《数控机床结构原理与应用》 数控机床检测装置

1、第2章 数控机床检测装置本章要点2.1 概述 2.2 编码器（码盘） 2.3 光栅 2.4 磁栅 2.5 感应同步器 2.6 旋转变压器 2.7 测速发电机 2.8 激光在机床位置检测上的应用 本章要点本章要点 :1掌握检测装置的功能以及数控机床对检测装置的要求，能正确判别其检测方式。 2掌握编码器的工作原理与应用。 3掌握光栅的工作原理与应用。4掌握磁栅的工作原理与应用。 5掌握感应同步器的工作原理与应用。6掌握测速发电机的工作原理与应用。 7掌握激光在机床位置检测上的应用。 下一页本章要点伺服系统分为开环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统用步进电机作执行元件，不用检测装置及反馈。其控制精

2、度取决于步进电机和丝杠的精度。闭环控制系统必须有检测环节取得反馈信号，并根据反馈信号来控制伺服电机带动工作台移动，消除实际位置（或速度）与指令位置（或速度）之间的误差。其加工精度主要由检测装置的精度决定，而检测装置的精度通过分辨力来体现。分辨力是位移检测系统所能测量的最小位移量。分辨力的高低不仅取决于检测元件本身也取决于检测线路，分辨力越小，说明检测精度越高。 下一页上一页返回本章要点如图2-1所示为带有位置检测装置的闭环控制系统框图。图中检测装置包括检测传感器和测量电路，其作用是将位置或速度等被测参数经过一系列转换由物理量转化为计算机所能识别的数字脉冲信号，送入微机数控装置以控制驱动元件正确

3、运转。 上一页返回2.1 概述 为提高数控机床的加工精度，必须提高测量元件和测量系统的精度，不同的数控机床对测量元件和测量系统的精度要求、允许的最高移动速度各不相同。通常大型数控机床以满足速度要求为主，中、小型和高精度数控机床以满足精度要求为主。选择测量系统的分辨率和脉冲当量时，一般要求比加工精度高一个数量级。 2.1.1 检测装置的功能 检测装置是CNC系统的重要组成部分。其主要作用是把检测到的位移和速度测量信号作为反馈信号，并将反馈信号转换成数字送回计算机，与数控装置发出的脉冲指令信号进行比较，若有偏差，经放大后控制驱动和执行部件，使其向消除偏差的方向运动，直到偏差为零。 下一页返回2.1

4、 概述检测元件的作用是检测位移和速度，发送反馈信号。在闭环伺服系统中检测装置是必不可少的。检测装置的精度直接影响数控机床的定位精度和加工精度。2.1.2数控机床对检测装置的要求 正由于检测装置对数控机床的精度有直接影响，所以数控机床对检测装置的要求如下：1受温度、湿度的影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗干扰能力强。 2在机床执行部件移动范围内，能满足加工精度和加工速度的要求。3使用维护方便，适合机床的运行环境。 上一页下一页返回2.1 概述4便于与计算机联接。5成本低。2.1.3检测方式分类 在数控机床上应用的检测装置主要有位置检测和速度检测，其目的是精确控制位置和速度。目前常用的传感器主要

5、有编码器、光栅、磁栅、感应同步器和旋转变压器等。光栅的分辨率一般要优于光电编码器，其次是旋转变压器。对于不同类型的数控机床，根据不同的工作条件和不同的检测要求，应该采用不同的检测方式，如表2-1所示。 上一页下一页返回2.1 概述数控机床中测量传感器按形状一般有直线型和旋转型两种。直线型测量工作台的直线位移。其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。旋转型测量与工作台直线运动相关联的回转运动，间接测量工作台的直线位移。其测量精度取决于测量元件和机床传动链两者的精度。1增量式测量与绝对式测量 按照检测装置的编码方式可分为增量式测量和绝对式测量。（1）增量式测量 增量式测量是只测

6、量位移增量，即工作台每移动一个基本单位长度单位，测量装置便发出一个测量信号，此信号通常是脉冲形式。 上一页下一页返回2.1 概述其优点是检测装置比较简单，能做到高精度，任何一个对中点均可作为测量起点，其缺点是一旦计数有误，此后结果全错。发生故障时，事故排除后，再也找不到正确位置。典型的增量式测量装置有光栅和增量式光电编码器。 （2）绝对式测量 绝对式测量是被测的任一点的位置都由一个固定的零点算起，每一测量点都有一对应的测量值，常以数据形式表示。典型的绝对式测量装置有接触式编码器和绝对式光电编码器。 上一页下一页返回2.1 概述2直接测量与间接测量 （1）直接测量 对机床的直线位移采用直线型检测

7、装置检测，称为直接测量。直接测量的精度主要取决于测量元件的精度，不受机床传动装置的直接影响，但检测装置要与行程等长，这对大型数控机床来说，是一个很大的限制。典型的直接测量装置有光栅、感应同步器、磁尺和编码器。（2）间接测量 对机床直线位移采用回转型检测元件测量，称为间接测量。间接测量的精度取决于检测装置和机床对传动链两者的精度，但间接测量无长度限制。典型的间接测量装置有编码器和旋转变压器。 上一页下一页返回2.1 概述3数字式测量与模拟式测量 （1）数字式测量 数字式测量以量化后的数字形式表示被测的量。其特点是测量装置简单，信号抗干扰能力强；被测量量化后转换成脉冲个数，便于显示处理；测量精度取

8、决于测量单位，与量程基本无关。典型的数字式测量装置有光电编码器、接触式编码器和光栅。 （2）模拟式测量 模拟式测量是将被测的量用连续的变量表示，如用电压变化、相位变化来表示。在大量程内作精确的模拟式检测，在技术上有较高的要求，数控机床中模拟式测量主要用于小量程测量且实现高精度测量。其特点是直接对被测量进行检测，无需量化；在小量程内可以实现高精度测量；可用于直接检测和间接检测。典型的模拟式测量装置有旋转变压器、感应同步器和磁栅。 上一页下一页返回2.1 概述4接触式测量与非接触式测量 （1）接触式测量 接触式测量的测量传感器与被测对象间存在着机械联系，因此机床本身的变形、振动等因素会对测量产生一

9、定的影响。典型的接触式测量装置有光栅、磁栅、感应同步器和接触式编码器。 （2）非接触式测量 非接触式测量的传感器与被测对象间是分离的，不发生机械联系。典型的非接触式测量装置有双频激光干涉仪和光电式编码器。 上一页返回2.2 编码器（码盘） 编码器又称编码盘或码盘，是一种旋转式测量元件，通常安装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的机械角位移转换成增量脉冲形式或绝对式的代码形式。它具有精度高、结构紧凑和工作可靠等优点，常在半闭环伺服系统中作为角位移数字式检测元件。如图2-2所示为编码器与主轴安装的两种形式（即同轴和异轴安装），主要作用是当数控机床加工螺纹时，用编码器作为主轴位置信号的反馈元

10、件，将发出的主轴转角位置变化信号输送给计算机，控制机床纵向或横向电机运转，实现螺纹加工的目的。 下一页返回2.2 编码器（码盘）编码器根据内部结构和检测方式可分为接触式、光电式和电磁式三种形式，其中光电式编码器的精度和可靠性都优于其他两种，因而广泛应用于数控机床上。另外，按照每转发出的脉冲数的多少又分为2000/r、2500/r、3000/r、4000/r等多种型号。根据数控机床滚珠丝杠的螺距来选用不同型号的编码器。 2.2.1 光电式编码器 光电式编码器是一种光电式非接触式转角检测装置。码盘用透明及不透明区域按一定编码构成。根据其编码方式不同，可分为增量式光电编码器和绝对式光电编码器。 上一

11、页下一页返回2.2 编码器（码盘）光电编码器利用光电原理把机械角位移变换成电脉冲信号，是数控机床最常用的位置检测元件。光电编码器按输出信号与对应位置的关系，通常分为增量式光电编码器、绝对式光电编码器和混合式光电编码器。1光电式编码器的结构 如图2-3所示为光电脉冲编码器的结构。它由电路板、圆光栅、指示光栅、轴、光敏元件、光源和连接法兰等组成。 其中，圆光栅是在一个圆盘的周围上刻有相等间距的线纹，分为透明和不透明的部分，圆光栅和工作轴一起旋转。与圆光栅相对平行地放置一个固定的扇形薄片，称为指示光栅，上面刻有相差1/4节距的两个狭缝和一个零位狭缝。光电编码器通过十字连接头或键与伺服电机相连。它的法

12、兰固定在电机端面上，罩上防尘罩，构成一个完整的检测装置。 上一页下一页返回2.2 编码器（码盘）2光电编码器的工作原理 （1）增量式光电编码器的工作原理增量式光电编码器能够把回转件的旋转方向、旋转角度和旋转角速度准确测量出来，然后通过光电转换将其转换成相应的脉冲数字量，然后由微机数控系统或计数器计数得到角位移或直线位移量。绝对式光电脉冲编码器可将被测转角转换成相应的代码来指示绝对位置而没有累计误差，是一种直接编码式的测量装置。 上一页下一页返回2.2 编码器（码盘）如图2-4（a）所示为光电编码器实物图例，如图2-4（b）所示为增量式光电编码器测量系统的原理图。在码盘的边缘上设有间距相等的透光

13、缝隙，码盘的两侧分别安装光源与光敏元件（光电池、光敏三极管等）。当码盘随被测轴一起旋转时，每转过一个缝隙就有一次光线的明暗变化，投射到光敏元件上的光强就发生变化，光敏元件把光线的明暗变化转变成电信号的变化。然后，经放大、整形处理后，输出脉冲信号。脉冲的个数就等于转过的缝隙数。如果将脉冲信号送到计数器中计数，就可以测出码盘转过的角度。测出单位时间内脉冲的数目，就可以求出码盘的旋转速度。 上一页下一页返回2.2 编码器（码盘）在图2-4中，因测得的角度值都是相对于上一次读数的增量值，所以是一种增量式角位移检测装置。其输出的信号是脉冲，通过计量脉冲的数目和频率，即可测出被测轴的转角和转速。由于增量式

14、光电编码器每转过一个分辨角就发出一个脉冲信号，由此可得出如下结论： 根据脉冲的数目可得出工作轴的回转角度，然后由传动比换算为直线位移距离；根据脉冲的频率可得工作轴的转速；根据光栏板上两条狭缝中信号的先后顺序（相位）可判别光电编码盘的正反转。 上一页下一页返回2.2 编码器（码盘）此外，在光电编码器的内圈还增加一条透光条纹Z，每转产生一个零位脉冲信号。在进给电动机所用的光电编码器上，零位脉冲用于精确确定机床的参考点，而在主轴电动机上，则可用于主轴准停以及螺纹加工等。 进给电动机常用增量式光电编码器的分辨率有2000p/r、2024p/r、2500p/r等。目前，光电编码器每转可发出数万至数百万个

15、方波信号，因此可满足高精度位置检测的需要。上一页下一页返回2.2 编码器（码盘）光电编码器的安装有两种形式，一种是安装在伺服电机的非输出轴端称为内装式编码器，用于半闭环控制；另一种是安装在传动链末端，称为外置式编码器，用于闭环控制。光电编码器安装要保证连接部位可靠、不松动，否则会影响位置检测精度，引起进给运动不稳定，机床产生振动。 （2）绝对式光电编码器的工作原理 绝对式光电编码器的光盘上有透光和不透光的编码图案，编码方式可以有二进制编码、二进制循环编码、二至十进制编码等。绝对式光电编码器通过读取编码盘上的编码图案来确定位置。 上一页下一页返回2.2 编码器（码盘）如图2-5所示为绝对式光电编

16、码器原理图，图2-5（b）是结构图。在图2-5（a）中，码盘上有四条码道。码道就是码盘上的同心圆。按照二进制分布规律，把每条码道加工成透明和不透明相间的形式。码盘的一侧安装光源，另一侧安装一排径向排列的光电管，每个光电管对准一条码道。当光源照射码盘时，如果是透明区，则光线被光电管接受，并转变成电信号，输出信号为“1”；如果不是透明区，光电管接受不到光线，输出信号为“0”。被测轴带动码盘旋转时，光电管输出的信息就代表了轴的相应位置，即绝对位置。 上一页下一页返回2.2 编码器（码盘）绝对式光电编码器转过的圈数则由RAM保存，断电后由后备电池供电，保证机床的位置即使断电或断电后又移动过也能够正确的

17、记录下来。因此采用绝对式光电编码器进给电动机的数控系统只要出厂时建立过机床坐标系，则以后就不用再做回参考点的操作，而保证机床坐标系一直有效。绝对式光电编码器与进给驱动装置或数控装置通常采用通讯的方式，反馈位置信息。 （3）编码器正反转辨别 随着码盘的转动，光敏元件输出的信号不是方波，而是近似正弦波。为了测出转向，光栏板的两个狭缝距离应为m1/4p（p为码盘两个狭缝之间的距离即节距，m为任意整数），使两个光敏元件的输出信号相差/2相位。如图2-6所示。 上一页下一页返回2.2 编码器（码盘）为了判别码盘的旋转方向，可在码盘两侧再装一套光电转换装置，两套光电装置在圆周方向错开p/4节距，它们分别用

18、A和B表示。两套光电转换装置产生两组近似于正弦波的电流信号IA和IB，两者相位相差90，经放大和整形电路处理后变成方波，如图2-6所示。若电流IA的相位超前于IB，对应电动机为正向旋转；若IB相超前于IA时，对应电动机为反向旋转。若以该方波的前沿或后沿产生计数脉冲，可以形成代表正向位移和反向位移的脉冲序列。 光电编码器的优点是没有接触磨损，码盘寿命长，允许转速高，精度较高。缺点为结构复杂，价格高，光源寿命短。 上一页下一页返回2.2 编码器（码盘）2.2.2 接触式编码器接触式编码器是一种绝对式检测装置，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，因此这种测量方式

19、即使断电或切断电源，也能读出转动角度。其特点是电刷与码盘上导电区直接接触，以测出码盘的位置。接触式编码器的基体是绝缘体，码道是一组同心圆，码道的数目根据分辨率来决定。 如图2-7所示为一个四位二进制码盘。它在一个不导电基体上做成许多金属区使其导电，其中涂黑部分为导电区，用“1”表示；其它部分为绝缘区，用“0”表示。这样，在每一个径向上，都有由“1”、“0”组成的二进制代码。最里一圈是公用的，它和各码道所有导电部分连在一起，经电刷和电阻接电源正极。 上一页下一页返回2.2 编码器（码盘）除公用圈以外，四位二进制码盘的四圈码道上也都装有电刷，电刷经电阻接地。由于码盘是与被测转轴连在一起的，而电刷位

20、置是固定的，则当码盘随被测轴一起转动时，电刷和码盘的位置发生相对变化，若电刷接触的是导电区域，则经电刷、码道、电阻和电源形成回路，该回路中的电阻上有电流流过，为“1”；反之，若电刷接触的是绝缘区域，则不能形成回路，电阻上无电流流过，为“0”。由此可根据电刷的位置得到由“1”、“0”组成的四位二进制码。码道的圈数就是二进制的位数，且高位在内，低位在外。因此，若是n位二进制码盘，就有n圈码道，且圆周均分2n等分，即共有2n个数据来分别表示其不同位置，所能分辨的角度（即分辨率）为 上一页下一页返回2.2 编码器（码盘）位数n越大，所能分辨的角度越小，测量精度就越高。所以，要提高分辨率，就必须提高码道

21、数，即二进制位数。目前接触式编码器一般可以做到9位二进制。若要求位数更多，则采用组合码盘，一个作为粗计码盘，一个作为精计码盘，精计码盘转一圈，粗计码盘依次转一格。另外，在实际应用中对码盘制作和电刷安装要求十分严格，否则就会产生非单值性误差。例如，当电刷由（0111）向位置（1000）过渡时，若电刷安装位置不准或接触不良，可能会出现815之间的任何一个十进制数。这种误差称为非单值性误差。为了消除这种非单值性误差，可采用二进制循环码盘（格雷码盘）。 上一页下一页返回2.2 编码器（码盘）如图2-8所示为一个四位格雷码盘。通过与图2-7比较，其不同之处在于：它的各码道并不同时改变，任何两个相邻数码间

22、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。 将二进制码转换成格雷码的法则是：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码（循环码）。 上一页下一页返回2.2 编码器（码盘）例如：二进制码0101对应的格雷码为0111，演算过程如下： 0101 （二进制码） 010 （右移一位并舍去末位） 0111 （格雷码）式中，表示无进位相加。接触式码盘的优点是结构简单、体积小、输出信号功率大。缺点是有磨损、寿命短且转速不能太高。 上一页下一页返回2.2 编码器（码盘）2.2.3 电磁式编码器 电磁式编码器是在导磁圆盘上用腐蚀的方法做成一定的编码图形，

23、使导磁性有的地方高有的地方低。再用一个很小的马蹄形磁芯作磁头，上面绕两组线圈，原边用正弦电流激磁，由于副边感应电动势与整个磁路磁导有关，因而可以区分数码0或数码1。这也是一种非接触式编码器，具有寿命长、转速高等优点，是一种比较有发展前途的码盘。 上一页返回2.3 光栅 光栅是一种最常见的测量装置，是在玻璃或金属基体上均匀刻划很多等节距的线纹而制成。其制作工艺是在一块长形玻璃上用真空镀膜的方法镀上一层不透光的金属膜，再涂上一层均匀的感光材料，然后用照相腐蚀法制成等节距的透光和不透光相间的线纹，这些线纹与运动方向垂直，线纹间的距离为栅距，而单位长度上的线纹数目叫线纹密度。2.3.1 光栅的结构和工

24、作原理 1光栅的结构 光栅装置的结构由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。光栅读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成。如图2-9（a）所示为直线光栅实物图例，图2-9（b）所示为垂直入射光栅读数头。 下一页返回2.3 光栅在光栅测量中，通常由一长一短两块光栅尺配套使用，其中长的一块称为主光栅或标尺光栅，固定在机床的活动部件上，随运动部件移动，要求与行程等长。短的一块称为指示光栅，安装在光栅读数头中，光栅读数头安装在机床的固定部件上。两光栅尺上的刻线密度均匀且相互平行放置，并保持一定的间隙（0.05mm或0.1mm）。如图2-10所示为一光栅尺的简单示意图。 上一页下一页返回2.3 光

25、栅两个光栅尺上均匀刻有很多条纹，从其局部放大部分来看，白的部分b为透光宽度，黑的部分a为不透光宽度，若P为栅距，则P=a+b。通常情况下，光栅尺刻线的不透光宽度和透光宽度是一样的，即a：b =1：1。在图2-9（b）中，标尺光栅不属于光栅读数头，但它要穿过光栅读数头，且保证指示光栅有准确的位置对应关系。标尺光栅和指示光栅统称为光栅尺。栅距与线纹密度互为倒数，常见的直线光栅线纹密度为50条/mm、100条/ mm和200条/mm。 上一页下一页返回2.3 光栅2、光栅的工作原理 如图2-11所示的莫尔条纹。在安装时，将两块栅距相同、黑白宽度相同的标尺光栅和指示光栅刻线面平行放置，将指示光栅在其自

26、身平面内倾斜一很小的角度，以便使它的刻线与标尺光栅的刻线间保持一个很小的夹角。这样，在光源的照射下，就形成了光栅刻线几乎垂直的横向明暗相同的宽条纹，即莫尔条纹。原因是由于光的干涉效应，在a线附近，两块光栅尺的刻线相互重叠，光栅尺上的透光狭缝互不遮挡，透光性最强形成亮带；在b线附近，两块光栅尺的刻线互相错开，一块光栅尺的不透光部分刚好遮住另一光栅尺的透光部分，所以透光性最差，形成暗带。 如图2-12所示表示横向莫尔条纹参数间的关系。 上一页下一页返回2.3 光栅其中 AB=W 因而由于值很小，上式可简化成式中，单位为rad。 上一页下一页返回2.3 光栅2.3.2 光栅的种类 光栅的种类繁多，可

27、分为计量光栅和物理光栅；透射光栅和反射光栅等。 1物理光栅物理光栅刻线细且密，节距很小（200500条/mm），主要利用光的衍射现象。物理光栅常用于光谱分析和光波波长测定。 2计量光栅 计量光栅刻线较粗（25、50、100和250条/mm），主要是利用光的透射和反射现象。由于计量光栅应用莫尔条纹原理，因而所测的位置精度相当高，有很高的分辨率，很易做到0.1m的分辨率，最高分辨率可达0.025m。 上一页下一页返回2.3 光栅计量光栅按形状可分为长光栅（测量直线位移）和圆光栅（测量角位移）。长光栅又称直线光栅，用于直线位移测量；圆光栅是在玻璃圆盘的外环端面上，做成黑白间隔条纹，根据不同的使用要求

28、在圆周上的线纹数也不相同。圆光栅一般有三种形式：六十进制、十进制和二进制，用于角位移测量。3透射光栅在玻璃的表面上制成透明与不透明间隔相等的线纹，称为透射光栅。而玻璃透射光栅是在光学玻璃的表面上涂上一层感光材料或金属镀膜，再在涂层上刻出光栅条纹，用刻蜡、腐蚀、涂黑等办法制成光栅条纹。光栅的几何尺寸主要根据光栅线纹的长度和安装情况具体确定。上一页下一页返回2.3 光栅其特点是：光源可以采用垂直入射，光电元件可直接接受光信号，因此信号幅度大，读数头结构简单；每毫米上的线纹数多，一般常用的黑白光栅可做到每毫米100条线，再经过电路细分，可做到微米级的分辨率。 根据光栅的工作原理，玻璃透射光栅可分为莫

29、尔条纹式和透射直线式光栅两类。 （1）莫尔条纹式光栅 莫尔条纹式光栅应用很普遍。莫尔条纹具有以下特点 ：起平均误差的作用放大作用莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成正比 上一页下一页返回2.3 光栅（2）透射直线式光栅 透射直线式光栅由光源、长光栅（标尺光栅）、短光栅（指示光栅）、光敏元件组成。当两块光栅之间有相对移动时，由光敏元件把两光栅相对移动产生的明暗变化转换为电流变化。当指示光栅的刻线与标尺光栅的透明间隔完全重合时，光敏元件接收到的光通量最弱；当指示光栅的刻线与标尺光栅的刻线完全重合时，则光敏元件接收到的光通量最强。光敏元件接收到的光通量忽强忽弱，产生近似于正弦波的电流，再由电子线路转变为

30、以数字显示的位移量。 上一页下一页返回2.3 光栅4反射光栅 在金属的镜面上制成全反射与漫反射间隔相等的线纹，称为反射光栅，也可以把线纹做成具有一定衍射角度的定向光栅。而金属反射光栅是在钢尺或不锈钢带的镜面上用照相腐蚀工艺制作或用钻石刀直接刻划制作光栅条纹。其特点是标尺光栅的线膨胀系数很容易做到与机床材料一致；标尺光栅的安装和调整比较方便；安装面积较小；易于接长或制成整根的钢带长光栅；不易碰碎。目前常用的线纹数为4、10、25和40条/mm。 上一页下一页返回2.3 光栅2.3.3 光栅测量系统 1光栅测量的基本电路 光栅测量系统由光源、透镜、光栅尺、光敏元件和一系列信号处理电路组成，如图2-

31、13所示。信号处理电路又包括放大、整形和鉴向倍频。通常情况下，除标尺光栅与工作台装在一起随工作台移动外，光源、透镜、指示光栅、光敏元件和信号处理均装在一个壳体内，做成一个单独部件固定在机床上，这个部件称为光栅读数头，其作用是将莫尔条纹的光信号转换成所需的电脉冲信号。读数头的结构形式按光路来分有：分光读数头、垂直入射读数头和反射读数头。 上一页下一页返回2.3 光栅首先分析光栅移动过程中位移量与各转换信号的相互关系。当光栅移动一个栅距，莫尔条纹便移动一个节距。通常，光栅测量中的光敏元件常使用硅光电池，它的作用是将近似正弦的光强信号变为同频率的电压信号。但由于硅光电池产生电压信号较弱，所以经差动放

32、大器放大到幅值足够大的同频率正弦波，再经整形器变为方波。由此可以看出，每产生一个方波，就表示光栅移动了一个栅距。最后通过鉴向倍频电路中的微分电路变为一个窄脉冲。这样，就变成了由脉冲来表示栅距，而通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离。当然鉴向倍频电路的作用不仅于此，它还起到辨别方向和细分的作用。 上一页下一页返回2.3 光栅2鉴向倍频电路在光栅检测装置中，将光源来的平行光调制后作用于光电元件上，从而得到与位移成比例的电信号。当光栅移动时，从光电元件上将获得一正弦电流。若仅用一个光电元件检测光栅的莫尔条纹变化信号，只能产生一个正弦信号用做计数，不能分辨运动方向。为了辨别方向，至少要放置两个光敏元

33、件，两者相距1/4莫尔条纹节距，这样当莫尔条纹移动时，将会得到两路相位相差/2的波形。如图2-14（a）所示，则光敏元件2上得到的波形信号S2比光敏元件1上得到的波形信号S1超前。反之，如图2-14（b）则滞后。这两路信号经放大整形后送鉴向倍频电路，由鉴向环节判别出其移动方向。 上一页下一页返回2.3 光栅 为了提高光栅的分辨精度，除了增大刻线密度和提高刻线精度外，还可用倍频的方法细分。倍频细分中有4倍频细分，所谓4倍频细分就是从莫尔条纹原来的一个脉冲信号，变为在0、/2、3/2都有脉冲输出，从而使精度提高了4倍。实现4倍频的方法是每隔1/4莫尔条纹节距放置一个硅光电池。 上一页返回2.4 磁

34、栅 磁栅是一种录有等节距磁化信号的磁性标尺或磁盘，记录一定波长的矩形波或正弦波磁信号。可用于数控系统的位置测量，其录磁和拾磁原理与普通磁带相似。在检测过程中，磁头读取磁性标尺上的磁化信号并把它转换成电信号，然后通过检测电路把磁头相对于磁尺的位置送入计算机或数显装置。磁栅与光栅相比，测量精度略低一些。但它有其独特的优点： （1）制作简单，安装、调试方便，成本低。磁栅上的磁化信号录制完，若发现不符合要求，可抹去重录。亦可安装在机床上再录磁，避免安装误差。 （2）磁尺的长度可任意选择，亦可录制任意节距的磁信号。（3）耐油污、灰尘等，对使用环境要求低。 下一页返回2.4 磁栅2.4.1 磁栅的结构与工

35、作原理 磁栅测量装置由磁性标尺、读取磁头和检测电路组成，如图2-15所示为磁栅的结构。按其结构可分为线型、尺型和旋转型三种形式。 1磁性标尺磁性标尺将一定节距的磁化信号用记录磁头记录在磁性标尺的磁膜上，作为测量基准，测量时读取磁头将磁性标尺上的磁化信号转化为电信号，再送到检测电路中，把磁头相对于磁性标尺的位置或位移量用数字显示。磁性标尺安装调整方便，对使用环境的条件要求较低，对周围磁场的抗干扰能力较强，在油污、粉尘较多的场合下使用有较好的稳定性，具有精度高、复制简单的优点。 上一页下一页返回2.4 磁栅磁性标尺一般采用非导磁材料做基体，在上面镀上一层1030m厚的高导磁材料，形成均匀磁膜，再用

36、录磁磁头在尺上记录相等节距的周期性磁化信号。用作测量基准信号为正弦波、方波等，节距通常为0.05、0.1、0.2m，最后在磁尺表面还要涂上一层12m厚的保护层，以防磁尺与磁头频繁接触而引起的磁膜磨损。2读取磁头 读取磁头是一种磁电转换器，用来把磁栅上的磁化信号检测出来变成电信号送给测量电路，其原理与录音磁带的原理相同。读取磁头可分为动态磁头和静态磁头。 上一页下一页返回2.4 磁栅静态磁头又称为磁通响应型磁头，它在普通动态磁头上加有带励磁线圈的可饱和铁芯，从而利用了可饱和铁芯的磁性调制的原理。静态磁头可分为单磁头、双磁头和多磁头。由于用于位置检测用的磁栅要求当磁尺与磁头相对运动速度很低或处于静

37、止时亦能测量位移或位置，所以应采用静态磁头。 动态磁头又称为速度响应型磁头，它只有一组输出绕组，所以只有当磁头和磁栅有一定相对速度时才能读取磁化信号，并有电压信号输出。这种磁头用于录音机、磁带机的读取磁头，不能用来测量位移。 上一页下一页返回2.4 磁栅3检测电路根据检测方法的不同，亦可分为鉴相测量电路和鉴幅测量电路，以鉴相测量电路应用较多。相位检测以双磁头为例，给两磁头通以频率相同、相位相差90的励磁电压，则在两个磁头的拾磁绕组中分别输出感应电压U1和U2，将两输出信号求和后可得 从式中可以看出，输出电压随磁头相对于磁栅的位移x的变化而变化，因而根据U的相位的变化可以测定磁栅的位移x。如图2

38、-16所示为磁栅相位检测系统。 上一页下一页返回2.4 磁栅从图2-16知，它由激振器发出的400KHZ脉冲信号，经80分频器分频后得到50KHZ的励磁信号，再经滤波器变为正弦信号分成两路，一路经功率放大器送到第一组磁头励磁线圈，另一路经45移相后送入第二组磁头励磁线圈。两磁头获得的信号输出U1、U2送求和电路中相加，即得到相位按位移量变化的合成信号，该信号经选频方法、整形微分后变成10KHZ的方波，再与一相励磁信号鉴相以及细分，即可得分辨力为5m的位移测量信号，送可逆计数器计数。 上一页下一页返回2.4 磁栅2.4.2 磁栅的工作原理 如图2-17所示为单磁头结构，磁头有两组绕组，一组为拾磁

39、绕组，一组为励磁绕组。在励磁绕组中加一高频的交变励磁信号，则在铁芯上产生周期性正反向饱和磁化，使磁芯的可饱和部分在每周期内两次被电流产生的磁场饱和。当磁头靠近磁尺时，磁尺上的磁通在磁头气隙处进入铁芯，并流过拾磁绕组的磁芯而产生感应电压输出式中，k为耦合系数； 为磁通量的峰值； 为磁尺上磁化信号的节距； x为磁头在磁尺上的位移量； 为励磁电流的角频率。 上一页下一页返回2.4 磁栅双磁头是为了识别磁栅的移动方向而设置的，如图2-18所示，两磁头按配置。由于单磁头读取磁性标尺上的磁化信号输出电压很小，而且对磁尺上磁化信号的节距和波形要求高。因此，如图2-19所示，可将多个磁头以一定方式串联起来形成

40、多间隙磁头。这种磁头放置时铁芯平面与磁栅长度方向垂直，每个磁头以相同间距放置。若将相邻两个磁头的输出绕组反相串接，则能把各磁头输出电压叠加。多磁头的特点是使输出电压幅值增大，同时使各铁芯间误差平均化，因此精度较单磁头高。 上一页返回2.5 感应同步器 感应同步器是一种电磁感应式的高精度的位移检测装置。它是利用两个平面印刷电路绕组的互感随其位置变化的原理制造的，用于检测位移的传感器。按其结构特点和用途可分为直线感应同步器和圆感应同步器。直线感应同步器由定尺和滑尺组成，用于直线位移量的检测；圆感应同步器由转子和定子组成，用于角度位移量的检测。 2.5.1感应同步器的结构与特点 1感应同步器的结构

41、如图2-20所示的直线感应同步器，主要由定尺和滑尺组成。定尺是单向均匀感应绕组，尺长一般为250mm，绕组节距2T通常为2mm。 下一页返回2.5 感应同步器滑尺上有两组激磁绕组，一组称为正弦激磁绕组，另一组称为余弦激磁绕组，两绕组节距与定尺相同，并相互错开1/4节距排列，一个节距相当于旋转变压器的一转，这样两激磁绕组之间相差90电角度。2感应同步器的特点 感应同步器具有如下的特点： （1）精度高。感应同步器直接对机床的位移进行测量，测量结果只受本身精度的限制，定尺上感应电压信号为多周期的平均效应，降低了绕组局部尺寸误差的影响，达到了较高的测量精度，其直线精度一般为0.002mm/250mm。

42、 上一页下一页返回2.5 感应同步器（2）对环境的适应性强，抗干扰能力强。它是利用电磁感应原理产生信号，所以不怕油污，测量信号与绝对位置一一对应，不易受到干扰。 （3）使用寿命长，安装维修简单。 （4）可用于长距离位移测量，适合于大中型机床使用。（5）工艺性好，成本低。定尺与滑尺绕组便于复制和成批生产。2.5.2 感应同步器的工作原理 感应同步器是基于电磁感应现象工作的，如图2-21所示。 上一页下一页返回2.5 感应同步器定尺与滑尺相互平行安装，并保持一定的间距，向滑尺通以交流激磁电压，则在滑尺绕组中产生激磁电流，绕组周围产生按正弦规律变化的磁场，由于电磁感应，在定尺上感应出感应电压，当滑尺

43、与定尺间产生相对位移时，由于电磁耦合的变化，使定尺上感应电压随位移的变化而变化。若在滑尺余弦绕组中通以交流励磁电压，也能在定子绕组中得到感应电动势，感应电动势则按正弦波形变化。 2.5.3 感应同步器的工作方式 根据励磁绕组中励磁供电方式的不同，感应同步器可分为鉴相工作方式和鉴幅工作方式。 1鉴相工作方式 上一页下一页返回2.5 感应同步器鉴相工作方式是给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以频率相同、幅值相同但时间相位相差/2的交流励磁电压，即 若起始时正弦绕组与定尺的感应绕组对应重合，当滑尺移动时，滑尺与定尺的绕组不重合，则定尺绕组中产生的感应电压为 上一页下一页返回2.5 感应同步器式中，为耦

44、合系统；T为节距；为滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角，即 ，当滑尺移动距离，则对应的感应电压以余弦或正弦函数变化角度。 同理，由于余弦绕组与定尺绕组相差1/4节距，故在定尺绕组中的感应电压为 应用叠加原理，定尺上感应电压为 上一页下一页返回2.5 感应同步器从式中可以看出，在鉴相工作方式中，由于耦合系数、励磁电压幅值以及频率均是常数，所以定尺的感应电压就只随着空间相位角的变化而变化了。由此可以说明定尺的感应电压与滑尺的位移值有严格的对应关系，通过鉴别定尺感应电压的相位，即可测得滑尺和定尺间的相对位移。2鉴幅工作方式 鉴幅工作方式是给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以相位相同、频率相同但幅值不同

45、的交流励磁电压，即 上一页下一页返回2.5 感应同步器式中，两励磁电压的幅值分别为 则在定尺上的叠加感应电压为 上一页下一页返回2.5 感应同步器若则在滑尺移动中，在一个节距内的任一 ， 点称为节距零点。若改变滑尺位置， ，则在定尺上出现的感应电压为 令 ，则当 很小时，定尺上的感应电压可近似表示为 上一页下一页返回2.5 感应同步器又因为 所以 从式中可以看出，定尺感应电压 实际上是误差电压，当位移增量 很小时，误差电压的幅值和 成正比，因此可以通过测量 的幅值来测定位移量 的大小。在鉴幅工作方式中，每当改变一个 的位移增量 ，就有误差电压 ，当 超过某一预先设定的门槛电平，就产生脉冲信号，

46、并用此修正励磁信号 、 ，使误差信号重新降低到门槛电平以下，这样就把位移量转化为数字量，实现了对位移的测量。 上一页下一页返回2.5 感应同步器2.5.4 感应同步器的测量系统 1鉴相测量系统 如图2-22所示为感应同步器鉴相测量系统框图。此系统测量的前提是感应同步器工作在鉴相工作状态，这时感应同步器将工作台机械位移变为电压信号的相位变化，通过测量定尺电压 ，经放大滤波整形后作为实际相位 送鉴相器。CNC系统发出指令脉冲，经脉冲-相位变换器转换成相对于基准相位 而变化的指令相位 ，即表示位移量的指令是以相位差角值给定的。其中 的大小取决于指令脉冲数， 随时间变化的快慢取决于指令脉冲频率，而其相

47、对于 的超前与滞后，则取决于指令方向（正向或反向）。 上一页下一页返回2.5 感应同步器将脉冲-相位变换器输出的基准相位信号经励磁供电线路处理后，向感应同步器滑尺的两励磁绕组供电，其过程为基准相位 经 移相，变为幅值相等、频率相同、相位相差 的正弦、余弦信号，而后供给正弦、余弦绕组。由于正弦、余弦励磁绕组是同一基准相位 ，所以定尺绕组上所产生的感应电动势 的相位 则反映出两者的相对位置。因此，将指令相位 和实际相位 在鉴相器中进行比较，若两者相一致，即 ，则表示感应同步器的实际位置与给定指令位置相同， ，相位差为零，反之，若两者位置不一致，则利用其产生的相位差作为伺服驱动机构的控制信号，控制执

48、行机构带动工作台向减小相位差的方向移动。 上一页下一页返回2.5 感应同步器2鉴幅测量系统 鉴幅测量系统是通过鉴别定尺绕组输出的误差信号的幅值来进行位移测量的，其前提条件是感应同步器必须工作在幅值工作状态，即滑尺的正弦余弦绕组分别通以同频、同相位但幅值不同的励磁电压，这就需要在测量过程中不断调整电压的幅值。由于幅值的变化是关于 的正、余弦函数，所以要不断地修正 。而当定尺和滑尺作相对移动时，两者绕组间的相对空间相位角 在不断地改变，并且每移动一个增量距离，便由测量电路发出一个脉冲，这些脉冲信号可不断地自动修改滑尺绕组的励磁信号，从而使 不断跟随 而变化。如图2-23所示为感应同步器鉴幅测量系统

49、框图。 上一页下一页返回2.5 感应同步器由于感应同步器定尺绕组输出的误差信号 比较微弱，所以要经前置放大器放大到一定幅值后，送误差变换器。误差变换器有两个作用，一是经方向辨别后将表示方向正、负的符号送脉冲混合器；二是产生实际脉冲值。由于此环节包含有门槛电路，而门槛电平的整定是根据脉冲当量确定的。一旦定尺上输出的感应电压超过门槛值，便产生输出脉冲。这些脉冲一方面作为实际位移值送脉冲混合器，另一方面作用于正弦余弦信号发生器上，修正励磁电压的幅值，使其满足按 的正、余弦规律变化。脉冲混合器的作用是将由CNC装置发出的指令脉冲与反馈回来的实际脉冲值进行比较，得到系统的数字量位置误差，后经D/A变换器

50、转换为模拟电压信号，控制伺服机构带动工作台移动。 上一页返回2.6 旋转变压器 旋转变压器又称同步分解器，属于电磁式位置检测传感器，是一种测量角度用的小型交流电动机，由定子和转子组成。激磁电压接到定子绕组上，激磁频率通常为400Hz、500Hz、1000Hz与5000Hz。转子绕组输出感应电压，输出电压随被测角位移的变化而变化。旋转变压器可单独和滚珠丝杠相连，也可与伺服电机组成一体，以便提高检测精度，但由于成本较高，在应用上受到一定的限制。 2.6.1旋转变压器的结构 旋转变压器一般用于精度要求不高的机床，其特点是坚固、耐热和耐冲击，抗振性好，如图2-24（a）所示为旋转变压器实物图例。从转子

51、感应电压的输出方式来看，旋转变压器可分为有刷和无刷两种类型。 下一页返回2.6 旋转变压器目前数控机床中常用的是无刷旋转变压器。旋转变压器又分为单极和多极两种形式，单极型的定子和转子各有一对磁极，多极型有多对磁极。有刷旋转变压器定子与转子上两相绕组轴线分别互相垂直，转子绕组的端点通过电刷与滑环引出；无刷旋转变压器如图2-24（b）所示，由分解器与变压器组成，无电刷和滑环。分解器结构与有刷旋转变压器基本相同；变压器的一次绕组在与分解器转子轴固定在一起的线轴上，与转子一起转动，二次绕组绕在与转子同心的定子轴线上。分解器定子线圈外接激磁电压，转子线圈输出信号接到变压器的一次绕组，从变压器的二次绕组引

52、出最后的输出信号。无刷旋转变压器的特点是：输出信号大，可靠性高且寿命长，不用维修，更适合数控机床使用。 上一页下一页返回2.6 旋转变压器2.6.2 旋转变压器的工作原理 旋转变压器由定子和转子组成。其中定子绕组作为变压器的一次侧接受励磁电压；转子绕组作为变压器的二次侧，通过电磁耦合得到感应电压。旋转变压器的工作原理与普通变压基本相似，区别在于普通变压器的一次、二次绕组是相对固定的，所以输出电压和输入电压之比是常数，而旋转变压器的一次、二次绕组之间是随转子的角位移发生相对位置变化的，因而其输出电压的大小也随之而变化。实际应用的旋转变压器为正、余弦旋转变压器，其定子与转子各有互相垂直的两个绕组，

53、如图2-25所示。其中，定子上的两个绕组分别为正弦绕组和余弦绕组，转子绕组中的一个绕组为输出电压U2，另一个绕组接高阻抗作为补偿，为转子偏转角。 上一页下一页返回2.6 旋转变压器2.6.3 旋转变压器的工作方式 定子绕组通入不同的激磁电压，可得到两种不同的工作方式：相位工作方式和幅值工作方式。1相位工作方式 相位工作方式是给定子的两个绕组通以相同幅值、相同频率，但相位差为 /2的交流激磁电压，则有 当转子正转时，这两个激磁电压在转子绕组中产生的感应电压，经叠加后转子的感应电压U2为 上一页下一页返回2.6 旋转变压器式中 ：激磁电压幅值 ：电磁耦合系数， 1 ：相位角，也即转子偏转角 当转子

54、反转时，同样可得到 可见，转子输出电压的相位角和转子的偏转角 之间有严格的对应关系，只要检测出转子输出电压的相位角，就可以求得转子的偏转角，也就可得到被测轴的角位移（因为在结构上被测轴与旋转变压器的转子连接在一起）。 上一页下一页返回2.6 旋转变压器2幅值工作方式 幅值工作方式是给定子的正、余弦绕组上分别通以频率相同、相位相同，但幅值分别为 和 的交流激磁电压，则有 当给定电气角为 时，交流励磁电压幅值分别为 上一页下一页返回2.6 旋转变压器当转子正转时， 、 经叠加，在转子上的感应电压 为当转子反转时，同理有 可见，转子感应电压的幅值随偏转角而变化，测量出幅值即可求得偏转角，被测轴的角位

55、移也就可求得了。 上一页返回2.7 测速发电机 测速发电机是一种旋转式速度检测元件，可将输入的机械转速变为电压信号输出，在数控系统的速度控制单元和位置控制单元中都得到应用。尤其是常作为伺服电动机的检测传感器，将伺服电动机的实际转速转换为输出电压或输出脉冲与给定电压或参考频率进行比较后，发出速度控制信号，以调节伺服电机的转速。为了准确反映伺服电动的转速，就要求测速发电机的输出电压与转速严格成正比。测速发电机分为直流测速发电机和交流测速发电机。 下一页返回2.7 测速发电机一测速发电机的结构直流测速发电机是一种直流发电机，其定子、转子结构和直流伺服电机基本相同。如果按定子磁极的励磁来分，可以分为电

56、磁式和永磁式两大类。直流测速发电机的工作原理与一般直流发电机相同，如图2-26所示。 在恒定磁场中，旋转的电枢绕组切割磁通，并产生感应电动势，使测速发电机的输出电压与转速严格成正比。如图2-27（a）为理想情况下直流测速发电机在带负载时的输出特性。可以看出，对于不同的负载电阻，测速发电机的输出特性的斜率也有所不同，它随负载的减小而降低。 上一页下一页返回2.7 测速发电机 而实际运行中，直流测速发电机的输出电压与转速间并不能严格保证正比关系。这是因为加上负载后，直流测速发电机电枢反映的去磁作用消弱了磁场磁通，磁通不再是常数，它随负载的大小而改变。这样测速发电机的输出电压就不再和转速n严格成正比

57、，其输出特性如图2-27（b）中的虚线所示。另一个原因是因为电刷的接触压降，使得发电机在低速时输出电压变得很小，导致在这个低速范围内测速发电机虽有转速输入信号，但输出电压很小。为了改善其输出特性，常常相应地采取某些措施。 上一页下一页返回2.7 测速发电机二测速发电机的特点 直流测速发电机的优点是易于得到线性的输出特性而无相位误差，因此适用于许多自控系统。缺点是换向器与电刷相对滑动接触，易造成机械磨损。在数控系统中，测速发电机常用于伺服电动机的转速测量。在检测时，往往与伺服电动机同轴接在一起，其输出电压可作为转速反馈的模拟信号，送至比较环节与给定信号比较，再发出速度控制信号，以调节伺服电机转速

58、。 上一页返回2.8 激光在机床位置检测上的应用 在高精度的磨床、镗床和坐标测量机上，要求有高精度的机床位置检测装置以及定位系统，此时经常使用双频激光干涉仪作为机床的测量装置，而在精密机床上，高精度的双频激光干涉测量系统是精密位置测量的决定性因素。双频激光干涉仪是利用光的干涉原理和多普勒效应来进行位置检测的。 2.8.1 激光干涉法测距 光的干涉原理表明：两列具有固定相位差，且具有相同频率、相同振动方向或振动方向之间夹角很小的光互相交叠，将会产生干涉。 下一页返回2.8 激光在机床位置检测上的应用激光干涉仪中光的干涉现象如图2-28所示。由激光器发出的激光经分光镜A分成反射光束S1和透射光束S2，S1由固定反射镜M1反射，S2由可动反射镜M2反射，反射回来的光在分光镜汇合成相干光束。激光干涉仪利用这一原理使