个周期内送出4个脉冲。分个脉冲。分辨率提高辨率提高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：，即：分辨率分辨率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倍频倍频处理后，线纹密度提高到处理后，线纹密度提高到200条条/mm，工作台每移动

50、，工作台每移动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。6.4 光栅光栅CNC6.6 编码器编码器编码器（码盘），一种旋转式测量元件，装编码器（码盘），一种旋转式测量元件，装在被测轴上，随被测轴一起转动，将被测轴在被测轴上，随被测轴一起转动，将被测轴的角位移转换成增量脉冲形式或绝对式的代的角位移转换成增量脉冲形式或绝对式的代码形式。码形式。使用的计数制：二进制、二进制循环码（格使用的计数制：二进制、二进制循环码（格雷码）、余三码和二一十进制码等编码器；雷码）、余三码和二一十进制码等编码器；输出信号的形式：绝对值式编码器、脉冲增输出信号的形式：绝对值式编码器、

51、脉冲增量式编码器；量式编码器；内部结构和检测方式：接触式、光电式、电内部结构和检测方式：接触式、光电式、电磁式。磁式。CNC两种安装方式：两种安装方式：一、和伺服电机一、和伺服电机同轴联接，编码同轴联接，编码器在进给传动链器在进给传动链的前端；安装方的前端；安装方便。便。二、连接在滚珠二、连接在滚珠丝杠末端，包含丝杠末端，包含的传动链误差比的传动链误差比前者多，位置控前者多，位置控制精度较高；制精度较高；工作台丝杠编码器电机6.6 编码器编码器CNC6.6.1 接触式编码器接触式编码器是一种绝对值式的检测装置，可直接把被测是一种绝对值式的检测装置，可直接把被测转角用数字代码表示出来，每一个角度

52、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。 6.6 编码器编码器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位二进制码盘，有位二进制码盘，有n圈码道，圈码道，圆周均分圆周均分2n等份，即有等份，即有2n个数据表示不同位置，最个数据表示不同位置，最小分辨角小分辨角360/2n。 n 越大，能分辨的角度越小，越大，能分辨的角度越小，测量精度越高。测量精度越高。目前目前n =814位位-+电 刷绝 缘 体导 电 体转 轴E0 0 0 01 0 0 01

53、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 1222321202122236.6 编码器编码器若要求位数更多，采用组合码盘，一个为粗计码盘，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。精计码盘转一个为精计码盘。精计码盘转1 1圈，粗计码盘转圈，粗计码盘转1 1格。格。CNC码盘制

54、作和电刷安装要求十分严格，否则会码盘制作和电刷安装要求十分严格，否则会产生产生非单值性误差非单值性误差。若电刷恰好位于两位码。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）过渡时，可能会出现渡时，可能会出现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）。6.6 编码器编码器CNC6.6 编码器编码器格雷码盘：格雷码盘：各码道的数码不同时改

55、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。 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 8 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

56、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。 6.6 编码器编码器CNC6.6.2 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）为增量式光电发生器、光电脉冲编码器）为增量式光电编码器，是一种旋转式脉冲发生器编码器，是一种旋转式脉冲发生器把机械转角变成电脉冲，是数控机床常用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。的角位移检测元件，也可用于角速度检测。6.6 编码器编码器CNC

57、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r2，3，4，6，825000脉冲r5，1030000脉冲r3，6，12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，该类脉冲编码器装置内部应用了微处理器。该类脉冲编码器装置内部应用了微处理器。脉冲编码器每转脉冲移动量（mm）2000脉冲r2，3，4，6，82500脉冲r5，103000脉冲r3，6，12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。6.6 编码器编码器CNC6.6 编码器编码器滚珠丝杠的导程滚珠丝杠的导程iMS脉冲当量

58、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C6.6 编码器编码器CNCA A组与组与B B组两组狭缝，彼此错组两组狭缝，彼此错开开1/41/4节距，两组狭缝相对应节距，两组狭缝相对应的光敏元件产生的信号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，用于辩向。相位，用于辩向。根据脉冲数目可得被测轴根据脉冲数目可得被测轴的角位移；的角位移；根据脉

59、冲频率可得被测轴根据脉冲频率可得被测轴的转速；的转速；根据根据A A、B B两相相位超前滞两相相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方后关系可判断被测轴旋转方向。向。 后续电路可利用后续电路可利用A A、B B两相两相的的9090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）。6.6 编码器编码器CNC6.6 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，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”，作为测量的起始基，作为测量的起始基准。准。Z 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

60、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6.6 编码器编码器CNC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。如条纹数为狭缝数。如条纹数为1024，则，则360/10240.352。光电编码器的输出信号为差动信号，进行倍频处光电编码器的输出信号为差动信号，进行倍频处理，进一步提高分辨力。理，进一步提高分辨力。例如：配置例如：配置2000脉冲脉冲r光电编码器的伺服电机光电编码器的伺服电机直接驱动直接驱动8mm螺距的滚珠丝杠，经螺距的滚珠丝杠，经4倍频处理后，倍频处理后，相当于相当于8000脉冲脉冲r的角度分辨力，对应工作台的角度分辨力，对应工作台的直线