数控机床的检测装置学习教案

1、数控机床的检测数控机床的检测(jin c)装置装置第一页，共75页。主要(zhyo)内容6.1 概述概述(i sh) 组成：位置检测装置是由检测元件（传感器）组成：位置检测装置是由检测元件（传感器） 和信号处理装置组成的。和信号处理装置组成的。 作用：实时测量作用：实时测量(cling)(cling)执行部件的位移和速度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。它信号，并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。是闭环、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检闭环数控机床的加工精度在很大程度上是

2、由位置检测装置的精度决定的，在设计数控机床进给伺服系统，测装置的精度决定的，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。测装置。第1页/共75页第二页，共75页。主要(zhyo)内容6.1 概述概述(i sh) 数控系统中的检测装置分为位移数控系统中的检测装置分为位移(wiy)(wiy)、速度和电流三种类型。、速度和电流三种类型。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理、压电效应、压阻效应和磁阻效应等。等。安装的位置及耦合方式安装

3、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；第2页/共75页第三页，共75页。主要(zhyo)内容数控机床对检测数控机床对检测(jin c)(jin c)装置的主要要求装置的主要要求 1）受温度、湿度影响小，工作）受温度、湿度影响小，工作(gngzu)可靠，抗干可靠，抗干扰能力扰能力 强；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

4、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 概述概述第3页/共75页第四页，共75页。主要(zhyo)内容6.2 旋转旋转(xunzhun)变压变压器器旋转旋转(xunzhun)变压器是一种输出电压与角位移量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机，数控机床上常见成连续函数关系的感应式微电机，数控机床上常见的角位移测量装置，广泛用于半闭环控制的数控机的角位移测量装置，广泛用于半闭环控制的数控机床。床。优点：结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境条优点：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）

5、、输出信件要求低（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。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。丝杠转角的测量。6.2 旋转变压器旋转变压器第4页/共75页第五页，共75页。主要(zhyo)内容6.2 旋转旋转(xunzhun)变压变压器器旋转旋转(xunzhun)(xunzhun)变压器的变压器的分类分类 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

6、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。第5页/共75页第六页，共75页。主要(zhyo)内容由定子和转子组成，结构上与旋转式的小型交流电机由定子和转子组成，结构上与旋转式的小型交流电机相似。相似。有刷旋转变压器定子、转子上两相绕组轴线分别有刷旋转变压器定子、转子上两相绕组轴线分别(fnbi)(fnbi)相互垂直，转子绕组的引线（端点）经滑相互垂直，转子绕组的引线（端点）经滑环引出，并通过电刷送到外面。环引出，并通过电刷送到外面。6.2 旋转旋转(xunzhun)变压器变压器第6页/共75页第七页，共75页。主要(zhyo)内容端盖端盖6.2 旋转旋转(xunz

7、hun)变压变压器器18762旋转旋转(xunzhun)变压器有刷结构示意图变压器有刷结构示意图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滑环滑环第7页/共75页第八页，共75页。主要(zhyo)内容6.2 旋转旋转(xunzhun)变压变压器器数控机床主要使用数控机床主要使用(shyng)(shyng)无刷旋转变压器，组无刷旋转变压器，组成：分解器、变压器，不通过电刷与滑环把信号成：分解器、变压器，不通过电刷与滑环把信号传递出来传递出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、寿命具有输出信号大、可靠性高、寿命长及不用维修等优点。长及不用维修等优点。

8、第8页/共75页第九页，共75页。主要(zhyo)内容123567486.2 旋转旋转(xunzhun)变压变压器器分解器分解器变压器变压器1-转子(zhun z)轴2-壳体3-分解器定子4-变压器定子5-变压器一次绕组6-变压器转子(zhun z)线轴7-变压器二次绕组8-分解器转子(zhun z)第9页/共75页第十页，共75页。主要(zhyo)内容6.2.2 旋转旋转(xunzhun)变压器的工作变压器的工作原理原理 原理：电磁感应互感原理原理：电磁感应互感原理当定子加上一定频率的励磁电压时，通过当定子加上一定频率的励磁电压时，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

9、生感应电势，其输出电压的大小取决于定子和转子两个出电压的大小取决于定子和转子两个(lin )(lin )绕组轴线在空间的相对位置。绕组轴线在空间的相对位置。 6.2 旋转变压器旋转变压器第10页/共75页第十一页，共75页。主要(zhyo)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=nUmsintsinU2 nU1sin6.2 旋转旋转(xunzhun)变压变压器器第11页/共75页第十二页，共75页。主要(zhyo)内容6.2 旋转旋转(xunz

10、hun)变压器变压器单极型旋转变压器的定子和转子各有一对磁极，单极型旋转变压器的定子和转子各有一对磁极，假设加到定子绕组的励磁电压为假设加到定子绕组的励磁电压为U1U1，则转子通过，则转子通过电磁电磁(dinc)(dinc)耦合，产生感应电势耦合，产生感应电势U2U2。tUUmsin1sinsinsin12tnUnUUm Um励磁电压幅值励磁电压幅值n绕组匝数比绕组匝数比转子偏转角转子偏转角第12页/共75页第十三页，共75页。主要(zhyo)内容6.2 旋转旋转(xunzhun)变压变压器器 562221110U1=UmsintU1=UmsintU1=Umsint定子转子激磁输出U1U2tt

11、=0 2=0U2=0 =90 2=k 1U2=nUmsint0 2=k 1sinU2=nUmsintsintUUmsin12sinsinmUnUt第13页/共75页第十四页，共75页。主要(zhyo)内容6.2 旋转旋转(xunzhun)变压变压器器45 U1sU1cRU2转子定子cossin112cskUkUU 1c 1s 1ccos 1ssin 第14页/共75页第十五页，共75页。主要(zhyo)内容6.2 旋转旋转(xunzhun)变压变压器器第15页/共75页第十六页，共75页。主要(zhyo)内容6.2 旋转旋转(xunzhun)变压变压器器1 1鉴相工作方式鉴相工作方式给定子给定

12、子(dngz)(dngz)的两个绕组通以相同幅值、的两个绕组通以相同幅值、相同频率，但相位差相同频率，但相位差/2/2的交流励磁电压的交流励磁电压 U1s U1sUmsintUmsint U1c U1cUmUm（sint+/2sint+/2）UmcostUmcost当转子正转时，这两个励磁电压在转子绕组当转子正转时，这两个励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U2U2为为 cossin112cskUkUU第16页/共75页第十七页，共75页。主要(zhyo)内容6.2 旋转旋转(xunzhun)变压器变压器U2U2kUmsints

13、inkUmsintsinkUmcostcoskUmcostcos =kUmcos =kUmcos（t-t-）当转子反转当转子反转(fn zhun)(fn zhun)时，同样可得到时，同样可得到 U2 U2k Umcosk Umcos（t+t+）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，把定子余弦绕组励磁电压的相位作为基准相位，实际应用时，把定子余弦绕组励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

14、比较，来确定与转子绕组的输出电压相位做比较，来确定的大小。的大小。 第17页/共75页第十八页，共75页。主要(zhyo)内容6.2 旋转旋转(xunzhun)变压器变压器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、相位相同、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幅值分别按正弦和余弦变化的交流(jioli)励磁励磁电压，即电压，即 U1sUmsinsint U1c= Umcossint 第18页/共75页第十九页，共75页。主要(zhyo)内容6.2 旋转旋转(xunzhun)变压变压器器转子正转时，转子正转时，U1sU1s、U1cU1c经

15、叠加，转子感应电压经叠加，转子感应电压U2U2为：为：U2U2kUmsinsintsinkUmsinsintsink Umcossintcosk Umcossintcos kUmcoskUmcos（）sintsint转子反转转子反转(fn zhun)(fn zhun)时，同理有：时，同理有： U2 U2kUmcoskUmcos（） sint sintU2U2的幅值分别为的幅值分别为:kUmcos:kUmcos（）、）、kUmcoskUmcos（）转子感应电压的幅值随转子的偏转角而变化。测量出幅值可转子感应电压的幅值随转子的偏转角而变化。测量出幅值可测出测出 转角。转角。第19页/共75页第二十

16、页，共75页。主要(zhyo)内容三、旋转三、旋转(xunzhun)(xunzhun)变压器的变压器的应用应用 由角位移由角位移(wiy)如何计算直线位移如何计算直线位移(wiy)?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就间接地测量了丝杠的直线位移(wiy)（导程）的大（导程）的大小。小。要检测工作台的绝对位置，需加一台绝对位置计数器，要检测工作台的绝对位置，需加一台绝对位置计数器，累计所走的导程数，折算成位移累计所走的导程数，折算成

17、位移(wiy)总长度。总长度。6.2 旋转变压器旋转变压器第20页/共75页第二十一页，共75页。6.3 感应同步器感应同步器感应同步器原理同旋转变压器，其输出感应同步器原理同旋转变压器，其输出(shch)电压随被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。根据用途和结构特点分：直线式、旋转式两类。根据用途和结构特点分：直线式、旋转式两类。直线式：定尺、滑尺，测直线位移，用于闭环伺服系统。直线式：定尺、滑尺，测直线位移，用于闭环伺服系统。旋转式：定子、转子，测角位移，用于半闭环伺服系统。旋转式：定子、转子，测角位移，用于半闭环伺服系统。6.3 感应同步器感应同步器第21页/共7

18、5页第二十二页，共75页。6.3.1 感应同步器的结构感应同步器的结构(jigu)6.3 感应同步器感应同步器（固定（固定(gdng)在床在床身上）身上）（安装（安装(nzhung)在移动在移动部件上）部件上）平行，间隙为平行，间隙为0.250.250.05mm0.05mm第22页/共75页第二十三页，共75页。6.3 感应同步器感应同步器w22（a2+b2）w12（a1+b1）一般一般(ybn)w1w2 或或 w12/3 w2第23页/共75页第二十四页，共75页。6.3 感应同步器感应同步器（当正弦绕组与定尺绕（当正弦绕组与定尺绕组对齐组对齐(du q)(du q)时，时，余弦绕组与定尺绕

19、组相余弦绕组与定尺绕组相差差1/41/4节距。）节距。）第24页/共75页第二十五页，共75页。6.3 感应同步器感应同步器“节距节距”是衡量是衡量(hng ling)感应同步器精度的主要参数。感应同步器精度的主要参数。 标准直线感应同步器定尺长标准直线感应同步器定尺长250mm，滑尺长，滑尺长100mm，节距为节距为2mm。第25页/共75页第二十六页，共75页。6.3 感应同步器感应同步器结构结构(jigu)：第26页/共75页第二十七页，共75页。转子绕组：连续绕组；转子绕组：连续绕组；定子绕组：分段定子绕组：分段(fn dun)(fn dun)式、两相正交（相差式、两相正交（相差909

20、0电角度）电角度）sinsin绕组、绕组、coscos绕组绕组6.3 感应同步器感应同步器第27页/共75页第二十八页，共75页。6.3.2 感应同步器的安装感应同步器的安装(nzhung) 定尺安装在机床的不动部件上；定尺安装在机床的不动部件上；滑尺安装在机床的移动部件上。滑尺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0 025250 005mm05mm，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。保证定尺和滑尺在全部产品说明而定。保证定尺和滑尺在全部(qun

21、b)(qunb)工作长度上正常耦合，减少测量误工作长度上正常耦合，减少测量误差。差。6.3 感应同步器感应同步器第28页/共75页第二十九页，共75页。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250mm250mm，测量范围增加，测量范围增加时，将定尺接长。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(ciyng)(ciyng)激光干涉仪或量块加千分表激光干涉仪或量块加千分表进行全长误差测量，使总长度上的累积误差进行全长误差测量，使总长度上的累积误差单块定尺的最大单块定尺

22、的最大偏差。偏差。 6.3 感应同步器感应同步器第29页/共75页第三十页，共75页。6.3.3 感应同步器工作感应同步器工作(gngzu)原理原理 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滑尺、定尺间发生相对位移，由于电磁滑尺、定尺间发生相对位移，由于电磁(dinc)耦合耦合的变化，使感应绕组中的感应电压随位移的变化而的变化，使感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化。变化。第30页/共75页第三十一页，共75页。6.3 感应同步器感应同步器感应感应(gnyng)电压幅值与定尺滑尺相对位置关系电压幅值与定尺滑尺相对位置关系ABCD第31页/共75页第三十二页，共7

23、5页。 当滑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，则对时，则对应感应应感应(gnyng)(gnyng)电压以余弦函数变化电压以余弦函数变化 角度。角度。可得可得 设设 表示滑尺上一相绕组的励磁电压表示滑尺上一相绕组的励磁电压则定尺绕组感应则定尺绕组感应(gnyng)(gnyng)电压为电压为22xxx22tVVmssintKVKVVmssincoscos26.3 感应同步器感应同步器第32页/共75页第三十三页，共75页。1.1.鉴相工作方式鉴相工作方式 供给滑尺的正、余弦绕组的励磁信号是频率、供给滑尺的正、余弦绕组的励磁信号是频率、幅

24、值相同，相位相差幅值相同，相位相差900900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 通过鉴别通过鉴别(jinbi)(jinbi)定尺感应输出电压的相位，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。即可测量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xx22第33页/共75页第三十四页，共75页。xx22 例如例如(lr)(lr)：定尺感应输出电压与滑尺励磁电压之间的相位差定尺感应输出电压与滑尺励磁电压之间的相位差为

25、为3.603.60，表明滑尺移动了多少，表明滑尺移动了多少mmmm？2mm6.3 感应同步器感应同步器(0.02mm)(0.02mm)第34页/共75页第三十五页，共75页。将将 称为相移称为相移位移转换系数。位移转换系数。例：设节距例：设节距2=22=2，则，则 若脉冲若脉冲(michng)(michng)当量当量2m/2m/脉冲脉冲(michng)(michng)，则相，则相移系数移系数为为 xmmx/1801脉冲/36. 0180002. 06.3 感应同步器感应同步器第35页/共75页第三十六页，共75页。 供给滑尺上正、余弦绕组的励磁电压的频率(pnl)相同、相位相同但幅值不同。 2

26、.鉴幅工作鉴幅工作(gngzu)方式方式tVVtVVmcmssincossinsin则在定尺绕组产生的总感应则在定尺绕组产生的总感应(gnyng)电压为电压为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 ，让幅值为零。，让幅值为零。则则的变化量就代表了的变化量就代表了对应的位移量，就可测得机械对应的位移量，就可测得机械位移。位移。 第36页/共75页第三十七页，共75页。6.4 光栅光

27、栅(gungshn)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（衍射光栅）：物理光栅（衍射光栅）：200200500500条条/ /，栅距，栅距0.0020.0020.0050.005，主要，主要(zhyo)(zhyo)是利用光的衍射原理，用于光谱分析和是利用光的衍射原理，用于光谱分析和光波波长的测定。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，栅等，栅距距0.0040.0040.040.04，主要，主要(zhyo)(zhyo)是利用光的透是利用光的透射和反射现象，用于数控机

28、床闭环检测系统。射和反射现象，用于数控机床闭环检测系统。6.4 光栅光栅(gungshn)第37页/共75页第三十八页，共75页。6.4.1 光栅的种类光栅的种类按形状：长光栅（直线光栅）、圆光栅。按形状：长光栅（直线光栅）、圆光栅。长光栅检测线位移，圆光栅测量长光栅检测线位移，圆光栅测量(cling)角位移角位移直线光栅按制作原理：玻璃透射光栅、金属反射光栅。直线光栅按制作原理：玻璃透射光栅、金属反射光栅。 6.4 光栅光栅(gungshn)第38页/共75页第三十九页，共75页。长光栅长光栅（1 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法镀一层金属膜，再涂是在玻璃的表面上用

29、真空镀膜法镀一层金属膜，再涂上一层均匀的感光材料，用照相腐蚀法制上一层均匀的感光材料，用照相腐蚀法制(fzh)(fzh)成成透明与不透明间隔相等的线纹，也有用刻蜡、腐蚀、透明与不透明间隔相等的线纹，也有用刻蜡、腐蚀、涂黑工艺制成的。涂黑工艺制成的。特点：特点：1 1）光源可采用垂直入射，光电元件可直接接受光信）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；号，因此信号幅度大，读数头结构比较简单；2 2）每毫米上线纹数多，一般为）每毫米上线纹数多，一般为100100、125125、250250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，

30、可做到微米级的分辨率。 6.4 光栅光栅(gungshn)第39页/共75页第四十页，共75页。（2 2）金属反射光栅：在钢尺或不锈钢的镜面上用照相腐蚀法）金属反射光栅：在钢尺或不锈钢的镜面上用照相腐蚀法或用钻石或用钻石(zunsh)(zunsh)刀刻划制成的光栅线纹；常用的线纹数为刀刻划制成的光栅线纹；常用的线纹数为4 4、1010、2525、4040、5050条条/mm /mm ，分辨率低。，分辨率低。特点：特点：1 1）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容易做到与机床材料一致；2 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 3

31、）安装面积较小；）安装面积较小；4 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 5）不易碰碎。）不易碰碎。6.4 光栅光栅(gungshn)第40页/共75页第四十一页，共75页。圆光栅圆光栅在玻璃圆盘外环端面上，做成黑白相间的条纹在玻璃圆盘外环端面上，做成黑白相间的条纹(tio wn)(tio wn)，条纹，条纹(tio wn)(tio wn)呈辐射状，相互间呈辐射状，相互间夹角（称为栅距角）相等。夹角（称为栅距角）相等。6.4 光栅光栅(gungshn)第41页/共75页第四十二页，共75页。6.4.2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

32、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：标尺光栅（长光栅）、光栅读数头组成：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，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安装(nzhung)：标尺光栅一般安装：标尺光栅一般安装(nzhung)在机床活动在机床活动部件上（如工作台上或丝杠上）部件上（如工作台上或丝杠上）,光栅读数头安装光栅读数头安装(nzhung)在机床固定部件上（如机床底座上）。指示光栅（短光栅）在机床固定部件上（如机床底座上）。指示光栅（短光栅）装在光栅读数头中。装在光栅读数

33、头中。6.4 光栅光栅(gungshn)第42页/共75页第四十三页，共75页。光栅光栅(gungshn)(gungshn)的结构与测量的结构与测量原理原理光栅读数头组成：光源、光栅读数头组成：光源、透镜透镜(tujng)(tujng)、指示光、指示光栅、光敏元件、驱动线路。栅、光敏元件、驱动线路。常见结构按光路分：分光常见结构按光路分：分光读数头、垂直入射读数头、读数头、垂直入射读数头、反射读数头反射读数头作用：将莫尔条纹的光信作用：将莫尔条纹的光信号转换成电脉冲信号。号转换成电脉冲信号。 SPL2G2G1L1QG1G2PLtQL1G1G2L2PQ第43页/共75页第四十四页，共75页。光栅

34、光栅6.4 光栅光栅(gungshn)第44页/共75页第四十五页，共75页。尺身尺身尺身安装孔尺身安装孔 光栅读数头光栅读数头 （与移动部件固定）（与移动部件固定）可移动电缆可移动电缆6.4 光栅光栅(gungshn)第45页/共75页第四十六页，共75页。不透光条纹宽度（缝隙宽度）不透光条纹宽度（缝隙宽度）a a，透光宽度（刻线宽度），透光宽度（刻线宽度）b b，通常通常a=ba=b，栅距，栅距d da+ba+b。安装时要严格保证标尺光栅安装时要严格保证标尺光栅(gungshn)(gungshn)和指示光栅和指示光栅(gungshn)(gungshn)的平行度的平行度( (一般为一般为0.

35、1mm0.1mm之内之内) )及两者之间的间及两者之间的间隙（一般隙（一般0.050.050.10.1）ab标尺光栅指示光栅d6.4 光栅光栅(gungshn)第46页/共75页第四十七页，共75页。2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（暗）纹间的距离

36、（横向莫尔条纹），两条亮（暗）纹间的距离(jl)称莫尔条纹宽度称莫尔条纹宽度 w 。6.4 光栅光栅(gungshn)均匀刻线均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第47页/共75页第四十八页，共75页。标尺标尺(bioch)光栅光栅指示指示(zhsh)光栅光栅d第48页/共75页第四十九页，共75页。d标尺标尺(bioch)光栅光栅指示指示(zhsh)光栅光栅第49页/共75页第五十页，共75页。d标尺标尺(bioch)光栅光栅指示指示(zhsh)光栅光栅第50页/共75页第五十一页，共75页。WWd标尺标尺(bioch)光栅光栅指示

37、指示(zhsh)光栅光栅均匀刻线均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第51页/共75页第五十二页，共75页。莫尔条纹特性莫尔条纹特性(txng)(txng)：（1 1）光学放大作用）光学放大作用标尺光栅指示光栅dw/22cos2sin222dddwtg放大放大(fngd)(fngd)比比k k为为 ：1dwk若若d=0.01mm，0.01rad，则，则w1mm，k100 6.4 光栅光栅(gungshn)xdwxwxtg2cos222第52页/共75页第五十三页，共75页。（2 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

38、线纹形成大量光栅线纹形成 误差平均效误差平均效应应 克服个别克服个别/ /局部局部(jb)(jb)误差误差 提高精度提高精度 （3 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。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(ji jio)(ji jio)移动方向垂移动方向垂直。直。可通过检测莫尔条纹移动的变化，测量光栅水平方向移动可通过检测莫尔条纹移动的变化，测量光栅水平方向移动的微小距离。的微小距离。

39、在一个栅距在一个栅距d 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。6.4 光栅光栅(gungshn)第53页/共75页第五十四页，共75页。6.6.3 光栅测量光栅测量(cling)系系统统 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、暗带到标尺光栅移动，莫尔条纹交替由亮带到暗带、暗带到亮带，光强度分布近似正弦曲线，光电元件变为同频亮带，光强度分布近似正弦曲线，光电元件变为同频率电压信号，经光栅位移率电压信号，

40、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。每产生微分输出脉冲。每产生(chnshng)(chnshng)一个脉冲，就代一个脉冲，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的移动距离6.4 光栅光栅(gungshn)第54页/共75页第五十五页，共75页。6.4 光栅光栅(gungshn)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。采用倍频的方法来提高光栅的分辨精度。采用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，每隔在莫尔条纹的宽度内，放置四个光

41、电元件，每隔1/41/4光栅光栅栅距产生一个脉冲，一个脉冲代表移动栅距产生一个脉冲，一个脉冲代表移动(ydng)(ydng)了了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。 一个一个(y )(y )光电元件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?第55页/共75页第五十六页，共75页。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

42、Y6Y7Y8H2P1P2P3P4CABDCABDABADCDBCBCABADCDH1正向脉冲反向脉冲（sin）（cos）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6.4 光栅光栅(gungshn)四倍频(bi pn)鉴相电路第56页/共75页第五十七页，共75页。鉴向倍频电路作用鉴向倍频电路作用(zuyng):(zuyng):辨向、细分，提高光栅的辨向、细分，提高光栅的分辨力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 0、9090、180180、270270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 4个脉冲。分辨力提高个脉冲。分辨

43、力提高4 4倍。倍。分辨力取决于光栅栅距分辨力取决于光栅栅距 d d 和鉴向倍频的倍数和鉴向倍频的倍数 n n，即：分，即：分辨力辨力d/nd/n。例：光栅线纹密度例：光栅线纹密度5050条条/mm/mm（栅距（栅距20m20m），经），经4 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200200条条/mm/mm，工作台每移动，工作台每移动5m5m送出送出一个脉冲，即分辨力为一个脉冲，即分辨力为5m5m，提高，提高4 4倍。倍。6.4 光栅光栅(gungshn)第57页/共75页第五十八页，共75页。6.5 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

44、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。使用使用(shyng)(shyng)的计数制：二进制、二进制循环码（格雷的计数制：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：绝对式、脉冲增量式编码器；输出信号的形式：绝对式、脉冲增量式编码器；内部结构和检测方式：接触式、光电式、电磁式。内部结构和检测方式：接触式、光电式、电磁式。第58页/共75页第五十九页，共75页。两种安装方式两种安装方式(fngsh)(fngsh)：编码器和伺服电机同编码

45、器和伺服电机同轴联接轴联接; ;联接在滚珠丝杠末端；联接在滚珠丝杠末端；工作台工作台丝杠丝杠编码器编码器电机电机6.5 编码器编码器第59页/共75页第六十页，共75页。6.5.1 接触式编码器接触式编码器是一种绝对值式的检测装置，可直接是一种绝对值式的检测装置，可直接(zhji)把被把被测的角位移用数字代码表示出来，且每一个角度测的角位移用数字代码表示出来，且每一个角度位置均有表示该位置的唯一对应的代码。位置均有表示该位置的唯一对应的代码。即使断电或切断电源，也能读出角位移（转动角即使断电或切断电源，也能读出角位移（转动角度）。度）。 6.5 编码器编码器第60页/共75页第六十一页，共75

46、页。4位二进制码盘位二进制码盘 高位高位(o wi)(o wi)在内，低位在外。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，圆周均分圈码道，圆周均分2n2n等份等份( (有有2n2n不同位置不同位置) )，最小分辨角，最小分辨角360360/2n/2n。 n n 越大，能分辨的角度越小，测量精越大，能分辨的角度越小，测量精度越高。目前度越高。目前n =8n =81414位。位。-+电刷绝缘体导电体转轴E0000100010011011101011101111110111000100010101110110001000110001200000000100100011010

47、001010110011110001001101010111100110111101111222321202122236.5 编码器编码器若要求位数更多，采用组合若要求位数更多，采用组合(zh)(zh)码盘，一个为粗计码盘，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。第61页/共75页第六十二页，共75页。码盘制作和电刷安装要求十分码盘制作和电刷安装要求十分(shfn)(shfn)严格，若电刷严格，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

48、。读数可能会是任意的数字。例：电刷由位置（例：电刷由位置（01110111）向位置（）向位置（10001000）过渡时，可）过渡时，可能会出现能会出现8 81515之间的任一十进制数。这种误差称为非之间的任一十进制数。这种误差称为非单值误差。单值误差。6.5 编码器编码器-+电刷绝缘体导电体转轴E0000100010011011101011101111110111000100010101110110001000110001200000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111222321202122230111-10

49、00，1001 1010， 1011，1100 1101，1110， 1111第62页/共75页第六十三页，共75页。6.5 编码器编码器格雷码盘：各码道的数码不同时格雷码盘：各码道的数码不同时(tngsh)改变，每次只切换一位数，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 8 消除误差消除误差(wch)：采用循环码（格雷码）。：采用循

50、环码（格雷码）。第63页/共75页第六十四页，共75页。6.5 编码器编码器二进制码转换成格雷码的法则是：二进制码转换成格雷码的法则是： 将二进制码右移一位并舍去末位的数码将二进制码右移一位并舍去末位的数码(shm)(shm)，再与二进制数码，再与二进制数码(shm)(shm)作不进位作不进位加法，结果即为格雷码。加法，结果即为格雷码。 例如，二进制码例如，二进制码11011101对应的格雷码为对应的格雷码为10111011，其演算过程如下：，其演算过程如下： 1101 1101 （二进制码）（二进制码） 1101 1101（右移一位，舍去末位）（右移一位，舍去末位） 1011 1011 （格

51、雷码）（格雷码）第64页/共75页第六十五页，共75页。接触式绝对值编码器接触式绝对值编码器优点：结构简单、体积小、输出信号优点：结构简单、体积小、输出信号(xnho)(xnho)强。强。缺点：电刷磨损造成寿命降低，转速不能缺点：电刷磨损造成寿命降低，转速不能太高（每分钟几十转），精度受码道数限太高（每分钟几十转），精度受码道数限制，使用范围有限。制，使用范围有限。 6.5 编码器编码器第65页/共75页第六十六页，共75页。6.5.2 光电式编码器光电式编码器 常用常用(chn yn)(chn yn)光电式编码器（光电码盘、光光电式编码器（光电码盘、光电脉冲发生器、光电脉冲编码器）为增量式光

52、电电脉冲发生器、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的角位移变成电脉冲，是数控机床常用把机械的角位移变成电脉冲，是数控机床常用(chn yn)(chn yn)的角位移检测元件，也可用于角速的角位移检测元件，也可用于角速度检测。度检测。6.5 编码器编码器第66页/共75页第六十七页，共75页。高分辨率的脉冲高分辨率的脉冲(michng)(michng)编码器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r3，6，12每转发出每转发出(fch)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已使用，该类脉冲编码器装