模塊3數控位置檢測裝置

《數控原理與應用》

模塊三、數控位置檢測裝置數控技術教研室林芝蘭5/12/20233.1概述一、數控機床對位置檢測裝置的要求1.耐油污、潮濕、灰塵，溫度穩(wěn)定性好，抗干擾能力強。2.足夠的精度和檢測速度。直線位移檢測分辨率0.001～0.01mm，精度±0.001～0.02mm／m，速度≥24m/min；回轉角位移分辨率2″左右，精度±10″/360°。3.安裝維護方便，成本低廉。5/12/2023二、位置檢測裝置的分類按運動形式分類直線型：用于直線位移測量回轉型：用于角位移測量按測量基準分類絕對值式：用于直線位移測量增量式：用于角位移測量按安裝位置分類直接測量間接測量5/12/2023二、位置檢測裝置的分類常用位置檢測元件5/12/2023三、位置檢測裝置的性能指標精度：檢測輸出值與實際位置的符合程度。分辨率：可分辨的最小刻度值，一般按加工精度的1／3～1／10選取檢測裝置的分辨率。靈敏度：檢測輸出值隨實際位置變化的及時程度。遲滯：同一實際位置，正行程與反行程的檢測輸出結果不一致的現象，稱為遲滯，遲滯越小越好。測量范圍和量程：測量范圍要滿足系統(tǒng)的要求，并留有余地。零漂與溫漂：測量精度隨時間和溫度的變化而變化的現象。5/12/20233.2旋轉變壓器

旋轉變壓器是一種角位移測量元件，外形如圖所示。由定子和轉子組成，根據轉子繞組引出方式不同，分為有刷和無刷兩種結構形式。(a)旋轉變壓器外形圖(b)有刷旋轉變壓器結構圖(c)無刷旋轉變壓器結構圖圖3.1旋轉變壓器外形結構圖5/12/2023有刷旋轉變壓器結構如圖3.1(b)所示，定子與轉子上均為兩相交流分布繞組，二相繞組軸線相互垂直，轉子繞組的端點通過電刷和滑環(huán)引出，結構簡單，體積小，但因電刷與滑環(huán)是機械滑動接觸，所以這種結構的旋轉變壓器可靠性差，使用壽命較短。無刷旋轉變壓器結構如圖3.1(c)所示，它沒有電刷與滑環(huán)，由兩大部分組成，一部分是旋轉變壓器本體，也叫分解器；另一部分是附加變壓器。無刷旋轉變壓器具有可靠性高，使用壽命長，但其體積、重量和成本均有所增加。5/12/2023

一、旋轉變壓器的工作原理

旋轉變壓器是一種輸出電壓隨轉子轉角變化的信號元件。當給勵磁繞組加上一定頻率的交流勵磁電壓時，通過定子與轉子之間的電磁耦合，轉子繞組就會產生感應電動勢，感動電動勢的幅值大小與轉子位置有關。

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5/12/2023圖3.2旋轉變壓器的工作原理5/12/2023由于旋轉變壓器的定子和轉子之間的磁通分布符合正弦規(guī)律，因此在轉子轉動過程中，感應電動勢隨轉子偏轉角度呈正弦規(guī)律變化，當轉子轉動角度為θ時，空載時轉子繞組輸出電壓為式中：k為傳輸比；u1為定子交流勵磁電壓；U1m為定子勵磁電壓幅值。5/12/2023二、旋轉變壓器的應用在實際應用中，通常采用的是正弦、余弦旋轉變壓器,它有兩個互相垂直的轉子繞組。給定子繞組加正弦交流勵磁電壓，一個轉子繞組輸出與轉子轉角成正弦函數關系的電壓，另一個轉子繞組輸出與轉子轉角成余弦函數關系的電壓，即5/12/2023

將勵磁信號和轉子繞組輸出信號送至解碼電路輸入端，即可得到轉子轉角代碼。日本多摩川公司推出的解碼電路集成芯片原理如圖3.3所示，如果圖中usr=0，那么θ=θrd，即可解碼出轉子轉角。

由于正弦余弦型旋轉變壓器采用無刷設計，所以維護方便，使用壽命長，穩(wěn)定可靠，對機械和電氣噪聲不敏感，因此被廣泛應用在航空、航天、雷達以及數控機床的伺服系統(tǒng)中。5/12/2023圖3.3解碼芯片原理框圖5/12/2023

3.3光柵尺

光柵是一種通過在透明玻璃或金屬的反光平面上刻平行、等距的密集刻線而制成的光學元件。數控機床上用的光柵尺是利用兩個光柵相互重疊時形成的莫爾條紋現象制成的光電式位移測量裝置。按制造工藝不同，光柵尺可分為透射光柵和反射光柵。5/12/2023

透射光柵是在透明的玻璃表面刻上間隔相等的不透明的線紋制成的，線紋密度可達到每毫米100條以上；反射光柵一般是在金屬的反光平面上刻上平行、等距的密集刻線，利用反射光進行測量，其刻線密度一般在每毫米4～50條范圍內。按結構用途不同又可分為直線光柵和圓光柵。直線光柵用于測量直線位移，圓光柵用來測量角位移。5/12/2023

一、光柵的組成接構和檢測原理1.組成結構直線透射光柵尺的結構如圖3.4所示，由光源、長光柵（標尺光柵）、短光柵（指示光柵）、光電元件等組成。5/12/2023圖3.4直線透射光柵尺結構原理一般移動的光柵為長光柵，短光柵裝在機床的固定部件上。兩塊光柵的刻線密度（即柵距）相等，相互平行并保持一定的間隙（0.05～0.1mm），并且使刻線相互傾斜一個微小的角度θ。5/12/2023

2.莫爾條紋的形成原理當用光源的平行光照射光柵時，由于刻線的擋光作用和光的衍射作用，在與刻線垂直的方向上就會產生明暗交替、間隔相等的干涉條紋，稱為莫爾條紋，如圖3.5所示。

5/12/2023圖3.5莫爾條紋形成原理5/12/20233.莫爾條紋的特點莫爾條紋具有如下特點。（1）放大作用。莫爾條紋的寬度B將隨條紋的夾角θ的變化而變化，其關系為式中：ω為光柵柵距；θ為兩光柵的刻線夾角。5/12/2023上式表明，可以通過改變θ的大小來調整莫爾條紋的寬度，θ越小，B越大，這相當于把柵距放大了1／θ倍。例如，對于刻線密度為100/mm的光柵，其ω=0.01mm，如果通過調整，使θ=0.001rad(0.057°)，則，其放大倍數為1000倍。而且無需復雜的光學系統(tǒng)，這是莫爾條紋獨有的一個重要特性。5/12/2023②平均效應莫爾條紋是指示光柵覆蓋了許多條紋后而形成的，例如，250線／毫米的光柵，10mm長的一條莫爾條紋是由2500條刻線組成的。因此對光柵條紋間距的誤差有平均作用，因而能消除周期誤差的影響。③信號變換標尺光柵每移動一個柵距，莫爾條紋相應地移動一個寬度，同時光線強度按近似正弦規(guī)律變化一個周期，從而把機械位移信號變換成了光學信號。5/12/2023④莫爾條紋的移動與刻線的移動成正比例當光柵尺移動一個柵距時，莫爾條紋也恰好移動一個節(jié)距。若光柵尺朝向反的方向移動，莫爾條紋也往相反的方向移動。從而根據莫爾條紋移動的數目，可以計算出光柵尺移動的距離，并根據莫爾條紋移動的方向來判斷移動部件的運動方向。5/12/2023

二、測量電路工作原理在光柵尺的一側安裝上光源，另一側安裝上光敏元件。當標尺光柵隨運動部件移動時，照射到光敏元件上的光線也隨著莫爾條紋移動而產生明暗相間的變化，經過光敏元件的“光-電”變換，得到與刻線移動相對應的正弦波信號，經過放大、整形等處理后，變成測量脈沖輸出，波形如圖3.6所示。5/12/2023圖3.6輸出信號波形圖5/12/2023為了能夠辨別運動方向，可在1/4柵距的位置上安放兩個光敏元件，使輸出信號的相位差為90°，通過鑒相電路判別其運動方向。此外，為了提出高測量精度，常用倍頻細分法對輸出信號進行處理。圖3.7所示為四倍頻電路，4個光敏元件的安裝位置彼此相差1/4柵距，產生4列彼此相差90°的信號，為了在0°，90°，180°，270°的位置上都能得到脈沖，必須把兩路相差90°的方波各自反相一次，然后再微分，就可得到4個脈沖，使分辨率提高4倍。5/12/2023圖3.7四倍頻辨向計數電路5/12/2023為了辨別方向，正向運動時，用“與或”門YH1得到AB+AD+CD+BC的4個輸出脈沖；反向運動時，用“與或”門YH2得到BC+AB+AD+CD的4個輸出脈沖；其波形如圖3.8所示。在機床光柵位移測量系統(tǒng)中，除上述四倍頻外，還有八倍頻、十倍頻、二十倍頻等。5/12/2023圖3.8四倍頻波形圖5/12/20233.4旋轉編碼器

旋轉編碼器是一種旋轉式位置測量裝置，通常安裝在被測軸上，隨被測軸一起轉動，可將被測軸的角位移轉換成數字脈沖。是數控機床常用的位置檢測元件。按輸出信號形式（增量脈沖形式或絕對式的代碼形式），旋轉編碼器可以分為增量式和絕對式兩種類型。按碼盤的讀取方法，旋轉編碼器可分為光電式、接觸式和電磁式3種。5/12/2023一、增量式旋轉編碼器1.結構增量式旋轉編碼器的外形結構如圖3.9所示。它主要由發(fā)光管(帶聚光鏡)、光柵板、光柵盤、光敏元件及信號處理電路板組成。5/12/20235/12/2023光柵盤分為透光式和反光式2種，透光式光柵盤由光學玻璃制成，玻璃表面在真空中鍍一層不透明的膜，然后在圓周的半徑方向上，用照相腐蝕的方法制成許多條可以透光的狹縫和不透光的刻線，刻線的數量可達幾百條或幾千條；反光式光柵盤一般是在金屬圓盤的圓周上制成許多條可以反光的刻線，利用反射光進行測量，其發(fā)光管和光敏管位于圓盤的一側。5/12/2023

此外，也可在金屬圓盤的圓周上刻上一定數量的槽或者孔，使圓盤形成透明和不透明區(qū)域，其原理和透光式光柵盤相同，只是槽的數量受限，分辨率較低，常被稱作光電碼盤，主要用于電子手輪和回轉刀架的刀位檢測。

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2.工作原理圖3.10所示為增量式旋轉編碼器測量系統(tǒng)的工作原理示意圖，當光柵盤隨工作軸一起轉動時，每轉過一個刻線（狹縫）就發(fā)生一次光線的明暗變化，經過光敏元件變成一次電信號的強弱變化，對它進行放大、整形處理后，得到脈沖信號輸出。脈沖數就等于轉過的刻線數。將該脈沖信號送到計數器中計數，則計數值就反映了圓盤轉過的角度。5/12/2023圖3.10增量式旋轉編碼器光學原理5/12/2023

為了判別碼盤的旋轉方向，采用兩個光敏元件，其輸出信號經放大整形后，得到如圖3.11所示的兩列相位差為90°的矩形脈沖P1和P2，它們分別接到D觸發(fā)器的D端和CP端，D觸發(fā)器在CP脈沖(即P2)的上升沿觸發(fā)。5/12/2023當正轉時，l#光敏元件比2#光敏元件先感光，即脈沖P1超前脈沖P290°。D觸發(fā)器的輸出Q＝“1”，使可逆計數器的加減控制線為高電平，計數器將作加法計數。同時P1和P2又經與門Y輸出脈沖P，經延時電路送到可逆計數器的計數輸入端，計數器進行加法計數。當反轉時，P2超前P190°。D觸發(fā)器輸出Q＝“0”，使可逆計數器的加減控制線為低電平，計數器將作減法計數。計數電路如圖3.11所示。5/12/2023兩相增量式旋轉編碼器輸出脈沖波形圖5/12/2023圖3.11正交脈沖可逆計數器原理圖5/12/2023

增量式旋轉編碼器的主要技術參數包括：每轉脈沖數（P/R）、電源電壓、輸出信號相數和輸出形式等，各參數范圍如表3.2所示。其中，1相輸出只有1列矩形脈沖，用于單方向計數；2相輸出為兩列正交脈沖，可正反向計數；3相輸出時，A、B為兩列正交脈沖，用于正反向計數，Z相為零位脈沖，每轉只產生一個。5/12/2023表3.2旋轉編碼器技術參數范圍5/12/2023二、絕對值式旋轉編碼器它是一種直接編碼式的測量元件。它把被測轉角轉換成相應的代碼指示絕對位置，沒有積累誤差。其編碼盤有光電式、接觸式和電磁式三種，為敘述簡單起見，以接觸式四位絕對編碼器為例來說明其工作原理。圖3.12所示是一個四位二進制編碼盤，涂黑部分是導電區(qū)，空白部分是絕緣區(qū)。5/12/2023編碼盤上共有5個同心環(huán)道，外圈的4個環(huán)道，分為16個扇形區(qū)，每個扇形區(qū)的四個環(huán)道按導電為“1”、絕緣為“0”組成二進制編碼。通常把組成編碼的各圈稱為碼道，對應四個碼道并排裝有四個電刷，電刷經電阻接到電源的負極。內圈的1個環(huán)道是公用環(huán)道，全部導電，也裝有1個電刷，并接到電源的正極。碼盤的轉軸可與被測軸一起轉動，而5個電刷則是固定不動的。當被測軸帶動碼盤轉動時，與碼道對應的4個電刷上將出現相應的電平，形成二進制代碼。若碼盤按順時針方向轉動，就依次得到0000，0001，0010，…，1111的二進制輸出。5/12/2023圖3.12接觸式編碼盤(a)結構簡圖；(b)二進制編碼盤；(c)格雷編碼盤5/12/2023二進制碼盤具有直觀、簡單的優(yōu)點，但對碼盤的制作和電刷的安裝要求十分嚴格，否則就會出錯。例如，0000位置，若碼盤按逆時針方向轉動，正常時輸出應由數碼0000轉換到1111；但是，如果最里側碼道上的電刷（電刷3）在安裝時稍向逆時針方向偏移，則當碼盤隨軸作逆時針方向旋轉時，電刷3接觸導電部分早了一些，因而先給出數碼1000，這是不允許的，應避免發(fā)生。5/12/2023

為了消除這種錯誤，常采用循環(huán)碼（格雷碼）代替二進制碼，循環(huán)碼的特點是相鄰的兩個數碼間只有一位是變化的，它能有效地避免由于制作和安裝誤差而造成的錯誤。循環(huán)碼和二進制碼及十進制數的對應關系如表3.3所示。5/12/2023表3.3絕對值式旋轉編碼器輸出真值表5/12/2023上述為四位碼盤，其分辨角度α＝360°/24=22.5°。如果用n位編碼盤，則分辨角度α＝360°/2n。所以，位數越多，n越大，分辨角度就越小，精度也就越高。目前，接觸式碼盤一般可以做到9位二進制，而光電式碼盤則可做到18位二進制。如果要求更多的位數，則可用組合碼盤，即用一個粗計碼盤和一個精計碼盤，精計碼盤轉一圈，粗計碼盤轉一格，如果用兩個9位二進制碼盤組合，則可得到相當于18位二進制碼盤的輸出。5/12/20233.5感應同步器感應同步器是利用兩個平面印刷電路繞組的電磁感應原理制成的位移測量裝置。這兩個繞組類似變壓器的原邊繞組和副邊繞組，所以又稱為平面變壓器。按結構和用途可分為直線感應同步器和圓盤旋轉式感應同步器兩類，前者用于測量直線位移，后者用于測量角位移。兩者的工作原理基本相同。5/12/2023感應同步器具有較高的測量精度和分辨率，工作可靠，抗干擾能力強，使用壽命長。目前，直線式感應同步器的測量精度可達1．5μm，分辨率可達0.05μm，并可測量較大位移。因此，感應同步器廣泛應用于坐標鏜床、坐標銑床及其它機床的定位、數控和數顯等，旋轉式感應同步器常用于雷達天線定位跟蹤、精密機床或測量儀器的分度裝置等。5/12/2023一、感應同步器的結構直線式感應同步器由定尺和滑尺兩部分組成，圖3.13是定尺和滑尺的截面結構圖，定尺和滑尺均用絕緣粘合劑將銅箔貼在基板上，用光化學腐蝕或其它方法，將銅箔刻制成曲折的印刷電路繞組（如圖3.14所示）。定尺表面涂有耐切削液的保護層。滑尺表面用絕緣粘合劑貼有帶絕緣層的鋁箔，以防止靜電感應。5/12/2023圖3.13定尺和滑尺的截面結構5/12/2023圖3.14直線感應同步器定尺和滑尺的繞組示意圖5/12/2023如圖3.14所示，定尺表面分布有單相均勻繞組，尺長250mm，繞組節(jié)距(τ)2mm(標準型)。滑尺上有兩組繞組，一組叫正弦繞組，另一組叫余弦繞組。當正弦繞組的每只線圈和定尺繞組的每只線圈對準(即重合)時，余弦繞組的每只線圈和定尺繞組的每只線圈相差1/4節(jié)距，即滑尺上兩組繞組在空間位置上相差1/4節(jié)距。5/12/2023直線式感應同步器有標準型、窄型和帶型三種，其中標準型精度最高，應用最廣。各類型感應同步器的精度和電參數如表3.5所示。5/12/2023表3.4各類型感應同步器的精度和電參數的參考數據5/12/20232.感應同步器的工作原理在感應同步器工作時，定尺和滑尺相互平行安裝，其間有大約0.25±0.05mm的間隙，間隙的大小會影響電磁耦合度。定尺是固定的，滑尺是可動的，它們之間可以做相對移動。圖3.15說明了定尺感應電壓與定、滑尺繞組的相對位置的關系。5/12/2023圖3.15感應同步器工作原理5/12/2023當在滑尺的正弦繞組加正弦交流(1～10kHz)勵磁電壓時，則在繞組中產生勵磁電流，并產生交變磁通，這個交變磁通與定尺繞組耦合，在定尺繞組上分別感應出同頻率的交流電壓。這時，如果滑尺處于圖中A點位置，即滑尺繞組與定尺繞組完全對應重合，則定尺上的感應電壓最大。5/12/2023隨著滑尺相對定尺做平行移動，感應電壓逐漸減小。當滑尺移動至圖中B點位置，與定尺繞組剛好錯開1／4節(jié)距時，感應電壓為零。再繼續(xù)移至1/2節(jié)距處，即圖中C點位置時，為最大的負值電壓(即感應電壓的幅值與A點相同但極性相反)。再移至3/4節(jié)距，即圖中D點位置時，感應電壓又變?yōu)榱?。當移動到一個節(jié)距位置即圖中E點，又恢復初始狀態(tài)，即與A點情況相同。5/12/2023顯然在定尺和滑尺的相對位移中，感應電壓呈周期性變化，其波形為余弦函數。在滑尺移動一個節(jié)距的過程中感應電壓變化了一個余弦周期。同樣，若在滑尺的余弦繞組中通以交流勵磁電壓，也能得出定尺繞組中感應電壓與兩尺相對位移θ的關系曲線，它們之間為正弦函數關系。根據勵磁繞組中勵磁供電方式的不同，感應同步器可分為鑒相工作方式和鑒幅工作方式。5/12/20231)鑒相工作方式當在滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別加同頻率、同幅值，相位相差π／2的勵磁電壓和時，則將在定尺繞組上分別感應出同頻率的電壓ud1=kUmcosθsinωtud2=-kUmsinθcosωt5/12/2023式中，k為電磁耦合系數，θ為滑尺勵磁繞組相對于定尺繞組的空間相位角。實際上，正弦、余弦繞組同時供電，這時定尺繞組上總的感應電壓為ud=ud1+ud2=kUmcosθsinωt-Umsinθcosωt

=kUmsin(ωt-θ)5/12/2023由此看出，在鑒相工作方式中，由于耦合系數k、勵磁電壓幅值Um以及頻率ωt均是常數，因而定尺的感應電壓ud就只隨著空間相位角θ的變化而變化。這說明定尺的感應電壓與滑尺的位移值有嚴格的對應關系，通過鑒別定尺感應電壓的相位，即可測得滑尺和定尺間的相對位移。5/12/20232）鑒幅工作方式給滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別加相位相同、頻率相同但幅值不等的交流勵磁電壓us=Ussinωt=(Umsinφ)sinωt和uc=Ucsinωt=(Umcosφ)sinωt，則定尺繞組中的感應電壓為ud=k(Umsinφ)sinωtcosθ-Umcosφ)sinωtsinθ

=kUmsinωt(sinφcosθ-cosφsinθ)

=kUmsinωtsin(φ-θ)5/12/2023可見，定尺繞組上的感應電壓與激磁電壓同頻率同相位，而幅值則取決于激磁電壓的幅值和感應同步尺的相對位移，且隨（α-θ）作正弦規(guī)律變化，所以可以通過檢測ud的幅值變化來測量機械位移量。5/12/2023

3.6磁柵

磁柵（磁尺）是一種錄有等節(jié)距磁化信號的磁性標尺或磁盤，是一種高精度的位置檢測裝置，可用于數控系統(tǒng)的位置測量，其錄磁和拾磁原理與普通磁帶相似。在檢測過程中，磁頭讀取磁性標尺上的磁化信號并把它轉換成電信號，然后通過檢測電路把磁頭相對于磁尺的位置送入計算機或數顯裝置。5/12/2023磁柵有其獨特的優(yōu)點：1.制作簡單，安裝、調整方便，成本低。磁柵上的磁化信號錄制完成后，若發(fā)現不符合要求可抹去重錄，亦可安裝在機床上再錄磁，避免安裝誤差。2.磁尺的長度可任意選擇，亦可錄制任意節(jié)距的磁信號。3.耐油污、灰塵等，對使用環(huán)境要求低。5/12/2023一、磁柵測量裝置的組成結構磁柵測量裝置由磁性標尺、拾磁磁頭和測量電路組成，按其結構可分為直線磁柵和圓磁柵，分別用于直線位移和角位移的測量。其中，直線磁柵又分為帶狀磁柵、桿狀磁柵。常用磁柵的外形結構如圖3.16所示。5/12/2023圖3.16常用磁柵外形結構（a）帶狀磁柵；（b）桿狀磁柵；（c）圓磁柵5/12/2023帶狀磁柵固定在用低碳鋼做的屏蔽殼體內，并以一定的預緊力繃緊在框架或支架中，框架固定在機床上，使帶狀磁尺同機床一起脹縮，從而減少溫度對測量精度的影響。桿狀磁柵套在磁頭中間，與磁頭同軸，兩者之間保持很小的間隙，由于磁尺包圍在磁頭中間，對周圍電磁起到了屏蔽作用，所以抗干擾能力強，輸出信號大。圓形磁柵的磁尺做成圓形磁盤或磁鼓形狀，磁頭和帶狀磁尺的磁頭相同，圓形磁尺主要用來檢測角位移。5/12/20231.磁性標尺磁性標尺常采用不導磁材料做基體，在上面鍍上一層10～30um厚的高導磁性材料，形成均勻磁膜；再用錄磁磁頭在尺上記錄相等節(jié)距的周期性磁化信號，用以作為測量基準，信號可為正弦波、方波等，節(jié)距通常為0.05、0.1、0.2mm；最后在磁尺表面還要徐上一層1～2um厚的保護層，以防磁頭與磁尺頻繁接觸而形成的磁膜磨損。5/12/20232.拾磁磁頭拾磁磁頭是一種磁電轉換器，用來把磁尺上的磁化信號檢測出來變成電信號送給測量電路。拾磁磁頭可分為動態(tài)磁頭和靜態(tài)磁頭。動態(tài)磁頭又稱為速度響應型磁頭，它只有一組輸出繞組，所以只有當磁頭和磁尺有一定相對速度時才能讀取磁化信號，并有電壓信號輸出。這種磁頭只能用于錄音機、磁帶機的拾磁磁頭，不能用來測量位移。5/12/2023由于用于位置檢測用的磁柵要求當磁尺與磁頭相對運動速度很低或處于靜止時亦能測量位移或位置，所以應采用靜態(tài)磁頭。靜態(tài)磁頭又稱磁通響應型磁頭，如圖3.17所示，它在普通動態(tài)磁頭的基礎上，增加了一個勵磁線圈，并采用可飽和的鐵芯，利用可飽和鐵芯的磁性調制原理來實現位置檢測。靜態(tài)磁頭可分為單磁頭、雙磁頭和多磁頭。5/12/2023圖3.17磁通響應型單磁頭5/12/2023二、磁柵工作原理單磁頭結構如圖3.17所示，磁頭有兩組繞組，一組為拾磁繞組，一組為勵磁繞組。在勵磁繞組中加一高頻交變勵磁信號，則在鐵心上產生周期性正、反向飽和磁化現象，使磁心的可飽和部分在每周期內兩次被電流產生的磁場飽和。當磁頭靠近磁尺時，磁尺上的磁通在磁頭氣隙處進入鐵心，并流過拾磁繞組的碰心，產生感應電壓5/12/2023式中，k為耦合系數；φm為磁通量的峰值；λ為磁尺上磁化信號的節(jié)距；x為磁頭在磁尺上的位移量；ω為勵磁電流的角頻率。由此可以看出，磁頭輸出信號的幅值是位移x的函數，只要測出u的過0的次數，就可以知道位移x的大小。雙磁頭是為了識別磁柵的移動方向而設置的，如圖3.18所示，兩磁頭按(m±)λ配置，m為任意整數，當勵磁電壓相同時，其輸出電壓分別為5/12/2023圖3.18雙磁頭的配置5/12/2023通過對u1、u2進行檢測處理，即可判定位移方向，并測出位移量的大小。由于單磁頭讀取磁性標尺上的磁化信號輸出電壓很小，而且對磁尺上磁化信號的節(jié)距和波形要求高，因此，如圖3.19所示，可將多個磁頭以一定方式串聯起來形成多間隙磁頭。5/12/2023這種磁頭放置時鐵芯平面與磁柵長度方向垂直，每個磁頭以相同間距λ/4放置。若將相鄰兩個磁頭的輸出繞組反相串接，則能把各磁頭輸出電壓疊加。多磁頭的特點是使輸出電壓幅值增大，同時使各鐵芯間誤差平均化，因此精度較單磁頭高。5/12/2023圖3.19多間隙磁頭5/12/2023三、磁柵檢測電路磁柵檢測是模擬測量，必須和檢測電路配合才能檢測。檢測線路包括勵磁電路，讀取信號的濾波、放大、整形、倍頻、細分、數字化和計數等線路。根據檢測方法不同，檢測電路分為鑒幅式檢測電路和鑒相式檢測電路兩種形式，并以鑒相式檢測電路應用較多。5/12/20231.鑒幅式磁柵檢測電路工作原理如前所述，當在兩個勵磁繞組上加相同勵磁電壓時，可得到兩組幅度調制信號輸出，將高頻載波濾掉后則得到相位差為π/2的兩組信號，即5/12/2023

檢測電路方框圖如圖3.20所示。磁頭H1、H2相對于磁尺每移動一個節(jié)距發(fā)出一個正（余）弦信號，經信號處理后可進行位置檢測。這種方法的線路比較簡單，但分辨率受到錄磁節(jié)距λ的限制，若要提高分辨率就必須采用較復雜的倍頻電路，所以不常采用。圖3.20鑒幅式磁柵檢測電路框圖5/12/20232.鑒相式磁柵檢測電路工作原理

電路結構如圖，由振蕩器產生的2MHz脈沖信號，經400分頻器分頻后得到5kHz的勵磁信號，再經低通濾波器濾波后變?yōu)閮陕氛也ㄐ盘枺宦方浌β史糯笃魉偷降谝唤M磁頭勵磁線圈，另一路經90°移相后送入第二組磁頭勵磁線圈。兩磁頭獲得的輸出信號分別為:5/12/20232.鑒相式磁柵檢測電路工作原理

在求和電路中相加，即得到相位按位移量變化的合成信號該信號經選頻放大、整形微分后再與基準相位鑒相以及細分，即可得到分辨率為預先設定單位的位移測量信號，并送可逆計數器計數。鑒相式檢測的精度可遠高于錄磁節(jié)距λ，并可以通過提高內插補脈沖頻率以提高系統(tǒng)的分辨率，可達到1μm。5/12/20233.7激光干涉儀激光是20世紀60年代末興起的一種新型光源，其應用范圍非常廣泛。它與普通光相比具有以下特點。（1）高度相干性。相干波是指兩個具有相同方向、相同頻率和相同相位差的波。普通光源是自發(fā)輻射光，是非相干光。激光是受激輻射光，具有高度的相干性；5/12/2023（2）方向性好。普通光向四面八方發(fā)光，而激光散射角很小，幾乎與激光器的反射鏡面垂直。如配置適當的光學準直系統(tǒng)，其發(fā)散角可小到10-4rad以下，幾乎是一束理想平行光；（3）高度單色性。普通光源包括許多波長，所以具有多種顏色。如日光包含紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色，其相應的波長從760~380nm。激光的單色性高，如氦氖激光的譜線寬度只有10-6nm。5/12/2023（4）高亮度激光束極窄，所以有效功率和照度特別高，比太陽表面高200億倍以上。由于激光具有以上特點，因而廣泛應用于長距離，高精度的位置檢測。5/12/20231.激光干涉法測距原理根據光的干涉原理，兩列具有固定相位差、相同頻率、相同的振動方向或振動方向之間夾角很小的光相互交疊，將會產生干涉現象。如圖3.22所示，5/12/2023由激光器發(fā)射的激光經分光鏡A分成反射光束S1和投射光束S2。兩光束分別由固定反射鏡M1和可動反射鏡M2反射回來，兩者在分光鏡處匯合成相干光束。若兩列光S1和S2的路程差為Nλ(λ為波長，N為零或正整數），實際合成光的振幅是兩個分振幅之和，光強最大，如圖3.23（a）所示。當S1和S2的路程差為λ/2（或波長的奇數倍）時，合成光的振幅和為零，如圖3.23（b）所示，此時光強最小。5/12/2023

圖3.22激光干涉法測距原理圖5/12/2023

圖3.23激光干涉法測距波形圖5/12/2023激光干涉儀就是利用這一原理使激光束產生明暗相間的干涉條紋，由光電轉換元件接受并轉換為電信號，經處理后由計數器計數，從而實現對位移量的檢測。用激光干涉法測距的精度極高。激光干涉儀是由激光鏡、穩(wěn)頻器、光學干涉部分、光電接受元件、計數器和數字顯示器組成。目前應用較多的有單頻激光干涉儀和雙頻激光干涉儀。5/12/20232.單頻激光干涉儀如圖3.24所示，為單頻激光干涉儀原理圖，激光器1發(fā)出的激光束，經鍍有半透明銀箔層的分光鏡5將光分成兩路，一路折射進入固定不動的棱鏡4，另一路反射進入可動棱鏡7。經棱鏡4和7反射回來的光重新在分光鏡5處匯合成相干光束，此光束又被分光鏡分成兩路，一路進入光電元件3，另一路經棱鏡8反射至光電元件2。5/12/2023圖3.24單頻激光干涉儀原理圖5/12/2023由于分光鏡5上鍍有半透明反射的金屬膜，所以產生的折射光和反射光的波形相同，但相位上有變化，適當調整光電元件3和2的位置，使兩光電信號相位差90°。工作時兩者相位超前或滯后的關系，取決于棱鏡7的移動方向，當工作臺6移動時棱鏡7也移動，則干涉條紋移動，每移動λ/2，光電信號變化一個周期。如果采用四倍頻電子線路細分，采用波長λ=0.6328μm的氦-氖激光為光源，則一個脈沖周期信號相當于機床工作臺的實際位移量為5/12/2023單頻激光干涉儀使用時受環(huán)境影響較大，調整麻煩，放大器存在零點漂移。為克服這些缺點，可采用雙頻激光干涉儀。5/12/20233.雙頻激光干涉儀雙頻激光干涉儀的基本原理與單頻激光干涉儀不同，是一種新型激光干涉儀，如圖3.25所示。它是利用光的干涉原理和多普勒效應產生頻差的原理來進行位置檢測的。5/12/2023

圖3.25雙頻激光干涉儀原理圖5/12/2023激光管放在軸向磁場內，發(fā)出的激光為方向相反的右旋圓偏振光和左旋圓偏振光，其振幅相同，但頻率不同，分別用f1和f2。經分光鏡M1，一部分反射光經偏振器射入光電元件D1作為基準頻率f基（f基=f2-f1）。另一部分通過分光鏡M1的折射光到達分光鏡M2的a處，頻率為f2的光束完全反射經濾光器變?yōu)榫€偏振光f2，投射到固定棱鏡M3后反射到分光鏡M2的b處。頻率為f1的光束完全反射經濾光器變?yōu)榫€偏振光f1，投射到固定棱鏡M4后反射到分光鏡M2的b處，兩者產生相干光束。若M4移動，則反射光的頻率發(fā)生變化而產生多普勒效應，其頻差為多普勒頻差。5/12/2023頻率為的反射光與頻率為f2的反射光在b處匯合后，經檢偏器射入光電元件D2，得到測量頻率的光電流，這路光電流與經光電元件D1后得到頻率為f基的光電流，同時經放大器放大進入計算機，經減法器和計數器，即可算出差值、可動棱鏡M4的移動速度v和移動距離L為5/12/2023式中，N是由計算機紀錄下來的脈沖數，將脈沖乘以半波長就得到所測位移長度。5/12/2023雙頻激光干涉儀與單頻激光干涉儀相比有下列優(yōu)點:（1）接受信號為交流信號，前置放大器為交流放大器，而不用直流放大，沒有零點漂移等問題；（2）采用多普勒效應，計數器用來計算頻率差的變化，不受激光強度和磁場變化的影響。（3）測量精度不受空氣湍流的影響，無需預熱時間。用激光干涉儀作為機床的測量系統(tǒng)可以提高機床的精度和效率。但由于激光干涉儀的抗振性、抗干擾性和環(huán)境適應性差，而且價格較貴，因此目前在機械加工現場使用不多，主要用于機床的校準和調試。5/12/2023

如圖3.26所示為RENISHAWML10激光測量系統(tǒng)。其組成包括：三角架ML10激光器、PCM10控制接口卡、光學鏡組、EC10環(huán)境補償器、分析軟件等。激光器的波長為0.633μm，采用PCM10接口卡與計算機進行數據傳輸