位置检测装置

第五章位置检测装置位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环、半闭环控制系统中，它的主要作用是检测位移和速度，并发出反馈信号，构成闭环或半闭环控制。数控机床对位置检测装置的要求如下：（1）

工作可靠，抗干扰能力强；（2）

满足精度和速度的要求；（3）易于安装，维护方便，适应机床工作环境；（4）

成本低。位置检测装置按工作条件和测量要求不同，有下面几种分类方法：（一）

直接测量和间接测量

1.

直接测量

直接测量是将直线型检测装置安装在移动部件上，用来直接测量工作台的直线位移，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。其优点是准确性高、可靠性好，缺点是测量装置要和工作台行程等长，所以在大型数控机床上受到一定限制。2.

间接测量

它是将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。优点是测量方便、无长度限制。缺点是测量信号中增加了由回转运动转变为直线运动的传动链误差，从而影响了测量精度。（二）数字式测量和模拟式测量

1.

数字式测量

它是将被测的量以数字形式来表示，测量信号一般为脉冲，可以直接把它送到数控装置进行比较、处理。信号抗干扰能力强、处理简单。

2.

模拟量测量

它是将被测的量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等。它对信号处理的方法相对来说比较复杂。（三）

增量式测量和绝对式测量

1.增量式测量

在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式，增量式测量只测相对位移量，如测量单位为0.001mm，则每移动0.001mm就发出一个脉冲信号，其优点是测量装置较简单，任何一个对中点都可以作为测量的起点，而移距是由测量信号计数累加所得，但一旦计数有误，以后测量所得结果完全错误。

2.绝对式测量

绝对式测量装置对于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。测量装置的结构较增量式复杂，如编码盘中，对应于码盘的每一个角度位置便有一组二进制位数。显然，分辨精度要求愈高，量程愈大，则所要求的二进制位数也愈多，结构就愈复杂。第一节旋转变压器

一、结构与工作原理旋转变压器是一种角位移测量装置，由定子和转子组成。旋转变压器的工作原理与普通变压器基本相似，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，只是其输出电压大小与转子位置有关。旋转变压器通过测量电动机或被测轴的转角来间接测量工作台的位移。旋转变压器分为单极和多极形式，先分析一下单极工作情况。如图5-1所示，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，则转子通过电磁耦合，产生感应电压。当转子转到使它的磁轴和定子绕组磁轴垂直时转子绕组感应电压；当转子绕组的磁轴自垂直位置转过一定角度时，转子绕组中产生的感应电压为

式中K—变压比（即绕组匝数比）；

Vm—励磁信号的幅值；

ω—励磁信号角频率；

—旋转变压器转角。

当转子转过900，两磁轴平行，此时转子绕组中感应电压最大，即

图5-1旋转变压器工作原理实际使用时通常采用多极形式，如正余弦旋转变压器，其定子和转子均由两个匝数相等，轴线相互垂直的绕组构成，如图5-2所示。一个转子绕组接高阻抗作为补偿，另一个转子绕组作为输出，应用叠加原理，其磁通为

转子输出电压则为

Vs

定子Φc

Vc

Φs

θ

ΦcΦccosθ

Φssinθ

转子θθ

Φs

图5-2正余弦旋转变压器工作原理二、应用旋转变压器作为位置检测装置，有两种典型工作方式，鉴相式和鉴幅式。鉴相式是根据感应输出电压的相位来检测位移量；鉴幅式是根据感应输出电压的幅值来检测位移量。1.鉴相工作方式给定子两绕组分别通以幅值相同、频率相同、相位差900的交流励磁电压，即

这两个励磁电压在转子绕组中都产生了感应电压，如图5-2所示，根据线性叠加原理，转子中的感应电压应为这两个电压的代数和：

(5-1)假如如，，转转子子逆逆向向转转动动，，可可得得(5-2)由式式(5-1)和(5-2)可见见，，转转子子输输出出电电压压的的相相位位角角和和转转子子的的偏偏转转角角之之间间有有严严格格的的对对应应关关系系，，这这样样，，只只要要检检测测出出转转子子输输出出电电压压的的相相位位角角，，就就可可知知道道转转子子的的转转角角。。由由于于旋旋转转变变压压器器的的转转子子和和被被测测轴轴连连接接在在一一起起，，所所以以，，被被测测轴轴的的角角位位移移就就知知道道了了。2.鉴幅幅工工作作方方式式给定定子子的的两两个个绕绕组组分分别别通通以以频频率率相相同同、、相相位位相相同同、、幅幅值值分分别别按按正正弦弦和和余余弦弦变变化化的的交交流流激激磁磁电电压压，，即即式中—激磁绕组组中的电电气角。。则转子上上的叠加加电压为为同理，如如果转子子逆向转转动，可可得(5-4)由式(5-3)和(5-4)可见，转转子感应应电压的的幅值随随转子的的偏转角角而变化化，测量量出幅值值即可求求得转角角。如果将旋旋转变压压器装在在数控机机床的滚滚珠丝杠杠上，当当角从00到3600时，丝杠杠上的螺螺母带动动工作台台移动了了一个导导程，间间接测量量了执行行部件的的直线位位移。测测量所走走过的行行程时，，可加一一个计数数器，累累计所转转的转数数，折算算成位移移总长度度。第二节感应同步步器一、结构构与工作作原理感应同步步器和旋旋转变压压器均为为电磁式式检测装装置，属属模拟式式测量，，二者工工作原理理相同，，其输出出电压随随被测直直线位移移或角位位移而改改变。感应同步器按按其结构特点点一般分为直直线式和旋转转式两种：直线式感应同同步器由定尺尺和滑尺组成成，用于直线线位移测量。。旋转式感应同同步器由转子子和定子组成成，用于角位位移测量。以直线式感应应同步器为例例，介绍其结结构和工作原原理。直线感应同步步器相当于一一个展开的多多极旋转变压压器，其结构构如图5-3所示，定尺和和滑尺的基板板采用与机床床热膨胀系数数相近的钢板板制成，钢板板上用绝缘粘粘结剂贴有铜铜箔，并利用用腐蚀的办法法做成图示的的印刷绕组。。长尺叫定尺尺，安装在机机床床身上，，短尺为滑尺尺，安装于移移动部件上，，两者平行放放置，保持0.25~0.05mm间隙。感应同步器两两个单元绕组组之间的距离离为节距，滑滑尺和定尺的的节距均为，，这是衡量感感应同步器精精度的主要参参数。标准感感应同步器定定尺长250mm，滑尺长100mm，节距为2mm。定尺上是单向向、均匀、连连续的感应绕绕组，滑尺有有两组绕组，，一组为正弦弦绕组，另一一为余弦绕组组。当正弦绕绕组与定尺绕绕组对齐时，，余弦绕组与与定尺绕组相相差1/4节距。V2定尺尺滑尺尺正弦弦绕绕组组VsVc余弦弦绕绕组组图5-3直线线感感应应同同步步器器结结构构当滑滑尺尺任任意意一一绕绕组组加加交交流流激激磁磁电电压压时时，，由由于于电电磁磁感感应应作作用用，，在在定定尺尺绕绕组组中中必必然然产产生生感感应应电电压压，，该该感感应应电电压压取取决决于于滑滑尺尺和和定定尺尺的的相相对对位位置置。。当当只只给给滑滑尺尺上上正正弦弦绕绕组组加加励励磁磁电电压压时时，，定定尺尺感感应应电电压压与与定定、、滑滑尺尺的的相相对对位位置置关关系系如如图图5-4所示。。如果果滑尺尺处于于A位置，，即滑滑尺绕绕组与与定尺尺绕组组完全全对应应重合合，定定尺绕绕组线线圈中中穿入入的磁磁通最最多，，则定定尺上上的感感应电电压最最大。。随着着滑尺尺相对对定尺尺做平平行移移动，，穿入入定尺尺的磁磁通逐逐渐减减少，，感应应电压压逐渐渐减小小。当当滑尺尺移到到图中中B点位置置，与与定尺尺绕组组刚好好错开开1/4节距时时，感感应电电压为为零。。再移移动至至1/2节距处处，即即图中中C点位置置时，，定尺尺线圈圈中穿穿出的的磁通通最多多，感感应电电压最最大，，但极极性相相反。。再移移至3/4节距，即图图中D点位置时，，感应电压压又变为零零，当移动动一个节距距位置如图图中E点，又恢复复到初始状状态，与A点相同。显显然，在定定尺移动一一个节距的的过程中，，感应电压压近似于余余弦函数变变化了一个个周期，如如图5-4中ABCDE。图5-4感应电压幅幅值与定尺尺滑尺相对对位置关系系若设定尺绕绕组节距为为，它对应应的感应电电压以余弦弦函数变化化了，当滑滑尺移动距距离为时，，则对应感感应电压以以余弦函数数变化相位位角。由比比例关系可得(5-5)设表示滑尺尺上一相绕绕组的激磁磁电压则则定尺尺绕组感应应电压为式中K—耦合系数；—激磁电压的幅幅值；ω—激磁电压的角角频率；—与位移对应的的角度。感应电压的幅幅值变化规律律就是一个周周期性的余弦弦曲线。在一一个周期内，，感应电压的的某一幅值对对应两个位移移点，如图5-4中M、N两点。为确定定唯一位移，，在滑尺上与与正弦绕组错错开1/4节距处，配置置了余弦绕组组。同样，若若在滑尺的余余弦绕组中通通以交流励磁磁电压，也能能得出定尺绕绕组感应电压压与两尺相对对位移的关系系曲线，它们们之间为正弦弦函数关系(图5-4中OP)。若滑尺上的正正、余弦绕组组同时励磁，，就可以分辨辨出感应电压压值所对应的的唯一确定的的位移。二、应用感应同步器作作为位置测量量装置安装在在数控机床上上，它也有两两种工作方式式，鉴相式和和鉴幅式。1.鉴相型系统供给滑尺的正正、余弦绕组组的激磁信号号是频率、幅幅值相同，相相位相差900的交流励磁电电压根据叠加原理理，定尺上的的总感应电压压为(5-6)通过鉴别定尺尺感应输出电电压的相位，，即可测量定定尺和滑尺之之间的相对位位移。例如定定尺感应输出出电压与滑尺尺励磁电压之之间的相位差差为3.60，当节距的情情况下，表明明滑尺移动了了0.02mm。滑尺定定尺尺机机床VsVc+x-x图5-5感应同步器鉴鉴相测量系统统框图放大滤波基准信号发生器脉冲调相器鉴相器放大器激磁供电线路伺服电机速度控制单元基准信号发生生器输出一系系列一定频率率的基准脉冲冲信号（载波波信号），为为伺服系统提提供一个相位位比较基准。。激磁信号号+x指令信号号-x-x图5-6脉冲调相器组组成原理框图图

分配器1（1/N）（基准分频通道）分配器2（1/N）（调相分频通道）脉冲加减器基准信号发生器脉冲调相器的的作用是将来来自数控装置置的进给脉冲冲信号转换为为相位变化的的信号。图5-6为其原理组成成框图，在脉脉冲调相器中中，由基准信信号发生器产产生的基准脉脉冲信号分成成两路，一路路直接输入分分频器1，它为1/N分频的二进制制计数器，称称为基准分频频通道。为适适应感应同步步器滑尺的两两励磁绕组供供电的要求，，该通道输出出两路幅值相相等、频率相相同、相位相相差900的脉冲信号，，经激磁供电电线路变成正正、余弦信号号给滑尺正弦弦、余弦绕组组励磁。另一一路先经过脉脉冲加减器，，再进入分频频器2，该分频器也也为1/N分频二进制计计数器，称为为调相分频通通道。调相分分频通道的任任务是将指令令脉冲信号调调制成与基准准脉冲有一定定关系的输出出脉冲信号，，其相位差大大小和极性与与指令脉冲有有关。上述两两个分频器均均为1/N分频，即当输输入N个计数脉冲后后产生一个溢溢出脉冲。为说明指令移移相情况，设设两个分频器器均由四个二二进制计数触触发器C0~C3组成，每输入入16个脉冲产生一一个溢出脉冲冲信号。对应应无指令脉冲冲和有指令脉脉冲两种情况况，可用图5-7和图5-8两个波形图来来描述C0C1C2C3F图5-7无指令脉冲时时序波形图Δθ1图5-8有指令脉冲时时序波形图FC1C2C0C3F1分频器2输出分频器1输出图5-7所示，当指令令脉冲为零时时，调相分频频通道输出信信号和基准脉脉冲信号相位位相同，两者者相位差为零零。图5-8所示，有一正正向指令脉冲冲通过脉冲加加减器，使得得输入到调相相分频通道的的脉冲个数增增加一个，结结果该分频器器产生溢出脉脉冲的时刻提提前产生。因因此，在指令令脉冲作用下下，调相分频频通道输出脉脉冲与基准脉脉冲有一个相相位差Δθ1，且Δθ1＝θ1－θ0，θ0为基准信号发发生器的基准准相位；θ1为指令信号相相位；θ1的大小取决于于指令脉冲数数，其随时间间变化的快慢慢取决于指令令脉冲频率，，而其相对于于θ0的超前与滞后后，则取决于于指令脉冲进进给方向。当用同一脉冲冲源的输出时时钟脉冲去触触发容量相同同的两个分频频器1和2时（见图5-7），结果在两两个分频器最最后一级的输输出是频率大大大降低的两两个同频率信信号。假设时时钟脉冲频率率为F，当分频器的容容量为N，即N个时钟脉冲使使分频器的输输出变化一个个周期，则分分频器输出端端的脉冲频率率f为：f=F/N（N为最大计数容容量，n为触发器个数数）。如果在在时钟脉冲触触发两个分频频器的过程中中，通过脉冲冲加减器加入入一个指令脉脉冲，分频器器2的最后一级输输出提前翻转转，从而相对对于分频器1产生了一个正正的相移Δθ1（见图5-8）。脉冲调相相器每接受一一个脉冲便产产生一个指令令相位增量Δθ1，Δθ1应符合下式或如果感应同步步器的节距为为2mm，脉冲当量选定定为δ=0.001mm，一个脉冲对应应的相移角Δθ1为数控装置每发发一个进给脉脉冲，经脉冲冲调相器变为为超前基准信信号一个0.180相移角的信号号，即Δθ1=θ1-θ0=0.180。此时因工作台台未动，反馈馈信号相对于于基准信号的的相位差Δθ2=θ2-θ0=0（θ2为定尺绕组组上作为反反馈信号所所取的感应应电压U2的相位）。。鉴相器将将δ＝Δθ1－Δθ2=0.180的相位差检检测出来，，经放大后后控制伺服服电动机带带动工作台台移动。随随着工作台台的移动，，θ2逐渐增大，，相位差δ逐渐减少，，直至δ＝0。鉴相式伺服服系统利用用相位比较较原理进行行工作。当当数控装置置要求工作作台沿一个个方向位移移时，产生生一列进给给脉冲，经经脉冲调相相器的调相相分频通道道转化为相相位变化信信号Δθ1′，它作为指令令信号送入入鉴相器；；测量装置置及信号处处理电路的的作用是将将工作台的的位移量检检测出来，，并表达成成与基准信信号之间的的相位差Δθ2′，也被送入鉴鉴相器。这这两路信号号都用它们们与基准信信号之间的的相位差表表示，且同同频率、同同周期。因因此，它们们两者之间间的相位差差为δ′＝Δθ1′－Δθ2′。鉴相器的作作用就是鉴鉴别出这两两个信号的的相位差，，并以与此此相位差信信号成正比比的电压信信号输出。。如果相位位差不为零零，说明工工作台实际际移动的距距离不等于于指令信号号要求工作作台移动的的距离，鉴鉴相器检测测出的相位位差，经放放大后，送送入速度控控制单元，，驱动电机机带动工作作台向减少少误差的方方向移动。。若相位差差为零，则则表示感应应同步器的的实际位置置与给定指指令位置相相同，鉴相相器输出电电压为零，，工作台停停止移动。。2.鉴幅式系系统供给滑尺尺上正、、余弦绕绕组的励励磁电压压的频率率相同、、相位相相同但幅幅值不同同。式中—给定的电电气角。。则在定尺尺绕组产产生的总总感应电电压为(5-7)式中—与位移对对应的角角度。鉴幅式伺伺服系统统是以位位置检测测信号的的幅值大大小来反反映机械械位移的的数值，，并以此此作为位位置反馈馈信号与与指令信信号进行行比较构构成闭环环伺服系系统。由由式5-7可知，若若电气角角α已知，只只要测出出V2的幅值，，便能求求出与位位移对应应的角度度θ。实际测量时时，不断调调整α，让幅值为零零。设初始始位置时，，α=θ，V2＝0，当滑尺相对对定尺移动动后，随着着θ不断增加，，α≠θ，V2≠0。若逐渐改变变α值，直至α=θ，V2＝0，此时α的变化量就就代表了θ对应的位移移量，就可可测得机械械位移。进给指令图5-9鉴幅式伺服系系统原理框图图比较器数模转换放大环节速度单元工作台测量及信号处理电路伺服电机按图5-9原理框图叙述述鉴幅式系统统的工作原理理：进入比较较器的信号有有两路，一路路来自进给脉脉冲，它代表表了数控装置置要求机床工工作台移动的的位移量。另另一路来自测测量及信号处处理电路，以以数字脉冲形形式出现，体体现了工作台台实际移动的的距离。鉴幅幅式系统工作作之前，数控控装置和测量量元件的信号号处理电路都都没有脉冲输输出，比较器器的输出为零零，工作台不不移动。出现现进给脉冲信信号后，比较较器的输出不不为零，经数数模转换电路路将比较器输输出的数字量量转化为电压压信号，经放放大后，由伺伺服电机带动动工作台移动动。同时，工工作在鉴幅状状态的感应同同步器的定尺尺感应出电压压信号，经信信号处理线路路转换成相应应的数字脉冲冲信号，该数数字脉冲信号号作为反馈信信号进入比较较器与进给脉脉冲进行比较较。若两者相相等，比较器器输出为零，，工作台不动动；若两者不不相等，说明明工作台实际际移动的距离离还不等于指指令信号要求求移动的距离离，伺服电机机继续带动工工作台移动，，直到比较器器输出为零时时停止。测量元件sin/cos发生器解调线路V/F转换器图5-10测量元件及信信号处理电路路测量及信号处处理线路如何何将工作台的的机械位移检检测出来并转转换为数字脉脉冲信号，可可参见图5-10。感应同同步器根根据工作作台的位位移量，，输出正正弦电压压信号，，该电压压信号的的幅值代代表工作作台的位位移。此此正弦信信号经滤滤波、放放大、检检波、整整流以后后，变成成方向与与工作台台移动方方向相对对应，幅幅值与工工作台位位移成正正比的直直流电压压信号，，这个过过程称解解调，由由解调线线路也称称鉴幅器器来完成成。解调调后的信信号经电电压频率率（V/F）转换器变成计计数脉冲，脉脉冲的个数与与电压幅值成成正比，并用用符号触发器器表示方向。。一方面，该该计数脉冲及及符号送比较较器与进给脉脉冲比较；另另一方面，经经正余弦(sin/cos)信号发生器，，产生驱动测测量元件的两两路信号sin和cos，使角与此相相对应发生改改变。并根据据产生生正弦和余弦弦矩形波，使使总总是跟随角的的变化化而变化。若感应同步器器滑尺没有新新的位移，因因激磁信号电电气角由变变为，它它所输出的幅幅值信号也随随之变化，而而且逐步趋近近于零。若输输出的新的幅幅值信号不为零，再一一次经解调线线路，电压频频率转换器、、sin/cos信号发生器，，产生下一个个激磁信号，，该激磁信号号将使测量元元件的输出进进一步接近于于零，这个过过程不断重复复，直到测量量元件的输出出为零时为止止。第三节脉冲编码器脉冲编码器是是一种旋转式式脉冲发生器器，能把机械械转角变成电电脉冲，是数数控机床上使使用很广泛的的位置检测装装置。脉冲编编码器可分为为增量式与绝绝对式两类。。一、绝对式编编码器绝对式编码器器是一种旋转转式检测装置置，可直接把把被测转角用用数字代码表表示出来，且且每一个角度度位置均有其其对应的测量量代码，它能能表示绝对位位置，没有累累积误差，电电源切除后，，位置信息不不丢失，仍能能读出转动角角度。绝对式式编码器有光光电式、接触触式和电磁式式三种，以接接触式四位绝绝对编码器为为例来说明其其工作原理。。如图图5-11a所示示为为二二进进制制码码盘盘。。它它在在一一个个不不导导电电基基体体上上作作成成许许多多金金属属区区使使其其导导电电，，其其中中有有剖剖面面线线部部分分为为导导电电区区，，用用““1””表示示；；其其它它部部分分为为绝绝缘缘区区，，用用““0””表示示。。每每一一径径向向，，由由若若干干同同心心圆圆组组成成的的图图案案代代表表了了某某一一绝绝对对计计数数值值，，通通常常，，我我们们把把组组成成编编码码的的各各圈圈称称为为码码道道，，码码盘盘最最里里圈圈是是公公用用的的，，它它和和各各码码道道所所有有导导电电部部分分连连在在一一起起，，经经电电刷刷和和电电阻阻接接电电源源负负极极。。在在接接触触式式码码盘盘的的每每个个码码道道上上都都装装有有电电刷刷，，电电刷刷经经电电阻阻接接到到电电源源正正极极（（图图5-11b）。。当检检测测对对象象带带动动码码盘盘一一起起转转动动时时，，电电刷刷和和码码盘盘的的相相对对位位置置发发生生变变化化，，与与电电刷刷串串联联的的电电阻阻将将会会出出现现有有电电流流通通过过或或没没有有电电流流通通过过两两种种情情况况。。若若回回路路中中的的电电阻阻上上有有电电流流通通过过，，为为““1”；反之之，电电刷接接触的的是绝绝缘区区，电电阻上上无电电流通通过，，为““0”。如果果码盘盘顺时时针转转动，，就可可依次次得到到按规规定编编码的的数字字信号号输出出，图图示为为4位二进进制码码盘，，根据据电刷刷位置置得到到由““1”和“0”组成的的二进进制码码，输输出为为0000、0001、0010………1111。由图5-11可以看出，，码道的圈圈数就是二二进制的位位数，且高高位在内，，低位在外外。其分辨辨角θ＝360o/24=22.5o，若是n位二进制码码盘，就有n圈码道，分分辨角θ＝360o/2n，码盘位数越越大，所能能分辨的角角度越小，，测量精度度越高。若若要提高分分辨力，就就必须增多多码道，即即二进制位位数增多。。目前接触触式码盘一一般可以做做到9位二进制，，光电式码码盘可以做做到18位二进制。。用二进制代代码做的码码盘，如果果电刷安装装不准，会会使得个别别电刷错位位，而出现现很大的数数值误差。。如图5-12，当电刷由位位置0111向1000过渡时，可能能会出现从8（1000）到15（1111）之间的读数数误差，一般般称这种误差差为非单值性性误差。为消消除这种误差差，可采用葛葛莱码盘。图5-13葛莱码盘图5-12四位二进制码码盘非单值性性误差图5-13为葛莱码盘，，其各码道的的数码不同时时改变，任何何两个相邻数数码间只有一一位是变化的的，每次只切切换一位数，，把误差控制制在最小范围围内。二进制制码转换成葛葛莱码的法则则是：将二进进制码右移一一位并舍去末末位的数码，，再与二进制制数码作不进进位加法，结结果即为葛莱莱码。例如，二进制制码1101对应的葛莱码码为1011，其演算过程程如下：1101（二进制码））1101（不进位相加加，舍去末位位）1011（葛莱码）二、增量式脉脉冲编码器增量式脉冲编编码器分光电电式、接触式式和电磁感应应式三种。就就精度和可靠靠性来讲，光光电式脉冲编编码器优于其其它两种，它它的型号是用用脉冲数/转（p/r）来区分，数控控机床常用2000、2500、3000p/r等，现在已有有每转发10万个脉冲的脉脉冲编码器。。脉冲编码器器除用于角度度检测外，还还可以用于速速度检测。光电式脉冲编编码器通常与与电机做在一一起，或者安安装在电机非非轴伸端，电电动机可直接接与滚珠丝杠杠相连，或通通过减速比为为i的减速齿轮，，然后与滚珠珠丝杠相连，，那么每个脉脉冲对应机床床工作台移动动的距离可用用下式计算：式中—脉冲当量（mm/脉冲）；S—滚珠丝杠的导导程（mm）；i—减速齿轮的减减速比；M—脉冲编码器每每转的脉冲数数（p/r）。图5-14光电电式式脉脉冲冲编编码码器器结结构构示示意意图图光电电式式脉脉冲冲编编码码器器，，它它由由光光源源、、聚聚光光镜镜、、光光电电盘盘、、圆圆盘盘、、光光电电元元件件和和信信号号处处理理电电路路等等组组成成（（图图5-14）。。光光电电盘盘是是用用玻玻璃璃材材料料研研磨磨抛抛光光制制成成，，玻玻璃璃表表面面在在真真空空中中镀镀上上一一层层不不透透光光的的铬铬，，然然后后用用照照相相腐腐蚀蚀法法在在上上面面制制成成向向心心透透光光窄窄缝缝。。透透光光窄窄缝缝在在圆圆周周上上等等分分，，其其数数量量从从几几百百条条到到几几千千条条不不等等。。圆圆盘盘也也用用玻玻璃璃材材料料研研磨磨抛抛光光制制成成，，其其透透光光窄窄缝缝为为两两条条，，每每一一条条后后面面安安装装有有一一只只光光电电元元件件。。光光电电盘盘与与工工作作轴轴连连在在一一起起，，光光电电盘盘转转动动时时，，每每转转过过一一个个缝缝隙隙就就发发生生一一次次光光线线的的明明暗暗变变化化，，光光电电元元件件把把通通过过光光电电盘盘和和圆圆盘盘射射来来的的忽忽明明忽忽暗暗的的光光信信号号转转换换为为近近似似正正弦弦波波的的电电信信号号，，经经过过整整形形、、放放大大、、和和微微分分处处理理后后，，输输出出脉脉冲冲信信号号。。通通过过记记录录脉脉冲冲的的数数目目，，就就可可以以测测出出转转角角。。测测出出脉脉冲冲的的变变化化率率，，即即单单位位时时间间脉脉冲冲的的数数目目，，就就可可以以求求出出速速度度。。为了了判判断断旋旋转转方方向向，，圆圆盘盘的的两两个个窄窄缝缝距距离离彼彼此此错错开开1/4节距距，，使使两两个个光光电电元元件件输输出出信信号号相相位位差差900。如图图5-15所示，，A、B信号为为具有有900相位差差的正正弦波波，经经放大大和整整形变变为方方波A1、B1。设A相比B相超前前时为为正方方向旋旋转，，则B相超前前A相就是是负方方向旋旋转，，利用用A相与B相的相相位关关系可可以判判别旋旋转方方向。。此外，，在光光电盘盘的里里圈不不透光光圆环环上还还刻有有一条条透光光条纹纹，用用以产产生每每转一一个的的零位位脉冲冲信号号，它它是轴轴旋转转一周周在固固定位位置上上产生生一个个脉冲冲。电流AB节距ωtA1B1900图5-15脉冲编编码器器输出出波形形在数控控机床床上，，光电电脉冲冲编码码器作作为位位置检检测装装置，，用在在数字字比较较伺服服系统统中，，将位位置检检测信信号反反馈给给CNC装置。。图5-16所示为为辨向向环节节框图图和波波形图图。脉脉冲编编码器器输出出的交交变信信号经经过过差分分驱动动和差差分接接收进进入CNC装置，，再经经过整整形放放大电电路变变成二二个方方波系系列。。将将和和它的的反向向信号号微微分分（上上升沿沿微分分）后后得到到和和脉脉冲冲系列列，作作为加加、减减计数数脉冲冲。路方波波信号号被用用作加加、减减计数数脉冲冲的控控制信信号，，正走走时（（A超前B），由由Y2门输出出加计计数脉脉冲，，此时时Y1门输出出为低低电平平（图图5-16）；反反走时时（B超前A），由由Y1门输出出减计计数脉脉冲，，此时时Y2门输出出为低低电平平。这这种读读数方方式每每次反反映的的都是是相对对于上上一次次读数数的增增量，，而不不能反反映转转轴在在空间间的绝绝对位位置，，所以以是增增量读读数法法。光电脉脉冲编编码器器用于于数字字脉冲冲比较较伺服服系统统（图图5-17）的工工作原原理如如下：：光电电脉冲冲编码码器与与伺服服电机机的转转轴连连接，，随着着电机机的转转动产产生脉脉冲序序列，，其脉脉冲的的频率率将随随着转转速的的快慢慢而升升降。。若工工作台台静止止，指指令脉脉冲和和反馈馈脉冲冲都为为零，，两路路脉冲冲送入入数字字脉冲冲比较较器中中进行行比较较，结结果输输出也也为零零。因因伺服服电机机的速速度给给定为为零，，工作作台依依然不不动。。随着着指令令脉冲冲的输输出，，指令令脉冲冲不为为零，，在工工作台台尚未未移动动之前前，反反馈脉脉冲仍仍为零零，比比较器器输出出指令令信号号与反反馈信信号的的差值值，经经放大大后，，驱动动电机机带动动工作作台移移动。。电机机运转转后，，光电电脉冲冲编码码器将将输出出反馈馈脉冲冲送入入比较较器，，与指指令脉脉冲进进行比比较，，如果果偏差差不为为零，，工作作台继继续移移动，，不断断反馈馈，直直到偏偏差为为零，，即反反馈脉脉冲数数等于于指令令脉冲冲数时时，工工作台台停在在指令令规定定的位位置上上。减计数数加计数数图5-16辨向环环节框框图和和波形形图差分整形放大Y1微分差分整形放大Y21微分图5-16辨向环环节框框图和和波形形图图5-17数字比比较伺伺服系系统编码器器在数数控机机床中中的应应用1、位移移测量量思考：：如果果某带带光电电编码码器的的伺服服电机机与滚滚珠丝丝杆直直连，，光电电编码码器1024脉冲/转，丝丝杆螺螺距8mm，若在在某段段时间间内，，数控控系统统共计计连续续接收收到10240个脉冲冲，那那么，，丝杆杆移动动的距距离是是多少少？编码器器在位位移测测量过过程中中，可可以用用于工工作台台或者者刀架架的直直线位位移测测量；；也可可以测测量回回转工工作台台的角角位移移。2、主轴控制制主轴旋转与与坐标轴进进给同步控控制如：切削螺螺纹恒线速度切切削控制如：车床和和磨床进行行端面或锥锥形面切削削是地，为为了保证加加工面粗糙糙度Ra保持一定的的值，要求求刀具与工工件接触点点的线速度度为恒值。。随着刀具具的径向进进给及切削削直径的逐逐渐减小或或增大，应应不断提高高或降低主主轴转速，，保持v=2πDn为常值。式式中v是切削线速速度；D为工件的切切削直径，，随刀具进进给不断变变化；n为主主轴轴转转速速；；D由坐坐标标轴轴的的位位移移检检测测装装置置，，如如光光电电编编码码器器检检测测获获得得。。上上述述数数据据经经软软件件处处理理后后即即得得主主轴轴转转速速n，转转换换成成速速度度控控制制信信号号后后至至主主轴轴驱驱动动装装置置。。主轴轴定定向向准准停停控控制制如：：机机械械手手换换刀刀（（加加工工中中心心）），，主主轴轴必必须须停停在在固固定定的的径径向向位位置置。。3、测测速速利用用光光电电脉脉冲冲的的输输出出频频率率与与转转速速成成正正比比的的原原理理。。4、零零标标志志脉脉冲冲用用于于回回参参考考点点控控制制采用用增增量量式式位位置置检检测测装装置置时时，，数数控控机机床床通通电电后后要要做做回回参参考考点点操操作作。。因因为为，，机机床床断断电电后后，，会会失失去去对对坐坐标标轴轴位位置置的的记记忆忆，，所所以以，，必必需需使使坐坐标标轴轴回回到到某某固固定定点点（（此此点点称称坐坐标标系系的的原原点点或或零零点点，，也也称称机机床床参参考考点点））。。使使机机床床回回到到这这一一点点，，称称回回参参考考点点或或回回零零操操作作。。回参参考考点点是是否否正正确确，，与与检检测测装装置置中中的的零零点点脉脉冲冲有有相相当当大大的的关关系系。。第四四节节光栅栅一、、结结构构光栅栅种种类类较较多多。。根根据据光光线线在在光光栅栅中中是是透透射射还还是是反反射射分分为为透透射射光光栅栅和和反反射射光光栅栅，，透透射射光光栅栅分分辨辨率率较较反反射射光光栅栅高高，，其其检检测测精精度度可可达达1μμm以上上。。从从形形状状上上看看，，又又可可分分为为圆圆光光栅栅和和直直线线光光栅栅。。圆圆光光栅栅用用于于测测量量转转角角位位移移，，直直线线光光栅栅用用于于检检测测直直线线位位移移。。两两者者工工作作原原理理基基本本相相似似，，本本节节着着重重介介绍绍一一种种应应用用比比较较广广泛泛的的透透射射式式直直线线光光栅栅。。直线光栅栅通常包包括一长长和一短短两块配配套使用用，其中中长的称称为标尺尺光栅或或长光栅栅，一般般固定在在机床移移动部件件上，要要求与行行程等长长。短的的为指示示光栅或或短光栅栅，装在在机床固固定部件件上。两两光栅尺尺是刻有有均匀密密集线纹纹的透明明玻璃片片，线纹纹密度为为25、50、100、250条/mm等。线纹之间间距离相等，，该间距称为为栅距，测量量时它们相互互平行放置，，并保持0.05~0.1mm的间隙。二、工作原理理当指示光栅上上的线纹与标标尺光栅上的的线纹成一小小角度放置时时，两光栅尺尺上线纹互相相交叉。在光光源的照射下下，交叉点附附近的小区域域内黑线重叠叠，形成黑色色条纹，其它它部分为明亮亮条纹，这种种明暗相间的的条纹称为莫莫尔条纹。莫莫尔条纹与光光栅线纹几乎乎成垂直方向向排列。严格格地说，是与与两片光栅线线纹夹角的平平分线相垂直直。莫尔条纹纹具有如下特特点：1.放大作用用W（mm）表示莫尔条纹纹的宽度，P(mm)表示栅距，(rad)为光栅线纹之之间的夹角，，如图5-18所示则有(5-8)莫尔条纹宽度度W与角成反比，，越小，放大大倍数越大。。2.均化误差作用用莫尔条纹是由由光栅的大量量刻线共同组组成，例如，，200条/mm的光栅，10mm宽的光栅就由由2000条线纹组成，，这样栅距之之间的固有相相邻误差就被被平均化了，，消除了栅距距之间不均匀匀造成的误差差。3.莫尔条纹的移移动与栅距的的移动成比例例当光栅尺移动动一个栅距P时，莫尔条纹纹也刚好移动动了一个条纹纹宽度W。只要通过光电电元件测出莫莫尔条纹的数数目，就可知知道光栅移动动了多少个栅栅距，工作台台移动的距离离可以计算出出来。若光栅栅移动方向相相反，则莫尔尔条纹移动方方向也相反（（见图5-18）。若标尺光栅不不动，将指示示光栅转一很很小的角度，，两者移动方方向及光栅夹夹角关系如表表5-1所示。。因莫莫尔条条纹移移动方方向与与光栅栅移动动方向向垂直直，可可用检检测垂垂直方方向宽宽大的的莫尔尔条纹纹代替替光栅栅水平平方向向移动动的微微小距距离。。表5-1莫尔条条纹移移动方方向与与光栅栅移动动方向向及光光栅夹夹角的的关系系Pθ标尺尺光光栅栅图5-18莫尔尔条条纹纹图5-19光栅栅测测量量系系统统光栅栅测测量量系系统统如如图图5-19所示示，，由由光光源源、、聚聚光光镜镜、、光光栅栅尺尺、、光光电电元元件件和和驱驱动动线线路路组组成成。。读读数数头头光光源源采采用用普普通通的的灯灯泡泡，，发发出出辐辐射射光光线线，，经经过过聚聚光光镜镜后后变变为为平平行行光光束束，，照照射射光光栅栅尺尺。。光光电电元元件件（（常常使使用用硅硅光光电电池池））接接受受透透过过光光栅栅尺尺光光强强信信号号，，并并将将其其转转换换成成相相应应的的电电压压信信号号。。由由于于此此信信号号比比较较微微弱弱，，在在长长距距离离传传递递时时，，很很容容易易被被各各种种干干扰扰信信号号淹淹没没，，造造成成传传递递失失真真，，驱驱动动线线路路的的作作用用就就是是将将电电压压信信号号进进行行电电压压和和功功率率放放大大。。除除标标尺尺光光栅栅与与工