第3章數(shù)控機床的位置檢測

1、提提要要本章主要介紹本章主要介紹數(shù)控機床的位置檢測裝置數(shù)控機床的位置檢測裝置作用及分類，講解光柵尺和脈沖編碼器作用及分類，講解光柵尺和脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)、工作原理及其應(yīng)用。的結(jié)構(gòu)、工作原理及其應(yīng)用。學(xué)時：學(xué)時：2學(xué)時學(xué)時第三章第三章 數(shù)控機床的位置檢測數(shù)控機床的位置檢測目目標標v 掌握掌握光柵和脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)特點、工作原理光柵和脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)特點、工作原理 及應(yīng)用。及應(yīng)用。 v 了解了解數(shù)控機床的位置檢測裝置作用及類型。數(shù)控機床的位置檢測裝置作用及類型。第三章第三章 數(shù)控機床的位置檢測數(shù)控機床的位置檢測建建議議學(xué)生學(xué)習(xí)本章節(jié)，可結(jié)合數(shù)控中心的學(xué)生學(xué)習(xí)本章節(jié)，可結(jié)合數(shù)控中心的數(shù)控機床來了解光柵

2、和脈沖編碼器和數(shù)控機床來了解光柵和脈沖編碼器和等位置檢測裝置的結(jié)構(gòu)特點、工作原等位置檢測裝置的結(jié)構(gòu)特點、工作原理。理。第三章第三章 數(shù)控機床的位置檢測數(shù)控機床的位置檢測第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述 位置檢測裝置是位置檢測裝置是NCNC機床重要組成部分，在閉環(huán)系機床重要組成部分，在閉環(huán)系統(tǒng)中其主要作用是檢測位移量，并發(fā)出反饋信號與數(shù)統(tǒng)中其主要作用是檢測位移量，并發(fā)出反饋信號與數(shù)控裝置的指令信號比較，如有偏差，經(jīng)放大后控制執(zhí)控裝置的指令信號比較，如有偏差，經(jīng)放大后控制執(zhí)行部件，使其朝消除偏差方向運動，直至偏差為零。行部件，使其朝消除偏差方向運動，直至偏差為零。 為提高數(shù)控機床的加工精度，須提高檢測元件

3、和為提高數(shù)控機床的加工精度，須提高檢測元件和檢測系統(tǒng)的精度，不同類型數(shù)控機床，對檢測元件和檢測系統(tǒng)的精度，不同類型數(shù)控機床，對檢測元件和檢測系統(tǒng)的精度要求、允許的最高移動速度各不相同。檢測系統(tǒng)的精度要求、允許的最高移動速度各不相同。 一般要求檢測元件的分辨率在一般要求檢測元件的分辨率在0.00010.00010.01mm0.01mm之之內(nèi)、測量精度為內(nèi)、測量精度為0.0010.0010.02mm/m,0.02mm/m,運動速度為運動速度為0 0 24m/min24m/min。一、位置檢測裝置的要求一、位置檢測裝置的要求數(shù)控機床對位置檢測裝置的要求：數(shù)控機床對位置檢測裝置的要求：l檢測元件是數(shù)控

4、機床伺服系統(tǒng)的重要組成部分。它的檢測元件是數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的重要組成部分。它的作用是檢測位移，發(fā)送反饋信號，構(gòu)成閉環(huán)控制。作用是檢測位移，發(fā)送反饋信號，構(gòu)成閉環(huán)控制。l數(shù)控機床的運動精度主要由檢測系統(tǒng)的精度決定。數(shù)控機床的運動精度主要由檢測系統(tǒng)的精度決定。l位移檢測系統(tǒng)能夠測量的最小位移量稱為分辨率。位移檢測系統(tǒng)能夠測量的最小位移量稱為分辨率。l分辨率不僅取決于檢測元件本身，也取決于測量線路分辨率不僅取決于檢測元件本身，也取決于測量線路。在設(shè)計數(shù)控機床，尤其是高精度或大中型數(shù)控機床。在設(shè)計數(shù)控機床，尤其是高精度或大中型數(shù)控機床時，必須選用檢測元件。時，必須選用檢測元件。二、位置檢測裝置的分類二

5、、位置檢測裝置的分類從檢測的從檢測的信號分信號分 直線型直線型回轉(zhuǎn)型回轉(zhuǎn)型 從傳感器從傳感器輸出信號分輸出信號分 模擬式模擬式 數(shù)字式數(shù)字式 2 2檢測傳感器分類檢測傳感器分類直線感應(yīng)同步器、長光柵、直線感應(yīng)同步器、長光柵、 長磁柵、激光干涉儀長磁柵、激光干涉儀旋轉(zhuǎn)變壓器、圓感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器、圓感應(yīng)同步器、圓光柵、圓磁柵、編碼盤圓光柵、圓磁柵、編碼盤光柵檢測裝置、脈沖編碼盤光柵檢測裝置、脈沖編碼盤旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器抗干擾能力強，對環(huán)境要求低，維護簡單、抗干擾能力強，對環(huán)境要求低，維護簡單、價格低，壽命較長，具有一定精度、應(yīng)用較廣。價格低，壽

6、命較長，具有一定精度、應(yīng)用較廣。 光柵光柵抗干擾能力強，高分辨率、大量程、測量精度高、抗干擾能力強，高分辨率、大量程、測量精度高、應(yīng)用廣泛，但成本較高，制造工藝要求高。應(yīng)用廣泛，但成本較高，制造工藝要求高。 磁柵磁柵抗干擾能力強，對環(huán)境條件要求低，安裝調(diào)整方便，抗干擾能力強，對環(huán)境條件要求低，安裝調(diào)整方便，精度高，但存在磁信號的穩(wěn)定性，磁頭磨損等問題。精度高，但存在磁信號的穩(wěn)定性，磁頭磨損等問題。 3 3檢測元件的特點檢測元件的特點 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器抗干擾能力強、工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強、工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、動作靈敏、信號輸出幅度大，對環(huán)境無特殊要求，維護方便，動作靈敏、信號輸出幅

7、度大，對環(huán)境無特殊要求，維護方便，應(yīng)用廣泛。應(yīng)用廣泛。 脈沖編碼盤脈沖編碼盤工作可靠、精度高，結(jié)構(gòu)緊湊、成本低，工作可靠、精度高，結(jié)構(gòu)緊湊、成本低，是精密數(shù)字控制和伺服系統(tǒng)中常用的角位移數(shù)字式檢測元是精密數(shù)字控制和伺服系統(tǒng)中常用的角位移數(shù)字式檢測元器件，但抗污染能力差，易損壞。器件，但抗污染能力差，易損壞。 激光干涉儀激光干涉儀精度很高，但抗震性、抗干擾能力差，精度很高，但抗震性、抗干擾能力差，價格較貴，應(yīng)用較少。價格較貴，應(yīng)用較少。 l不同類型不同類型NCNC機床對檢測系統(tǒng)要求不同。大型數(shù)機床對檢測系統(tǒng)要求不同。大型數(shù)控機床要求速度響應(yīng)高，中型和高精度數(shù)控機控機床要求速度響應(yīng)高，中型和高精度

8、數(shù)控機床以滿足精度要求為主。測量系統(tǒng)分辨率一般床以滿足精度要求為主。測量系統(tǒng)分辨率一般要求比加工精度高一個數(shù)量級。要求比加工精度高一個數(shù)量級。l直接測量直接測量-對機床直線位移采用直線型檢測元對機床直線位移采用直線型檢測元件測量，其測量精度取決于測量元件精度，不件測量，其測量精度取決于測量元件精度，不受機床傳動精度的影響。受機床傳動精度的影響。l間接測量間接測量-對機床直線位移采用回轉(zhuǎn)型檢測元對機床直線位移采用回轉(zhuǎn)型檢測元件測量，測量精度取決于測量元件和機床傳動件測量，測量精度取決于測量元件和機床傳動鏈兩者的精度。為提高定位精度，常需對機床鏈兩者的精度。為提高定位精度，常需對機床傳動誤差進行補

9、償。傳動誤差進行補償。二、位置檢測裝置的分類二、位置檢測裝置的分類分分 類類 增增 量量 式式 絕絕 對對 式式 位移位移傳感器傳感器 回轉(zhuǎn)型回轉(zhuǎn)型脈沖編碼器、脈沖編碼器、自整角機、旋轉(zhuǎn)變壓器、圓自整角機、旋轉(zhuǎn)變壓器、圓感應(yīng)同步器、光柵角度傳感感應(yīng)同步器、光柵角度傳感器、圓光柵、圓磁柵器、圓光柵、圓磁柵 多極旋轉(zhuǎn)變壓器、多極旋轉(zhuǎn)變壓器、絕對脈沖編碼器、絕對絕對脈沖編碼器、絕對值式光柵、三速圓感應(yīng)值式光柵、三速圓感應(yīng)同步器、磁阻式多極旋同步器、磁阻式多極旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)變壓器 直線型直線型直線應(yīng)同步器直線應(yīng)同步器 、光柵尺、磁柵尺、激光干、光柵尺、磁柵尺、激光干涉儀、霍耳位置傳感器涉儀、霍耳位置傳感

10、器 三速感應(yīng)同步器、三速感應(yīng)同步器、絕對值磁尺、光電編碼絕對值磁尺、光電編碼尺、磁性編碼器尺、磁性編碼器 速度速度傳感器傳感器 交、直流測速發(fā)電機、交、直流測速發(fā)電機、 數(shù)字脈編碼式速度傳感器、數(shù)字脈編碼式速度傳感器、霍耳速度傳感器霍耳速度傳感器 速度速度角度傳感器角度傳感器、數(shù)字電磁、磁敏式速、數(shù)字電磁、磁敏式速度傳感器度傳感器 電流電流傳感器傳感器 霍耳電流傳感器霍耳電流傳感器 測量方式測量方式將檢測裝置直接安在執(zhí)行部件上，如光柵，將檢測裝置直接安在執(zhí)行部件上，如光柵，感應(yīng)同步器用于直接測量工作臺直線位移。感應(yīng)同步器用于直接測量工作臺直線位移。將檢測裝置安在滾珠絲杠或驅(qū)動電機軸上，將檢測裝

11、置安在滾珠絲杠或驅(qū)動電機軸上，通過檢測轉(zhuǎn)動件的角位移來間接測量執(zhí)行部通過檢測轉(zhuǎn)動件的角位移來間接測量執(zhí)行部件的直線位移。件的直線位移。將被測量以數(shù)字形式表示，測量量一般為將被測量以數(shù)字形式表示，測量量一般為電脈沖。電脈沖。將被測的量以連續(xù)變量表示，如電壓變化、將被測的量以連續(xù)變量表示，如電壓變化、相位變化等。主要用于小量程測量。相位變化等。主要用于小量程測量。只測位移量，如測量單位為只測位移量，如測量單位為0.01 mm,0.01 mm,則每移動則每移動0.01mm0.01mm就發(fā)出一個脈沖信號。就發(fā)出一個脈沖信號。被測量的任意一點位置均由固定的零點標起，被測量的任意一點位置均由固定的零點標起

12、，每一個被測點都有一個相應(yīng)的測量值。每一個被測點都有一個相應(yīng)的測量值。同步分解器同步分解器圓感應(yīng)分解器圓感應(yīng)分解器磁盤磁盤位置檢位置檢測裝置測裝置多級同步分解器多級同步分解器同步分解器組件同步分解器組件三重式圓感應(yīng)同步器三重式圓感應(yīng)同步器光電盤光電盤圓光柵圓光柵數(shù)碼盤數(shù)碼盤測角測角測長測長增量式增量式絕對式絕對式數(shù)字式數(shù)字式模擬式模擬式增量式增量式絕對式絕對式增量式增量式絕對式絕對式數(shù)字式數(shù)字式模擬式模擬式增量式增量式絕對式絕對式直線感應(yīng)分解器直線感應(yīng)分解器磁尺磁尺長光柵長光柵多通道透射光柵多通道透射光柵多重式直線感應(yīng)同步器多重式直線感應(yīng)同步器 光柵是閉環(huán)系統(tǒng)中用得比較多的檢測裝置，可用作光柵

13、是閉環(huán)系統(tǒng)中用得比較多的檢測裝置，可用作直線位移和轉(zhuǎn)角的檢測直線位移和轉(zhuǎn)角的檢測。l光柵有光柵有透射光柵透射光柵和和反射光柵反射光柵兩類。兩類。l透射光柵透射光柵 在透明玻璃片上刻有平行等距的密集線條，常用在透明玻璃片上刻有平行等距的密集線條，常用的有的有5050線線/ /毫米、毫米、l00l00線線/ /毫米和毫米和200200線線/ /毫米毫米( (指直線光柵指直線光柵) )。其特點是光源可采用垂直入射光，光電元件能直接接受，其特點是光源可采用垂直入射光，光電元件能直接接受，因此信號幅值較大，信噪比好，讀數(shù)頭的結(jié)構(gòu)簡單。因此信號幅值較大，信噪比好，讀數(shù)頭的結(jié)構(gòu)簡單。l反射光柵反射光柵 在金

14、屬鏡面上制成全反射或漫反射平行等距的密在金屬鏡面上制成全反射或漫反射平行等距的密集線條，常用的材料有鋼或鋁等，其每毫米刻線數(shù)有集線條，常用的材料有鋼或鋁等，其每毫米刻線數(shù)有4 4、1010、2525、4040、5050，甚至有，甚至有600600線，因此可以得到很高的精度，線，因此可以得到很高的精度，且長度不受限制。且長度不受限制。 包括標尺光柵和指示光柵包括標尺光柵和指示光柵. .根據(jù)制造方法和光學(xué)原理不同，光柵可分為透射光柵和反射光柵根據(jù)制造方法和光學(xué)原理不同，光柵可分為透射光柵和反射光柵. . 透射光柵是在光學(xué)玻璃表面，或在玻璃表面感光材料的涂層透射光柵是在光學(xué)玻璃表面，或在玻璃表面感光

15、材料的涂層上刻成光柵線紋。其特點是上刻成光柵線紋。其特點是: : 光源可以垂直入射，光電元件直接接受光照，因此信號幅光源可以垂直入射，光電元件直接接受光照，因此信號幅值比較大，信噪比好，光電密度為值比較大，信噪比好，光電密度為200200線線/mm/mm時，光柵本身就已時，光柵本身就已經(jīng)細分到經(jīng)細分到0.005mm0.005mm從而減輕了電子線路的負擔。從而減輕了電子線路的負擔。光光源源透透鏡鏡標標尺尺光光柵柵G Gs s指指示示光光柵柵G Gi i光光電電元元件件驅(qū)驅(qū)動動電電路路驅(qū)驅(qū)動動電電路路l光柵又可分為光柵又可分為直線光柵直線光柵和和圓盤光柵圓盤光柵l直線光柵是測量直線位移，直線光柵是

16、測量直線位移，l圓盤光柵是測量角位移。圓盤光柵簡稱圓盤光柵是測量角位移。圓盤光柵簡稱圓光柵，其刻線呈輻射狀，在一圓周內(nèi)圓光柵，其刻線呈輻射狀，在一圓周內(nèi)的等距線紋數(shù)有三種形式：的等距線紋數(shù)有三種形式：6060進制進制(10800(10800，2160021600，3240032400，6480064800等線紋數(shù)等線紋數(shù)) )、1010進制進制(1000(1000，25002500，50005000等線紋數(shù)等線紋數(shù)) )、2 2進制進制(512(512，10241024，20482048等線紋數(shù)等線紋數(shù)) )，視需要而選擇。視需要而選擇。pW 光柵結(jié)構(gòu)：光柵結(jié)構(gòu)： 1.1.標尺光柵、標尺光柵、

17、 2.2.指示光指示光柵、柵、3 3.光電元件、光電元件、4.4.光源。光源。 光柵檢測裝置的結(jié)構(gòu)光柵檢測裝置的結(jié)構(gòu)光光源源透透鏡鏡標標尺尺光光柵柵G Gs s指指示示光光柵柵G Gi i光光電電元元件件驅(qū)驅(qū)動動電電路路驅(qū)驅(qū)動動電電路路執(zhí)行部件帶著標尺光柵相對指示光柵移動，通過讀數(shù)頭的光執(zhí)行部件帶著標尺光柵相對指示光柵移動，通過讀數(shù)頭的光電轉(zhuǎn)換，發(fā)送出與位移量對應(yīng)的數(shù)字脈沖信號，用作位置反電轉(zhuǎn)換，發(fā)送出與位移量對應(yīng)的數(shù)字脈沖信號，用作位置反饋信號或位置顯示信號饋信號或位置顯示信號 原理原理 1 1）指示光柵與標尺光柵刻度等寬。）指示光柵與標尺光柵刻度等寬。2 2）平行裝配，且無摩擦）平行裝配，

18、且無摩擦3 3）兩尺條紋之間有一定夾角）兩尺條紋之間有一定夾角4 4）當指示光柵與標尺光柵相對運動時，會產(chǎn)生與光柵線）當指示光柵與標尺光柵相對運動時，會產(chǎn)生與光柵線垂直的橫向的條紋，該條紋為莫爾條紋，當移動一個柵垂直的橫向的條紋，該條紋為莫爾條紋，當移動一個柵距時，摩爾條紋也移動一個紋距距時，摩爾條紋也移動一個紋距 標尺光柵莫爾條紋莫爾條紋應(yīng)用較多的干涉條紋式光柵，是利用光的應(yīng)用較多的干涉條紋式光柵，是利用光的衍射現(xiàn)象產(chǎn)生莫爾干涉條紋。當兩片光柵衍射現(xiàn)象產(chǎn)生莫爾干涉條紋。當兩片光柵互相平行，其刻線相互成一小角度互相平行，其刻線相互成一小角度時，時，兩光柵有相對運動就會生明暗相間的干涉兩光柵有相

19、對運動就會生明暗相間的干涉條紋，將光源來的光經(jīng)透鏡變成平行光，條紋，將光源來的光經(jīng)透鏡變成平行光，垂直照射在光柵上，經(jīng)狹縫垂直照射在光柵上，經(jīng)狹縫s s和透鏡由光和透鏡由光電元件接受，即可得到與位移成比例的電電元件接受，即可得到與位移成比例的電信號。信號。當當d =0.01mmd =0.01mm，( (l00l00線線/ /毫米毫米)=0.01)=0.01弧度，紋距弧度，紋距W=1mmW=1mm，即利用擋光效應(yīng)，可把光柵線距轉(zhuǎn)換成放大，即利用擋光效應(yīng)，可把光柵線距轉(zhuǎn)換成放大100100倍的摩倍的摩爾條紋的寬度。爾條紋的寬度。表明莫爾條紋的節(jié)距是柵距的表明莫爾條紋的節(jié)距是柵距的1 1倍。倍。(1

20、)(1)干涉條紋方向與干涉條紋方向與標尺光柵的刻線幾標尺光柵的刻線幾乎垂直。乎垂直。(2)(2)放大作用放大作用: :用用W W（mmmm）表示莫爾條）表示莫爾條紋的寬度，紋的寬度，d(mm)d(mm)表示柵距，表示柵距，(rad)(rad)為光柵線紋之間的為光柵線紋之間的夾角。夾角。ddWsind d標尺光柵標尺光柵指示光柵指示光柵光柵節(jié)距光柵節(jié)距摩爾條紋節(jié)距摩爾條紋節(jié)距 作用：作用： 放大作用放大作用誤差均化作用誤差均化作用 測量位移測量位移W W光柵傾角光柵傾角(3)(3)誤差均化作用誤差均化作用：摩爾條紋是由許多根刻線共同形成的，摩爾條紋是由許多根刻線共同形成的，這樣可使光柵的節(jié)距誤差

21、得到平均化。這樣可使光柵的節(jié)距誤差得到平均化。(4) (4) 信息變換作用：摩爾條紋的移動與柵距之間的移動成比信息變換作用：摩爾條紋的移動與柵距之間的移動成比例。當兩個光柵相對移動一個柵距例。當兩個光柵相對移動一個柵距d d時，摩爾時，摩爾條紋相應(yīng)地移條紋相應(yīng)地移動一個紋距動一個紋距W W，因此兩者的移動是對應(yīng)的，這樣便于記數(shù)；，因此兩者的移動是對應(yīng)的，這樣便于記數(shù)；標尺光柵移動的方向相反，干涉條紋移動的方向也反向。標尺光柵移動的方向相反，干涉條紋移動的方向也反向。 (5) (5) 光強分布規(guī)律：當用平行光束照射光柵時，就形成明光強分布規(guī)律：當用平行光束照射光柵時，就形成明暗相間的摩爾條紋。其

22、由暗紋到亮紋的光強分布近似余弦函暗相間的摩爾條紋。其由暗紋到亮紋的光強分布近似余弦函數(shù)。數(shù)。 三、應(yīng)用（光柵位移數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)）三、應(yīng)用（光柵位移數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)） 當光柵移動一個柵距，莫爾條紋便移動一當光柵移動一個柵距，莫爾條紋便移動一個條紋寬度，假定開辟一小窗口觀察莫爾條紋個條紋寬度，假定開辟一小窗口觀察莫爾條紋的變化情況，可發(fā)現(xiàn)它在移動一個柵距期間明的變化情況，可發(fā)現(xiàn)它在移動一個柵距期間明暗變化了一個周期。暗變化了一個周期。 理論上光柵亮度變化是一個三角波形，但理論上光柵亮度變化是一個三角波形，但由于漏光和不能達到最大亮度，被削頂削底后由于漏光和不能達到最大亮度，被削頂削底后而近似一個正弦波（

23、見圖而近似一個正弦波（見圖3-43-4）。硅光電池將。硅光電池將近似正弦波的光強信號變?yōu)橥l率的電壓信號近似正弦波的光強信號變?yōu)橥l率的電壓信號（見圖（見圖3-53-5），），經(jīng)光柵位移經(jīng)光柵位移數(shù)字變換電路放大、整形、微數(shù)字變換電路放大、整形、微分輸出脈沖。每產(chǎn)生一個脈沖，就代表移動了分輸出脈沖。每產(chǎn)生一個脈沖，就代表移動了一個柵距那么大的位移，通過對脈沖計數(shù)便可一個柵距那么大的位移，通過對脈沖計數(shù)便可得到工作臺的移動距離。得到工作臺的移動距離。 O亮度電壓圖3-4光柵的實際亮度變化圖3-5光柵的輸出波形圖光柵位移O光柵位移 光柵測量系統(tǒng)光柵測量系統(tǒng)P1P2P3P4指示光柵標尺光柵硅光電池聚

24、光鏡光源 光柵測量系光柵測量系統(tǒng)由光源、統(tǒng)由光源、聚光鏡、光聚光鏡、光柵尺、光電柵尺、光電元件和驅(qū)動元件和驅(qū)動線路組成。線路組成。l將明暗相間的干涉將明暗相間的干涉條紋用光電元件接條紋用光電元件接收后，經(jīng)過放大、收后，經(jīng)過放大、整形、微分變成脈整形、微分變成脈沖信號，即可用來沖信號，即可用來測量位移量，如右測量位移量，如右圖?？梢妶D。可見每個線距每個線距可以發(fā)兩個脈沖信可以發(fā)兩個脈沖信號號。 根據(jù)摩爾條紋的上述特點，可在摩爾根據(jù)摩爾條紋的上述特點，可在摩爾條紋的移動方向上開設(shè)條紋的移動方向上開設(shè)4 4個窗口個窗口P1P1，P2P2，P3P3，P4P4，并且使這并且使這4 4個窗口兩兩相距個窗口

25、兩兩相距1/41/4摩爾條紋寬度摩爾條紋寬度(W/4),(W/4),可從這可從這4 4個觀個觀察窗口進行：察窗口進行：l機床移動部件的位移檢測；機床移動部件的位移檢測；l確定移動部件的方向；確定移動部件的方向；l確定移動速度。確定移動速度。標尺光柵安裝在機床移動部件上，光柵讀標尺光柵安裝在機床移動部件上，光柵讀數(shù)頭安裝在機床固定部件。按摩爾條紋特數(shù)頭安裝在機床固定部件。按摩爾條紋特點，當標尺光柵移動一個柵距時，摩爾條點，當標尺光柵移動一個柵距時，摩爾條紋移動一個摩爾條紋寬度，即透過任一個紋移動一個摩爾條紋寬度，即透過任一個窗口的光強變化一個周期。透過觀察窗口窗口的光強變化一個周期。透過觀察窗口

26、透過的光強變化的周期數(shù)確定標尺光柵移透過的光強變化的周期數(shù)確定標尺光柵移動了一個柵距，測得機床移動部件位移。動了一個柵距，測得機床移動部件位移。 從觀察窗口從觀察窗口P1P1，P2P2，P3P3，P4P4，可以得到，可以得到4 4個在相位上個在相位上依次超前或滯后依次超前或滯后1/41/4周期的近似余弦函數(shù)的光強變化過周期的近似余弦函數(shù)的光強變化過程。當標尺光柵沿著一個方向移動時，可得到程。當標尺光柵沿著一個方向移動時，可得到4 4個光強個光強信號，信號，P1P1滯后滯后P2 /2,P2 /2,當摩爾條紋反向移動時，當摩爾條紋反向移動時，4 4個光強變化為個光強變化為P1P1超前超前P2 /2

27、, P2P2 /2, P2超前超前P3 /2, ,P3 /2, ,可可以斷定標尺光標沿反向移動。從以斷定標尺光標沿反向移動。從4 4個觀察窗口得到光強個觀察窗口得到光強度變化的相互超前或滯后關(guān)系可確定機床移動部件的度變化的相互超前或滯后關(guān)系可確定機床移動部件的移動方向。移動方向。 根據(jù)摩爾條紋的特點，根據(jù)摩爾條紋的特點，標尺光柵的移動位標尺光柵的移動位移與摩爾條紋的移動位移成比例。因此，標移與摩爾條紋的移動位移成比例。因此，標尺光柵的移動速度和摩爾條紋的移動速度相尺光柵的移動速度和摩爾條紋的移動速度相一致一致，也與觀察窗口的光強變化頻率相對應(yīng)，也與觀察窗口的光強變化頻率相對應(yīng)?？筛鶕?jù)透過觀察窗

28、口的光強變化頻率來確?？筛鶕?jù)透過觀察窗口的光強變化頻率來確定標尺光柵的移動速度，得到機床移動部件定標尺光柵的移動速度，得到機床移動部件的移動速度。的移動速度。 增加線紋密度，能提高光柵檢測裝置精度增加線紋密度，能提高光柵檢測裝置精度，但制造較困難，成本高。實際應(yīng)用中，既要，但制造較困難，成本高。實際應(yīng)用中，既要提高測量精度，同時又能達到自動辨向的目的提高測量精度，同時又能達到自動辨向的目的，通常采用倍頻或細分的方法來提高光柵的分，通常采用倍頻或細分的方法來提高光柵的分辨精度，辨精度， 如果在莫爾條紋的寬度內(nèi)，放置四個光電如果在莫爾條紋的寬度內(nèi)，放置四個光電元件，每隔元件，每隔1/41/4光柵柵

29、距產(chǎn)生一個脈沖，一個脈光柵柵距產(chǎn)生一個脈沖，一個脈沖代表移動了沖代表移動了1/41/4柵距的位移，分辨精度可提高柵距的位移，分辨精度可提高四倍，即四倍頻方案。四倍，即四倍頻方案。 莫爾條紋細分技術(shù)：光學(xué)細分、機械細分和電子細分莫爾條紋細分技術(shù)：光學(xué)細分、機械細分和電子細分 abcd插動放大插動放大整形整形方向辨別門電路可逆計數(shù)正脈沖反脈沖abcd插動放大插動放大(sin)(cos)整形整形反向反向微分微分微分微分ABCDACBDY1Y2Y3Y4Y8Y5Y6Y7H1H2正向脈沖反向脈沖sincosABCDABCD相加ABCD相加正走反走 a) 原理電路圖 Y6微分微分微分整形P1P2P4P3差動

30、放大器差動放 大器整形反相反相Y1Y2Y3Y4Y5Y7Y8微分BADC或門H1或門H2與門- sin cos A B C D A B C D 正向 相加AB+AD+CD+BC 反向 相加BC+CD+AD+AB b) b) 波形圖波形圖 圖圖3-7 3-7 四倍頻辨向電路四倍頻辨向電路 l精度比較高。一是光柵本身線紋的精度就很高；二是由精度比較高。一是光柵本身線紋的精度就很高；二是由于干涉條紋是由許多線紋所組成，因此有誤差平均的作于干涉條紋是由許多線紋所組成，因此有誤差平均的作用。又由于采用倍頻線路，分辨率較高。因此多用于精用。又由于采用倍頻線路，分辨率較高。因此多用于精密位移測量。密位移測量。

31、l對于直線位移的檢查，若長度大于對于直線位移的檢查，若長度大于2m2m，可采用透射光柵，可采用透射光柵接長的辦法，但技術(shù)上困難些。接長的辦法，但技術(shù)上困難些。 l對環(huán)境的要求較高，要用保護罩防塵、防液，且不能振對環(huán)境的要求較高，要用保護罩防塵、防液，且不能振動，因此其維護保養(yǎng)極為重要。動，因此其維護保養(yǎng)極為重要。l制造上需要精密設(shè)備，價格較貴。制造上需要精密設(shè)備，價格較貴。 脈沖編碼器又稱碼盤，是一種回轉(zhuǎn)式數(shù)字測量元件，脈沖編碼器又稱碼盤，是一種回轉(zhuǎn)式數(shù)字測量元件，通常裝在被檢測軸上，隨被測軸一起轉(zhuǎn)動，通常裝在被檢測軸上，隨被測軸一起轉(zhuǎn)動，可將被測軸的可將被測軸的角位移轉(zhuǎn)換為增量脈沖形式或絕對

32、式的代碼形式。角位移轉(zhuǎn)換為增量脈沖形式或絕對式的代碼形式。 根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式碼盤可分為接觸式、光電式根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式碼盤可分為接觸式、光電式和電磁式三種。其中，光電碼盤在數(shù)控機床上應(yīng)用較多，和電磁式三種。其中，光電碼盤在數(shù)控機床上應(yīng)用較多，而由霍爾效應(yīng)構(gòu)成的電磁碼盤則可用作速度檢測元件。而由霍爾效應(yīng)構(gòu)成的電磁碼盤則可用作速度檢測元件。光電編碼器的構(gòu)成光電編碼器的構(gòu)成 光源、指示光柵、圓光源、指示光柵、圓光柵、光電元件。光柵、光電元件。脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，能把機械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，可作為位能把機械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，可作為位置檢測和速度檢測裝

33、置。置檢測和速度檢測裝置。脈沖編碼器是一種增量檢測裝置，它脈沖編碼器是一種增量檢測裝置，它的型號是由每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)來區(qū)分。的型號是由每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)來區(qū)分。2000P/r2000P/r、2500 P/r2500 P/r和和3000 P/r3000 P/r等；等；1234567圖圖3-8 3-8 光電脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)光電脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)1-1-光源光源 2-2-圓光柵圓光柵 3-3-指示光柵指示光柵 4-4-光光電池組電池組 5-5-機械部件機械部件 6-6-護罩護罩 7-7-印刷印刷電路板電路板 一、絕對式編碼器 絕對式編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式檢測裝置，可直接把被測轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來，且每一個

34、角度位置均有其對應(yīng)的測量代碼，它能表示絕對位置，沒有累積誤差，電源切除后，位置信息不丟失，仍能讀出轉(zhuǎn)動角度。q 結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理l 碼盤基片上有多圈碼道，碼盤基片上有多圈碼道，且每碼道的刻線數(shù)相等；且每碼道的刻線數(shù)相等；l對應(yīng)每圈都有光電傳感器；對應(yīng)每圈都有光電傳感器；l輸出信號的路數(shù)與碼盤圈數(shù)輸出信號的路數(shù)與碼盤圈數(shù)成正比；成正比；l檢測信號按某種規(guī)律編碼輸檢測信號按某種規(guī)律編碼輸出，故可測得被測軸的周向出，故可測得被測軸的周向絕對位置。絕對位置。2 23 32 22 2212 20 0 圖3-9 四位二進制編碼盤 當檢測對象帶動碼盤一起轉(zhuǎn)動時，電刷和碼盤的相對位置發(fā)生變化，與電

35、刷串聯(lián)的電阻將會出現(xiàn)有電流通過或沒有電流通過兩種情況。若回路中的電阻上有電流通過，為“1”；反之，電刷接觸的是絕緣區(qū)，電阻上無電流通過，為“0”。如果碼盤順時針轉(zhuǎn)動，就可依次得到按規(guī)定編碼的數(shù)字信號輸出，圖示為4位二進制碼盤，根據(jù)電刷位置得到由“1”和“0”組成的二進制碼，輸出為0000、0001、00101111。 由圖3-9可看出，碼道的圈數(shù)就是二進制的位數(shù)，且高位在內(nèi)，低位在外。其分辨角360o/24=22.5o，若是n位二進制碼盤，就有n圈碼道，分辨角360o/2n，碼盤位數(shù)越大，所能分辨的角度越小，測量精度越高。 用二進制代碼做的碼盤，如果電刷安裝不準，會使得個別電刷錯位，而出現(xiàn)很大

36、的數(shù)值誤差。如圖3-10，當電刷由位置0111向1000過渡時，可能會出現(xiàn)從8（1000）到15（1111）之間的讀數(shù)誤差，一般稱這種誤差為非單值性誤差。為消除這種誤差，可采用葛萊碼盤。 10001111232221201000 1 3 2 6 7 412 13 14 15 10 11 90000 5 000010011001001100111010110011011101011101111110101001100 8圖3-11葛萊碼盤圖3-10四位二進制碼盤非單值性誤差 圖3-11為葛萊碼盤，其各碼道的數(shù)碼不同時改變，任何兩個相鄰數(shù)碼間只有一位是變化的，每次只切換一位數(shù)，把誤差控制在最小范圍

37、內(nèi)。 二進制碼轉(zhuǎn)換成葛萊碼的法則是：將二進制碼右移一位并舍去末位的數(shù)碼，再與二進制數(shù)碼作不進位加法，結(jié)果即為葛萊碼。 例如，二進制碼1101對應(yīng)的葛萊碼為1011，其演算過程如下： 1101 （二進制碼） 1101 （不進位相加，舍去末位） 1011 （葛萊碼）q 絕對編碼盤的編碼方式及特點絕對編碼盤的編碼方式及特點l 二進制編碼：二進制編碼： 特點：編碼循序與位置循序相特點：編碼循序與位置循序相一致，但可能產(chǎn)生非單值性誤一致，但可能產(chǎn)生非單值性誤差。差。 誤差分析：誤差分析： 1111232221201000l 格雷碼（循環(huán)碼、葛萊碼）格雷碼（循環(huán)碼、葛萊碼）特點：任何兩個編碼之間只有特點：任何兩個編碼之間只有一位是變化的，因而可