数控机床的检测装置
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第3章数控机床的位置检测讲解
旋转变压器——抗干扰能力强、工作可靠、结构简单、 动作灵敏、信号输出幅度大，对环境无特殊要求，维护方便， 应用广泛。
脉冲编码盘——工作可靠、精度高，结构紧凑、成本低， 是精密数字控制和伺服系统中常用的角位移数字式检测元 器件，但抗污染能力差，易损坏。
激光干涉仪——精度很高，但抗震性、抗干扰能力差， 价格较贵，应用较少。
原理 1）指示光栅与标尺光栅刻度等宽。 2）平行装配，且无摩擦 3）两尺条纹之间有一定夹角 4）当指示光栅与标尺光栅相对运动时，会产生与光栅线 垂直的横向的条纹，该条纹为莫尔条纹，当移动一个栅 距时，摩尔条纹也移动一个纹距
标尺光栅
θ
莫尔条纹
应用较多的干涉条纹式光栅，是利用光的 衍射现象产生莫尔干涉条纹。当两片光栅 互相平行，其刻线相互成一小角度θ时， 两光栅有相对运动就会生明暗相间的干涉 条纹，将光源来的光经透镜变成平行光， 垂直照射在光栅上，经狭缝s和透镜由光 电元件接受，即可得到与位移成比例的电 信号。
第三章 数控机床的位置检测
第三章 数控机床的位置检测
本章主要介绍数控机床的位置检测装置
提 作用及分类，讲解光栅尺和脉冲编码器
的结构、工作原理及其应用。
要 学时：2学时
第三章 数控机床的位置检测
目
了解数控机床的位置检测装置作用及类型。
掌握光栅和脉冲编码器的结构特点、工作原理
标
及应用。
第三章 数控机床的位置检测
建
学生学习本章节，可结合数控中心的 数控机床来了解光栅和脉冲编码器和
等位置检测装置的结构特点、工作原
议
理。
第一节 概 述
一、位置检测装置的要求
位置检测装置是NC机床重要组成部分，在闭环系 统中其主要作用是检测位移量，并发出反馈信号与数 控装置的指令信号比较，如有偏差，经放大后控制执 行部件，使其朝消除偏差方向运动，直至偏差为零。
HZNC-3自动编程数控机床的检测装置.
6
二、旋转变压器
旋转变压器是一种常用的转角检测元件，它即可以测角 位移，又可以测角速度。由于它结构简单，工作可靠，精度 又能满足一般要求，所以应用较广。旋转变压器在原理上与 变压器相同，在结构上与发电机相似。它输出的是模拟量
有定子和转子的变 压器的初级绕组3放在定 子上，次级绕组8固联在 转子上，与转子一起转 动。旋转变压器由此得 名。
电相当于极角，
UM相当于
U S i U M sin 电 sin t
U C i U M cos电 sin t
4
二、检测装置的分类
目前，数控机床上使用的检测元件种类很多。 （一）数字式测量和模拟式测量 1.数字式测量 2.模拟式测量 （二）增量式测量和绝对式测量 1.增量式测量 2.绝对式测量 （三）直接测量和间接测量 1.直接测量 2.间接测量
5
一、测速发电机
一般将测速发电机装在司服电动机的轴上，测量电动机 的转速。 测速发电机有交流和直流两种，基本原理是: 发电机发 出的电压与电动机的转速成正比，将这一电压反馈给数控系 统，与指令输入的值进行比较，从而控制电动机的转速。 测速发电机输出的是模拟量——模拟式测量。
§2—5自动编程简介
一、问题的提出 二、自动编程的一般处理过程 自动编程三部分： ①源程序， ②计算机， ③编译软件。
1
二、自动编程的一般处理过程
源程序用数控语言编写 APT（Automatically Programmed Tools） 自动编程的三个组成部分： ①源程序， ②计算机， ③编译软件。
¦ È
k1 = V2
È n¦ i s V1
V
3=
k3
V1 o ¦ Ø t V2 o ¦ È 180o
数控原理与系统之位置检测装置
1000
1111
图6-6 a葛莱码盘
08
1 0000 1000
9
0001
1001
3 0011
11 1011
2 0010
1010 10
6 0110
1110 15
7 0111
1111 14
0101
1101
5
0100 1100
13
4 12
b 四位二进制码盘非单值性误差
第二节 光电编码器
图6-6为葛莱码盘，其各码道的数码不同时改变，任 何两个相邻数码间只有一位是变化的，每次只切换一位 数，把误差控制在最小范围内。二进制码转换成葛莱码 的法则是：将二进制码右移一位并舍去末位的数码，再 与二进制数码作不进位加法，结果即为葛莱码。
第二节 光电编码器
光电式脉冲编码器，它由光源、聚光镜、光电盘、 圆盘、光电元件和信号处理电路等组成（图6-1）。光电盘是用 玻璃材料研磨抛光制成，玻璃表面在真空中镀上一层不透光的铬， 然后用照相腐蚀法在上面制成向心透光窄缝。透光窄缝在圆周上 等分，其数量从几百条到几千条不等。圆盘也用玻璃材料研磨抛 光制成，其透光窄缝为两条，每一条后面安装有一只光电元件。 光电盘与工作轴连在一起 ，光电盘转动时，每转过一个缝隙就发 生一次光线的明暗变化，光电元件把通过光电盘和圆盘射来的忽 明忽暗的光信号转换为近似正弦波的电信号，经过整形、放大、 和微分处理后，输出脉冲信号。通过记录脉冲的数目，就可以测 出转角。测出脉冲的变化率，即单位时间脉冲的数目，就可以求 出速度。
第二节 光电编码器
光电脉冲编码器用于数字脉冲比较伺服系统(图6-4) 的工作原理如下：光电脉冲编码器与伺服电机的转轴连接，随着 电机的转动产生脉冲序列，其脉冲的频率将随着转速的快慢而升 降。若工作台静止，指令脉冲和反馈脉冲都为零，两路脉冲送入 数字脉冲比较器中进行比较，结果输出也为零。因伺服电机的速 度给定为零，工作台依然不动。随着指令脉冲的输出，指令脉冲 不为零，在工作台尚未移动之前，反馈脉冲仍为零，比较器输出 指令信号与反馈信号的差值，经放大后，驱动电机带动工作台移 动。电机运转后，光电脉冲编码器将输出反馈脉冲送入比较器， 与指令脉冲进行比较，如果偏差不为零，工作台继续移动，不断 反馈，直到偏差为零，即反馈脉冲数等于指令脉冲数时，工作台 停在指令规定的位置上。
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图6-6 a葛莱码盘
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b 四位二进制码盘非单值性误差
第二节 光电编码器
图6-6为葛莱码盘，其各码道的数码不同时改变，任 何两个相邻数码间只有一位是变化的，每次只切换一位 数，把误差控制在最小范围内。二进制码转换成葛莱码 的法则是：将二进制码右移一位并舍去末位的数码，再 与二进制数码作不进位加法，结果即为葛莱码。
第二节 光电编码器
光电式脉冲编码器，它由光源、聚光镜、光电盘、 圆盘、光电元件和信号处理电路等组成（图6-1）。光电盘是用 玻璃材料研磨抛光制成，玻璃表面在真空中镀上一层不透光的铬， 然后用照相腐蚀法在上面制成向心透光窄缝。透光窄缝在圆周上 等分，其数量从几百条到几千条不等。圆盘也用玻璃材料研磨抛 光制成，其透光窄缝为两条，每一条后面安装有一只光电元件。 光电盘与工作轴连在一起 ，光电盘转动时，每转过一个缝隙就发 生一次光线的明暗变化，光电元件把通过光电盘和圆盘射来的忽 明忽暗的光信号转换为近似正弦波的电信号，经过整形、放大、 和微分处理后，输出脉冲信号。通过记录脉冲的数目，就可以测 出转角。测出脉冲的变化率，即单位时间脉冲的数目，就可以求 出速度。
第二节 光电编码器
光电脉冲编码器用于数字脉冲比较伺服系统(图6-4) 的工作原理如下：光电脉冲编码器与伺服电机的转轴连接，随着 电机的转动产生脉冲序列，其脉冲的频率将随着转速的快慢而升 降。若工作台静止，指令脉冲和反馈脉冲都为零，两路脉冲送入 数字脉冲比较器中进行比较，结果输出也为零。因伺服电机的速 度给定为零，工作台依然不动。随着指令脉冲的输出，指令脉冲 不为零，在工作台尚未移动之前，反馈脉冲仍为零，比较器输出 指令信号与反馈信号的差值，经放大后，驱动电机带动工作台移 动。电机运转后，光电脉冲编码器将输出反馈脉冲送入比较器， 与指令脉冲进行比较，如果偏差不为零，工作台继续移动，不断 反馈，直到偏差为零，即反馈脉冲数等于指令脉冲数时，工作台 停在指令规定的位置上。
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。
第五章 数控机床的位置检测装置 曼初宏
第四节 光栅测量装置
2.光栅读数头 (1)分光读数头 如图5-15所示，从光源Q发出的光，经过透镜L1照 射到光栅G1和G2上形成莫尔条纹。 (2)垂直入射读数头 这种读数头主要用于每毫米25～125条刻线的 玻璃透射光栅测量装置，如图5-16所示。
图5-15 分光读数头
第四节 光栅测量装置
(3)反射读数头
图5-26 鉴相式测量检测电路框图
2.鉴幅式测量检测电路
第六节 编码器测量装置
一、光电式编码器的结构 光电式编码器是一种光电脉冲发生器，其最初结构就是一种光电 盘。它由光源、聚光镜、光电盘、分度狭缝、光电元件、数模转 换和方向辨别电路及数字显示装置等组成，如所示。
图5-27 光电式编码器测量装置
第六节 编码器测量装置
第五节 磁栅测量装置
图5-20 带状磁尺
第五节 磁栅测量装置
(4)圆形磁尺
图5-22 圆形磁尺
第五节 磁栅测量装置
2.磁头
图5-23 单磁头结构
第五节 磁栅测量装置
图5-24 双磁头结构
第五节 磁栅测量装置
三、磁栅测量装置的工作方式 磁栅测量是模拟测量，必须和检测电路配合才能实施检测。根据检 测方法的不同，磁栅测量可分为鉴相式测量和鉴幅式测量两种工作 方式，其中以鉴相式测量方式应用较多。 1.鉴相式测量检测电路
第一节 位置检测装置概述
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。 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。
第三章 数控机床的位置检测
6
3.1.2 位置检测装置的分类
模拟式测量： 将被测量用连续变量来表示，如电压变化、相 位变化等。
主要用于小量程的测量，如感应同步器的一个
线距（2mm）内的信号相位变化等。
特点：
●直接测量被测的量，无需变换；
●在小量程内实现较高精度的测量，技术成熟。
7
增量式 ：只测量位移量。 测量单位为0.01mm，每移动
3.2.2 鉴相测量系统 相位工作方式：
供给滑尺的激磁信号为频率、幅值相同，相
位角相差90°的交流电压。
u s u m sin t uc u m cost
14
两绕组在定尺上的感生电压：
' U 2 kus cos kU m sin t cos
U kuc cos(
脉冲编码器38结构及工作原理信号处理装置信号处理装置码盘基片透镜光源光敏元件透光狭缝光源39光电码盘随被测轴一起转动在光源的照射下透过光电码盘和光欄板形成忽明忽暗的光信号光敏元件把此光信号转换成电信号通过信号处理装置的整形放大等处理后输出
第3章
数控机床的位置检测装置
● 感应同步器位置检测装置
● 旋转变压器位置检测装置
" 2
2
) kU m cos t sin
据线性叠加原理，定尺上感应的总电压：
U 2 U U kU m sin t cos kU m cos t sin
' 2 " 2
kU m sin(t )
说明： 上式建立了感生电压U2与相位
间的关系。
15
3.2.2 鉴相测量系统
30
莫尔条纹的特点
1）放大作用 2）平均效应
3.1.2 位置检测装置的分类
模拟式测量： 将被测量用连续变量来表示，如电压变化、相 位变化等。
主要用于小量程的测量，如感应同步器的一个
线距（2mm）内的信号相位变化等。
特点：
●直接测量被测的量，无需变换；
●在小量程内实现较高精度的测量，技术成熟。
7
增量式 ：只测量位移量。 测量单位为0.01mm，每移动
3.2.2 鉴相测量系统 相位工作方式：
供给滑尺的激磁信号为频率、幅值相同，相
位角相差90°的交流电压。
u s u m sin t uc u m cost
14
两绕组在定尺上的感生电压：
' U 2 kus cos kU m sin t cos
U kuc cos(
脉冲编码器38结构及工作原理信号处理装置信号处理装置码盘基片透镜光源光敏元件透光狭缝光源39光电码盘随被测轴一起转动在光源的照射下透过光电码盘和光欄板形成忽明忽暗的光信号光敏元件把此光信号转换成电信号通过信号处理装置的整形放大等处理后输出
第3章
数控机床的位置检测装置
● 感应同步器位置检测装置
● 旋转变压器位置检测装置
" 2
2
) kU m cos t sin
据线性叠加原理，定尺上感应的总电压：
U 2 U U kU m sin t cos kU m cos t sin
' 2 " 2
kU m sin(t )
说明： 上式建立了感生电压U2与相位
间的关系。
15
3.2.2 鉴相测量系统
30
莫尔条纹的特点
1）放大作用 2）平均效应
数控机床精度检测装置及分析
控 机 床 上 通 常 使 用 光 电式 脉 冲编 码 器 。 数 控 机 床 的 定 位 精 度 和 加 工 精 度 在 很 （ ） 电 式 脉 冲 编 码 器 】光 大 的 程 度 上 取 决 于 检 测 装 置 的 精 度 。 它 的 光 电 式 脉 冲 编 码 器 可 分 为 增 量 式 脉 冲 作 用 是 检 测 位 移 量 ， 是 将 系 统 发 出 的 指 令 编 码 器 和 绝 对 式 脉 冲 编 码 器 。 信 号 位 置 与 实 际 反 馈 位 置 相 比 较 ， 用 其 差 光 电 脉 冲 编 码 器 是 按 它 每 转 发 出 的 脉 值 去 控 制 进 给 电 动 机 。 在 数 控 伺 服 系 统 冲数 的多 少 来 分 ，有几 种 型 号 ，数控 机 床 中 ，通 常 有两 种 反 馈 系 统 ：一 种 是 速 度 反 最常 用 的脉 冲编 码器 有 ２ ０ ０ ０脉 冲 ／ｒ ，每转 馈 系 统 ， 用 来 测 量 和 控 制 运 动 部 件 的 进 给 脉 冲 位 移 量 ／ ｍｍ 有 ２ ３ ４ ５ ８ ５０脉 冲 ／ ， ， ， ， ；２ ０ ； ａ ｒ ｌ ； ０ ０脉 速 度 ； 另 一种 是 位 置 反 馈 系统 ，用 来 测 量 ｒ 每 转 脉 冲 位 移 量 ／ ｍ 有 ５， ０ ３ ０ 和 控 制 运 动 部 件 的 位 移 量 。 而 实 际 反 馈 位 冲 ／ ，每转 脉 冲 位 移量 ／ｍｍ３ ６ ｌ ｒ ， ， ２。 置 的 采 集 ， 则 是 由 位 置 检 测 装 置 来 完 成 增 量 式 脉 冲 编 码 器 由 光 源 、 光 敏 元 的 。 这 些 检 测 装 置 有 脉 冲 编 码 器 、 旋 转 变 件 、 透 光 狭 缝 、 码 盘 基 片 、 光 桶 板 、 透 明 压 器 、感 应 同步 器 、 光栅 、 接 近 开 关 等 。 镜 、 Ａ／Ｄ 转 换 线 路 及 数 字 显 示 装 置 组 成 。 ２精度检测装置原理简述 绝 对 式 光 电 编 码 器 是 一 种 直 接 编 码 式 的 测 检 测 装 置 种 类 较 多 ， 现 以 绝 对 式 脉 冲 量 元 件 ， 通 过 读 取 编 码 盘 上 的 图 案 确 定 轴 编 码 器 的 接触 式四 位 绝 对 编 码盘 为 例 ，简 的 位 置 没 有 积 累 误 差 。 述 其 工 作 原 理 。 图 ａ是 绝 对 式 光 电编 码 器 （ ） 合 式 绝对 值 编 码 器 ２混 混 合 式 绝 对 值 编 码 器 是 把 增 量 制 码 与 的 结 构 图 。 图 ｂ是 一 个 四 位 二 进 制 编 码 盘 ， 涂 黑 部 分 是 导 电 的 ， 其 余 是 绝 缘 的 ， 码 盘 绝 对 制 码 同做 在 一 码 盘 上 。 圆 盘 的 最 外 圈 上 有 四 条 码 道 。 四 个 码 道 并 排 装 有 四 个 电 是 高 密 度 的 增 量 制 条 纹 ， 中 间 分 布 在 ４ 其 刷 ， 电 刷 经 电 阻 接 到 电 源 正 极 。 码 盘 最 里 圈 圆 环 上 有 ４个 二 进 制 位 循 环 码 ， 每 １ ／４ 面 的 一 圈 是 电 源负 极 （ 图 １ 。 如 ） 圆 由 ４位 二 进 制 循 环 码 分 割 成 ｌ ６个 等 分 位 由 于 制 造 精 度 和 安 装 质 量 或 工 作 过 程 置 。 在 圆 盘 最 里 圈 仍 有 发 一 转 信 号 的 窄 缝 中 意 外 因 素 ， 易 于 引 起 阅 读 错 误 。 为 此 绝 条 。由循 环码读 出的 ４ｘ ｌ ６个位 置 ／转 ，代 对 式 光 电 编 码 盘 大 多 采 用 格 雷 码 编 码 盘 ， 表 了 一 圈 的 粗 计 角 度 检 测 ， 它 和 交 流 伺 服 图 ｃ为 ４位 格 雷 码 盘 。 其 特 点 是 任 何 两 个 相 电 机 ４对 磁 极 的 结 构 相 对 应 ，可 实 现 对 交 邻数 码 间 只有一 位 是变 化 的 ， 这 样 即使制 流 伺 服 电 机 的 磁 场 位 置 进 行 有 效 的 控 制 。 作和 安 装 不 太 准 确 ，产 生 的 误 差 最 多也 只 ３． 其 它检测 装 置 ２ 是 最 低 位 的 一 位 数 。 还 可 消 除 非 单 值 性 误 旋 转 变 压 器 ， 是 一 种 控 制 用 的 微 电 动 差。 机 ， 将 机 械 转 角 变 换 成 与 该 转 角 呈 某 一 函 ３精度检测装 置 数 关 系 的 电 信 号 ， 工 作 原 理 和 普 通 变 压 器 ３． 脉 冲编 码器 检 测装 置 １ 基 本 相 似 。 结 构 简 单 ， 抗 干 扰 能 力 强 ， 工 脉 冲 编 码 器 ， 是 一 种 旋 转 式 脉 冲 发 生 作 可 靠 ， 动 作 灵 敏 ， 对 环 境 没 有 特 殊 要 求 ， 器 ， 能 把 机 械 转 角 变 成 电 脉 冲 。 是 数 控 机 般 用 于 精 度 要 求 不 高 机 床 的 粗 铡 及 中 测 床 上 使 用 最 多 的 角位 移 检 测 传 感 器 。编 码 系 统 。 器 除 了 可 以 测 量 角 位 移 外 ， 还 可 以 通 过 测 感 应 同 步 器 和 旋 转 变 压 器 均 为 电 磁 式 量 光 电 脉 冲 的 频 率 。 经 过 变 换 电 路 也 可 用 检 测 装 嚣 ， 二 者 工 作 原 理 相 同 ， 其 输 出 电 于速 度 检 测 ， 同时 作 为 速 度 检 测 装 置 。 压 随 被 测 直 线 位 移 或 角 位 移 而 改 变 。 主 要 脉 冲 编 码 器 可 分 为 光 电 式 、 接 触 式 和 部 件 包 括 定 尺 和 滑 尺 ， 定 尺 和 滑 尺 分 剐 安 电磁 感 应 式 三 种 。 从 精 度 和 可 靠 性 来 看 ， 装在 机 床 床 身 和 移 动 部件 上 。感 应 同 步 器 光 电 式 较 好 ， 光 电 式 脉 冲 编 码 器 可 以 用 于 角 度 检 测 ， 也 可 用 于 速 度 检 测 。 所 以 在 数
第6章 数控机床的检测装置
当给定电气角为α时，交流激磁电压的幅值分 别为 Usm＝Umsinα
Ucm＝Umcosα
CNC
6.2 旋转变压器
转子正转时，U1s、U1c经叠加，转子感应电压U2为： U2＝kUmsinαsi主n要ω内ts容inθ＋k Umcosαsinωtcosθ
＝kUmcos（α－θ）sinωt 转子反转时，同理有：
就间接地测量了丝杠的直线位移（导程）的大小。
要检测工作台的绝对位置，需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。
转子每转1周时，转子的输出电压将随旋转变压器的 极数不同而不止一次地通过零点，需加相敏检波器来 辨别转换点和区别不同的转向。
CNC
6.3 感应同步器
感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置，属
多极对：增加定主子要内容 或转子极对数，使 电气转角为机械转 角的倍数，用于高 精度绝对式检测。
双极对：定子和转 子上各有两对相互 垂直的磁极，检测 精度较高，数控机 床中应用普遍。
CNC
6.2 旋转变压器
旋转变压器转子轴与电机轴或丝杠连接在一起，实 现电机轴或丝杠转角的测量。
主要内容
单极对：转子经精密齿轮升速后再与电机轴相联， 根据丝杠导程选用齿轮升速比（升速比通常为1:2、 1:3、1:4、2:3、1:5、2:5等），以保证机床的脉冲当 量与输入设定的单位相同。
U2＝ nUm sinωt sinθ
CNC
6.2 旋转变压器
单极型旋转变压器的定子和转子各有一对磁极， 假设加到定子绕组的励磁电压为U1，则转子通过 电磁耦合，产主生要内感容应电势U2。
U1 U m sin t
U 2 nU1 nU m sin t sin
Um—激磁电压幅值
Ucm＝Umcosα
CNC
6.2 旋转变压器
转子正转时，U1s、U1c经叠加，转子感应电压U2为： U2＝kUmsinαsi主n要ω内ts容inθ＋k Umcosαsinωtcosθ
＝kUmcos（α－θ）sinωt 转子反转时，同理有：
就间接地测量了丝杠的直线位移（导程）的大小。
要检测工作台的绝对位置，需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。
转子每转1周时，转子的输出电压将随旋转变压器的 极数不同而不止一次地通过零点，需加相敏检波器来 辨别转换点和区别不同的转向。
CNC
6.3 感应同步器
感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置，属
多极对：增加定主子要内容 或转子极对数，使 电气转角为机械转 角的倍数，用于高 精度绝对式检测。
双极对：定子和转 子上各有两对相互 垂直的磁极，检测 精度较高，数控机 床中应用普遍。
CNC
6.2 旋转变压器
旋转变压器转子轴与电机轴或丝杠连接在一起，实 现电机轴或丝杠转角的测量。
主要内容
单极对：转子经精密齿轮升速后再与电机轴相联， 根据丝杠导程选用齿轮升速比（升速比通常为1:2、 1:3、1:4、2:3、1:5、2:5等），以保证机床的脉冲当 量与输入设定的单位相同。
U2＝ nUm sinωt sinθ
CNC
6.2 旋转变压器
单极型旋转变压器的定子和转子各有一对磁极， 假设加到定子绕组的励磁电压为U1，则转子通过 电磁耦合，产主生要内感容应电势U2。
U1 U m sin t
U 2 nU1 nU m sin t sin
Um—激磁电压幅值
6--机床数控技术-第6章--数控反馈测量元件-jin2
码盘与工作轴连在一起 ，码盘转动时，每转过一个缝隙就发生一次光线的 明暗变化，光电元件把通过码盘和光栏板射来的忽明忽暗的光信号转换为 近似正弦波的电信号，经过整形、放大、和微分处理后，输出脉冲信号。 通过记录脉冲的数目，就可测出转角；记录脉冲的频率，就可测出转轴速 度；测量A组与B组信号相位的超前或滞后确定被测轴的旋转方向。
6.3.1
旋转变压器的结构
旋转变压器是一种小型交流电机。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、500Hz、1000Hz、3000Hz、5000Hz等。
2
3
5
6
1
8
47
1—转子轴； 2—壳体；3—分解器定子； 4—变压器定子； 5—变压器一次线 圈；6—变压器转子线轴； 7—变压器二次线圈；8—分解器转子。 旋转变压器结构示意图
6.1 位置测量装置概述
6.1.1 数控机床对检测装置的要求
6.1.2
位置检测装置分类
6.1 位置测量装置概述
6.1.1 数控机床对检测装置的要求
数控机床对检测装置的主要要求有如下几个方面： 1．工作可靠，抗干扰能力强； 2．满足测量精度、检测速度和测量范围的要求； 3．易于实现高速的动态测量和处理，利于实现自动化； 4．易于安装，使用维护方便； 5．成本低。
误差控制在最小单位上。但编码与位置循序无直接规律。
1110
1001 1000 0000 000210
0001 0000 1111 1110
21
22
23
2-3 2+2E
21
20
1111 1110 1010 1011 0101 0100 0011 0010 111 1110 1010 1011
6.3.1
旋转变压器的结构
旋转变压器是一种小型交流电机。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、500Hz、1000Hz、3000Hz、5000Hz等。
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1—转子轴； 2—壳体；3—分解器定子； 4—变压器定子； 5—变压器一次线 圈；6—变压器转子线轴； 7—变压器二次线圈；8—分解器转子。 旋转变压器结构示意图
6.1 位置测量装置概述
6.1.1 数控机床对检测装置的要求
6.1.2
位置检测装置分类
6.1 位置测量装置概述
6.1.1 数控机床对检测装置的要求
数控机床对检测装置的主要要求有如下几个方面： 1．工作可靠，抗干扰能力强； 2．满足测量精度、检测速度和测量范围的要求； 3．易于实现高速的动态测量和处理，利于实现自动化； 4．易于安装，使用维护方便； 5．成本低。
误差控制在最小单位上。但编码与位置循序无直接规律。
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第9章 数控机床的检测装置
旋转编码器是一种旋转式测量装置, 旋转编码器是一种旋转式测量装置,通常安装在被测 轴上,随被测轴一起转动, 轴上,随被测轴一起转动,可将被测轴的角位移转换 成增量脉冲形式或绝对式的代码形式, 成增量脉冲形式或绝对式的代码形式,所以有增量式 和绝对式两种类型.按其结构又可分为光电式, 和绝对式两种类型.按其结构又可分为光电式,接触 式和电磁感应式. 式和电磁感应式.
图9-2 增量式光电编码器结构示意图
输出波形如图9-3所示. 输出波形如图 所示. 所示
图9-3 增量式光电编码器输出波形
当光电码盘正转时, 信号超前 信号90° 信号超前B信号 当光电码盘正转时,A信号超前 信号 °,当光电 码盘反转时, 信号超前 信号90° 信号超前A信号 码盘反转时,B信号超前 信号 °,数控系统正是利用 这一相位关系来判断方向的. 这一相位关系来判断方向的. 光电编码器的输出信号A, 光电编码器的输出信号 ,和B,为差动信号.差 ,为差动信号. 动信号大大提高了传输的抗干扰能力.在数控系统中, 动信号大大提高了传输的抗干扰能力.在数控系统中, 常对上述信号进行倍频处理,以进一步提高分辨率. 常对上述信号进行倍频处理,以进一步提高分辨率. 此外,在光电码盘的里圈还有一条透光条纹C, 此外,在光电码盘的里圈还有一条透光条纹 ,用以 每转产生一个脉冲, 每转产生一个脉冲,该脉冲信号又称一转信号或零标 志脉冲,作为测量基准. 志脉冲,作为测量基准.
直线玻璃透射式光栅和金属反射式光栅检测装置分别如 图9-12和图 和图9-13所示. 所示. 和图 所示
图9-12 透射式光栅检测装置
图9-13 反射式光栅检测装置
玻璃透射式光栅是在透明的光学玻璃表面制成感光涂 层或金属镀膜,经过涂敷, 层或金属镀膜,经过涂敷,蚀刻等工艺制成间隔相等 的透明与不透明线纹, 的透明与不透明线纹,线纹的间距和宽度相等并与运 动方向垂直,线纹之间的间距称为栅距. 动方向垂直,线纹之间的间距称为栅距.常用的线纹 密度为25条/㎜,50条/㎜,100条/㎜,250条/㎜.条 密度为 条 ㎜ 条㎜ 条㎜ 条㎜ 数越多,光栅的分辨率越高. 数越多,光栅的分辨率越高. 圆光栅是在玻璃圆盘的圆环端面上, 圆光栅是在玻璃圆盘的圆环端面上,制成透光与不透 光相间的条纹,条纹呈辐射状,相互间的夹角相等. 光相间的条纹,条纹呈辐射状,相互间的夹角相等.
图9-2 增量式光电编码器结构示意图
输出波形如图9-3所示. 输出波形如图 所示. 所示
图9-3 增量式光电编码器输出波形
当光电码盘正转时, 信号超前 信号90° 信号超前B信号 当光电码盘正转时,A信号超前 信号 °,当光电 码盘反转时, 信号超前 信号90° 信号超前A信号 码盘反转时,B信号超前 信号 °,数控系统正是利用 这一相位关系来判断方向的. 这一相位关系来判断方向的. 光电编码器的输出信号A, 光电编码器的输出信号 ,和B,为差动信号.差 ,为差动信号. 动信号大大提高了传输的抗干扰能力.在数控系统中, 动信号大大提高了传输的抗干扰能力.在数控系统中, 常对上述信号进行倍频处理,以进一步提高分辨率. 常对上述信号进行倍频处理,以进一步提高分辨率. 此外,在光电码盘的里圈还有一条透光条纹C, 此外,在光电码盘的里圈还有一条透光条纹 ,用以 每转产生一个脉冲, 每转产生一个脉冲,该脉冲信号又称一转信号或零标 志脉冲,作为测量基准. 志脉冲,作为测量基准.
直线玻璃透射式光栅和金属反射式光栅检测装置分别如 图9-12和图 和图9-13所示. 所示. 和图 所示
图9-12 透射式光栅检测装置
图9-13 反射式光栅检测装置
玻璃透射式光栅是在透明的光学玻璃表面制成感光涂 层或金属镀膜,经过涂敷, 层或金属镀膜,经过涂敷,蚀刻等工艺制成间隔相等 的透明与不透明线纹, 的透明与不透明线纹,线纹的间距和宽度相等并与运 动方向垂直,线纹之间的间距称为栅距. 动方向垂直,线纹之间的间距称为栅距.常用的线纹 密度为25条/㎜,50条/㎜,100条/㎜,250条/㎜.条 密度为 条 ㎜ 条㎜ 条㎜ 条㎜ 数越多,光栅的分辨率越高. 数越多,光栅的分辨率越高. 圆光栅是在玻璃圆盘的圆环端面上, 圆光栅是在玻璃圆盘的圆环端面上,制成透光与不透 光相间的条纹,条纹呈辐射状,相互间的夹角相等. 光相间的条纹,条纹呈辐射状,相互间的夹角相等.
数控机床的检测与反馈装置
检测技术的发展趋势
01
02
03
04
智能化
利用人工智能和机器学习技术 对检测数据进行处理和分析，
实现智能检测。
高精度
随着制造业的发展，对加工精 度的要求越来越高，需要更高
精度的检测技术。
多传感器融合
将多种传感器融合，实现更全 面、准确的检测。
在线检测
将检测技术与数控机床集成， 实现加工过程中的在线检测，
数控机床的检测与反馈装置
目 录
• 引言 • 数控机床检测技术概述 • 数控机床反馈装置原理 • 数控机床检测与反馈装置的设计与实现 • 实际应用案例分析 • 总结与展望
01 引言
主题简介
数控机床检测与反馈装置是数控机床的重要组成部分，用于实时监测机床的工作 状态和加工过程，并将检测到的数据反馈给控制系统，以实现精确控制和优化加 工过程。
实时性、可靠性和智能化将是未来数 控机床检测与反馈装置的重要发展方 向，通过实时监测和快速响应，提高 加工效率和产品质量。
随着工业互联网和大数据技术的发展， 数控机床检测与反馈装置将进一步拓 展其应用领域，实现跨设备、跨领域 的协同监控和优化。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
系统集成与测试
将检测与反馈装置集成到数控机床上，进行系统测试和性能评估， 确保其正常工作并达到预期的性能指标。
05 实际应用案例分析
应用案例一：某型数控车床的检测与反馈装置
总结词：高效稳定
详细描述：该型数控车床的检测与反馈装置采用了高精度的光栅尺和编码器，能够实时监测车床的位移和速度，并通过反馈 系统调整切削参数，确保加工过程的稳定性和准确性。此外，该装置还具有自诊断功能，能够及时发现并报警潜在的故障， 提高了车床的运行效率和稳定性。
数控机床的位置检测装置
模拟式测量 将被测量用连续的变量(如相位 变化、电压幅值变化)来表示的。在数控机床 上模拟式测量主要用于小量程的测量，例如 感应同步器的一个线距内信号相位变化等。
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。
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。
第三节 数控机床的位置检测装置
直线型
长光栅、激光干涉仪 长光栅、
编码尺
绝对值式磁尺
20:40:43
一、旋转变压器 旋转变压器是一种角度测量装置，它是一种小型交流电动机。 旋转变压器是一种角度测量装置，它是一种小型交流电动机。 1.旋转变压器的结构及其特点 1.旋转变压器的结构及其特点 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 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， 工作可靠，广泛应用于数控机床上。 强，工作可靠，广泛应用于数控机床上。 旋转变压器在结构上和两相线饶式异步电动机相似，由定子和转子组成。定子 旋转变压器在结构上和两相线饶式异步电动机相似， 定子和转子组成。 组成 绕组为变压器的一次绕组，转子绕组为变压器的二次绕组。 绕组为变压器的一次绕组，转子绕组为变压器的二次绕组。 接线方式： 接线方式： 定子绕组通过固定在壳体上的接线柱直接引出。 定子绕组通过固定在壳体上的接线柱直接引出。 转子绕组有两种不同的引出方式。根据转子绕组两种不同的引出方式， 转子绕组有两种不同的引出方式。根据转子绕组两种不同的引出方式，旋转变 压器分有有刷式和无刷式两种结构。 压器分有有刷式和无刷式两种结构。
20:40:43
若 θ机
与转子绕组平行， 当 与转子绕组平行，即没有磁力线穿 θ 过转子绕组，因此感应电压为0， 垂直于转子绕组平面时， 过转子绕组，因此感应电压为 ，当磁通φ 垂直于转子绕组平面时，即（ 机 - θ电 = ±90 ） 转子绕组中感应电压最大。在实际应用中，根据转子误差电压的大小， 时，转子绕组中感应电压最大。在实际应用中，根据转子误差电压的大小，不断修正定 即励磁幅值）， ），使其跟踪 变化。 子励磁信号 θ电 （即励磁幅值），使其跟踪 θ 机 变化。 由上式可知，感应电压 E2 是以ω 为角频率的交变信号，其幅值为U msin（θ 机 − θ电） 为角频率的交变信号， 由上式可知， 已知， 的幅值， 的值， 若电气角 θ电 已知，那么只要测出 E2 的幅值，便可以间接地求出 θ 机 的值，即可以测 出被测角位移的大小。当感应电压的幅值为0时 出被测角位移的大小。当感应电压的幅值为 时，说明电气角的大小就是被测角位移 θ 的大小。旋转变压器在鉴幅工作方式时， 让感应电压的幅值为0， 电 的大小。旋转变压器在鉴幅工作方式时，不断调整 ，让感应电压的幅值为 ，用 θ电 θ电 θ机 的测量， 可通过具体电子线路测得。 代替对 的测量， 可通过具体电子线路测得。
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
《数控机床结构原理与应用》第2章 数控机床检测装置
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2.1 概述
数控机床中测量传感器按形状一般有直线型和旋转型两种。 直线型测量工作台的直线位移。其测量精度主要取决于测量 元件的精度，不受机床传动精度的影响。旋转型测量与工作 台直线运动相关联的回转运动，间接测量工作台的直线位移。 其测量精度取决于测量元件和机床传动链两者的精度。
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2.2 编码器（码盘）
绝对式光电编码器转过的圈数则由RAM保存，断电后由后备 电池供电，保证机床的位置即使断电或断电后又移动过也能 够正确的记录下来。因此采用绝对式光电编码器进给电动机 的数控系统只要出厂时建立过机床坐标系，则以后就不用再 做回参考点的操作，而保证机床坐标系一直有效。绝对式光 电编码器与进给驱动装置或数控装置通常采用通讯的方式， 反馈位置信息。
1．增量式测量与绝对式测量 按照检测装置的编码方式可分为增量式测量和绝对式测量。 （1）增量式测量 增量式测量是只测量位移增量，即工作台每移动一个基本单
位长度单位，测量装置便发出一个测量信号，此信号通常是 脉冲形式。
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2.1 概述
其优点是检测装置比较简单，能做到高精度，任何一个对中 点均可作为测量起点，其缺点是一旦计数有误，此后结果全 错。发生故障时，事故排除后，再也找不到正确位置。典型 的增量式测量装置有光栅和增量式光电编码器。
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2.1 概述
3．数字式测量与模拟式测量 （1）数字式测量 数字式测量以量化后的数字形式表示被测的量。其特点是测
量装置简单，信号抗干扰能力强；被测量量化后转换成脉冲 个数，便于显示处理；测量精度取决于测量单位，与量程基 本无关。典型的数字式测量装置有光电编码器、接触式编码 器和光栅。 （2）模拟式测量 模拟式测量是将被测的量用连续的变量表示，如用电压变化、 相位变化来表示。在大量程内作精确的模拟式检测，在技术 上有较高的要求，数控机床中模拟式测量主要用于小量程测 量且实现高精度测量。其特点是直接对被测量进行检测，无 需量化；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。典型的模拟式测量装置有旋转变压器、感应同 步器和磁栅。
2.1 概述
数控机床中测量传感器按形状一般有直线型和旋转型两种。 直线型测量工作台的直线位移。其测量精度主要取决于测量 元件的精度，不受机床传动精度的影响。旋转型测量与工作 台直线运动相关联的回转运动，间接测量工作台的直线位移。 其测量精度取决于测量元件和机床传动链两者的精度。
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2.2 编码器（码盘）
绝对式光电编码器转过的圈数则由RAM保存，断电后由后备 电池供电，保证机床的位置即使断电或断电后又移动过也能 够正确的记录下来。因此采用绝对式光电编码器进给电动机 的数控系统只要出厂时建立过机床坐标系，则以后就不用再 做回参考点的操作，而保证机床坐标系一直有效。绝对式光 电编码器与进给驱动装置或数控装置通常采用通讯的方式， 反馈位置信息。
1．增量式测量与绝对式测量 按照检测装置的编码方式可分为增量式测量和绝对式测量。 （1）增量式测量 增量式测量是只测量位移增量，即工作台每移动一个基本单
位长度单位，测量装置便发出一个测量信号，此信号通常是 脉冲形式。
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2.1 概述
其优点是检测装置比较简单，能做到高精度，任何一个对中 点均可作为测量起点，其缺点是一旦计数有误，此后结果全 错。发生故障时，事故排除后，再也找不到正确位置。典型 的增量式测量装置有光栅和增量式光电编码器。
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2.1 概述
3．数字式测量与模拟式测量 （1）数字式测量 数字式测量以量化后的数字形式表示被测的量。其特点是测
量装置简单，信号抗干扰能力强；被测量量化后转换成脉冲 个数，便于显示处理；测量精度取决于测量单位，与量程基 本无关。典型的数字式测量装置有光电编码器、接触式编码 器和光栅。 （2）模拟式测量 模拟式测量是将被测的量用连续的变量表示，如用电压变化、 相位变化来表示。在大量程内作精确的模拟式检测，在技术 上有较高的要求，数控机床中模拟式测量主要用于小量程测 量且实现高精度测量。其特点是直接对被测量进行检测，无 需量化；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。典型的模拟式测量装置有旋转变压器、感应同 步器和磁栅。
《数控机床电气控制》课件第2章
光源 透镜
主光 栅
指示 光栅
a b c d
光敏 元件
差动 放大 器
整形 器
鉴
相
倍
差动 放大 器
整形 器
频
正向 脉冲 反向 脉冲
图2-7 光栅传感器结构
第2章数控机床检测装置
透射光栅上许多均匀条纹形成了规则排列的明暗线条， 刻线宽度为a，刻线间隙的宽度为b，W=a+b称为光栅的栅距 （或光栅常数）。一般取a=b或a∶b=1.1∶0.9， 而W一般用 刻线密度表示，常用的刻线密度有每毫米25、50、100、500、 1000、 2500线等， 指示光栅的光栅常数一般与主光栅相同。
用事先标定好的测量仪表直接读取被测量结果的方法称为 直接测量。例如,利用电压表测量电压或利用温度表测量温度 等都属于直接测量。直接测量比较直观，同时具有方法简单、 使用方便、响应迅速的优势，是工业检测中最常用的方法。
间接测量一般在无法进行直接测量时采用，其方法是先对 与被测量有确定函数关系的几个参量进行测量，并将结果代入 函数关系经过计算得到所需被测量的值。例如，测量电功率时，
显示记录装置的主要作用是帮助人们了解测量数值或变化 的过程，并根据需要进行长期的记录或对测量数据进行处理。 常用的显示装置有模拟式、数字式和图像式几种，一般静态数 据或变化比较缓慢的数据常用模拟式或数字式，而动态显示的 数据则用图像形式显示效果较好。
第2章数控机床检测装置
2.1.2 测量的方法
1．
第2章数控机床检测装置
2.2 光 栅 传 感 器
光栅是一种高精度的直线位移传感器，在数控机床上用于 测量工作台的位移常用于构成位置闭环伺服系统。常用的光栅 有透射光栅和反射光栅两类。图2-5为光栅尺外观示意图，图26为光栅尺在车床上的安装示意图。
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旋转变压器有刷结构示意图
CNC
6.2 旋转变压器
数控机床主要使用无刷旋转变压器，组成： 分解器、变压主要器内，容 不通过电刷与滑环把信号
传递出来
无刷旋转变压器具有输出信号大、可靠性高、 寿命长及不用维修等优点。
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6.2 旋转变压器
分解器 2
3
主要内容
变压器
5
6
1
8
47
1-转子轴 2-壳体 3-分解器定子 4-变压器定子 5-变压器一 次绕组 6-变压器转子线轴 7-变压器二次绕组 8-分解器转子
U1s＝Umsinωt
U1c＝Um（sinωt+π/2）＝Umcosωt
当转子正转时，这两个励磁电压在转子绕组 中产生的感应电压经叠加，得到转子的感应
电压U2为 U 2 kU1s sin kU1c cos
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6.2 旋转变压器
U2＝kUmsinωtsinθ＋kUmcosωtcosθ =kUmcos（ωt-θ）
U1 U m sin t
U2 nU1 sin nU m sint sin
Um—励磁电压幅值 n—绕组匝数比 θ—转子偏转角
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6.2 旋转变压器
U msinωt
U1 U m sin t
U1 主要内容
激磁
φ1
t
U2
φ2
输出
t
θ=90 0 2µ=k¦ 1µ
=nU msinωt
U2 nUm sin t sin
缺点：信号处理比较复杂。
旋转变压器转子轴与电机轴或丝杠连接在一起，实现电机 轴或丝杠转角的测量。
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6.2 旋转变压器
旋转变压器的分类
按有无电刷分：接触式和无接触式两种；
主要内容
按极对数分：单对极和多对极；
按输出电压与转子转角间的函数关系分：正余弦旋 转变压器、线性旋转变压器、比例式旋转变压器以 及特殊函数旋转变压器等。
U1=U msinωt
定子
φ1 主要内容
φ1
θ
56°
φ1
转子
φ2
φ2
φ2
U1 激磁
U2 输出
θ=00 ¦ µ2=0 U 2=0
θ
θ=90 0
¦ 2µ=k¦ 1µsinθ
¦ 2µ=k¦ 1µ
U2=Un2U＝msninUω1stsiinnθ U2=nUmsinωt
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6.2 旋转变压器
单极型旋转变压器的定子和转子各有一对磁极， 假设加到定子绕组的励磁电压为U1，则转子通过 电磁耦合，产主生要内感容应电势U2。
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6.2 旋转变压器
6.2 旋转变压器
旋转变压器是一种输出电压与角位移量成连续函 数关系的感应式主要微内容电机，数控机床上常见的角位
移测量装置，广泛用于半闭环控制的数控机床。
优点：结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境 条件要求低（特别是高温、高粉尘的地方）、输 出信号幅度大和抗干扰能力强等特点.
＝kUmcos（α－θ）sinωt 转子反转时，同理有：
U2＝kUmcos（α＋θ） sinωt U2的幅值分别为:kUmcos（α－θ）、kUmcos（α＋θ）
转子感应电压的幅值随转子的偏转角而变化。测量出 幅值可测出 转角。
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6.2 旋转变压器
三、旋转变压器的应用
由角位移如何计算直线位移?
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，必须精心 选择位置检测装置。
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6.1 概述
数控系统中的检测装置分为位移、速度和电流三种类型。
☆安装的位置及耦主要合内方容 式—直接测量和间接测量；
☆测量方法—
增量型和绝对型;
☆检测信号的类型—
模拟式和数字式；
☆运动型式—ຫໍສະໝຸດ 回转型和直线型；☆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。
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6.1 概述
数控机床对检测装置的主要要求
1）受温度、湿主度要内影容响小，工作可靠，抗干扰能力 强；
2）在机床移动范围内满足精度和速度要求； 3）使用维护方便，适合机床运行环境； 4）成本低； 5）易于实现高速的动态测量。
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6.2 旋转变压器
由定子和转子组成，结构上与旋转式的小型交 流电机相似。主要内容
有刷旋转变压器定子、转子上两相绕组轴线分 别相互垂直，转子绕组的引线（端点）经滑环 引出，并通过电刷送到外面。
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6.2 旋转变压器
轴承
机壳 3
2
转轴 1
主要内容
转子铁心 定子铁心
4
5
6 端盖 7 电刷
8 滑环
2．鉴幅工作方式
给定子的两个绕主要组内分容 别通以频率相同、相位相 同、幅值分别按正弦和余弦变化的交流励磁电 压，即
U1s＝Umsinsinωt U1c= Umcossinωt
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6.2 旋转变压器
转子正转时，U1s、U1c经叠加，转子感应电压U2为： U2＝kUmsinαsi主n要ω内ts容inθ＋k Umcosαsinωtcosθ
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6.2 旋转变压器
U 1s
主要内容 U 2 kU1s sin kU1c cos
U 1c
定子 1c
1ccos
θ
45°
1ssin
R
U 2 转子
1s
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6.2 旋转变压器
主要内容
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6.2 旋转变压器
1．鉴相工作方式
给定子的两个绕组通以相同幅值、相同频率， 但相位差π/主2要的内容交流励磁电压
当转子反转时，同主要样内可容 得到
U2＝k Umcos（ωt+θ）
转子输出电压的相位角和θ间有严格对应关系，只要检 测出转子输出电压的相位角，就可以求得θ ，也就可得
到被测轴的角位移。
实际应用时，把定子余弦绕组励磁电压的相位作为基准
相位，与转子绕组的输出电压相位做比较，来确定θ的
大小。
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6.2 旋转变压器
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第6章 数控机床的检测装置
主要内容 ➢6.1 概述
主要内容
➢6.2 旋转变压器
➢6.3 感应同步器
➢6.4 光栅
➢6.5 编码器
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6.1 概述
组成：位置检测装置是由检测元件（传感器） 和信号处理装置主要组内成容的。
作用：实时测量执行部件的位移和速度信号， 并变换成位置控制单元所要求的信号形式。它是闭 环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。
主要内容
将旋转变压器安装在数控机床的丝杠上，当θ角从
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6.2 旋转变压器
6.2.2 旋转变压器的工作原理
原理：电磁感应－互感原理 主要内容
当定子加上一定频率的励磁电压时，通过 电磁耦合，转子绕组产生感应电势，其输 出电压的大小取决于定子和转子两个绕组 轴线在空间的相对位置。
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6.2 旋转变压器
U1=Umsinωt U 1=U msinωt