第6章數(shù)控機(jī)床的檢測裝置

1、CNC第第6 6章章 數(shù)控機(jī)床的檢測裝置數(shù)控機(jī)床的檢測裝置 主要內(nèi)容主要內(nèi)容主要內(nèi)容6.1 概述概述 6.2 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器 6.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器 6.4 光柵光柵 6.5 編碼器編碼器CNC主要內(nèi)容6.1 概述概述 組成：組成：位置檢測裝置是由檢測元件（傳感器）位置檢測裝置是由檢測元件（傳感器） 和信號處理裝置組成的。和信號處理裝置組成的。 作用：作用：實(shí)時測量執(zhí)行部件的位移和速度信號，實(shí)時測量執(zhí)行部件的位移和速度信號，并變換成位置控制單元所要求的信號形式。它是閉并變換成位置控制單元所要求的信號形式。它是閉環(huán)、半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的重要組成部分。環(huán)、半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的重要組成部

2、分。 閉環(huán)數(shù)控機(jī)床的加工精度在很大程度上是由位閉環(huán)數(shù)控機(jī)床的加工精度在很大程度上是由位置檢測裝置的精度決定的，在設(shè)計數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺置檢測裝置的精度決定的，在設(shè)計數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)，尤其是高精度進(jìn)給伺服系統(tǒng)時，必須精心服系統(tǒng)，尤其是高精度進(jìn)給伺服系統(tǒng)時，必須精心選擇位置檢測裝置。選擇位置檢測裝置。CNC主要內(nèi)容6.1 概述概述 數(shù)控系統(tǒng)中的檢測裝置分為數(shù)控系統(tǒng)中的檢測裝置分為位移位移、速度速度和和電流電流三種類型。三種類型。信號轉(zhuǎn)換的原理信號轉(zhuǎn)換的原理光電效應(yīng)、光柵效應(yīng)、電磁感應(yīng)光電效應(yīng)、光柵效應(yīng)、電磁感應(yīng)原理、壓電效應(yīng)、壓阻效應(yīng)和磁阻效應(yīng)原理、壓電效應(yīng)、壓阻效應(yīng)和磁阻效應(yīng)等。等。安裝的位置及

3、耦合方式安裝的位置及耦合方式直接測量直接測量和和間接測量間接測量；測量方法測量方法 增量型增量型和和絕對型絕對型; ;檢測信號的類型檢測信號的類型 模擬式模擬式和和數(shù)字式數(shù)字式；運(yùn)動型式運(yùn)動型式 回轉(zhuǎn)型回轉(zhuǎn)型和和直線型直線型；CNC主要內(nèi)容數(shù)控機(jī)床對檢測裝置的主要要求數(shù)控機(jī)床對檢測裝置的主要要求 1）受溫度、濕度影響小，工作可靠，抗干擾能力）受溫度、濕度影響小，工作可靠，抗干擾能力 強(qiáng)；強(qiáng)；2）在機(jī)床移動范圍內(nèi)滿足精度和速度要求；）在機(jī)床移動范圍內(nèi)滿足精度和速度要求；3）使用維護(hù)方便，適合機(jī)床運(yùn)行環(huán)境；）使用維護(hù)方便，適合機(jī)床運(yùn)行環(huán)境；4）成本低；）成本低；5）易于實(shí)現(xiàn)高速的動態(tài)測量。）易于實(shí)

4、現(xiàn)高速的動態(tài)測量。 6.1 概述概述CNC主要內(nèi)容6.2 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器是一種旋轉(zhuǎn)變壓器是一種輸出電壓與角位移量成連續(xù)函輸出電壓與角位移量成連續(xù)函數(shù)關(guān)系數(shù)關(guān)系的感應(yīng)式微電機(jī)，的感應(yīng)式微電機(jī)，數(shù)控機(jī)床上常見的角位數(shù)控機(jī)床上常見的角位移測量裝置，廣泛用于移測量裝置，廣泛用于半閉環(huán)半閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床?？刂频臄?shù)控機(jī)床。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、動作靈敏、工作可靠、對環(huán)境優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、動作靈敏、工作可靠、對環(huán)境條件要求低（特別是高溫、高粉塵的地方）、輸條件要求低（特別是高溫、高粉塵的地方）、輸出信號幅度大和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)出信號幅度大和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn). .缺點(diǎn)：信號處理比較復(fù)雜。缺點(diǎn)：信

5、號處理比較復(fù)雜。旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子軸與電機(jī)軸或絲杠連接在一起，實(shí)現(xiàn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子軸與電機(jī)軸或絲杠連接在一起，實(shí)現(xiàn)電機(jī)軸或絲杠轉(zhuǎn)角的測量。軸或絲杠轉(zhuǎn)角的測量。6.2 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器CNC主要內(nèi)容6.2 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器的分類旋轉(zhuǎn)變壓器的分類 按有無電刷分：接觸式和無接觸式兩種；按極對數(shù)分：單對極和多對極；按輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角間的函數(shù)關(guān)系分：正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器、線性旋轉(zhuǎn)變壓器、比例式旋轉(zhuǎn)變壓器以及特殊函數(shù)旋轉(zhuǎn)變壓器等。CNC主要內(nèi)容由定子和轉(zhuǎn)子組成由定子和轉(zhuǎn)子組成，結(jié)構(gòu)上與旋轉(zhuǎn)式的小型交結(jié)構(gòu)上與旋轉(zhuǎn)式的小型交流電機(jī)相似。流電機(jī)相似。有刷旋轉(zhuǎn)變壓器有刷旋轉(zhuǎn)變壓器定子、轉(zhuǎn)子上兩相繞組

6、軸線分定子、轉(zhuǎn)子上兩相繞組軸線分別相互垂直，轉(zhuǎn)子繞組的引線（端點(diǎn)）經(jīng)滑環(huán)別相互垂直，轉(zhuǎn)子繞組的引線（端點(diǎn)）經(jīng)滑環(huán)引出，并通過電刷送到外面。引出，并通過電刷送到外面。6.2 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器CNC主要內(nèi)容端蓋端蓋6.2 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器18762旋轉(zhuǎn)變壓器有刷結(jié)構(gòu)示意圖旋轉(zhuǎn)變壓器有刷結(jié)構(gòu)示意圖54機(jī)殼機(jī)殼 3轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸軸承軸承轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)子鐵心定子鐵心定子鐵心電刷電刷滑環(huán)滑環(huán)CNC主要內(nèi)容6.2 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)控機(jī)床主要使用無刷旋轉(zhuǎn)變壓器，組成：數(shù)控機(jī)床主要使用無刷旋轉(zhuǎn)變壓器，組成：分解器、變壓器，不通過電刷與滑環(huán)把信號分解器、變壓器，不通過電刷與滑環(huán)把信號傳遞出來傳遞出來無刷旋轉(zhuǎn)變

7、壓器無刷旋轉(zhuǎn)變壓器具有輸出信號大、可靠性高、具有輸出信號大、可靠性高、壽命長及不用維修等優(yōu)點(diǎn)。壽命長及不用維修等優(yōu)點(diǎn)。CNC主要內(nèi)容123567486.2 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器分解器分解器變壓器變壓器1-轉(zhuǎn)子軸2-殼體3-分解器定子4-變壓器定子5-變壓器一次繞組6-變壓器轉(zhuǎn)子線軸7-變壓器二次繞組8-分解器轉(zhuǎn)子CNC主要內(nèi)容6.2.2 旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理 原理：原理：電磁感應(yīng)互感原理電磁感應(yīng)互感原理當(dāng)當(dāng)定子定子加上一定頻率的勵磁電壓時，通過加上一定頻率的勵磁電壓時，通過電磁耦合，電磁耦合，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其輸輸出電壓出電壓的大小取決于定子和

8、轉(zhuǎn)子兩個繞組的大小取決于定子和轉(zhuǎn)子兩個繞組軸線在空間的相對位置。軸線在空間的相對位置。 6.2 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器CNC主要內(nèi)容 562221110U1=UmsintU1=UmsintU1=Umsint定子轉(zhuǎn)子激磁輸出U1U2tt=0 2=0U2=0 =90 2=k 1U2=nUmsint0 2=k 1sinU2=nUmsintsinU2 nU1sin6.2 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器CNC主要內(nèi)容6.2 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器單極型旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子單極型旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子各有一對磁極各有一對磁極，假設(shè)加到定子繞組的假設(shè)加到定子繞組的勵磁電壓為勵磁電壓為U U1 1，則轉(zhuǎn)子通過，則轉(zhuǎn)子通過

9、電磁耦合，電磁耦合，產(chǎn)生感應(yīng)電勢產(chǎn)生感應(yīng)電勢U U2 2。tUUmsin1sinsinsin12tnUnUUm Um勵磁電壓幅值勵磁電壓幅值n繞組匝數(shù)比繞組匝數(shù)比轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角CNC主要內(nèi)容6.2 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器 56 2221110U1=UmsintU1=UmsintU1=Umsint定 子轉(zhuǎn) 子激 磁輸 出U1U2tt =0 2=0U2= 0 =90 2=k 1U2= nUmsint0 2=k 1sinU2= nUmsintsintUUmsin12sinsinmUnUtCNC主要內(nèi)容6.2 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器4 5 U1 sU1 cRU2轉(zhuǎn) 子定 子cossin112cskU

10、kUU 1c 1s 1ccos 1ssin CNC主要內(nèi)容6.2 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器CNC主要內(nèi)容6.2 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器1 1鑒相工作方式鑒相工作方式給定子的兩個繞組通以相同幅值、相同頻率，給定子的兩個繞組通以相同幅值、相同頻率，但相位差但相位差/2/2的交流勵磁電壓的交流勵磁電壓 U U1s1sU Um msintsint U U1c1cU Um m（sint+/2sint+/2）U Um mcostcost當(dāng)轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時當(dāng)轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時，這兩個勵磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組，這兩個勵磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓經(jīng)疊加，得到轉(zhuǎn)子的感應(yīng)中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓經(jīng)疊加，得到轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電壓電壓U U2 2為為

11、cossin112cskUkUUCNC主要內(nèi)容6.2 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器U U2 2kUkUm msintsinsintsinkUkUm mcostcoscostcos =kU =kUm mcoscos（t-t-）當(dāng)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)時當(dāng)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)時，同樣可得到，同樣可得到 U U2 2k k U Um mcoscos（tt+ +）轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角和轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角和間有嚴(yán)格對應(yīng)關(guān)系，只要間有嚴(yán)格對應(yīng)關(guān)系，只要檢測出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角，就可以求得檢測出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角，就可以求得 ，也就，也就可得到被測軸的角位移。可得到被測軸的角位移。實(shí)際應(yīng)用時，把定子余弦繞組勵磁電壓的相位作為基實(shí)際應(yīng)用

12、時，把定子余弦繞組勵磁電壓的相位作為基準(zhǔn)相位，與轉(zhuǎn)子繞組的輸出電壓相位做比較，來確定準(zhǔn)相位，與轉(zhuǎn)子繞組的輸出電壓相位做比較，來確定的大小。的大小。 CNC主要內(nèi)容6.2 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器2鑒幅工作方式鑒幅工作方式 給定子的兩個繞組分別通以頻率相同、相位相給定子的兩個繞組分別通以頻率相同、相位相同、幅值分別按正弦和余弦變化的交流勵磁電同、幅值分別按正弦和余弦變化的交流勵磁電壓，即壓，即 U1sUmsin sint U1c= Umcos sint CNC主要內(nèi)容6.2 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時，U1s、U1c經(jīng)疊加，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓經(jīng)疊加，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓U2為：為：U2kUmsins

13、intsink Umcossintcos kUmcos（）sint轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)時，同理有：，同理有： U2kUmcos（） sintU2的幅值分別為的幅值分別為: :kUmcos（）、）、kUmcos（）轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓的轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓的幅值幅值隨轉(zhuǎn)子的隨轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角偏轉(zhuǎn)角而變化。測量出而變化。測量出幅值可測出幅值可測出 轉(zhuǎn)角。轉(zhuǎn)角。CNC主要內(nèi)容三、旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用三、旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用 由角位移如何計算直線位移由角位移如何計算直線位移?將旋轉(zhuǎn)變壓器安裝在數(shù)控機(jī)床的絲杠上，當(dāng)將旋轉(zhuǎn)變壓器安裝在數(shù)控機(jī)床的絲杠上，當(dāng)角從角從0變化到變化到360時，表示絲杠上的螺母走了一個導(dǎo)程，時，表示絲杠上的螺母

14、走了一個導(dǎo)程，就間接地測量了絲杠的直線位移（導(dǎo)程）的大小。就間接地測量了絲杠的直線位移（導(dǎo)程）的大小。要檢測工作臺的絕對位置，需加一臺要檢測工作臺的絕對位置，需加一臺絕對位置計數(shù)器絕對位置計數(shù)器，累計所走的導(dǎo)程數(shù)，折算成位移總長度。累計所走的導(dǎo)程數(shù)，折算成位移總長度。6.2 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器CNC6.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器原理同旋轉(zhuǎn)變壓器，其輸出電壓隨被測直線位感應(yīng)同步器原理同旋轉(zhuǎn)變壓器，其輸出電壓隨被測直線位移或角位移而改變。移或角位移而改變。根據(jù)用途和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分：直線式、旋轉(zhuǎn)式兩類。根據(jù)用途和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分：直線式、旋轉(zhuǎn)式兩類。直線式：定尺、滑尺，測直線位移，用于閉環(huán)伺服系統(tǒng)。

15、直線式：定尺、滑尺，測直線位移，用于閉環(huán)伺服系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)式：定子、轉(zhuǎn)子，測角位移，用于半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)式：定子、轉(zhuǎn)子，測角位移，用于半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。6.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器CNC6.3.1 感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)6.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器（固定在床身上）（固定在床身上）（安裝在移動部件上）（安裝在移動部件上）平行，間隙為平行，間隙為0.250.250.05mm0.05mmCNC6.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器w22（a2+b2）w12（a1+b1）一般一般w1w2 或或 w12/3 w2CNC6.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器（當(dāng)正弦繞組與定尺（當(dāng)正弦繞組與定尺繞組對齊時，繞組對齊時，

16、余弦繞組與定尺繞組余弦繞組與定尺繞組相差相差1/41/4節(jié)距。）節(jié)距。）CNC6.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器“節(jié)距節(jié)距”是衡量感應(yīng)同步器精度的主要參數(shù)。是衡量感應(yīng)同步器精度的主要參數(shù)。 標(biāo)準(zhǔn)直線感應(yīng)同步器定尺長標(biāo)準(zhǔn)直線感應(yīng)同步器定尺長250mm，滑尺長，滑尺長100mm，節(jié)距為節(jié)距為2mm。CNC6.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：CNC轉(zhuǎn)子繞組：連續(xù)繞組；轉(zhuǎn)子繞組：連續(xù)繞組；定子繞組：分段式、兩相正交（相差定子繞組：分段式、兩相正交（相差90電角度）電角度）sin繞組、繞組、cos繞組繞組6.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器CNC6.3.2 感應(yīng)同步器的安裝感應(yīng)同步器的安裝 定尺定尺安裝在機(jī)床的不

17、動部件上；安裝在機(jī)床的不動部件上；滑尺滑尺安裝在機(jī)床的移動部件上。安裝在機(jī)床的移動部件上。安裝防護(hù)罩：防止切屑和油污浸入安裝防護(hù)罩：防止切屑和油污浸入必須保持定尺和滑尺平行、兩平面的間隙約必須保持定尺和滑尺平行、兩平面的間隙約為為025005mm，其它安裝要求視具體的，其它安裝要求視具體的產(chǎn)品說明而定。保證定尺和滑尺在全部工作產(chǎn)品說明而定。保證定尺和滑尺在全部工作長度上正常耦合，減少測量誤差。長度上正常耦合，減少測量誤差。6.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器CNC直線感應(yīng)同步器的標(biāo)準(zhǔn)定尺長度一般為直線感應(yīng)同步器的標(biāo)準(zhǔn)定尺長度一般為250mm，測量范，測量范圍增加時，將定尺接長。圍增加時，將定尺接長。根

18、據(jù)具體使用情況，按一定步驟和要求拼接定尺根據(jù)具體使用情況，按一定步驟和要求拼接定尺 定尺全部接好后，采用定尺全部接好后，采用激光干涉儀激光干涉儀或或量塊加千分表量塊加千分表進(jìn)行全進(jìn)行全長誤差測量，使總長度上的累積誤差長誤差測量，使總長度上的累積誤差單塊定尺的最大偏單塊定尺的最大偏差。差。 6.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器CNC6.3.3 感應(yīng)同步器工作原理感應(yīng)同步器工作原理 正弦繞組余弦繞組滑尺定尺2/2UdUsUc6.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器滑尺、定尺間發(fā)生相對位移，由于電磁耦合的滑尺、定尺間發(fā)生相對位移，由于電磁耦合的變化，使感應(yīng)繞組中的感應(yīng)電壓隨位移的變化變化，使感應(yīng)繞組中的感應(yīng)電壓隨位移的

19、變化而變化。而變化。CNC6.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器感應(yīng)電壓幅值與定尺滑尺相對位置關(guān)系感應(yīng)電壓幅值與定尺滑尺相對位置關(guān)系A(chǔ)BCDCNC 當(dāng)滑尺移動距離為當(dāng)滑尺移動距離為 2 2 ，V V2 2 變化變化 2 2 , ,當(dāng)移動當(dāng)移動 x x時，則對時，則對應(yīng)感應(yīng)電壓以余弦函數(shù)變化應(yīng)感應(yīng)電壓以余弦函數(shù)變化 角度角度?？傻每傻?設(shè)設(shè) 表示滑尺上一相繞組的勵磁電壓表示滑尺上一相繞組的勵磁電壓則定尺繞組感應(yīng)電壓為則定尺繞組感應(yīng)電壓為22xxx22tVVmssintKVKVVmssincoscos26.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器CNC1 1. .鑒相工作方式鑒相工作方式 供給滑尺的正、余弦繞組的勵磁信號是

20、供給滑尺的正、余弦繞組的勵磁信號是頻率、頻率、幅值相同，相位相差幅值相同，相位相差90900 0的交流勵磁電壓的交流勵磁電壓 根據(jù)疊加原理，定尺上的總感應(yīng)電壓為根據(jù)疊加原理，定尺上的總感應(yīng)電壓為 通過鑒別定尺感應(yīng)輸出電壓的相位，即可測量通過鑒別定尺感應(yīng)輸出電壓的相位，即可測量定尺和滑尺之間的相對位移。定尺和滑尺之間的相對位移。tVVtVVmcmscossin)sin(2coscoscossin2tKVtKVtKVVmmm6.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器xx22CNCxx22 例如：例如：定尺感應(yīng)輸出電壓與滑尺勵磁電壓之間的相位差定尺感應(yīng)輸出電壓與滑尺勵磁電壓之間的相位差為為3.63.60 0，表明

21、滑尺移動了多少，表明滑尺移動了多少mmmm？2mm6.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器(0.02mm)(0.02mm)CNC將將 稱為稱為相移相移位移轉(zhuǎn)換系數(shù)位移轉(zhuǎn)換系數(shù)。例：設(shè)節(jié)距例：設(shè)節(jié)距2 2=2，則，則 若脈沖當(dāng)量若脈沖當(dāng)量2m/脈沖，則脈沖，則相移系數(shù)相移系數(shù)為為 xmmx/1801脈沖/36. 0180002. 06.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器CNC 供給滑尺上正、余弦繞組的勵磁電壓的頻率相同、供給滑尺上正、余弦繞組的勵磁電壓的頻率相同、相位相同但幅值不同。相位相同但幅值不同。 2.鑒幅工作方式鑒幅工作方式tVVtVVmcmssincossinsin則在定尺繞組產(chǎn)生的總感應(yīng)電壓為則在定尺繞組

22、產(chǎn)生的總感應(yīng)電壓為sinsincoscossinsin2tKVtKVVmmtKVmsinsin6.3 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器若電氣角若電氣角已知，只要測出已知，只要測出V2幅值，便能求出與位移幅值，便能求出與位移對應(yīng)的角度對應(yīng)的角度。實(shí)際測量時，不斷調(diào)整。實(shí)際測量時，不斷調(diào)整 ，讓幅值為，讓幅值為零。則零。則的變化量就代表了的變化量就代表了對應(yīng)的位移量，就可測對應(yīng)的位移量，就可測得機(jī)械位移。得機(jī)械位移。 CNC6.4 光柵光柵通常意義上講，光柵按用途分有兩大類：通常意義上講，光柵按用途分有兩大類：物理光柵物理光柵（衍射光柵）：（衍射光柵）：200500條條/，柵距，柵距0.0020.005，主要

23、是利，主要是利用光的衍射原理，用于光譜分析和光波波長的測用光的衍射原理，用于光譜分析和光波波長的測定。定。計量光柵計量光柵：25條條/、50條條/、100條條/、250條條/等，柵距等，柵距0.0040.04，主要是利用光的透射和反射現(xiàn)象，主要是利用光的透射和反射現(xiàn)象，用于數(shù)控機(jī)床閉環(huán)檢測系統(tǒng)。用于數(shù)控機(jī)床閉環(huán)檢測系統(tǒng)。6.4 光柵光柵CNC6.4.1 光柵的種類光柵的種類按形狀按形狀：長光柵（直線光柵）、圓光柵。：長光柵（直線光柵）、圓光柵。長光柵檢測線位移，圓光柵測量角位移長光柵檢測線位移，圓光柵測量角位移直線光柵直線光柵按制作原理按制作原理：玻璃透射光柵、金屬反射：玻璃透射光柵、金屬反射

24、光柵。光柵。 6.4 光柵光柵CNC長光柵長光柵（1）玻璃透射光柵玻璃透射光柵是在玻璃的表面上用真空鍍膜法鍍一層金屬膜，再涂是在玻璃的表面上用真空鍍膜法鍍一層金屬膜，再涂上一層均勻的感光材料，用照相腐蝕法制成透明與不上一層均勻的感光材料，用照相腐蝕法制成透明與不透明間隔相等的線紋，也有用刻蠟、腐蝕、涂黑工藝透明間隔相等的線紋，也有用刻蠟、腐蝕、涂黑工藝制成的。制成的。特點(diǎn)：特點(diǎn)：1）光源可采用垂直入射，光電元件可直接接受光信）光源可采用垂直入射，光電元件可直接接受光信號，因此信號幅度大，讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)比較簡單；號，因此信號幅度大，讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)比較簡單；2）每毫米上線紋數(shù)多，一般為）每毫米上線紋數(shù)多，

25、一般為100、125、250條條/mm/mm，經(jīng)過電路細(xì)分，可做到微米級的分辨率。經(jīng)過電路細(xì)分，可做到微米級的分辨率。 6.4 光柵光柵CNC（2）金屬反射光柵金屬反射光柵：在鋼尺或不銹鋼的鏡面上用照相：在鋼尺或不銹鋼的鏡面上用照相腐蝕法或用鉆石刀刻劃制成的光柵線紋；常用的線紋數(shù)腐蝕法或用鉆石刀刻劃制成的光柵線紋；常用的線紋數(shù)為為4、10、25、40、50條條/mm ，分辨率低。，分辨率低。特點(diǎn)：特點(diǎn)：1）標(biāo)尺光柵的線膨脹系數(shù)很容易做到與機(jī)床材料一致；）標(biāo)尺光柵的線膨脹系數(shù)很容易做到與機(jī)床材料一致；2）標(biāo)尺光柵的安裝和調(diào)整比較方便；）標(biāo)尺光柵的安裝和調(diào)整比較方便；3）安裝面積較??；）安裝面積較

26、??；4）易于接長或制成整根的鋼帶長光柵；）易于接長或制成整根的鋼帶長光柵；5）不易碰碎。）不易碰碎。6.4 光柵光柵CNC圓光柵圓光柵在玻璃圓盤外環(huán)端面上，做成黑白相間的條紋，在玻璃圓盤外環(huán)端面上，做成黑白相間的條紋，條紋呈輻射狀，相互間夾角（稱為柵距角）相等。條紋呈輻射狀，相互間夾角（稱為柵距角）相等。6.4 光柵光柵CNC6.4.2光柵的結(jié)構(gòu)與測量原理光柵的結(jié)構(gòu)與測量原理 （以玻璃透射式直線光柵為例以玻璃透射式直線光柵為例）1光柵的結(jié)構(gòu)光柵的結(jié)構(gòu)組成：組成：標(biāo)尺光柵（長光柵）、光柵讀數(shù)頭標(biāo)尺光柵（長光柵）、光柵讀數(shù)頭 標(biāo)尺光柵與行程等長，通常光柵長度為標(biāo)尺光柵與行程等長，通常光柵長度為1m

27、，行程，行程大于大于1m時，需要將光柵接長時，需要將光柵接長安裝：標(biāo)尺光柵安裝：標(biāo)尺光柵一般安裝在機(jī)床活動部件上（如工作臺一般安裝在機(jī)床活動部件上（如工作臺上或絲杠上）上或絲杠上）, ,光柵讀數(shù)頭光柵讀數(shù)頭安裝在機(jī)床固定部件上（如機(jī)安裝在機(jī)床固定部件上（如機(jī)床底座上）。指示光柵（短光柵）裝在光柵讀數(shù)頭中。床底座上）。指示光柵（短光柵）裝在光柵讀數(shù)頭中。6.4 光柵光柵CNC光柵的結(jié)構(gòu)與測量原理光柵的結(jié)構(gòu)與測量原理光柵讀數(shù)頭組成：光光柵讀數(shù)頭組成：光源、透鏡、指示光柵、源、透鏡、指示光柵、光敏元件、驅(qū)動線路。光敏元件、驅(qū)動線路。常見結(jié)構(gòu)常見結(jié)構(gòu)按光路分按光路分：分光讀數(shù)頭、垂直入分光讀數(shù)頭、垂直

28、入射讀數(shù)頭、反射讀數(shù)射讀數(shù)頭、反射讀數(shù)頭頭作用：將莫爾條紋的作用：將莫爾條紋的光信號轉(zhuǎn)換成電脈沖光信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號。信號。 SPL2G2G1L1QG1G2PLtQL1G1G2L2PQCNC光柵光柵6.4 光柵光柵CNC尺身尺身尺身安裝孔尺身安裝孔 光柵讀數(shù)頭光柵讀數(shù)頭 （與移動部件固定）（與移動部件固定）可移動電纜可移動電纜6.4 光柵光柵CNC不透光條紋寬度（縫隙寬度）不透光條紋寬度（縫隙寬度）a，透光寬度（刻線寬，透光寬度（刻線寬度）度）b，通常，通常a=b，柵距柵距da+b。安裝時要嚴(yán)格保證標(biāo)尺光柵和指示光柵的平行度安裝時要嚴(yán)格保證標(biāo)尺光柵和指示光柵的平行度( (一一般為般為0.1m

29、m0.1mm之內(nèi)之內(nèi)) )及兩者之間的間隙（一般及兩者之間的間隙（一般0.050.1）ab標(biāo)尺光柵指示光柵d6.4 光柵光柵CNC2光柵的基本測量原理光柵的基本測量原理兩光柵尺沿線紋方向保持一個很小的夾角兩光柵尺沿線紋方向保持一個很小的夾角、刻劃面平行且有一個很小間隙（一般刻劃面平行且有一個很小間隙（一般0.05mm，0.1mm）在光源照射下，在與兩光柵線紋角在光源照射下，在與兩光柵線紋角的平分線的平分線相垂直的方向上，形成明暗相間條紋相垂直的方向上，形成明暗相間條紋莫爾莫爾條紋條紋（橫向莫爾條紋），兩條亮（橫向莫爾條紋），兩條亮（暗暗）紋間的）紋間的距離稱莫爾條紋寬度距離稱莫爾條紋寬度 w

30、。6.4 光柵光柵均勻刻線均勻刻線標(biāo)尺標(biāo)尺光柵光柵指示光指示光柵柵夾角夾角明暗相間明暗相間條紋條紋莫爾條紋莫爾條紋移動移動CNC標(biāo)尺光柵標(biāo)尺光柵指示光柵指示光柵dCNCd標(biāo)尺光柵標(biāo)尺光柵指示光柵指示光柵CNCd標(biāo)尺光柵標(biāo)尺光柵指示光柵指示光柵CNCWWd標(biāo)尺光柵標(biāo)尺光柵指示光柵指示光柵均勻刻線均勻刻線標(biāo)尺標(biāo)尺光柵光柵指示光指示光柵柵夾角夾角明暗相間明暗相間條紋條紋莫爾條紋莫爾條紋移動移動CNC莫爾條紋特性：莫爾條紋特性：（1）光學(xué)放大作用光學(xué)放大作用標(biāo) 尺 光 柵指 示 光 柵dw/22cos2sin222dddwtg放大比放大比k為為 ：1dwk若若d=0.01mm，0.01rad，則，則w

31、1mm，k100 6.4 光柵光柵xdwxwxtg2cos222CNC（2）均化誤差作用）均化誤差作用莫爾條紋莫爾條紋 大量光柵線紋形成大量光柵線紋形成 誤差平均效應(yīng)誤差平均效應(yīng) 克服個別克服個別/ /局部誤差局部誤差 提高精度提高精度 （3）莫爾條紋移動與柵距移動成比例莫爾條紋移動與柵距移動成比例光柵移動一柵距光柵移動一柵距d d 莫爾條紋移動一個間距莫爾條紋移動一個間距w w光柵移動方向相反，莫爾條紋移動方向也相反。光柵移動方向相反，莫爾條紋移動方向也相反。莫爾條紋移動方向與兩光柵夾角莫爾條紋移動方向與兩光柵夾角移動方向垂直。移動方向垂直。可通過檢測莫爾條紋移動的變化，測量光柵水平方向移可

32、通過檢測莫爾條紋移動的變化，測量光柵水平方向移動的微小距離。動的微小距離。在一個柵距在一個柵距d內(nèi)，光電元件所檢測的光強(qiáng)變化為正弦內(nèi)，光電元件所檢測的光強(qiáng)變化為正弦（或余弦）變化。（或余弦）變化。6.4 光柵光柵CNC6.6.3 光柵測量系統(tǒng)光柵測量系統(tǒng) P1P2P3P4硅光電池差動放大器整形器差動放大器整形器方向判別門電路可逆計數(shù)器控制回路正向脈沖反向脈沖標(biāo)尺光柵指示光柵聚光鏡光源標(biāo)尺光柵移動，莫爾條紋交替由亮帶到暗帶、暗標(biāo)尺光柵移動，莫爾條紋交替由亮帶到暗帶、暗帶到亮帶，帶到亮帶，光強(qiáng)度分布近似正弦曲線光強(qiáng)度分布近似正弦曲線，光電元件，光電元件變?yōu)橥l率電壓信號，經(jīng)光柵位移變?yōu)橥l率電壓信

33、號，經(jīng)光柵位移數(shù)字變換電數(shù)字變換電路放大、整形、微分輸出脈沖。每產(chǎn)生一個脈沖，路放大、整形、微分輸出脈沖。每產(chǎn)生一個脈沖，就代表移動了一個柵距，通過對脈沖計數(shù)便可得就代表移動了一個柵距，通過對脈沖計數(shù)便可得到工作臺的移動距離到工作臺的移動距離6.4 光柵光柵CNC6.4 光柵光柵增加線紋密度，但制造較困難，成本高。增加線紋密度，但制造較困難，成本高。采用采用倍頻倍頻的方法來提高光柵的分辨精度。的方法來提高光柵的分辨精度。 在莫爾條紋的寬度內(nèi)，放置四個光電元件，每隔在莫爾條紋的寬度內(nèi)，放置四個光電元件，每隔1/41/4光柵柵距產(chǎn)生一個脈沖，一個脈沖代表移動了光柵柵距產(chǎn)生一個脈沖，一個脈沖代表移動

34、了1/41/4柵距的位移，分辨精度可提高四倍，這就是四柵距的位移，分辨精度可提高四倍，這就是四倍頻方案。倍頻方案。 一個光電元件一個光電元件只能計數(shù)只能計數(shù), ,無法判斷移動方向無法判斷移動方向如何辯向？如何辯向？如何提高光柵檢測裝置的精度如何提高光柵檢測裝置的精度?CNC差 動放 大 器整 形& 1微 分微 分反 相&（sin）（sin）差 動放 大 器整 形微 分微 分反 相（cos）（cos）& 1Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8H2P1P2P3P4CABDCABDABADCDBCBCABADCDH1正 向 脈 沖反 向 脈 沖（s i n）（c o s）正 向 反 向ABCD相 加AB

35、CD相 加DCBA正向時上升沿微分反向時上升沿微分6.4 光柵光柵四倍頻鑒相電路CNC鑒向倍頻電路作用鑒向倍頻電路作用: :辨向、細(xì)分，提高光柵的分辨力辨向、細(xì)分，提高光柵的分辨力莫爾條紋原莫爾條紋原1 1個脈沖信號：個脈沖信號：0、90、180、270都有都有脈沖輸出，一個周期內(nèi)送出脈沖輸出，一個周期內(nèi)送出4個脈沖。分辨力提高個脈沖。分辨力提高4倍。倍。分辨力取決于光柵柵距分辨力取決于光柵柵距 d 和鑒向倍頻的倍數(shù)和鑒向倍頻的倍數(shù) n，即：分，即：分辨力辨力d/n。例：光柵線紋密度例：光柵線紋密度50條條/mm（柵距（柵距20m），經(jīng)），經(jīng)4倍頻處理倍頻處理后，線紋密度提高到后，線紋密度提高

36、到200條條/mm，工作臺每移動，工作臺每移動5m送出送出一個脈沖，即分辨力為一個脈沖，即分辨力為5m，提高，提高4倍。倍。6.4 光柵光柵CNC6.5 編碼器編碼器編碼器（碼盤）編碼器（碼盤）: :旋轉(zhuǎn)式測量元件，裝在被測旋轉(zhuǎn)式測量元件，裝在被測 軸上，隨之一起轉(zhuǎn)動，將被軸上，隨之一起轉(zhuǎn)動，將被 測軸的角位移轉(zhuǎn)換成增量脈測軸的角位移轉(zhuǎn)換成增量脈 沖形式或絕對式的代碼形式。沖形式或絕對式的代碼形式。使用的計數(shù)制：使用的計數(shù)制：二進(jìn)制、二進(jìn)制循環(huán)碼（格雷二進(jìn)制、二進(jìn)制循環(huán)碼（格雷 碼）等編碼器；碼）等編碼器；輸出信號的形式：輸出信號的形式：絕對式、脈沖增量式編碼器；絕對式、脈沖增量式編碼器；內(nèi)部

37、結(jié)構(gòu)和檢測方式內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式：接觸式、：接觸式、光電式光電式、電磁式。、電磁式。CNC兩種安裝方式：兩種安裝方式：編碼器和伺服電編碼器和伺服電機(jī)同軸聯(lián)接機(jī)同軸聯(lián)接; ;聯(lián)接在滾珠絲杠聯(lián)接在滾珠絲杠末端；末端；工作臺工作臺絲杠絲杠編碼器編碼器電機(jī)電機(jī)6.5 編碼器編碼器CNC6.5.1 接觸式編碼器接觸式編碼器是一種是一種絕對值絕對值式的檢測裝置，可直接把被測式的檢測裝置，可直接把被測的角位移用數(shù)字代碼表示出來，且每一個角的角位移用數(shù)字代碼表示出來，且每一個角度位置均有表示該位置的唯一對應(yīng)的代碼。度位置均有表示該位置的唯一對應(yīng)的代碼。即使斷電或切斷電源，也能讀出角位移（轉(zhuǎn)即使斷電或切斷電源，

38、也能讀出角位移（轉(zhuǎn)動角度）。動角度）。 6.5 編碼器編碼器CNC4位二進(jìn)制碼盤位二進(jìn)制碼盤 高位在內(nèi)，低位在外。高位在內(nèi)，低位在外。n位二進(jìn)制碼盤，有位二進(jìn)制碼盤，有n圈碼道，圓圈碼道，圓周均分周均分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，測量精度越高。越大，能分辨的角度越小，測量精度越高。目前目前n =814位。位。-+電 刷絕 緣 體導(dǎo) 電 體轉(zhuǎn) 軸E0 0 0 01 0 0 01 0 0 11 0 1 11010111011111 1 0 11 1 0 00 1 0 00 1 0 10 1 1 10110001

39、000110 0 0 1200 0 0 00 0 0 10 0 1 0001101000 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 0101111001 1 0 11 1 1 01 1 1 1222321202122236.5 編碼器編碼器若要求位數(shù)更多，采用組合碼盤，一個為粗計碼盤，若要求位數(shù)更多，采用組合碼盤，一個為粗計碼盤，一個為精計碼盤。精計碼盤轉(zhuǎn)一個為精計碼盤。精計碼盤轉(zhuǎn)1 1圈，粗計碼盤轉(zhuǎn)圈，粗計碼盤轉(zhuǎn)1 1格。格。CNC碼盤制作和電刷安裝要求十分嚴(yán)格，若電刷恰好碼盤制作和電刷安裝要求十分嚴(yán)格，若電刷恰好位于兩位碼中間或電刷接觸不良，則電刷的檢測

40、位于兩位碼中間或電刷接觸不良，則電刷的檢測讀數(shù)可能會是任意的數(shù)字。讀數(shù)可能會是任意的數(shù)字。例：電刷由位置（例：電刷由位置（0111）向位置（）向位置（1000）過渡時，）過渡時，可能會出現(xiàn)可能會出現(xiàn)815之間的任一十進(jìn)制數(shù)。這種誤差之間的任一十進(jìn)制數(shù)。這種誤差稱為稱為非單值誤差非單值誤差。6.5 編碼器編碼器-+電刷絕緣體導(dǎo)電體轉(zhuǎn)軸E000010001001101110101110111111011100010001010111011000100011000120000000010010001101000101011001111000100110101011110011011110111122

41、2321202122230111-1000，1001 1010， 1011，1100 1101，1110， 1111CNC6.5 編碼器編碼器格雷碼盤：格雷碼盤：各碼道的數(shù)碼不同時改變，每次只切換一位數(shù)，各碼道的數(shù)碼不同時改變，每次只切換一位數(shù)，把誤差控制在最小單位內(nèi)。把誤差控制在最小單位內(nèi)。 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 消除誤差：采用消除誤差：采用循環(huán)碼（格雷碼）循環(huán)碼（格雷碼）。CNC

42、6.5 編碼器編碼器二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成格雷格雷碼的法則是碼的法則是： 將二進(jìn)制碼右移一位并舍去末位的數(shù)碼，將二進(jìn)制碼右移一位并舍去末位的數(shù)碼，再與二進(jìn)制數(shù)碼作不進(jìn)位加法，結(jié)果即為再與二進(jìn)制數(shù)碼作不進(jìn)位加法，結(jié)果即為格雷格雷碼。碼。 例如，二進(jìn)制碼例如，二進(jìn)制碼11011101對應(yīng)的對應(yīng)的格雷格雷碼為碼為10111011，其演算過程如下：，其演算過程如下： 1101 1101 （二進(jìn)制碼）（二進(jìn)制碼） 11011101（右移一位，舍去末位）（右移一位，舍去末位） 1011 1011 （格雷格雷碼）碼）CNC接觸式絕對值編碼器接觸式絕對值編碼器優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、輸出信號強(qiáng)。結(jié)

43、構(gòu)簡單、體積小、輸出信號強(qiáng)。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：電刷磨損造成壽命降低，轉(zhuǎn)速不能電刷磨損造成壽命降低，轉(zhuǎn)速不能太高（每分鐘幾十轉(zhuǎn)），精度受碼道數(shù)限太高（每分鐘幾十轉(zhuǎn)），精度受碼道數(shù)限制，使用范圍有限。制，使用范圍有限。 6.5 編碼器編碼器CNC6.5.2 光電式編碼器光電式編碼器 常用光電式編碼器（光電碼盤、光電脈沖發(fā)生常用光電式編碼器（光電碼盤、光電脈沖發(fā)生器、光電脈沖編碼器）為器、光電脈沖編碼器）為增量式增量式光電編碼器，光電編碼器，是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器把把機(jī)械的角位移變成電脈沖機(jī)械的角位移變成電脈沖，是數(shù)控機(jī)床常用，是數(shù)控機(jī)床常用的的角位移角位移檢測元件，也可用于檢測元件，也可用于角速度檢測角速度檢測。6.5 編碼器編碼器CNC高分辨率的脈沖編碼器高分辨率的脈沖編碼器脈沖編碼器每轉(zhuǎn)脈沖移動量（mm）20000脈沖脈沖r2，3，4，6，825000脈沖脈沖r5，