第3章數(shù)控機床的位置檢測

第三章數(shù)控機床的位置檢測提要本章主要介紹數(shù)控機床的位置檢測裝置作用及分類，講解光柵尺和脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)、工作原理及其應用。學時：2學時第三章數(shù)控機床的位置檢測目標

掌握光柵和脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)特點、工作原理及應用。

了解數(shù)控機床的位置檢測裝置作用及類型。第三章數(shù)控機床的位置檢測建議學生學習本章節(jié)，可結(jié)合數(shù)控中心的數(shù)控機床來了解光柵和脈沖編碼器和等位置檢測裝置的結(jié)構(gòu)特點、工作原理。第三章數(shù)控機床的位置檢測第一節(jié)概述位置檢測裝置是NC機床重要組成部分，在閉環(huán)系統(tǒng)中其主要作用是檢測位移量，并發(fā)出反饋信號與數(shù)控裝置的指令信號比較，如有偏差，經(jīng)放大后控制執(zhí)行部件，使其朝消除偏差方向運動，直至偏差為零。為提高數(shù)控機床的加工精度，須提高檢測元件和檢測系統(tǒng)的精度，不同類型數(shù)控機床，對檢測元件和檢測系統(tǒng)的精度要求、允許的最高移動速度各不相同。一般要求檢測元件的分辨率在0.0001～0.01mm之內(nèi)、測量精度為±0.001～0.02mm/m,運動速度為0～

24m/min。一、位置檢測裝置的要求

高可靠性和高抗干擾性；

滿足精度與速度要求；

使用維護方便，適合機床運行環(huán)境；

低成本。數(shù)控機床對位置檢測裝置的要求：檢測元件是數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的重要組成部分。它的作用是檢測位移，發(fā)送反饋信號，構(gòu)成閉環(huán)控制。數(shù)控機床的運動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。在設計數(shù)控機床，尤其是高精度或大中型數(shù)控機床時，必須選用檢測元件。二、位置檢測裝置的分類從檢測的信號分

直線型回轉(zhuǎn)型

從傳感器輸出信號分

模擬式

數(shù)字式

2．檢測傳感器分類直線感應同步器、長光柵、長磁柵、激光干涉儀旋轉(zhuǎn)變壓器、圓感應同步器、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、感應同步器

感應同步器——抗干擾能力強，對環(huán)境要求低，維護簡單、價格低，壽命較長，具有一定精度、應用較廣。

光柵——抗干擾能力強，高分辨率、大量程、測量精度高、應用廣泛，但成本較高，制造工藝要求高。

磁柵——抗干擾能力強，對環(huán)境條件要求低，安裝調(diào)整方便，精度高，但存在磁信號的穩(wěn)定性，磁頭磨損等問題。3．檢測元件的特點旋轉(zhuǎn)變壓器——抗干擾能力強、工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、動作靈敏、信號輸出幅度大，對環(huán)境無特殊要求，維護方便，應用廣泛。脈沖編碼盤——工作可靠、精度高，結(jié)構(gòu)緊湊、成本低，是精密數(shù)字控制和伺服系統(tǒng)中常用的角位移數(shù)字式檢測元器件，但抗污染能力差，易損壞。激光干涉儀——精度很高，但抗震性、抗干擾能力差，價格較貴，應用較少。不同類型NC機床對檢測系統(tǒng)要求不同。大型數(shù)控機床要求速度響應高，中型和高精度數(shù)控機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數(shù)量級。直接測量--對機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，不受機床傳動精度的影響。間接測量--對機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床傳動鏈兩者的精度。為提高定位精度，常需對機床傳動誤差進行補償。二、位置檢測裝置的分類表3-1數(shù)控機床檢測裝置分類

分類增量式絕對式位移傳感器回轉(zhuǎn)型—脈沖編碼器、自整角機、旋轉(zhuǎn)變壓器、圓感應同步器、光柵角度傳感器、圓光柵、圓磁柵多極旋轉(zhuǎn)變壓器、絕對脈沖編碼器、絕對值式光柵、三速圓感應同步器、磁阻式多極旋轉(zhuǎn)變壓器直線型—直線應同步器、光柵尺、磁柵尺、激光干涉儀、霍耳位置傳感器三速感應同步器、絕對值磁尺、光電編碼尺、磁性編碼器速度傳感器交、直流測速發(fā)電機、數(shù)字脈編碼式速度傳感器、霍耳速度傳感器速度—角度傳感器、數(shù)字電磁、磁敏式速度傳感器電流傳感器霍耳電流傳感器數(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，感應同步器用于直接測量工作臺直線位移。將檢測裝置安在滾珠絲杠或驅(qū)動電機軸上，通過檢測轉(zhuǎn)動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0.01mm就發(fā)出一個脈沖信號。被測量的任意一點位置均由固定的零點標起，每一個被測點都有一個相應的測量值。同步分解器圓感應分解器磁盤位置檢測裝置多級同步分解器同步分解器組件三重式圓感應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分解器磁尺－長光柵－多通道透射光柵－多重式直線感應同步器第二節(jié)光柵

光柵是閉環(huán)系統(tǒng)中用得比較多的檢測裝置，可用作直線位移和轉(zhuǎn)角的檢測。1．光柵的結(jié)構(gòu)和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)。其特點是光源可采用垂直入射光，光電元件能直接接受，因此信號幅值較大，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。光柵位置檢測裝置包括標尺光柵和指示光柵.根據(jù)制造方法和光學原理不同，光柵可分為透射光柵和反射光柵.透射光柵是在光學玻璃表面，或在玻璃表面感光材料的涂層上刻成光柵線紋。其特點是:光源可以垂直入射，光電元件直接接受光照，因此信號幅值比較大，信噪比好，光電密度為200線/mm時，光柵本身就已經(jīng)細分到0.005mm從而減輕了電子線路的負擔。光柵又可分為直線光柵和圓盤光柵直線光柵是測量直線位移，圓盤光柵是測量角位移。圓盤光柵簡稱圓光柵，其刻線呈輻射狀，在一圓周內(nèi)的等距線紋數(shù)有三種形式：60進制(10800，21600，32400，64800等線紋數(shù))、10進制(1000，2500，5000等線紋數(shù))、2進制(512，1024，2048等線紋數(shù))，視需要而選擇。光柵結(jié)構(gòu)：1.標尺光柵、2.指示光柵、3.光電元件、4.光源。2．光柵工作原理光柵位置檢測裝置光柵檢測裝置的結(jié)構(gòu)執(zhí)行部件帶著標尺光柵相對指示光柵移動，通過讀數(shù)頭的光電轉(zhuǎn)換，發(fā)送出與位移量對應的數(shù)字脈沖信號，用作位置反饋信號或位置顯示信號

原理

1）指示光柵與標尺光柵刻度等寬。2）平行裝配，且無摩擦3）兩尺條紋之間有一定夾角4）當指示光柵與標尺光柵相對運動時，會產(chǎn)生與光柵線垂直的橫向的條紋，該條紋為莫爾條紋，當移動一個柵距時，摩爾條紋也移動一個紋距

θ標尺光柵莫爾條紋應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。當兩片光柵互相平行，其刻線相互成一小角度θ時，兩光柵有相對運動就會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。干涉條紋的特點

當d=0.01mm，(l00線/毫米)θ=0.01弧度，紋距W=1mm，即利用擋光效應，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，d(mm)表示柵距，θ(rad)為光柵線紋之間的夾角。d摩爾條紋標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測量位移θW光柵傾角干涉條紋的特點(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)信息變換作用：摩爾條紋的移動與柵距之間的移動成比例。當兩個光柵相對移動一個柵距d時，摩爾條紋相應地移動一個紋距W，因此兩者的移動是對應的，這樣便于記數(shù)；標尺光柵移動的方向相反，干涉條紋移動的方向也反向。(5)光強分布規(guī)律：當用平行光束照射光柵時，就形成明暗相間的摩爾條紋。其由暗紋到亮紋的光強分布近似余弦函數(shù)。三、應用（光柵位移－數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)）當光柵移動一個柵距，莫爾條紋便移動一個條紋寬度，假定開辟一小窗口觀察莫爾條紋的變化情況，可發(fā)現(xiàn)它在移動一個柵距期間明暗變化了一個周期。理論上光柵亮度變化是一個三角波形，但由于漏光和不能達到最大亮度，被削頂削底后而近似一個正弦波（見圖3-4）。硅光電池將近似正弦波的光強信號變?yōu)橥l率的電壓信號（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)生一個脈沖，就代表移動了一個柵距那么大的位移，通過對脈沖計數(shù)便可得到工作臺的移動距離。

O

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

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)動線路組成。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，即可用來測量位移量，如右圖。可見每個線距可以發(fā)兩個脈沖信號。

根據(jù)摩爾條紋的上述特點，可在摩爾條紋的移動方向上開設4個窗口P1，P2，P3，P4，并且使這4個窗口兩兩相距1/4摩爾條紋寬度(W/4),可從這4個觀察窗口進行：機床移動部件的位移檢測；確定移動部件的方向；確定移動速度。１－機床移動部件的位移檢測標尺光柵安裝在機床移動部件上，光柵讀數(shù)頭安裝在機床固定部件。按摩爾條紋特點，當標尺光柵移動一個柵距時，摩爾條紋移動一個摩爾條紋寬度，即透過任一個窗口的光強變化一個周期。透過觀察窗口透過的光強變化的周期數(shù)確定標尺光柵移動了一個柵距，測得機床移動部件位移。２－確定移動部件的方向

從觀察窗口P1，P2，P3，P4，可以得到4個在相位上依次超前或滯后1/4周期的近似余弦函數(shù)的光強變化過程。當標尺光柵沿著一個方向移動時，可得到4個光強信號，P1滯后P2π/2,…,當摩爾條紋反向移動時，4個光強變化為P1超前P2π/2,P2超前P3π/2,…,可以斷定標尺光標沿反向移動。從4個觀察窗口得到光強度變化的相互超前或滯后關(guān)系可確定機床移動部件的移動方向。３－移動速度的確定

根據(jù)摩爾條紋的特點，標尺光柵的移動位移與摩爾條紋的移動位移成比例。因此，標尺光柵的移動速度和摩爾條紋的移動速度相一致，也與觀察窗口的光強變化頻率相對應。可根據(jù)透過觀察窗口的光強變化頻率來確定標尺光柵的移動速度，得到機床移動部件的移動速度。

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。實際應用中，既要提高測量精度，同時又能達到自動辨向的目的，通常采用倍頻或細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)，放置四個光電元件，每隔1/4光柵柵距產(chǎn)生一個脈沖，一個脈沖代表移動了1/4柵距的位移，分辨精度可提高四倍，即四倍頻方案。

莫爾條紋細分技術(shù)：光學細分、機械細分和電子細分

光柵位移-數(shù)字變換電路

abcd插動放大插動放大整形整形方向辨別門電路可逆計數(shù)正脈沖反脈沖abcd插動放大插動放大(sin)(cos)整形整形反向反向微分微分微分微分ABCDA’C’B’D’Y1Y2Y3Y4Y8Y5Y6Y7H1H2正向脈沖反向脈沖sincosABCDA’B’C’D’相加A’B’C’D’相加正走反走

a)原理電路圖

Y6微分微分微分整形P1P2P4P3

差動放大器

差動放大器整形反相反相Y1Y2Y3Y4Y5Y7Y8微分

B

A

D

C或門H1或門H2與門--

sincos

AB

CDA′B′C′D′

正向相加A′B+AD′+C′D+B′C

反向相加BC′+CD′+A′D+AB′b)波形圖圖3-7四倍頻辨向電路

4．光柵的特點及應用

光柵檢測裝置的特點如下：精度比較高。一是光柵本身線紋的精度就很高；二是由于干涉條紋是由許多線紋所組成，因此有誤差平均的作用。又由于采用倍頻線路，分辨率較高。因此多用于精密位移測量。對于直線位移的檢查，若長度大于2m，可采用透射光柵接長的辦法，但技術(shù)上困難些。對環(huán)境的要求較高，要用保護罩防塵、防液，且不能振動，因此其維護保養(yǎng)極為重要。制造上需要精密設備，價格較貴。第三節(jié)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，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、光電式和電磁式三種。其中，光電碼盤在數(shù)控機床上應用較多，而由霍爾效應構(gòu)成的電磁碼盤則可用作速度檢測元件。光電編碼器的構(gòu)成

光源、指示光柵、圓光柵、光電元件。

脈沖編碼器的分類與結(jié)構(gòu)

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，可作為位置檢測和速度檢測裝置。脈沖編碼器是一種增量檢測裝置，它的型號是由每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)來區(qū)分。2000P/r、2500P/r和3000P/r等；1234567圖3-8光電脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)1-光源2-圓光柵3-指示光柵4-光電池組5-機械部件6-護罩7-印刷電路板

一、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，且每一個角度位置均有其對應的測量代碼，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。

結(jié)構(gòu)和工作原理

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

圖3-9四位二進制編碼盤

當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”。如果碼盤順時針轉(zhuǎn)動，就可依次得到按規(guī)定編碼的數(shù)字信號輸出，圖示為4位二進制碼盤，根據(jù)電刷位置得到由“1”和“0”組成的二進制碼，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。用二進制代碼做的碼盤，如果電刷安裝不準，會使得個別電刷錯位，而出現(xiàn)很大的數(shù)值誤差。如圖3-10，當電刷由位置0111向1000過渡時，可能會出現(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。

圖3-11葛萊碼盤圖3-10四位二進制碼盤非單值性誤差

圖3-11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)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1101對應的葛萊碼為1011，其演算過程如下：1101（二進制碼）1101（不進位相加，舍去末位）1011（葛萊碼）絕對編碼盤的編碼方式及特點二進制編碼：特點：編碼循序與位置循序相一致，但可能產(chǎn)生非單值性誤差。誤差分析：01011110011001111000100110101011110011011111000000010010001101001111232221201000

格雷碼（循環(huán)碼、葛萊碼）特點：任何兩個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制碼轉(zhuǎn)換而來的，轉(zhuǎn)換規(guī)則為：將二進制碼與其本身右移一位后并舍去末位的數(shù)碼作不進位加法，得出的結(jié)果即為格雷碼(循環(huán)碼)。例題：將二進制碼0101轉(zhuǎn)換成對應的格雷碼：

結(jié)構(gòu)及工作原理

信號處理裝置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

二、增量式脈沖編碼器增