第五章位置检测PPT讲稿.ppt

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1、第五章第五章 位置检测位置检测第1页，共67页，编辑于2022年，星期三2、数控机床对检测装置的主要、数控机床对检测装置的主要要求要求有：有：受温度、湿度的影响小，工作可靠，抗于扰能力强；受温度、湿度的影响小，工作可靠，抗于扰能力强；在机床移动的范围内满足在机床移动的范围内满足精度和速度精度和速度要求；要求；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；成本低；成本低；易于实现高速的动态测量易于实现高速的动态测量。第2页，共67页，编辑于2022年，星期三精度和速度：精度和速度：1）系统精度：在一定长度或转角范围内测量累积误差的最大值；（直线位移测量精度为0.0010.01m

2、m/m；角位移测量精度达10”/360）2）分辨率：测量元件所能检测的最小位移量。不仅取决于检测元件还取决于测量电路。数控机床检测装置的分辨率一般为直线位移10.1m，角位移2”.闭环或半闭环控制的数控机床的加工精度主要由检测系统的精度决定。闭环或半闭环控制的数控机床的加工精度主要由检测系统的精度决定。大型机床以满足大型机床以满足速度速度要求为主。要求为主。对中、小型机床和高精度机床以满足对中、小型机床和高精度机床以满足精度精度为主。为主。位置检测装置的精度主要包括位置检测装置的精度主要包括系统精度系统精度和和分辨率分辨率第3页，共67页，编辑于2022年，星期三类型数 字 式模 拟 式增量式

3、绝对式增量式绝对式回转型增量式脉冲编码器，圆光栅绝对式脉冲编码器旋转变压器，圆感应同步器，圆磁尺多级旋转变压器，3速圆感应同步器直线型计量光栅激光干涉仪多通道透射光栅直线感应同器，磁尺3速直线感应同步器，绝对式磁尺3、位置检测装置分类位置检测装置分类第4页，共67页，编辑于2022年，星期三2）数字式与模拟式数字式：将被测量单位量化后以数字形式表示，测量信号一般为电脉冲，可直接送往CNC装置进行比较处理。特点：便于显示；测量精度取决于测量单位，与量程无关；检测装置简单，抗干扰。模拟式：将被测量用连续的变量表示，如，相位，电压的变化，主要用于小量程测量。特点：直接检测，无需量化；实现高精度测量；

4、可用于直接或间接测量。1）增量式与绝对式增量式：移动一个测量单位就发出一个测量信号。优点：检测装置简单，任何一个对中点可作为测量起点；缺点：对测量信号计数后才能读出。一旦计数有误，全部测量结果出错；断电、换刀时，必须将工作台移至计数起点重新计数。绝对式：被测量的任何位置都以一个固定的零点作基准，每个测量点都有一个相应的测量值。但结构较复杂。第5页，共67页，编辑于2022年，星期三4、速度检测装置、速度检测装置作用：检测与调节电动机的转速。作用：检测与调节电动机的转速。常用的有：测速电机，光电编码器。常用的有：测速电机，光电编码器。3）直接（直线型）与间接（回转型）直接（直线型）与间接（回转型

5、）直接测量：对直线位移采用直线型检测装置测量。测量精度主要取决于测量元件直接测量：对直线位移采用直线型检测装置测量。测量精度主要取决于测量元件（要求检测元件与行程等长），不受传动精度的影响，应用于全闭环系统（要求检测元件与行程等长），不受传动精度的影响，应用于全闭环系统。有。有直线光栅尺和感应同步器。直线光栅尺和感应同步器。间接测量：间接测量：对直线位移采用回转型检测装置测量。在检测信号中有直线转变对直线位移采用回转型检测装置测量。在检测信号中有直线转变为旋转运动的传动链误差，故为旋转运动的传动链误差，故检测角度受传动精度的影响，用于半闭环系统，有光检测角度受传动精度的影响，用于半闭环系统，有

6、光电编码器，旋转变压器。电编码器，旋转变压器。第6页，共67页，编辑于2022年，星期三二、脉冲编码器二、脉冲编码器编码器又称码盘，是一种旋转式测量元件，通常装在被测轴上，随被测编码器又称码盘，是一种旋转式测量元件，通常装在被测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的轴一起转动，可将被测轴的角位移角位移转换成增量转换成增量脉冲形脉冲形式或绝对式的代码形式。式或绝对式的代码形式。1、分类、分类根据输出信号的形式的不同，可分为根据输出信号的形式的不同，可分为绝对值式编码器绝对值式编码器和和脉冲增量式编码器脉冲增量式编码器。根据内部结构和检测方式可分为根据内部结构和检测方式可分为接触式接触式、光电式光电

7、式和和电磁式电磁式三种。三种。就精度和可靠性来讲，就精度和可靠性来讲，光电式脉冲编码器优于其它两种光电式脉冲编码器优于其它两种，数控机床上主要使数控机床上主要使用用光电式。光电式。2、在数控机床中的安装方式、在数控机床中的安装方式内装式：内装式：与伺服电机同轴联接在一起，伺服电机再和滚珠丝杠联接，编码与伺服电机同轴联接在一起，伺服电机再和滚珠丝杠联接，编码器在进给传动链的前端；器在进给传动链的前端；外装式：外装式：联接在滚珠丝杠末端联接在滚珠丝杠末端。内装式安装方便，外装式控制精度高。内装式安装方便，外装式控制精度高。第7页，共67页，编辑于2022年，星期三光源光源Lightsource透镜

8、透镜Focussinglens指示光栅指示光栅Scamingplate圆光栅圆光栅Disc光电元件光电元件Photoelements。3、光电式（增量式）光电式（增量式）脉冲编码器脉冲编码器它的型号是用脉冲数它的型号是用脉冲数/转（转（p/r）来区分，）来区分，数控机床常用数控机床常用2000、2500、3000p/r等，等，现在已有每转发现在已有每转发10万个脉冲的脉冲编码器。万个脉冲的脉冲编码器。第8页，共67页，编辑于2022年，星期三信号处理装置abz码盘基片透镜光源光敏元件透光狭缝光栏板节距m+/4光栏板：固定不转，上有零位狭缝（码光栏板：固定不转，上有零位狭缝（码光栏板：固定不转，

9、上有零位狭缝（码光栏板：固定不转，上有零位狭缝（码盘基片）及辩向狭缝（相差盘基片）及辩向狭缝（相差盘基片）及辩向狭缝（相差盘基片）及辩向狭缝（相差1/41/4节距）；节距）；节距）；节距）；光电码盘（圆光栅）：与轴一起转；光电码盘（圆光栅）：与轴一起转；光电码盘（圆光栅）：与轴一起转；光电码盘（圆光栅）：与轴一起转；1）结构）结构第9页，共67页，编辑于2022年，星期三2）原理）原理第10页，共67页，编辑于2022年，星期三当圆光栅旋转时，光线透过两当圆光栅旋转时，光线透过两个光栅的线纹部分，形成明暗条个光栅的线纹部分，形成明暗条纹。光电元件接受这些明暗相间纹。光电元件接受这些明暗相间的光

10、信号，转换为交替变化的电的光信号，转换为交替变化的电信号，该信号为两组近似于正弦信号，该信号为两组近似于正弦波的电流信号波的电流信号A和和B，A和和B信号的信号的相位相差相位相差90，用于辩向。经放大，用于辩向。经放大整形后变成方波，形成两个光栅整形后变成方波，形成两个光栅的信号。的信号。光电编码器还有一个光电编码器还有一个“一转脉冲一转脉冲”，称为，称为Z相脉冲，每转产生一个，用来产生机床的基准点。相脉冲，每转产生一个，用来产生机床的基准点。后来的脉冲被送到计数器，根据脉冲的数目，可测出轴的转角，根据脉冲的频率，后来的脉冲被送到计数器，根据脉冲的数目，可测出轴的转角，根据脉冲的频率，可测出轴

11、的转速；通过测量可测出轴的转速；通过测量AB信号相位的超前与滞后，可确定轴的旋转方向。信号相位的超前与滞后，可确定轴的旋转方向。脉冲编码器输出信号有脉冲编码器输出信号有A、B、Z、等信号，这些信号作为位移测量脉冲以及经等信号，这些信号作为位移测量脉冲以及经过频率过频率/电压变换作为速度反馈信号，进行速度调节。电压变换作为速度反馈信号，进行速度调节。第11页，共67页，编辑于2022年，星期三3）在数控机床中的应用在数控机床中的应用位移测量位移测量由于增量式光电编码器每转过一个分辨角就发出一个脉冲信号，由于增量式光电编码器每转过一个分辨角就发出一个脉冲信号，因此，根据脉冲的数量因此，根据脉冲的数

12、量M、传动比、传动比i及滚珠丝杠螺距及滚珠丝杠螺距S即可得出移动部件的直线即可得出移动部件的直线位移量位移量。在数控回转工作台中，通过在回转轴末端安装编码器，可直接测量。在数控回转工作台中，通过在回转轴末端安装编码器，可直接测量回转工作台的角位移量。回转工作台的角位移量。主轴控制主轴控制主运动（主轴控制）中采用编码器，则成为具有位置控制功主运动（主轴控制）中采用编码器，则成为具有位置控制功能的主轴控制系统。能的主轴控制系统。测速测速光电编码器输出脉冲的频率与其转速成正比，因此，光电编码光电编码器输出脉冲的频率与其转速成正比，因此，光电编码器可代替测速发电机的模拟测速而成为数字测速装置。器可代替

13、测速发电机的模拟测速而成为数字测速装置。零脉冲用于回参考点控制零脉冲用于回参考点控制当数控机床采用当数控机床采用增量式增量式的位置检测装置时，的位置检测装置时，数控机床在接通电源后要做回到参考点的操作。数控机床在接通电源后要做回到参考点的操作。第12页，共67页，编辑于2022年，星期三 光电式脉冲编码器通常与电机做在一起，或者安装在电机非轴伸端，电动机可直接与滚珠丝杠相连，或通过减速比为i的减速齿轮，然后与滚珠丝杠相连，那么每个脉冲对应机床工作台移动的距离可用下式计算：式中式中脉冲当量（脉冲当量（mm/脉冲）；脉冲）；S滚珠丝杠的导程（滚珠丝杠的导程（mm）；）；i减速齿轮的减速比；减速齿轮

14、的减速比；M脉冲编码器每转的脉冲数（脉冲编码器每转的脉冲数（p/r）。）。位移测量位移测量第13页，共67页，编辑于2022年，星期三 可以用来测量转速，但最高允许测量转速受脉冲发生器单次脉冲宽度的限制，可用下式计算：转速测量转速测量第14页，共67页，编辑于2022年，星期三AB相差相差90度用于计数及方向判别；度用于计数及方向判别；C用于回参考点，通过倍频电路来提高分辨用于回参考点，通过倍频电路来提高分辨率率第15页，共67页，编辑于2022年，星期三应用应用第16页，共67页，编辑于2022年，星期三是一种绝对式的检测装置，可直接把被测转角用数字代码表示出来，且每一是一种绝对式的检测装置

15、，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表示该位置的唯一对应的测量代码，电源切除后，位置信息不丢个角度位置均有表示该位置的唯一对应的测量代码，电源切除后，位置信息不丢失，仍能读出转动角度。失，仍能读出转动角度。以接触式四位绝对编码器为例来说明其工作原理。以接触式四位绝对编码器为例来说明其工作原理。4、接触式（绝对式）编码器、接触式（绝对式）编码器第17页，共67页，编辑于2022年，星期三说明说明涂黑部分是导电区，按导电为涂黑部分是导电区，按导电为“1”、绝缘为、绝缘为“”组成二进制码，组成编码组成二进制码，组成编码的各圈称为码道。最里一圈是公共圈，与各码道所有导电部分连在一

16、起，经电的各圈称为码道。最里一圈是公共圈，与各码道所有导电部分连在一起，经电刷和电阻接电源的负极。对应刷和电阻接电源的负极。对应4个码道也并排安装有个码道也并排安装有4个电刷，经电阻接到电源个电刷，经电阻接到电源正极。码盘与被测轴连在一起，电刷位置固定，当被测转轴带动编码盘一起转正极。码盘与被测轴连在一起，电刷位置固定，当被测转轴带动编码盘一起转动时，电刷和码盘的位置相对变化，若电刷接触的是导电区，则经电刷、码盘、动时，电刷和码盘的位置相对变化，若电刷接触的是导电区，则经电刷、码盘、电阻和电源形成回路，电阻上有电流通过，为电阻和电源形成回路，电阻上有电流通过，为“1”，反之，为，反之，为“0”

17、。由此根。由此根据与电刷串联的电阻上有无电流流过，得到相应的二进制代码。据与电刷串联的电阻上有无电流流过，得到相应的二进制代码。n码道的圈数就是二进制的位数，并且高位在内，低位在外。若是n位二进制码盘，就有n圈码道，圆周均分2n份，即共有2n个数据表示其位置，所能分辨的最小角度为n位数越大，分辨的角度越小，测量精度就越高。目前，一般可以做到814位二进制。第18页，共67页，编辑于2022年，星期三 导电区，用“1”表示；绝缘区，用“0”表示。每一径向，由若干同心圆组成的图案代表了某一绝对计数值，通常，我们把组成编码的各圈称为码道，码盘最里圈是公用的，它和各码道所有导电部分连在一起，经电刷和电

18、阻接电源负极。在接触式码盘的每个码道上都装有电刷，电刷经电阻接到电源正极。当检测对象带动码盘一起转动时，电刷和码盘的相对位置发生变化，与电刷串联的电阻将会出现有电流通过或没有电流通过两种情况。若回路中的电阻上有电流通过，为“1”；反之，电刷接触的是绝缘区，电阻上无电流通过，为“0”。如果码盘顺时针转动，就可依次得到按规定编码的数字信号输出，图示为4位二进制码盘，根据电刷位置得到由“1”和“0”组成的二进制码，输出为0000、0001、00101111。码道的圈数就是二进制的位数，且高位在内，低位在外。其分辨角360o/24=22.5o，若是n位二进制码盘，就有n圈码道，分辨角360o/2n，码

19、盘位数越大，所能分辨的角度越小，测量精度越高。若要提高分辨力，就必须增多码道，即二进制位数增多。目前接触式码盘一般可以做到9位二进制，光电式码盘可以做到18位二进制。用二进制代码做的码盘，如果电刷安装不准，会使得个别电刷错位，而出现很大的数值误差。第19页，共67页，编辑于2022年，星期三第20页，共67页，编辑于2022年，星期三n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。n 例如，二进制码1101对应的葛莱码

20、为1011，其演算过程如下n 1101（二进制码）n 110(1)（不进位相加，舍去末位）n 1011（葛莱码）第21页，共67页，编辑于2022年，星期三第22页，共67页，编辑于2022年，星期三n优点：n结构简单、体积小、输出信号强。n缺点：n电刷磨损造成寿命降低，转速不能太高（几十转/分），精度受外圈码道宽度限制第23页，共67页，编辑于2022年，星期三三、感应同步器三、感应同步器（一）感应同步器的结构与安装（一）感应同步器的结构与安装1、结构、结构 转子绕组为连续式；定子绕组为分段式，有两相正交绕组，交差分布成90电角度。基板材料采用不锈钢、硬铝等，绕组用厚0.05mm的铜箔。n由

21、定子、转子组成n测量角位移，用于半闭环系统（1）圆盘式）圆盘式第24页，共67页，编辑于2022年，星期三（2）直线式）直线式定尺绕组为连续式；滑尺绕组为分段式，有两相正交绕组，称为正、余弦绕组，交差分布成90电角度。节距为2n由定尺、滑尺组成n测量直线位移，用于全闭环伺服系统第25页，共67页，编辑于2022年，星期三定尺定尺 sin cos 节距节距2（2mm）节距节距（0.5mm）绝缘粘胶绝缘粘胶 铜箔铜箔 铝箔铝箔 耐切削液涂层耐切削液涂层 基板基板(钢、铜钢、铜)滑尺滑尺滑尺滑尺第26页，共67页，编辑于2022年，星期三2、安装、安装n定尺安装在机床的不动部件上；滑尺安装在机床的移

22、动部件上。为防止油污和切屑侵入，一般安装防护罩。n安装时，必须保持定尺、滑尺平行、尺面间隙0.250.05mm。n标准定尺长度一般为250mm，当需要增加测量范围时，可接长。具体步骤：（1）将选好的定尺初步安装在定尺座上，将滑尺安装在可动滑台上，调好之间的基本尺寸。（2）将滑尺移到第一根定尺的无误差点，使输出指零，固紧第一尺。（3）使用距离测量系统，按无误差点之间的距离（定尺节距为单位），将滑尺准确的移到第二定尺的无误差点，微调第二定尺，使输出指零，固紧第二尺。（4）重复（3），依次固紧所有定尺。全部定尺接好后，须进行全长误差测量，对超差处进行重新调整，使得总长上的累积误差不大于单个定尺的最大

23、偏差。第27页，共67页，编辑于2022年，星期三利用电磁耦合原理，将位移或转角变成电信号。即：使滑尺与定尺相互平行，并保持一定利用电磁耦合原理，将位移或转角变成电信号。即：使滑尺与定尺相互平行，并保持一定的间距。向滑尺通以交流激磁电压，则在滑尺中产生激磁电流，绕组周围产生按正弦规律的间距。向滑尺通以交流激磁电压，则在滑尺中产生激磁电流，绕组周围产生按正弦规律变化的磁场，由电磁感应原理，在定尺上产生感应电压，当滑尺与定尺间产生相对位移时，变化的磁场，由电磁感应原理，在定尺上产生感应电压，当滑尺与定尺间产生相对位移时，由于电磁耦合的变化，使定尺上感应电压随位移的变化而变化（相同频率）。由于电磁耦

24、合的变化，使定尺上感应电压随位移的变化而变化（相同频率）。（二）感应同步器的工作原理（以直线式为例）（二）感应同步器的工作原理（以直线式为例）第28页，共67页，编辑于2022年，星期三当定尺与滑尺重合时，如图中当定尺与滑尺重合时，如图中的的a点，此时的感应电压最大。点，此时的感应电压最大。当滑尺相对于定尺平行移动后，当滑尺相对于定尺平行移动后，其感应电压逐渐变小。在错开其感应电压逐渐变小。在错开1/4节距的节距的b点，感应电压为零。点，感应电压为零。依次类推，在依次类推，在1/2节距的节距的c点，点，感应电压幅值与感应电压幅值与a点相同，极点相同，极性相反；在性相反；在3/4节距的节距的d点

25、又变点又变为零。为零。感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理滑尺每移动一个节距，感应电滑尺每移动一个节距，感应电压变化一个周期。压变化一个周期。第29页，共67页，编辑于2022年，星期三（三）感应同步器的应用（三）感应同步器的应用按励磁方式：n1、以滑尺励磁，以定尺取出感应电动势信号；n2、以定尺励磁，以滑尺取出感应电动势信号。目前以第一种为多见按信号处理方式：n1、鉴相式n2、鉴幅式第30页，共67页，编辑于2022年，星期三前提：供给滑尺的励磁信号为频率、幅值相同，相位角相差前提：供给滑尺的励磁信号为频率、幅值相同，相位角相差90的交流的交流电压。电压。根据线性叠加原理，在定尺上的工作

26、绕组中的感应电压为：根据线性叠加原理，在定尺上的工作绕组中的感应电压为：励磁角频率。励磁角频率。滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角电磁耦合系数。电磁耦合系数。1、鉴相型系统鉴相型系统方式：方式：第31页，共67页，编辑于2022年，星期三设相-位移转换系数通通过测过测量定尺感量定尺感应电压应电压的相位的相位，可以，可以测测量定量定尺相尺相对对滑尺的位移滑尺的位移x x节距为节距为2mm，即，即,则则若脉冲当量若脉冲当量则相位移为：则相位移为：例如定尺感应输出电压与滑尺励磁电压之间的相位差为例如定尺感应输出电压与滑尺励磁电压之间的相位差为3.60，等节距的情况下

27、，等节距的情况下，表明滑尺移动了表明滑尺移动了0.02mm。第32页，共67页，编辑于2022年，星期三 滑尺滑尺 定尺定尺 机床机床 Vs Vc +x -x 感应同步器鉴相测量系统框图感应同步器鉴相测量系统框图放大滤波基准信号发生器脉冲调相器鉴相器放大器激磁供电线路伺服电机速度控制单元第33页，共67页，编辑于2022年，星期三鉴鉴相相型型测测量量系系统统结结构构图图第34页，共67页，编辑于2022年，星期三前提：给滑尺绕组通入相位相同、频率相同，但幅值不同的励磁电压。前提：给滑尺绕组通入相位相同、频率相同，但幅值不同的励磁电压。根据线性叠加原理，在定尺上工作绕组中的感应电压为：根据线性叠

28、加原理，在定尺上工作绕组中的感应电压为：幅值幅值由以上可知，若电气角由以上可知，若电气角已知，只要测出已知，只要测出的幅值便可以间接地求的幅值便可以间接地求出出2、鉴幅型系统鉴幅型系统方式：方式：,从而求出被测位移从而求出被测位移x第35页，共67页，编辑于2022年，星期三 鉴幅式伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此作为位置反馈信号与指令信号进行比较构成闭环伺服系统。由上式可知，若电气角 已知，只要测出U0的幅值，便能求出与位移对应的角度 。实际测量时，不断调整 ，让幅值为零。设初始位置时，=，U0 0，当滑尺相对定尺移动后，随着 不断增加，U0 0。若逐渐改变 值

29、，直至 =，U0 0，此时 的变化量就代表了 对应的位移量，就可测得机械位移。幅值幅值机机滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角第36页，共67页，编辑于2022年，星期三定尺上的感应电压的幅值随指令给定的位移量定尺上的感应电压的幅值随指令给定的位移量与工作台的实与工作台的实际位移际位移的差值按正弦规律变化。鉴幅型系统用于数控机床闭环系的差值按正弦规律变化。鉴幅型系统用于数控机床闭环系统中时，当工作台未达到指令要求值时，即统中时，当工作台未达到指令要求值时，即，定尺上的感应电，定尺上的感应电压压。该电压经过检波放大后控制伺服执行机构带动机床工作台移。该电压经过检波

30、放大后控制伺服执行机构带动机床工作台移动。当工作台移动到动。当工作台移动到时，定尺上的感应电压时，定尺上的感应电压，工作台停，工作台停止运动。止运动。幅值幅值第37页，共67页，编辑于2022年，星期三鉴幅式伺服系统原理框图鉴幅式伺服系统原理框图比较比较器器数模数模转换转换放大放大环节环节速度速度单元单元工作工作台台测量及信号处测量及信号处理电路理电路伺服伺服电机电机进给指令进给指令进给指令进给指令 进入比较器的信号有两路，一路来自进给脉冲，它代表了数控装置要求机床工作台移动的位移量。另一路来自测量及信号处理电路，以数字脉冲形式出现，体现了工作台实际移动的距离。鉴幅式系统工作之前，数控装置和测

31、量元件的信号处理电路都没有脉冲输出，比较器的输出为零，工作台不移动。出现进给脉冲信号后，比较器的输出不为零，经数模转换电路将比较器输出的数字量转化为电压信号，经放大后，由伺服电机带动工作台移动。同时，工作在鉴幅状态的感应同步器的定尺感应出电压信号，经信号处理线路转换成相应的数字脉冲信号，该数字脉冲信号作为反馈信号进入比较器与进给脉冲进行比较。若两者相等，比较器输出为零，工作台不动；若两者不相等，说明工作台实际移动的距离还不等于指令信号要求移动的距离，伺服电机继续带动工作台移动，直到比较器输出为零时停止。第38页，共67页，编辑于2022年，星期三（四）感应同步器的特点：（四）感应同步器的特点：

32、（1）精度高精度高。感应同步器直接对机床工作台的位移进行测量，其。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，其精度可以达到用，定尺本身的精度能做得很高，其精度可以达到0.001mm，重复，重复精度可达精度可达0.002mm。（2）工作可靠，抗干扰能力强工作可靠，抗干扰能力强。在感应同步器绕组的每个周期内测。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。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）

33、维护简单，寿命长维护简单，寿命长。定尺和滑尺之间无接触磨损，在机床上。定尺和滑尺之间无接触磨损，在机床上安装简单。安装简单。（4）测量距离长测量距离长。可以根据测量长度需要，将多块定尺拼接成所需要的。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，适合于大、中型数控机床。长度，就可测量长距离位移，适合于大、中型数控机床。（5）成本低，易于生产成本低，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）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。一个放大倍数很高的前置放大器。第39页，共67页，编辑于2022年，星期

34、三四、光栅四、光栅按用途分为两大类：n物理光栅（衍射光栅）n计量光栅物理光栅（衍射光栅）：n利用光的衍射原理，常用于光谱分析、波长的测定。栅距为0.0020.005mm。计量光栅：计量光栅：n利用光的透射和反射原理，用利用光的透射和反射原理，用于数控机床检测系统。栅距为于数控机床检测系统。栅距为0.0040.25mm。在高精度的数控机床上，可以使用光栅作为位置检测装置，将机械位移转在高精度的数控机床上，可以使用光栅作为位置检测装置，将机械位移转换为数字脉冲，反馈给换为数字脉冲，反馈给CNC装置，实现闭环控制。由于激光技术的发展，光栅装置，实现闭环控制。由于激光技术的发展，光栅制作精度得到很大的

35、提高，现在光栅精度可达微米级，再通过细分电路可以做制作精度得到很大的提高，现在光栅精度可达微米级，再通过细分电路可以做到到0.1m，甚至更高的分辨率，甚至更高的分辨率。早在早在19世纪，光栅的衍射效应就被人们用来进行光谱分析和光波波长的测世纪，光栅的衍射效应就被人们用来进行光谱分析和光波波长的测定等工作，但是将光栅用作长度计量和数控机床的位置传感器使用还是近定等工作，但是将光栅用作长度计量和数控机床的位置传感器使用还是近四、五十年的事。四、五十年的事。第40页，共67页，编辑于2022年，星期三根据形状可分为根据形状可分为圆光栅圆光栅和和长光栅长光栅。长光栅主要用于测量直线位移；圆光栅。长光栅

36、主要用于测量直线位移；圆光栅主要用于测量角位移。主要用于测量角位移。根据光线在光栅中是反射还是透射分为根据光线在光栅中是反射还是透射分为玻璃透射光栅玻璃透射光栅和和金属反射光栅金属反射光栅。透射光栅。透射光栅的基体为光学玻璃，反射光栅的基体为不锈钢带。的基体为光学玻璃，反射光栅的基体为不锈钢带。（一）光栅的种类（一）光栅的种类光栅尺外形图光栅尺外形图按检测量的基准分有：按检测量的基准分有：增量式增量式光栅尺；光栅尺；绝对式光栅尺绝对式光栅尺第41页，共67页，编辑于2022年，星期三(a)透射光栅透射光栅(b)反射光栅反射光栅图中图中Q表示光源，表示光源，L表示透镜，表示透镜，表示标尺光栅，表

37、示标尺光栅，表示指示光栅，表示指示光栅，P表示表示光电元件。光电元件。第42页，共67页，编辑于2022年，星期三增量式光栅尺增量式光栅尺绝对式光栅尺绝对式光栅尺读数头设有一个绝对零点，当停电或其他原因记读数头设有一个绝对零点，当停电或其他原因记错数字时，可以重新对零。在两光栅尺上分别有错数字时，可以重新对零。在两光栅尺上分别有一小段光栅，当这两小段光栅重合时发出零位信一小段光栅，当这两小段光栅重合时发出零位信号，并在数字显示器中显示号，并在数字显示器中显示第43页，共67页，编辑于2022年，星期三光栅尺结构示意图光栅尺结构示意图（二）光栅的结构与原理（二）光栅的结构与原理以透射式直线光栅为

38、例以透射式直线光栅为例第44页，共67页，编辑于2022年，星期三1、结构：、结构：由光源、透镜、由光源、透镜、标尺光栅标尺光栅，指示光栅指示光栅、光电转换元件（读数头）和测量电、光电转换元件（读数头）和测量电路组成。路组成。直线光栅尺通常包括一长和一短两块配套使用，其中长的称为直线光栅尺通常包括一长和一短两块配套使用，其中长的称为标尺光栅标尺光栅或长光栅，或长光栅，一般安装在机床活动部件上（如工作台上或丝杠上），要求与行程等长。一般安装在机床活动部件上（如工作台上或丝杠上），要求与行程等长。光栅读数头光栅读数头安装在机床固定部件上（如机床底座上）。安装在机床固定部件上（如机床底座上）。指示光

39、栅指示光栅或短光栅装在光栅读数头中。或短光栅装在光栅读数头中。当光栅读数头相对于标尺光栅移动时，指示光栅便在标尺光栅上相对移动。当光栅读数头相对于标尺光栅移动时，指示光栅便在标尺光栅上相对移动。第45页，共67页，编辑于2022年，星期三两光栅尺是刻有均匀密集线纹的透明玻璃片，线纹密度为两光栅尺是刻有均匀密集线纹的透明玻璃片，线纹密度为25、50、100、250条条/mm等。等。线纹之间距离相等，该间距称为栅距，测量时它们相互平行放置，并保持线纹之间距离相等，该间距称为栅距，测量时它们相互平行放置，并保持0.050.1mm的间隙。从局部放大部分看，黑的部分为不透光宽度（缝隙宽度）的间隙。从局部

40、放大部分看，黑的部分为不透光宽度（缝隙宽度）a，白，白的部分为透光宽度的部分为透光宽度(刻线宽度刻线宽度)b，设栅距为，设栅距为d，则，则da+b。通常情况下，。通常情况下，ab。第46页，共67页，编辑于2022年，星期三1 1光源；光源；2 2透镜；透镜；3 3标尺光栅；标尺光栅；4 4指示光栅；指示光栅；5 5光电元件；光电元件；6 6驱动线路驱动线路光栅读数头又叫光电转换器，它把光栅莫尔条纹变成电信号。如图光栅读数头又叫光电转换器，它把光栅莫尔条纹变成电信号。如图所示为垂直所示为垂直入射读数头。读数头由入射读数头。读数头由光源光源、聚光镜聚光镜、指示光栅指示光栅、光敏元件光敏元件和和驱

41、动电路驱动电路等组成。等组成。第47页，共67页，编辑于2022年，星期三2、测量原理（1）莫尔条纹的形成 当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一小角度 、刻划面相对平行且有一个很小的间隙（一般取0.05,0.1mm）放置时，在光源的照射下，在与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直的方向上，标尺光栅与指示光栅交叉点附近的小区域内黑线重叠，形成黑色条纹，其它部分为明亮条纹，这种明暗相间的条纹称为莫尔条纹。由于 很小，莫尔条纹与光栅线纹几乎成垂直方向排列，故有时称为“横向莫尔条纹”。两条亮纹或两条暗纹之距称为莫尔条纹的宽度，图中用B表示。VS W W B BB B第48页，共67页，编辑于2022年，

42、星期三 1、放大作用 用B（mm）表示莫尔条纹的宽度，W(mm)表示栅距，(rad)为光栅线纹之间的夹角，则有 莫尔条纹宽度莫尔条纹宽度B与角与角成反比，成反比，越小，放大倍数越小，放大倍数k越大。越大。若取若取W=0.01mm,=0.01rad,则则B=1mm，k=100。（2)莫尔条纹的特点莫尔条纹的特点用光的干涉现象，就能把光栅的栅距用光的干涉现象，就能把光栅的栅距w 转换成放大转换成放大100倍的莫尔条纹倍的莫尔条纹宽度宽度B。放大比放大比k为：为：第49页，共67页，编辑于2022年，星期三 2.均化误差作用 莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同组成，例如，200条/mm的光栅，10mm宽

43、的光栅就由2000条线纹组成，这样栅距之间的固有相邻误差就被平均化了，消除了栅距之间不均匀造成的误差。3.莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例当光栅尺移动一个栅距当光栅尺移动一个栅距W时，莫尔条纹也刚好移动了一个条纹宽时，莫尔条纹也刚好移动了一个条纹宽度度B。只要通过光电元件测出莫尔条纹的数目，就可知道光栅移动了多。只要通过光电元件测出莫尔条纹的数目，就可知道光栅移动了多少个栅距，工作台移动的距离可以计算出来。若光栅移动方向相反，少个栅距，工作台移动的距离可以计算出来。若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动方向也相反。则莫尔条纹移动方向也相反。第50页，共67页，编辑于

44、2022年，星期三 若标尺光栅不动，将指示光栅转一很小的角度，两者移动方向及光栅夹角关系如表所示。因莫尔条纹移动方向与光栅移动方向垂直，可用检测垂直方向宽大的莫尔条纹代替光栅水平方向移动的微小距离。莫尔条纹移动方向与光栅移动方向及光栅夹角的关系 第51页，共67页，编辑于2022年，星期三 W 标尺光栅图5-18 莫尔条纹第52页，共67页，编辑于2022年，星期三（三）光栅测量系统1、组成：、组成：由光源、聚光镜、光栅尺、光电由光源、聚光镜、光栅尺、光电元件和驱动线路组成。元件和驱动线路组成。光源采用普通的灯泡，发出辐射光线，经过聚光镜后变为平行光束，照射光栅尺。光电元件（常使用硅光电池）接

45、受透过光栅尺光强信号，并将其转换成相应的电压信号。第53页，共67页，编辑于2022年，星期三由于此信号比较微弱，在长距离传递时，很容易被各种干扰信号淹没，造成传递失真，驱动线路的作用就是将电压信号进行电压和功率放大。标尺光栅与工作台一起移动，光源、聚光镜、指示光栅、光电元件和驱动线路均装在一个壳体内，作成一个单独部件固定在机床上，这个部件称为光栅读数头，又叫光电转换器，其作用把光栅莫尔条纹的光信号变成电信号。第54页，共67页，编辑于2022年，星期三 当光栅移动一个栅距，莫尔条纹便移动一个条纹宽度，假定我们开辟一个小窗口（即采用一个光电元件）来观察莫尔条纹的变化情况，就会发现它在移动一个栅

46、距期间明暗变化了一个周期，理论上光栅亮度变化是一个三角波形，但由于漏光和不能达到最大亮度，被削顶削底后而近似一个正弦波（见左图）。硅光电池将近似正弦波的光强信号变为同频率的电压信号（见右图），2、信号处理、信号处理电压电压光栅的实际亮度变化光栅的实际亮度变化光栅的输出波形图光栅的输出波形图光栅位移光栅位移光栅位移光栅位移OO亮度亮度第55页，共67页，编辑于2022年，星期三经光栅位移经光栅位移数字变换电路放大、整数字变换电路放大、整形、微分输出脉冲。每产生一个脉冲，形、微分输出脉冲。每产生一个脉冲，就代表移动了一个栅距那么大的位移，就代表移动了一个栅距那么大的位移，通过对脉冲计数便可得到工作

47、台的移通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离。动距离。第56页，共67页，编辑于2022年，星期三 采用一个光电元件即只开一个窗口观察，只能计数，却无法判断移动方向。因为无论莫尔条纹上移或下移，从一固定位置看其明暗变化是相同的。为了确定运动方向，至少要放置两个光电元件，两者相距1/4莫尔条纹宽度。当光栅移动时，莫尔条纹通过两个光电元件的时间不同，所以两个光电元件所获得的电信号虽然波形相同，但相位相差90o。根据两光电元件输出信号的超前和滞后，可以确定标尺光栅移动方向。辨向原理辨向原理第57页，共67页，编辑于2022年，星期三 两个光电池产生相差90相位的正弦信号，分别送入两个差动放大器，经放

48、大整形后，得到两路相差90的方波信号u1、u2，u1 方波信号一方面直接微分后，得到前沿的一路尖脉冲u1w，另一方面经反相器，得到与u1相差180 的等宽脉冲u1”，经微分得尖脉冲u”1w，尖脉冲按相位关系经与门和u2 信号相与，得到y1、y2，再输出给或门H，输出正反相信号。当正向运动时，y1有脉冲信号输出，y2保持低电平；反向运动时，y2有脉冲信号输出，y1保持低电平。第58页，共67页，编辑于2022年，星期三1）细分技术就是在莫尔条纹变化一周期时，不只是输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，以提高分辨率。增加线纹密度，能提高光栅检测装置的精度，但制造较困难，成本高。增加线纹密度，能提高光栅

49、检测装置的精度，但制造较困难，成本高。在实际应用中，既要提高测量精度，同时又能达到自动辨向的目的，通常采用倍频或在实际应用中，既要提高测量精度，同时又能达到自动辨向的目的，通常采用倍频或细分的方法来提高光栅的分辨精度。细分的方法来提高光栅的分辨精度。分辨精度分辨精度2）四倍频）四倍频如果在莫尔条纹的宽度内，放置四个光电元件，每隔如果在莫尔条纹的宽度内，放置四个光电元件，每隔1/4光栅栅距产生一个脉冲，一光栅栅距产生一个脉冲，一个脉冲代表移动了个脉冲代表移动了1/4栅距那么大位移，分辨精度可提高四倍，这就是四倍频方案。栅距那么大位移，分辨精度可提高四倍，这就是四倍频方案。第59页，共67页，编辑

50、于2022年，星期三第60页，共67页，编辑于2022年，星期三Y6微分微分微分整形P1P2P4P3 差动 放大器 差动放 大器整形反相反相Y1Y2Y3Y4Y5Y7Y8微分 B A D Ca)原理电路图原理电路图 图中的P1、P2、P3、P4是四块硅光电池，产生的信号相位彼此相差90o。P1、P3信号是相位差180o的两个信号，接差动放大器放大，得正弦信号。同理，P2、P4信号接另一个差动放大器，得到余弦信号。正弦和余弦信号经整形变成方波A和B，为使每隔1/4节距都有脉冲，把A、B各自反向一次得C、D信号，A、B、C、D信号再经微分变成窄脉冲A、B、C、D，即在正走或反走时每个方波的上升沿产生