华科大2011数控技术--位置检测装置.ppt

华科大2011数控技术-位置检测装置 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望图图6-1 6-1 CNCCNC系统的组成系统的组成1.11.1检检测测概概述述：位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环、半闭环控制系统中，它的主要作用是检测位移和速度，并发出反馈信号，构成闭环或半闭环控制。1概述概述1概述图图6-26-2富士通富士通CNCCNC系统原理图系统原理图数控机床对位置检测装置的要求数控机床对位置检测装置的要求工作可靠，抗干扰能力强；工作可靠，抗干扰能力强；满足精度和速度的要求；满足精度和速度的要求；易于安装，维护方便，适应机床工作环境；易于安装，维护方便，适应机床工作环境；成本低。成本低。1.2 检测元件的作用与分类检测元件的作用与分类w位置检测装置按工作条件和测量要求不位置检测装置按工作条件和测量要求不同，有下面几种分类方法：同，有下面几种分类方法：直接测量和间接测量直接测量和间接测量直接测量直接测量间接测量间接测量数字式测量和模拟式测量数字式测量和模拟式测量数字式测量数字式测量模拟量测量模拟量测量增量式测量和绝对式测量增量式测量和绝对式测量增量式测量增量式测量绝对式测量绝对式测量位移检测装置的分类测角测角测长测长位位移移检检测测装装置置数字式数字式增量式增量式光电盘光电盘圆光栅圆光栅数码盘数码盘绝对式绝对式模拟式模拟式增量式增量式同步分解器同步分解器圆感应同步器圆感应同步器磁盘磁盘绝对式绝对式多极同步分解器多极同步分解器同步分解器组件同步分解器组件三重式圆感应同步器三重式圆感应同步器长光栅长光栅多通道透射光栅多通道透射光栅直线感应同步器直线感应同步器磁尺磁尺数字式数字式增量式增量式绝对式绝对式模拟式模拟式增量式增量式绝对式绝对式多重式直线感应同步器多重式直线感应同步器本章重点、难点和知识拓展本章重点、难点和知识拓展本本章章重重点点：用用于于检检测测机机床床运运动动部部件件位位置置、速速度度的的各种检测装置及其工作原理。各种检测装置及其工作原理。注注 意：意：知知识识拓拓展展：数数控控机机床床常常用用的的位位置置检检测测装装置置有有光光栅栅、编编码码器器、感感应应同同步步器器、旋旋转转变变压压器器及及磁磁栅栅等等。从从测测量量的的方方式式看看有有直直接接测测量量和和间间接接测测量量；从从测测量量装装置置的的原原理理和和输输出出信信号号看看有有绝绝对对式式测测量量和和增增量量式式测测量及数字式测量和模拟式测量。量及数字式测量和模拟式测量。本章难点：本章难点：每种检测装置使用场合和安装方式。每种检测装置使用场合和安装方式。返回目录2旋转变压器旋转变压器2.1旋转变压器的结构和工作原理2.2旋转变压器的应用旋转变压器（又称同步分解器)2.1旋转变压器的结构和工作原理旋转变压器的结构和工作原理w旋转变压器（又称同步分解器旋转变压器（又称同步分解器)是一种旋转式是一种旋转式的小型交流电机，它由定子和转子组成。图的小型交流电机，它由定子和转子组成。图6-6-3 3所示的是一种无刷旋转变压器的结构图，左所示的是一种无刷旋转变压器的结构图，左边为分解器，右边为变压器。旋转变压器是根边为分解器，右边为变压器。旋转变压器是根据互感原理工作的。据互感原理工作的。图图6-3 6-3 无刷旋转变压器的结构图无刷旋转变压器的结构图1电机轴；电机轴；2外壳；外壳；3分解器定子；分解器定子；4变压器定子绕组；变压器定子绕组；5变压器转子绕组；变压器转子绕组；6变压器转子；变压器转子；7变压器定子；变压器定子；8分解器转子；分解器转子；9分解器定子绕组；分解器定子绕组；10分解器转子绕组分解器转子绕组旋旋转转变变压压器器是是一一种种角角位位移移测测量量装装置置，由由定定子子和和转转子组成。子组成。是根据互感原理工作的。是根据互感原理工作的。旋旋转转变变压压器器的的工工作作原原理理与与普普通通变变压压器器基基本本相相似似，其其中中定定子子绕绕组组作作为为变变压压器器的的一一次次侧侧，接接受受励励磁磁电电压压。转转子子绕绕组组作作为为变变压压器器的的二二次次侧侧，通通过过电电磁磁耦耦合合得得到到感感应应电电压压，只只是是其其输输出出电电压压大大小小与与转转子子位位置有关。置有关。旋旋转转变变压压器器通通过过测测量量电电动动机机或或被被测测轴轴的的转转角角来来间间接测量工作台的位移。接测量工作台的位移。旋旋转转变变压压器器分分为为单单极极和和多多极极形形式式，先先分分析析一一下下单单极工作情况。极工作情况。注注 意：意：w旋转变压器是根据互感原理工作的。它的结构旋转变压器是根据互感原理工作的。它的结构设计与制造保证了定子与转子之间的空气隙内设计与制造保证了定子与转子之间的空气隙内的磁通分布呈正弦规律，当定子绕组上加交流的磁通分布呈正弦规律，当定子绕组上加交流激磁电压时，通过互感在转子绕组中产生感应激磁电压时，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两个绕组轴线在空间的相对位置角。两者平角。两者平行时互感最大，副边的感应电动势也最大；两行时互感最大，副边的感应电动势也最大；两者垂直时互感为零，感应电动势也为零。者垂直时互感为零，感应电动势也为零。w式中：K-变压比，即两个绕组匝数比W1/W2；U1-定子的激磁电压；Vm-定子的最大瞬时电压；励磁信号角频率；旋转变压器转角。输出：U2=KU1sin =KVmsint sin(6-1a)输入：U1=Vmsint？U2=KVmsint(6-1b)图6-4旋转变压器的工作原理图2.2旋转变压器的应用旋转变压器的应用w实际使用时通常采用多极形式，如正余弦旋转实际使用时通常采用多极形式，如正余弦旋转变压器，其定子和转子均由两个匝数相等，轴变压器，其定子和转子均由两个匝数相等，轴线相互垂直的绕组构成，如图线相互垂直的绕组构成，如图6-56-5所示。一个所示。一个转子绕组接高阻抗作为补偿，另一个转子绕组转子绕组接高阻抗作为补偿，另一个转子绕组作为输出，应用叠加原理，其磁通为：作为输出，应用叠加原理，其磁通为：转子输出电压则为：应应用用旋旋转转变变压压器器作作位位置置检检测测元元件件，有有两两种种方方法法：鉴相型鉴相型和和鉴幅型鉴幅型应用。应用。csccossssinc图6-5 正余弦旋转变压器工作原理正余弦旋转变压器正余弦旋转变压器（1 1）鉴相型应用）鉴相型应用w在此状态下，旋转变压器的定子两相正交绕组即正弦在此状态下，旋转变压器的定子两相正交绕组即正弦绕组绕组S S和余弦绕组和余弦绕组C C中分别加上幅值相等、频率相同而中分别加上幅值相等、频率相同而相位相差相位相差9090的正弦交流电压的正弦交流电压(如图如图6-56-5所示所示)，Us=Vmsint（6-2）Uc=Vmcost(6-3)这两相激磁电压会产生旋转磁场，在转子绕组中这两相激磁电压会产生旋转磁场，在转子绕组中(另一另一绕组短接绕组短接)感应电动势为感应电动势为 U2=Ussin+Uccosw即U2=KVmsintsin+KVmcostcos=KVmcos(t-)w测量转子绕组输出电压的相位角测量转子绕组输出电压的相位角，即可测得转子相对即可测得转子相对于定子的空间转角位置。在实际应用时，把对定子正于定子的空间转角位置。在实际应用时，把对定子正弦绕组激磁的交流电压相位作为基准相位，与转子绕弦绕组激磁的交流电压相位作为基准相位，与转子绕组输出电压相位作比较，来确定转子转角的位移。组输出电压相位作比较，来确定转子转角的位移。(2)(2)鉴幅型应用鉴幅型应用w这种应用中，定子两相绕组的激磁电压为频率相同、这种应用中，定子两相绕组的激磁电压为频率相同、相位相同而幅值分别按正弦、余弦规律变化的交变电相位相同而幅值分别按正弦、余弦规律变化的交变电压，即压，即Us=Vmsinsint(6-4)Uc=Vmcossint(6-5)激磁电压频率为激磁电压频率为24 kHz。w定子激磁信号产生的合成磁通在转子绕组中产生感应定子激磁信号产生的合成磁通在转子绕组中产生感应电动势电动势U2U2，其大小与转子和定子的相对位置即其大小与转子和定子的相对位置即mm有关，有关，并与激磁的幅值并与激磁的幅值VmsinVmsin和和VmcosVmcos有关，即有关，即 U2=KVmsin(-m)sint(6-6)若若m=m=，则则U2=0U2=0。w从物理概念上理解，从物理概念上理解，m=m=表示定子绕组合成磁通表示定子绕组合成磁通由与转子绕组的线圈平面平行，即没有磁力线穿过转由与转子绕组的线圈平面平行，即没有磁力线穿过转子绕组线圈，故感应电动势为零。当子绕组线圈，故感应电动势为零。当垂直于转子绕垂直于转子绕组线圈平面时，即组线圈平面时，即m=90m=90时，转子绕组中感应时，转子绕组中感应电动势最大。电动势最大。w在实际应用中，根据转子误差电压的大小，不断修改在实际应用中，根据转子误差电压的大小，不断修改定子激磁信号的定子激磁信号的(即激磁幅值即激磁幅值)，使其跟踪，使其跟踪mm的变化。的变化。当感应电动势当感应电动势U2U2的幅值的幅值KVmsin(-m)KVmsin(-m)为零时，说明为零时，说明角的大小就是被测角位移角的大小就是被测角位移mm的大小。的大小。w如果将旋转变压器装在数控机床的滚珠丝杠上，当角如果将旋转变压器装在数控机床的滚珠丝杠上，当角从从00到3600 时，丝杠上的螺母带动工作台移动了一时，丝杠上的螺母带动工作台移动了一个导程，间接测量了执行部件的直线位移。测量所走个导程，间接测量了执行部件的直线位移。测量所走过的行程时，可加一个计数器，累计所转的转数，折过的行程时，可加一个计数器，累计所转的转数，折算成位移总长度。算成位移总长度。(2)(2)鉴幅型应用鉴幅型应用注注 意：意：小结小结旋转变压器作为位置检测装置，有两种典型工作方式，鉴相式和鉴幅式。鉴相式是根据感应输出电压的相位来检测位移量；鉴幅式是根据感应输出电压的幅值来检测位移量。旋转变压器是一种角位移测量装置，由定子和转子组成。旋转变压器是根据互感原理工作的。返回目录3感应同步器感应同步器3.1感应同步器的结构3.2感应同步器的工作原理3.3感应同步器的特点3.4感应同步器的应用3.1感应同步器的结构感应同步器的结构w感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置，属模拟感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置，属模拟式测量，二者工作原理相同，其输出电压随被测直线位式测量，二者工作原理相同，其输出电压随被测直线位移或角位移而改变。移或角位移而改变。w感应同步器按其结构特点一般分为直线式和旋转式两种：感应同步器按其结构特点一般分为直线式和旋转式两种：直线式直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，用于直线位移测感应同步器由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量。量。旋转式旋转式感应同步器由转子和定子组成，用于角位移感应同步器由转子和定子组成，用于角位移测量。测量。图图6-66-6感应同步器的结构图感应同步器的结构图直线感应同步器直线感应同步器w直线感应同步器相当于一个展开的多极旋转变压器，直线感应同步器相当于一个展开的多极旋转变压器，其结构如图其结构如图6-66-6所示，定尺和滑尺的基板采用与机床热所示，定尺和滑尺的基板采用与机床热膨胀系数相近的钢板制成，钢板上用绝缘粘结剂贴有膨胀系数相近的钢板制成，钢板上用绝缘粘结剂贴有铜箔，并利用腐蚀的办法做成图示的印刷绕组。长尺铜箔，并利用腐蚀的办法做成图示的印刷绕组。长尺叫定尺，安装在机床床身上，短尺为滑尺，安装于移叫定尺，安装在机床床身上，短尺为滑尺，安装于移动部件上，两者平行放置，保持动部件上，两者平行放置，保持0.25-0.050.25-0.05mmmm间隙。间隙。图图6-66-6感应同步器的结构图感应同步器的结构图直线感应同步器直线感应同步器w感应同步器两个单元绕组之间的距离为节距，滑尺和感应同步器两个单元绕组之间的距离为节距，滑尺和定尺的节距均为，这是衡量感应同步器精度的主要参定尺的节距均为，这是衡量感应同步器精度的主要参数。标准感应同步器定尺长数。标准感应同步器定尺长250250mmmm，滑尺长滑尺长100100mmmm，节节距为距为2 2mmmm。定尺上是单向、均匀、连续的感应绕组，滑定尺上是单向、均匀、连续的感应绕组，滑尺有两组绕组，一组为正弦绕组，另一为余弦绕组。尺有两组绕组，一组为正弦绕组，另一为余弦绕组。当正弦绕组与定尺绕组对齐时，余弦绕组与定尺绕组当正弦绕组与定尺绕组对齐时，余弦绕组与定尺绕组相差相差1/41/4节距。节距。图图6-66-6感应同步器的结构图感应同步器的结构图直线感应同步器结构直线感应同步器结构V2定尺滑尺正弦绕组VsVc余弦绕组直线感应同步器结构3.2感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理w感应同步器的感应同步器的工作原理与旋工作原理与旋转变压器基本转变压器基本上相同，使用上相同，使用时，在滑尺绕时，在滑尺绕组通以一定频组通以一定频率的交流电压，率的交流电压，由于电磁感应，由于电磁感应，在定尺绕组中在定尺绕组中产生感应电动产生感应电动势，其幅值和势，其幅值和相位取决于定相位取决于定尺与滑尺的相尺与滑尺的相对位置，如图对位置，如图6-76-7所示。所示。图图6-76-7感应同步器的工作原理图感应同步器的工作原理图（1 1）鉴相方式鉴相方式w给绕组给绕组S S和和C C分别通以幅值相同、频率相同但相位相差分别通以幅值相同、频率相同但相位相差9090的交流电压，即的交流电压，即Us=Vmsint(6-7)Us=Vmsint(6-7)Uc=Vmcost(6-8)Uc=Vmcost(6-8)分分别别在在定定尺尺的的绕绕组组上上产产生生感感应应电电压压为为 V1=KVmcossint(6-9)V1=KVmcossint(6-9)V2=-KVmsincost(6V2=-KVmsincost(610)10)则在定尺绕组上产生合成电压为则在定尺绕组上产生合成电压为V=V1+V2V=V1+V2 V=KVmcossint-KVmsincost V=KVmcossint-KVmsincost =KVmsin(t-)(6-11)=KVmsin(t-)(6-11)若若感感应应同同步步器器的的节节距距为为2 2，则则滑滑尺尺直直线线位位 移移 量量 x x与与 之之 间间 的的 关关 系系 为为=2x2=x(6=2x2=x(612)12)可可见见，在在一一个个节节距距内内与与x x是是一一一一对对应应的的。通通过过测测量量定定尺尺感感应应电电压压的的相相位位，即即可可测测量量出出定定尺尺相对滑尺的位移相对滑尺的位移x x。图图6-86-8鉴相系统的结构框图鉴相系统的结构框图（2 2）鉴幅方式鉴幅方式w则感应到定尺绕组电势为则感应到定尺绕组电势为V=-KVmsin(m-)sint(6-V=-KVmsin(m-)sint(6-15a)15a)w若若m=m=，则则V=0V=0。给给滑滑尺尺的的正正弦弦绕绕组组S S和和余余弦弦绕绕组组C C分分别别通通以以频频率率相相同同、相相位位相相同同但但幅幅值值不不同同且且能能由由指指令令角角位位移移调调节节的的交交流流电电压压，即即Us=Vmsinsint(6-13)Us=Vmsinsint(6-13)Uc=Vmcossint(6-14)Uc=Vmcossint(6-14)图图6-96-9鉴幅系统的结构框图鉴幅系统的结构框图感应电压幅值与定尺滑尺相对位置关系感应电压幅值与定尺滑尺相对位置关系感应电压幅值与定尺滑尺相对位置关系图感应电压幅值与定尺滑尺相对位置关系图若设定尺绕组节距为，它对应的感应电压以余弦函数变化了，当滑尺移动距离为时，则对应感应电压以余弦函数变化相位角。由比例关系可得设表示滑尺上一相绕组的激磁电压则定尺绕组感应电压为式中K耦合系数；激磁电压的幅值；激磁电压的角频率；与位移对应的角度。w感应电压的幅值变化规律就是一个周期性的余感应电压的幅值变化规律就是一个周期性的余弦曲线。在一个周期内，感应电压的某一幅值弦曲线。在一个周期内，感应电压的某一幅值对应两个位移点，如关系图中对应两个位移点，如关系图中M M、N N两点。为确两点。为确定唯一位移，在滑尺上与正弦绕组错开定唯一位移，在滑尺上与正弦绕组错开1/41/4节节距处，配置了余弦绕组。同样，若在滑尺的余距处，配置了余弦绕组。同样，若在滑尺的余弦绕组中通以交流励磁电压，也能得出定尺绕弦绕组中通以交流励磁电压，也能得出定尺绕组感应电压与两尺相对位移的关系曲线，它们组感应电压与两尺相对位移的关系曲线，它们之间为正弦函数关系之间为正弦函数关系(图中图中OP)OP)。若滑尺上的正、若滑尺上的正、余弦绕组同时励磁，就可以分辨出感应电压值余弦绕组同时励磁，就可以分辨出感应电压值所对应的唯一确定的位移。所对应的唯一确定的位移。w假定激磁电压的假定激磁电压的与定尺、滑尺的实际相位角与定尺、滑尺的实际相位角mm不一不一致时，设致时，设m=+m=+，则则V=-KVmsinsint(6V=-KVmsinsint(615b)15b)当当很小时，上式可近似表示为很小时，上式可近似表示为V=-V=-(KVmsint)(6(KVmsint)(615c)15c)由上式可知，定尺上感应电势由上式可知，定尺上感应电势与与成正比，即成正比，即V V随指令给定的位移量随指令给定的位移量x()x()与工作台与工作台实际位移量实际位移量x1(m)x1(m)的差值的差值x()x()成正比变化。因此成正比变化。因此通过测量通过测量V V的幅值，就可以测定位移量的幅值，就可以测定位移量xx的大小。的大小。w当工作台位移值未达到指令要求值时，即当工作台位移值未达到指令要求值时，即x1x(m)x1x(m)时，定尺上感应电压时，定尺上感应电压V0V0。该电压经该电压经检波放大控制伺服驱动机构带动机床工作台移动。当检波放大控制伺服驱动机构带动机床工作台移动。当工作台移动至工作台移动至x1=x(m=)x1=x(m=)时，定尺上感应电压时，定尺上感应电压V=0V=0，误差信号消失，工作台停止移动。定尺上感应电压误差信号消失，工作台停止移动。定尺上感应电压V V同同时输至相敏放大器，与来自相位补偿器的标准正弦信时输至相敏放大器，与来自相位补偿器的标准正弦信号进行比较，以控制工作台的运动方向。号进行比较，以控制工作台的运动方向。注注 意：意：3.3感应同步器的特点感应同步器的特点w(1)(1)精度高感应同步器的极对数多，平均效应所产生的测量精度精度高感应同步器的极对数多，平均效应所产生的测量精度要比制造精度高，且输出信号是由滑尺和定尺之间相对移动产生要比制造精度高，且输出信号是由滑尺和定尺之间相对移动产生的，中间无机械转换环节，所以测量结果只受本身精度的影响。的，中间无机械转换环节，所以测量结果只受本身精度的影响。w(2)(2)测量长度不受限制当测量长度大于测量长度不受限制当测量长度大于250 250 mmmm时，可以采用多块时，可以采用多块尺接长，相邻定尺间隔可用块规或激光测长仪进行调整，使总长尺接长，相邻定尺间隔可用块规或激光测长仪进行调整，使总长度上的累积误差不大于单块定尺的最大偏差。度上的累积误差不大于单块定尺的最大偏差。w(3)(3)对环境的适应性强直线式感应同步器的金属基尺与安装部件对环境的适应性强直线式感应同步器的金属基尺与安装部件的材料的膨胀系数相似，当环境温度变化时，两者的变化规律相的材料的膨胀系数相似，当环境温度变化时，两者的变化规律相同，而不影响测量精度。同，而不影响测量精度。w(4)(4)维护简单、寿命长定尺、滑尺之间无接触磨损，在机床上安维护简单、寿命长定尺、滑尺之间无接触磨损，在机床上安装简单。但使用时需要加防护罩，防止切屑进入定、滑尺之间划装简单。但使用时需要加防护罩，防止切屑进入定、滑尺之间划伤导片。伤导片。由由于于感感应应同同步步器器具具有有一一系系列列的的优优点点，所所以以广广泛泛用用于于位位移移检检测测。感感应应同同步步器器安安装装时时，要要注注意意定定尺尺与与滑滑尺尺之之间间的的间间隙隙，一一般般在在(0.25(0.25 0.05)0.05)mmmm范范围围内内。间间隙隙变变化化也也必必须须控控制制在在0.01 0.01 mmmm之之内内。如如间间隙隙过过大大，将将影影响响测测量量信信号的灵敏度。其特点如下。号的灵敏度。其特点如下。如果感应同步器的节距为2mm，脉冲当量选定为=0.001mm，一个脉冲对应的相移角1为数控装置每发一个进给脉冲，经脉冲调相器变为超前基准信号一个0.180相移角的信号，即1=1-0=0.180。此时因工作台未动，反馈信号相对于基准信号的相位差2=2-0=0（2为定尺绕组上作为反馈信号所取的感应电压U2的相位）。鉴相器将12=0.180的相位差检测出来，经放大后控制伺服电动机带动工作台移动。随着工作台的移动，2逐渐增大，相位差逐渐减少，直至0。3.4感应同步器的应用感应同步器的应用小结小结作为位置检测装置，有两种典型工作方式，鉴相式和鉴幅式。鉴相式是根据感应输出电压的相位来检测位移量；鉴幅式是根据感应输出电压的幅值来检测位移量。感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置，属模拟式测量，二者工作原理相同，其输出电压随被测直线位移或角位移而改变。是根据互感原理工作的。返回目录4脉冲编码器脉冲编码器4.1增量式编码器4.2绝对值式编码器4.3脉冲编码器的使用脉冲编码器脉冲编码器w脉冲编码器是一种光学式位置检测元件，编码盘直接装在转轴上，以测出轴的旋转角度位置和速度变化，其输出信号为电脉冲。w脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转角变成电脉冲，是数控机床上使用很广泛的位置检测装置。w这种检测方式的特点是：检测方式是非接触式的，无摩擦和磨损，驱动力小，响应速度快。按编码的方式，可分为增量式和绝对值式两种。4.1增量式编码器增量式编码器w增量式脉冲编码器分光电式、接触式和电磁感应式三增量式脉冲编码器分光电式、接触式和电磁感应式三种。就精度和可靠性来讲，光电式脉冲编码器优于其种。就精度和可靠性来讲，光电式脉冲编码器优于其它两种，它的型号是用脉冲数它两种，它的型号是用脉冲数/转（转（p/rp/r）来区分，数来区分，数控机床常用控机床常用20002000、25002500、30003000p/rp/r等，现在已有每转发等，现在已有每转发1010万个脉冲的脉冲编码器。脉冲编码器除用于角度检万个脉冲的脉冲编码器。脉冲编码器除用于角度检测外，还可以用于速度检测。测外，还可以用于速度检测。光光电电式式脉脉冲冲编编码码器器通通常常与与电电机机做做在在一一起起，或或者者安安装装在在电电机机非非轴轴伸伸端端，电电动动机机可可直直接接与与滚滚珠珠丝丝杠杠相相连连，或或通通过过减减速速比比为为i i的的减减速速齿齿轮轮，然然后后与与滚滚珠珠丝丝杠杠相相连连，那那么么每每个个脉脉冲对应机床工作台移动的距离可用下式计算：冲对应机床工作台移动的距离可用下式计算：注注 意：意：式中脉冲当量（mm/脉冲）；S滚珠丝杠的导程（mm）；i减速齿轮的减速比；M脉冲编码器每转的脉冲数（p/r）。光电式脉冲编码器结构光电式脉冲编码器结构光电式脉冲编码器结构示意图光电式脉冲编码器，它由光源、聚光镜、光电盘、圆盘、光电元件和信号处理电路等组成（如图）。光电盘是用玻璃材料研磨抛光制成，玻璃表面在真空中镀上一层不透光的铬，然后用照相腐蚀法在上面制成向心透光窄缝。透光窄缝在圆周上等分，其数量从几百条到几千条不等。圆盘也用玻璃材料研磨抛光制成，其透光窄缝为两条，每一条后面安装有一只光电元件。光电盘与工作轴连在一起，光电盘转动时，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化，光电元件把通过光电盘和圆盘射来的忽明忽暗的光信号转换为近似正弦波的电信号，经过整形、放大、和微分处理后，输出脉冲信号。通过记录脉冲的数目，就可以测出转角。测出脉冲的变化率，即单位时间脉冲的数目，就可以求出速度。光电式脉冲编码器的组成光电式脉冲编码器的组成为为了了判判断断旋旋转转方方向向，圆圆盘盘的的两两个个窄窄缝缝距距离离彼彼此此错错开开1/41/4节节距距，使使两两个个光光电电元元件件输输出出信信号号相相位位差差90900 0。如如图图所所示示，A A、B B信信号号为为具具有有90900 0相位差的正弦波，经放大和整形变为方波相位差的正弦波，经放大和整形变为方波A A1 1、B B1 1。设设A A相相比比B B相相超超前前时时为为正正方方向向旋旋转转，则则B B相相超超前前A A相相就就是是负负方方向向旋旋转转，利利用用A A相相与与B B相相的的相相位位关关系系可可以以判判别别旋旋转转方方向向。此此外外，在在光光电电盘盘的的里里圈圈不不透透光光圆圆环环上上还还刻刻有有一一条条透透光光条条纹纹，用用以以产产生生每每转转一一个个的的零零位位脉脉冲冲信信号号，它它是是轴轴旋旋转转一一周周在在固固定定位位置置上上产产生生一一个个脉冲。脉冲。电流AB节距tA1B1900脉冲编码器输出波形w增量式编码器的工作原理如图增量式编码器的工作原理如图6-106-10所示。在图所示。在图6-10(6-10(a)a)中，中，E E为等节距的辐射状透光窄缝圆盘，为等节距的辐射状透光窄缝圆盘，Q1Q1、Q2Q2为光源，为光源，DADA、DBDB、DCDC为光电元件为光电元件(光敏二极管或光电池光敏二极管或光电池)，DADA与与DBDB错开错开9090相位角安装。相位角安装。图图6-10 6-10 增量式编码器增量式编码器w当圆盘旋转一个节距时，在光源照射下，就在当圆盘旋转一个节距时，在光源照射下，就在光电元件光电元件DADA、DBDB上得图上得图6-10(6-10(b)b)所示的光电波所示的光电波形输出，形输出，A A、B B信号为具有信号为具有9090相位差的正弦波。相位差的正弦波。这组信号经放大器放大与整形后，得图这组信号经放大器放大与整形后，得图6-6-10(10(c)c)所示的输出方波，所示的输出方波，A A相比相比B B相超前相超前9090，其电压幅值为其电压幅值为5 5V V。设设A A相超前相超前B B相时为正方向旋相时为正方向旋转，则转，则B B相超前相超前A A相时为反方向旋转，以判别编相时为反方向旋转，以判别编码器的旋转方向。码器的旋转方向。C C相产生的脉冲为基准脉冲，相产生的脉冲为基准脉冲，又称零点脉冲，它是转轴旋转一周在固定位置又称零点脉冲，它是转轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲。上产生一个脉冲。w如用数控车床切削螺纹时，可将这种脉冲当做车刀进如用数控车床切削螺纹时，可将这种脉冲当做车刀进刀点和退刀点的信号使用，以保证切削螺纹时不会乱刀点和退刀点的信号使用，以保证切削螺纹时不会乱扣。这种脉冲也可用于高速旋转的转数计数或加工中扣。这种脉冲也可用于高速旋转的转数计数或加工中心等数控机床上的主轴准停信号。心等数控机床上的主轴准停信号。A A、B B相脉冲信号经相脉冲信号经频率电压变换后，得到与转轴转速成正比例的电压信频率电压变换后，得到与转轴转速成正比例的电压信号，它就是速度反馈信号。号，它就是速度反馈信号。w增量式编码器的缺点是，有可能由于噪声或其他外界增量式编码器的缺点是，有可能由于噪声或其他外界干扰产生计数错误，若因停电，刀具破损而停机，事干扰产生计数错误，若因停电，刀具破损而停机，事故排除后不能再找到事故前执行部件的正确位置。故排除后不能再找到事故前执行部件的正确位置。注注 意：意：4.2绝对值式编码器绝对值式编码器w绝对式编码器是一种旋转式检测装置，可直接把被测转角用数字代码表示出来，且每一个角度位置均有其对应的测量代码，它能表示绝对位置，没有累积误差，电源切除后，位置信息不丢失，仍能读出转动角度。w绝对值式编码器是利用其圆盘上的图案来表示数值的。w绝对式编码器有光电式、接触式和电磁式三种，以接触式四位绝对编码器为例来说明其工作原理。接触式四位绝对编码器接触式四位绝对编码器图图6-11 6-11 二进制编码器二进制编码器码位码位四位二进制编码盘a)b)w图图6-116-11所示为二进制编码盘，图中空白的部分透光，所示为二进制编码盘，图中空白的部分透光，表示表示“0”“0”；加点；加点(阴影阴影)的部分不透光，表示的部分不透光，表示“1”“1”。按照圆盘上形成的二进位的每一环配置光电变换器，按照圆盘上形成的二进位的每一环配置光电变换器，即图中用黑点所示位置，隔着圆盘从后侧用光源照射。即图中用黑点所示位置，隔着圆盘从后侧用光源照射。此编码盘共有四环，每一环配置的光电变换器对应为此编码盘共有四环，每一环配置的光电变换器对应为2020、2121、2222、2323。图中，内侧是二进制的高位，即。图中，内侧是二进制的高位，即2323；外侧是二进制的低位，如；外侧是二进制的低位，如“1101”“1101”，读出的是十进，读出的是十进制制“13”“13”的角度坐标值。二进制编码器的主要缺点是的角度坐标值。二进制编码器的主要缺点是图案变化无规律，在使用中多位同时变化，易产生较图案变化无规律，在使用中多位同时变化，易产生较多的误读。经改进后的结构如图多的误读。经改进后的结构如图6-126-12所示的葛莱编码所示的葛莱编码盘，它的特点是，每相邻十进制数之间只一位二进制盘，它的特点是，每相邻十进制数之间只一位二进制码不同。因此，图案的切换只用一位数码不同。因此，图案的切换只用一位数(二进制的位二进制的位)进行。所以能把误读控制在一个数单位之内，提高了进行。所以能把误读控制在一个数单位之内，提高了可靠性。可靠性。图图6-11 6-11 二进制编码器二进制编码器图图6-12 6-12 葛莱编码器葛莱编码器葛莱编码器葛莱编码器二进制码与葛莱码的换算二进制码与葛莱码的换算图6-12为葛莱码盘，其各码道的数码不同时改变，任何两个相邻数码间只有一位是变化的，每次只切换一位数，把误差控制在最小范围内。二进制码转换成葛莱码的法则是：将二进制码右移一位并舍去末位的数码，再与二进制数码作不进位加法，结果即为葛莱码。例如，二进制码1101对应的葛莱码为1011，其演算过程如下：1101（二进制码）1101（不进位相加，舍去末位）1011（葛莱码）绝对值式编码器的优缺点绝对值式编码器的优缺点w绝对值式编码器比增量编码器具有较多优点：坐标值可从绝对编码盘中直接读出，不会有累积进程中的误计数；运转速度可以提高，编码器本身具有机械式存储功能，即便因停电或其他原因造成坐标值清除，通电后，仍可找到原绝对坐标位置。w其缺点是，当进给转数大于一转时，需作特别处理，如用减速齿轮将两个以上的编码器连接起来，组成多级检测装置，但其结构复杂、成本高。4.3脉冲编码器的使用脉冲编码器的使用脉脉冲冲编编码码器器是是一一种种回回转转编编码码器器，可可以以用用来来测测相相对位移，单位时间内的相对角位移就是角速度。对位移，单位时间内的相对角位移就是角速度。回回转转编编码码器器在在检检测测角角位位移移的的同同时时，配配以以定定时时器器便可检测出角速度。便可检测出角速度。脉冲编码器作速度检测的原理脉冲编码器作速度检测的原理脉冲编码器在经过一个单位角位移时，便产生一个脉脉冲编码器在经过一个单位角位移时，便产生一个脉冲，图冲，图6-22是用脉冲编码器作速度检测的原理图。是用脉冲编码器作速度检测的原理图。PG(A)PG(A)是是脉脉冲冲编编码码器器的的输输出出脉脉冲冲。可可以以看看出出，用用脉脉冲冲编编码码器器输输出出信信号号的的上上升升沿沿打打开开计计数数器器，对对高高频频时时钟钟信信号号进进行行计计数数；用用其其下下降降沿沿打打开开锁锁存存器器，对对计计数数器器内内的的计计数数值值进进行行锁锁存存，这这样样，锁锁存存器器的的内内容容就就是是角角位位移移所所经经过的时间，求其倒数，便可得到速度。过的时间，求其倒数，便可得到速度。图图6-226-22用脉冲编码器作速度检测原理图用脉冲编码器作速度检测原理图在这种用法中，需要根据电机的转速范围和检测精度在这种用法中，需要根据电机的转速范围和检测精度来决定时钟频率和计数的容量。例如，如果电机的转来决定时钟频率和计数的容量。例如，如果电机的转速范围为速范围为n=603 000 r/min，编码器为编码器为100脉冲脉冲/转，转，则在低速时，每秒发则在低速时，每秒发100个脉冲，即个脉冲，即PG脉冲周期为脉冲周期为0.01s。如果采用如果采用8位计数器，则高频时钟频率位计数器，则高频时钟频率f保证计保证计数器不溢出的条件为数器不溢出的条件为0.01f256，则则f25.6 kHz为了得为了得到较高的检测精度，取到较高的检测精度，取f=25.6 kHz，则在最高转速则在最高转速3 000 r/min时，计数器的值为：时，计数器的值为：PG=fn=25 6001003 000/60=5.12 (6-21)如果对脉冲上升沿进行计数，则为如果对脉冲上升沿进行计数，则为6；如果对脉冲下降；如果对脉冲下降沿进行计数，则为沿进行计数，则为5。注注 意：意：不不难难看看出出，时时钟钟频频率率越越高高，则则测测速速误误差差就就越越小小。但但时时钟钟频频率率受受计计数数器器容容量量和和工工作作上上限限频频率率限限制制，不不可可能能无无限制地高，所以量化误差总是存在的。限制地高，所以量化误差总是存在的。返回目录5光删测量装置光删测量装置5.1光栅的工作原理5.2光栅测量的装置5.3直线光栅检测装置的线路5.4光栅检测系统光栅简介光栅简介v光光栅栅种种类类较较多多。根根据据光光线线在在光光栅栅中中是是透透射射还还是是反反射射分分为为透透射射光光栅栅和和反反射射光光栅栅，透透射射光光栅栅分分辨辨率率较较反反射射光光栅栅高高，其其检检测测精精度度可可达达1 1mm以以上上。从从形形状状上上看看，又又可可分分为为圆圆光光栅栅和和直直线线光光栅栅。圆圆光光栅栅用用于于测测量量转转角角位位移移，直直线线光光栅栅用用于于检检测测直直线线位位移移。两两者者工工作作原原理理基基本本相相似似，本本节节着着重重介介绍一种应用比较广泛的透射式直线光栅。绍一种应用比较广泛的透射式直线光栅。v直直线线光光栅栅通通常常包包括括一一长长和和一一短短两两块块配配套套使使用用，其其中中长长的的称称为为标标尺尺光光栅栅或或长长光光栅栅，一一般般固固定定在在机机床床移移动动部部件件上上，要要求求与与行行程程等等长长。短短的的为为指指示示光光栅栅或或短短光光栅栅，装装在在机机床床固固定定部部件件上上。两两光光栅栅尺尺是是刻刻有有均均匀匀密密集集线线纹纹的的透透明明玻玻璃璃片片，线线纹纹密密度度为为2525、5050、100100、250250条条/mmmm等等。线线纹纹之之间间距距离离相相等等，该该间间距距称称为为栅栅距距，测测量量时时它它们们相相互互平平行行放放置置，并保持并保持0.050.10.050.1mmmm的间隙。的间隙。v计计量量光光栅栅有有长长光光栅栅和和圆圆光光栅栅两两种种，是是数数控控机机床床和和数数显显系系统统常常用用的的检检测测元元件件。它它具具有有精精度度高高，响响应应速速度度较较快快等等优优点。光栅测量是一种非接触式测量。点。光栅测量是一种非接触式测量。5.1光栅的工作原理光栅的工作原理w光栅位移检测装置由光源、两块光栅光栅位移检测装置由光源、两块光栅(长光栅、短光栅长光栅、短光栅)和光电元件等组成，见图和光电元件等组成，见图6-13(6-13(a)a)。图图6-13 6-13 光栅的工作原理图光栅的工作原理图原理说明原理说明w光栅是在一块长条形的光图光栅是在一块长条形的光图6-136-13光栅的工作原光栅的工作原理图学玻璃上均匀地刻上许多与运动方向垂直理图学玻璃上均匀地刻上许多与运动方向垂直的线条，线条之间距离的线条，线条之间距离(称为栅距称为栅距)可以根据所可以根据所需的精度决定，一般每毫米刻需的精度决定，一般每毫米