第二十一讲数控机床的检测技术课件

一、光栅光栅分为物理光栅和计量光栅两大类。检测直线位移的称为直线光栅，检测角度位移的称为圆光栅；根据光电元件感光方式不同，可将光栅分为玻璃透射式光栅和金属反射式光栅。一、光栅光栅分为物理光栅和计量光栅两大类。检测直线位移的称为直线玻璃透射式光栅和金属反射式光栅检测装置分别如图所示。

透射式光栅检测装置反射式光栅检测装置直线玻璃透射式光栅和金属反射式光栅检测装置分别如图所示。透玻璃透射式光栅是在透明的光学玻璃表面制成感光涂层或金属镀膜，经过涂敷，蚀刻等工艺制成间隔相等的透明与不透明线纹，线纹的间距和宽度相等并与运动方向垂直，线纹之间的间距称为栅距。常用的线纹密度为25条/㎜、50条/㎜、100条/㎜、250条/㎜。条数越多，光栅的分辨率越高。圆光栅是在玻璃圆盘的圆环端面上，制成透光与不透光相间的条纹，条纹呈辐射状，相互间的夹角相等。玻璃透射式光栅是在透明的光学玻璃表面制成感光涂层或金属镀膜，直线透射式光栅1.组成由标尺光栅和光栅读数头两部分组成，光栅读数头包括光源、透镜、光电元件、指示光栅等。如图所示。标尺光栅和指示光栅也可称为长光栅和短光栅，它们的线纹密度相等。长光栅可安装在机床的固定部件上（如机床床身），其长度应等于工作台的全行程；短光栅长度较短，随光栅读数头安装在机床的移动部件上。直线透射式光栅光栅位置检测装置的组成1—光源2—透镜3—标尺光栅4—指示光栅5—光电元件光栅位置检测装置的组成2.工作原理在测量时，长短两光栅尺面相互平行地重叠在一起，并保持0.01至0.1mm的间隙，指示光栅相对标尺光栅在自身平面内旋转一个微小的角度θ。当光线平行照射光栅时，由于光的透射和衍射效应，在与两光栅线纹夹角θ的平分线相垂直的方向上，会出现明暗交替、间隔相等的粗条纹——莫尔条纹，如图所示。2.工作原理莫尔条纹形成原理莫尔条纹形成原理两条暗带或明带之间的距离称为莫尔条纹的间距B，若光栅的栅距为W，则因为θ很小，则由此可见，莫尔条纹的间距与光栅的栅距成正比。

两条暗带或明带之间的距离称为莫尔条纹的间距B，若光栅的栅距为莫尔条纹具有如下特点：

由上式可知，莫尔条纹的间距B是光栅栅距W的1/θ，由于θ很小（小于10′），故B＞＞W，即莫尔条纹具有放大作用。例如，当栅距为W=0.01㎜，θ=0.001rad时，莫尔条纹的间距B=10㎜。因此，不需要经过复杂的光学系统，就能把光栅的栅距转换成放大了1000倍的莫尔条纹的宽度，从而大大简化了电子放大线路，这是光栅技术独有的特点。莫尔条纹具有如下特点：由上式可知，莫尔条纹的间距B是光栅栅（2）起均化误差作用莫尔条纹由若干线纹组成，若光电元件接受长度为10㎜，当W=0.01㎜时，10㎜宽的莫尔条纹就由1000条线纹组成，因此，制造上的间距误差（或缺陷），只会影响千分之几的光电效果。所以，莫尔条纹测量长度时，决定其精度的不是一条线纹，而是一组线纹的平均效应。（2）起均化误差作用（3）莫尔条纹的变化规律长短两光栅相对移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个条纹间距B，即光栅某一固定点的光强按明→暗→明规律交替变化一次。光电元件只要读出移动的莫尔条纹条纹数，就知道光栅移动了多少栅距，从而也就知道了运动部件的准确位移量。（3）莫尔条纹的变化规律3.光栅的辨向与信号处理在移动过程中，经过光栅的光线，其光强呈正（余）弦函数变化，反映莫尔条纹的移动的光信号由光电元件接收转换成近似正（余）弦函数的电压信号，然后经信号处理装置整形、放大及微分处理后，即可输出与检测位移成比例的脉冲信号。为了既能计数，又能判别工作台移动的方向，如图所示的光栅用了4个光电元件。每个光电元件相距四分之一栅距（W/4）。当指示光栅相对标尺光栅移动时，莫尔条纹通过各个光电元件的时间不一样，光电元件的电信号虽然波形一样，但相位相差1/4周期。根据各光电元件输出信号的相位关系，就可确定指示光栅移动的方向。3.光栅的辨向与信号处理在移动过程中，经过光栅的光线，其光光栅的特点1.有很高的检测精度。现在光栅的精度可达微米级，再经细分电路可以达到0.1微米。2.响应速度较快，可实现动态测量，易于实现检测及数据处理的自动化控制。3.对使用环境要求高，怕油污、灰尘及振动。4.由于标尺光栅一般较长，故安装、维护困难，成本高。光栅的特点二、旋转变压器旋转变压器属于电磁式的位置检测传感器，是一种控制用的微电机，在结构上与二相线绕式异步电动机相似，由定子和转子组成。定子绕组为变压器的原边，转子绕组为变压器的副边。励磁电压接到定子绕组上，其频率通常为400HZ、500HZ、1000HZ及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。二、旋转变压器旋转变压器属于电磁式的位置检测传感器，是一种控如图是旋转变压器工作原理图。

旋转变压器工作原理如图是旋转变压器工作原理图。旋转变压器工作原理当励磁电压U1加在定子绕组上时，通过电磁耦合，在转子中产生感应电压。转子的位置不同，产生的感应电压值也不同，如图所示。如果转子绕组与定子绕组互相垂直，即转子的偏转角为零时，则转子绕组感应电压为零；如果转子转到与定子绕组平行时，即偏转角θ=90°时，转子绕组中的感应电动势最大，其值为e=KU1

=KUmsin(ωt)当励磁电压U1加在定子绕组上时，通过电磁耦合，在转子中产生感如果转子自垂直位置偏转了一个角度θ时，转子绕组中产生的感应电动势为e=KU1sinθ=KUmsin(ωt)sinθ通常采用的是正弦余弦旋转变压器，其定子和转子绕组中各有两个互相垂直的绕组。

如果转子自垂直位置偏转了一个角度θ时，转子绕组中产生的感应电如图是正弦余弦旋转变压器原理图

正弦余弦旋转变压器原理如图是正弦余弦旋转变压器原理图正弦余弦旋转变压器原理如果用两个相位差为90°的励磁电压U1

=Umsin(ωt)和U2

=Umcos(ωt)分别加在两个定子绕组上，则U1

和U2在转子绕组上产生的感应电动势分别为e1=KUmsin(ωt)sinθe2=KUmcos(ωt)cosθ应用迭加原理，转子绕组上总的感应电动势为e=e1+e2=KUmsin(ωt)sinθ+KUmcos(ωt)cosθ=KUmcos(ωt－θ)如果用两个相位差为90°的励磁电压U1=Umsin(ωt可见，转子绕组的感应电动势与转子的偏转角成正弦（或余弦）函数关系，只要检测出转子电动势的大小，即可测得转子转过的角度。可见，转子绕组的感应电动势与转子的偏转角成正弦（或余弦）函数光栅尺的维护光栅尺本身具有一定的防护措施，有的需要给尺盒里面通入洁净的气源，保持尺内气压大于外部气压，防止潮气进入，但限于现场的生产环境及机床本身的加工条件(如高压力的切削液等)，还是要做好防污、防振等维护工作。光栅尺的维护1.防污光栅尺由于直接安装于工作台和机床床身上，因此，极易受到冷却液的污染，从而造成信号丢失，影响位置控制精度。冷却液在使用过程中会产生轻微结晶，这种结晶会在扫描头上形成一层薄膜且透光性差，不易清除，故在选用冷却液时要慎重。加工过程中，冷却液的压力和流量过大，容易形成大量的水雾，会污染光栅尺。1.防污光栅尺最好通入低压压缩空气，以免扫描头运动时形成的负压把污物吸入光栅，压缩空气必须净化，滤芯应保持洁净并定时更换。2.防振光栅尺拆装时要用静力，不能用硬物敲击，以免引起光学元件的损坏。光栅尺最好通入低压压缩空气，以免扫描头运动时形成的负压把污物光电脉冲编码器的维护光电脉冲编码器是在一个圆盘的边缘上开有间距相等的缝隙，在其两面分别装有光源和光敏元件，当圆盘转动时，光线的明暗变化，经过光敏元件检测变成电信号的强弱，从而得到脉冲信号。编码器的输出信号有：两个相位差90°的信号，用于辨向；一个零信号(又称一转信号)，用于机床回参考点的控制；另外还有+5V电源和接地端信号。光电脉冲编码器的维护1防振和防污编码器是一个精密的测量元件，本身密封很好，在使用和拆装时要与光栅尺一样注意防振和防污。污染容易出现在导线引出段、接插头处，要做好这些部位的防护措施。振动容易造成内部紧固件松动脱落，造成内部短路。1防振和防污2连接问题连接问题分为连接松动和连接调整不当。编码器的连接方式有内装式和外装式。内装式与伺服电机同轴安装，如：SIEMENS1FT5、1FT6伺服电机上的ROD320编码器。外装式安装于传动链的末端，当传动链较长时，这种安装方式可以减小传动链累积误差对位置检测精度的影响。由于连接松动，所以往往会影响位置控制精度。2连接问题有些交流伺服电机的内装式编码器除了位置检测外，还同时有测速和交流伺服电机转子位置检测作用，因此编码器连接松动还会引起进给运动的不稳定，影响交流伺服电动机的换向控制，从而引起机床的振动。另外编码器是通过皮带传动的，若传动皮带调整过紧，给编码器轴承施加力过大，则容易损坏编码器。有些交流伺服电机的内装式编码器除了位置检测外，还同时有测速和一、光栅光栅分为物理光栅和计量光栅两大类。检测直线位移的称为直线光栅，检测角度位移的称为圆光栅；根据光电元件感光方式不同，可将光栅分为玻璃透射式光栅和金属反射式光栅。一、光栅光栅分为物理光栅和计量光栅两大类。检测直线位移的称为直线玻璃透射式光栅和金属反射式光栅检测装置分别如图所示。

透射式光栅检测装置反射式光栅检测装置直线玻璃透射式光栅和金属反射式光栅检测装置分别如图所示。透玻璃透射式光栅是在透明的光学玻璃表面制成感光涂层或金属镀膜，经过涂敷，蚀刻等工艺制成间隔相等的透明与不透明线纹，线纹的间距和宽度相等并与运动方向垂直，线纹之间的间距称为栅距。常用的线纹密度为25条/㎜、50条/㎜、100条/㎜、250条/㎜。条数越多，光栅的分辨率越高。圆光栅是在玻璃圆盘的圆环端面上，制成透光与不透光相间的条纹，条纹呈辐射状，相互间的夹角相等。玻璃透射式光栅是在透明的光学玻璃表面制成感光涂层或金属镀膜，直线透射式光栅1.组成由标尺光栅和光栅读数头两部分组成，光栅读数头包括光源、透镜、光电元件、指示光栅等。如图所示。标尺光栅和指示光栅也可称为长光栅和短光栅，它们的线纹密度相等。长光栅可安装在机床的固定部件上（如机床床身），其长度应等于工作台的全行程；短光栅长度较短，随光栅读数头安装在机床的移动部件上。直线透射式光栅光栅位置检测装置的组成1—光源2—透镜3—标尺光栅4—指示光栅5—光电元件光栅位置检测装置的组成2.工作原理在测量时，长短两光栅尺面相互平行地重叠在一起，并保持0.01至0.1mm的间隙，指示光栅相对标尺光栅在自身平面内旋转一个微小的角度θ。当光线平行照射光栅时，由于光的透射和衍射效应，在与两光栅线纹夹角θ的平分线相垂直的方向上，会出现明暗交替、间隔相等的粗条纹——莫尔条纹，如图所示。2.工作原理莫尔条纹形成原理莫尔条纹形成原理两条暗带或明带之间的距离称为莫尔条纹的间距B，若光栅的栅距为W，则因为θ很小，则由此可见，莫尔条纹的间距与光栅的栅距成正比。

两条暗带或明带之间的距离称为莫尔条纹的间距B，若光栅的栅距为莫尔条纹具有如下特点：

由上式可知，莫尔条纹的间距B是光栅栅距W的1/θ，由于θ很小（小于10′），故B＞＞W，即莫尔条纹具有放大作用。例如，当栅距为W=0.01㎜，θ=0.001rad时，莫尔条纹的间距B=10㎜。因此，不需要经过复杂的光学系统，就能把光栅的栅距转换成放大了1000倍的莫尔条纹的宽度，从而大大简化了电子放大线路，这是光栅技术独有的特点。莫尔条纹具有如下特点：由上式可知，莫尔条纹的间距B是光栅栅（2）起均化误差作用莫尔条纹由若干线纹组成，若光电元件接受长度为10㎜，当W=0.01㎜时，10㎜宽的莫尔条纹就由1000条线纹组成，因此，制造上的间距误差（或缺陷），只会影响千分之几的光电效果。所以，莫尔条纹测量长度时，决定其精度的不是一条线纹，而是一组线纹的平均效应。（2）起均化误差作用（3）莫尔条纹的变化规律长短两光栅相对移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个条纹间距B，即光栅某一固定点的光强按明→暗→明规律交替变化一次。光电元件只要读出移动的莫尔条纹条纹数，就知道光栅移动了多少栅距，从而也就知道了运动部件的准确位移量。（3）莫尔条纹的变化规律3.光栅的辨向与信号处理在移动过程中，经过光栅的光线，其光强呈正（余）弦函数变化，反映莫尔条纹的移动的光信号由光电元件接收转换成近似正（余）弦函数的电压信号，然后经信号处理装置整形、放大及微分处理后，即可输出与检测位移成比例的脉冲信号。为了既能计数，又能判别工作台移动的方向，如图所示的光栅用了4个光电元件。每个光电元件相距四分之一栅距（W/4）。当指示光栅相对标尺光栅移动时，莫尔条纹通过各个光电元件的时间不一样，光电元件的电信号虽然波形一样，但相位相差1/4周期。根据各光电元件输出信号的相位关系，就可确定指示光栅移动的方向。3.光栅的辨向与信号处理在移动过程中，经过光栅的光线，其光光栅的特点1.有很高的检测精度。现在光栅的精度可达微米级，再经细分电路可以达到0.1微米。2.响应速度较快，可实现动态测量，易于实现检测及数据处理的自动化控制。3.对使用环境要求高，怕油污、灰尘及振动。4.由于标尺光栅一般较长，故安装、维护困难，成本高。光栅的特点二、旋转变压器旋转变压器属于电磁式的位置检测传感器，是一种控制用的微电机，在结构上与二相线绕式异步电动机相似，由定子和转子组成。定子绕组为变压器的原边，转子绕组为变压器的副边。励磁电压接到定子绕组上，其频率通常为400HZ、500HZ、1000HZ及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。二、旋转变压器旋转变压器属于电磁式的位置检测传感器，是一种控如图是旋转变压器工作原理图。

旋转变压器工作原理如图是旋转变压器工作原理图。旋转变压器工作原理当励磁电压U1加在定子绕组上时，通过电磁耦合，在转子中产生感应电压。转子的位置不同，产生的感应电压值也不同，如图所示。如果转子绕组与定子绕组互相垂直，即转子的偏转角为零时，则转子绕组感应电压为零；如果转子转到与定子绕组平行时，即偏转角θ=90°时，转子绕组中的感应电动势最大，其值为e=KU1

=KUmsin(ωt)当励磁电压U1加在定子绕组上时，通过电磁耦合，在转子中产生感如果转子自垂直位置偏转了一个角度θ时，转子绕组中产生的感应电动势为e=KU1sinθ=KUmsin(ωt)sinθ通常采用的是正弦余弦旋转变压器，其定子和转子绕组中各有两个互相垂直的绕组。

如果转子自垂直位置偏转了一个角度θ时，转子绕组中产生的感应电如图是正弦余弦旋转变压器原理图

正弦余弦旋转变压器原理如图是正弦余弦旋转变压器原理图正弦余弦旋转变压器原理如果用两个相位差为90°的励磁电压U1

=Umsin(ωt)和U2

=Umcos(ωt)分别加在两个定子绕组上，则U1

和U2在转子绕组上产生的感应电动势分别为e1=KUmsin(ωt)sinθe2=KUmcos(ωt)cosθ应用迭加原理，转子绕组上总的感应电动势为e=e1+e2=KUmsin(ωt)sinθ+KUmcos(ωt)cosθ=KUmcos(ωt－θ)如果用两个相位差为90°的励磁电压U1=Umsin(ωt可见，转子绕组的感应电动势与转子的偏转角成正弦（或余弦）函数关系，只要检测出转子电动势的大小，即可测得转子转过的角度。可见，转子绕组的感应电动势与转子的偏转角成正弦（或余弦）函数光栅尺的维护光栅尺本身具有一定的防护措施，有的需要给尺盒里面通入洁净的气源，保持尺内气压大于外部气压，防止潮气进入，但限于现场的生产环境及机床本身的加工条件(如高压力的切削液等)，还是要做好防污、防振等维护工作。光栅尺的维护1.防污光栅尺由于直接安装于工作台和机床床身上，因此，极易受到冷却液的污染，从而造成信号丢失，影响位置控制精度。冷却液在使用过程中会产生轻微结晶，这种结晶会在扫描头上形成一层薄膜且透光性差，不易清