第五章位置检测装置

机械工程学院第五章位置检测装置内容提要本章将详细讨论进给伺服系统的各种位置反馈元件——位置检测装置。机械工程学院

进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说CNC装置是数控系统的“大脑”，是发布“命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则是数控系统的“四肢”，是一种“执行机构”。它忠实地执行由CNC装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。而位置检测装置则是CNC系统的“五官”。机械工程学院第6章位置检测装置一、检测概述

位置检测装置的作用是接受CNC装置发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路(如速度控制单元)作一定的转换和放大后，经伺服驱动装置，驱动工作台运动，同时由位移传感器检测执行机构的实际位置，并反馈给CNC装置，实现闭环驱动，使机床进给部件的位置速度得到准确控制。第一节概述机械工程学院实际速度反馈位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元+-机械执行部件CNC插补指令+-电机驱动元件(电机)检测与反馈单元位置检测装置机械工程学院二、检测元件的作用与分类1、作用：

实时测量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，将运动部件现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。它是闭环、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测装置。机械工程学院

数控机床对检测元件的要求：①高可靠性和高抗干扰性：②受温度、湿度的影响小，工作可靠，精度保持性好，抗干扰能力强；③能满足精度和速度的要求：④检测元件分辨率应高于数控机床的分辨率（一个数量级）；⑤检测元件最高允许的检测速度应高于数控机床的最高运行速度。⑥使用维护方便，适应机床工作环境；⑦成本低。通常，检测装置的检测精度为分辨率为能满足机床工作台以的速度移动。

数控机床对检测元件的要求机械工程学院四、位置检测装置的分类按输出信号的形式分类：数字式和模拟式按测量基点的类型分类：增量式和绝对式按位置检测元件的运动形式分类：回转型和直线型机械工程学院常用位置检测装置分类表机械工程学院第二节旋转变压器

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图5﹒1旋转变压器结构示意

1-转轴2-轴承3-机壳4-转子铁心5-定子铁心

6-端盖7-电刷8-集电环

机械工程学院旋转变压器结构定子转子S1R1S2S3S4R2R3R4机械工程学院工作原理：

当激磁电压U1加到定子绕组时，通过电磁耦合，转子绕组中将产生感生电压，由于转子是可以旋转的，当转子绕组磁轴转到与定子绕组磁轴垂直时，如图（a）所示，激磁磁通不穿过转子绕组的横截面，因此，感应电压U2为0。当转子绕组磁轴自垂直位置转过任意角度时，转子绕组的产生的感应电压U2为：

机械工程学院机械工程学院第三节感应同步器

感应同步器的结构及分类结构：二尺与导轨平行sincos节距2τ（2mm）节距（0.5mm）定尺（连续感应绕组）：固定在机床的固定部件滑尺（分段励磁绕组：正弦+余弦）：固定在移动部件0.15~0.35mm定尺和滑尺的基板采用与机床床身材料热膨胀系数相近的钢板制成。经精密的照相腐蚀工艺制成印刷绕组。再在尺子的表面上涂一层保护层。滑尺的表面有时还贴上一层带绝缘的铝箔，以防静电感应。机械工程学院机械工程学院感应同步器特点（1）精度高。感应同步器直接对机床工作台的位移进行测量，其测量精度只受本身精度限制。另外，定尺的节距误差有平均补偿作用，定尺本身的精度能做得很高，其精度可以达到±0.001mm，重复精度可达0.002mm。（2）工作可靠，抗干扰能力强。在感应同步器绕组的每个周期内，测量信号与绝对位置有一一对应的单值关系，不受干扰的影响。（3）维护简单，寿命长。定尺和滑尺之间无接触磨损，在机床上安装简单。使用时需要加防护罩，防止切屑进入定尺和滑尺之间划伤导片以及灰尘、油雾的影响。（4）测量距离长。可以根据测量长度需要，将多块定尺拼接成所需要的长度，就可测量长距离位移，机床移动基本上不受限制。适合于大、中型数控机床。（5）成本低，易于生产。（6）与旋转变压器相比，感应同步器的输出信号比较微弱，需要一个放大倍数很高的前置放大器。机械工程学院

感应同步器的工作原理

感应同步器是利用励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化，借以进行位移量的检测。感应同步器滑尺上的绕组是励磁绕组，定尺上的绕组是感应绕组。精度高可达1um，分辨率可达0.05um，重复精度0.2um。测量位移范围大，广泛用于数控机床、雷达天线定位跟踪等。机械工程学院感应同步器的工作原理机械工程学院

感应同步器的信号处理原理滑尺正旋绕组上加激磁电压Us后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为：

Uos=KUScosθ滑尺余旋绕组上加激磁电压Uc后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为：

Uoc=KUccos（θ+π/2）

=－KUcsinθ机械工程学院滑尺正、余旋绕组上同时加激磁电压Us、Uc时，感应同步器的磁路可是为线性的，根据叠加原理，则与之相耦合的定尺绕组上的总感应电压为：

Uo=Uos+Uos=KUScosθ－KUcsinθK—电磁感应系数

θ1—定尺绕组上的感应电压的相位角机械工程学院

滑尺与定尺相对位移量x的求取：∵2τ:2π=x:θ∴x=τθ／π结论：相对位移量x与相位角θ

呈线性关系，只要能测出相位角θ

，就可求得位移量x。根据滑尺正、余旋绕组上激磁电压Us、Uc供电方式的不同可构成不同检测系统——-鉴相型系统和鉴幅型系统。机械工程学院

鉴相型系统的工作原理在鉴相型系统中，激磁电压是频率、幅值相同，相位差为π/2的交变电压：

US=UmsinωtUC=Umcosωt则：Uo=Uos+Uos=KUScosθ－KUcsinθ

=KUmsinωtcosθ－KUmcosωt

sinθ

=KUmsin（ωt－θ）结论：只要能测出Uo与US相位差θ就可求得滑尺与定尺相对位移量x

。

数控机床的闭环系统采用鉴相系统时，指令信号的相位角θ1由数控装置发出，由θ和θ1的差值控制数控机床的伺服驱动机构。当定尺和滑尺之间产生了相对运动，则定尺上的感应电压的相位发生了变化，其值为θ。当θ≠θ1时，使机床伺服系统带动机床工作台移动。当滑尺与定尺的相对位置达到指令要求值时，即θ=θ1，工作台停止移动。机械工程学院

鉴幅型系统的工作原理

在鉴幅型系统中，激磁电压是频率、相位相同，幅值不同的交变电压：

US=Umsinθ2sinωtUC=Umcosθ2sinωt

θ2=πx2

／τ（x2是指令位移值）

Uo=Uos+Uos=KUScosθ－KUcsinθ

=KUmsinθ2cosθsinωt－KUmcosθ2sinωtsinθ=KUmsin（θ2－θ）sinωt结论：只要能测出Uo与UC相位差θ

，就可求得滑尺与定尺相对位移量x。机械工程学院几点说明感应同步器的测量周期为其绕组的节距2τ（2mm）。感应同步器的测量精度取决于测量电路对输出感应电压的细分精度。现在商品化的感应同步器的输出大多是脉冲量，使其能方便地采用现代的数字处理技术。机械工程学院6.感应同步器的特点及使用注意事项

特点精度高：平均自补偿特性；对环境的适应能力强：抗湿、温度、热变形影响的能力强；维护简单、寿命长：非接触测量，无磨损，精度保持性好。机械工程学院测量距离长：通过接长可满足大行程测量的要求。…………………………串联方式n<10串并联方式n≥10机械工程学院

使用注意事项

在安装方面：保证安装精度（安装面的精度、定尺与滑尺的相对位置精度、接缝的调整精度）加装防护装置（避免切屑、油污、灰尘的影响）在电气方面：要保证激磁电压波形的对称性和保真性。对鉴相系统：激磁电压的幅值、频率相等；相位差900对鉴幅系统：对Umsinθ2、Umcosθ2调制的精确性当失真度大于2%时，将严重影响测量精度。机械工程学院第四节光栅

光栅的分类：物理光栅和计量光栅光栅的运动方式：长光栅和圆光栅光线的走向：透射光栅和反射光栅机械工程学院1.长光栅检测装置的结构

一、长光栅检测装置的结构

光栅的结构

1-防护垫2-光栅读数头

3-标尺光栅

4-防护罩

VS312431245标尺光栅光栅读数头

1-光源

2-准直镜

3-指示光栅

4-光敏元件5-驱动线路

主要结构为标尺光栅（长光栅、移动光栅）和指示光栅（短光栅、固定光栅）栅距和栅距角（两个光栅错开的角度）机械工程学院2.工作原理（以透射投影为例）

——莫尔条纹形成的原理横向莫尔条纹的斜率莫尔条纹间距莫尔条纹的宽度BH由光栅常数与光栅夹角决定机械工程学院莫尔条纹性质：在平行光照射下，透过莫尔条纹的光强度分布近似于余弦函数；放大作用：B=W/sinθ

当θ很小时,B=W/θ平均效应：莫尔条纹是由若干条线纹共同干涉形成的，对个别光栅线纹之间的误差具有平均效应，能消除栅距不均匀所造成的影响；移动规律：光栅相对移动一个W，莫尔条纹移动一个B，当光栅移动方向变化时，莫尔条纹的移动方向也变化。机械工程学院根据上述莫尔条纹的特性，假设在莫尔条纹移动的方向上开4个观察窗口A，B，C，D，且使这4个窗口两两相距1／4莫尔条纹宽度，即B／4。由上述讨论可知，当两光栅尺相对移动时，莫尔条纹随之移动，从4个观察窗口A，B，C，D可以得到4个在相位上依次超前或滞后(取决于两光栅尺相对移动的方向)1／4周期(即π／2)的近似于余弦函数的光强度变化过程。若采用光敏元件来检测，光敏元件把透过观察窗口的光强度变化转换成相应的电压信号设为根据这4个电压信号，可以检测出光栅尺的相对移动。机械工程学院光栅的工作原理1.位移大小的检测

W→B，当x<d时，可由VA

、VB

、VC

、VD余弦函数，计算出x。2.位移方向的检测

VA

、VB的相位关系可判断出x的移动方向。3.速度的检测

VA

、VB

、VC

、VD的变化频率可以推断出两光栅尺的相对位移速度。机械工程学院第五节编码器脉冲编码器又称码盘，是一种回转式数字测量元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。根据内部结构和检测方式码盘可分为接触式、光电式和电磁式3种。其中，光电码盘在数控机床上应用较多，而由霍尔效应构成的电磁码盘则可用作速度检测元件。另外，它还可分为绝对式和增量式两种。机械工程学院.增量脉冲编码器

结构及工作原理信号处理装置abz码盘基片透镜光源光敏元件透光狭缝光欄板节距τm+τ/4机械工程学院机械工程学院检测光栅上刻有A、B两组与码盘相对应的透光缝隙，用以通过或阻挡光源和光电检测器件之间的光线。它们的节距和码盘上的节距相等，并且两组透光缝隙错开1/4节距，使得光电检测器件输出的信号在相位上相差90°电度角。“一转脉冲”，称为Z相脉冲，每转产生一个，用来产生机床的基准点。机械工程学院

光电码盘随被测轴一起转动，在光源的照射下，透过光电码盘和光欄板形成忽明忽暗的光信号，光敏元件把此光信号转换成电信号，通过信号处理装置的整形、放大等处理后输出。输出的波形有六路：

其中，是的取反信号。AB90°Z……码盘转一圈机械工程学院

输出信号的作用及其处理A、B两相的作用根据脉冲的数目可得出被测轴的角位移；根据脉冲的频率可得被测轴的转速；根据A、B两相的相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方向。后续电路可利用A、B两相的90°相位差进行细分处理（四倍频电路实现）。ABCP90O机械工程学院

增量式码盘的规格及分辨率

规格增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数；现在市场上提供的规格从36线/转到10万线

/转都有；数控机床上常用的脉冲编码器每转的脉冲数有：2000p/r、2500p/r和3000p/r等。在高速、高精度的数字伺服系统中，应用高分辨率的脉冲编码器，如：20000p/r、25000p/r和30000p/r等。选择：①伺服系统要求的分辨率；②考虑机械传动系统的参数。分辨率（分辨角）α设增量式码盘的规格为n线/转：机械工程学院.绝对式编码器

结构和工作原理码盘基片上有多圈码道，且每码道的刻线数相等；对应每圈都有光电传感器；输出信号的路数与码盘圈数成正比；检测信号按某种规律编码输出，故可测得被测轴的周向绝对位置。01011110011001111000100110101011110011110000000100100011010023222120机械工程学院

绝对编码盘的编码方式及特点二进制编码：特点：编码循序与位置循序相一致，但可能产生非单值性误差。误差分析：扇区边界读数时会出现两个以上不同数字输出——读数模糊现象。0101