数控机床位置检测装置

数控机床位置检测装置第1页，共62页，2023年，2月20日，星期五第一节

对数控机床位置检测装置的要求数控装置检测装置机床传动装置伺服系统第2页，共62页，2023年，2月20日，星期五伺服系统是机床的驱动部分，计算机输出的控制信息通过伺服系统和传动装置变成机床运动。位置检测装置是数控机床伺服系统的重要组成部分，其作用是检测位移和速度，发送反馈信号，并与数控装置发出的指令信号比较，若有偏差，则经过放大后控制执行部件向着消除偏差的方向运动，直至偏差为零。

第3页，共62页，2023年，2月20日，星期五一开环系统、半闭环系统、闭环系统1开环系统步距角：对应每一个指令脉冲，步进电机转过的角度。脉冲当量：对应每一个指令脉冲工作台移动的距离。那么，工作台相对刀具移动距离=脉冲当量*指令脉冲数具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，没有位置测量装置，开环系统的加工精度不高。第4页，共62页，2023年，2月20日，星期五一开环系统、半闭环系统、闭环系统2半闭环系统半闭环系统的检测装置安装到驱动装置(常用伺服电机)或丝杠的尾部。半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。伺服电机到工作台之间传动装置这块的误差没有得到补偿，因此半闭环系统的精度不如闭环系统的高。它的优点是结构简单，造价低，安装、调试与维修都很方便，精度也较高。第5页，共62页，2023年，2月20日，星期五一开环系统、半闭环系统、闭环系统3闭环系统闭环系统的检测装置安装到带动刀具或工件移动的部件上，如支撑导轨和移动导轨上，它直接检测的是刀具相对于工件移动的距离，因此它的加工精度较高。由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都有一定困难。且测量元件一般安装到工作台上，测量元件应与导轨等长，这造成测量元件造价较高，使用维护较困难。第6页，共62页，2023年，2月20日，星期五二数控机床对检测装置的要求(1)满足数控机床的精度和速度要求

从精度上讲某些数控机床的定位精度已达到±0.0015mm／300m一般数控机床精度要求在±0.002~0.01mm／m之间测量系统的分辨率在0.001~0.0001mm之间从速度上讲进给速度已从10~30m／min提高到60~120m／min主轴转速也达到10000r／min，有些高达100000r/min因此要求检测装置必须满足数控机床高精度和高速度的要求。第7页，共62页，2023年，2月20日，星期五二数控机床对检测装置的要求

(2)工作可靠

有较强的抗干扰能力，外界温湿度的变化对测量结果的影响要小。

(3)便于安装和维护

测量装置有一定的安装精度要求，安装精度要合理。考虑到检测装置的使用环境，整个检测装置要求有较好的防尘、防油雾、防切屑等措施。第8页，共62页，2023年，2月20日，星期五三检测装置的常用类型分类光电式电磁式增量式绝对式增量式绝对式回转式光电编码器圆光栅编码盘旋转变压器圆盘感应同步器多极旋转变压器三速圆感应同步器直线式计量光栅编码尺多通道透射光栅直线感应同步器三速感应同步器表常用测量装置类型第9页，共62页，2023年，2月20日，星期五三检测装置的常用类型（1）增量式原理：被测物体每移动一个测量单位，测量装置发出一个脉冲信号，对脉冲计数并处理就可得到一个位移的增量值。任何一个对中点都可作为测量的起点。优点：检测装置结构简单，能做到较高精度缺点：由于测量装置输出的是脉冲，只能反应有没有移动，不能表示移动方向，因此必须有方向判别电路判别移动方向一旦计数有误，此后结果全错若发生故障(如断电、断刀等)，事故排除后再也找不到正确位置第10页，共62页，2023年，2月20日，星期五三检测装置的常用类型（2）绝对式原理：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优点：测量装置的输出能够代表移动件当前的实际位置(坐标值)，移动的方向靠当前值和历史记忆取得，后续处理方便缺点：结构复杂、制作精度没有增量式的高第11页，共62页，2023年，2月20日，星期五三检测装置的常用类型1．数字式测量和模拟式测量

数字式测量是将被测量单位量化以后用数字形式来表示的。数字测量的输出信号一般是电脉冲，可以把它直接送到数控装置(计算机)进行比较、处理。光栅位移测量装置就是典型的检测装置。数字式测量的特点是：（1）被测量转化成脉冲个数，便于显示和处理；（2)测量精度取决于测量单位，与量程基本无关(当然也有积累误差)；（3)测量装置比较简单，抗干扰能力强。第12页，共62页，2023年，2月20日，星期五

模拟式测量是将被测量用连续的变量(如相位变化、电压幅值变化)来表示的。在数控机床上，模拟式测量主要用于小量程的测量，例如感应同步器的一个线距内的信号相位变化等。模拟式测量的特点是：（1)直接测量被测量，无须变换；（2)在小量程内可以实现高精度测量，如旋转变压器、感应同步器等第13页，共62页，2023年，2月20日，星期五第二节增量式光电编码器和绝对式编码盘第14页，共62页，2023年，2月20日，星期五一增量式编码器1234576第15页，共62页，2023年，2月20日，星期五第16页，共62页，2023年，2月20日，星期五一增量式光电编码器工作原理

增量式光电编码器工作原理图第17页，共62页，2023年，2月20日，星期五光电脉冲编码器的工作原理当圆光栅旋转时，光线透过两个光栅的线纹部分，形成明暗相间的条纹。光敏元件接收这些明暗相间的光信号，并转换为交替变化的电信号。该信号为两组近似于正弦波的电流信号A和B，A信号和B信号相位相差90°，经过放大和整形变成方波，如图所示。通过两个光栅的信号，还有一个“一转脉冲”(一转发出一个脉冲)，称为Z相脉冲，该脉冲也是通过上述处理得来的。Z相脉冲用来产生机床的基准点，该脉冲以差动形式Z和(Z的反相)输出。从图可看出，根据信号A和信号B的发生顺序，即可判断光电编码器轴的正反转。若A相超前于B相，则为正转；若B相超前于A相，则为反转。数控系统正是利用这一相位关系来判断方向的。

第18页，共62页，2023年，2月20日，星期五在光电编码器的里圈还有一条透光条纹Ｃ，每转产生一个零位脉冲信号。在进给电动机所用的光电编码器上，零位脉冲用于精确确定机床的参考点，而在主轴电动机上，则可用于主轴准停以及螺纹加工等。第19页，共62页，2023年，2月20日，星期五第20页，共62页，2023年，2月20日，星期五第21页，共62页，2023年，2月20日，星期五一增量式光电编码器光电输出波形和信号处理线路的方块图第22页，共62页，2023年，2月20日，星期五一增量式光电编码器2位置和转速测量（1）位置测量第23页，共62页，2023年，2月20日，星期五增量式编码器转角

测量电路原理图

第24页，共62页，2023年，2月20日，星期五一增量式光电编码器（2）转速测量脉冲频率法：在给定时间t内，对编码器的脉冲进行计数，得一数值N1，设脉冲编码器的每转输出脉冲为N，则转速

n=（N1/N）*（60/t）r/min第25页，共62页，2023年，2月20日，星期五一增量式光电编码器脉冲周期法：在编码器一个脉冲间隔内，对通过的标准时钟脉冲进行计数，得一数值N2，设脉冲编码器的每转输出脉冲为N，T为标准时钟脉冲周期，则转速

n=60/（2N2N

T）r/min第26页，共62页，2023年，2月20日，星期五二编码盘测量装置码盘角分辨率θ=360°/2nC4C3C2C1二进制码盘葛莱码盘第27页，共62页，2023年，2月20日，星期五二编码盘测量装置工作原理：黑的部分为导电部分表示1，白的部分为绝缘部分表示0，四个码道都装有电刷，最里一圈是公共极。由于四个码道产生四位二进制数，码盘每转一周产生0000~1111十六个二进制数，编码代表实际角位移，知道了编码就知道了角位移。图6-7接触式码盘结构及工作原理第28页，共62页，2023年，2月20日，星期五第三节光栅测量装置按光路分反射光栅和透射光栅反射光栅：优点：膨胀系数与机床材料一致，安装调整方便，可用钢带做成长达数米的长光栅，适于大位移测量的场合缺点：为了使反射后的莫尔条纹反差较大，每mm内线纹不宜过多，常用的有4、10、25、40、50线/mm透射光栅：优点：光电元件直接接受光照，信号幅值大，信噪比好，光电转换器结构简单，如线性密度200线/mm缺点：玻璃易破裂，膨胀系数与机床材料不一致，影响测量精度，测量长度在2m以内

第29页，共62页，2023年，2月20日，星期五第三节光栅测量装置按其结构形式分为长光栅和圆光栅长光栅：测量直线位移圆光栅：测量角位移按线纹密度分粗光栅和细光栅第30页，共62页，2023年，2月20日，星期五一光栅测量的工作原理光栅测量1-标尺光栅2-指示光栅3-光电接收器4-光源莫尔条纹示意图

W≈P/θ

第31页，共62页，2023年，2月20日，星期五在光源的照射下，交叉点附近的区域内黑线重叠，透明区域变大，挡光效应最弱，透光的累积使该区域出现亮带；而距交叉点越远的区域，两光栅不透明黑线的重叠部分越少，黑线的挡光效应增强，该区域出现暗带。这种明暗相间与光栅线纹几乎垂直的条纹称为莫尔条纹。莫尔条纹具有以下特点：（1）放大作用。当两光栅尺线纹之间的夹角θ很小时，莫尔条纹的节距W和栅距P之间的关系为第32页，共62页，2023年，2月20日，星期五(2)平均效应。莫尔条纹由许多明暗相间的条纹组成，如100条／mm的光栅，10mm宽的莫尔条纹就由1000条线纹组成，这样对个别线纹的间距误差就不敏感，这在很大程度上消除了栅距刻制不均匀造成的误差。

(3)信息变换作用。莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例。当光栅向左或向右移动一个栅距P时，莫尔条纹也相应地向上或向下准确地移动一个节距W。根据光栅栅距的位移和莫尔条纹位移的对应关系，只要测量出莫尔条纹移过的距离，就可以得出光栅移动的微小距离。（4）光强分布规律。当用平行光束照射光栅时，就会形成明、暗相间的莫尔条纹。由亮纹到暗纹，再由暗纹到亮纹的光强分布近似余弦函数。第33页，共62页，2023年，2月20日，星期五

3)信号处理光栅输出的信号有两种：一种是正弦波信号；另一种是方波信号。（1）倍频处理。正弦波输出有电流型和电压型，对正弦波输出信号需经过差动放大、整形及倍频处理后得到脉冲信号。倍频可提高光栅的分辨精度，如5倍频、10倍频等。如原光栅线纹为50条／mm，经5倍频处理后，相当于将线纹密度提高到250条／mm。图所示为HEIDENHAIN光栅电流型输出信号经5倍频处理后的信号波形。

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HEIDENHAIN光栅电流型输出信号的波形(a)正弦信号;(b)整形后的信号;(c)5倍频处理后的信号第35页，共62页，2023年，2月20日，星期五

(2)方向判别。光栅输出信号经差动放大和信号处理后，获得PA、PB脉冲信号，PA和PB的超前或滞后经方向判别电路处理后，得到以高、低电平表示的方向信号，如图所示。第36页，共62页，2023年，2月20日，星期五二光栅测量装置的数字变换线路光栅测量系统简图第37页，共62页，2023年，2月20日，星期五二光栅测量装置的数字变换线路

原理框图波形图光栅信号4倍频电路第38页，共62页，2023年，2月20日，星期五三读数头把光源、光栅、光电元件组合在一起，称为读数头按光路分为分光式、直射式、反射式读数头a）分光式b）直射式c）反光式第39页，共62页，2023年，2月20日，星期五四等倍透镜系统两光栅间距很小，如安装不准确，就不能得到正确信号，因此在实际应用中采用了等倍透镜系统。等倍透镜系统第40页，共62页，2023年，2月20日，星期五第四节磁栅测量装置磁栅位置检测装置是用磁性标尺代替光栅，用电磁方法计数磁波数目的一种测量方法。磁栅位置检测装置是由磁性标尺、磁头和检测电路组成。第41页，共62页，2023年，2月20日，星期五一工作原理磁性标尺是在非导磁材料的基体上，涂敷或镀上一层很薄的磁膜(导磁材料)，在磁膜上利用录磁原理，用录磁磁头记录一定波长的矩形波或正弦波，以此作为测量的基准刻度，磁化信号的节距(周期)一般有0.05、0.10、0.20、1mm等第42页，共62页，2023年，2月20日，星期五二磁头1读取磁头磁头是进行磁电转换的变换器，它把反映空间位置的磁信号输送到检测电路中去。速度响应型磁头：只有在磁头和磁带之间有一定相对运动速度时，才能检测出磁化信号，磁头输出电压幅值与磁通变化率成比例，这种磁头只能用于动态测量。如普通录音机速度响应型磁头第43页，共62页，2023年，2月20日，星期五二磁头磁通响应型磁头：根据数控机床的要求，为了在低速运动和静止时也能进行位置检测，必须采用磁通响应型磁头。磁通响应型磁头第44页，共62页，2023年，2月20日，星期五二磁头励磁绕组在一个周期内可使铁芯饱和两次，铁芯材料饱和后，磁阻很大，磁路被阻断；铁芯材料非饱和时，磁阻减小，磁路开通。可见，励磁绕组的作用相当于磁开关，只要有周期变化的励磁电流存在，输出绕组的磁路中磁通量产生周期变化，输出绕组输出电压信号为E0输出电压幅值，λ磁化节距，ω0激磁频率的2倍频，x位移第45页，共62页，2023年，2月20日，星期五二磁头2多间隙磁通响应型磁头用一个磁通响应型磁头读取磁栅的磁化信号，输出信号往往很微弱，且由于磁膜的非线性，往往难以实现。可将几个磁头串联起来组成多间隙响应型磁头，以提高输出信号幅度，提高测量分辨率及准确性。第46页，共62页，2023年，2月20日，星期五三检测电路鉴幅型检测电路两组磁头通以同频、同相、同幅值的励磁电流，由于两组磁头的安装位置相差(n+l／4)λ(n为正整数)，因此检波整形后的方波相差90。鉴幅检测电路第47页，共62页，2023年，2月20日，星期五三检测电路鉴相型检测电路两磁头的安装距离相差(n+l／4)λ

。两组磁头通以同频、等幅但相位相差π／4的励磁交流电。两组磁头的输出电压为e1、e2在求和的线路中相加得第48页，共62页，2023年，2月20日，星期五第49页，共62页，2023年，2月20日，星期五三鉴相检测电路在鉴相电路中，把它和基本方波的相位相比较，若相位不同，则在两方波的上升沿之间插入频率为2MHz的脉冲。两波相位相差越大，插入脉冲越多，两波相位差为零，无插入脉冲，这样就可捡测位移量的值。第50页，共62页，2023年，2月20日，星期五第五节旋转变压器测量装置第51页，共62页，2023年，2月20日，星期五一旋转变压器的结构定子绕组通过固定在壳体上的接线板直接引出。转子绕组是通过滑环和电刷直接引出的。其特点是结构简单，体积小；缺点是可靠性差，寿命短。第52页，共62页，2023年，2月20日，星期五一旋转变压器的结构定子绕组通过固定在壳体上的接线板直接引出。转子绕组是通过附加变压器二次绕组间接送出去的。其特点是提高了可靠性及使用寿命。但体积、重量、成本均有增加。第53页，共62页，2023年，2月20日，星期五二旋转变压器的组成及工作原理普通变压器的工作原理是在一次绕组加上输入电压，则在二次绕组上输出电压为(n2/n1)U1。旋