、数控机床检测装置
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数控原理与系统之位置检测装置
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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。
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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。
机床数控技术(检测装置、伺服驱动系统)单元习题与答案
一、单项选择题1、编码器在数控机床中的应用有〔〕。
A.位移测量、转速测量与主轴掌握B.主轴掌握、转速测量与回参考点掌握C.位移测量、主轴掌握与回参考点掌握D.位移测量、主轴掌握、转速测量与回参考点掌握正确答案：D2、以下位置检测装置中，属模拟式位置检测装置的是〔〕。
A.旋转变压器B.接触式码盘C.光电编码器D.长光栅正确答案：A3、七位二进制接触式码盘的区分率为〔〕。
A.π/64B.π/256C.π/32D.π/128正确答案：A4、感应同步器滑尺上的正弦绕组和余弦绕组相距〔〕。
A.1/2 个节距B.1/4 个节距C.2 个节距D.1 个节距正确答案：B5、假设光栅尺的线纹密度为50 条/mm，经4 倍频鉴向计数电路处理后，其区分率为〔〕μm。
A.20B.5C.10D.2.5正确答案：B6、以下〔〕不属于通常所述的数控系统三环掌握构造中的伺服环路。
A.加速度环B.位置环C.电流环 D.速度环正确答案：A7、调速性能最好的电机是〔〕。
A.沟通电机B.直流电机C.步进电机D.直线电机正确答案：B8、以下不属于数控机床对主轴伺服系统的要求的是〔〕。
A.主轴与进给轴同步掌握B.角度分度掌握C.轴向定位掌握D.准停掌握正确答案：C9、以下方法能够实现他励直流伺服电机的调速，但是不经济且低速特性较软的是〔〕方式。
A.调整电枢电压UaB.调整电枢回路总电阻RaC.调整励磁磁通ΦD.调整转子线圈的相数正确答案：B10、在步进电机功率放大电路中，承受“高压建流、低压定流”工作方式的驱动电路是〔〕。
A.细分驱动电路B.调频调压电路C.凹凸电压驱动电路D.恒流斩波电路正确答案：C11、步进电动机的转速主要取决于〔〕。
A.电脉冲的总数B.电流的大小C.电脉冲的频率D.电压的凹凸正确答案：C12、设步进电机通电频率为1000Hz，步距角为0.1°，步进电机经过减速比为10 的齿轮减速后，通过螺距为3mm 的丝杠螺母副驱开工作台实现Z 向进给运动，则工件台的Z 方向的移动速度是〔〕m/min。
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。
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。
浅谈数控机床检测装置故障的常见形式及诊断方法
２ １ 机 械 振 荡 （ ／ 速 时） ． 加 减
１ 数 控 机 床 检 测 装 置 的 分 类
数 控 系 统 中 的 检 测 装 置 分 为位 移 、 速 度 和 电流 ３种 类 型 。
在现代 控制系统 中采用数 字计算机 已成 为普遍 的趋 势 ， 连
系统 的离 散化也是必 不可少 的一个 步 根据 安装 的位置 及耦 合方 式 ，可分 为直 接测 量 和间 接测 量 ２ 续控制系统 的数字仿 真 ， 骤。 因此采样控制 系统 的应用是十 分广泛的 。 与连续系统相 比， 种 ； 测 量 方 法 ， 分 为 增 量 式 和 绝 对 式 ３种 ； 检 测 信 号 的 类 按 可 按 （） 型 ， 分 为 模 拟 式 和 数 字 式 ２大 类 ； 据 运 动 形 式 ， 分 为 回 转 采样控 制系 统具 有 以下 ３个优 点 ： １ 数字 元件 同模拟元件 相 可 根 可 稳定 性等 ；２ 受 扰动 的影 响较少 ， 论 （） 无 型和直线型检测 装置 ； 信号 转换的 原理 ， 分为光 电效应 、 按 可 光 比具有 较高 的可靠性 、 在 扰 动 还 是 在 输 入 的 作 用 下 ， 样 控 制 系 统 都 能 在 经 过 几 个 采 采 栅效应 、 电磁 感 应 原 理 、 电效 应 、 阻 效 应 和 磁 阻 效 应 等 检 测 压 压
避 雷 器 由于 能 够 有 效 地 限 制 电 力 系 统 的 过 电压 ， 而 确 保 从 况下对避 雷器进 行测试 ， 就是 在线 测量 ， 过在 线测 量可 以 电 气 设 备 的 正常 运 行 。 雷 器 的 性 能 对 电 力 系 统 的 安 全 可 靠 运 这 通 避 实 时 、 效 地 判 断 避 雷 器 的运 行状 况 。 有 行有着显著 影响 。当避 雷器 的泄漏 电流超标 时 ， 能会 出现避 可
１ 数 控 机 床 检 测 装 置 的 分 类
数 控 系 统 中 的 检 测 装 置 分 为位 移 、 速 度 和 电流 ３种 类 型 。
在现代 控制系统 中采用数 字计算机 已成 为普遍 的趋 势 ， 连
系统 的离 散化也是必 不可少 的一个 步 根据 安装 的位置 及耦 合方 式 ，可分 为直 接测 量 和间 接测 量 ２ 续控制系统 的数字仿 真 ， 骤。 因此采样控制 系统 的应用是十 分广泛的 。 与连续系统相 比， 种 ； 测 量 方 法 ， 分 为 增 量 式 和 绝 对 式 ３种 ； 检 测 信 号 的 类 按 可 按 （） 型 ， 分 为 模 拟 式 和 数 字 式 ２大 类 ； 据 运 动 形 式 ， 分 为 回 转 采样控 制系 统具 有 以下 ３个优 点 ： １ 数字 元件 同模拟元件 相 可 根 可 稳定 性等 ；２ 受 扰动 的影 响较少 ， 论 （） 无 型和直线型检测 装置 ； 信号 转换的 原理 ， 分为光 电效应 、 按 可 光 比具有 较高 的可靠性 、 在 扰 动 还 是 在 输 入 的 作 用 下 ， 样 控 制 系 统 都 能 在 经 过 几 个 采 采 栅效应 、 电磁 感 应 原 理 、 电效 应 、 阻 效 应 和 磁 阻 效 应 等 检 测 压 压
避 雷 器 由于 能 够 有 效 地 限 制 电 力 系 统 的 过 电压 ， 而 确 保 从 况下对避 雷器进 行测试 ， 就是 在线 测量 ， 过在 线测 量可 以 电 气 设 备 的 正常 运 行 。 雷 器 的 性 能 对 电 力 系 统 的 安 全 可 靠 运 这 通 避 实 时 、 效 地 判 断 避 雷 器 的运 行状 况 。 有 行有着显著 影响 。当避 雷器 的泄漏 电流超标 时 ， 能会 出现避 可
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
《数控原理与系统》第3章-数控位置检测装置
第3章 数控位置检测装置
第3章 数控位置检测装置
• 3.1 概述 • 3.2 旋转变压器 • 3.3 光栅尺 • 3.4 旋转编码器 • 3.5 感应同步器 • 3.6 磁栅 • 3.7 激光干涉仪
第3章 数控位置检测装置
3.1 概 述
3.1.1 数控机床对位置检测装置的要求
1. 耐油污、潮湿、灰尘，温度稳定性好，抗干扰能力强。 2. 足够的精度和检测速度。直线位移检测分辨率0.001～ 0.01mm，精度±0.001～0.02mm／m，速度≥24m/min ； 回转角位移分辨率2″左右，精度±10″/360°。 3. 安装维护方便，成本低廉。如旋转编码器、光栅尺、 感应同步器等都是数控机床常用的位置检测装置。
个输出脉冲；反向运动时， 用“与或”
门YH2得到BC+AB+AD+CD的4个输出脉 冲；其波形如图3.8所示。
在机床光栅位移测量系统中，除上
述四倍频外，还有八倍频、十倍频、二
十倍频等。
第3章 数控位置检测装置
正向
反向
sin
cos
A B
C
D
正 向
A
时
上
B
升
沿
C
微
D
分
正向脉冲 反
A
向
B
时 上
C
升
沿
D
微
第3章 数控位置检测装置
3.2 旋转变压器
旋转变压器是一种角位移测量元件，外 形如图所示。结构与两相绕线式异步电动机 相似，由定子和转子组成，根据转子绕组引 出方式不同，分为有刷和无刷两种结构形式。
(a) 旋转变压器外形图 (b)有刷旋转变压器结构图 (c) 无刷旋转变压器结构图 图3.1 旋转变压器外形结构图
第3章 数控位置检测装置
• 3.1 概述 • 3.2 旋转变压器 • 3.3 光栅尺 • 3.4 旋转编码器 • 3.5 感应同步器 • 3.6 磁栅 • 3.7 激光干涉仪
第3章 数控位置检测装置
3.1 概 述
3.1.1 数控机床对位置检测装置的要求
1. 耐油污、潮湿、灰尘，温度稳定性好，抗干扰能力强。 2. 足够的精度和检测速度。直线位移检测分辨率0.001～ 0.01mm，精度±0.001～0.02mm／m，速度≥24m/min ； 回转角位移分辨率2″左右，精度±10″/360°。 3. 安装维护方便，成本低廉。如旋转编码器、光栅尺、 感应同步器等都是数控机床常用的位置检测装置。
个输出脉冲；反向运动时， 用“与或”
门YH2得到BC+AB+AD+CD的4个输出脉 冲；其波形如图3.8所示。
在机床光栅位移测量系统中，除上
述四倍频外，还有八倍频、十倍频、二
十倍频等。
第3章 数控位置检测装置
正向
反向
sin
cos
A B
C
D
正 向
A
时
上
B
升
沿
C
微
D
分
正向脉冲 反
A
向
B
时 上
C
升
沿
D
微
第3章 数控位置检测装置
3.2 旋转变压器
旋转变压器是一种角位移测量元件，外 形如图所示。结构与两相绕线式异步电动机 相似，由定子和转子组成，根据转子绕组引 出方式不同，分为有刷和无刷两种结构形式。
(a) 旋转变压器外形图 (b)有刷旋转变压器结构图 (c) 无刷旋转变压器结构图 图3.1 旋转变压器外形结构图
第6章 数控机床的检测装置
定子
U 1c
θ
45 °
θ
φ1ccosθ φ1ssinθ
θ
R
φ1s
U2
转子
U 2 = kU1s sin θ + kU1c cos θ
k——电磁耦合系数，k<1； θ——相位角，即：转子偏转角。
CNC
6.2 旋转变压器
1．鉴相工作方式 定子的两个绕组：分别通以相同幅值、相同频率，但相 位差 π/2的交流激磁电压 位差π
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。
CNC
6.2 旋转变压器
6.2.1 旋转变压器的分类 6.2.1旋转变压器的分类 ：接触式和无接触式； 按有无电刷分 按有无电刷分：接触式和无接触式； 按极对数分： 单对极和多对极； 按极对数分：单对极和多对极； 正余弦 按输出电压与转子转角间的函数关系分： 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。
CNC
6.2 旋转变压器
6.2.3 旋转变压器的工作原理
原理： 电磁感应， 当定子 原理：电磁感应， 电磁感应，当 主要内容 加上一定频率的激磁电压 时，通过 电磁耦合 ，转子 时，通过电磁耦合 电磁耦合， 输 绕组产生感应电势，其 绕组产生感应电势，其输 的大小取决于定子 出电压 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。
CNC
6.2 旋转变压器
分解器
2
机壳
3
分解器定子
变压器
主要内容
5 变压器 一次线圈
转轴 1
分解器转子
8
变压器定子
4
6 变压器 转子 7 变压器二次线圈
U 1c
θ
45 °
θ
φ1ccosθ φ1ssinθ
θ
R
φ1s
U2
转子
U 2 = kU1s sin θ + kU1c cos θ
k——电磁耦合系数，k<1； θ——相位角，即：转子偏转角。
CNC
6.2 旋转变压器
1．鉴相工作方式 定子的两个绕组：分别通以相同幅值、相同频率，但相 位差 π/2的交流激磁电压 位差π
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。
CNC
6.2 旋转变压器
6.2.1 旋转变压器的分类 6.2.1旋转变压器的分类 ：接触式和无接触式； 按有无电刷分 按有无电刷分：接触式和无接触式； 按极对数分： 单对极和多对极； 按极对数分：单对极和多对极； 正余弦 按输出电压与转子转角间的函数关系分： 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。
CNC
6.2 旋转变压器
6.2.3 旋转变压器的工作原理
原理： 电磁感应， 当定子 原理：电磁感应， 电磁感应，当 主要内容 加上一定频率的激磁电压 时，通过 电磁耦合 ，转子 时，通过电磁耦合 电磁耦合， 输 绕组产生感应电势，其 绕组产生感应电势，其输 的大小取决于定子 出电压 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。
CNC
6.2 旋转变压器
分解器
2
机壳
3
分解器定子
变压器
主要内容
5 变压器 一次线圈
转轴 1
分解器转子
8
变压器定子
4
6 变压器 转子 7 变压器二次线圈
《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。
数控机床的检测装置
另外，在转子每转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，必须在线路 中加相敏检波器来辨别转换点和区别不同的转向。
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。
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。
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暗带 亮带
b
a B
b
a
倍频电路（倍频器）的作用：提高光栅传感器的检测精度（灵敏度）
［增设倍频电路的原因：主要是光学玻璃上刻制线纹的数目有限；实际应用中， 一般结合采用倍频电路来扩大光栅传感器输出脉冲的个数］
例如：一光栅传感器，倍频前，莫尔条纹变化一周（产生1个正弦波信 号），光栅传感器输出1个脉冲，主光栅与指示光栅移动1个栅距；
光学玻璃
a
W
主光栅和指示光栅线纹的栅距相同。
条纹密度有：25、50、100、250线/mm
主光栅
条纹密度越高，检测精度越高;
光栅副
指示光栅
光栅尺按装时，主光栅和扫描头：一个按装在固定部件上，另一 个就按装在机床的移动部件上；
光栅传感器的作用：当伺服电机通过丝杠带动工作台移动时，主 光栅和扫描头发生相对位移，扫描头开始读数，并将工作台移动 的实际位移量转换为电脉冲的信号，反馈给CNC，形成位置闭环控 制。
第2章 数控机床的检测装置
路增保
本章主要介绍3个内容： §1.光栅传感器（结构及控制原理） §2.光电编码器（结构及控制原理） §3.光电编码器在数控机床中的应用
§1.光栅传感器
光栅传感器（光栅尺）是一种高精度的直线位移传感器；
组成：照明系统、光栅副 （主光栅和指示光栅）、光电 接收元件及信号处理电路。
2.绝对式旋转编码器 特点：有断电记忆功能（CNC断电再上
电，能读出坐标轴的位置）
增量式旋转编码器
码盘
码盘结构：在玻璃圆 盘上镀上一层金属薄 膜，上刻有伞状线纹。
节距
α
组成：1.转轴（与电机或丝杠同轴相连） 增量式光电编码器结构图 2.光源（LED和透镜） 3.光栏板（辨别转轴的旋转方向及位置和速度信号） 4.零标志槽（产生坐标轴回参考点的零脉冲信号） 5.光敏元件（将光强信号转换为电信号） 6.码盘（盘上刻有间距相等的伞形密集条纹，用于产生脉冲信号） 7.印刷电路板即信号处理电路（包括放大、整形、鉴相、倍频） 8.接线座【编码器的工作电源（DC5V）及输出信号接口】
光电编码器的工作原理：
正弦波的电压信号
光源 透镜
节距 α
光栏板
码盘 光敏元件 放大整形
计数器（P的个数，反映 码盘转过的角度）
电路 脉冲 CNC （位置反馈）
n 转轴
输出
光电编码器工作的示意图 F/V 驱动器 （速度反馈）
工作原理：电机（或丝杠）带动码盘转动。光源经透镜聚焦，照在 光栏板上，当光栏板上的条纹和码盘上的条纹重合时（二者条纹节 距相同），透射过来的光线照在光敏元件上。码盘每转过一个节距， 照在光敏元件上的光强信号发生一次明暗的变化（类似正弦波变 化），则光敏元件就输出一个正弦波的电信号，经放大、整形成 一个脉冲信号输出。码盘连续转动，脉冲信号就连续输出；
主光栅
扫描头（指示光栅） 电缆
CNC
光
（主光栅）
栅Байду номын сангаас
短 光栅副 长
检
红色：主光栅；
测 装
其余：扫描头；
置
的
信号处理电路
组
成
扫描头内包含有照明系统、指示光栅、光电接收元件及信号处 理电路。
光栅：在透明的光学玻璃上刻制平行且间距相等的密集线纹，利 用光的透射现象形成光栅。
b
条纹
放大
a :刻线宽度 b :相邻两刻线间隙的宽度 w :光栅的栅距 w=a+b
光源照在光电元件上时，其输出的电信号： A 、A的信号相位差为 180°，B、B的信号相位差为180°；
●当A组脉冲信号的波形超前B组90°，电机正转；
●当A组脉冲信号的波形滞后B组90°，电机反转； 下图为A、B两组条纹产生的脉冲信号的波形
A
A
A信号 A
A
B信号
B B
B B
90°
CNC是通过识别
电机正转
90° 电机反转
A信号和B信号的相位差来判别电机的旋转方向；
C信号脉冲信号的频率来判断电机的旋转速度（转速）； A或B信号脉冲信号的个数来判断电机的旋转角度（角位移）；
★光电编码器的测量精度取决于码盘上相邻两条纹的夹角α（分辨
角， α越小，测量精度越高），
分辨角表达式：α
360 条纹数
例：若码盘条纹线数为1024，既1024P/r 则α=360°/1024=0.352°
旋转方向的判别：
光栏板上有A、B两组条纹（A 、A为一组，B、B为一组，如图）；A、B 两组条纹位置彼此错开1/4节距（即A组与B组信号相位差为90°）。当
主光栅
莫尔条纹形成的原理：主光栅和指示
W
光栅叠加，一面光源照射，另一面就 指示光栅
形成忽明忽暗的光强信号-----莫尔条 b
纹。
当二者发生相对位移时，同一栅距
a
内的光强信号呈现忽明忽暗的变化。 b
光栅读数：通过光电元件读取莫尔条
a
纹光强信号的强弱变化转换为电信号
（移动一个栅距，输出一正弦波电信
号)
下图为光栅传感器的结构图 正弦波的电压信号
主光栅
（硅光电池）
鉴相、倍频电路
指示光栅
控制原理：光源产生的光线，经透镜折射成水平光线照在光栅副上，在 指示光栅的反面形成均匀的或明或暗的条纹光线（莫尔条纹），照在光 敏元件上，光敏元件输出abcd四个光电信号；
当机床的移动部件带动主光栅或指示光栅移动时，莫尔条纹的光强信号 发生类似与正弦规律的变化，照在光敏元件上，输出的abcd四个光电信 号也类似正弦波的变化（ac、bd各为一组差动信号，信号弱，若长距离传递， 易被干扰信号淹没），经放大器放大，整形器整形成脉冲信号，再经鉴相、 倍频电路，输出正反向脉冲信号送给计数器。脉冲的个数反映的就是主 光栅和指示光栅之间移动的相对位移量。脉冲的频率反映主、指光栅移 动的速度，正反向脉冲的相位差反映主、指光栅移动的方向；
主、指光栅移动方向的判别原理：
a c
●若ac信号相位超前bd信号90°时，
方向为正，电机正转；
b d
●若ac信号相位迟后bd信号90°时， 方向为负，电机反转；
90°
§2.光电编码器
是一种旋转式测量装置
增量式光电编码器结构图
安装的部位：伺服电机的尾部或丝杠的轴端； 作用：将电机或丝杠的转角转换为电脉冲（每转一个分辨角输出一脉冲） 类型： 1.增量式旋转编码器 特点：无断电记忆功能；
若4倍频，莫尔条纹变化一周，输出4个脉冲；即每输出1个脉冲，主、 指光栅移动1/4个栅距；
鉴相电路的作用：判别主、指光栅移动的方向；
下图为4个光电元件输出的电信号ac、bd经放大、整形后输出的TTL 方波信号（ac、bd各为一对差动信号，即a与c相位差为180°，b与d相位差
为180°；但ac与bd 相位差为90°）