数控机床位置检测装置

图6-7 接触式码盘结构及工作原理
第三节 光栅测量装置

按光路分反射光栅和透射光栅 反射光栅：

优点：膨胀系数与机床材料一致，安装调整方便，可用钢带做成 长达数米的长光栅，适于大位移测量的场合 缺点：为了使反射后的莫尔条纹反差较大，每mm内线纹不宜过 多，常用的有4、10、25、40、50

磁通响应型磁头：根据数控机床的要求，为了在低速
运动和静止时也能进行位置检测，必须采用磁通响应型 磁头。
磁通响应型磁头
二 磁头

励磁绕组在一个周期内可使铁芯饱和两次，铁芯材料饱和
后，磁阻很大，磁路被阻断；铁芯材料非饱和时，磁阻减小， 磁路开通。可见，励磁绕组的作用相当于磁开关，只要有周 期变化的励磁电流存在，输出绕组的磁路中磁通量产生周期 变化，输出绕组输出电压信号为
按光路分为分光式、直射式、反射式
读数头 a）分光式 b）直射式 c）反光式
四 等倍透镜系统

两光栅间距很小，如安装不准确，就不能得到正确信号，
因此在实际应用中采用了等倍透镜系统。
等倍透镜系统
第四节 磁栅测量装置
磁栅位置检测装置是用磁性标尺代替光栅，用 电磁方法计数磁波数目的一种测量方法。磁栅 位置检测装置是由磁性标尺、磁头和检测电路 组成。
P P W sin

(2)平均效应。莫尔条纹由许多明暗相间的条纹组成，如100条／ mm的光栅，10mm宽的莫尔条纹就由1000条线纹组成，这样对个别 线纹的间距误差就不敏感，这在很大程度上消除了栅距刻制不均 匀造成的误差。 (3) 信息变换作用。莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例。
一 光栅测量的工作原理
光栅测量 1-标尺光栅 2-指示光栅 3-光电接收器 4-光源
莫尔条纹示意图
W ≈ P /θ
在光源的照射下，交叉点附近的区域内黑线重叠，透明区域变大， 挡光效应最弱，透光的累积使该区域出现亮带；而距交叉点越远 的区域，两光栅不透明黑线的重叠部分越少，黑线的挡光效应增 强，该区域出现暗带。 这种明暗相间与光栅线纹几乎垂直的条纹称为莫尔条纹。莫尔 条纹具有以下特点： （1）放大作用。当两光栅尺线纹之间的夹角 θ很小时，莫尔条 纹的节距W和栅距P之间的关系为
缺点：

由于测量装置输出的是脉冲，只能反应有没有移动，不能表示移
动方向，因此必须有方向判别电路判别移动方向

一旦计数有误，此后结果全错 若发生故障(如断电、断刀等)，事故排除后再也找不到正确位置
三 检测装置的常用类型
（2）绝对式

原理：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 优点：测量装置的输出能够代表移动件当前的实际位置(坐标 值)，移动的方向靠当前值和历史记忆取得，后续处理方便 缺点：结构复杂、制作精度没有增量式的高
二 编码盘测量装置
C4 C3 C2 C1

码盘角分辨率θ = 360°/ 2n
二进制码盘
葛莱码盘
二 编码盘测量装置

工作原理：黑的部分为
导电部分表示1，白的部 分为绝缘部分表示0，四 个码道都装有电刷，最里 一圈是公共极。由于四个 码道产生四位二进制数，
码盘每转一周产生
0000~1111十六个二进制 数，编码代表实际角位移， 知道了编码就知道了角位 移。
第二节 增量式光电编码器和绝对式编码盘
一 增量式编码器
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一 增量式光电编码器工作原理
增量式光电编码器工作原理图
光电脉冲编码器的工作原理 当圆光栅旋转时，光线透过两个光栅的线纹部分，形成明暗相 间的条纹。光敏元件接收这些明暗相间的光信号，并转换为交替 变化的电信号。该信号为两组近似于正弦波的电流信号A和B，A信 号和B信号相位相差90°，经过放大和整形变成方波，如图所示。 通过两个光栅的信号，还有一个“一转脉冲” ( 一转发出一个脉 冲)，称为Z相脉冲，该脉冲也是通过上述处理得来的。Z相脉冲用 来产生机床的基准点，该脉冲以差动形式Z和 (Z的反相)输出。 从图可看出，根据信号A和信号B的发生顺序，即可判断光电编码 器轴的正反转。若A相超前于B相，则为正转；若B相超前于A相， 则为反转。数控系统正是利用这一相位关系来判断方向的。

从速度上讲 进给速度已从10~30m／min提高到60~120m／min
主轴转速也达到10000r／min，有些高达100000r/min

因此要求检测装置必须满足数控机床高精度和高速度的要求。
二 数控机床对检测装置的要求
(2)工作可靠 有较强的抗干扰能力，外界温湿度的变化对
测量结果的影响要小。
似余弦函数。
3)信号处理 光栅输出的信号有两种：一种是正弦波信号；另一种是
方波信号。
（ 1 ）倍频处理。正弦波输出有电流型和电压型，对正 弦波输出信号需经过差动放大、整形及倍频处理后得到脉冲 信号。倍频可提高光栅的分辨精度，如 5 倍频、 10 倍频等。 如原光栅线纹为 50 条／ mm ，经 5 倍频处理后，相当于将线纹 密度提高到 250 条／ mm 。图所示为 HEIDENHAIN 光栅电流型 输出信号经5倍频处理后的信号波形。

一 工作原理
磁性标尺是在非导磁材料的基体上，涂敷或镀上一层 很薄的磁膜(导磁材料)，在磁膜上利用录磁原理，用录磁磁 头记录一定波长的矩形波或正弦波，以此作为测量的基准刻
度，磁化信号的节距(周期)一般有0.05、0.10、0.20、1mm等
二 磁头
1 读取磁头

磁头是进行磁电转换的变换器，它把反映空间位置的磁信号输 送到检测电路中去。 速度响应型磁头：只有在磁头和磁带之间有一定相对运动速度 时，才能检测出磁化信号，磁头输出电压幅值与磁通变化率成 比例，这种磁头只能用于动态测量。如普通录音机

系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都有一定困难。且测量元件一般安装 到工作台上，测量元件应与导轨等长，这造成测量元件造价较高，使用维护较困难。
二 数控机床对检测装置的要求
(1)满足数控机床的精度和速度要求

从精度上讲 某些数控机床的定位精度已达到±0.0015mm／300m 一般数控机床精度要求在± 0.002~0.01mm／m之间 测量系统的分辨率在0.001~0.0001mm之间
（2)测量精度取决于测量单位，与量程基本无关(当然也有积累 误差)；
（3)测量装置比较简单，抗干扰能力强。
模拟式测量是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的信号相位变化等。
模拟式测量的特点是： （1)直接测量被测量，无须变换； （2)在小量程内可以实现高精度测量，如旋转变压器、感应同 步器等


三 检测装置的常用类型
1．数字式测量和模拟式测量 数字式测量是将被测量单位量化以后用数字形式来表示的。数 字测量的输出信号一般是电脉冲，可以把它直接送到数控装置 (计算机)进行比较、处理。光栅位移测量装置就是典型的检测装 置。数字式测量的特点是： （1）被测量转化成脉冲个数，便于显示和处理；


透射光栅：

优点：光电元件直接接受光照，信号幅值大， 信噪比好，光电转 换器结构简单，如线性密度200线/mm 缺点：玻璃易破裂，膨胀系数与机床材料不一致，影响测量精度， 测量长度在2m以内

第三节 光栅测量装置

按其结构形式分为长光栅和圆光栅

长光栅：测量直线位移 圆光栅：测量角位移

按线纹密度分粗光栅和细光栅
(3)便于安装和维护 测量装置有一定的安装精度要求，安
装精度要合理。考虑到检测装置的使用环境，整个检测装 置要求有较好的防尘、防油雾、防切屑等措施。
三 检测装置的常用类型
表 常用测量装置类型 分 类 光电式 增量式 绝对式
编码盘
电磁式 增量式
旋转变压器 圆盘感应同步器
绝对式
多极旋转变压器 三速圆感应同步器
第四部分 数控机床的位置检测装置
第一节
对数控机床位置检测装置的要求
数控装置
伺服系统
传动装置
机
床
检测装置
伺服系统是机床的驱动部分，计算机输出的控制 信息通过伺服系统和传动装置变成机床运动。位置检 测装置是数控机床伺服系统的重要组成部分，其作用 是检测位移和速度，发送反馈信号，并与数控装置发 出的指令信号比较，若有偏差，则经过放大后控制执 行部件向着消除偏差的方向运动，直至偏差为零。
光栅测量系统简图
二 光栅测量装置的数字变换线路
微 A' 分 微 C' 分
Y1 A'B Y2 AD' Y3 C'D Y4 B'C Y5 BC' Y6 AB' Y7 A'D Y8 CD' H1
正向脉冲
sin cos
正向 反向
差 动 放大器
sin
整 形
P1 P2 P3 P4 硅光 电池
sin A 反 C 相

在光电编码器的里圈还有一条透光条纹 Ｃ，每转产生一个零位脉冲信号。在进 给电动机所用的光电编码器上，零位脉 冲用于精确确定机床的参考点，而在主 轴电动机上，则可用于主轴准停以及螺 纹加工等。
一 增量式光电编码器
光电输出波形和信号处理线路的方块图
一 增量式光电编码器
2 位置和转速测量
（1）位置测量
当光栅向左或向右移动一个栅距 P 时，莫尔条纹也相应地向上 或向下准确地移动一个节距 W 。根据光栅栅距的位移和莫尔条
纹位移的对应关系，只要测量出莫尔条纹移过的距离，就可以得
出光栅移动的微小距离。 （4）光强分布规律。当用平行光束照射光栅时，就会形成明、暗