、数控机床检测装置

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；
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。
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)
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。
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】
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；
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°）
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
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°
百度文库
§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；
★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
扫描头（指示光栅） 电缆
CNC
光
（主光栅）
栅
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