位置检测装置机床数控技术
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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。
6数控技术位置检测装置
绝对式编码器有光电式、接触式和电磁式三种，以接触式四位绝对编 码器为例来说明其工作原理。
如图所示为二进制码盘。它在一个不导电基体上作成许多金属区使其导 电，其中有剖面线部分为导电区，用“1”表示；其它部分为绝缘区，用 “0”表示。每一径向，由若干同心圆组成的图案代表了某一绝对计数值
通常，我们把组成编码的各圈称为码道，码盘最里圈是公用的， 它和各码道所有导电部分连在一起，经电刷和电阻接电源负极。在 接触式码盘的每个码道上都装有电刷，电刷经电阻接到电源正极 （图b）。当检测对象带动码盘一起转动时，电刷和码盘的相对位 置发生变化，与电刷串联的电阻将会出现有电流通过或没有电流通 过两种情况。
3. A、B、C、D信号再经微 分变成窄脉冲A′、B′、C′、 D′，即在正走或反走时每 个方波的上升沿产生窄脉 冲，
4. 由与门电路把0o、90o、 180o、270o四个位置上产生 的窄脉冲组合起来，根据 不同的移动方向形成正向 或反向脉冲。
其波形图
sin
cos A B
C D A′ B′ C′ D′
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。
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
光 栅
件固定在机床上，
测
这个部件称为光
量
栅读数头，又叫
系
光电转换器，其 作用把光栅莫尔
统
条纹的光信号变
如图所示为二进制码盘。它在一个不导电基体上作成许多金属区使其导 电，其中有剖面线部分为导电区，用“1”表示；其它部分为绝缘区，用 “0”表示。每一径向，由若干同心圆组成的图案代表了某一绝对计数值
通常，我们把组成编码的各圈称为码道，码盘最里圈是公用的， 它和各码道所有导电部分连在一起，经电刷和电阻接电源负极。在 接触式码盘的每个码道上都装有电刷，电刷经电阻接到电源正极 （图b）。当检测对象带动码盘一起转动时，电刷和码盘的相对位 置发生变化，与电刷串联的电阻将会出现有电流通过或没有电流通 过两种情况。
3. A、B、C、D信号再经微 分变成窄脉冲A′、B′、C′、 D′，即在正走或反走时每 个方波的上升沿产生窄脉 冲，
4. 由与门电路把0o、90o、 180o、270o四个位置上产生 的窄脉冲组合起来，根据 不同的移动方向形成正向 或反向脉冲。
其波形图
sin
cos A B
C D A′ B′ C′ D′
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。
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
光 栅
件固定在机床上，
测
这个部件称为光
量
栅读数头，又叫
系
光电转换器，其 作用把光栅莫尔
统
条纹的光信号变
机床数控技术课后答案(胡占齐版)
第1章1．数控〔NC〕和电脑数控〔CNC〕的联系和区别是什么？答：数字控制〔NC〕简称数控，是指用数字化信号对控制对象进行控制的方法也称数控技术。
我们把以电脑系统作为数控装置构成的数控系统称为电脑数控系统〔CNC〕。
CNC系统的数字处理功能主要由软件实现，因而十分灵活，并可以处理数字逻辑电路难以处理的复杂信息，使数控系统的功能大大提高。
2．数控机床由哪几部分组成，各组成部分的功能是什么？答：〔1〕程序介质：用于记载机床加工零件的全部信息。
〔2〕数控装置：控制机床运动的中枢系统，它的基本任务是接受程序介质带来的信息，按照规定的控制算法进行插补运算，把它们转换为伺服系统能够接受的指令信号，然后将结果由输出装置送到各坐标的伺服系统。
〔3〕伺服系统：是数控系统的执行元件，它的基本功能是接受数控装置发来的指令脉冲信号，控制机床执行元件的进给速度、方向和位移量，以完成零件的自动加工。
〔4〕机床主体〔主机〕：包括机床的主运动、进给运动部件。
执行部件和基础部件。
3．简述闭环数控系统的控制原理，它与开环数控系统有什么区别？答：控制原理：闭环控制数控机床是在机床移动部件上直接安装直线位移检测装置，直接对工作台的实际位移进行检测，将检测量到的实际位移值反馈到数控装置中，与输入的指令位移值进行比较，用差值对机床进行控制，使移动部件按照实际需要的位移量运动，最终实现移动部件的精确运动和定位。
区别：闭环控制系统有反馈装置，而开环没有。
4．选择数控机床的时候应该考虑哪几方面的问题？答：(1)机床的类别(车、铣、加工中心等)、规格(行程范围)、性能(加工材料)。
(2)数控机床的主轴功率、扭矩、转速范围，刀具以及刀具系统的配置情况。
(3)数控机床的定位精度和重复定位精度。
(4)零件的定位基准和装夹方式。
(5)机床坐标系和坐标轴的联动情况。
(6)控制系统的刀具参数设置，包括机床的对刀、刀具补偿以及A TC等相关的功能。
5．数控技术的发展趋势表现在哪几个方面？答：高速高精度、智能化、开放式数控系统、网络数控技术、提高数控系统的可靠性、实现数控装备的复合化、CAD/CAM/CNC一体化，实现数字化制造。
数控机床对检测装置的主要要求
＝kUmcos（α－θ）sinωt 转子反转时，同理有：
U2＝kUmcos（α＋θ） sinωt
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。
6.2 旋转变压器 三、旋转变压器的应用
由角位移如何计主要算内直容线位移?
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， 就间接地测量了丝杠的直线位移（导程）的大小。
U 2Km U si n tsin
6.2 旋转变压器
使用较广泛的为正余弦旋转变压器
U1s
U1c
定子
主要内容 U 2kU 1ssinkU 1ccos
1c
θ
45°
R U2 转子
1ccos
1ssin
1s
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/2的交流主激要磁内容电压
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。
6.2 旋转变压器 6.2.1旋转变压器的结构
轴承
2
机壳
3
转子铁心
4
5
定子铁心
3
主要内容
1
8
变压器
5 6 47
数控机床主要使用无刷旋转变压器，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。
6.2 旋转变压器
6.2.2 旋转变压器的工作原理
原理：电磁感应主要，内当容 定子加上一定频率的 激磁电压时，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。
U2＝kUmcos（α＋θ） sinωt
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。
6.2 旋转变压器 三、旋转变压器的应用
由角位移如何计主要算内直容线位移?
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， 就间接地测量了丝杠的直线位移（导程）的大小。
U 2Km U si n tsin
6.2 旋转变压器
使用较广泛的为正余弦旋转变压器
U1s
U1c
定子
主要内容 U 2kU 1ssinkU 1ccos
1c
θ
45°
R U2 转子
1ccos
1ssin
1s
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/2的交流主激要磁内容电压
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。
6.2 旋转变压器 6.2.1旋转变压器的结构
轴承
2
机壳
3
转子铁心
4
5
定子铁心
3
主要内容
1
8
变压器
5 6 47
数控机床主要使用无刷旋转变压器，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。
6.2 旋转变压器
6.2.2 旋转变压器的工作原理
原理：电磁感应主要，内当容 定子加上一定频率的 激磁电压时，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。
数控机床的位置检测装置
数控机床的位置检测装置
1.数控机床对检测装置的基本要求：
1）稳定可靠、抗干扰能力强。数控机床的工作环 境存在油污、潮湿、灰尘、冲击振动等，检测装置要能 够在这样的恶劣环境下工作稳定，并且受环境温度影响 小，能够抵抗较强的电磁干扰。
2）满足精度和速度的要求。为保证数控机床的精 度和效率，检测装置必须具有足够的精度和检测速度， 位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率一个数量 级。
3）安装维护方便、成本低廉。受机床结构和应用 环境的限制，要求位置检测装置体积小巧，便于安装调 试。尽量选用价格低廉，性能价格比高的检测装置。
数控机床加工精度，在很大程度上取决于数控机
床位置检测装置的精度，因此，位置检测装置是数控机
床的关键部件之一，它对于提高数控机床的加工精度有
决定性的作用。
数控机床的位置检测装置
光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度， 而这与光栅盘圆周的条纹数有关，即分辨角
分辨角α=360°/条纹
第三讲 数控机床的位置检测装置
数控机床的位置检测装置
在这一讲，我们将主要学习： 数控机床中位置检测装置所起的作用 数控机床对位置检测装置性能的要求 常用位置检测装置的结构和工作原的作用与要求 位置检测装置是数控系统的重要组成部分，在第二
讲中我们知道：在闭环或半闭环控制的数控机床中，必 须利用位置检测装置把机床运动部件的实际位移量随时 检测出来，与给定的控制值(指令信号)进行比较，从而 控制驱动元件正确运转，使工作台(或刀具)按规定的轨 迹和坐标移动。
数控机床的位置检测装置
图5.1 增量式光电编码器示意原理
增量式光电编码器检测装置由光源、聚光镜、光栅盘、 光栅板、光电管、信号处理电路等组成。光栅盘和光 栅板用玻璃研磨抛光制成，玻璃的表面在真空中镀一 层不透明的铬，然后用照相腐蚀法，在光栅盘的边缘 上开有间距相等的透光狭缝。在光栅板上制成两条狭 缝，每条狭缝的后面对应安装一个光电管。
1.数控机床对检测装置的基本要求：
1）稳定可靠、抗干扰能力强。数控机床的工作环 境存在油污、潮湿、灰尘、冲击振动等，检测装置要能 够在这样的恶劣环境下工作稳定，并且受环境温度影响 小，能够抵抗较强的电磁干扰。
2）满足精度和速度的要求。为保证数控机床的精 度和效率，检测装置必须具有足够的精度和检测速度， 位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率一个数量 级。
3）安装维护方便、成本低廉。受机床结构和应用 环境的限制，要求位置检测装置体积小巧，便于安装调 试。尽量选用价格低廉，性能价格比高的检测装置。
数控机床加工精度，在很大程度上取决于数控机
床位置检测装置的精度，因此，位置检测装置是数控机
床的关键部件之一，它对于提高数控机床的加工精度有
决定性的作用。
数控机床的位置检测装置
光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度， 而这与光栅盘圆周的条纹数有关，即分辨角
分辨角α=360°/条纹
第三讲 数控机床的位置检测装置
数控机床的位置检测装置
在这一讲，我们将主要学习： 数控机床中位置检测装置所起的作用 数控机床对位置检测装置性能的要求 常用位置检测装置的结构和工作原的作用与要求 位置检测装置是数控系统的重要组成部分，在第二
讲中我们知道：在闭环或半闭环控制的数控机床中，必 须利用位置检测装置把机床运动部件的实际位移量随时 检测出来，与给定的控制值(指令信号)进行比较，从而 控制驱动元件正确运转，使工作台(或刀具)按规定的轨 迹和坐标移动。
数控机床的位置检测装置
图5.1 增量式光电编码器示意原理
增量式光电编码器检测装置由光源、聚光镜、光栅盘、 光栅板、光电管、信号处理电路等组成。光栅盘和光 栅板用玻璃研磨抛光制成，玻璃的表面在真空中镀一 层不透明的铬，然后用照相腐蚀法，在光栅盘的边缘 上开有间距相等的透光狭缝。在光栅板上制成两条狭 缝，每条狭缝的后面对应安装一个光电管。
《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
3.2 旋轉變壓器
旋轉變壓器是一種角位移測量元件，外 形如圖所示。結構與兩相繞線式非同步電動 機相似，由定子和轉子組成，根據轉子繞組 引出方式不同，分為有刷和無刷兩種結構形 式。
(a) 旋轉變壓器外形圖 (b)有刷旋轉變壓器結構圖 (c) 無刷旋轉變壓器結構圖 圖3.1 旋轉變壓器外形結構圖
第3章 数控位置检测装置
U1 U m sin t
定子
U1 U m sin t
Φ1
U1 U m sin t
Φ1
Φ1
1
பைடு நூலகம்
转子
Φ2
Φ2
Φ2
0
E1 0
1
E1 nU m sin t sin 1
90
E1 nU m sin t
第3章 数控位置检测装置
u 21 k 21U1m sin t sin u 22 k 22U 1m sin t cos
第3章 数控位置检测装置
將勵磁信號和轉子繞組輸出信號送至解碼電 路輸入端，即可得到轉子轉角代碼。日本多摩川 公司推出的解碼電路集成晶片原理如圖3.3所示， 如果圖中usr=0，那麼θ= θrd，即可解碼出轉子轉 角。
旋轉編碼器、圓光柵， 絕對式旋轉編碼器，多極旋轉 旋轉變壓器、圓感應同步 變壓器 器、圓形磁尺 三速圓型感應同步器
直線型
光柵尺、直線型感應 編碼尺、多通道投射光柵， 同步器、磁尺，鐳射干涉 三速直線型感應同步器、絕對 儀 式磁尺
第3章 数控位置检测装置
3.1.3 位置檢測裝置的性能指標
1. 精度：檢測輸出值與實際位置的符合程度。 2. 解析度：可分辨的最小刻度值，一般按加工精度的1／ 3～1／10選取檢測裝置的解析度。 3. 靈敏度：檢測輸出值隨實際位置變化的及時程度。 4. 遲滯：同一實際位置，正行程與反行程的檢測輸出結果 不一致的現象，稱為遲滯，遲滯越小越好。 5. 測量範圍和量程：測量範圍要滿足系統的要求，並留有 餘地。 6. 零漂與溫漂：測量精度隨時間和溫度的變化而變化的現 象。
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。
机床数控技术--习题答案—第6章数控伺服系统
第5章 位置检测装置习题及答案1.伺服系统中常用的位置检测装置有几种？各有什么特点？答：伺服系统中常用的位置检测装置有：旋转变压器、感应同步器、脉冲编码器和光栅，各检测装置的特点如下：旋转变压器：又称同步分解器，是利用电磁感应原理的一种模拟式测角器件，是一种旋转式的小型交流电动机，在结构上和二相绕线式异步电动机相似，由定子和转子组成，分有刷和无刷两种。
其特点是坚固、耐热、耐冲击、抗干扰、成本低，是数控系统中较为常用的位置传感器；感应同步器：感应同步器是从旋转变压器发展而来的直线式感应器，相当于一个展开的多级旋转变压器。
踏实利用滑尺上的励磁绕组和定尺上的感应绕组之间相对位置的变化而产生电磁耦合的变化，从而发出相应的位置信号来实现位移检测的，其特点为：精度高，工作可靠，抗干扰能力强，维修简单、寿命长，测量距离长，工艺好、成本低、便于成批生产；脉冲编码器：脉冲编码器分为光电式、接触式和电磁感应式三种。
数控机床主要使用光电式脉冲编码器。
光电式脉冲编码器按编码方式又分为绝对值式和增量式两种，常用的为增量式脉冲编码器，其优点是结构简单、成本低、使用方便，缺点是有可能由于噪声或其它外界的干扰产生计数误差，若因停电、刀具破损而停机，事故排除后不能再找到事故发生前执行部件的正确位置；光栅：在高精度数控机床和数显系统中，常使用光栅作为位置检测装置。
它是将机械位移或模拟量转变为数字脉冲，反馈给CNC或数显装置来实现闭环控制的。
计量光栅分为圆光栅和长光栅两种。
圆光栅用于测量转角位移，长光栅用于测量直线位移，由于激光技术的发展，光栅制作的精度有了很大的提高，现在光栅精度可以达到微米级甚至亚微米级。
2. 旋转变压器由哪些部分组成？其检测的基本原理如何？答：旋转变压器又称同步分解器，是利用电磁感应原理的一种模拟式测角器件，是一种旋转式的小型交流电动机，在结构上和二相绕线式异步电动机相似，由定子和转子组成，分有刷和无刷两种，结构如下图所示：有刷式旋转变压器的结构无刷式旋转变压器结构示意图1-转轴 ; 2-轴承 ; 3-机壳; 4-转子铁心; 5-定子铁心6-端盖 ; 7-电刷 ;8-集电环旋转变压器是根据互感原理工作的。
第五章 位置检测装置
8
5.1.3 位置检测装置的分类
绝对式：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：能指示绝对位置，没有累计误差，电源切断 后信息不丢失。
缺点：装置结构较为复杂。
9
5.2 旋转变压器
旋转变压器是一种基于电磁感应原理的角度测 量元件，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~5000Hz，转子绕组 产生的感生电压反映回转角的变化。其结构简单、 动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出 信号幅度大，抗干扰性强，工作可靠。
幅值工作方式 ：给滑尺绕组通入相位相同、频 率相同，但幅值不同的励磁电压。
22
5.3.2 感应同步器的应用
(1)感应同步器的鉴相测量系统
23
5.3.2 感应同步器的应用
设滑尺绕组节距为P，则滑尺移动x时，有
x , 2 x
2 P
P
U s U m sin t Uc U m cost Uo kUs cos kUc sin
按测量方式分：增量式测量和绝对式测量。 增量式 ：只测量位移量。测量单位为0.01mm，每移
动0.01mm发出一个脉冲信号。 优点：装置简单，任何一个对中点都可作为测量的
起点。在轮廓控制的数控机床上大都采用这种方 式。 缺点：在增量式检测系统中，移距是由测量信号计 数读出，一旦计数有误，以后的测量结果则完全 错误。如发生某种故障，无法恢复。
6
5.1.3 位置检测装置的分类
模拟式测量：模拟式测量是将被测量用连续变量来 表示，如电压变化、相位变化等。数控机床所用 模拟式测量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。
5.1.3 位置检测装置的分类
绝对式：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：能指示绝对位置，没有累计误差，电源切断 后信息不丢失。
缺点：装置结构较为复杂。
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5.2 旋转变压器
旋转变压器是一种基于电磁感应原理的角度测 量元件，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~5000Hz，转子绕组 产生的感生电压反映回转角的变化。其结构简单、 动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出 信号幅度大，抗干扰性强，工作可靠。
幅值工作方式 ：给滑尺绕组通入相位相同、频 率相同，但幅值不同的励磁电压。
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5.3.2 感应同步器的应用
(1)感应同步器的鉴相测量系统
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5.3.2 感应同步器的应用
设滑尺绕组节距为P，则滑尺移动x时，有
x , 2 x
2 P
P
U s U m sin t Uc U m cost Uo kUs cos kUc sin
按测量方式分：增量式测量和绝对式测量。 增量式 ：只测量位移量。测量单位为0.01mm，每移
动0.01mm发出一个脉冲信号。 优点：装置简单，任何一个对中点都可作为测量的
起点。在轮廓控制的数控机床上大都采用这种方 式。 缺点：在增量式检测系统中，移距是由测量信号计 数读出，一旦计数有误，以后的测量结果则完全 错误。如发生某种故障，无法恢复。
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5.1.3 位置检测装置的分类
模拟式测量：模拟式测量是将被测量用连续变量来 表示，如电压变化、相位变化等。数控机床所用 模拟式测量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。
机床数控技术及其应用
第4章
1. 插补：在一条曲线的已知起点和终点之间进行“数据点的密化工作”。 2. 并行处理的实现方式：资源分时共享（单 CPU） ；资源重叠流水处理（多 CPU）
第5章
1. 数据采样插补采用时间分割思想 2. 把加工一段直线或圆弧的整段时间细分为许多相等的时间间隔，称为插补周期 T； 插补周期 T 与采样周期 T 反馈可相同或不同，一般：T＝ T 反馈的整数倍。 3. 逐点比较法特点：运算直观，最大插补误差≤1 个脉冲当量，脉冲输出均匀，调节方便 4. 逐点比较法直线插补：令 为偏差判别函数，则有： 1）Fi，j≥0 时，向＋X 方向进给一个脉冲当量，到达点 Pi＋1,j，此时 xi＋1=xi＋1，则点 Pi＋1,j 的 偏差判别函数 Fi+1，j 为
机床数控技术及其应用
第1章
1. 数控技术正在向高速度、高精度、智能化、网络化以及高可靠性等方向迅速发展 2. 机床数控技术由机床本体、数控系统和外围技术组成 3. CNC --- 计算机数控系统（Computer Numerical Control ） 4. 数控系统的核心是 CNC 装置
5. 闭环控制的位置检测装置安装在机床刀架或者工作台等执行部件上 6. 半闭环控制的位置检测装置安装在伺服电机上或丝杠的端部
第6章
1. 数控系统中的检测装置分为位移、速度和电流三种类型 安装的位置及耦合方式—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———————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 2. 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微电机，数控机床上常 见的角位移测量装置 3. 定尺节距ω2 即为检测周期 2τ是衡量感应同步器精度的主要参数。常取 2τ=2mm相位 。 360 4. 正弦绕组和余弦绕组在空间错开 1/4 定尺节距（相当于电角度错开π/2） 5. 当滑尺移动距离为 2，V 2 变化 2,当移动 x 时，则对应感应电压以余弦函数变化 角 度。可得： 6. 对于栅距 d 相等的指示光栅和标尺光栅，当两光栅尺沿线纹方向保持一个很小的夹角θ ， 刻划面平行且有一个很小间隙（一般 0.05mm，0.1mm） ，在光源照射下，在与两光栅线纹 角θ的平分线相垂直的方向上，形成明暗相间条纹——莫尔条纹（横向莫尔条纹） ， 两条亮 （暗）纹间的距离称莫尔条纹宽度 w 。 7. 莫尔条纹特性： （1）光学放大作用 放大比 k 为 ：
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。
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位置检 测装置
数字式
光电盘 增量式 圆光栅 绝对式 －数码盘
测角 模拟式
增量式 绝对式
多级同步分解器 同步分解器组件 三重式圆感应同步器 同步分解器 圆感应分解器 磁盘
测长
数字式 模拟式
增量式 －长光栅
绝对式 －多通道透射光栅
直线感应分解器
增量式 磁尺 绝对式 －多重式直线感应同步器
5.2 光 栅
(3)误差均化作用：摩尔条纹是由许多根刻线共同形成的，这 样可使光栅的节距误差得到平均化。
(4) 成比例运动：摩尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例。 当两个光栅相对移动一个栅距d时，摩尔条纹相应地移动一 个纹距W，因此两者的移动是对应的，这样便于记数；标尺 光栅移动的方向相反，干涉条纹移动的方向也反向。
性误差。
23
√ 误差1分11析1 ：
22
1000
21
20
图5-9 四位二进制编码盘
当检测对象带动码盘一起转动时，电刷和码盘 的相对位置发生变化，与电刷串联的电阻将会 出现有电流通过或没有电流通过两种情况。若 回路中的电阻上有电流通过，为“1”；反之， 电刷接触的是绝缘区，电阻上无电流通过，为 “0”。如果码盘顺时针转动，就可依次得到按 规定编码的数字信号输出，图示为4位二进制 码盘，根据电刷位置得到由“1”和“0”组成的 二进制码，输出为0000、0001、 0010……1111。
亮度
O
电压
光栅位移 O
光栅位移
图3-4 光栅的实际亮度变化
图3-5 光栅的输出波形图
• 将明暗相间的干涉 条纹用光电元件接 收后，经过放大、 整形、微分变成脉 冲信号，即可用来 测量位移量，如右 图。可见每个线距 可以发两个脉冲信 号。
根据摩尔条纹的上述特点，可在摩尔 条纹的移动方向上开设4个窗口P1， P2，P3，P4，并且使这4个窗口两两 相距1/4摩尔条纹宽度(W/4),可从这4 个观察窗口进行：
两种光栅的特点 : 玻璃透射光栅
光源可垂直入射，信号幅度大，读数头结构简单; 刻线密度大100条/mm, 细分后，分辨率达微米级; 易碎，热膨胀系数与机床不一致，影响测量精度.
金属反射光栅 钢尺、钢带 照相腐蚀、钻石刀刻划
热膨胀系数与机床一致，安装调整方便，易接长，不易碎
2．光栅工作结构
光栅结构： 1.标尺光栅、 2.指示光栅、 3.光电元件、4.光源。
✓ 现在市场上提供的规格从 36线/ 转 到 10 万线 /转 都有；
✓ 选择：①伺服系统要求的分辨率；
②考虑机械传动系统的参数。
➢ 分辨率（分辨角）α
设增量式码盘的规格为 n 线/转：
360 n
➢提高增量式光电编码器分辨率的方法 ✓ 提高圆周的等分狭缝的密度 ✓ 增加光电盘的发讯通道 使盘上有若干大小 不等的同心圆环狭缝（码道），光电盘转一 周，发出的脉冲个数增多，分辨率提高。
Wp
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
莫尔条纹的产生
1、标尺光栅和指示光栅的栅距P 2、指示光栅在其自身平面内相对 于标尺光栅倾斜一个很小的角度, 两块光栅的刻线就会相交。当灯 光通过聚光镜呈平行光线垂直照 射在标尺光栅上，在与两块光栅 线纹相交的钝角平分线方向，出 现明暗交替，间隔相等的粗短条纹， 称之为横向莫尔条纹。
从传感器 输出信号分
模拟式 旋转变压器、感应同步器 数字式 光栅检测装置、脉冲编码盘
5.1.2位置检测装置的分类
• 不同类型NC机床对检测系统要求不同。大型 数控机床要求速度响应高，中型和高精度数控 机床以满足精度要求为主。测量系统分辨率一 般要求比加工精度高一个数量级。
• 直接测量--对机床直线位移采用直线型检测元 件测量，其测量精度取决于测量元件精度，不 受机床传动精度的影响。
• 机床移动部件的位移检测；
• 确定移动部件的方向；
• 确定移动速度。
提高精度的方法
增加线纹密度，能提高光栅检测装置精度， 但制造较困难，成本高。实际应用中，既要提 高测量精度，同时又能达到自动辨向的目的， 通常采用倍频或细分的方法来提高光栅的分辨 精度，
如果在莫尔条纹的宽度内，放置四个光电元 件，每隔1/4光栅栅距产生一个脉冲，一个脉 冲代表移动了1/4栅距的位移，分辨精度可提 高四倍，即四倍频方案。
增量式测量 绝对式测量
只测位移量，如测量单位为0.01 mm,则每移 动0.01mm就发出一个脉冲信号。
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。
直接测量 间接测量
将检测装置直接安在执行部件上，如光栅， 感应同步器用于直接测量工作台直线位移。
将检测装置安在滚珠丝杠或驱动电机轴上， 通过检测转动件的角位移来间接测量执行部 件的直线位移。
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（见图3-4）。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（见图35），
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。
• 间接测量--对机床直线位移采用回转型检测元 件测量，测量精度取决于测量元件和机床传动 链两者的精度。为提高定位精度，常需对机床 传动误差进行补偿。
测量方式
数字式测量 模拟式测量
将被测量以数字形式表示，测量量一般为 电脉冲。 将被测的量以连续变量表示，如电压变化、
相位变化等。主要用于小量程测量。
观看光栅机构及安装视频
5.3 脉冲编码器
脉冲编码器又称码盘，是一种回转式数字测量 元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动， 可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对 式的代码形式。根据内部结构和检测方式码盘可
分为接触式、光电式和电磁式3种。其中，光
电码盘在数控机床上应用较多，而由霍尔效应构 成的电磁码盘则可用作速度检测元件。另外，它 还可分为绝对式和增量式两种。
A、A B、B、Z、Z
Z
其中，A、B、Z是 A、B、Z
的取反信号。
90°
……
码盘转一圈
▢ 输出信号的作用及其处理
➢ A、B两相的作用
A
√根据脉冲的数目可得出
被测轴的角位移；
90O
√根据脉冲的频率可得被
测轴的转速；
B
√根据A、B两相的相位超
前、滞后关系可判断被测轴
旋转方向。
CP
√后续电路可利用A、B两
相的90°相位差进行细分处 理（四倍频电路实现）。
➢ Z相的作用
√被测轴的周向定位基准信
Z
号；
√被测轴的旋转圈数记数信
号。
➢ A、B、Z 的作用 √后续电路可利用A、 A 两相
实现差分输入，以消除远距 离传输的共模干扰。
…… 码盘转一圈
增量式码盘的规格及分辨率
➢规格
✓ 增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出 的脉冲数；
第五章 位置检测装置（1）
吴金文 2016年4月25日
位置检测装置是数控机床的重要组成部分。 作用: 检测位移和速度，并发出反馈信号和数控装置发出的 指令信号相比较，构成闭环、半闭环控制。
5.1.1位置检测装置的要求
● 受温度、湿度影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗干扰 能力强; ● 在机床执行部件工作范围内，能满足精度和速度要求; ● 使用维护方便，适应机床工作环境； ● 成本低。
• 数控机床的运动精度主要由检测系统的精度决定。 • 位移检测系统能够测量的最小位移量称为分辨率。 • 分辨率不仅取决于检测元件本身，也取决于测量
线路。在设计数控机床，尤其是高精度或大中型 数控机床时，必须选用检测元件。
检测元件具体分类举例
从检测的 信号分
直线型 回转型
直线感应同步器、长光栅、 长磁栅、激光干涉仪 旋转变压器、圆感应同步器、 圆光栅、圆磁栅、编码盘
检测元件的精度指标：
系统精度－－在一定长度或转角内测量累积误差的最大值 （±0.001~0.02mm/m， ± 10″/360°）
系统分辨率－－所能正确检测的最小位移量 0.001~0.01mm，2″ （取1/3~1/10机床加工精度）
检测元件的作用
• 检测元件是数控机床伺服系统的重要组成部分。 它的作用是检测位移，发送反馈信号，构成闭环 控制。
光电盘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， 再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 A 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。
1.光栅的种类
• 光栅有透射光栅和反射光栅两类。
• 透射光栅 在透明玻璃片上刻有平行等距的密集线条，常用 的有50线/毫米、l00线/毫米和200线/毫米(指直线光栅)。 其特点是光源可采用垂直入射光，光电元件能直接接受， 因此信号幅值较大，信噪比好，读数头的结构简单。
• 反射光栅 在金属镜面上制成全反射或漫反射平行等距的密 集线条，常用的材料有钢或铝等，其每毫米刻线数有4、 10、25、40、50，甚至有600线，因此可以得到很高的精 度，且长度不受限制。
摩尔条纹
标尺光栅
指示光栅 作用： 放大作用 误差均化作用 方便测量位移
光栅倾角
θ
d