数控机床的检测装置课件.pptx

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1、CNC第第6 6章章 数控机床的检测装置数控机床的检测装置 主要内容主要内容主要内容6.1 概述概述 6.2 旋转变压器旋转变压器 6.3 感应同步器感应同步器 6.4 光栅光栅 6.5 编码器编码器CNC主要内容6.1 概述概述 组成：组成：位置检测装置是由检测元件（传感器）位置检测装置是由检测元件（传感器） 和信号处理装置组成的。和信号处理装置组成的。 作用：作用：实时测量执行部件的位移和速度信号，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。它是闭并变换成位置控制单元所要求的信号形式。它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。环、半闭环进给伺服系统的重要组成部

2、分。 闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位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。选择位置检测装置。CNC主要内容6.1 概述概述 数控系统中的检测装置分为数控系统中的检测装置分为位移位移、速度速度和和电流电流三种类型。三种类型。信号转换的原理信号转换的原理光电效应、光栅效应、电磁感应光电效应、光栅效应、电磁感应原理、压电效应、压阻效应和磁阻效应原理、压电效应、压阻效应和磁阻效应等。等。安装的位置及

3、耦合方式安装的位置及耦合方式直接测量直接测量和和间接测量间接测量；测量方法测量方法 增量型增量型和和绝对型绝对型; ;检测信号的类型检测信号的类型 模拟式模拟式和和数字式数字式；运动型式运动型式 回转型回转型和和直线型直线型；CNC主要内容数控机床对检测装置的主要要求数控机床对检测装置的主要要求 1）受温度、湿度影响小，工作可靠，抗干扰能力）受温度、湿度影响小，工作可靠，抗干扰能力 强；强；2）在机床移动范围内满足精度和速度要求；）在机床移动范围内满足精度和速度要求；3）使用维护方便，适合机床运行环境；）使用维护方便，适合机床运行环境；4）成本低；）成本低；5）易于实现高速的动态测量。）易于实

4、现高速的动态测量。 6.1 概述概述CNC主要内容6.2 旋转变压器旋转变压器旋转变压器是一种旋转变压器是一种输出电压与角位移量成连续函输出电压与角位移量成连续函数关系数关系的感应式微电机，的感应式微电机，数控机床上常见的角位数控机床上常见的角位移测量装置，广泛用于移测量装置，广泛用于半闭环半闭环控制的数控机床。控制的数控机床。优点：结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境优点：结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境条件要求低（特别是高温、高粉尘的地方）、输条件要求低（特别是高温、高粉尘的地方）、输出信号幅度大和抗干扰能力强等特点出信号幅度大和抗干扰能力强等特点. .缺点：信号处理比较复杂。缺点：信

5、号处理比较复杂。旋转变压器转子轴与电机轴或丝杠连接在一起，实现电机旋转变压器转子轴与电机轴或丝杠连接在一起，实现电机轴或丝杠转角的测量。轴或丝杠转角的测量。6.2 旋转变压器旋转变压器CNC主要内容6.2 旋转变压器旋转变压器旋转变压器的分类旋转变压器的分类 按有无电刷分：接触式和无接触式两种；按极对数分：单对极和多对极；按输出电压与转子转角间的函数关系分：正余弦旋转变压器、线性旋转变压器、比例式旋转变压器以及特殊函数旋转变压器等。CNC主要内容由定子和转子组成由定子和转子组成，结构上与旋转式的小型交结构上与旋转式的小型交流电机相似。流电机相似。有刷旋转变压器有刷旋转变压器定子、转子上两相绕组

6、轴线分定子、转子上两相绕组轴线分别相互垂直，转子绕组的引线（端点）经滑环别相互垂直，转子绕组的引线（端点）经滑环引出，并通过电刷送到外面。引出，并通过电刷送到外面。6.2 旋转变压器旋转变压器CNC主要内容端盖端盖6.2 旋转变压器旋转变压器18762旋转变压器有刷结构示意图旋转变压器有刷结构示意图54机壳机壳 3转轴转轴轴承轴承转子铁心转子铁心定子铁心定子铁心电刷电刷滑环滑环CNC主要内容6.2 旋转变压器旋转变压器数控机床主要使用无刷旋转变压器，组成：数控机床主要使用无刷旋转变压器，组成：分解器、变压器，不通过电刷与滑环把信号分解器、变压器，不通过电刷与滑环把信号传递出来传递出来无刷旋转变

7、压器无刷旋转变压器具有输出信号大、可靠性高、具有输出信号大、可靠性高、寿命长及不用维修等优点。寿命长及不用维修等优点。CNC主要内容123567486.2 旋转变压器旋转变压器分解器分解器变压器变压器1-转子轴2-壳体3-分解器定子4-变压器定子5-变压器一次绕组6-变压器转子线轴7-变压器二次绕组8-分解器转子CNC主要内容6.2.2 旋转变压器的工作原理旋转变压器的工作原理 原理：原理：电磁感应互感原理电磁感应互感原理当当定子定子加上一定频率的励磁电压时，通过加上一定频率的励磁电压时，通过电磁耦合，电磁耦合，转子转子绕组产生感应电势，其绕组产生感应电势，其输输出电压出电压的大小取决于定子和

8、转子两个绕组的大小取决于定子和转子两个绕组轴线在空间的相对位置。轴线在空间的相对位置。 6.2 旋转变压器旋转变压器CNC主要内容 562221110U1=UmsintU1=UmsintU1=Umsint定子转子激磁输出U1U2tt=0 2=0U2=0 =90 2=k 1U2=nUmsint0 2=k 1sinU2=nUmsintsinU2 nU1sin6.2 旋转变压器旋转变压器CNC主要内容6.2 旋转变压器旋转变压器单极型旋转变压器的定子和转子单极型旋转变压器的定子和转子各有一对磁极各有一对磁极，假设加到定子绕组的假设加到定子绕组的励磁电压为励磁电压为U U1 1，则转子通过，则转子通过

9、电磁耦合，电磁耦合，产生感应电势产生感应电势U U2 2。tUUmsin1sinsinsin12tnUnUUm Um励磁电压幅值励磁电压幅值n绕组匝数比绕组匝数比转子偏转角转子偏转角CNC主要内容6.2 旋转变压器旋转变压器 562221110U1=UmsintU1=UmsintU1=Umsint定子转子激磁输出U1U2tt=0 2=0U2=0 =90 2=k 1U2=nUmsint0 2=k 1sinU2=nUmsintsintUUmsin12sinsinmUnUtCNC主要内容6.2 旋转变压器旋转变压器45 U1sU1cRU2转子定子cossin112cskUkUU 1c 1s 1cco

10、s 1ssin CNC主要内容6.2 旋转变压器旋转变压器CNC主要内容6.2 旋转变压器旋转变压器1 1鉴相工作方式鉴相工作方式给定子的两个绕组通以相同幅值、相同频率，给定子的两个绕组通以相同幅值、相同频率，但相位差但相位差/2/2的交流励磁电压的交流励磁电压 U U1s1sU Um msintsint U U1c1cU Um m（sint+/2sint+/2）U Um mcostcost当转子正转时当转子正转时，这两个励磁电压在转子绕组，这两个励磁电压在转子绕组中产生的感应电压经叠加，得到转子的感应中产生的感应电压经叠加，得到转子的感应电压电压U U2 2为为 cossin112cskUk

11、UUCNC主要内容6.2 旋转变压器旋转变压器U U2 2kUkUm msintsinsintsinkUkUm mcostcoscostcos =kU =kUm mcoscos（t-t-）当转子反转时当转子反转时，同样可得到，同样可得到 U U2 2k k U Um mcoscos（tt+ +）转子输出电压的相位角和转子输出电压的相位角和间有严格对应关系，只要间有严格对应关系，只要检测出转子输出电压的相位角，就可以求得检测出转子输出电压的相位角，就可以求得 ，也就，也就可得到被测轴的角位移。可得到被测轴的角位移。实际应用时，把定子余弦绕组励磁电压的相位作为基实际应用时，把定子余弦绕组励磁电压的

12、相位作为基准相位，与转子绕组的输出电压相位做比较，来确定准相位，与转子绕组的输出电压相位做比较，来确定的大小。的大小。 CNC主要内容6.2 旋转变压器旋转变压器2鉴幅工作方式鉴幅工作方式 给定子的两个绕组分别通以频率相同、相位相给定子的两个绕组分别通以频率相同、相位相同、幅值分别按正弦和余弦变化的交流励磁电同、幅值分别按正弦和余弦变化的交流励磁电压，即压，即 U1sUmsin sint U1c= Umcos sint CNC主要内容6.2 旋转变压器旋转变压器转子正转时转子正转时，U1s、U1c经叠加，转子感应电压经叠加，转子感应电压U2为：为：U2kUmsinsintsink Umcoss

13、intcos kUmcos（）sint转子反转时转子反转时，同理有：，同理有： U2kUmcos（） sintU2的幅值分别为的幅值分别为: :kUmcos（）、）、kUmcos（）转子感应电压的转子感应电压的幅值幅值随转子的随转子的偏转角偏转角而变化。测量出而变化。测量出幅值可测出幅值可测出 转角。转角。CNC主要内容三、旋转变压器的应用三、旋转变压器的应用 由角位移如何计算直线位移由角位移如何计算直线位移?将旋转变压器安装在数控机床的丝杠上，当将旋转变压器安装在数控机床的丝杠上，当角从角从0变化到变化到360时，表示丝杠上的螺母走了一个导程，时，表示丝杠上的螺母走了一个导程，就间接地测量了

14、丝杠的直线位移（导程）的大小。就间接地测量了丝杠的直线位移（导程）的大小。要检测工作台的绝对位置，需加一台要检测工作台的绝对位置，需加一台绝对位置计数器绝对位置计数器，累计所走的导程数，折算成位移总长度。累计所走的导程数，折算成位移总长度。6.2 旋转变压器旋转变压器CNC6.3 感应同步器感应同步器感应同步器原理同旋转变压器，其输出电压随被测直线位感应同步器原理同旋转变压器，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。根据用途和结构特点分：直线式、旋转式两类。根据用途和结构特点分：直线式、旋转式两类。直线式：定尺、滑尺，测直线位移，用于闭环伺服系统。直线式：定尺、滑尺，测直线位

15、移，用于闭环伺服系统。旋转式：定子、转子，测角位移，用于半闭环伺服系统。旋转式：定子、转子，测角位移，用于半闭环伺服系统。6.3 感应同步器感应同步器CNC6.3.1 感应同步器的结构感应同步器的结构6.3 感应同步器感应同步器（固定在床身上）（固定在床身上）（安装在移动部件上）（安装在移动部件上）平行，间隙为平行，间隙为0.250.250.05mm0.05mmCNC6.3 感应同步器感应同步器w22（a2+b2）w12（a1+b1）一般一般w1w2 或或 w12/3 w2CNC6.3 感应同步器感应同步器（当正弦绕组与定尺（当正弦绕组与定尺绕组对齐时，绕组对齐时，余弦绕组与定尺绕组余弦绕组与

16、定尺绕组相差相差1/41/4节距。）节距。）CNC6.3 感应同步器感应同步器“节距节距”是衡量感应同步器精度的主要参数。是衡量感应同步器精度的主要参数。 标准直线感应同步器定尺长标准直线感应同步器定尺长250mm，滑尺长，滑尺长100mm，节距为节距为2mm。CNC6.3 感应同步器感应同步器结构：结构：CNC转子绕组：连续绕组；转子绕组：连续绕组；定子绕组：分段式、两相正交（相差定子绕组：分段式、两相正交（相差90电角度）电角度）sin绕组、绕组、cos绕组绕组6.3 感应同步器感应同步器CNC6.3.2 感应同步器的安装感应同步器的安装 定尺定尺安装在机床的不动部件上；安装在机床的不动部

17、件上；滑尺滑尺安装在机床的移动部件上。安装在机床的移动部件上。安装防护罩：防止切屑和油污浸入安装防护罩：防止切屑和油污浸入必须保持定尺和滑尺平行、两平面的间隙约必须保持定尺和滑尺平行、两平面的间隙约为为025005mm，其它安装要求视具体的，其它安装要求视具体的产品说明而定。保证定尺和滑尺在全部工作产品说明而定。保证定尺和滑尺在全部工作长度上正常耦合，减少测量误差。长度上正常耦合，减少测量误差。6.3 感应同步器感应同步器CNC直线感应同步器的标准定尺长度一般为直线感应同步器的标准定尺长度一般为250mm，测量范，测量范围增加时，将定尺接长。围增加时，将定尺接长。根据具体使用情况，按一定步骤和

18、要求拼接定尺根据具体使用情况，按一定步骤和要求拼接定尺 定尺全部接好后，采用定尺全部接好后，采用激光干涉仪激光干涉仪或或量块加千分表量块加千分表进行全进行全长误差测量，使总长度上的累积误差长误差测量，使总长度上的累积误差单块定尺的最大偏单块定尺的最大偏差。差。 6.3 感应同步器感应同步器CNC6.3.3 感应同步器工作原理感应同步器工作原理 正弦绕组余弦绕组滑尺定尺2/2UdUsUc6.3 感应同步器感应同步器滑尺、定尺间发生相对位移，由于电磁耦合的滑尺、定尺间发生相对位移，由于电磁耦合的变化，使感应绕组中的感应电压随位移的变化变化，使感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化。而变化。CNC6

19、.3 感应同步器感应同步器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ABCDCNC 当滑尺移动距离为当滑尺移动距离为 2 2 ，V V2 2 变化变化 2 2 , ,当移动当移动 x x时，则对时，则对应感应电压以余弦函数变化应感应电压以余弦函数变化 角度角度。可得可得 设设 表示滑尺上一相绕组的励磁电压表示滑尺上一相绕组的励磁电压则定尺绕组感应电压为则定尺绕组感应电压为22xxx22tVVmssintKVKVVmssincoscos26.3 感应同步器感应同步器CNC1 1. .鉴相工作方式鉴相工作方式 供给滑尺的正、余弦绕组的励磁信号是供给滑尺的正、余弦绕组的励磁

20、信号是频率、频率、幅值相同，相位相差幅值相同，相位相差90900 0的交流励磁电压的交流励磁电压 根据叠加原理，定尺上的总感应电压为根据叠加原理，定尺上的总感应电压为 通过鉴别定尺感应输出电压的相位，即可测量通过鉴别定尺感应输出电压的相位，即可测量定尺和滑尺之间的相对位移。定尺和滑尺之间的相对位移。tVVtVVmcmscossin)sin(2coscoscossin2tKVtKVtKVVmmm6.3 感应同步器感应同步器xx22CNCxx22 例如：例如：定尺感应输出电压与滑尺励磁电压之间的相位差定尺感应输出电压与滑尺励磁电压之间的相位差为为3.63.60 0，表明滑尺移动了多少，表明滑尺移动

21、了多少mmmm？2mm6.3 感应同步器感应同步器(0.02mm)(0.02mm)CNC将将 称为称为相移相移位移转换系数位移转换系数。例：设节距例：设节距2 2=2，则，则 若脉冲当量若脉冲当量2m/脉冲，则脉冲，则相移系数相移系数为为 xmmx/1801脉冲/36. 0180002. 06.3 感应同步器感应同步器CNC 供给滑尺上正、余弦绕组的励磁电压的频率相同、供给滑尺上正、余弦绕组的励磁电压的频率相同、相位相同但幅值不同。相位相同但幅值不同。 2.鉴幅工作方式鉴幅工作方式tVVtVVmcmssincossinsin则在定尺绕组产生的总感应电压为则在定尺绕组产生的总感应电压为sinsi

22、ncoscossinsin2tKVtKVVmmtKVmsinsin6.3 感应同步器感应同步器若电气角若电气角已知，只要测出已知，只要测出V2幅值，便能求出与位移幅值，便能求出与位移对应的角度对应的角度。实际测量时，不断调整。实际测量时，不断调整 ，让幅值为，让幅值为零。则零。则的变化量就代表了的变化量就代表了对应的位移量，就可测对应的位移量，就可测得机械位移。得机械位移。 CNC6.4 光栅光栅通常意义上讲，光栅按用途分有两大类：通常意义上讲，光栅按用途分有两大类：物理光栅物理光栅（衍射光栅）：（衍射光栅）：200500条条/，栅距，栅距0.0020.005，主要是利，主要是利用光的衍射原理

23、，用于光谱分析和光波波长的测用光的衍射原理，用于光谱分析和光波波长的测定。定。计量光栅计量光栅：25条条/、50条条/、100条条/、250条条/等，栅距等，栅距0.0040.04，主要是利用光的透射和反射现象，主要是利用光的透射和反射现象，用于数控机床闭环检测系统。用于数控机床闭环检测系统。6.4 光栅光栅CNC6.4.1 光栅的种类光栅的种类按形状按形状：长光栅（直线光栅）、圆光栅。：长光栅（直线光栅）、圆光栅。长光栅检测线位移，圆光栅测量角位移长光栅检测线位移，圆光栅测量角位移直线光栅直线光栅按制作原理按制作原理：玻璃透射光栅、金属反射：玻璃透射光栅、金属反射光栅。光栅。 6.4 光栅光

24、栅CNC长光栅长光栅（1）玻璃透射光栅玻璃透射光栅是在玻璃的表面上用真空镀膜法镀一层金属膜，再涂是在玻璃的表面上用真空镀膜法镀一层金属膜，再涂上一层均匀的感光材料，用照相腐蚀法制成透明与不上一层均匀的感光材料，用照相腐蚀法制成透明与不透明间隔相等的线纹，也有用刻蜡、腐蚀、涂黑工艺透明间隔相等的线纹，也有用刻蜡、腐蚀、涂黑工艺制成的。制成的。特点：特点：1）光源可采用垂直入射，光电元件可直接接受光信）光源可采用垂直入射，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；号，因此信号幅度大，读数头结构比较简单；2）每毫米上线纹数多，一般为）每毫米上线纹数多，一般为100、125、250

25、条条/mm/mm，经过电路细分，可做到微米级的分辨率。经过电路细分，可做到微米级的分辨率。 6.4 光栅光栅CNC（2）金属反射光栅金属反射光栅：在钢尺或不锈钢的镜面上用照相：在钢尺或不锈钢的镜面上用照相腐蚀法或用钻石刀刻划制成的光栅线纹；常用的线纹数腐蚀法或用钻石刀刻划制成的光栅线纹；常用的线纹数为为4、10、25、40、50条条/mm ，分辨率低。，分辨率低。特点：特点：1）标尺光栅的线膨胀系数很容易做到与机床材料一致；）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；）标尺光栅的安装和调整比较方便；3）安装面积较小；）安装面积较小；4）易于接长或制成整根的

26、钢带长光栅；）易于接长或制成整根的钢带长光栅；5）不易碰碎。）不易碰碎。6.4 光栅光栅CNC圆光栅圆光栅在玻璃圆盘外环端面上，做成黑白相间的条纹，在玻璃圆盘外环端面上，做成黑白相间的条纹，条纹呈辐射状，相互间夹角（称为栅距角）相等。条纹呈辐射状，相互间夹角（称为栅距角）相等。6.4 光栅光栅CNC6.4.2光栅的结构与测量原理光栅的结构与测量原理 （以玻璃透射式直线光栅为例以玻璃透射式直线光栅为例）1光栅的结构光栅的结构组成：组成：标尺光栅（长光栅）、光栅读数头标尺光栅（长光栅）、光栅读数头 标尺光栅与行程等长，通常光栅长度为标尺光栅与行程等长，通常光栅长度为1m，行程，行程大于大于1m时，

27、需要将光栅接长时，需要将光栅接长安装：标尺光栅安装：标尺光栅一般安装在机床活动部件上（如工作台一般安装在机床活动部件上（如工作台上或丝杠上）上或丝杠上）, ,光栅读数头光栅读数头安装在机床固定部件上（如机安装在机床固定部件上（如机床底座上）。指示光栅（短光栅）装在光栅读数头中。床底座上）。指示光栅（短光栅）装在光栅读数头中。6.4 光栅光栅CNC光栅的结构与测量原理光栅的结构与测量原理光栅读数头组成：光光栅读数头组成：光源、透镜、指示光栅、源、透镜、指示光栅、光敏元件、驱动线路。光敏元件、驱动线路。常见结构常见结构按光路分按光路分：分光读数头、垂直入分光读数头、垂直入射读数头、反射读数射读数头

28、、反射读数头头作用：将莫尔条纹的作用：将莫尔条纹的光信号转换成电脉冲光信号转换成电脉冲信号。信号。 SPL2G2G1L1QG1G2PLtQL1G1G2L2PQCNC光栅光栅6.4 光栅光栅CNC尺身尺身尺身安装孔尺身安装孔 光栅读数头光栅读数头 （与移动部件固定）（与移动部件固定）可移动电缆可移动电缆6.4 光栅光栅CNC不透光条纹宽度（缝隙宽度）不透光条纹宽度（缝隙宽度）a，透光宽度（刻线宽，透光宽度（刻线宽度）度）b，通常，通常a=b，栅距栅距da+b。安装时要严格保证标尺光栅和指示光栅的平行度安装时要严格保证标尺光栅和指示光栅的平行度( (一一般为般为0.1mm0.1mm之内之内) )及

29、两者之间的间隙（一般及两者之间的间隙（一般0.050.1）ab标尺光栅指示光栅d6.4 光栅光栅CNC2光栅的基本测量原理光栅的基本测量原理两光栅尺沿线纹方向保持一个很小的夹角两光栅尺沿线纹方向保持一个很小的夹角、刻划面平行且有一个很小间隙（一般刻划面平行且有一个很小间隙（一般0.05mm，0.1mm）在光源照射下，在与两光栅线纹角在光源照射下，在与两光栅线纹角的平分线的平分线相垂直的方向上，形成明暗相间条纹相垂直的方向上，形成明暗相间条纹莫尔莫尔条纹条纹（横向莫尔条纹），两条亮（横向莫尔条纹），两条亮（暗暗）纹间的）纹间的距离称莫尔条纹宽度距离称莫尔条纹宽度 w 。6.4 光栅光栅均匀刻线均

30、匀刻线标尺标尺光栅光栅指示光指示光栅栅夹角夹角明暗相间明暗相间条纹条纹莫尔条纹莫尔条纹移动移动CNC标尺光栅标尺光栅指示光栅指示光栅dCNCd标尺光栅标尺光栅指示光栅指示光栅CNCd标尺光栅标尺光栅指示光栅指示光栅CNCWWd标尺光栅标尺光栅指示光栅指示光栅均匀刻线均匀刻线标尺标尺光栅光栅指示光指示光栅栅夹角夹角明暗相间明暗相间条纹条纹莫尔条纹莫尔条纹移动移动CNC莫尔条纹特性：莫尔条纹特性：（1）光学放大作用光学放大作用标尺光栅指示光栅dw/22cos2sin222dddwtg放大比放大比k为为 ：1dwk若若d=0.01mm，0.01rad，则，则w1mm，k100 6.4 光栅光栅xdw

31、xwxtg2cos222CNC（2）均化误差作用）均化误差作用莫尔条纹莫尔条纹 大量光栅线纹形成大量光栅线纹形成 误差平均效应误差平均效应 克服个别克服个别/ /局部误差局部误差 提高精度提高精度 （3）莫尔条纹移动与栅距移动成比例莫尔条纹移动与栅距移动成比例光栅移动一栅距光栅移动一栅距d d 莫尔条纹移动一个间距莫尔条纹移动一个间距w w光栅移动方向相反，莫尔条纹移动方向也相反。光栅移动方向相反，莫尔条纹移动方向也相反。莫尔条纹移动方向与两光栅夹角莫尔条纹移动方向与两光栅夹角移动方向垂直。移动方向垂直。可通过检测莫尔条纹移动的变化，测量光栅水平方向移可通过检测莫尔条纹移动的变化，测量光栅水平

32、方向移动的微小距离。动的微小距离。在一个栅距在一个栅距d内，光电元件所检测的光强变化为正弦内，光电元件所检测的光强变化为正弦（或余弦）变化。（或余弦）变化。6.4 光栅光栅CNC6.6.3 光栅测量系统光栅测量系统 P1P2P3P4硅光电池差动放大器整形器差动放大器整形器方向判别门电路可逆计数器控制回路正向脉冲反向脉冲标尺光栅指示光栅聚光镜光源标尺光栅移动，莫尔条纹交替由亮带到暗带、暗标尺光栅移动，莫尔条纹交替由亮带到暗带、暗带到亮带，带到亮带，光强度分布近似正弦曲线光强度分布近似正弦曲线，光电元件，光电元件变为同频率电压信号，经光栅位移变为同频率电压信号，经光栅位移数字变换电数字变换电路放大

33、、整形、微分输出脉冲。每产生一个脉冲，路放大、整形、微分输出脉冲。每产生一个脉冲，就代表移动了一个栅距，通过对脉冲计数便可得就代表移动了一个栅距，通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离到工作台的移动距离6.4 光栅光栅CNC6.4 光栅光栅增加线纹密度，但制造较困难，成本高。增加线纹密度，但制造较困难，成本高。采用采用倍频倍频的方法来提高光栅的分辨精度。的方法来提高光栅的分辨精度。 在莫尔条纹的宽度内，放置四个光电元件，每隔在莫尔条纹的宽度内，放置四个光电元件，每隔1/41/4光栅栅距产生一个脉冲，一个脉冲代表移动了光栅栅距产生一个脉冲，一个脉冲代表移动了1/41/4栅距的位移，分辨精度可提高

34、四倍，这就是四栅距的位移，分辨精度可提高四倍，这就是四倍频方案。倍频方案。 一个光电元件一个光电元件只能计数只能计数, ,无法判断移动方向无法判断移动方向如何辩向？如何辩向？如何提高光栅检测装置的精度如何提高光栅检测装置的精度?CNC差 动放大器整形&1微分微分反相&（sin）（sin）差 动放大器整形微分微分反相（cos）（cos）&1Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8H2P1P2P3P4CABDCABDABADCDBCBCABADCDH1正向脉冲反向脉冲（sin）（cos）正向反向ABCD相加ABCD相加DCBA正向时上升沿微分反向时上升沿微分6.4 光栅光栅四倍频鉴相电路CNC鉴向倍频电路

35、作用鉴向倍频电路作用: :辨向、细分，提高光栅的分辨力辨向、细分，提高光栅的分辨力莫尔条纹原莫尔条纹原1 1个脉冲信号：个脉冲信号：0、90、180、270都有都有脉冲输出，一个周期内送出脉冲输出，一个周期内送出4个脉冲。分辨力提高个脉冲。分辨力提高4倍。倍。分辨力取决于光栅栅距分辨力取决于光栅栅距 d 和鉴向倍频的倍数和鉴向倍频的倍数 n，即：分，即：分辨力辨力d/n。例：光栅线纹密度例：光栅线纹密度50条条/mm（栅距（栅距20m），经），经4倍频处理倍频处理后，线纹密度提高到后，线纹密度提高到200条条/mm，工作台每移动，工作台每移动5m送出送出一个脉冲，即分辨力为一个脉冲，即分辨力为

36、5m，提高，提高4倍。倍。6.4 光栅光栅CNC6.5 编码器编码器编码器（码盘）编码器（码盘）: :旋转式测量元件，装在被测旋转式测量元件，装在被测 轴上，随之一起转动，将被轴上，随之一起转动，将被 测轴的角位移转换成增量脉测轴的角位移转换成增量脉 冲形式或绝对式的代码形式。冲形式或绝对式的代码形式。使用的计数制：使用的计数制：二进制、二进制循环码（格雷二进制、二进制循环码（格雷 码）等编码器；码）等编码器；输出信号的形式：输出信号的形式：绝对式、脉冲增量式编码器；绝对式、脉冲增量式编码器；内部结构和检测方式内部结构和检测方式：接触式、：接触式、光电式光电式、电磁式。、电磁式。CNC两种安装

37、方式：两种安装方式：编码器和伺服电编码器和伺服电机同轴联接机同轴联接; ;联接在滚珠丝杠联接在滚珠丝杠末端；末端；工作台工作台丝杠丝杠编码器编码器电机电机6.5 编码器编码器CNC6.5.1 接触式编码器接触式编码器是一种是一种绝对值绝对值式的检测装置，可直接把被测式的检测装置，可直接把被测的角位移用数字代码表示出来，且每一个角的角位移用数字代码表示出来，且每一个角度位置均有表示该位置的唯一对应的代码。度位置均有表示该位置的唯一对应的代码。即使断电或切断电源，也能读出角位移（转即使断电或切断电源，也能读出角位移（转动角度）。动角度）。 6.5 编码器编码器CNC4位二进制码盘位二进制码盘 高位

38、在内，低位在外。高位在内，低位在外。n位二进制码盘，有位二进制码盘，有n圈码道，圆圈码道，圆周均分周均分2n等份等份( (有有2n不同不同位置位置) )，最小分辨角，最小分辨角360/2n。 n 越大，能分辨的角度越小，测量精度越高。越大，能分辨的角度越小，测量精度越高。目前目前n =814位。位。-+电刷绝缘体导电体转轴E00001000100110111010111011111101110001000101011101100010001100012000000001001000110100010101100111100010011010101111001101111011112223212

39、02122236.5 编码器编码器若要求位数更多，采用组合码盘，一个为粗计码盘，若要求位数更多，采用组合码盘，一个为粗计码盘，一个为精计码盘。精计码盘转一个为精计码盘。精计码盘转1 1圈，粗计码盘转圈，粗计码盘转1 1格。格。CNC码盘制作和电刷安装要求十分严格，若电刷恰好码盘制作和电刷安装要求十分严格，若电刷恰好位于两位码中间或电刷接触不良，则电刷的检测位于两位码中间或电刷接触不良，则电刷的检测读数可能会是任意的数字。读数可能会是任意的数字。例：电刷由位置（例：电刷由位置（0111）向位置（）向位置（1000）过渡时，）过渡时，可能会出现可能会出现815之间的任一十进制数。这种误差之间的任一

40、十进制数。这种误差称为称为非单值误差非单值误差。6.5 编码器编码器-+电刷绝缘体导电体转轴E0000100010011011101011101111110111000100010101110110001000110001200000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111222321202122230111-1000，1001 1010， 1011，1100 1101，1110， 1111CNC6.5 编码器编码器格雷格雷码盘：码盘：各码道的数码不同时改变，每次只切换一位数，各码道的数码不同时改变，每次只切换一位

41、数，把误差控制在最小单位内。把误差控制在最小单位内。 1000 1 3 2 6 7 4 12 13 14 15 10 11 9 0000 5 0 0001 0011 0010 0110 0111 0101 1001 1011 1010 1110 1111 1101 0100 1100 8 消除误差：采用消除误差：采用循环码（格雷码）循环码（格雷码）。CNC6.5 编码器编码器二进制码转换成二进制码转换成格雷格雷码的法则是码的法则是： 将二进制码右移一位并舍去末位的数码，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，结果即为再与二进制数码作不进位加法，结果即为格雷格雷码。码。

42、例如，二进制码例如，二进制码11011101对应的对应的格雷格雷码为码为10111011，其演算过程如下：，其演算过程如下： 1101 1101 （二进制码）（二进制码） 11011101（右移一位，舍去末位）（右移一位，舍去末位） 1011 1011 （格雷格雷码）码）CNC接触式绝对值编码器接触式绝对值编码器优点：优点：结构简单、体积小、输出信号强。结构简单、体积小、输出信号强。缺点：缺点：电刷磨损造成寿命降低，转速不能电刷磨损造成寿命降低，转速不能太高（每分钟几十转），精度受码道数限太高（每分钟几十转），精度受码道数限制，使用范围有限。制，使用范围有限。 6.5 编码器编码器CNC6.5

43、.2 光电式编码器光电式编码器 常用光电式编码器（光电码盘、光电脉冲发生常用光电式编码器（光电码盘、光电脉冲发生器、光电脉冲编码器）为器、光电脉冲编码器）为增量式增量式光电编码器，光电编码器，是一种旋转式脉冲发生器是一种旋转式脉冲发生器把把机械的角位移变成电脉冲机械的角位移变成电脉冲，是数控机床常用，是数控机床常用的的角位移角位移检测元件，也可用于检测元件，也可用于角速度检测角速度检测。6.5 编码器编码器CNC高分辨率的脉冲编码器高分辨率的脉冲编码器脉冲编码器每转脉冲移动量（mm）20000脉冲脉冲r2，3，4，6，825000脉冲脉冲r5，1030000脉冲脉冲r3，6，12每转发出每转发

44、出10万乃至几百万个脉冲的编码器已使用，万乃至几百万个脉冲的编码器已使用，该类脉冲编码器装置内部应用了微处理器。该类脉冲编码器装置内部应用了微处理器。脉冲编码器每转脉冲移动量（mm）2000脉冲脉冲r2，3，4，6，82500脉冲脉冲r5，103000脉冲脉冲r3，6，12数控机床常用编码器数控机床常用编码器:根据根据丝杠螺距丝杠螺距来选用。来选用。6.5 编码器编码器CNC6.5 编码器编码器安装：安装：CNC光源、透镜、光栏板、光电码盘、光电元件、信光源、透镜、光栏板、光电码盘、光电元件、信号处理电路号处理电路 码盘及狭缝码盘及狭缝转轴转轴光电元件光电元件光栏板及辨向用光栏板及辨向用的的A

45、 A组、组、B B组狭缝组狭缝光源光源零位标志零位标志C6.5 编码器编码器CNCA A组与组与B B组两组狭缝，彼此错开组两组狭缝，彼此错开1/41/4节距，两组狭缝节距，两组狭缝相对应的光敏元件产生的信号相对应的光敏元件产生的信号A A、 B B彼此相差彼此相差9090 相相位，用于辩向。位，用于辩向。根据脉冲数目可得被测轴的角位移；根据脉冲数目可得被测轴的角位移；根据脉冲频率可得被测轴的转速；根据脉冲频率可得被测轴的转速；根据根据A A、B B两相相位超前滞后关系可判断被测轴旋两相相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方向。转方向。 后续电路可利用后续电路可利用A A、B B两相的两相的909

46、0相位差进行细分相位差进行细分处理（四倍频电路实现）。处理（四倍频电路实现）。6.5 编码器编码器CNC码盘里圈，有一条狭缝码盘里圈，有一条狭缝 C C，每转能产生，每转能产生1 1个脉冲，该脉个脉冲，该脉冲信号又称冲信号又称“零点脉冲零点脉冲”，作为测量的起始基准。，作为测量的起始基准。 作用：作用： 被测轴的周向定位基准信号；被测轴的周向定位基准信号；被测轴的旋转圈数记数信号被测轴的旋转圈数记数信号6.5 编码器编码器CNC测量精度为能分辨的最小角度，分辨角测量精度为能分辨的最小角度，分辨角360/狭缝狭缝数。如条纹数为数。如条纹数为1024，则，则360/10240.352。光电编码器的

47、输出信号为差动信号，进行倍频处理，光电编码器的输出信号为差动信号，进行倍频处理，进一步提高分辨率。进一步提高分辨率。例如：配置例如：配置2000脉冲脉冲r光电编码器的伺服电机直接光电编码器的伺服电机直接驱动驱动8mm螺距的滚珠丝杠，经螺距的滚珠丝杠，经4倍频处理后，相当于倍频处理后，相当于8000脉冲脉冲r的角度分辨率，对应工作台的直线分辨的角度分辨率，对应工作台的直线分辨率由倍频前的率由倍频前的0.004mm提高到提高到0.001mm 。6.5 编码器编码器CNC光电式编码器光电式编码器优点优点：没有接触磨损，码盘寿命长，：没有接触磨损，码盘寿命长，允许转速高，最外圈每片宽度可做得很小，因而允许转速高，最外圈每片宽度可做得很小，因而精度高。精度高。缺点缺点：结构复杂，价格高，光源寿命短。：结构复杂，价格高，光源寿命短。6.5 编码器编码器CNC6.5.4 编码器在数控机床中的应用编码器在数控机床中的应用 6.5 编码器编码器1. 位置检测位置检测(进给系统进给系统) 2. C轴控制轴控制(主轴控制主轴控制) 定向停止定向停止 螺纹加工螺纹加工3. 测速测速4.“零点脉冲零点脉冲”信号用于回参考点控制信号用于回参考点控制