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随着电子技术的发展，数控(NC)系统有 了较大的发展，经历了从硬件数控(NC)到计 算机数控的阶段。硬件数控系统由固定的功 能逻辑电路组成，其适应能力即柔性较差。 计算机数控系统的核心是计算机，它由计算 机控制系统和伺服驱动系统等部分组成。对 计算机数控系统通过修改软件，就可达到不 同的控制要求，且硬件功能模块化易于扩展， 因此具有较高的柔性。
3、细分电路 电子细分电路又称倍频电路，常用的是四倍频。
采用4个光电元件和4个狭缝，使之每间隔T/4间距产生 一个脉冲，分辨率可提高4倍。
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第五节 磁栅
磁栅是用电磁方法，计算磁波数目的一种位置检 测元件。用它作直线和角度位移量的测量，具有高精 度，复制简单以及安装调整方便等一系列优点，在油 污、粉尘较多的工作条件下有较好的稳定性。
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位置检测元件的要求：
位置检测元件是数控机床伺服系统的重要组成部分， 起作用是检测长度、角度、位移，并发出反馈信号，构 成闭环（半闭环）控制。位置检测元件的主要作用是检 测位移量并将测量的反馈信号和 数控装置发出的指令 信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件，使其 向着消除偏差的方向运动，直到偏差为零。实践表明， 闭环伺服系统的定位精度和加工精度主要由位置检测元 件决定。一般要求测量系统的分辨率或脉冲当量比加工 精若度高出一个数量级。
磁栅位置检测装置是由磁尺、读取磁头和检测电 路组成。它利用磁录音原理，将一定波长的矩形波或 正玄波的电信号用录磁磁头将磁尺记录在磁性标尺的 磁膜上，作为测量的基准尺。检测时用拾磁磁头将磁 尺上的磁信号读出，并通过检测电路将位移量用数字 显示出来或转化为控制信号输送给数控机床。
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第六节 其它位置检测元件 一、激光检测元件
位置检测元件的分类：
（1）直接测量和间接测量 （2）增量式测量和绝对式测量 （3）接触式测量和非接触式测量 （4）数字式测量和模拟式测量
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第二节 旋转变压器及测速发电机 1、旋转变压器的结构与特点：
旋转变压器又叫同步分解器，它结构简单， 对使用环境要求不高，维护方便，信号输出幅值 大，抗干扰性强，工作可靠。但是测量精度稍低， 一般用于普通精度的测量机构中。
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3、应用情况 它在相位伺服系统中可作
为相位检测器，此时它可以安 装在丝杠上或者和直流电机组 装在一起检测转角。
旋转变压器作为位置检测 装置，有两种典型工作方式， 鉴相式和鉴幅式。鉴相式是根 据感应输出电压的相位来检测 位移量；鉴幅式是根据感应输 出电压的幅值来检测位移量。
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该电压产生一个按正弦规律变化的脉冲磁场， 通过电磁偶合，在转子绕组中产生感应电势式
E1 K Vm sin sin t
中K—电磁偶合系数； θ—转子的转角。当转子转 到与定子磁轴平行时（即θ=90），转子中感应电势 E最大，这时：
E1 K Vm sin t
当转子线组的磁轴与定子绕组垂直时（即 θ=0），转子绕组感应电势为零。
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第三节 感应同步器
1、结构 感应同步器按其结构可分为直线式和旋转式两种。 直线式感应同步器用于直线位移的测量，其结构相
当于一个展开的多极旋转变压器，它的主要部件包括定 尺和滑尺，定尺（转子）是连续绕组，滑尺（定子）上 的绕组是分段绕组，也是正、余弦绕组。
定尺安在机床床身上，滑尺则安装在移动部件上， 随工作台一起移动，它们之间错开1/4节距（齿距）， 一个节距为2 电角度，节距P = 2 mm ，这样它们错 开电角度，安装时重叠，两者平行放置，均匀气隙 （0.2－0.3mm ）。
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2、光栅工作原理 莫尔条纹： 如果将指示光栅在其自身的平面内转过一个
很小的角度θ，由于光的衍射作用，就会产生明 暗交替的干涉条纹。
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光栅测量系统
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莫尔条纹有以下特点： a) 信息变换 当标尺光栅对应于指示光栅沿着与刻
线垂直的方向作相对移动时，莫尔条纹也移动， 若光栅移动一个栅距t，莫尔条纹正好移动一个 宽度T。若光栅向相反方向移动，条纹也向相反 方向移动。 b) 放大作用 莫尔条纹间距T与光栅栅距t及光栅间 的夹角θ有如下关系：
V2
ห้องสมุดไป่ตู้
KVm
sint cos
KVm
cost cos
2
KVm sin(t )
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鉴幅式用定尺的感应电压的幅值来测量滑尺的 直线位移 X 的正比关系。
Vs Vm sin sint Vc Vm cos sint
则在定尺绕组产生的总感应电压为
4、测速发电机 测速发电机是一种小型发电机，是一种应用广
泛的模拟式测速装置，它将轴上的机械角转速变换 为电信号输出。
直流测速发电机励磁方式一般为他励，从输出 特性可以看出在励磁恒定下，输出电压与机械角转 速之间保持着线性关系。
直流测速发电机的缺点： （1）电刷与换向器接触电阻是变数，且产生接 触压降，造成输出特性一段死区。 （2）有纹波。 （3）易产生火花，干扰控制线路。
旋转变压器是一种控制用的小型交流电机， 定子为变压器的原边，转子为变压器的付边，分 为有刷和无刷两种。
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2、基本工作原理
设加于定子线组的交流激励电压为
V Vm sin t
式中Vm——激励电压副值； ω ——激励电压角频率。
V1 Vm sint
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第四节 光栅
光栅是利用光的透射、衍射现象进行工作的光 学元件。根据光线在光栅中是透射还是反射分为透 射光栅和反射光栅，透射光栅分辨率较反射光栅高， 其检测精度可达1μm以上。光栅作为位置检测元件， 具有精度高，响应速度快等优点，是一种非接触式 测量。
直线透射光栅通常包括一长和一短两块配套使 用，其中长的称为标尺光栅或长光栅，一般固定在 机床移动部件上，要求与行程等长。短的为指示光 栅或短光栅，装在机床固定部件上。
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激光 发生
器
机床身
工作台
M2
光束2
M1
M
光束1
可动反射镜
半透反射镜
光电计数器
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激光管发出的激光射到干涉仪的半反射镜后，被分 成两束光。光束2经半反射镜反射到固定在机床床身上 的全反射镜，又被反射回来透过半透镜射到光电计数器 上。光束1透过半透反射镜射到装在工作台上的可动反 射镜，再反射回半透反射镜，也被反射到光电计数器上。
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1、光栅的种类和特点 透射光栅 反射光栅
透射光栅的特点 光源可以采用垂直入射光，光电元件能够直接 接受，因此信号幅值比较大，信噪比好，光电转换 器结构简单，一般常用的黑白光栅可做到每毫米 100条线，再经过电路细分，可以做到微米级的分 辨率。但其长度做的太长。 金属反射光栅的特点 金属反射光栅的线膨胀系数很容易做到与机床 用的普通钢或铸铁一致，接长方便。
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二、光电盘（光电脉冲发生器）
光电盘是一种光电式转角测量元件。光电盘可 由玻璃或金属圆盘制成，在其圆周上均匀分成相等 的透明和不透明部分。当光电盘与工作轴一起转动 时，盘后放置的光电元件周期性地受到光照，产生 近似的正弦波形，经过放大整行后形成脉冲通过门 电路送到计数器，根据脉冲的数目或频率可测出工 作轴的转角及转速。
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数控技术基础
主讲教师：马有良
联系邮箱： mayouliang@
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第四章 位置检测装置
第一节 概述 第二节 旋转变压器及测速发电机 第三节 感应同步器 第四节 光栅 第五节 磁栅 第六节 其它位置检测元件
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第一节 概述
T
t 2 s in
由于θ很小，上式近似为： T t
2
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这表明莫尔条纹的间距可以通过角θ的改变来调 整。如 t=0.01mm，通过减小θ，使T=10mm，则其放 大倍数为1000倍。可见利用光的干涉现象，很容易 就能把光栅的栅距放大1000倍。
c) 平均误差效应 莫尔条纹是由大量刻线共同形成 的,对光栅的刻划的误差有平均作用,因此能在很大 程度上消除节距之间所固有的相邻误差的影响。
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增量式脉冲编码器分光电式、接触式和电磁感 应式三种。就精度和可靠性来讲，光电式脉冲编码 器优于其它两种，它的型号是用脉冲数/转（p/r） 来区分，数控机床常用2000、2500、3000p/r等， 现在已有每转发10万个脉冲的脉冲编码器。脉冲编 码器除用于角度检测外，还可以用于速度检测。
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数控机床对位置检测元件的要求如下：
1. 受温度，湿度的影响小，工作可靠，能长期保 持精度，抗干扰能力强；
2. 在机床执行部件移动范围内，能满足精度和速 度的要求；
3. 维护方便，适机床工作环境； 4. 成本低； 5. 易于实现高速的动态测量，处理和自动化。
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激光位移检测，具有精度高、无接触测量的特点， 适用于长行程、高精度的位移检测场合。但其抗环境干 扰能力较差，采取措施后，在数控机床及适应控制方面 具有广阔应用前景。
1、激光的特点 a.高单色性 b.高方向性 c.高亮度 d.高相干性
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激光器 用于精密测量中的激光器通常采用氦氖气体激光
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V2
定尺
正弦绕组
Vs
Vc
滑尺 余弦绕组
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2、工作原理 利用电磁感应原理，用感应电势的变化来进行
位置检测的。有鉴相式、和鉴幅式。 鉴相式用定尺的感应电压的相移,来测量滑尺的
直线位移 X 的正比关系。
Vs Vm sin t Vc Vm cost
根据叠加原理，定尺上的总感应电压为:
＝ S
式中
iM
—脉冲当量（mm/脉冲）；
S—滚珠丝杠的导程（mm）； i—减速齿轮的减速比； M—脉冲编码器每转的脉冲数（p/r）。
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三、主轴位置编码器 主轴位置编码器一般与数控机床主轴直接相连，
或通过变速齿轮再与主轴相连。它的工作原理和脉冲 编码器相同。主轴位置编码器有以下两个用途： a.用作主轴准停信号 b.用作数控机床车削螺纹时的进刀点和退刀点。
V2 KVm sin sint cos KVm cos sint sin
＝KVm sin sint
以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值.
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3、感应同步器的特点 （1）测量精度高 （2）工作可靠，抗干扰性强 （3）测量长度不受限制
根据长度需要任意拼接成250mm（标准定 尺长度）的倍数。 （4）对环境适应性强； （5）使用寿命长，维护方便； （6）工艺性好，便于复制和成批生产； （7）应注意励磁电压对称性和失真度对精度 的影响。
撰责主电制稿任子编作编教：辑师…：………（以姓氏为序）
由于这两束光的路径不同，有光程差
s 2(MM 2 MM1)
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当光程差ΔS等于激光波长λ的整数倍时，则两 束光在光电计数器处相互加强并出现亮点；如果光程 差ΔS=N·λ+λ/2,则亮束光相互抵消，在光电计数器 处出现暗点。因此，每当工作台移动半个激光波长时， 光电计数器将收到一个脉冲信号，根据计数器所计脉 冲数n即可测出工作台的位移L=1/2·n·λ。
管。在细玻管中封入氦氖混合气体，与细玻管相垂直 的地方设置有反射率很高的反射镜。被封入玻管的氦 氖气体由于受到高频振荡器发出的能量激发或直流放 电而发光，在两反射镜构成的谐振腔中引起振荡，沿 着轴向发射出相应频率的激光束。
2、激光检测原理 激光位置检测装置通常由激光管、稳频器、光学
干涉部分、光电接收元件、计数器和数字显示器等组 成。如图所示
3、细分电路 电子细分电路又称倍频电路，常用的是四倍频。
采用4个光电元件和4个狭缝，使之每间隔T/4间距产生 一个脉冲，分辨率可提高4倍。
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第五节 磁栅
磁栅是用电磁方法，计算磁波数目的一种位置检 测元件。用它作直线和角度位移量的测量，具有高精 度，复制简单以及安装调整方便等一系列优点，在油 污、粉尘较多的工作条件下有较好的稳定性。
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位置检测元件的要求：
位置检测元件是数控机床伺服系统的重要组成部分， 起作用是检测长度、角度、位移，并发出反馈信号，构 成闭环（半闭环）控制。位置检测元件的主要作用是检 测位移量并将测量的反馈信号和 数控装置发出的指令 信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件，使其 向着消除偏差的方向运动，直到偏差为零。实践表明， 闭环伺服系统的定位精度和加工精度主要由位置检测元 件决定。一般要求测量系统的分辨率或脉冲当量比加工 精若度高出一个数量级。
磁栅位置检测装置是由磁尺、读取磁头和检测电 路组成。它利用磁录音原理，将一定波长的矩形波或 正玄波的电信号用录磁磁头将磁尺记录在磁性标尺的 磁膜上，作为测量的基准尺。检测时用拾磁磁头将磁 尺上的磁信号读出，并通过检测电路将位移量用数字 显示出来或转化为控制信号输送给数控机床。
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第六节 其它位置检测元件 一、激光检测元件
位置检测元件的分类：
（1）直接测量和间接测量 （2）增量式测量和绝对式测量 （3）接触式测量和非接触式测量 （4）数字式测量和模拟式测量
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第二节 旋转变压器及测速发电机 1、旋转变压器的结构与特点：
旋转变压器又叫同步分解器，它结构简单， 对使用环境要求不高，维护方便，信号输出幅值 大，抗干扰性强，工作可靠。但是测量精度稍低， 一般用于普通精度的测量机构中。
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3、应用情况 它在相位伺服系统中可作
为相位检测器，此时它可以安 装在丝杠上或者和直流电机组 装在一起检测转角。
旋转变压器作为位置检测 装置，有两种典型工作方式， 鉴相式和鉴幅式。鉴相式是根 据感应输出电压的相位来检测 位移量；鉴幅式是根据感应输 出电压的幅值来检测位移量。
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该电压产生一个按正弦规律变化的脉冲磁场， 通过电磁偶合，在转子绕组中产生感应电势式
E1 K Vm sin sin t
中K—电磁偶合系数； θ—转子的转角。当转子转 到与定子磁轴平行时（即θ=90），转子中感应电势 E最大，这时：
E1 K Vm sin t
当转子线组的磁轴与定子绕组垂直时（即 θ=0），转子绕组感应电势为零。
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第三节 感应同步器
1、结构 感应同步器按其结构可分为直线式和旋转式两种。 直线式感应同步器用于直线位移的测量，其结构相
当于一个展开的多极旋转变压器，它的主要部件包括定 尺和滑尺，定尺（转子）是连续绕组，滑尺（定子）上 的绕组是分段绕组，也是正、余弦绕组。
定尺安在机床床身上，滑尺则安装在移动部件上， 随工作台一起移动，它们之间错开1/4节距（齿距）， 一个节距为2 电角度，节距P = 2 mm ，这样它们错 开电角度，安装时重叠，两者平行放置，均匀气隙 （0.2－0.3mm ）。
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2、光栅工作原理 莫尔条纹： 如果将指示光栅在其自身的平面内转过一个
很小的角度θ，由于光的衍射作用，就会产生明 暗交替的干涉条纹。
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光栅测量系统
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莫尔条纹有以下特点： a) 信息变换 当标尺光栅对应于指示光栅沿着与刻
线垂直的方向作相对移动时，莫尔条纹也移动， 若光栅移动一个栅距t，莫尔条纹正好移动一个 宽度T。若光栅向相反方向移动，条纹也向相反 方向移动。 b) 放大作用 莫尔条纹间距T与光栅栅距t及光栅间 的夹角θ有如下关系：
V2
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KVm
sint cos
KVm
cost cos
2
KVm sin(t )
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鉴幅式用定尺的感应电压的幅值来测量滑尺的 直线位移 X 的正比关系。
Vs Vm sin sint Vc Vm cos sint
则在定尺绕组产生的总感应电压为
4、测速发电机 测速发电机是一种小型发电机，是一种应用广
泛的模拟式测速装置，它将轴上的机械角转速变换 为电信号输出。
直流测速发电机励磁方式一般为他励，从输出 特性可以看出在励磁恒定下，输出电压与机械角转 速之间保持着线性关系。
直流测速发电机的缺点： （1）电刷与换向器接触电阻是变数，且产生接 触压降，造成输出特性一段死区。 （2）有纹波。 （3）易产生火花，干扰控制线路。
旋转变压器是一种控制用的小型交流电机， 定子为变压器的原边，转子为变压器的付边，分 为有刷和无刷两种。
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2、基本工作原理
设加于定子线组的交流激励电压为
V Vm sin t
式中Vm——激励电压副值； ω ——激励电压角频率。
V1 Vm sint
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第四节 光栅
光栅是利用光的透射、衍射现象进行工作的光 学元件。根据光线在光栅中是透射还是反射分为透 射光栅和反射光栅，透射光栅分辨率较反射光栅高， 其检测精度可达1μm以上。光栅作为位置检测元件， 具有精度高，响应速度快等优点，是一种非接触式 测量。
直线透射光栅通常包括一长和一短两块配套使 用，其中长的称为标尺光栅或长光栅，一般固定在 机床移动部件上，要求与行程等长。短的为指示光 栅或短光栅，装在机床固定部件上。
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激光 发生
器
机床身
工作台
M2
光束2
M1
M
光束1
可动反射镜
半透反射镜
光电计数器
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激光管发出的激光射到干涉仪的半反射镜后，被分 成两束光。光束2经半反射镜反射到固定在机床床身上 的全反射镜，又被反射回来透过半透镜射到光电计数器 上。光束1透过半透反射镜射到装在工作台上的可动反 射镜，再反射回半透反射镜，也被反射到光电计数器上。
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1、光栅的种类和特点 透射光栅 反射光栅
透射光栅的特点 光源可以采用垂直入射光，光电元件能够直接 接受，因此信号幅值比较大，信噪比好，光电转换 器结构简单，一般常用的黑白光栅可做到每毫米 100条线，再经过电路细分，可以做到微米级的分 辨率。但其长度做的太长。 金属反射光栅的特点 金属反射光栅的线膨胀系数很容易做到与机床 用的普通钢或铸铁一致，接长方便。
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二、光电盘（光电脉冲发生器）
光电盘是一种光电式转角测量元件。光电盘可 由玻璃或金属圆盘制成，在其圆周上均匀分成相等 的透明和不透明部分。当光电盘与工作轴一起转动 时，盘后放置的光电元件周期性地受到光照，产生 近似的正弦波形，经过放大整行后形成脉冲通过门 电路送到计数器，根据脉冲的数目或频率可测出工 作轴的转角及转速。
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第四章 位置检测装置
第一节 概述 第二节 旋转变压器及测速发电机 第三节 感应同步器 第四节 光栅 第五节 磁栅 第六节 其它位置检测元件
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第一节 概述
T
t 2 s in
由于θ很小，上式近似为： T t
2
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这表明莫尔条纹的间距可以通过角θ的改变来调 整。如 t=0.01mm，通过减小θ，使T=10mm，则其放 大倍数为1000倍。可见利用光的干涉现象，很容易 就能把光栅的栅距放大1000倍。
c) 平均误差效应 莫尔条纹是由大量刻线共同形成 的,对光栅的刻划的误差有平均作用,因此能在很大 程度上消除节距之间所固有的相邻误差的影响。
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增量式脉冲编码器分光电式、接触式和电磁感 应式三种。就精度和可靠性来讲，光电式脉冲编码 器优于其它两种，它的型号是用脉冲数/转（p/r） 来区分，数控机床常用2000、2500、3000p/r等， 现在已有每转发10万个脉冲的脉冲编码器。脉冲编 码器除用于角度检测外，还可以用于速度检测。
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数控机床对位置检测元件的要求如下：
1. 受温度，湿度的影响小，工作可靠，能长期保 持精度，抗干扰能力强；
2. 在机床执行部件移动范围内，能满足精度和速 度的要求；
3. 维护方便，适机床工作环境； 4. 成本低； 5. 易于实现高速的动态测量，处理和自动化。
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激光位移检测，具有精度高、无接触测量的特点， 适用于长行程、高精度的位移检测场合。但其抗环境干 扰能力较差，采取措施后，在数控机床及适应控制方面 具有广阔应用前景。
1、激光的特点 a.高单色性 b.高方向性 c.高亮度 d.高相干性
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定尺
正弦绕组
Vs
Vc
滑尺 余弦绕组
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2、工作原理 利用电磁感应原理，用感应电势的变化来进行
位置检测的。有鉴相式、和鉴幅式。 鉴相式用定尺的感应电压的相移,来测量滑尺的
直线位移 X 的正比关系。
Vs Vm sin t Vc Vm cost
根据叠加原理，定尺上的总感应电压为:
＝ S
式中
iM
—脉冲当量（mm/脉冲）；
S—滚珠丝杠的导程（mm）； i—减速齿轮的减速比； M—脉冲编码器每转的脉冲数（p/r）。
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三、主轴位置编码器 主轴位置编码器一般与数控机床主轴直接相连，
或通过变速齿轮再与主轴相连。它的工作原理和脉冲 编码器相同。主轴位置编码器有以下两个用途： a.用作主轴准停信号 b.用作数控机床车削螺纹时的进刀点和退刀点。
V2 KVm sin sint cos KVm cos sint sin
＝KVm sin sint
以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值.
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3、感应同步器的特点 （1）测量精度高 （2）工作可靠，抗干扰性强 （3）测量长度不受限制
根据长度需要任意拼接成250mm（标准定 尺长度）的倍数。 （4）对环境适应性强； （5）使用寿命长，维护方便； （6）工艺性好，便于复制和成批生产； （7）应注意励磁电压对称性和失真度对精度 的影响。
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由于这两束光的路径不同，有光程差
s 2(MM 2 MM1)
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当光程差ΔS等于激光波长λ的整数倍时，则两 束光在光电计数器处相互加强并出现亮点；如果光程 差ΔS=N·λ+λ/2,则亮束光相互抵消，在光电计数器 处出现暗点。因此，每当工作台移动半个激光波长时， 光电计数器将收到一个脉冲信号，根据计数器所计脉 冲数n即可测出工作台的位移L=1/2·n·λ。
管。在细玻管中封入氦氖混合气体，与细玻管相垂直 的地方设置有反射率很高的反射镜。被封入玻管的氦 氖气体由于受到高频振荡器发出的能量激发或直流放 电而发光，在两反射镜构成的谐振腔中引起振荡，沿 着轴向发射出相应频率的激光束。
2、激光检测原理 激光位置检测装置通常由激光管、稳频器、光学
干涉部分、光电接收元件、计数器和数字显示器等组 成。如图所示