數(shù)控設(shè)計第5章

1、2022-7-5 數(shù)控檢測技術(shù)數(shù)控檢測技術(shù)2022-7-5 組成：組成：位置測量裝置是由檢測元件（傳感器）和信號處理裝置位置測量裝置是由檢測元件（傳感器）和信號處理裝置組成的。組成的。 作用：作用：實時測量執(zhí)行部件的位移和速度信號，并變換成位置控實時測量執(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，將運動部件現(xiàn)實位置反饋到位置控制單制單元所要求的信號形式，將運動部件現(xiàn)實位置反饋到位置控制單元，以實施閉環(huán)控制。它是閉環(huán)、半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)的重要組成元，以實施閉環(huán)控制。它是閉環(huán)、半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)的重要組成部分。部分。 閉環(huán)數(shù)控機床的加工精度在很大程度上是由位置檢測裝置的精閉環(huán)數(shù)

2、控機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)控機床進給伺服系統(tǒng)，尤其是高精度進給伺服度決定的，在設(shè)計數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)，尤其是高精度進給伺服系統(tǒng)時，必須精心選擇位置檢測裝置。系統(tǒng)時，必須精心選擇位置檢測裝置。2022-7-5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。 安裝的位置及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； 運動型式運動型式 回轉(zhuǎn)型回轉(zhuǎn)型和和直線型直線型； 信號轉(zhuǎn)

3、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)原理、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)壓電效應(yīng)、壓阻效應(yīng)和磁阻效應(yīng)等。等。2022-7-5分分 類類 增增 量量 式式 絕絕 對對 式式 位移位移傳感器傳感器 回轉(zhuǎn)型回轉(zhuǎn)型脈沖編碼器、脈沖編碼器、自整角機自整角機 、旋轉(zhuǎn)變壓器、圓感旋轉(zhuǎn)變壓器、圓感應(yīng)同步器應(yīng)同步器 、光柵角度傳感器光柵角度傳感器 、圓光柵、圓磁柵圓光柵、圓磁柵 多極旋轉(zhuǎn)變壓器多極旋轉(zhuǎn)變壓器 、絕絕對脈沖編碼器對脈沖編碼器 絕對值式光絕對值式光柵柵 、 三速圓感應(yīng)同步器三速圓感應(yīng)同步器 、磁阻式多極旋轉(zhuǎn)變壓器磁阻式多極旋轉(zhuǎn)變壓器 直線型直線型直線

4、應(yīng)同步器直線應(yīng)同步器 、光柵尺、磁柵尺光柵尺、磁柵尺 、激光干涉儀激光干涉儀 霍耳位置傳感器霍耳位置傳感器 三速感應(yīng)同步器三速感應(yīng)同步器 、絕絕對值磁尺、光電編碼尺對值磁尺、光電編碼尺 、磁性編碼器磁性編碼器 速度速度傳感器傳感器 交、直流測速發(fā)電機交、直流測速發(fā)電機 、 數(shù)字脈編碼式速度傳感器數(shù)字脈編碼式速度傳感器 、霍霍耳速度傳感器耳速度傳感器 速度速度角度傳感器角度傳感器（Tachsyn）、數(shù)字電磁、）、數(shù)字電磁、磁敏式速度傳感器磁敏式速度傳感器 電流電流傳感器傳感器 霍耳電流傳感器霍耳電流傳感器 2022-7-5 傳感器的性能指標(biāo)應(yīng)包括靜態(tài)特性和動態(tài)特性，主要如下。傳感器的性能指標(biāo)應(yīng)包

5、括靜態(tài)特性和動態(tài)特性，主要如下。 1.1.精度精度 符合輸出量與輸入量之間特定函數(shù)關(guān)系的準(zhǔn)確程度符合輸出量與輸入量之間特定函數(shù)關(guān)系的準(zhǔn)確程度 稱作精度。高精度和高速實時測量。稱作精度。高精度和高速實時測量。 2.2.分辨率分辨率 分辯率應(yīng)適應(yīng)機床精度和伺服系統(tǒng)的要求。分辯率應(yīng)適應(yīng)機床精度和伺服系統(tǒng)的要求。 3.3.靈敏度靈敏度 靈敏度靈敏度高、高、一致。一致。 4.4.遲滯遲滯 對某一對某一輸入量，傳感器的正行程的輸出量與反行程的輸入量，傳感器的正行程的輸出量與反行程的 輸出量的不一輸出量的不一致，稱為遲滯。遲滯小。致，稱為遲滯。遲滯小。 5.5.測量范圍和量程測量范圍和量程 6.6.零漂與溫

6、漂零漂與溫漂 其它：其它： 可靠，抗干擾性強、使用維護方便、成本低等?？煽?，抗干擾性強、使用維護方便、成本低等。 2022-7-554318762 圖圖5 51 1 旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意1-1-轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸 2-2-軸承軸承 3-3-機殼機殼 4-4-轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)子鐵心 5-5-定子鐵心定子鐵心 6-6-端蓋端蓋 7-7-電刷電刷 8-8-集電環(huán)集電環(huán) 2022-7-5旋轉(zhuǎn)變壓器（旋轉(zhuǎn)變壓器（ResolverResolver）簡稱旋變，又稱作解算器或分解器。）簡稱旋變，又稱作解算器或分解器。分類：有電刷、集電環(huán)結(jié)構(gòu)和無刷結(jié)構(gòu)分類：有電刷、集電環(huán)結(jié)構(gòu)和無刷結(jié)構(gòu) 單對極元件、多對極元件（

7、或稱多極元件）單對極元件、多對極元件（或稱多極元件）工作原理：電磁感應(yīng)工作原理：電磁感應(yīng) 定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子S S1R1S S2S S3S S4R2R3R42022-7-5 E E2 2= KV= KV 1 1 cos = KV cos = KV m sintcos m sintcos =90=90 E E 2 = 02 = 0 =0=0 E E 2 = 2 = KVKV m SINm SINt t式中式中: : E E 2 2轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子繞組繞組感應(yīng)電勢；感應(yīng)電勢； V V1 1定子定子繞組勵繞組勵磁電壓磁電壓 V V1 1=V=Vm msinsintt； V Vm m電壓信號幅值；電壓信號幅值；

8、 定、轉(zhuǎn)子定、轉(zhuǎn)子繞組軸線間夾角；繞組軸線間夾角； KK變壓比變壓比 （即繞組匝數(shù)比）（即繞組匝數(shù)比） V1=VmsintV1V1E E 2 2= =0 0（= 90 90） E E 2 2=KV=KVm mSINSINttcoscos E E 2 2= = KVKVm msinsintt（= = 0 ） 2022-7-5w鑒相方式鑒相方式 V Vs s=Vmsin=VmsinttV Vc c=Vmcos=Vmcostt E E2 2= KV= KV m m cos- KV cos- KV c csinsin = KV = KV m m ( (sinsintcos- tcos- coscost

9、sintsin) ) = = KVKV m m sinsin( (t-t-) ) VSVSVsVcE2 圖圖5.35.3 定子兩相繞組勵磁定子兩相繞組勵磁 轉(zhuǎn)子輸出信號的相位角轉(zhuǎn)子輸出信號的相位角(t-)與轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角之間有著嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系。的偏轉(zhuǎn)角之間有著嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系。2022-7-52.2.鑒幅方式鑒幅方式 V Vs s=Vmsin=Vmsin電電sinsinttV Vc c=Vmcos=Vmcos電電s sinintt E E2 2 = KV= KV m m cos cos機機- KV- KV c csinsin機機 = KV= KV m m sinsintt( (sinsin電

10、電coscos機機- - coscos電電sinsin機機 = = KVKV m m sinsin( (電電-機機) ) sinsintt VSVSVsVcE2 圖圖5.35.3 定子兩相繞組勵磁定子兩相繞組勵磁 感應(yīng)電勢（感應(yīng)電勢（E2）是以）是以為角頻率、為角頻率、以以V Vm m sin(sin(電電 - -機機 ) )為幅值的交變電為幅值的交變電壓信號。若電氣角壓信號。若電氣角電電已知，只要測出已知，只要測出E2 幅值幅值( (利用利用E E2 2 = =0)0)，便可間接的求出，便可間接的求出機械角機械角機機 ，從而得出被測角位移。，從而得出被測角位移。 2022-7-5VSVS20

11、22-7-5 一、結(jié)構(gòu)與工作原理 感應(yīng)同步器和旋轉(zhuǎn)變壓器均為電磁式檢測裝置，屬模擬式測感應(yīng)同步器和旋轉(zhuǎn)變壓器均為電磁式檢測裝置，屬模擬式測量，二者工作原理相同，其輸出電壓隨被測直線位移或角位移而量，二者工作原理相同，其輸出電壓隨被測直線位移或角位移而改變。改變。 感應(yīng)同步器按其結(jié)構(gòu)特點一般分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種：感應(yīng)同步器按其結(jié)構(gòu)特點一般分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種： 直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成，用于直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成，用于直線位移測量直線位移測量。 旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成，用于旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成，用于角位移測量角位移測量。 以直線式感應(yīng)同步器為例，介紹其

12、結(jié)構(gòu)和工作原理。以直線式感應(yīng)同步器為例，介紹其結(jié)構(gòu)和工作原理。2022-7-5 直線感應(yīng)同步器相當(dāng)于一個展開的多極旋轉(zhuǎn)變壓器，其結(jié)構(gòu)直線感應(yīng)同步器相當(dāng)于一個展開的多極旋轉(zhuǎn)變壓器，其結(jié)構(gòu)如圖如圖4-3所示，定尺和滑尺的基板采用與機床熱膨脹系數(shù)相近的所示，定尺和滑尺的基板采用與機床熱膨脹系數(shù)相近的鋼板制成，鋼板上用絕緣粘結(jié)劑貼有銅箔，并利用腐蝕的辦法做鋼板制成，鋼板上用絕緣粘結(jié)劑貼有銅箔，并利用腐蝕的辦法做成圖示的印刷繞組。長尺叫定尺，安裝在機床床身上，短尺為滑成圖示的印刷繞組。長尺叫定尺，安裝在機床床身上，短尺為滑尺，安裝于移動部件上，兩者平行放置，保持尺，安裝于移動部件上，兩者平行放置，保持0

13、.250.05mm間間隙。隙。 感應(yīng)同步器兩個單元繞組之間的距離為節(jié)距，滑尺和定尺的感應(yīng)同步器兩個單元繞組之間的距離為節(jié)距，滑尺和定尺的節(jié)距均為，這是衡量感應(yīng)同步器精度的主要參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)同步節(jié)距均為，這是衡量感應(yīng)同步器精度的主要參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)同步器定尺長器定尺長250mm，滑尺長，滑尺長100mm，節(jié)距為，節(jié)距為2mm。定尺上是單。定尺上是單向、均勻、連續(xù)的感應(yīng)繞組，滑尺有兩組繞組，一組為正弦繞組，向、均勻、連續(xù)的感應(yīng)繞組，滑尺有兩組繞組，一組為正弦繞組，另一為余弦繞組。當(dāng)正弦繞組與定尺繞組對齊時，余弦繞組與定另一為余弦繞組。當(dāng)正弦繞組與定尺繞組對齊時，余弦繞組與定尺繞組相差尺繞組相差1/4

14、節(jié)距。節(jié)距。 2022-7-5V2VsVc定尺滑尺余弦繞組正弦繞組直線感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)2022-7-5 當(dāng)滑尺任意一繞組加交流激磁電壓時，由于電磁感應(yīng)當(dāng)滑尺任意一繞組加交流激磁電壓時，由于電磁感應(yīng)作用，在定尺繞組中必然產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該感應(yīng)電壓取作用，在定尺繞組中必然產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該感應(yīng)電壓取決于滑尺和定尺的相對位置。當(dāng)只給滑尺上正弦繞組加決于滑尺和定尺的相對位置。當(dāng)只給滑尺上正弦繞組加勵磁電壓時，定尺感應(yīng)電壓與定、滑尺的相對位置關(guān)系勵磁電壓時，定尺感應(yīng)電壓與定、滑尺的相對位置關(guān)系如圖如圖5-45-4所示。如果滑尺處于所示。如果滑尺處于A A位置，即滑尺繞組與定尺位置，即滑尺繞組與定尺繞組完全對應(yīng)

15、重合，定尺繞組線圈中穿入的磁通最多，繞組完全對應(yīng)重合，定尺繞組線圈中穿入的磁通最多，則定尺上的感應(yīng)電壓最大。隨著滑尺相對定尺做平行移則定尺上的感應(yīng)電壓最大。隨著滑尺相對定尺做平行移動，穿入定尺的磁通逐漸減少，感應(yīng)電壓逐漸減小。當(dāng)動，穿入定尺的磁通逐漸減少，感應(yīng)電壓逐漸減小。當(dāng)滑尺移到圖中滑尺移到圖中B B點位置，與定尺繞組剛好錯開點位置，與定尺繞組剛好錯開1/41/4節(jié)距時，節(jié)距時，感應(yīng)電壓為零。再移動至感應(yīng)電壓為零。再移動至1/21/2節(jié)距處，即圖中節(jié)距處，即圖中C C點位置時，點位置時，定尺線圈中穿出的磁通最多，感應(yīng)電壓最大，但極性相定尺線圈中穿出的磁通最多，感應(yīng)電壓最大，但極性相反。再移

16、至反。再移至3/43/4節(jié)距，即圖中節(jié)距，即圖中D D點位置時，感應(yīng)電壓又變點位置時，感應(yīng)電壓又變?yōu)榱悖?dāng)移動一個節(jié)距位置如圖中為零，當(dāng)移動一個節(jié)距位置如圖中E E點，又恢復(fù)到初始狀點，又恢復(fù)到初始狀態(tài)，與態(tài)，與A A點相同。顯然，在定尺移動一個節(jié)距的過程中，點相同。顯然，在定尺移動一個節(jié)距的過程中，感應(yīng)電壓近似于余弦函數(shù)變化了一個周期，如圖中感應(yīng)電壓近似于余弦函數(shù)變化了一個周期，如圖中ABCDEABCDE。 2022-7-5感應(yīng)電壓幅值與定尺滑尺相對位置關(guān)系 定 尺 滑 A 尺 B241 位 C221 置 D243 E 2 E A V2 M N 正弦繞組 余弦繞組 B D C O P 202

17、2-7-5 若設(shè)定尺繞組節(jié)距為，它對應(yīng)的感應(yīng)電壓以余弦函數(shù)變化若設(shè)定尺繞組節(jié)距為，它對應(yīng)的感應(yīng)電壓以余弦函數(shù)變化了，當(dāng)滑尺移動距離為時，則對應(yīng)感應(yīng)電壓以余弦函數(shù)變化相位了，當(dāng)滑尺移動距離為時，則對應(yīng)感應(yīng)電壓以余弦函數(shù)變化相位角。由比例關(guān)系角。由比例關(guān)系可得可得 (4-5) 設(shè)表示滑尺上一相繞組的激磁電壓設(shè)表示滑尺上一相繞組的激磁電壓 則定尺繞組感應(yīng)電壓為則定尺繞組感應(yīng)電壓為 式中式中 K耦合系數(shù)；耦合系數(shù)； 激磁電壓的幅值；激磁電壓的幅值； 激磁電壓的角頻率；激磁電壓的角頻率； 與位移對應(yīng)的角度。與位移對應(yīng)的角度。22xxx22tVVmssintKVKVVmssincoscos2mV2022-

18、7-5 感應(yīng)電壓的幅值變化規(guī)律就是一個周期性的余弦感應(yīng)電壓的幅值變化規(guī)律就是一個周期性的余弦曲線。在一個周期內(nèi)，感應(yīng)電壓的某一幅值對應(yīng)兩個曲線。在一個周期內(nèi)，感應(yīng)電壓的某一幅值對應(yīng)兩個位移點，如圖位移點，如圖5-45-4中中M M、N N兩點。為確定唯一位移，在滑兩點。為確定唯一位移，在滑尺上與正弦繞組錯開尺上與正弦繞組錯開1/41/4節(jié)距處，配置了余弦繞組。同節(jié)距處，配置了余弦繞組。同樣，若在滑尺的余弦繞組中通以交流勵磁電壓，也能樣，若在滑尺的余弦繞組中通以交流勵磁電壓，也能得出定尺繞組感應(yīng)電壓與兩尺相對位移的關(guān)系曲線，得出定尺繞組感應(yīng)電壓與兩尺相對位移的關(guān)系曲線，它們之間為正弦函數(shù)關(guān)系。若

19、滑尺上的正、余弦繞組它們之間為正弦函數(shù)關(guān)系。若滑尺上的正、余弦繞組同時勵磁，就可以分辨出感應(yīng)電壓值所對應(yīng)的唯一確同時勵磁，就可以分辨出感應(yīng)電壓值所對應(yīng)的唯一確定的位移。定的位移。 2022-7-5二、應(yīng)用 感應(yīng)同步器作為位置測量裝置安裝在數(shù)控機床上，它也有兩感應(yīng)同步器作為位置測量裝置安裝在數(shù)控機床上，它也有兩種工作方式，鑒相式和鑒幅式。種工作方式，鑒相式和鑒幅式。 1. 鑒相型系統(tǒng)鑒相型系統(tǒng) 供給滑尺的正、余弦繞組的激磁信號是頻率、幅值相同，相供給滑尺的正、余弦繞組的激磁信號是頻率、幅值相同，相位相差位相差900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

20、上的總感應(yīng)電壓為 (4-6) 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。的相對位移。tVVtVVmcmscossin)sin(2coscoscossin2tKVtKVtKVVmmm2022-7-5放大濾波基準(zhǔn)信號發(fā)生器脈沖調(diào)相器鑒相器放大器激磁供電線路伺服電機速度控制單元機床定尺滑尺VsVcXX感應(yīng)同步器鑒相測量系統(tǒng)框圖2022-7-5 2. 鑒幅式系統(tǒng)鑒幅式系統(tǒng) 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。 式中式中給定的電氣角。給

21、定的電氣角。 則在定尺繞組產(chǎn)生的總感應(yīng)電壓為則在定尺繞組產(chǎn)生的總感應(yīng)電壓為 (4-7) 式中式中 與位移對應(yīng)的角度。與位移對應(yīng)的角度。 tVVtVVmcmssincossinsinsinsincoscossinsin2tKVtKVVmmtKVmsinsin2022-7-5 鑒幅式伺服系統(tǒng)是以位置檢測信號的幅值大小來鑒幅式伺服系統(tǒng)是以位置檢測信號的幅值大小來反映機械位移的數(shù)值，并以此作為位置反饋信號與指反映機械位移的數(shù)值，并以此作為位置反饋信號與指令信號進行比較構(gòu)成閉環(huán)伺服系統(tǒng)。由式令信號進行比較構(gòu)成閉環(huán)伺服系統(tǒng)。由式4-7可知，可知，若電氣角若電氣角 已知，只要測出已知，只要測出V2的幅值，便

22、能求出與位的幅值，便能求出與位移對應(yīng)的角度移對應(yīng)的角度 。實際測量時，不斷調(diào)整。實際測量時，不斷調(diào)整 ，讓幅值，讓幅值為零。設(shè)初始位置時，為零。設(shè)初始位置時， = ，V20，當(dāng)滑尺相對，當(dāng)滑尺相對定尺移動后，隨著定尺移動后，隨著不斷增加，不斷增加， ， V2 0 。若。若逐漸改變逐漸改變值，直至值，直至 = ，V20，此時，此時的變化量的變化量就代表了就代表了對應(yīng)的位移量，就可測得機械位移。對應(yīng)的位移量，就可測得機械位移。 2022-7-5 進給指令進給指令 鑒幅式伺服系統(tǒng)原理框圖鑒幅式伺服系統(tǒng)原理框圖比較器數(shù)模轉(zhuǎn)換放大環(huán)節(jié)速度單元工作臺測量及信號處理電路伺服電機2022-7-5 按原理框圖敘

23、述鑒幅式系統(tǒng)的工作原理：進入比較器的信號按原理框圖敘述鑒幅式系統(tǒng)的工作原理：進入比較器的信號有兩路，一路來自進給脈沖，它代表了數(shù)控裝置要求機床工作臺有兩路，一路來自進給脈沖，它代表了數(shù)控裝置要求機床工作臺移動的位移量。另一路來自測量及信號處理電路，以數(shù)字脈沖形移動的位移量。另一路來自測量及信號處理電路，以數(shù)字脈沖形式出現(xiàn)，體現(xiàn)了工作臺實際移動的距離。鑒幅式系統(tǒng)工作之前，式出現(xiàn)，體現(xiàn)了工作臺實際移動的距離。鑒幅式系統(tǒng)工作之前，數(shù)控裝置和測量元件的信號處理電路都沒有脈沖輸出，比較器的數(shù)控裝置和測量元件的信號處理電路都沒有脈沖輸出，比較器的輸出為零，工作臺不移動。出現(xiàn)進給脈沖信號后，比較器的輸出輸出

24、為零，工作臺不移動。出現(xiàn)進給脈沖信號后，比較器的輸出不為零，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路將比較器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為電壓信號，不為零，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路將比較器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)放大后，由伺服電機帶動工作臺移動。同時，工作在鑒幅狀態(tài)經(jīng)放大后，由伺服電機帶動工作臺移動。同時，工作在鑒幅狀態(tài)的感應(yīng)同步器的定尺感應(yīng)出電壓信號，經(jīng)信號處理線路轉(zhuǎn)換成相的感應(yīng)同步器的定尺感應(yīng)出電壓信號，經(jīng)信號處理線路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字脈沖信號，該數(shù)字脈沖信號作為反饋信號進入比較器與應(yīng)的數(shù)字脈沖信號，該數(shù)字脈沖信號作為反饋信號進入比較器與進給脈沖進行比較。若兩者相等，比較器輸出為零，工作臺不動；進給脈沖進行比較。若兩者相等，比較器輸

25、出為零，工作臺不動；若兩者不相等，說明工作臺實際移動的距離還不等于指令信號要若兩者不相等，說明工作臺實際移動的距離還不等于指令信號要求移動的距離，伺服電機繼續(xù)帶動工作臺移動，直到比較器輸出求移動的距離，伺服電機繼續(xù)帶動工作臺移動，直到比較器輸出為零時停止。為零時停止。 2022-7-5 脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，能把機械脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，能把機械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，是數(shù)控機床上使用很廣泛的位置檢測轉(zhuǎn)角變成電脈沖，是數(shù)控機床上使用很廣泛的位置檢測裝置。脈沖編碼器可分為增量式與絕對式兩類。裝置。脈沖編碼器可分為增量式與絕對式兩類。 一、絕對式編碼器 絕對式編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式檢測

26、裝置，可直接把被絕對式編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式檢測裝置，可直接把被測轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來，且每一個角度位置均有其測轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來，且每一個角度位置均有其對應(yīng)的測量代碼，它能表示絕對位置，沒有累積誤差，對應(yīng)的測量代碼，它能表示絕對位置，沒有累積誤差，電源切除后，位置信息不丟失，仍能讀出轉(zhuǎn)動角度。絕電源切除后，位置信息不丟失，仍能讀出轉(zhuǎn)動角度。絕對式編碼器有光電式、接觸式和電磁式三種，以接觸式對式編碼器有光電式、接觸式和電磁式三種，以接觸式四位絕對編碼器為例來說明其工作原理。四位絕對編碼器為例來說明其工作原理。 2022-7-5 a) b)四位二進制編碼盤四位二進制編碼盤2022-7-5 如圖

27、所示為二進制碼盤。它在一個不導(dǎo)電基體上作成許多金如圖所示為二進制碼盤。它在一個不導(dǎo)電基體上作成許多金屬區(qū)使其導(dǎo)電，其中有剖面線部分為導(dǎo)電區(qū)，用屬區(qū)使其導(dǎo)電，其中有剖面線部分為導(dǎo)電區(qū)，用“1”表示；其它表示；其它部分為絕緣區(qū)，用部分為絕緣區(qū)，用“0”表示。每一徑向，由若干同心圓組成的圖表示。每一徑向，由若干同心圓組成的圖案代表了某一絕對計數(shù)值，通常，我們把組成編碼的各圈稱為碼案代表了某一絕對計數(shù)值，通常，我們把組成編碼的各圈稱為碼道，碼盤最里圈是公用的，它和各碼道所有導(dǎo)電部分連在一起，道，碼盤最里圈是公用的，它和各碼道所有導(dǎo)電部分連在一起，經(jīng)電刷和電阻接電源負(fù)極。在接觸式碼盤的每個碼道上都裝有電

28、經(jīng)電刷和電阻接電源負(fù)極。在接觸式碼盤的每個碼道上都裝有電刷，電刷經(jīng)電阻接到電源正極當(dāng)檢測對象帶動碼盤一起轉(zhuǎn)動時，刷，電刷經(jīng)電阻接到電源正極當(dāng)檢測對象帶動碼盤一起轉(zhuǎn)動時，電刷和碼盤的相對位置發(fā)生變化，與電刷串聯(lián)的電阻將會出現(xiàn)有電刷和碼盤的相對位置發(fā)生變化，與電刷串聯(lián)的電阻將會出現(xiàn)有電流通過或沒有電流通過兩種情況。若回路中的電阻上有電流通電流通過或沒有電流通過兩種情況。若回路中的電阻上有電流通過，為過，為“1”；反之，電刷接觸的是絕緣區(qū)，電阻上無電流通過，；反之，電刷接觸的是絕緣區(qū)，電阻上無電流通過，為為“0”。如果碼盤順時針轉(zhuǎn)動，就可依次得到按規(guī)定編碼的數(shù)字。如果碼盤順時針轉(zhuǎn)動，就可依次得到按規(guī)

29、定編碼的數(shù)字信號輸出，圖示為信號輸出，圖示為4位二進制碼盤，根據(jù)電刷位置得到由位二進制碼盤，根據(jù)電刷位置得到由“1”和和“0”組成的二進制碼，輸出為組成的二進制碼，輸出為0000、0001、00101111。 2022-7-5 由圖可以看出，碼道的圈數(shù)就是二進制的位數(shù)，且高位在內(nèi)，由圖可以看出，碼道的圈數(shù)就是二進制的位數(shù)，且高位在內(nèi)，低位在外。其分辨角低位在外。其分辨角360o/24=22.5o，若是，若是n位二進制碼盤，位二進制碼盤，就有就有n圈碼道，分辨角圈碼道，分辨角360o/2n，碼盤位數(shù)越大，所能分辨的，碼盤位數(shù)越大，所能分辨的角度越小，測量精度越高。若要提高分辨力，就必須增多碼道，

30、角度越小，測量精度越高。若要提高分辨力，就必須增多碼道，即二進制位數(shù)增多。目前接觸式碼盤一般可以做到即二進制位數(shù)增多。目前接觸式碼盤一般可以做到9位二進制，位二進制，光電式碼盤可以做到光電式碼盤可以做到18位二進制。位二進制。 用二進制代碼做的碼盤，如果電刷安裝不準(zhǔn)，會使得個別電用二進制代碼做的碼盤，如果電刷安裝不準(zhǔn)，會使得個別電刷錯位，而出現(xiàn)很大的數(shù)值誤差。如圖刷錯位，而出現(xiàn)很大的數(shù)值誤差。如圖5-12，當(dāng)電刷由位置，當(dāng)電刷由位置0111向向1000過渡時，可能會出現(xiàn)從過渡時，可能會出現(xiàn)從8（1000）到）到15（1111）之間的讀數(shù)誤差，一般稱這種誤差為非單值性誤差。為消除這種之間的讀數(shù)誤

31、差，一般稱這種誤差為非單值性誤差。為消除這種誤差，可采用葛萊碼盤。誤差，可采用葛萊碼盤。 2022-7-5 1000 1111 23 22 21 20 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 葛萊碼盤 四位二進制碼盤非單值性誤差 2022-7-5 圖為葛萊碼盤，其各碼道的數(shù)碼不同時改變，任圖為葛萊碼盤，其各碼道的數(shù)碼不同時改變，任何兩個相鄰數(shù)碼間只有一位是變化的，每次只切換一何兩個相鄰數(shù)碼間只有一位是

32、變化的，每次只切換一位數(shù)，把誤差控制在最小范圍內(nèi)。二進制碼轉(zhuǎn)換成葛位數(shù)，把誤差控制在最小范圍內(nèi)。二進制碼轉(zhuǎn)換成葛萊碼的法則是：將二進制碼右移一位并舍去末位的數(shù)萊碼的法則是：將二進制碼右移一位并舍去末位的數(shù)碼，再與二進制數(shù)碼作不進位加法，結(jié)果即為葛萊碼。碼，再與二進制數(shù)碼作不進位加法，結(jié)果即為葛萊碼。 例如，二進制碼例如，二進制碼11011101對應(yīng)的葛萊碼為對應(yīng)的葛萊碼為10111011，其演，其演算過程如下：算過程如下： 1101 1101 （二進制碼）（二進制碼） 11011101（不進位相加，舍去末位）（不進位相加，舍去末位） 1011 1011 （葛萊碼）（葛萊碼）2022-7-5 二

33、、增量式脈沖編碼器 增量式脈沖編碼器分光電式、接觸式和電磁感增量式脈沖編碼器分光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式三種。就精度和可靠性來講，光電式脈沖編碼器應(yīng)式三種。就精度和可靠性來講，光電式脈沖編碼器優(yōu)于其它兩種，它的型號是用脈沖數(shù)優(yōu)于其它兩種，它的型號是用脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)（p/r）來區(qū)）來區(qū)分，數(shù)控機床常用分，數(shù)控機床常用2000、2500、3000p/r等，現(xiàn)在等，現(xiàn)在已有每轉(zhuǎn)發(fā)已有每轉(zhuǎn)發(fā)10萬個脈沖的脈沖編碼器。脈沖編碼器除萬個脈沖的脈沖編碼器。脈沖編碼器除用于角度檢測外，還可以用于速度檢測。用于角度檢測外，還可以用于速度檢測。 光電式脈沖編碼器通常與電機做在一起，或者安光電式脈沖編碼器通常與電機

34、做在一起，或者安裝在電機非軸伸端，電動機可直接與滾珠絲杠相連，裝在電機非軸伸端，電動機可直接與滾珠絲杠相連，或通過減速比為或通過減速比為i的減速齒輪，然后與滾珠絲杠相連，的減速齒輪，然后與滾珠絲杠相連，那么每個脈沖對應(yīng)機床工作臺移動的距離可用下式計那么每個脈沖對應(yīng)機床工作臺移動的距離可用下式計算算：2022-7-5iMS式中 脈沖當(dāng)量（mm/脈沖）；S滾珠絲杠的導(dǎo)程（mm）；i減速齒輪的減速比；M脈沖編碼器每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)（p/r）。2022-7-5 光電式脈沖編碼器結(jié)構(gòu)示意圖光電式脈沖編碼器結(jié)構(gòu)示意圖 數(shù)字顯示 信號處理電路 光電盤 圓盤 光電元件 聚光鏡 光源 2022-7-5 光電式脈沖編碼

35、器，它由光源、聚光鏡、光電盤、圓盤、光光電式脈沖編碼器，它由光源、聚光鏡、光電盤、圓盤、光電元件和信號處理電路等組成（圖電元件和信號處理電路等組成（圖5-14）。光電盤是用玻璃材料）。光電盤是用玻璃材料研磨拋光制成，玻璃表面在真空中鍍上一層不透光的鉻，然后用研磨拋光制成，玻璃表面在真空中鍍上一層不透光的鉻，然后用照相腐蝕法在上面制成向心透光窄縫。透光窄縫在圓周上等分，照相腐蝕法在上面制成向心透光窄縫。透光窄縫在圓周上等分，其數(shù)量從幾百條到幾千條不等。圓盤也用玻璃材料研磨拋光制成，其數(shù)量從幾百條到幾千條不等。圓盤也用玻璃材料研磨拋光制成，其透光窄縫為兩條，每一條后面安裝有一只光電元件。光電盤與其

36、透光窄縫為兩條，每一條后面安裝有一只光電元件。光電盤與工作軸連在一起工作軸連在一起 ，光電盤轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)過一個縫隙就發(fā)生一次光，光電盤轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)過一個縫隙就發(fā)生一次光線的明暗變化，光電元件把通過光電盤和圓盤射來的忽明忽暗的線的明暗變化，光電元件把通過光電盤和圓盤射來的忽明忽暗的光信號轉(zhuǎn)換為近似正弦波的電信號，經(jīng)過整形、放大、和微分處光信號轉(zhuǎn)換為近似正弦波的電信號，經(jīng)過整形、放大、和微分處理后，輸出脈沖信號。通過記錄脈沖的數(shù)目，就可以測出轉(zhuǎn)角。理后，輸出脈沖信號。通過記錄脈沖的數(shù)目，就可以測出轉(zhuǎn)角。測出脈沖的變化率，即單位時間脈沖的數(shù)目，就可以求出速度。測出脈沖的變化率，即單位時間脈沖的數(shù)目，

37、就可以求出速度。 2022-7-5 為了判斷旋轉(zhuǎn)方向，圓盤的兩個窄縫距離彼此錯為了判斷旋轉(zhuǎn)方向，圓盤的兩個窄縫距離彼此錯開開1/4節(jié)距，使兩個光電元件輸出信號相位差節(jié)距，使兩個光電元件輸出信號相位差900。如。如圖所示，圖所示，A、B信號為具有信號為具有900相位差的正弦波，經(jīng)放相位差的正弦波，經(jīng)放大和整形變?yōu)榉讲ù蠛驼巫優(yōu)榉讲ˋ1、B1。 設(shè)設(shè)A相比相比B相超前時為正方向旋轉(zhuǎn)，則相超前時為正方向旋轉(zhuǎn)，則B相超前相超前A相就是負(fù)方向旋轉(zhuǎn)，利用相就是負(fù)方向旋轉(zhuǎn)，利用A相與相與B相的相位關(guān)系可以判相的相位關(guān)系可以判別旋轉(zhuǎn)方向。此外，在光電盤的里圈不透光圓環(huán)上還別旋轉(zhuǎn)方向。此外，在光電盤的里圈不透

38、光圓環(huán)上還刻有一條透光條紋，用以產(chǎn)生每轉(zhuǎn)一個的零位脈沖信刻有一條透光條紋，用以產(chǎn)生每轉(zhuǎn)一個的零位脈沖信號，它是軸旋轉(zhuǎn)一周在固定位置上產(chǎn)生一個脈沖。號，它是軸旋轉(zhuǎn)一周在固定位置上產(chǎn)生一個脈沖。 2022-7-5 電流 A B 節(jié)距 t A1 B1 900 脈沖編碼器輸出波形 2022-7-5 在數(shù)控機床上，光電脈沖編碼器作為位置檢測裝置，用在數(shù)在數(shù)控機床上，光電脈沖編碼器作為位置檢測裝置，用在數(shù)字比較伺服系統(tǒng)中，將位置檢測信號反饋給字比較伺服系統(tǒng)中，將位置檢測信號反饋給CNC裝置。裝置。 圖示為辨向環(huán)節(jié)框圖和波形圖。脈沖編碼器輸出的交變信圖示為辨向環(huán)節(jié)框圖和波形圖。脈沖編碼器輸出的交變信號號 經(jīng)

39、過差分驅(qū)動和差分接收進入經(jīng)過差分驅(qū)動和差分接收進入CNC裝置，再經(jīng)過整裝置，再經(jīng)過整形放大電路變成二個方波系列形放大電路變成二個方波系列 。將。將 和它的反向信號和它的反向信號 微分（上升沿微分）后得到微分（上升沿微分）后得到 和和 脈沖系列，作為加、減計數(shù)脈沖系列，作為加、減計數(shù)脈沖。脈沖。 路方波信號被用作加、減計數(shù)脈沖的控制信號，正走時路方波信號被用作加、減計數(shù)脈沖的控制信號，正走時（A超前超前B），由），由Y2門輸出加計數(shù)脈沖，此時門輸出加計數(shù)脈沖，此時Y1門輸出為低電平；門輸出為低電平；反走時（反走時（B超前超前A），由），由Y1門輸出減計數(shù)脈沖，此時門輸出減計數(shù)脈沖，此時Y2門輸出

40、為門輸出為低電平。這種讀數(shù)方式每次反映的都是相對于上一次讀數(shù)的增量，低電平。這種讀數(shù)方式每次反映的都是相對于上一次讀數(shù)的增量，而不能反映轉(zhuǎn)軸在空間的絕對位置，所以是增量讀數(shù)法。而不能反映轉(zhuǎn)軸在空間的絕對位置，所以是增量讀數(shù)法。 BBAA、11BA、1A1A1A1A1B2022-7-5 光電脈沖編碼器用于數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)的工作原理如光電脈沖編碼器用于數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)的工作原理如下：光電脈沖編碼器與伺服電機的轉(zhuǎn)軸連接，隨著電機的轉(zhuǎn)動產(chǎn)下：光電脈沖編碼器與伺服電機的轉(zhuǎn)軸連接，隨著電機的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生脈沖序列，其脈沖的頻率將隨著轉(zhuǎn)速的快慢而升降。若工作臺生脈沖序列，其脈沖的頻率將隨著轉(zhuǎn)速的快慢而升降

41、。若工作臺靜止，指令脈沖和反饋脈沖都為零，兩路脈沖送入數(shù)字脈沖比較靜止，指令脈沖和反饋脈沖都為零，兩路脈沖送入數(shù)字脈沖比較器中進行比較，結(jié)果輸出也為零。因伺服電機的速度給定為零，器中進行比較，結(jié)果輸出也為零。因伺服電機的速度給定為零，工作臺依然不動。隨著指令脈沖的輸出，指令脈沖不為零，在工工作臺依然不動。隨著指令脈沖的輸出，指令脈沖不為零，在工作臺尚未移動之前，反饋脈沖仍為零，比較器輸出指令信號與反作臺尚未移動之前，反饋脈沖仍為零，比較器輸出指令信號與反饋信號的差值，經(jīng)放大后，驅(qū)動電機帶動工作臺移動。電機運轉(zhuǎn)饋信號的差值，經(jīng)放大后，驅(qū)動電機帶動工作臺移動。電機運轉(zhuǎn)后，光電脈沖編碼器將輸出反饋脈

42、沖送入比較器，與指令脈沖進后，光電脈沖編碼器將輸出反饋脈沖送入比較器，與指令脈沖進行比較，如果偏差不為零，工作臺繼續(xù)移動，不斷反饋，直到偏行比較，如果偏差不為零，工作臺繼續(xù)移動，不斷反饋，直到偏差為零，即反饋脈沖數(shù)等于指令脈沖數(shù)時，工作臺停在指令規(guī)定差為零，即反饋脈沖數(shù)等于指令脈沖數(shù)時，工作臺停在指令規(guī)定的位置上。的位置上。2022-7-5 減計數(shù)減計數(shù) 加計數(shù)加計數(shù) 辨向環(huán)節(jié)框圖和波形圖辨向環(huán)節(jié)框圖和波形圖差分整 形放大Y1微分差分整 形放大Y21微分AA1A1A1A1BBB1A2022-7-5 辨向環(huán)節(jié)框圖和波形圖辨向環(huán)節(jié)框圖和波形圖1A1B1A1A1A1B1A1B1A2Y1Y2022-7-5 數(shù)字比較伺服系統(tǒng)數(shù)字比較伺服系統(tǒng) 放 大 環(huán) 節(jié) 指 令 信 號 比 較 器 伺 服 電 機 反 饋 信 號 工 作 臺 2022-7-5光柵的分類：物理光柵和計量光柵光柵的分類：物理光柵和計量光柵光柵的運動方式：長光柵和圓光柵光柵的運動方式：長光柵和圓光柵光線的走向：透射光柵和反射光柵光線的走向：透射光柵和反射光柵2022-7-51.1.長光柵檢測裝置的結(jié)構(gòu)長光柵檢測裝置的結(jié)構(gòu) 主要結(jié)構(gòu)為標(biāo)尺光柵和指示光柵主要結(jié)構(gòu)為標(biāo)尺光柵和指示光柵柵距和柵距角（兩個光柵錯開的角度）柵距和柵距角（兩個光柵錯開的角度）圖圖5.