位置檢測裝置機(jī)床數(shù)控技術(shù)

吳金文2016年4月25日第五章位置檢測裝置（1）

位置檢測裝置是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。

作用:檢測位移和速度，并發(fā)出反饋信號(hào)和數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號(hào)相比較，構(gòu)成閉環(huán)、半閉環(huán)控制。

5.1.1位置檢測裝置的要求

●

受溫度、濕度影響小，工作可靠，能長期保持精度，抗干擾能力強(qiáng);

●在機(jī)床執(zhí)行部件工作范圍內(nèi)，能滿足精度和速度要求;

●使用維護(hù)方便，適應(yīng)機(jī)床工作環(huán)境；

●成本低。

檢測元件的精度指標(biāo)：

系統(tǒng)精度－－在一定長度或轉(zhuǎn)角內(nèi)測量累積誤差的最大值

（±0.001~0.02mm/m，±10″/360°）

系統(tǒng)分辨率－－所能正確檢測的最小位移量

0.001~0.01mm，2″（取1/3~1/10機(jī)床加工精度）

檢測元件的作用檢測元件是數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的重要組成部分。它的作用是檢測位移，發(fā)送反饋信號(hào)，構(gòu)成閉環(huán)控制。數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度主要由檢測系統(tǒng)的精度決定。位移檢測系統(tǒng)能夠測量的最小位移量稱為分辨率。分辨率不僅取決于檢測元件本身，也取決于測量線路。在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床，尤其是高精度或大中型數(shù)控機(jī)床時(shí)，必須選用檢測元件。從檢測的信號(hào)分

直線型回轉(zhuǎn)型

從傳感器輸出信號(hào)分

模擬式

數(shù)字式檢測元件具體分類舉例直線感應(yīng)同步器、長光柵、長磁柵、激光干涉儀旋轉(zhuǎn)變壓器、圓感應(yīng)同步器、圓光柵、圓磁柵、編碼盤光柵檢測裝置、脈沖編碼盤旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器不同類型NC機(jī)床對檢測系統(tǒng)要求不同。大型數(shù)控機(jī)床要求速度響應(yīng)高，中型和高精度數(shù)控機(jī)床以滿足精度要求為主。測量系統(tǒng)分辨率一般要求比加工精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)。直接測量--對機(jī)床直線位移采用直線型檢測元件測量，其測量精度取決于測量元件精度，不受機(jī)床傳動(dòng)精度的影響。間接測量--對機(jī)床直線位移采用回轉(zhuǎn)型檢測元件測量，測量精度取決于測量元件和機(jī)床傳動(dòng)鏈兩者的精度。為提高定位精度，常需對機(jī)床傳動(dòng)誤差進(jìn)行補(bǔ)償。5.1.2位置檢測裝置的分類數(shù)字式測量模擬式測量增量式測量絕對式測量直接測量間接測量測量方式將檢測裝置直接安在執(zhí)行部件上，如光柵，感應(yīng)同步器用于直接測量工作臺(tái)直線位移。將檢測裝置安在滾珠絲杠或驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸上，通過檢測轉(zhuǎn)動(dòng)件的角位移來間接測量執(zhí)行部件的直線位移。將被測量以數(shù)字形式表示，測量量一般為電脈沖。將被測的量以連續(xù)變量表示，如電壓變化、相位變化等。主要用于小量程測量。只測位移量，如測量單位為0.01mm,則每移動(dòng)0.01mm就發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)。被測量的任意一點(diǎn)位置均由固定的零點(diǎn)標(biāo)起，每一個(gè)被測點(diǎn)都有一個(gè)相應(yīng)的測量值。同步分解器圓感應(yīng)分解器磁盤位置檢測裝置多級(jí)同步分解器同步分解器組件三重式圓感應(yīng)同步器光電盤圓光柵－數(shù)碼盤測角測長增量式絕對式數(shù)字式模擬式增量式絕對式增量式絕對式數(shù)字式模擬式增量式絕對式直線感應(yīng)分解器磁尺－長光柵－多通道透射光柵－多重式直線感應(yīng)同步器5.2光柵1.光柵的種類光柵有透射光柵和反射光柵兩類。透射光柵在透明玻璃片上刻有平行等距的密集線條，常用的有50線/毫米、l00線/毫米和200線/毫米(指直線光柵)。其特點(diǎn)是光源可采用垂直入射光，光電元件能直接接受，因此信號(hào)幅值較大，信噪比好，讀數(shù)頭的結(jié)構(gòu)簡單。反射光柵在金屬鏡面上制成全反射或漫反射平行等距的密集線條，常用的材料有鋼或鋁等，其每毫米刻線數(shù)有4、10、25、40、50，甚至有600線，因此可以得到很高的精度，且長度不受限制。兩種光柵的特點(diǎn):

玻璃透射光柵

光源可垂直入射，信號(hào)幅度大，讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)簡單;

刻線密度大100條/mm,細(xì)分后，分辨率達(dá)微米級(jí);

易碎，熱膨脹系數(shù)與機(jī)床不一致，影響測量精度.

金屬反射光柵鋼尺、鋼帶照相腐蝕、鉆石刀刻劃熱膨脹系數(shù)與機(jī)床一致，安裝調(diào)整方便，易接長，不易碎

光柵結(jié)構(gòu)：1.標(biāo)尺光柵、2.指示光柵、3.光電元件、4.光源。2．光柵工作結(jié)構(gòu)

原理

1）指示光柵與標(biāo)尺光柵刻度等寬。2）平行裝配，且無摩擦3）兩尺條紋之間有一定夾角4）當(dāng)指示光柵與標(biāo)尺光柵相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與光柵線垂直的橫向的條紋，該條紋為莫爾條紋，當(dāng)移動(dòng)一個(gè)柵距時(shí)，摩爾條紋也移動(dòng)一個(gè)紋距莫爾條紋的產(chǎn)生

1、標(biāo)尺光柵和指示光柵的柵距P2、指示光柵在其自身平面內(nèi)相對于標(biāo)尺光柵傾斜一個(gè)很小的角度,兩塊光柵的刻線就會(huì)相交。當(dāng)燈光通過聚光鏡呈平行光線垂直照射在標(biāo)尺光柵上，在與兩塊光柵線紋相交的鈍角平分線方向，出現(xiàn)明暗交替，間隔相等的粗短條紋，稱之為橫向莫爾條紋。a=柵距p莫爾條紋產(chǎn)生動(dòng)畫莫爾條紋移動(dòng)方向與光柵移動(dòng)方向及光柵夾角的關(guān)系應(yīng)用較多的干涉條紋式光柵，是利用光的衍射現(xiàn)象產(chǎn)生莫爾干涉條紋。當(dāng)兩片光柵互相平行，其刻線相互成一小角度θ時(shí)，兩光柵有相對運(yùn)動(dòng)就會(huì)生明暗相間的干涉條紋，將光源來的光經(jīng)透鏡變成平行光，垂直照射在光柵上，經(jīng)狹縫s和透鏡由光電元件接受，即可得到與位移成比例的電信號(hào)。工作原理

當(dāng)P=0.01mm，(l00線/毫米)θ=0.01弧度，紋距W=1mm，即利用擋光效應(yīng)，可把光柵線距轉(zhuǎn)換成放大100倍的摩爾條紋的寬度。表明莫爾條紋的節(jié)距是柵距的1／θ倍。(1)干涉條紋方向與標(biāo)尺光柵的刻線幾乎垂直。(2)放大作用:用W（mm）表示莫爾條紋的寬度，P(mm)表示柵距，θ(rad)為光柵線紋之間的夾角。莫爾條紋的特點(diǎn)(3)誤差均化作用：摩爾條紋是由許多根刻線共同形成的，這樣可使光柵的節(jié)距誤差得到平均化。(4)成比例運(yùn)動(dòng)：摩爾條紋的移動(dòng)與柵距之間的移動(dòng)成比例。當(dāng)兩個(gè)光柵相對移動(dòng)一個(gè)柵距d時(shí)，摩爾條紋相應(yīng)地移動(dòng)一個(gè)紋距W，因此兩者的移動(dòng)是對應(yīng)的，這樣便于記數(shù)；標(biāo)尺光柵移動(dòng)的方向相反，干涉條紋移動(dòng)的方向也反向。

d摩爾條紋標(biāo)尺光柵指示光柵光柵節(jié)距摩爾條紋節(jié)距作用：放大作用誤差均化作用方便測量位移θW光柵傾角光柵測量系統(tǒng)光柵測量系統(tǒng)由光源、聚光鏡、光柵尺、光電元件和驅(qū)動(dòng)線路組成。三、應(yīng)用（光柵位移－數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)）當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)柵距，莫爾條紋便移動(dòng)一個(gè)條紋寬度，假定開辟一小窗口觀察莫爾條紋的變化情況，可發(fā)現(xiàn)它在移動(dòng)一個(gè)柵距期間明暗變化了一個(gè)周期。理論上光柵亮度變化是一個(gè)三角波形，但由于漏光和不能達(dá)到最大亮度，被削頂削底后而近似一個(gè)正弦波（見圖3-4）。硅光電池將近似正弦波的光強(qiáng)信號(hào)變?yōu)橥l率的電壓信號(hào)（見圖3-5），經(jīng)光柵位移—數(shù)字變換電路放大、整形、微分輸出脈沖。每產(chǎn)生一個(gè)脈沖，就代表移動(dòng)了一個(gè)柵距那么大的位移，通過對脈沖計(jì)數(shù)便可得到工作臺(tái)的移動(dòng)距離。

O

亮度電壓圖3-4光柵的實(shí)際亮度變化圖3-5光柵的輸出波形圖光柵位移O光柵位移

將明暗相間的干涉條紋用光電元件接收后，經(jīng)過放大、整形、微分變成脈沖信號(hào)，即可用來測量位移量，如右圖?？梢娒總€(gè)線距可以發(fā)兩個(gè)脈沖信號(hào)。

根據(jù)摩爾條紋的上述特點(diǎn)，可在摩爾條紋的移動(dòng)方向上開設(shè)4個(gè)窗口P1，P2，P3，P4，并且使這4個(gè)窗口兩兩相距1/4摩爾條紋寬度(W/4),可從這4個(gè)觀察窗口進(jìn)行：機(jī)床移動(dòng)部件的位移檢測；確定移動(dòng)部件的方向；確定移動(dòng)速度。

增加線紋密度，能提高光柵檢測裝置精度，但制造較困難，成本高。實(shí)際應(yīng)用中，既要提高測量精度，同時(shí)又能達(dá)到自動(dòng)辨向的目的，通常采用倍頻或細(xì)分的方法來提高光柵的分辨精度，

如果在莫爾條紋的寬度內(nèi)，放置四個(gè)光電元件，每隔1/4光柵柵距產(chǎn)生一個(gè)脈沖，一個(gè)脈沖代表移動(dòng)了1/4柵距的位移，分辨精度可提高四倍，即四倍頻方案。提高精度的方法觀看光柵機(jī)構(gòu)及安裝視頻5.3脈沖編碼器

脈沖編碼器又稱碼盤，是一種回轉(zhuǎn)式數(shù)字測量元件，通常裝在被檢測軸上，隨被測軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，可將被測軸的角位移轉(zhuǎn)換為增量脈沖形式或絕對式的代碼形式。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式碼盤可分為接觸式、光電式和電磁式3種。其中，光電碼盤在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用較多，而由霍爾效應(yīng)構(gòu)成的電磁碼盤則可用作速度檢測元件。另外，它還可分為絕對式和增量式兩種。進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)聯(lián)軸器滾珠絲杠進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)編碼器

結(jié)構(gòu)及工作原理

信號(hào)處理裝置abz光電盤透鏡光源光電元件圓盤透光狹縫光欄板節(jié)距τm+τ/4一、增量式脈沖編碼器增量式脈沖編碼器分光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式三種。光電式脈沖編碼器的精度和可靠性優(yōu)于其它兩種，其型號(hào)用脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)來區(qū)分，現(xiàn)在已有每轉(zhuǎn)發(fā)10萬個(gè)脈沖的脈沖編碼器。脈沖編碼器可用于角度和速度檢測。光電式脈沖編碼器由光源、透鏡、光電盤、圓盤、光電元件和信號(hào)處理電路等組成。信號(hào)處理裝置abz碼盤基片透鏡光源光敏元件透光狹縫光欄板節(jié)距τm+τ/4光源光電盤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，再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，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，每一條后面安裝一只光電元件。圖5-5光電式脈沖編碼器結(jié)構(gòu)示意圖光電盤與工作軸連在一起，光電盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)過一個(gè)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光信號(hào)轉(zhuǎn)換為近似正弦波的電信號(hào)，經(jīng)過整形、放大、和微分處理后，輸出脈沖信號(hào)。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(shí)間脈沖的數(shù)目，就可以求出速度。節(jié)距PAB90°

90°

光電碼盤隨被測軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，在光源的照射下，透過光電碼盤和光欄板形成忽明忽暗的光信號(hào)，光敏元件把此光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過信號(hào)處理裝置的整形、放大等處理后輸出。輸出的波形有六路：的取反信號(hào)。AB90°Z……碼盤轉(zhuǎn)一圈其中，是

?輸出信號(hào)的作用及其處理

A、B兩相的作用√根據(jù)脈沖的數(shù)目可得出被測軸的角位移；√根據(jù)脈沖的頻率可得被測軸的轉(zhuǎn)速；√根據(jù)A、B兩相的相位超前、滯后關(guān)系可判斷被測軸旋轉(zhuǎn)方向。√后續(xù)電路可利用A、B兩相的90°相位差進(jìn)行細(xì)分處理（四倍頻電路實(shí)現(xiàn)）。ABCP90O

Z相的作用

√被測軸的周向定位基準(zhǔn)信號(hào)；√被測軸的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)記數(shù)信號(hào)。

的作用√后續(xù)電路可利用A、兩相實(shí)現(xiàn)差分輸入，以消除遠(yuǎn)距離傳輸?shù)墓材８蓴_。Z……碼盤轉(zhuǎn)一圈增量式碼盤的規(guī)格及分辨率規(guī)格增量式碼盤的規(guī)格是指碼盤每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的脈沖數(shù)；現(xiàn)在市場上提供的規(guī)格從36線/轉(zhuǎn)

到10萬線

/轉(zhuǎn)

都有；選擇：①伺服系統(tǒng)要求的分辨率；②考慮機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)。分辨率（分辨角）α設(shè)增量式碼盤的規(guī)格為n線/轉(zhuǎn)：提高增量式光電編碼器分辨率的方法提高圓周的等分狹縫的密度增加光電盤的發(fā)訊通道使盤上有若干大小不等的同心圓環(huán)狹縫（碼道），光電盤轉(zhuǎn)一周，發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)增多，分辨率提高。

增量式編碼器的缺點(diǎn)有可能產(chǎn)生計(jì)數(shù)錯(cuò)誤（由于噪聲或其它外界干擾）

若因停電、刀具破損而停機(jī)，事故排除后不能找到事故前執(zhí)行部件的正確位置

二、絕對式編碼器

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(gè)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，電源切除后，位置信息不丟失，仍能讀出轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

.絕對式編碼器碼盤基片上有多圈碼道，且每碼道的刻線數(shù)相等；對應(yīng)每圈都有光電傳感器；輸出信號(hào)的路數(shù)與碼盤圈數(shù)成正比；檢測信號(hào)按某種規(guī)律編碼輸出，故可測得被測軸的周向絕對位置。010111100110011110001001101010111100110111110000000100100011010023222120?絕對編碼盤的編碼方式

及特點(diǎn)

二進(jìn)制編碼：√特點(diǎn)：編碼循序與位置循序相一致，但可能產(chǎn)生非單值性誤差?！?/p>

誤差分析：

0101111001100111100010011010101111001101111100000001001000110100100023222120

1111

圖5-9四位二進(jìn)制編碼盤

當(dāng)檢測對象帶動(dòng)碼盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(huì)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過，為“1”；反之，電刷接觸的是絕緣區(qū)，電阻上無電流通過，為“0”。如果碼盤順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，就可依次得到按規(guī)定編碼的數(shù)字信號(hào)輸出，圖示為4位二進(jìn)制碼盤，根據(jù)電刷位置得到由“1”和“0”組成的二進(jìn)制碼，輸出為0000、0001、0010……1111。由圖3-9可看出，碼道的圈數(shù)就是二進(jìn)制的位數(shù)，且高位在內(nèi)，低位在外。其分辨角θ＝360o/24=22.5o，若是n位二進(jìn)制碼盤，就有n圈碼道，分辨角θ＝360o/2n，碼盤位數(shù)越大，所能分辨的角度越小，測量精度越高。用二進(jìn)制代碼做的碼盤，如果電刷安裝不準(zhǔn)，會(huì)使得個(gè)別電刷錯(cuò)位，而出現(xiàn)很大的數(shù)值誤差。如圖3-10，當(dāng)電刷由位置0111向1000過渡時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)從8（1000）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。為消除這種誤差，可采用葛萊碼盤。

格雷碼

（循環(huán)碼、葛萊碼）特點(diǎn)：任何兩個(gè)編碼之間只有一位是變化的，因而可把誤差控制在最小單位上。但編碼與位置循序無直接規(guī)律。111100011101110001000101011101100010001100001000100110111010111023222120格雷碼的編碼方法它是從二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換而來的，轉(zhuǎn)換規(guī)則為：將二進(jìn)制碼與其本身右移一位后并舍去末位的數(shù)碼作不進(jìn)位加法，得出的結(jié)