第5章 数控机床检测装置
习题册数控机床系统结构答案
第一章第一节数控机床的产生和发展第二节数控机床的特点和应用范围一、填空题1、第一代数控机床产生于1952年美国国麻省理工学院研究出一套试验性的数字数控系统，并把它安装在立式铣床上。
2、我国是1958年开始研究数控技术的。
3、机械加工的目标是高速、高效。
高精度。
4、在数控机床上加工工件，工件的加工精度主要取决于机床精度、插补精度、编程伺服精度。
5、最早的数控机床伺服系统执行机构采用液压转矩放大器。
二、选择题1、第一代数控机床产生于（B ）年。
A、1951B、1952C、19542、第三代数控机床产生于（ C ）年，研制出了小规模集成电路。
A、1951B、1952C、19603、经济型数控机床一般都采用（A）数控系统。
A、开环B、闭环C、半闭环4、（C）数控机床产生于1960年，研制出了小规模集成电路。
A、第一代B、第二代C、第三代D、第四代三、判断题1、第三代数控机床产生于1960年，研制出了小规模集成电路。
（1 ）2、点位控制系统控制刀具或机床工作台，从一点准确地移动到另一点，也控制点与点之间运动的轨迹。
（2）3、第四代数控机床的标志是小型计算机。
（1）四、简答题1、简述数控机床发展的六个时代及标志。
1952电子管时代；1956晶体管时代；1960小规模集成电路；1970由计算机作控制单元的数控系统；1974以微处理器为核心的数控系统；1990柔性制造单元2、数控机床的特点是什么？适应性强；能实现复杂的运动；加工精度高；生产效率高；能减轻劳动强度，改善劳动环境，有利于科学的生产管理3、简述数控机床的应用范围。
1）多品种小批量生产的零件。
2）形状结构比较复杂的零件。
3）需要频繁改型的零件。
4）价格昂贵，不允许报废的关键零件。
5）需要最短周期制作的急需零件。
6）批量较大精度要求很高的零件。
第二节数控机床的分类一、填空题1、按控制方式划分，数控机床可分为开环、半闭环和闭环三类。
其中开环中没有检测反馈装置，控制精度较低。
数控机床位置检测与传感器件1位置传感器件主要分类1
第五部分数控机床位置检测与传感器件1.位置传感器件主要分类(1)直线和角位移传感器:a.直线位移传感器直线位移传感器用于测量工作台的位移，通常装在工作台侧面。
为了使传感器的热膨胀系数与机床床身的相同，要选择传感器的材料，否则会影响测量的准确性。
直线位移传感器还要避免油雾、冷却液和切屑等的污染。
b.角位移传感器是用来测量传动轴的角度位移的。
用角位移传感器测量直线位移时，要求它的测量值与工作台的直线位移有一定的对应关系，通常是将角位移传感器装在带动工作台移动的丝杠的端部。
位移传感器的输出只有两种形式，即模拟式或数字式；直线或角位移传感器也可能是绝对、半绝对或增量位移传感器。
(2)模拟式和数字式位移传感器:模拟传感器——传感器输出信号的强度产生连续的、逐渐的变化。
数字位移传感器——工作台位置变化时，位移传感器以电脉冲的形式产生一个数字式输出信号。
根据机床的最小设定单位，每移动相应的距离就产生一个脉冲。
(3)绝对、半绝对及增量位移传感器:绝对、增量传感器产生的信号，前者是一个绝对的位置数据.后者是相对于上一个位置的增最(相对)数据。
半绝对位移传感器大部分使用绝对角位移传感器测量丝杠的角位移，为了得到工作台的直线位移，需要采用一些附加的方法测定丝杠旋转的圈数。
2.精度的概念精度和分辨率是描述传感器件性能的重要指标。
传感器件的测量精度是其可以一致的、重复测出的最小单位；分辨率是指传感器件能辨别的一个物理量等分后的最小单位。
无论是直线位移传感器还是角位移传感器，精度都是指其测量工作台位移的精度，而不是传感器的分辨率。
另一方面，测量的精度并非工件的加工精度，工件的加工精度受很多因素的影响。
3.光栅位移检测装置光栅位移传感器基于莫尔条纹和光电效应将位移信号转变为电信号，有直线光栅和困光栅两种类型。
光栅位移检测装置的测量精度高，在大量程测长方面其精度仅低于激光式的测量精度；而对要求整困范围内高分辨率的困分度测量来说，光栅式测量装置是精度最高的一种。
数控机床位置检测装置课件
结合接触式和非接触式的特点，如激光扫描仪等。特点是 测量范围大、精度高、稳定性好。
数控机床位置检测装置的发展趋势和前景
01
高精度、高稳定性
随着制造业的发展，对数控机床的加工精度要求越来越高，因此位置检
测装置的高精度、高稳定性是未来的发展趋势。
02
智能化、自动化
随着工业4.0的发展，智能化、自动化是未来的发展方向，因此位置检
测装置的智能化、自动化也是未来的发展趋势。
03
多功能、复合化
为了满足复杂加工需求，位置检测装置的多功能、复合化也是未来的发
展趋势。如将长度、角度、表面粗糙度等多参数测量集成于一体，实现
复合化的测量技术。
02
数控机床位置检测装置的工作原理
感应同步器的工作原理及结构
总结词
感应同步器是利用电磁感应原理实现位移测量的装置。
编码器具有体积小、精度高、响 应速度快等优点。
定期检查编码器的电源和信号输 出是否正常，以及与主轴的连接
是否牢固。
若出现故障，应进行检修或更换 编码器。
磁栅尺的维护与检修
01
02
03
04
磁栅尺具有安装方便、价格较 低等优点。
保持磁栅尺的清洁，避免铁屑 、粉尘等杂质的干扰。
定期检查磁栅尺的磁条是否损 坏或脱落，以及信号输出是否
应用案例二：某型数控铣床的位置检测与控制
总结词
该型数控铣床采用了磁栅尺作为位置检测装置，具有高精度、高分辨率、高可靠 性等特点。
详细描述
该数控铣床采用了磁栅尺作为位置检测装置，具有高精度、高分辨率、高可靠性 等特点。磁栅尺通过磁场感应原理，能够实时监测机床的移动量和位置，为数控 系统提供准确的反馈信息，从而实现了高精度的加工和控制。
5数控机床伺服驱动和检测
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第一节 概述
但直流电机有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂，价格 也高。进入80年代后，由于交流电机调速技术的突破，交流伺服 驱动系统进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服电机，转 子惯量比直流电机小，动态响应好。而且容易维修，制造简单， 适合于在较恶劣环境中使用，易于向大容量、高速度方向发展， 其性能更加优异，已达到或超过直流伺服系统，交流伺服电机已 在数控机床中得到广泛应用。 直线电动机的实质是把旋转电动机沿径向剖开，然后拉直演 变而成，利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动能的 一种推力装置，是一种较为理想的驱动装置。在机床进给系统中， 采用直线电动机直接驱动与旋转电动机的最大区别是取消了从电 动机到工作台之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩 短为零。正由于这种传动方式，带来了旋转电动机驱动方式无法 达到的性能指标和优点。由于直线电动机在机床中的应用目前还 处于初级阶段，还有待进一步研究和改进。随着各相关配套技术 的发展和直线电动机制造工艺的完善，相信用直线电动机作进给 驱动的机床会得到广泛应用。
选择：①伺服系统要求的分辨率； ②考虑机械传动系统的参数。
分辨率（分辨角）α
设增量式码盘的规格为 n 线/转：
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二、脉冲编码器
第 五 章 数 控 机 床 的 驱 动 装 置
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二、脉冲编码器
第 五 章 数 控 机 床 的 驱 动 装 置
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二、脉冲编码器
第 五 章 数 控 机 床 的 驱 动 装 置
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第一节 概述
数控机床闭环进给系统的一般结构如图所示，这是一个双闭环系统，内环 为速度环，外环为位置环。速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成。速 度控制单元是一个独立的单元部件，它是用来控制电机转速的，是速度控制系 统的核心。速度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。位置环是由CNC装置 中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成。由速度 检测装置提供速度反馈值的速度环控制在进给驱动装置内完成，而装在电动机 轴上或机床工作台上的位置反馈装置提供位置反馈值构成的位置环由数控装置 来完成。伺服系统从外部来看，是一个以位置指令输入和位置控制为输出的位 置闭环控制系统。但从内部的实际工作来看，它是先把位置控制指令转换成相 应的速度信号后，通过调速系统驱动伺服电机，才实现实际位移的。
数控机床对检测装置的主要要求和分类
数控机床对检测装置的主要要求和分类
位置检测装置的组成：位置检测装置由检测元件（传感器）和信号处理装置组成。
位置检测装置的作用：实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换成位置掌握单元所要求的信号形式。
是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。
闭环和半闭环数控机床的加工精度在很大程度上由位置检测装置的精度打算，在设计数控机床进给伺服系统，尤其是高精度进给伺服系统时，必需细心选择位置检测装置。
位置检测装置的精度：系统精度和辨别率。
1、数控机床对检测装置的主要要求
（1）受温、湿度影响小，工作牢靠，抗干扰力量强；
（2）在机床移动范围内满意精度和速度要求；
（3）使用维护便利，适合机床运行环境；
（4）成本低；
（5）易于实现高速的动态测量。
2、位置检测装置分类
数控系统中的检测装置分为位移、速度和电流三种类型。
（1）安装的位置及耦合方式——直接测量和间接测量；
（2）测量方法——增量型和肯定型；
（3）检测信号的类型——模拟式和数字式；
（4）运动型式——回转型和直线型；
（5）信号转换的原理——光电效应、光栅效应、电磁感应原理、压电效应、压阻效应和磁阻效应等。
数控技术第二版课后答案
数控技术第二版章节练习答案第一章绪论数控机床是由哪几部分组成，它的工作流程是什么答：数控机床由输入装置、CNC装置、伺服系统和机床的机械部件构成。
数控加工程序的编制-输入-译码-刀具补偿-插补-位置控制和机床加工数控机床的组成及各部分基本功能答：组成：由输入输出设备、数控装置、伺服系统、测量反馈装置和机床本体组成输入输出设备：实现程序编制、程序和数据的输入以及显示、存储和打印数控装置：接受来自输入设备的程序和数据，并按输入信息的要求完成数值计算、逻辑判断和输入输出控制等功能。
伺服系统：接受数控装置的指令，驱动机床执行机构运动的驱动部件。
测量反馈装置：检测速度和位移，并将信息反馈给数控装置，构成闭环控制系统。
机床本体：用于完成各种切削加工的机械部分。
．什么是点位控制、直线控制、轮廓控制数控机床三者如何区别答：（1）点位控制数控机床特点：只与运动速度有关，而与运动轨迹无关。
如：数控钻床、数控镗床和数控冲床等。
（2）直线控制数控机床特点：a.既要控制点与点之间的准确定位，又要控制两相关点之间的位移速度和路线。
b.通常具有刀具半径补偿和长度补偿功能，以及主轴转速控制功能。
如：简易数控车床和简易数控铣床等。
（3）连续控制数控机床（轮廓控制数控机床）：对刀具相对工件的位置，刀具的进给速度以及它的运动轨迹严加控制的系统。
具有点位控制系统的全部功能，适用于连续轮廓、曲面加工。
．数控机床有哪些特点答：a．加工零件的适用性强，灵活性好；b．加工精度高，产品质量稳定；c．柔性好；d．自动化程度高，生产率高；e．减少工人劳动强度；f．生产管理水平提高。
适用范围：零件复杂、产品变化频繁、批量小、加工复杂等．按伺服系统的控制原理分类，分为哪几类数控机床各有何特点答：（1）开环控制的数控机床；其特点：a.驱动元件为步进电机；b.采用脉冲插补法：逐点比较法、数字积分法；c.通常采用降速齿轮；d. 价格低廉，精度及稳定性差。
（2）闭环控制系统；其特点：a. 反馈信号取自于机床的最终运动部件（机床工作台）；b. 主要检测机床工作台的位移量；c. 精度高，稳定性难以控制，价格高。
数控机床的检测装置
3
感应同步器
感应同步器是一种电磁感应式高精度位移（直 线或角度）检测装置，实质上，它是多极旋转变压器 的展开形式。它是利用两个平面形印刷绕组，其间保 持均匀气隙（0.25±0.1mm），相对平行移动时，其 互感随位置而变化的原理工作的。感应同步器分直线
式和旋转式两种，前者用于长度测量，后者用于角度
一个转子绕组作为输出信
号，另一个转子绕组接高阻抗
作为补偿。当定子绕组用两个
相位相差90ｏ的电压励磁时，即
U1=Umsinωt
U2=Umcosωt
应用叠加原理，转子绕组中一个绕组的磁通和输
出电压（另一个绕组短接）为
Φ3＝Φ1sinθ +Φ2cosθ
U 3 = kU m sin ωt sin θ + kU m cos ωt cos θ = kU m cos(ωt - θ )
定尺和滑尺分别安 装在机床上两个相对移 动的部件上，移动时， 滑尺在定尺上移动。
3.2 工作原理
当滑尺的两个绕组中的任一绕组通过激磁交变 电压时，在定尺绕组中会产生同频率感应电势。 定尺感应电势变化如图4-43所示。从图中可见，
感应电势近似于余弦函数变化了一个周期。
设滑尺绕组节距为P，它对应的感应电势以余弦
4.3 光栅测量电路
标尺光栅的运动方向有正向和反向，如果只用 一个光电组件检测光栅的莫尔条纹变化信号，只能产 生一个正弦波信号用作计数，不能判别光栅的运动方
向。为了辨别方向，在干涉条纹的一个节距B内须安
置两只光电组件，彼此相距 B/4。当光栅移动时，从 两只光电组件分别得到两个相差 1/4 周期的正弦电流
数控机床的检测装置
1 概
述
（1）数控机床检测装置的类型与要求
数控机床常用检测装置
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5.4.2 计量光栅的工作原理（3）
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5.4.2 计量光栅的工作原理（4）
（2）光电转换
光栅检测系统的光电转换转 由光栅读数头完成。最基本 的光栅读数头由光源、聚光 镜、指示尺光栅和硅光电池 组成，如图5-12 a所示。
为了便于说明其工作原理， 以光闸莫尔光栅为例，说明 当光栅移动一个栅距时，其 输出波形和两块光栅相互位 置变化的关系。
最后磁尺表面涂上保护层，以防磁头与磁尺频繁接触过程 中的磁膜磨损。
磁性标尺按形状可分为：用于检测直线位移的平面实体型 磁尺、带状磁尺和同轴型线状磁尺；用于检测角位移的回 转型磁尺等，如图5-13所示。
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5.5.1 磁性标尺
a) 平面实体型磁尺 b) 带状磁尺 c) 同轴型线状磁尺 d) 回转型磁尺 图5-13 按磁性标尺形状分类的各种磁尺
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5.2 旋转变压器
5.2.1 旋转变压器的结构和工作原理 （1）旋转变压器的结构
图5-1 旋转变压器 a） 有刷结构 b） 无刷结构
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5.2.1 旋转变压器的结构和工作原理
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5.2.2 旋转变压器的应用（1）
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5.2.2 旋转变压器的应用（2）
磁栅检测装置由磁性标尺、拾磁磁头和检测电路三部分 组成。
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5.5.1 磁性标尺
磁性标尺常采用不导磁材料做基体，在上面镀上一层10~30 μm厚的高磁性材料，形成均匀的磁膜。
数控机床的位置检测装置
二、位置检测装置的分类(3)
直接测量和间接测量
直接测量 将检测装置直接安装在执行部件上。测量 直线位移量，常用光栅，感应同步器等检测装置。其 优点是直接反映工作台的直线位移量，测量精度高。 缺点是检测装置要和行程等长，这对大型数控机床是 一个很大的限制。
间接测量 通过测量与工作台直线运动相关联的回转 运动间接地测量工作台的直线位移，检测装置常用旋 转变压器等。间接测量使用可靠方便，无长度限制， 其缺点是测量信号加入了直线运动转变为回转运动的 传动链误差，从而影响测量精度。
三、常见位置检测装置结构及工作原理(1)
光电脉冲编码器(1)
光电脉冲编码器是一种常用角位移传感器， 属间接测量元件。它通常与驱动电动机同轴 连接。光电编码器随着电动机轴旋转，可以 连续发出脉冲信号。数控系统通过对该信号 的接收、处理和计数，即可得到电动机的旋 转角度，从而算出当前工作台的位移。
直线感应同步器的结构图例
三、常见位置检测装置结构及工作原理(6)
旋转变压器的结构与工作原理（1）
旋转变压器是一种控制用的微电机，它将机械转角变 换成电信号输出。在结构上与两相式异步电动机相似， 由定子和转子组成。定子绕组为变压器的初级，转子 绕组为变压器的次级，励磁电压接到定子绕组上。旋 转变压器结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求， 维护方便，抗干扰性强，工作可靠，因此在数控机床 上广泛应用。
光电脉冲编码器原理图图例
三、常见位置检测装置结构及工作原理(3)
光电脉冲编码器(3)
光电编码器的指示光栅（固定不动）上有两段条纹组Ａ和Ｂ， 每组条纹的间距（称为节距）与圆光栅相同，而Ａ组与Ｂ组的 条纹彼此错开1/4节距，两组条纹相对应的光电元件所感应的信 号的相位彼此相差90º。当电动机正转时，Ａ信号超前Ｂ信号90º， 当电动机反转时Ｂ信号超前Ａ信号90º。数控装置正是利用这一 相位关系判断电动机的转动方向，同时利用Ａ信号（或Ｂ信号） 的脉冲数计算电动机的转角。因此采用光电编码器所构成的位 置闭环控制的分辨率主要取决于圆光栅一圈的条纹数。
数控机床位置传感器
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1. 增量式光电脉冲编码器亦称光电码盘、光电脉冲发生
器等。轴的每圈转动，增量式编码器提供一定数量的脉 冲。 周期性测量或者单位时间内的脉冲计数可以用来移 动的速度。 如果在一个参考点后面脉冲数被累加，计算 值就代表了转动角度或行程的参数。双通道编码器输出 脉冲之间相差为90°。 能使接收脉冲的电子设备接收轴 的旋转感应信号，因此双通道编码器可用来实现双向的 定位控制。另外，三通道增量式旋转编码器每一圈产生 一个称之为零位信号的脉冲。
第五章 数控机床位置传感器
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4．3位置检测装置 4.3.1 位置检测元件的分类及要求 1．位置检测元件的分类
位置检测元件是数控机床闭环伺服系统的重要组成部分。 它的作用是检测工作台的位置和速度的实际值，并向数控装 置或伺服装置发送反馈信号，从而构成闭环控制。检测元件 通常利用光或磁的原理完成对位置或速度的检测。位置检测 系统所能测量的最小位移量称为分辨率。
条纹间距B。若光栅尺的栅距为W，光栅尺相对位移两条 明带或两条暗带之间的距离称为莫尔条纹间距B。若光栅 尺的栅距为W，光栅尺相对位移一个栅距W，莫尔条纹也 上下移动一个条纹间距B，则光电元件输出信号也就变化
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脉冲编码器检测方式的特点如下 （1） 检测方式是非接触式的， 无摩擦和磨损， 驱动力矩小。
（3） 由于照相腐蚀技术的提高，可以制造高分辨率、 高精 度的光电盘。母盘制作后，复制很方便，且成本低。
（2） 由于光电变换器性能的提高， 可得到较快的响应速度。 （4） 抗污染能力差， 容易损坏。
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当标尺光栅和指示光栅的线纹方向不平行，相互倾斜一
个很小交角θ时，中间保持0.01～0.1 mm的间隙，在平
数控机床常用检测装置
详细描述
旋转变压器与砂轮的驱动电机连接，实时监 测砂轮的转速和角度信息。旋转变压器将监 测到的信号转化为电信号，传输给数控系统 。数控系统根据接收到的信号，精确控制砂 轮的转速和磨削深度，确保磨削过程的稳定 性和精度。
THANKS
感谢观看
故障二
测量数据不准确
排除方法
对检测装置进行校准，检查测量元件是否正常，如 有需要更换测量元件。
机械运动不顺畅
故障三
排除方法
对机械部分进行润滑，检查机械结构是否正常，如有需 要调整或更换机械部件。
05
CATALOGUE
数控机床检测装置的应用案例分析
应用案例一：光电编码器在数控车床中的应用
总结词
光电编码器在数控车床中主要用于检测 主轴的转速和位置，实现精确的切削控 制。
特点
不同类型的检测装置具有不同的特点和应用范围，需要根据具体需求进行选择。接触式检测装置具有 较高的测量精度和可靠性，但易受环境影响；非接触式检测装置具有非接触、高精度、高速度等优点 ，但价格较高，对环境要求较高。
检测装置的发展趋势
发展趋势
随着数控技术的不断发展，数控机床检测装置正朝着高精度、高速度、智能化、集成化等方向发展。未来，随着 传感器技术、计算机技术和人工智能技术的不断进步，数控机床检测装置将更加智能化、自动化和高效化。
01
直线光栅尺是一种高精度的测量传感器，用于测量直线位 移，其测量精度可达±1μm。
02
它由标尺光栅和读数头两部分组成，标尺光栅固定在直线 导轨的一端，读数头与导轨滑块联接并随之运动。
03
当滑块移动时，与读数头相联的指示光束通过标尺光栅的缝隙 部分，在光电元件上形成位移量，该位移量通过后续电路的处
数控机床的检测装置
旋转变压器
• 此外，还可以用3个旋转变压器按1:1、10:1和100:1 的比例相互配合串接，组成精、中、粗3级旋转变压 器测量装置。如果转子以半周期直接与丝杠耦合（即 “精”同步），结果使丝杠位移10mm，则“中”测 旋转变压器工作范围为100mm，“粗”测旋转变压 器的工作范围为1000mm。
转子正转时， U1s、U1c在转子绕组中产生感应 电压，经叠加，得转子感应电压U2
旋转变压器
转子正转时的感应电压： U2＝kUmsinωtsinθ＋kUmcosωtcosθ=lt;1； θ—相位角，转子偏转角。
转子反转时的感应电压：
U2＝kUmcos（ωt＋θ） （ωt＋θ） ～ θ严格对应关系， 检测出（ωt＋θ），可得θ ，可得被测轴的角位移。
如果将旋转变压器安装在数控机床的丝杠上，
当θ角从0°变化到360°时，表示丝杠上的螺母走
了一个导程，这样就间接地测量了丝杠的直线位 移（导程）的大小。
旋转变压器
当测全长时，由于普通旋转变压器属于增量 式测量装置，如果将其转子直接与丝杠相联，转子转动 一周，仅相当于工作台1个丝杠导程的直线位移，不能反 映全行程，因此，要检测工作台的绝对位置，需要加一 台绝对位置计数器，累计所走的导程数，折算成位移总 长度。
增量式检测方式测量位移增量，移动一个测量单位 就发出一个测量信号。 优点：检测装置较简单，任何一个对中点均可作为测量 起点；轮廓控制常采用 缺点：对测量信号计数后才能读出移距，一旦计数有误， 此后的测量结果将全错；发生故障时（如断电、断刀等） 不能再找到事故前的正确位置，必须将工作台移至起点 重新计数。
数控机床的检测装置课件
激光干涉仪检测装置的常见故障与排除方法
激光干涉仪检测装置常 见故障包括测量结果不 准确、光路不正、光束 强度不足等。
若测量结果不准确，可 以检查激光干涉仪是否 正常工作，光路是否正 确，光束是否聚焦在正 确的位置。
Байду номын сангаас
若光路不正，可以调整 反射镜和透镜的角度和 位置，使光路恢复正常 。
若光束强度不足，可以 检查激光器是否正常工 作，光路是否有遮挡或 散射，透镜是否污染。
意义
数控机床检测装置能够提供及时、准确、实时的数据反馈，帮助 企业了解工件的加工状态和性能，提高产品质量和生产效益。
数控机床检测装置的分类与特点
分类
数控机床检测装置按照检测原理 和用途可分为多种类型，如光电 式、感应式、电涡流式、激光式 等。
特点
每种类型的数控机床检测装置都 有其独特的特点和应用范围，企 业应根据实际需要选择合适的检 测装置。
数控机床检测装置的发展趋势与前沿技术
发展趋势
随着数字化制造技术的不断发展，数 控机床检测装置正朝着高精度、高速 度、高可靠性、智能化等方向发展。
前沿技术
目前，一些前沿技术如机器视觉、人 工智能、物联网等正逐渐应用于数控 机床检测领域，为实现更高效、更智 能的工件加工检测提供支持。
02
数控机床的光栅尺检测装置
数控机床的检测装置课件
目
CONTENCT
录
• 数控机床检测装置概述 • 数控机床的光栅尺检测装置 • 数控机床的激光干涉仪检测装置 • 数控机床的旋转编码器检测装置 • 数控机床的感应同步器检测装置 • 数控机床检测装置的选择与应用实
例
01
数控机床检测装置概述
数控机床检测装置的作用与意义
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三、增量式编码器综述
特点: 数字编码, 根据旋转角度输出脉冲信号
根据旋转脉冲数量可以转换为速度 选型: - 旋转一周对应的脉冲数 (256, 512, 1024, 2048) - 输出信号类型 (TTL, HTL, push-pull mode) - 电压类型 (5V, 24V) - 最大分辨速度 优点: - 分辨能力强 - 测量范围大 (100-10.000 inc./rotational motion) - 适应大多数情况 缺点: - 断电后丢失位置信号 - 技术专有，兼容性较差
图5-4 有电刷式旋转变压器 1—转子绕组 2—定子绕组 3—转子 4—换向器 5—电刷 6—接线柱
•无刷式旋转变压器无电刷与滑环，由分解 器和变压器组成，变压器把信号传递出来。 •优点：输出信号大、可靠性高、寿命长不 用维修等，数控机床主要使用无刷旋转变压 器。
图5-5
无刷式旋转变压器
（二）旋转变压器又分为单极对和多极对。 •通常应用的为单极对和双极对。 •单极对旋转变压器：转子通常不直接与电机 轴相联，而是经过精密齿轮升速后再与电机 轴相联。 •双极对旋转变压器的定子和转子上都各有两 对相互垂直的磁极，其检测精度较高，在数 控机床中应用普遍。 •多极对旋转变压器：不用升速，可与电机直 接相联，所以精度更高。
5.2.1 增量式旋转编码器
一、定义
• 用光信号扫描分度盘（分度盘与转动 轴相联），通过检测、统计信号的通 断数量来计算旋转角度
二、增量式旋转编码器的特点
• 编码器每转动一个预先设定的角度将输出 一个脉冲信号，通过统计脉冲信号的数量 来计算旋转的角度，因此编码器输出的位 置数据是相对的； • 由于采用固定脉冲信号，因此旋转角度的 起始位可以任意设定； • 由于采用相对编码，因此掉电后旋转角度 数据会丢失需要重新复位。
5.3.2
磁栅测量装置
一、磁栅测量装置的组成 磁栅传感器主要由磁珊， 磁头和检测电路构成。
图5-3 磁栅测量装置框图
（二）磁头
• 磁头按读数方式不同可分为动态磁头和静 态磁头 • 动态磁头又称为非调制磁头，属于速度响 应磁头，静止时无信号输出；静态磁头又 称为调制磁头，属于磁通响应磁头，静止 时仍有信号输出。
2.按检测信号的选取形式不同分类 (1)数字式测量装置 该装置将被测位移量转换为脉 冲个数，即数字形式来表示。 (2)模拟式测量装置 该装置将被测位移量转换为连 续变化的模拟电量来表示，如电压变化、相位变化等， 因此可直接对被测量进行检测，无需量化处理；在小 量程内可实现较高精度的测量，可用于直接测量和间 接测量。
5.2.3
一、定义
混合式旋转编码器
• 用光信号扫描分度盘（分度盘与转动 轴相联），通过检测、统计光信号的 通断数量来计算旋转角度，同时输出 绝对旋转角度编码与相对旋转角度编 码
二、混合式旋转编码器的特点 • 具备绝对编码器的旋转角度编码的唯 一性与增量编码器的应用灵活性
5.3 光栅尺和磁栅尺
5.3.1 光栅尺的结构及工作原理 1、光栅组成 主要由标尺光栅和光 栅读数头两部分组成。通 常，标尺光栅固定在机床 运动部件上（如工作台或 丝杠上）与光栅读数头产 生相对移动，光源、透镜、 指示光栅、光敏元件和信 号处理电路均装在一个壳 体内，做成一个单独部件 固定在机床上，这个部件 称为光栅读数头，其作用 是将光信号转换成所需的 电脉冲信号。
一、数控机床对检测装置的主要要求
（1）工作有较高的可靠性和抗干扰能力 检测装置应能抗各 种电磁干扰，抗干扰能力强，基准尺对温度和湿度敏感性低， 温湿度变化对测量精度等环境因素的影响小。 (2）满足精度和速度的要求 分辨率应在0.001～0.01㎜内，测量精度应满足±0.002～0.02 ㎜/m，运动速度应满足0～20m/min。 （3）便于安装和维护 检测装置安装时要满足一定的安装精度 要求，安装精度要合理，考虑到影响，整个检测装置要求有较 好的防尘、防油污、防切屑等措施。 （4）成本低、寿命长 不同类型的数控机床对检测系统的分辨 率和速度有不同的要求，一般情况下，选择检测系统的分辨率 或脉冲当量，要求比加工精度高一个数量级。
3.按测量的绝对值不同分类 (1)增量式测量装置 它只测量相对位移量(位移增 量)，即每移动一个测量单位就发出一个测量信号。 (2)绝对式测量装置 对于被测量的任意点的位置， 均由一个固定的零点计算起，每一被测点都有一个相 应的测量值。
常用位置检测装置的分类
回转型检测装置 数字式检 测装置 光电盘
数码盘 圆光栅
直线型检测装置 数字式检 测装置 直线光栅
多通道透 射光栅 计量光栅
模拟式检 测装置 同步分解 器 圆形感应 同步器 圆形磁尺
模拟式检 测装置 直线感应 同步器 直磁尺
绝对值式 磁尺
三、数控检测装置的性能指标
传感器的性能指标包括静态特性和动态特性 （1）精度 符合输出量与输入量之间的特定函数关系的准 确程度称为精度，数控用传感器要满足高精度和高速实时 测量的要求。 （2）分辨率 分辨率应适应机床精度和伺服系统的要求。分辨 率的提高，对提高系统其他性能指标和运行平稳性都很重要。 （3）灵敏度 实时测量装置灵敏度要高，输出、输入关 系中对应的灵敏度要求一致。 （4）迟滞 对某一输入量，传感器的正行程的输出量和 反行程的输出量的不一致，称为迟滞。数控伺服系统的传 感器要求迟滞要小。 （5）测量范围 传感器的测量范围要满足系统的要求， 并留有余地。 （6）零漂与温漂 传感器的漂移量是其重要性能标志，它反 映了随时间和温度的改变，传感器测量精度的微小变化。
主光栅 指示光栅
均匀刻线
夹角
移动
明暗相间条纹
莫尔条纹
条纹宽度： B
W W 2 sin( / 2)
W-栅距， a-线宽， b-缝宽 W=a+b ，a=b=W/2 特例：当 =0, w1=w2 → B= → 光闸莫尔条纹 当 =0, w1≠w2 → 纵向莫尔条纹
莫尔条纹特性：
方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时 → 与光栅移动方向垂直 同步性：光栅移动一个栅距 → 莫尔条纹移动一个间距一方向对应 放大性：夹角θ很小 → B>>W → 光学放大 → 提高灵敏度 可调性：夹角θ↓→ 条纹间距B↑ → 灵活 准确性：大量刻线 → 误差平均效应 → 克服个别/局部误差 → 提高精度 (2) 光栅传感器分类与结构原理 按运动形式分： 直线型---主光栅为直尺形→直线移动 旋转型---主光栅为圆盘形→旋转运动 按光学形式分： 透射式---光源与光电元件在两侧→透射光 反射式---光源与光电元件同一侧→反射光
它是在一块长条形的光学 玻璃上用照相腐蚀法制成许多密 集线纹。线纹的间距和宽度相等 并与运动方向垂直，形成连续的 透光区和不透光区。线纹之间的 间距称为栅距，常用光栅有每毫 米刻50条、100条及200条的。
图5-2 光栅条纹 1—标尺光栅 2—指示光栅 3—光电接收器 4—光源
(1) 莫尔条纹（Moire）
二、位置检测装置的常用类型
位置检测装置按其测量对象、工作原理和结构特点主 要有三种分类方法。 1.按检测对象不同分类 (1)直线位移测量装置 该装置将位置检测装置直接 安装在数控机床的拖板或工作台上，直接测量数控机 床移动部件的直线位移量，因此也称直接测量装置。 (2)转角位移测量装置 该装置将位置检测装置安装 在驱动电动机上或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角 位移来间接测量数控机床移动部件的直线位移量，因 此也称间接测量装置。
图5-1 光栅测量装置
长光栅 --- 直线位移；圆光栅 --- 角位移 构成：主光栅 --- 标尺光栅，指示光栅 --- 短光栅 长度 --- 测量范围；刻线密度 --- 测量精度 ( 10、25、50、100、125线/mm )
2、工作原理
光栅是利用光的透射、衍射 原理，通过光敏元件测量莫尔条 纹移动的数量来测量机床工作台 的位移量。
四极绕组式旋转变压器的两种工作 K 方式。
1.鉴相式工作方式 根据旋转变压器转子绕 组中感应电势的相位来 确定被测位移的大小。
S1
1
S2
定子绕组和转子绕组均 由两个匝数相等互相垂 直的绕组组成。
A1
K2 + -
θ
B2
B1
A2
5.4.2 感应同步器
• 感应同步器也是一种电磁式位置检测元件。 • 按其结构特点分为： • 直线式：由定尺和滑尺组成，用于直线 位移测量。 • 旋转式：由定子和转子组成，用于角位 移测量。 • 工作原理：与旋转变压器相似。 • 应用：高精度数控机床。
1、动态磁头
2、静态磁头
二、磁栅测量装置 的结构和工作原理 1.磁尺结构 (1)平面实体型磁尺 (2)带状磁尺 (3)线状磁尺
2、工作原理
测量原理：磁珊上有等间距的磁信号，利用 磁带录音原理将等间距周期性变化的电信号 （正余弦或矩形波）用录磁的方法磁性尺子 或圆盘上。 工作时，磁头相对于磁珊有一定的相对 位置，在这个过程中，磁头会读出磁珊上的 磁信号
• 一、感应同步器的结构与安装
2 1 ue 3 T = 2τ 12 us 11 uc 3T/4 6 7 8 5 4
10 9Байду номын сангаас图5-6 直线式感应同步器的定尺、滑尺结构 1—定尺 2、6—基板 3—耐切削液涂层 4、8—铜箔 5、9—绝缘粘结胶 7—铝箔 10—余弦励磁绕组 11—正弦励磁绕组 12—滑尺
5.2.2
一、定义
绝对式旋转编码器
• 用光信号扫描分度盘（分度盘与传动 轴相联）上的格雷码刻度盘以确定被 测物的绝对位置值，然后将检测到的 格雷码数据转换为电信号以脉冲的形 式输出测量的位移量
二、绝对式旋转编码器的特点 • 在一个检测周期内对不同的角度有不 同的格雷码编码，因此编码器输出的 位置数据是唯一的； • 因使用机械连接的方式，在掉电时编 码器的位置不会改变，上电后立即可 以取得当前位置数据； • 检测到的数据为格雷码，因此不存在 模拟量信号的检测误差；