第5章 位置检测装置优秀课件
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数控机床位置检测装置课件
复合式位置检测装置
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。
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。
第五节定位装置ppt课件
9
24/10/11
特性定位器
定位器在平均温度时，应该垂直于线路中心线，温度变化时，沿接触线纵向偏移在极限温度下，不得超过定位器管长的1/3。
特型定位器适用于电气化铁道接触网系统中线路曲线半径不小于1000m的绝缘关节中心柱处固定接触线位置
10
24/10/11
定位器安装坡度
11
24/10/11
抬高达到允许的最大值时，凸台和档块接触。从而定位器的抬高被限制在允许的范围内。
19
24/10/11
限位定位器适用于电气化铁道接触网系统中固定接触线位置用的零件
20
24/10/11
项目二 定位装置检修要求和拉出值、“之”字值调整
接触线“之”字值拉出值的确定 接触线的“之”字值或拉出值可以使在运行中的电力机车受电弓滑板工作面与接触线摩擦均匀（否则会使滑板工作面某些部分磨出沟槽，降低受电弓使用寿命），保证接触线与受电弓接触，不发生脱弓，避免因脱弓造成的弓网事故。 1、“之”字值的大小 在直线区段，线路中心线与机车受电弓中心线重合，接触线沿线路中心线上空成“之”字形对称布置，其标准值为 ±300mm（当定位点位于线路中心线和支柱之间时，记为正，否则记为负），在线路行车速度大于 120kM/h 线路上， “之”字值一般选±200mm，允许误差范围为 ±30mm 。
14
24/10/11
4、组合定位 组合定位装置用于锚段关节的转换支柱、中心支柱及站场线岔处的定位，这些地方均 有两组悬挂在同一支柱处，分别固定在所要求的位置上。
15
24/10/11
16
24/10/11
5.简单定位
17
24/10/11
高速接触网定位装置
1、XTK多功能定位器 （1）限制过量抬升受电弓通过定位点时，定位器随之太高，这一抬升量过大，受电弓可能碰撞定位器或定位管，造成线索的磨耗损伤增大时，抬升量为100mmv ≤120kM/h 时，抬升量为120mm 120kM/h < v ≤160kM/h
24/10/11
特性定位器
定位器在平均温度时，应该垂直于线路中心线，温度变化时，沿接触线纵向偏移在极限温度下，不得超过定位器管长的1/3。
特型定位器适用于电气化铁道接触网系统中线路曲线半径不小于1000m的绝缘关节中心柱处固定接触线位置
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24/10/11
定位器安装坡度
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24/10/11
抬高达到允许的最大值时，凸台和档块接触。从而定位器的抬高被限制在允许的范围内。
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24/10/11
限位定位器适用于电气化铁道接触网系统中固定接触线位置用的零件
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24/10/11
项目二 定位装置检修要求和拉出值、“之”字值调整
接触线“之”字值拉出值的确定 接触线的“之”字值或拉出值可以使在运行中的电力机车受电弓滑板工作面与接触线摩擦均匀（否则会使滑板工作面某些部分磨出沟槽，降低受电弓使用寿命），保证接触线与受电弓接触，不发生脱弓，避免因脱弓造成的弓网事故。 1、“之”字值的大小 在直线区段，线路中心线与机车受电弓中心线重合，接触线沿线路中心线上空成“之”字形对称布置，其标准值为 ±300mm（当定位点位于线路中心线和支柱之间时，记为正，否则记为负），在线路行车速度大于 120kM/h 线路上， “之”字值一般选±200mm，允许误差范围为 ±30mm 。
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4、组合定位 组合定位装置用于锚段关节的转换支柱、中心支柱及站场线岔处的定位，这些地方均 有两组悬挂在同一支柱处，分别固定在所要求的位置上。
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24/10/11
5.简单定位
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24/10/11
高速接触网定位装置
1、XTK多功能定位器 （1）限制过量抬升受电弓通过定位点时，定位器随之太高，这一抬升量过大，受电弓可能碰撞定位器或定位管，造成线索的磨耗损伤增大时，抬升量为100mmv ≤120kM/h 时，抬升量为120mm 120kM/h < v ≤160kM/h
第5章位置检测装置课件
KVm sin sin t sin m KVm cos cos t cos m
m：机械相位角
U2 KVm cos( m ) ห้องสมุดไป่ตู้in t
13
3、旋转变压器的应用
1）鉴相式
VB KVm sin(t )
感应电压的相位角就等于转子的机械转角， 因此只要检测出转子输出电压的相位角，就 可得到转子的转角。而且旋转变压器的转子 是和伺服电机或传动轴连接在一起的，因此， 可以求得执行部件的直线位移或者角位移。
2、位置测量装置的分类
数字式 增量式 绝对式 增量式
模拟式 绝对式
回 转 式
脉冲编码盘 圆光栅
旋转变压器 绝对式脉冲 三速圆感应 圆感应同步器 编码盘 同步器 圆磁尺
直 线 式
直线光栅 激光干涉仪
直线感应同步 三速感应同 多通道透射 器 步器 光栅 磁尺 绝对磁尺
E2= KV 1 cos α = KV m sinω tcos α α =90° E2 = 0 α =0° E 2 = KV m SINω t
式中:
E 2— 转 子 绕 组 感 应 电 势 ； V 1 — 定 子 绕 组 励 磁 电 压 V1=Vmsinω t； Vm—电压信号幅值； α —定、转子绕组轴线 间夹角； K—变压比（即绕组匝数比）
2.旋转变压器的工作方式
鉴相方式 鉴幅方式
2018年9月15日星期六
1）鉴相方式 正弦绕组和余弦绕组分别加上幅值相 同、频率相同、相位相差90o的正弦交 流电压：
定子和转子空间结构
Uc Vm cos t
U s Vm sin t
U2 KU s sin KUc cos
m：机械相位角
U2 KVm cos( m ) ห้องสมุดไป่ตู้in t
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3、旋转变压器的应用
1）鉴相式
VB KVm sin(t )
感应电压的相位角就等于转子的机械转角， 因此只要检测出转子输出电压的相位角，就 可得到转子的转角。而且旋转变压器的转子 是和伺服电机或传动轴连接在一起的，因此， 可以求得执行部件的直线位移或者角位移。
2、位置测量装置的分类
数字式 增量式 绝对式 增量式
模拟式 绝对式
回 转 式
脉冲编码盘 圆光栅
旋转变压器 绝对式脉冲 三速圆感应 圆感应同步器 编码盘 同步器 圆磁尺
直 线 式
直线光栅 激光干涉仪
直线感应同步 三速感应同 多通道透射 器 步器 光栅 磁尺 绝对磁尺
E2= KV 1 cos α = KV m sinω tcos α α =90° E2 = 0 α =0° E 2 = KV m SINω t
式中:
E 2— 转 子 绕 组 感 应 电 势 ； V 1 — 定 子 绕 组 励 磁 电 压 V1=Vmsinω t； Vm—电压信号幅值； α —定、转子绕组轴线 间夹角； K—变压比（即绕组匝数比）
2.旋转变压器的工作方式
鉴相方式 鉴幅方式
2018年9月15日星期六
1）鉴相方式 正弦绕组和余弦绕组分别加上幅值相 同、频率相同、相位相差90o的正弦交 流电压：
定子和转子空间结构
Uc Vm cos t
U s Vm sin t
U2 KU s sin KUc cos
合工大数控课件05 位置检测装置
8
绝对式检测方式 功能：被测量的任一点的位置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。 绝对式检测装置：有绝对式脉冲编码器、多圈式绝对
编码器等 。
9
（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置进行比较、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） 检测装置简单，脉冲信号抗干扰能力强。
利用精密光栅的衍射和干涉形成位臵测量信49数字控制及装备技术研究所数字控制及装备技术研究所institutenumericalcontrolequipmenttechnologyinstitutenumericalcontrolequipmenttechnology指示光栅与标尺光栅的节距同为w两块光栅的刻线面平行放置并将指示光栅在其自身平面内倾斜一个很小的角度两块光栅的刻线将会相交当光源照射时会出现明暗交替相间的间距相等的条纹称为莫尔条纹
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：装置较简单，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置，须将工作台移 至起点重新计数。 增量式检测装置：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
12
间接测量 检测装置测量只是中间值，再由它推算出与之关联的位 移量，作为半闭环伺服系统的位置反馈。 对机床的直线位移采用回转型检测装置测量，称为间接测 量。 优点：使用可靠方便，无长度限制，
绝对式检测方式 功能：被测量的任一点的位置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。 绝对式检测装置：有绝对式脉冲编码器、多圈式绝对
编码器等 。
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（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置进行比较、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） 检测装置简单，脉冲信号抗干扰能力强。
利用精密光栅的衍射和干涉形成位臵测量信49数字控制及装备技术研究所数字控制及装备技术研究所institutenumericalcontrolequipmenttechnologyinstitutenumericalcontrolequipmenttechnology指示光栅与标尺光栅的节距同为w两块光栅的刻线面平行放置并将指示光栅在其自身平面内倾斜一个很小的角度两块光栅的刻线将会相交当光源照射时会出现明暗交替相间的间距相等的条纹称为莫尔条纹
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：装置较简单，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置，须将工作台移 至起点重新计数。 增量式检测装置：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
12
间接测量 检测装置测量只是中间值，再由它推算出与之关联的位 移量，作为半闭环伺服系统的位置反馈。 对机床的直线位移采用回转型检测装置测量，称为间接测 量。 优点：使用可靠方便，无长度限制，
数控机床技术 第5章 位置检测装置
5.2 旋转变压器
旋转变压器是一种基于电磁感应原理的角度 测量元件，在结构上与两相绕组式异步电动机相 似，由定子和转子组成，定子绕组为变压器的原 边，转子绕组为变压器的副边。激磁电压接到定 子绕组上，激磁频率通常为400Hz~5000Hz，转子 绕组产生的感生电压反映回转角的变化。其结构 简单、动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便， 输出信号幅度大，抗干扰性强，工作可靠。
4
5.1.2 位置测量装置的组成与作用
（1）组成 位置测量装置是由检测元件（传感器） 和信号处理装置组成的。
位置检测装置
5
5.1.2 位置测量装置的组成与作用
（2）作用
实时测量执行部件的位移和速度信号，并变 换成位置控制单元所要求的信号形式，将运动部 件现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控 制。它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成 部分。 闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由 位置检测装置的精度决定的，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 6 须精心选择位置检测装置。
2
5.1 概述
位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在 闭环系统中，它的主要作用是检测位移量，并发出 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，使着向消除偏差的 方向运动直至偏差等于零为止。
位置检测装置
3
5.1.1 位置检测装置的要求
1. 受温度、湿度影响小，工作可靠，能长期 保持精度，抗干扰能力强; 2. 在机床执行部件工作范围内，能满足精度 和速度的要求；进给速度20~30m/min，转速高 达100000 r/min。 3. 使用维护方便，适应机床工作环境； 4. 成本低。
35
应用方式一： 输出加计数脉冲P+和减计数脉冲P电路图
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直线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。两光栅尺是刻有均匀密集线纹的透明 玻璃片，线纹密度为25、50、100、250条/mm等。线纹之间距离相等，该 间距称为栅距，测量时它们相互平行放置，并保持0.05~0.1mm的间隙。
5.2.1 结构
5.2 光栅
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。
从形状上看，又可分为圆光栅和直线光栅。圆光栅用于测量转角位移，直 线光栅用于检测直线位移。两者工作原理基本相似，本节着重介绍一种应 用比较广泛的透射式直线光栅。
可以直接把它送到数控装置进行比较、处理。信号抗干扰能力强、 处理简单。 2. 模拟量测量
它是将被测的量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化 等。它对信号处理的方法相对来说比较复杂。
Hale Waihona Puke 5.1.3 增量式测量和绝对式测量
1. 增量式测量 在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式，增量式测量 只测相对位移量，如测量单位为0.001mm，则每移动0.001mm 就发出一个脉冲信号，其优点是测量装置较简单，任何一个 对中点都可以作为测量的起点，而移距是由测量信号计数累 加所得，但一旦计数有误，以后测量所得结果完全错误。 2. 绝对式测量 绝对式测量装置对于被测量的任意一点位置均由固定的 零点标起，每一个被测点都有一个相应的测量值。测量装置 的结构较增量式复杂，如编码盘中，对应于码盘的每一个角 度位置便有一组二进制位数。显然，分辨精度要求愈高，量 程愈大，则所要求的二进制位数也愈多，结构就愈复杂。
5.2.3 应用（光栅位移－数字转换系统）
当光栅移动一个栅距，莫尔条纹便移动一个条纹宽度，理论上光栅亮 度变化是一个三角波形，但由于漏光和不能达到最大亮度，被削顶削底后 而近似一个正弦波（见图5-4）。硅光电池将近似正弦波的光强信号变为 同频率的电压信号（见图5-5），经光栅位移—数字变换电路放大、整形、 微分输出脉冲。每产生一个脉冲，就代表移动了一个栅距那么大的位移， 通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离。
工作原理
6
莫尔条纹具有如下特点：
（1）. 放大作用 用W（mm）表示莫尔条纹
的宽度，P(mm)表示栅距，(rad) 为光栅线纹之间的夹角，如图518所示则有
W P P (5-8)
s in
标尺光栅 P θ
指示光栅（斜）
W
莫尔条纹宽度W与角成反比，越
小，放大倍数越大。
（2）. 均化误差作用 莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同组成，例如，200条/mm的光栅，
第5章 位置检测装 置
5.1.1 直接测量和间接测量
1. 直接测量
直接测量是将直线型检测装置安装在移动部件上，用来直接测量工作 台的直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，而构成位置闭环控制。 其优点是准确性高、可靠性好，缺点是测量装置要和工作台行程等长，所以 在大型数控机床上受到一定限制。
2. 间接测量
它是将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上，通过检测转 动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位移，作为半闭环伺服系统的位 置反馈用。
优点是测量方便、无长度限制。缺点是测量信号中增加了由回转运动 转变为直线运动的传动链误差，从而影响了测量精度。
5.1.2 数字式测量和模拟式测量
1. 数字式测量 它是将被测的量以数字形式来表示，测量信号一般为脉冲，
除标尺光栅与 工作台一起移动外， 光源、聚光镜、指 示光栅、光电元件 和驱动线路均装在 一个壳体内，作成 一个单独部件固定 在机床上，这个部 件称为光栅读数头， 又叫光电转换器， 其作用把光栅莫尔 条纹的光信号变成 电信号。
P1 P2 P3 P4
硅光电池
标尺光栅
聚光镜
指示光栅
光源
图5-3 光栅测量系统
指示尺转角θ方向 标尺光栅 P θ
指示光栅（斜） 指示尺转角θ方向
莫 尔 条 纹
方 向
莫 尔 条 纹
方 向
W
标尺方向
标尺方向
光栅测量系统如图5-3所示，由光源、聚光镜、光栅尺、光电元件和驱 动线路组成。读数头光源采用普通的灯泡，发出辐射光线，经过聚光镜后 变为平行光束，照射光栅尺。光电元件（常使用硅光电池）接受透过光栅 尺光强信号，并将其转换成相应的电压信号。由于此信号比较微弱，在长 距离传递时，很容易被各种干扰信号淹没，造成传递失真，驱动线路的作 用就是将电压信号进行电压和功率放大。
5.2.2 工作原理 当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一小角度放置时，两光栅
尺上线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠， 形成黑色条纹，其它部分为明亮条纹，这种明暗相间的条纹称为莫尔条纹。 莫尔条纹与光栅线纹几乎成垂直方向排列。严格地说，是与两片光栅线纹 夹角的平分线相垂直。
10mm宽的光栅就由2000条线纹组成，这样栅距之间的固有相邻误差就被 平均化了，消除了栅距之间不均匀造成的误差。
（3）. 莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例
当光栅尺移动一个栅距P时，莫尔条纹也刚好移动了一个条纹宽度W。 只要通过光电元件测出莫尔条纹的数目，就可知道光栅移动了多少个栅距， 工作台移动的距离可以计算出来。若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动方 向也相反（见图5-18）。
增加线纹密度，能提高光栅检测装置的精度，但制造较困难，成本 高。在实际应用中，既要提高测量精度，同时又能达到自动辨向的目的， 通常采用倍频或细分的方法来提高光栅的分辨精度，如果在莫尔条纹的 宽度内，放置四个光电元件，每隔1/4光栅栅距产生一个脉冲，一个脉冲 代表移动了1/4栅距那么大位移，分辨精度可提高四倍，这就是四倍频方 案。
亮度
电压
O 光栅位移 图5-4 光栅的实际亮度变化
O 光栅位移
图5-5 光栅的输出波形图
采用一个光电元件即只开一个窗口观察，只能计数，却无法判断移 动方向。因为无论莫尔条纹上移或下移，从一固定位置看其明暗变化是 相同的。为了确定运动方向，至少要放置两个光电元件，两者相距1/4莫 尔条纹宽度。当光栅移动时，莫尔条纹通过两个光电元件的时间不同， 所以两个光电元件所获得的电信号虽然波形相同，但相位相差90o。根据 两光电元件输出信号的超前和滞后，可以确定标尺光栅移动方向。
5.2.1 结构
5.2 光栅
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。
从形状上看，又可分为圆光栅和直线光栅。圆光栅用于测量转角位移，直 线光栅用于检测直线位移。两者工作原理基本相似，本节着重介绍一种应 用比较广泛的透射式直线光栅。
可以直接把它送到数控装置进行比较、处理。信号抗干扰能力强、 处理简单。 2. 模拟量测量
它是将被测的量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化 等。它对信号处理的方法相对来说比较复杂。
Hale Waihona Puke 5.1.3 增量式测量和绝对式测量
1. 增量式测量 在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式，增量式测量 只测相对位移量，如测量单位为0.001mm，则每移动0.001mm 就发出一个脉冲信号，其优点是测量装置较简单，任何一个 对中点都可以作为测量的起点，而移距是由测量信号计数累 加所得，但一旦计数有误，以后测量所得结果完全错误。 2. 绝对式测量 绝对式测量装置对于被测量的任意一点位置均由固定的 零点标起，每一个被测点都有一个相应的测量值。测量装置 的结构较增量式复杂，如编码盘中，对应于码盘的每一个角 度位置便有一组二进制位数。显然，分辨精度要求愈高，量 程愈大，则所要求的二进制位数也愈多，结构就愈复杂。
5.2.3 应用（光栅位移－数字转换系统）
当光栅移动一个栅距，莫尔条纹便移动一个条纹宽度，理论上光栅亮 度变化是一个三角波形，但由于漏光和不能达到最大亮度，被削顶削底后 而近似一个正弦波（见图5-4）。硅光电池将近似正弦波的光强信号变为 同频率的电压信号（见图5-5），经光栅位移—数字变换电路放大、整形、 微分输出脉冲。每产生一个脉冲，就代表移动了一个栅距那么大的位移， 通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离。
工作原理
6
莫尔条纹具有如下特点：
（1）. 放大作用 用W（mm）表示莫尔条纹
的宽度，P(mm)表示栅距，(rad) 为光栅线纹之间的夹角，如图518所示则有
W P P (5-8)
s in
标尺光栅 P θ
指示光栅（斜）
W
莫尔条纹宽度W与角成反比，越
小，放大倍数越大。
（2）. 均化误差作用 莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同组成，例如，200条/mm的光栅，
第5章 位置检测装 置
5.1.1 直接测量和间接测量
1. 直接测量
直接测量是将直线型检测装置安装在移动部件上，用来直接测量工作 台的直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，而构成位置闭环控制。 其优点是准确性高、可靠性好，缺点是测量装置要和工作台行程等长，所以 在大型数控机床上受到一定限制。
2. 间接测量
它是将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上，通过检测转 动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位移，作为半闭环伺服系统的位 置反馈用。
优点是测量方便、无长度限制。缺点是测量信号中增加了由回转运动 转变为直线运动的传动链误差，从而影响了测量精度。
5.1.2 数字式测量和模拟式测量
1. 数字式测量 它是将被测的量以数字形式来表示，测量信号一般为脉冲，
除标尺光栅与 工作台一起移动外， 光源、聚光镜、指 示光栅、光电元件 和驱动线路均装在 一个壳体内，作成 一个单独部件固定 在机床上，这个部 件称为光栅读数头， 又叫光电转换器， 其作用把光栅莫尔 条纹的光信号变成 电信号。
P1 P2 P3 P4
硅光电池
标尺光栅
聚光镜
指示光栅
光源
图5-3 光栅测量系统
指示尺转角θ方向 标尺光栅 P θ
指示光栅（斜） 指示尺转角θ方向
莫 尔 条 纹
方 向
莫 尔 条 纹
方 向
W
标尺方向
标尺方向
光栅测量系统如图5-3所示，由光源、聚光镜、光栅尺、光电元件和驱 动线路组成。读数头光源采用普通的灯泡，发出辐射光线，经过聚光镜后 变为平行光束，照射光栅尺。光电元件（常使用硅光电池）接受透过光栅 尺光强信号，并将其转换成相应的电压信号。由于此信号比较微弱，在长 距离传递时，很容易被各种干扰信号淹没，造成传递失真，驱动线路的作 用就是将电压信号进行电压和功率放大。
5.2.2 工作原理 当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一小角度放置时，两光栅
尺上线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠， 形成黑色条纹，其它部分为明亮条纹，这种明暗相间的条纹称为莫尔条纹。 莫尔条纹与光栅线纹几乎成垂直方向排列。严格地说，是与两片光栅线纹 夹角的平分线相垂直。
10mm宽的光栅就由2000条线纹组成，这样栅距之间的固有相邻误差就被 平均化了，消除了栅距之间不均匀造成的误差。
（3）. 莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例
当光栅尺移动一个栅距P时，莫尔条纹也刚好移动了一个条纹宽度W。 只要通过光电元件测出莫尔条纹的数目，就可知道光栅移动了多少个栅距， 工作台移动的距离可以计算出来。若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动方 向也相反（见图5-18）。
增加线纹密度，能提高光栅检测装置的精度，但制造较困难，成本 高。在实际应用中，既要提高测量精度，同时又能达到自动辨向的目的， 通常采用倍频或细分的方法来提高光栅的分辨精度，如果在莫尔条纹的 宽度内，放置四个光电元件，每隔1/4光栅栅距产生一个脉冲，一个脉冲 代表移动了1/4栅距那么大位移，分辨精度可提高四倍，这就是四倍频方 案。
亮度
电压
O 光栅位移 图5-4 光栅的实际亮度变化
O 光栅位移
图5-5 光栅的输出波形图
采用一个光电元件即只开一个窗口观察，只能计数，却无法判断移 动方向。因为无论莫尔条纹上移或下移，从一固定位置看其明暗变化是 相同的。为了确定运动方向，至少要放置两个光电元件，两者相距1/4莫 尔条纹宽度。当光栅移动时，莫尔条纹通过两个光电元件的时间不同， 所以两个光电元件所获得的电信号虽然波形相同，但相位相差90o。根据 两光电元件输出信号的超前和滞后，可以确定标尺光栅移动方向。