数控机床控制技术基础第6章

第6章位置检测装置

一、概述

（一）位置检测装置的作用

位置检测装置是数控机床伺服系统的重要组成部分。它的作用是检测位移和速度，发送反馈信号，构成闭环或半闭环控制。这些检测装置包括旋转变压器、感应同步器、脉冲编码器、光栅、磁栅等。

（二）伺服系统对位置检测装置的要求

数控机床的加工精度主要由检测系统的精度保证。位移检测系统能够测量的最小位移量称做分辨力。分辨力不仅取决于检测元件本身，也取决于测量线路。数控机床对检测元件的主要要求有：

1、高的可靠性和高抗干扰性。

2、满足精度与速度的要求。

3、使用维护方便，适合机床运行环境。

4、成本低根据位置检测装置安装形式和测量方式，有直接测量和间接测量、增量式测量和绝对式测量等方式。1、直接测量和间接测量在数控机床中，位置检测的对象有工作台的直线位移及回转工作台的角位移等，与此相对应的有直线式和旋转式检测装置。直接测量是指所测量对象就是所需被测量对象本身的测量方法。典型的直线位置测量装置有光栅、感应同步器和磁栅等，旋转位置检测装置有旋转编码器等。用直线式检测装置可直接反映工作台的直线位移量，但检测装置要和行程等长。直接测量组成位置闭环伺服系统，位置精度由检测装置精度决定。间接测量是指测量某个物理量后再换算出所需物理量的测量方法。如可测量机床丝杠的转角，然后计算出工作台的位移。间接测量组成位置半闭环伺服系统，位置精度取决于检测装置和机床传动链两者的精度，但间接测量无长度限制。（三）位置检测装置的测量方式2、增量式测量和绝对式测量增量式测量是指测量位移增量的测量方法，即工作台每移动一个基本单位长度，检测装置便发出一个测量信号，此信号通常是脉冲形式，这样，一个脉冲所产生的位移量就是分辨力，而通过对脉冲计数便得到位移量。绝对式测量是指被测的任一点的位置都从一个固定的零点算起的测量方法，每一被测点都有一个对应的编码，常以二进制数据形式表示。3、数字式测量和模拟式测量数字式测量是指以量化后的数字形式表示被测量的测量方法，得到的测量信号是脉冲形式，以计数后得到的脉冲个数表示位移量。数字式测量的信号抗干扰能力强、且便于显示处理。模拟式测量是将被测量用连续的变量来表示的测量方法，如电压变化、相位变化等。二、光栅

1、直线光栅（也叫长光栅）（1）玻璃透射光栅透射光栅的特点是：①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，读数头结构比较简单；②每毫米上的线纹数多，一般常用的光栅可做到每毫米100条线，再经过电路细分，可做到微米级的分辨力。(2)金属反射光栅金属放射光栅的特点是：①标尺光栅的线膨胀系数很容易做到与机床材料一致；②标尺光栅的安装和调整比较方便；③安装面积较小；④易于接长或制成整根的钢带长光栅；⑤不易碰碎。2、圆光栅它是在玻璃圆盘的外环端面上制作出黑白间隔条纹，根据不同的使用要求在圆周内线纹数也不相同。

（一）光栅的分类以下以透射光栅为例介绍光栅的组成工作原理。光栅通常两块光栅尺组成，其中长的一块称为主光栅或标尺光栅，要求与行程等长，短的一块称为指示光栅。光栅尺上相邻的两条光栅线纹间的距离称为栅距或节距ω，每毫米长度上的线纹数称为线密度K，栅距与线密度互为倒数，即ω=1/K。安装时，标尺光栅与指示光栅间留有很小的间隙（约为0.05~0.1mm），并且其线纹相互偏斜一个很小的角度θ，两光栅线纹相交处，由于不透光，就会出现黑色条纹，称为莫尔条纹。莫尔条纹间的距离称为纹距W，如果栅距为ω，则有近似公式W=ω/θ，当工作台正向或反向移动一个栅距ω时，莫尔条纹向上或向下移动一个纹距，如图所示，然后由光电元件接受经狭缝和透镜产生的莫尔条纹，从而产生电信号。（二）光栅的组成和工作原理光栅的莫尔条纹具有如下特点：1、起放大作作用从公式W=ω/θ可以看出，由于θ角度非常小，因此莫尔条纹的纹距W要比栅距ω大得多，这样，虽然光栅栅距很小，但莫尔条纹却清晰可见，便于测量。2、莫尔条纹的移动与栅距成比例当标尺光栅移动时，莫尔条纹就沿着垂直于光栅运动的方向移动，并且光栅每移动一个栅距ω，莫尔条纹就准确地移动一个纹距，只要测量出莫尔条纹的数目，就可以知道光栅移动了多少个栅距，从而可计算出工作台的移动距离。莫尔条纹的移动方向反映了标尺光栅（工作台）的运动方向。图6.2分光读数头原理图

图6.4玻璃透射光栅示意图图6.6反射射读数头工作原理图

在光栅测系统中，通常把光源、指示光栅和光电元件组合在一起，称为读数头。读数头的结构形式很多，但就其光路来看可以分为分光读数头、垂直入射读数头和反射读数头。

1、分光读数头它的原理如图6.2所示，光源Q发出的光，经过透镜L1变成平行光，照射到标尺光栅G1和指示光栅G2上，由透镜L2把在指示光栅G2上形成的莫尔条纹聚焦，由安装在焦面上光电元件P来接收莫尔条纹的明暗变化。这种光学系统是莫尔条纹光学系统的基本型。这种分读数头，刻线截面为锯齿形，其倾角Q是根据光栅材料的折射率与入射光的波长确定。

2、垂直入射读数头它的原理如图6.4所示。从光源Q经透镜L使光束垂直照射到标尺光栅G1，然后通过指示光栅G2由光电元件P接收。两块光栅的距离t是根据有效光波的波长λ和栅距ω来选择，即t=ω2/λ。这种读数头主要应用于每毫米25~125线的玻璃透射光栅系统。

3、反射读数头它的原理如图6.6所示。经透镜L1将光源Q变成平行光，并以对光栅法面为β的入射角（一般为30°）投影到指示光栅G1的反射面上。反射回来的光束先通过指示光栅G2形成莫尔条纹，然后经透镜L2由光电元件P接收信号。这种读数头主要用于每毫米25~50线以下的反射系统。

（三）光栅测量系统在数控机床上可以用直线光栅测量工作台的位移，并组成位置闭环伺服系统。图6.7为数控车床上的安装示意图。1、安装基面安装光栅线位移传感器时，不能直接将传感器安装在粗糙不平的机床身上，更不能安装在打底涂漆的机床身上。2、主尺安装将光栅主尺用螺钉上在机床安装的工作台安装面上

4、限位装置

光栅线位移传感器全部安装完以后，一定要在机床导轨上安装限位装置，以免机床加工产品移动时读数头冲撞到主尺两端，从而损坏光栅尺。3、读数头的安装

在安装读数头时，首先应保证读数头的基面达到安装要求，然后再安装读数头，其安装方法与主尺相似。

5、检查光栅传感器应附带加装护罩，护罩的设计是按照光栅传感器的外形截面放大留一定的空间尺寸确定，护罩通常采用橡皮密封，使其具备一定的防水防油能力。图6.7安装示意图（卸掉防护罩后）1-床身2-标尺光栅3-读数头4-滚珠丝杠螺母副5-床鞍

（四）光栅的安装三、脉冲编码器旋转编码器是一种用来测量转角的测量装置，有增量式和绝对式两种类型。常用的增量式旋转编码器为增量式光电编码器。光电编码器由LED（带聚光镜的发光二极管）、光栏板、光敏码盘、光敏元件及信号处理电路组成。其中，光电码盘是通常把一块玻璃圆盘制成圆周等距的透光与不透光相间的条纹，光栏板上具有和光码盘上相同的透光与不透光条纹。码盘也可以由不锈钢薄片制成。当光电码盘旋转时，光线通过光栏板和光码盘产生明暗相间的变化，由光敏元件接收。光敏元件将光信号转换成电脉冲信号。光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度（分辨角α），很显然这与码盘圆周的条纹数有关。（一）增量式编码器绝对式旋转编码器每一个角度位置均有对应的测量代码，因此这种测量方式具有断电记忆能力。它有接触式和光电式两种形式。

1、接触式码盘

图6.9所示为接触式码盘示意图。图6.9接触式码盘（a）结构简图（b）4位BCD码盘(c)4位格雷码盘图6.10绝对式光电码盘它在一个不导电基体上做成许多金属区导电区（图中涂黑部分），用“1”表示，其他部分为绝缘区，用“0”表示。最里面一个圈是公用的，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。若是n位二进制码盘，就有n圈码道，且圆周均为等份，即共有个数据来分别表示其不同位置，所能分辨的角度为。2、绝对式光电码盘绝对式光电码盘和接触式码盘不同，黑白区域不再表示导电区和绝缘区，而是表示透光区或不透光区。其中黑的区域指不透光区，用“0”表示；白的区域指透光区，用“1”表示。在每一码道上装的不是电刷，而是一组光电元件，这样，光电元件受光时输出为“1”电平，不受光时输出为“0”电平，由此组成n位二进制编码。图6.10为8码道光电码盘示意图。（二）绝对值式编码器四、感应同步器

感应同步器种类较多，但大体可分为直线类与旋转类两种类别。其中直线类又可分为标准型、窄型、带型和三速式等多种型式。旋转式类按其直径与极对数的不同，又可分为多种型号。旋转式用于角度测量，直线式用于长度测量。感应同步器是一种电磁式的位置检测传感器。主要部件包括定尺和滑尺。定尺和滑尺做相对移动的两个部件上，两者平行放置，保持0.2~0.3mm间隙。定尺和滑尺的基板采用与机床床身的热胀系数相近的材料，上面有用光学腐蚀方法制成的铜箔电路绕组，铜箔与基板之间有一层极薄的绝缘层。在定尺的铜绕组上面涂一层耐腐蚀的绝缘层，以保护尺面。在滑尺的绕组上面用绝缘粘接剂粘贴一层铝箔，以防静电感应。（一）感应同步器的结构、分类图6.13感应同步器工作原理简图二

图6.12感应同步器工作原理简图一

如图6.12所示。定尺上是单向均匀连续感应绕组，尺长一般为250mm，绕组的节距为通常为2mm（亦即极距）。滑尺上有二组激磁绕组，正弦励磁绕组和余弦励磁绕组。当正弦励磁绕组的线圈和定尺对准时，余弦励磁绕组的线圈与定尺相差2τ距离。由于定尺绕组是均匀的，故滑尺上的两个绕组在空间位置上相差1/4节距，即90°相位角。滑尺与定尺互相平行，并保持一定的距离，当向滑尺上的绕组通以交流激磁电压时，激磁信号在空间将产生一个和电压同角频率的磁场。磁场切割定尺导片，由于电磁感应，在定尺绕组上产生感应电压，当定尺与滑尺的绕组重合时，如图6.13中A点所示，这时感应电压最大。B点感应电压为零，C点感应电压值与A点位置相同但极性相反，D点感应电压又变为零，当移动到一个极距时即图中E点位置时，情况和A点位置相同，这样在滑尺移动一个节距的过程中感应电压变化了一个余弦波形。感应同步器就是利用这个感应电压的变化进行位置检测的。根据不同的激磁供电方式，感应同步器的工作状态可分为相位工作状态和幅值工作状态。（二）感应同步器的工作原理和信号处理方式1、相位工作状态

当感应同步器工作在相位工作状态时，给滑尺的两个绕组供给的交流电是频率和幅值相同，但相位差为90°交流电，即：（正弦绕组）（余弦绕组）其中Um为励磁电压幅值。若起始时，正弦绕组与定尺的感应绕组重合。首先考虑单独给正弦绕组供电的情况。当滑尺移动时，则在定尺上产生的感应电压为式中K—耦合系数；θ—滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角。同理再考虑单独给余弦绕组供电的情况，由于它和定尺绕组相差1/4节距，在定尺上的感应电压为：可以应用迭加原理，定尺上感应总电压为：从上式可见，定尺感应总电压的相位值和滑尺的位移值有严格的关系，所以可以通过鉴别定尺感应电势的相位即可测得滑尺和定尺的相对移动。2、幅值工作状态

当感应同步器工作在幅值工作状态下时，给滑尺的两个绕组供给的交流电是相位和频率都一致，但幅值不同的交流电，即：

其中θ1——电气设定角与相位工作状态的情况相同，在定尺上感应电压为：令，当很小时，则因为所以

由此可见，当很小时的幅值与成正比，故可通过测量的幅值即可测定的大小。

1、感应同步器的特点

（1）精度高（2）测量长度不受限制（3）对环境的适应性强（4）维护简单、寿命长（5）抗扰能力强、工艺性好、成本较低，便于复制和成批生产。

2、感应同步器安装是使用的注意事项（1）感应同步器在安装时必须保持两尺平行、两平面间的间隙约为0.25mm，倾斜度小于0.5°，装配面波纹度在0.01mm/250mm以内。滑尺移动时，晃动的间隙及不平行度误差的变化小于0.1mm。（2）感应同步器大多数在容易被切屑及切屑液浸入的地方，所以必须加以防护，否则切屑夹在间隙内，会使滑尺和定尺的绕组刮伤或短路，使装置发生误动作及损坏。（3）同步回路中的阻抗和激磁电压不对称以及激磁电流失真度超过2%，将对检测精度产生很大的影响，因此在调整系统时，应加以注意。（4）由于感应同步器感应电势低，阻抗低，所以应加强屏蔽以防干扰。（三）感应同步器的使用五、旋转变压器

旋转变压器也是数控机床常用的检测元件。它属于旋转类型检测元件。旋转变压器分为有刷和无刷两种。无刷旋转变压器的结构如图6.14所示。它由两大部分组成：一部分叫做分解器，由定子和转子组成；另一部分称为变压器，用它取代电刷和滑环，其一次绕组绕与分解器转子轴固定在一起，二次绕组固定在旋转变压器的壳体上。图6.14无刷旋转变压器结构图图6.15旋转变压器的工作原理图旋转变压器和感应同步器的工作原理是一样的。是根据互感原理工作的（见图6.15所示）。当定子绕组加上交流激磁电压时，通过互感在转子绕组中产生感应电动势，其输出电压的大小取决于定子与转子两个绕组轴线在空间的相对位置。（一）旋转变压器的工作原理同感应同步器一样，定子绕组通入不同的励磁电压，可得到两种工作方式。

1、相位工作方式在转子中的感应电压可以看出，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。由于旋转变压器的转子是和被测轴联接在一起，因此只要检测出转子输出电压的相位角，就可知道被测轴的角位移。

2、幅值工作方式

给定子的正、余弦绕组分别通以同频率、同相位，但幅值不同的交流励磁电压。在转子中的感应电压可以看出，转子感应电压的幅值随转子的偏转角而变化，测量出幅值即可要求得偏转角，从而获得被测轴的角位移。给定子的正、余弦绕组分别通