(同济大学本科制造装备) 数控机床的伺服系统及位置检测装置

第四章数控机床的伺服系统及位置检测装置第一节概述第二节伺服系统的位置检测装置一、光栅1、光栅的种类和工作原理光栅是一种光学元件。用于计量方面的光栅称为计量光栅，简称光栅。定义：等间隔排列的能透过〔或反射〕光线的细小狭缝称之为光栅。相邻的两条刻线之间的距离称为栅距ω,单位长度的刻线数目成为刻线密度。种类：根据所用光学原理不同分为透射光栅、反射光栅；根据测量对象不同分为直线光栅〔测量直线位移，呈尺状〕、回转光栅〔测量角位移，呈盘状〕。透射光栅透射光栅是利用透射光的原理，用光学玻璃或者白玻璃外表的感光材料涂层上，或在金属镀膜上做成光栅线纹〔采用各种工艺：刻腊、腐蚀、涂黑等〕。优点：光源可以采用垂直入射光，光电元件可以直接接收。因此，信号的幅度较大，且读数头〔位移-光-电转换器〕的结构简单。每毫米线纹数多，一般常用的黑-白光栅，刻线密度有10、25、50、100、200、250线/毫米。由于光栅本身的细分作用，使电子线路的复杂度减轻。反射光栅反射光栅是采用反射光的原理，在抛光的钢尺或不锈钢带的镜面上用照像腐蚀的工艺制造的，或者用钻石刀在镜面上直接刻划。特点：标尺光栅的线膨胀系数很容易做到与普通钢和铸铁一样，不会产生较大的温度误差。标尺光栅的安装、调试比较方便，不易碰碎，容易加长。为了使反射之后的莫尔条文反差较大，每毫米内线纹不易太大，目前常用的每毫米线纹数为4、10、25、40、50〔线/毫米〕。光栅位移检测装置的组成G1：长光栅〔又称标尺光栅〕，它固定在机床活动部件上，长度为工作台移动的全行程。G2：短光栅〔又称指示光栅〕，它安装在机床的固定部件〔读数头，即光电转换器〕上。ω：光栅线纹之间的距离，称为节距〔栅距〕。光源、光电元件、透镜等。2、莫尔条纹式光栅

〔1〕莫尔条纹的产生两块透射光栅叠置在一起而产生的图案，称之为莫尔条纹；确定光栅坐标系；产生莫尔条纹的根本装置。横向莫尔条纹产生标尺光栅和指示光栅具有相同的栅距ω，将指示光栅绕Y轴转过微小角度θ，并以平行光垂直照射标尺光栅时，可看见明暗交替、间隔相等的粗大条纹，这就是横向莫尔条纹。粗光栅莫尔条纹-挡光积分效应细光栅莫尔条纹-线纹衍射、干预2、莫尔条纹式光栅〔2〕莫尔条纹的重要特性平均效应：莫尔条纹是由光栅的大量刻线〔常达数百条〕共同形成，对光栅的刻线误差有平均作用，从而能在很大程度上消除短周期误差的影响，光栅的工作长度愈大，参加工作的刻线愈多，这一作用就愈显著。对应关系〔莫尔条纹的移动规律〕：莫尔条纹的移动与光栅栅距ω之间的移动形成一一对应关系。放大作用：ｗ=ω/sinθ≈ω/θ(当θ足够小时)ｗ/ω=1/θ莫尔条纹的间距可以通过改变θ的大小来调整，减少θ可增大ｗ，使ｗ>>ω，起到放大作用。利用光的干预现象，无需复杂的光学系统，就能将光栅的栅距放大，从而大大减轻了电子线路的负担。当θ→0，ｗ→∝时，不能同时看到亮带和暗带，移动光栅时，透过光栅的光只能作明暗交替的变化，这是莫尔条纹的特殊情况，称为光闸莫尔条纹〔无限宽莫尔条纹〕，按这种原理制成的光栅检测元件，称为光电脉冲发生器。2、莫尔条纹式光栅〔3〕光电转换光栅读数头光栅的输出信号波形光栅读数头光栅的输出信号波形

光栅的输出信号波形结论:输出电压的大小反映了光栅瞬时位移的大小，实现了光电转换。2、莫尔条纹式光栅

〔4〕辨向2、莫尔条纹式光栅〔