数控技术之位置检测装置

除标尺光栅 与工作台一起移 动外，其他均装 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
光
栅
硅光电池
测
量
标尺光栅
系
统
聚光镜
指示光栅
光源
6.2.3 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（见左图）。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（见右图），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。
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，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。
6.1.3 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。
亮度
电压
O 光栅位移 光栅的实际亮度变化
O 光栅位移
光栅的输出波形图
1.鉴向
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。
位置检测装置按工作条件和测量要求不同，有下面几种分类方 法：
6.1.1 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。
6.2 光栅
6.2.1 结构
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。
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。
第6章 位置检测装置
本章主要内容
❖ 6.1 概述 ❖ 6.2 光栅 ❖ 6.3 脉冲编码器 ❖ 6.4 旋转变压器 ❖ 6.5 感应同步器
6.1 概述
位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环、半闭环控 制系统中，它的主要作用是检测位移和速度，并发出反馈信号，构 成闭环或半闭环控制。
数控机床对位置检测装置的要求如下： （1） 工作可靠，抗干扰能力强； （2） 满足精度和速度的要求； （3）易于安装，维护方便，适应机床工作环境； 成本低。
/mm的光栅，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。
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（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。
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。
6.1.2 数字式测量和模拟式测量
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，驱动线路的作用 就是将电压信号进行电压和功率放大。
9
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，如右图 所示则有
W P P
sin
莫尔条纹宽度W与角成反比，越
小，放大倍数越大。
标尺光栅 P θ W
指示光栅（斜）
（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
光栅尺 实物图
6.2.2 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。