机床数控技术与系统

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4.2.1光电脉冲编码器的结构

4-光电码盘、 5-光源、 6-透镜、7光栅板、8-光敏元件8 光电编码器结构示意图
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第4章 数控机床的位置检测装置
4.2.2工作原理 《 机 床 数 控 技 术 与 系 统
①电动机转→圆光栅转→光信号变化 光电元件 电信号变化 放大、整形 方波信号 ②电动机转向的判别(指示光栅有两组条纹A和B) 正转:A信号超前B信号90°。 反转:B信号超前A信号90°。 ③利用A信号(或B信号)的脉冲数计算电动机的转角。 ④分辨率取决于圆光栅一圈的条纹数。 ⑤利用透光条纹C,每转产生一个零位脉冲信号。 在进给电机上所用的光电编码器,零位脉冲用于精确确 定机床的参考点。 在主轴电机上,零位脉冲用于主轴准停以及螺纹加工。

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第4章 数控机床的位置检测装置
4.3.2透射光栅的结构与莫尔条纹的产生原理 《 机 床 数 控 技 术 与 系 统
2.莫尔条纹的产生 莫尔条纹演示

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第4章 数控机床的位置检测装置
4.3.2透射光栅的结构与莫尔条纹的产生原理 θ 《 机 床 数 控 技 术 与 系 统
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第4章 数控机床的位置检测装置
4.3.2透射光栅的结构与莫尔条纹的产生原理 《 机 床 数 控 技 术 与 系 统
1.透射光栅的结构 有一长一段两块光栅尺。长的称为标尺光栅,短的称为 指示光栅。 ①标尺光栅(主光栅):常随运动部件移动,与行程等长。 ②指示光栅:固定在机床相应部件上。 ③ω =a+b(ω 为栅距,a、b为不透光和透光宽度) ④透射光栅主要由光源、光栅尺(即标尺光栅)、指示光 栅、光电元件及放大整形电路等组成。
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第4章 数控机床的位置检测装置
4.3.1计量光栅的种类 《 机 床 数 控 技 术 与 系 统
1.直线光栅 (1)玻璃透射光栅 在玻璃表面刻上透明和不透明的间隔相等的线纹(即黑 白相间的线纹),称为透射光栅。其制造工艺为在玻璃表面 加感光材料或金属镀膜上刻成光栅线纹,也可采用刻蜡、腐 蚀或涂黑工艺。 (2)金属反射光栅 在钢尺或不锈钢镜面上用照相腐蚀工艺制作线纹,或用 钻石刀刻制条纹,称作反射光栅。金属光栅的特点是;线膨 胀系数很容易做到与机床的床身材料一致,可补偿热变形的 影响,接长比较方便,甚至可以用带钢做成整根的长光栅, 不易破碎。 2.圆光栅 圆光栅是在玻璃盘的外环端面上做成黑白相间的线纹, 线纹呈辐射状,线纹之间夹角相等,用于检测角位移。根据 使用要求不同,圆周上的线纹数也不同。 返回
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第4章 数控机床的位置检测装置
4.3.3莫尔条纹的特点及作用
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1.起放大作用 例如:若ω =0.1mm,W=10mm,则放大倍数为: W/ω =1000。 莫尔条纹是由光栅的大量刻线 2.莫尔条纹的移动与栅距成比例 共同组成,例如,200条/mm的光栅 ①通过光电元件感测移过的莫尔条纹数目,即可知道光栅移 ,10mm宽的光栅就由2000条线纹组 动的栅距。 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 ②设标尺光栅不动,将指示光栅按逆时针方向转过 θ 角,则 均匀造成的误差。 当指示光栅左移时,莫尔条纹向下移动;反之,莫尔条纹向 上移动。 3.起平均误差作用
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第4章 数控机床的位置检测装置
4.3光栅尺
《 机 床 数 控 技 术 与 系 统
4.3.1计量光栅的种类 4.3.2透射光栅的结构与莫尔条纹产生原理 4.3.3莫尔条纹的特点及作用 4.3.4光栅尺的输出信号与测量电路 4.3.5光栅在数控机床中的应用

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第4章 数控机床的位置检测装置
4.2光电编码器
《 机 床 数 控 技 术 与 系 统
4.2.1光电脉冲编码器的结构 4.2.2工作原理 4.2.3信号的输出及倍频处理 4.2.4光电编码器在数控机床中的应用

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第4章 数控机床的位置检测装置

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第4章 数控机床的位置检测装置
4.1.1位置检测元件的分类 《 机 床 数 控 技 术 与 系 统
(2)增量式测量和绝对式测量 增量式测量装置只测量位移增量,即工作台每移动一个 基本长度单位,检测装置便发出一个检测信号,此信号通常 是脉冲形式。增量式检测装置均有零点标志,作为基准起 点。 数控机床采用增量式检测装置时,在每次接通电源后要 回参考点操作,以保证测量位置的正确。 绝对式测量是指被测的任一点位置都从一个固定的零点 算起,每一个测点都有一个对应的编码,常以二进制数据形 式表示。 (3)数字式测量和模拟式测量 模拟式:测速发电机的输出电压与电动机的转速成正比。 数字式:检测单位时间里光电编码器所发出的脉冲数。
》 4.5磁尺
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第4章 数控机床的位置检测装置
4.1概述
《 机 4.1.1位置检测元件的分类 床 4.1.2数控机床对位置检测装置的要求 数 控 技 术 与 系 统

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第4章 数控机床的位置检测装置
4.1.1位置检测元件的分类 《 机 床 数 控 技 术 与 系 统
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第4章 数控机床的位置检测装置
4.1.2数控机床对位置检测装置的要求 《 机 床 数 控 技 术 与 系 统
数控机床对检测装置的要求主要有: (1)高可靠性和高抗干扰性; (2)满足精度和速度要求; (3)使用维护方便,适合机床运行环境; (4)成本低。对于不同类型的数控机床,因工作条件和检测 要求不同可以采用不同的检测方式。
第4章 数控机床的位置检测装置
《 机 床 数 控 技 术 与 系 统
书名:机床数控技术与系统 ISBN: 978-7-111-49014-2 作者:蒙斌 出版社:机械工业出版社 本书配有电子课件

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第4章 数控机床的位置检测装置
《 机 床 数 控 技 术 与 系 统
4.1概述 4.2光电编码器 4.3光栅尺 4.4直线感应同步器 4.5旋转变压器
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第4章 数控机床的位置检测装置
4.2.3信号的处理
《 机 床 数 控 技 术 与 系 统
A
A
B
B
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C
光电编码器正转时差动输出波形 A B 四倍频信号 四倍频信号的波形
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第4章 数控机床的位置检测装置
4.2.3信号的处理
《 机 床 数 控 技 术 与 系 统
1.位置检测元件的分类 作用:检测工作台的位置和速度的实际值,并向数控装置或 伺服装置发送反馈信号,从而构成闭环控制。 (1)直接测量和间接测量 直接测量:直线位移的检测,构成全闭环控制。 常用的测量元件有:光栅尺和直线感应同步器。 间接测量:通过测量电动机或丝杠旋转角度间接测量工作台 的直线位移,构成半闭环位置控制。 常用的测量元件有:光电编码器和旋转变压器。
图4.3 第一种工作方式的电路和波形 继续
A

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4.2.3信号的处理
《 机 床 数 控 技 术 与 系 统
光电脉冲编码器的输出信号 A,,B,经差分驱动传输进入 CNC装置,为A 相信号和 B相信号,该两相信号为本电路的输入脉冲。经整形和单稳后变成 A1 ,B1窄脉冲。正走时,A脉冲超前B脉冲,B方波和A1窄脉冲进入C―与非门”, A方波和B1窄脉冲进入D―与非门”,则C和D分别输出高电平和负脉冲。 这两个信号使由 l 、 2― 与非 门 ” 组 成 的 “ R-S‖ 触 发 器 置 “ 0‖ , ( 此时, Q 端输出“ 0‖ , 代表正方向 ) ,使 3― 与非门”输 出正走计数脉冲。反走时,B脉 冲超前 A 脉冲。 B , A1 和 A , B1 信号同样进入C, D门,但由于 其信号相位不同,使 C, D门分 别输出负脉冲和高电平,从而 将“ R-S‖ 触发器置“ 1‖(Q 端输 出“ 1‖ ,代表负方向 ) 、 3 门输 出反走计数脉冲。不论正走、 反走,与非门3都是计数脉冲输 出门、“R—S‖触发器的Q端输 出方向控制信号。 图4.4 第二种工作方式的电路和波形
4.2.1光电脉冲编码器的结构
光电脉冲编码器的结构如图 4.1所示,由圆盘形主光栅 《 和指示光栅、光源、光电接收元件、信号处理的印刷电路 机 板等组成。

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床 数 控 技 术 与 系 统
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第4章 数控机床的位置检测装置
《 机 床 数 控 技 术 与 系 统
在一个圆盘 ( 一般为真空镀膜的玻璃圆盘 ) 的圆周上刻有间距相等 的细密线纹,分为透明和不透明部分,称为圆盘形主光栅。主光栅与 转轴一起旋转。 在一个圆盘(一般为真空镀膜的玻璃圆盘)的圆周上刻 有间距相等的细密线纹,分为透明和不透明部分,称为圆盘形主光栅 。主光栅与转轴一起旋转。在主光栅刻线的圆周位置,与主光栅平行地放
置 一个固定的指示光栅,它是一小块扇 形薄片,其上刻有三个狭缝。其中两 个狭缝在同一圆周上相差 l / 4 节距 ( 称 为辨向狭缝),另外一个狭缝叫做零位 狭缝,主光栅转一周时,由此狭缝发 出一个脉冲。在主光栅和指示光栅两 边,与主光栅垂直的方向上固定安装 有光源、光电接收元件。此外,还有 用于信号处理的印刷电路板。光电脉 冲编码器通过十字连接头与伺服电机 相连,它的法兰盘固定在电机端面上 ,罩上防护罩,构成一个完整的检测 装置。
光电脉冲编码器的输出脉冲信号A、、B、经过差分驱动传输进入CNC装置 ,仍为 A相信号和 B相信号,如图中所示。 A、 B信号经整形后,变成规整的方 波。当光电脉冲编码器正转时,A相信号超前 B相信号,经过单稳电路变成d点 的窄脉冲,与B相反相后c点的信号进入“与”门,由e点输出正向计数脉冲,而 f 点由于在窄脉冲出现时,b点的信号为低电平,所以f点也保持低电平。 这时可逆计数器进行加计数 。当光电脉冲编码器反转时, B 相信号超前A相信号,在d点窄脉 冲出现时,因为 c 点是低电平, 所以 e 点保持低电平;而 f 点输出 窄脉冲,作为反向减计数脉冲。 这时可逆计数器进行减计数。这 样就实现了不同旋转方向时,数 字 脉 冲 由 不 同 通 道 输 出 , 图 4.3 第一种工作方式的电路和波形 分别进入可逆计数器做进一步的 误差处理工作。
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4.2.4光电编码器在数控机床中的应用 《 机 床 数 控 技 术 与 系 统
(1)位移测量 在数控机床中编码器和伺服电动机同轴连接 或连接在滚珠丝杠末端用于工作台和刀架的直线位移测量。 在数控回转工作台中,通过在回转轴末端安装编码器,可直 接测量回转工作台的角位移。 (2)主轴控制。当数控车床主轴安装有编码器后,则该主 轴具有C 轴插补功能,可实现主轴旋转与z 坐标轴进给的同 步控制;恒线速切削控制,即随着刀具的径向进给及切削直 径的逐渐减小或增大,通过提高或降低主轴转速,保持切削 线速度不变;主轴定向控制等。 (3)测速。光电编码器输出脉冲的频率与其转速成正比, 因此,光电编码器可代替测速发电机的模拟测速而成为数字 测速装置。 (4)编码器应用于交流伺服电动机控制中,用于转子位置 检测;提供速度和位置反馈信号。
标尺光栅
ω 指示光栅
b b b a
a
a b b b
W
a
a
a

莫尔条纹的产生
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4.3.2透射光栅的结构与莫尔条纹的产生原理 《 机 床 数 控 技 术 与 系 统
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。 由图4.16可知,在a线附近形成亮带,在b线附近形成暗 带。两个亮带(或暗带)间的距离称为莫尔条纹的纹距W, 它与两光栅尺刻线的夹角有关θ 有关。 莫尔条纹的纹距 W与栅距ω 的近似关系为: W= 当工作台移动一个栅距ω 时 ,莫尔条纹向上或向下移动一个 纹距W。
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