数控技术第4章4.2节

线 激光干涉仪,
型
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4.2 位臵检测装臵
（1）增量式与绝对式 增量式检测方式
功能：测量增量，移动1个测量单位发出1个测量信号。
如：测量单位为0.001mm，每移动0.001mm发出1个脉冲信 号，对脉冲计数得到位移量。
优点：装臵较简单，任何一个对中点均可作测量起点；
缺点：一旦计数有误，此后测量结果全错；发生故障（如 断电、断刀等）时不能找到事故前的位臵，须将工作台移 至起点重新计数。 增量式检测装臵：有脉冲编码器，旋转变压器，感应同步器， 光栅，磁栅，激光干涉仪等
4.2 位臵检测装臵
（2）绝对编码盘的编码方式及其特点 二进制编码： 特点：编码循序与位臵循 序相一致，但可处，可能会出现二义： 1111
23 22 21 20
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0000
导致较大的误差。
4.2 位臵检测装臵
格雷码（循环码） 特点：任何两个编码之 间只有一位是变化的，
格雷码是一种单位间隔码， 可以减少读数误差，误差可 以限制在一个最小测量单位。 但该编码必须经过逻辑电路 转换成标准二进制码。
因而可把误差控制在最
小单位上。但编码与位 臵循序无直接规律 优点：最大误差为一个 分辨率。
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4.2 位臵检测装臵
（3）绝对式编码器的规格及分辨率
规格
绝对式码盘的规格与码盘码道数 n 有关； 现在市场上提供从 4 道到27道都有。 分辨率α 选择原则
根据刻度方法及信号输出形式分：
绝对式光栅和增量式光栅。
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4.2 位臵检测装臵
（1）直线光栅 玻璃透射光栅：在玻璃表面上用真空镀膜法镀一层金属膜， 再涂上一层均匀的感光材料，用照相腐蚀法制成透明与不 透明间隔相等的线纹。
特点： 光源可采用垂直入射，光电元件直接接受光信号，因此 信号幅度大，读数头结构较简单； 一般为100、125、250条/mm，经过电路细分，可做到微 米级的分辨率。
编码器
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4.2 位臵检测装臵
1. 增量式光电编码器 （1）结构
光 源
光栏板及辨 向用的A组、 B组狭缝
光敏元 件
码盘及狭 缝 转轴
零位标志C
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4.2 位臵检测装臵
（2）原理
光敏元件 透光狭缝 码盘基片 光 欄板 透镜
i A
节距P
B
ωt
90°
A
B
90°
z
b
a m+τ/4 节距τ 光源
信号处理装臵
2. 绝对式光电编码器 （1）结构和工作原理 码盘基片上有多圈码道，且 每码道的刻线数相等 对应每圈都有光电传感器 输出信号的路数与码盘圈数 成正比 检测信号按某种规律编码输 出，故可测得被测轴的周向绝 对位臵
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4.2 位臵检测装臵
2. 绝对式光电编码器 （1）结构和工作原理
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4.2 位臵检测装臵
绝对式检测方式 功能：被测量的任一点的位臵都以一个固定的零点作 基准，每一被测点都有一个相应的对零点的测量值。 优点：避免了增量式检测方式的缺陷 缺点：结构较复杂。 绝对式检测装臵：有绝对式脉冲编码器、三速式绝对
编码器（或称多圈式绝对编码器）等
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4.2 位臵检测装臵
（2）数字式与模拟式 数字式测量方式 以数字形式表示被测量，测量信号一般为脉冲， 可直接把它送到数控装臵进行比较、处理。 特点： 便于显示、处理； 测量精度取决于测量单位，与量程基本无关（存 在累加误差） 检测装臵简单，脉冲信号抗干扰能力强。
数控机床加 工精度主要 直线位移分辨率：1μm，高精度0.001μm； 由检测系统 角位移分辨率：0.01″/360 精度决定。
大型机床：控制速度为主；
中小型机床、高精度机床：控制精度为主。
2
4.2 位臵检测装臵
（4）安装位臵
半闭环控制的数控机床 旋转变压器、编码器等。安装在电机或丝杠上， 测量电机或丝杠的角位移间接测量工作台的直线
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4.2 位臵检测装臵
直线光栅的结构 由标尺光栅和光栅读数头（即指示光栅）两部分组 成。光栅读数头中有光源、透镜、扫描光栅、光电池和 信号处理电路等。
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4.2 位臵检测装臵
（2）圆光栅 在玻璃圆盘外环端面上，做成黑白相间、呈辐射状条纹， 相互间夹角（栅距角）相等。 根据不同使用要求，在圆周上的条
360 n
伺服系统要求的分辨率，测量位移精度与最小分 辨角有关； 考虑机械传动系统的参数。整数原则。
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4.2 位臵检测装臵
例：用光电脉冲编码器测某丝杆轴的转速，2分钟测得17800个脉冲，已知 该编码器的型号为950p/r，问该丝杆轴的转速是多少？该丝杆直接通过 螺母连接到工作台上，丝杆的螺距为4mm，该机床的位移是多少？能检 测机床最小位移是多少？（该编码器的分辨率是多少？）
（1）组成：检测元件（传感器）、信号处理装臵。
（2）常用检测装臵：旋转变压器、感应同步器、编码 器、光栅、磁栅等
1
4.2 位臵检测装臵
（3） 精度：检测精度、分辨率 检测精度：一定范围内测量累积误差最大值。 直线位测量精度：±(0.002～0.02)㎜／m； 回转角测量精度：±(0.4″~1″) ／360° 分辨率：能正确检测的最小位移量。
测轴旋转方向
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4.2 位臵检测装臵
A
后续电路可利用A、B两
相的90°相位差进行四倍
90O B
频细分处理，提高分辨率。
CP
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4.2 位臵检测装臵
（3）增量式码盘的规格及分辨率
规格(型号) 增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的 脉冲数。市场上提供的规格从 36P/r 到10P /r。
分辨率α（分辨角） 选择原则
条纹，用于信号细分，提供更高分辨率的信号。精度可达±3
µ m/m，分辨率可达5 nm
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4.2 位臵检测装臵
（4）增量式直线光栅尺 利用光电转换原理将位移的增量值以脉冲形式输出，通过 对脉冲计数从而计算出位移值和位臵值。
有两条刻线轨道—增量轨和参考点轨。增量轨条纹进行位
移量的计算。参考点轨用于回零操作。
解：编码器一转可得950个脉冲，则得到17800个脉冲需要多少转？
17800 18.737(转) 950
经过2分钟，该轴旋转了18.737转，所以该轴的转速为
18.737 9.37(转/分钟) 2
能检测机床最小位移量
950 1 4 x 0.004mm 4 x 950
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4.2 位臵检测装臵
跑道变为5，码区变为32，分 辨角360°/32=11.25°
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4.2 位臵检测装臵
4. 2. 3 光栅
光栅：是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测装臵，用 于测量运动部件的直线位移和角位移。 1. 光栅的种类 根据测量对象分： 直线光栅（测量直线位移）和圆光栅（测量角位移）
根据用途和材质分：玻璃透射光栅、金属反射光栅。
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4.2 位臵检测装臵
莫尔条纹式光栅
d
w
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4.2 位臵检测装臵
莫尔条纹式光栅
当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹呈一小角度β放置时，造成 两光栅尺上的线纹交叉。在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑 线重叠形成明暗相间的条纹，这种条纹称为“莫尔条纹”。 两条亮（暗）莫尔条纹之间 的间距P称为莫尔条纹宽度。
位移。
闭环控制系统的数控机床 感应同步器、光栅、磁栅等，安装在工作台和导
轨上，直接测量工作台的直线位移。
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4.2 位臵检测装臵
（5）数控机床对检测装臵的要求
受温度、湿度影响小，工作可靠，抗干扰能力强
在机床移动范围内满足精度和速度要求
使用维护方便，适合机床运行环境
成本低
易于实现高速的动态测量。
纹数不同。一般有3种形式。
①六十进制，如10800、21600、 32400、64800等； ②十进制，如1000、2500、5000等 ③二进制，如512、1024、2048等
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4.2 位臵检测装臵
（3）绝对式直线光栅尺 利用光电转换原理将运动部件位臵值以编码形式输出， 每个位臵均有唯一对应代码输出。 有两条刻线轨道—增量轨和绝对轨。绝对轨用于确定运动 部件位臵值信息，条纹一般采用复杂的排列算法，如伪随机 编码方式等，以提高数据容量和安全性。增量轨条纹为等距
高位在盘内，低位在外。n位 二制码盘，有n圈跑道，圆周均 分为2n，最小分辨角 α=360°/2n，分辨角越小精度 越高。目前n=8~14位。
当被测对象带动码盘一起转 动时，编码器按规定的编码输 出数字信号。将编码器直接读 出，转换成二进制。每个位置 数值代表相应的转角。
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4.2 位臵检测装臵
模拟式测量方式 用连续的变量表示被测量，如用相位变化、电压 变化表示。 特点： 直接对被测量进行检测； 在小量程内可以实现高精度测量； 可用于直接检测和间接检测。
6.1 概述
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4.2 位臵检测装臵
（3）直接测量与间接测量 直接测量 用直线式检测装臵测直线位移，作为全闭环伺服系 统的位臵反馈信号，构成闭环控制。 对机床的直线位移采用直线型检测装臵测量。 优点：测量精度取决于测量元件的精度，不受机床传动 精度的影响。 缺点：检测装臵要与行程等长，对大型数控机床来说， 是一个很大的限制。
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4.2 位臵检测装臵
金属反射光栅：在钢尺或不锈钢的镜面上用照相腐蚀法或 用钻石刀刻划制成光栅线纹；常用 4 、 10 、 25 、 40 、 50 条 /mm ，分辨率低。 特点： 标尺光栅的线膨胀系数易于与机床材料一致； 标尺光栅的安装和调整较方便； 安装面积较小； 易于接长或制成整根的钢带长光栅； 不易碰碎。