第3章數(shù)控位置檢測(cè)裝置

1、第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 第3章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置3.1 3.1 概述概述 3.2 3.2 旋轉(zhuǎn)變旋轉(zhuǎn)變壓器壓器3.3 3.3 光柵尺光柵尺3.4 3.4 旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)編碼器3.5 3.5 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器3.6 3.6 磁柵磁柵3.7 3.7 激光干涉儀激光干涉儀第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 3.1 3.1 概概 述述3.1.1數(shù)控機(jī)床對(duì)位置檢測(cè)裝置的要求數(shù)控機(jī)床對(duì)位置檢測(cè)裝置的要求耐油污、潮濕、灰塵，溫度穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)。足夠的精度和檢測(cè)速度。直線位移檢測(cè)分辨率0.0010.01mm，精度0.0010.02mmm，速度24m/min

2、；回轉(zhuǎn)角位移分辨率2左右，精度10/360。安裝維護(hù)方便，成本低廉。如旋轉(zhuǎn)編碼器、光柵尺、感應(yīng)同步器等都是數(shù)控機(jī)床常用的位置檢測(cè)裝置。第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 3.1.2位置檢測(cè)裝置的分類位置檢測(cè)裝置的分類按運(yùn)動(dòng)形式分類直線型：用于直線位移測(cè)量回轉(zhuǎn)型：用與角位移測(cè)量按測(cè)量基準(zhǔn)分類絕對(duì)值式：用于直線位移測(cè)量增量式：用與角位移測(cè)量按安裝位置分類直接測(cè)量間接測(cè)量第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 3.1.2位置檢測(cè)裝置的分類位置檢測(cè)裝置的分類增 量 式絕 對(duì) 式回轉(zhuǎn)型 旋轉(zhuǎn)編碼器、圓光柵，旋轉(zhuǎn)變壓器、圓感應(yīng)同步器、圓形磁尺絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器，多極旋轉(zhuǎn)變壓器三速圓型

3、感應(yīng)同步器直線型 光柵尺、直線型感應(yīng)同步器、磁尺，激光干涉儀編碼尺、多通道投射光柵，三速直線型感應(yīng)同步器、絕對(duì)式磁尺 常用位置檢測(cè)元件第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 3.1.3位置檢測(cè)裝置的性能指標(biāo)位置檢測(cè)裝置的性能指標(biāo)精度：檢測(cè)輸出值與實(shí)際位置的符合程度。分辨率：可分辨的最小刻度值，一般按加工精度的13110選取檢測(cè)裝置的分辨率。靈敏度：檢測(cè)輸出值隨實(shí)際位置變化的及時(shí)程度。遲滯：同一實(shí)際位置，正行程與反行程的檢測(cè)輸出結(jié)果不一致的現(xiàn)象，稱為遲滯，遲滯越小越好。測(cè)量范圍和量程：測(cè)量范圍要滿足系統(tǒng)的要求，并留有余地。零漂與溫漂：測(cè)量精度隨時(shí)間和溫度的變化而變化的現(xiàn)象。第第3 3章

4、章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 3.2 旋轉(zhuǎn)變壓器 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種角位移測(cè)量元件，外形如圖所示。結(jié)構(gòu)與兩相繞線式異步電動(dòng)機(jī)相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成，根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組引出方式不同，分為有刷和無(wú)刷兩種結(jié)構(gòu)形式。(a) 旋轉(zhuǎn)變壓器外形圖 (b)有刷旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)圖 (c) 無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)圖圖3.1 旋轉(zhuǎn)變壓器外形結(jié)構(gòu)圖第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 3.2 旋轉(zhuǎn)變壓器有刷旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)如圖3.1(b)所示，定子與轉(zhuǎn)子上均為兩相交流分布繞組，二相繞組軸線相互垂直，轉(zhuǎn)子繞組的端點(diǎn)通過(guò)電刷和滑環(huán)引出，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，但因電刷與滑環(huán)是機(jī)械滑動(dòng)接觸，所以這種結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)變壓器可靠性差，

5、使用壽命較短。無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)如圖3.1(c)所示，它沒(méi)有電刷與滑環(huán)，由兩大部分組成，一部分是旋轉(zhuǎn)變壓器本體，也叫分解器；另一部分是附加變壓器。無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器具有可靠性高，使用壽命長(zhǎng)，但其體積、重量和成本均有所增加。第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 3.2.1旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種輸出電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化的信號(hào)元件。當(dāng)給勵(lì)磁繞組加上一定頻率的交流勵(lì)磁電壓時(shí)，通過(guò)定子與轉(zhuǎn)子之間的電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感動(dòng)電動(dòng)勢(shì)的幅值大小與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)。 如圖3.2所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組的磁軸與定子繞組的磁軸垂直時(shí)，電磁耦合度為零，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也為零；二

6、者的磁軸平行時(shí)，電磁耦合度最大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值也最大。第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 圖3.2 旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 由于旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子之間的磁通分布符合正弦規(guī)律，因此在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角度呈正弦規(guī)律變化，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)角度為時(shí)，空載時(shí)轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓為sinsinsin1122tkUkueum式中：k 為傳輸比；u1 為定子交流勵(lì)磁電壓；U1m為定子勵(lì)磁電壓幅值。 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 3.2.2旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)

7、用在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用的是正弦、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器,它有兩個(gè)互相垂直的轉(zhuǎn)子繞組。給定子繞組加正弦交流勵(lì)磁電壓，一個(gè)轉(zhuǎn)子繞組輸出與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正弦函數(shù)關(guān)系的電壓，另一個(gè)轉(zhuǎn)子繞組輸出與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成余弦函數(shù)關(guān)系的電壓，即cossinsinsin1222212121tUkutUkumm第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 將勵(lì)磁信號(hào)和轉(zhuǎn)子繞組輸出信號(hào)送至解碼電路輸入端，即可得到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角代碼。日本多摩川公司推出的解碼電路集成芯片原理如圖3.3所示，如果圖中usr=0，那么= rd，即可解碼出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角。 由于正弦余弦型旋轉(zhuǎn)變壓器采用無(wú)刷設(shè)計(jì)，所以維護(hù)方便，使用壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定可靠，對(duì)機(jī)械和電氣噪聲不敏感

8、，因此被廣泛應(yīng)用在航空、航天、雷達(dá)以及數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)中。第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 圖3.3 解碼芯片原理框圖第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 3.3 3.3 光柵尺光柵尺 光柵是一種通過(guò)在透明玻璃或金屬的反光平面上刻平行、 等距的密集刻線而制成的光學(xué)元件。 數(shù)控機(jī)床上用的光柵尺是利用兩個(gè)光柵相互重疊時(shí)形成的莫爾條紋現(xiàn)象制成的光電式位移測(cè)量裝置。 按制造工藝不同， 光柵尺可分為透射光柵和反射光柵。 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 透射光柵是在透明的玻璃表面刻上間隔相等的不透明的線紋制成的，線紋密度可達(dá)到每毫米100條以上；反射光柵一般

9、是在金屬的反光平面上刻上平行、等距的密集刻線，利用反射光進(jìn)行測(cè)量，其刻線密度一般在每毫米450條范圍內(nèi)。 按結(jié)構(gòu)用途不同又可分為直線光柵和圓光柵。直線光柵用于測(cè)量直線位移，原光柵用來(lái)測(cè)量角位移。第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 3.3.1 光柵的組成接構(gòu)和檢測(cè)原理 1、 組成結(jié)構(gòu) 直線透射光柵尺的結(jié)構(gòu)如圖3.4所示，由光源、長(zhǎng)光柵（標(biāo)尺光柵）、短光柵（指示光柵）、光電元件等組成。一般移動(dòng)的光柵為長(zhǎng)光柵，短光柵裝在機(jī)床的固定部件上。長(zhǎng)光柵隨工作臺(tái)一起移動(dòng)，其有效長(zhǎng)度即為測(cè)量范圍。兩塊光柵的刻線密度（即柵距）相等，相互平行并保持一定的間隙（0.050.1mm），并且使刻線相互傾斜一

10、個(gè)微小的角度。第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 圖3.4 直線透射光柵尺結(jié)構(gòu)原理 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 2、 莫爾條紋的形成原理 當(dāng)用光源的平行光照射光柵時(shí)， 由于刻線的擋光作用和光的衍射作用， 在與刻線垂直的方向上就會(huì)產(chǎn)生明暗交替、 間隔相等的干涉條紋， 稱為莫爾條紋， 如圖3.5所示。 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 圖3.5 莫爾條紋形成原理 BBbca22B第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 當(dāng)標(biāo)尺光柵沿與刻線垂直的方向移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋也跟著移動(dòng)，且移動(dòng)的方向與標(biāo)尺光柵移動(dòng)的方向垂直；光柵移動(dòng)一個(gè)刻線，莫爾條紋

11、也正好移動(dòng)一個(gè)條紋。通過(guò)測(cè)定莫爾條紋移動(dòng)的數(shù)目，就可以測(cè)量出標(biāo)尺光柵的相對(duì)位移距離。第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 3、 莫爾條紋的特點(diǎn) 莫爾條紋具有如下特點(diǎn)。 （1） 放大作用。莫爾條紋的寬度B將隨條紋的夾角 的變化而變化， 其關(guān)系為2sin2B式中： 為光柵柵距； 為兩光柵的刻線夾角。 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 上式表明，可以通過(guò)改變的大小來(lái)調(diào)整莫爾條紋的寬度，越小，B越大，這相當(dāng)于把柵距放大了1倍。例如，對(duì)于刻線密度為100/mm的光柵，其=0.01mm，如果通過(guò)調(diào)整，使=0.001rad(0.057)，則 ，其放大倍數(shù)為1000倍。而且無(wú)需復(fù)雜

12、的光學(xué)系統(tǒng)，這是莫爾條紋獨(dú)有的一個(gè)重要特性。 mm100.0010.01B第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 平均效應(yīng) 莫爾條紋是指示光柵覆蓋了許多條紋后而形成的，例如，250線毫米的光柵，10mm長(zhǎng)的一條莫爾條紋是由2500條刻線組成的。因此對(duì)光柵條紋間距的誤差有平均作用，因而能消除周期誤差的影響。 信號(hào)變換 標(biāo)尺光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距，莫爾條紋相應(yīng)地移動(dòng)一個(gè)寬度，同時(shí)光線強(qiáng)度按近似正弦規(guī)律變化一個(gè)周期，從而把機(jī)械位移信號(hào)變換成了光學(xué)信號(hào)。第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 莫爾條紋的移動(dòng)與刻線的移動(dòng)成正比例 當(dāng)光柵尺移動(dòng)一個(gè)柵距時(shí)，莫爾條紋也恰好移動(dòng)一個(gè)節(jié)距。若光柵

13、尺朝向反的方向移動(dòng)，莫爾條紋也往相反的方向移動(dòng)。從而根據(jù)莫爾條紋移動(dòng)的數(shù)目，可以計(jì)算出光柵尺移動(dòng)的距離，并根據(jù)莫爾條紋移動(dòng)的方向來(lái)判斷移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)方向。 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 3.3.2測(cè)量電路工作原理測(cè)量電路工作原理 在光柵尺的一側(cè)安裝上光源，另一側(cè)安裝上光敏元件。當(dāng)標(biāo)尺光柵隨運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)時(shí)，照射到光敏元件上的光線也隨著莫爾條紋移動(dòng)而產(chǎn)生明暗相間的變化，經(jīng)過(guò)光敏元件的 “光-電”變換，得到與刻線移動(dòng)相對(duì)應(yīng)的正弦波信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、整形等處理后，變成測(cè)量脈沖輸出，波形如圖3.6所示。脈沖數(shù)等于移過(guò)的刻線數(shù)，將該脈沖信號(hào)送到計(jì)數(shù)器中計(jì)數(shù)，則計(jì)數(shù)值就反映了光柵尺移動(dòng)的距

14、離。第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 圖3.6 輸出信號(hào)波形圖光柵位移光柵位移光柵位移光柵位移光柵位移r16 V光強(qiáng)度輸出電壓輸出電壓放大后輸出電壓整形后輸出電壓微分后第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 為了能夠辨別運(yùn)動(dòng)方向，可在1/4柵距的位置上安放兩個(gè)光敏元件，使輸出信號(hào)的相位差為90，通過(guò)鑒相電路判別其運(yùn)動(dòng)方向。 此外，為了提出高測(cè)量精度，常用倍頻細(xì)分法對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行處理。圖3.7所示為四倍頻電路，4個(gè)光敏元件的安裝位置彼此相差1/4柵距，產(chǎn)生4列彼此相差90的信號(hào)，為了在0，90，180，270的位置上都能得到脈沖，必須把兩路相差90的方波各自反相一次，然

15、后再微分，就可得到4個(gè)脈沖，使分辨率提高4倍。 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 圖3.7 四倍頻辨向計(jì)數(shù)電路 整形器整形器差動(dòng)放大器2差動(dòng)放大器11234反向器反向器微分微分微分微分AsindcbacosAB11CBDDC與或門反向脈沖正向脈沖YH1YH2BADA DCCBBA CB DC DA第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 為了辨別方向，正向運(yùn)動(dòng)時(shí)， 用“與或”門YH1得到AB+AD+CD+BC的4個(gè)輸出脈沖；反向運(yùn)動(dòng)時(shí)， 用“與或”門YH2得到BC+AB+AD+CD的4個(gè)輸出脈沖；其波形如圖3.8所示。 在機(jī)床光柵位移測(cè)量系統(tǒng)中，除上述四倍頻外，還有八倍

16、頻、十倍頻、二十倍頻等。 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 圖3.8 四倍頻波形圖 正向時(shí)上升沿微分反向時(shí)上升沿微分反向脈沖正向脈沖sincos正向反向ABCDABCDABCD第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 3.4 旋轉(zhuǎn)編碼器 旋轉(zhuǎn)編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式位置測(cè)量裝置，通常安裝在被測(cè)軸上，隨被測(cè)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，可將被測(cè)軸的角位移轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖。是數(shù)控機(jī)床常用的位置檢測(cè)元件。按輸出信號(hào)形式（增量脈沖形式或絕對(duì)式的代碼形式），旋轉(zhuǎn)編碼器可以分為增量式和絕對(duì)式兩種類型。按碼盤的讀取方法，旋轉(zhuǎn)編碼器可分為光電式、接觸式和電磁式3種。 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)

17、裝置 3.4.1增量式旋轉(zhuǎn)編碼器增量式旋轉(zhuǎn)編碼器1.結(jié)構(gòu) 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的外形結(jié)構(gòu)如圖3.9所示。它主要由發(fā)光管(帶聚光鏡)、光柵板、光柵盤、光敏元件及信號(hào)處理電路板組成。 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 ABBACCBBAA1/4節(jié)距9076543281圖3.9 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器外形結(jié)構(gòu)圖1-轉(zhuǎn)軸2-發(fā)光管3-光柵板4-零標(biāo)志刻線5-光敏管6-光柵盤7-印刷電路板8-電源及信號(hào)線插座第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 光柵盤分為透光式和反光式2種，透光式光柵盤由光學(xué)玻璃制成，玻璃表面在真空中鍍一層不透明的膜，然后在圓周的半徑方向上，用照相腐蝕的方法制成許多條

18、可以透光的狹縫和不透光的刻線，刻線的數(shù)量可達(dá)幾百條或幾千條；反光式光柵盤一般是在金屬圓盤的圓周上制成許多條可以反光的刻線，利用反射光進(jìn)行測(cè)量，其發(fā)光管和光敏管位于圓盤的一側(cè)。第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 此外，也可在金屬圓盤的圓周上刻上一定數(shù)量的槽或者孔，使圓盤形成透明和不透明區(qū)域，其原理和透光式光柵盤相同，只是槽的數(shù)量受限，分辨率較低，常被稱作光電碼盤，主要用于電子手輪和回轉(zhuǎn)刀架的刀位檢測(cè)。 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 2.工作原理 圖3.10所示為增量式旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量系統(tǒng)的工作原理示意圖，當(dāng)光柵盤隨工作軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)刻線（狹縫）就發(fā)生一次

19、光線的明暗變化，經(jīng)過(guò)光敏元件變成一次電信號(hào)的強(qiáng)弱變化，對(duì)它進(jìn)行放大、整形處理后，得到脈沖信號(hào)輸出。脈沖數(shù)就等于轉(zhuǎn)過(guò)的刻線數(shù)。將該脈沖信號(hào)送到計(jì)數(shù)器中計(jì)數(shù)，則計(jì)數(shù)值就反映了圓盤轉(zhuǎn)過(guò)的角度。 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 圖3.10 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器光學(xué)原理1旋轉(zhuǎn)軸；2軸承；3透光狹縫；4光柵盤；5光源；6聚光鏡；7光柵板；8光敏元件信號(hào)處理電路21876543第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 為了判別碼盤的旋轉(zhuǎn)方向，采用兩個(gè)光敏元件，其輸出信號(hào)經(jīng)放大整形后，得到如圖3.11所示的兩列相位差為90的矩形脈沖P1和P2，它們分別接到D觸發(fā)器的D端和CP端，D觸發(fā)器

20、在CP脈沖(即P2)的上升沿觸發(fā)。第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 當(dāng)正轉(zhuǎn)時(shí)，l#光敏元件比2#光敏元件先感光，即脈沖P1超前脈沖P2 90。D觸發(fā)器的輸出Q“1”，使可逆計(jì)數(shù)器的加減控制線為高電平，計(jì)數(shù)器將作加法計(jì)數(shù)。同時(shí)P1和P2又經(jīng)與門Y輸出脈沖P，經(jīng)延時(shí)電路送到可逆計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)輸入端，計(jì)數(shù)器進(jìn)行加法計(jì)數(shù)。當(dāng)反轉(zhuǎn)時(shí)，P2超前P1 90。D觸發(fā)器輸出Q“0”，使可逆計(jì)數(shù)器的加減控制線為低電平，計(jì)數(shù)器將作減法計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)電路如圖3.11所示。第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 兩相增量式旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖波形圖 正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)P1P2PQ“1”Q“0”P1P2P第第3

21、3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 圖3.11 正交脈沖可逆計(jì)數(shù)器原理圖 可逆計(jì)數(shù)器延時(shí)&放大整形放大整形21光電元件P1P2加減控制線計(jì)數(shù)脈沖PYQDCQ第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的主要技術(shù)參數(shù)包括：每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（P/R）、電源電壓、輸出信號(hào)相數(shù)和輸出形式等，各參數(shù)范圍如表3.2所示。其中，1相輸出只有1列矩形脈沖，用于單方向計(jì)數(shù)；2相輸出為兩列正交脈沖，可正反向計(jì)數(shù)；3相輸出時(shí)，A、B為兩列正交脈沖，用于正反向計(jì)數(shù)，Z相為零位脈沖，每轉(zhuǎn)只產(chǎn)生一個(gè)。 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 表3.2 旋轉(zhuǎn)編碼器技術(shù)參數(shù)范圍 第第3

22、 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 3.4.2 3.4.2 絕對(duì)值式旋轉(zhuǎn)編碼器絕對(duì)值式旋轉(zhuǎn)編碼器 它是一種直接編碼式的測(cè)量元件。它把被測(cè)轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的代碼指示絕對(duì)位置，沒(méi)有積累誤差。其編碼盤有光電式、接觸式和電磁式三種，為敘述簡(jiǎn)單起見(jiàn)，以接觸式四位絕對(duì)編碼器為例來(lái)說(shuō)明其工作原理。 圖3.12所示是一個(gè)四位二進(jìn)制編碼盤， 涂黑部分是導(dǎo)電區(qū)， 空白部分是絕緣區(qū)。 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 編碼盤上共有5個(gè)同心環(huán)道，外圈的4個(gè)環(huán)道，分為16個(gè)扇形區(qū)，每個(gè)扇形區(qū)的四個(gè)環(huán)道按導(dǎo)電為“1”、絕緣為“0”組成二進(jìn)制編碼。通常把組成編碼的各圈稱為碼道，對(duì)應(yīng)四個(gè)碼道并排裝有四個(gè)

23、電刷，電刷經(jīng)電阻接到電源的負(fù)極。內(nèi)圈的1個(gè)環(huán)道是公用環(huán)道，全部導(dǎo)電，也裝有1個(gè)電刷，并接到電源的正極。碼盤的轉(zhuǎn)軸可與被測(cè)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，而5個(gè)電刷則是固定不動(dòng)的。當(dāng)被測(cè)軸帶動(dòng)碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與碼道對(duì)應(yīng)的4個(gè)電刷上將出現(xiàn)相應(yīng)的電平，形成二進(jìn)制代碼。若碼盤按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，就依次得到0000，0001，0010，1111的二進(jìn)制輸出。 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 圖3.12 接觸式編碼盤 (a) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖； (b) 二進(jìn)制編碼盤； (c) 格雷編碼盤 1111111011011100101110101001100001110110010101000011001000010000000

24、0000100110010011001110101010011001101111111101010101110011000(c)(b)ER轉(zhuǎn)軸導(dǎo)電體絕緣體電刷02122232(a)第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 二進(jìn)制碼盤具有直觀、簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)碼盤的制作和電刷的安裝要求十分嚴(yán)格，否則就會(huì)出錯(cuò)。例如，0000位置，若碼盤按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，正常時(shí)輸出應(yīng)由數(shù)碼0000轉(zhuǎn)換到1111；但是，如果最里側(cè)碼道上的電刷（電刷3）在安裝時(shí)稍向逆時(shí)針?lè)较蚱疲瑒t當(dāng)碼盤隨軸作逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)時(shí)，電刷3接觸導(dǎo)電部分早了一些，因而先給出數(shù)碼1000，這是不允許的，應(yīng)避免發(fā)生。第第3 3章章 數(shù)控位

25、置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 為了消除這種錯(cuò)誤，常采用循環(huán)碼（格雷碼）代替二進(jìn)制碼，循環(huán)碼的特點(diǎn)是相鄰的兩個(gè)數(shù)碼間只有一位是變化的，它能有效地避免由于制作和安裝誤差而造成的錯(cuò)誤。循環(huán)碼和二進(jìn)制碼及十進(jìn)制數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3.3所示。 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 表3.3 絕對(duì)值式旋轉(zhuǎn)編碼器輸出真值表 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 上述為四位碼盤，其分辨角度360/24=22.5。如果用n位編碼盤，則分辨角度360/2n。所以，位數(shù)越多，n越大，分辨角度就越小，精度也就越高。目前，接觸式碼盤一般可以做到9位二進(jìn)制，而光電式碼盤則可做到18位二進(jìn)制。如果要求更

26、多的位數(shù)，則可用組合碼盤，即用一個(gè)粗計(jì)碼盤和一個(gè)精計(jì)碼盤，精計(jì)碼盤轉(zhuǎn)一圈，粗計(jì)碼盤轉(zhuǎn)一格，如果用兩個(gè)9位二進(jìn)制碼盤組合，則可得到相當(dāng)于18位二進(jìn)制碼盤的輸出。 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 3.5 感應(yīng)同步器 感應(yīng)同步器是利用兩個(gè)平面印刷電路繞組的電磁感應(yīng)原理制成的位移測(cè)量裝置。這兩個(gè)繞組類似變壓器的原邊繞組和副邊繞組，所以又稱為平面變壓器。按結(jié)構(gòu)和用途可分為直線感應(yīng)同步器和圓盤旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器兩類，前者用于測(cè)量直線位移，后者用于測(cè)量角位移。兩者的工作原理基本相同。 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 感應(yīng)同步器具有較高的測(cè)量精度和分辨率，工作可靠，抗干擾能力

27、強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)。目前，直線式感應(yīng)同步器的測(cè)量精度可達(dá)15m ，分辨率可達(dá)0.05m，并可測(cè)量較大位移。因此，感應(yīng)同步器廣泛應(yīng)用于坐標(biāo)鏜床、坐標(biāo)銑床及其它機(jī)床的定位、數(shù)控和數(shù)顯等，旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器常用于雷達(dá)天線定位跟蹤、精密機(jī)床或測(cè)量?jī)x器的分度裝置等。 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 3.5.1感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成，圖3.13是定尺和滑尺的截面結(jié)構(gòu)圖，定尺和滑尺均用絕緣粘合劑將銅箔貼在基板上，用光化學(xué)腐蝕或其它方法，將銅箔刻制成曲折的印刷電路繞組（如圖3.14所示）。定尺表面涂有耐切削液的保護(hù)層?；弑砻嬗媒^緣粘合劑貼有帶絕緣層

28、的鋁箔，以防止靜電感應(yīng)。 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 圖3.13 定尺和滑尺的截面結(jié)構(gòu) 1耐腐蝕保護(hù)層；2鋼基板；3平面繞組；4絕緣粘合劑；5鋁箔定尺4312滑尺4352第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 圖3.14 直線感應(yīng)同步器定尺和滑尺的繞組示意圖 4定尺滑尺cos繞組sin繞組第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 如圖3.14所示，定尺表面分布有單相均勻繞組，尺長(zhǎng)250mm，繞組節(jié)距() 2mm(標(biāo)準(zhǔn)型)?；呱嫌袃山M繞組，一組叫正弦繞組，另一組叫余弦繞組。當(dāng)正弦繞組的每只線圈和定尺繞組的每只線圈對(duì)準(zhǔn)(即重合)時(shí)，余弦繞組的每只線圈和定尺

29、繞組的每只線圈相差1/4節(jié)距，即滑尺上兩組繞組在空間位置上相差1/4節(jié)距。 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 直線式感應(yīng)同步器有標(biāo)準(zhǔn)型、窄型和帶型三種，其中標(biāo)準(zhǔn)型精度最高，應(yīng)用最廣。各類型感應(yīng)同步器的精度和電參數(shù)如表3.5所示。 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 表3.4 各類型感應(yīng)同步器的精度和電參數(shù)的參考數(shù)據(jù) 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 2. 感應(yīng)同步器的工作原理 在感應(yīng)同步器工作時(shí)， 定尺和滑尺相互平行安裝， 其間有大約0.250.05 mm的間隙， 間隙的大小會(huì)影響電磁耦合度。 定尺是固定的， 滑尺是可動(dòng)的， 它們之間可以做相對(duì)移動(dòng)

30、。 圖3.15說(shuō)明了定尺感應(yīng)電壓與定、 滑尺繞組的相對(duì)位置的關(guān)系。 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 圖3.15 感應(yīng)同步器工作原理 定 尺A點(diǎn)B點(diǎn)C點(diǎn)D點(diǎn)E點(diǎn)滑尺位置電磁耦合度ABCDE移動(dòng)距離4243第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 當(dāng)在滑尺的正弦繞組加正弦交流(110 kHz)勵(lì)磁電壓時(shí)，則在繞組中產(chǎn)生勵(lì)磁電流，并產(chǎn)生交變磁通，這個(gè)交變磁通與定尺繞組耦合，在定尺繞組上分別感應(yīng)出同頻率的交流電壓。這時(shí)，如果滑尺處于圖中A點(diǎn)位置，即滑尺繞組與定尺繞組完全對(duì)應(yīng)重合，則定尺上的感應(yīng)電壓最大。第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 隨著滑尺相對(duì)定尺做平行移

31、動(dòng)，感應(yīng)電壓逐漸減小。當(dāng)滑尺移動(dòng)至圖中B點(diǎn)位置，與定尺繞組剛好錯(cuò)開(kāi)14節(jié)距時(shí)，感應(yīng)電壓為零。再繼續(xù)移至1/2節(jié)距處，即圖中C點(diǎn)位置時(shí)，為最大的負(fù)值電壓(即感應(yīng)電壓的幅值與A點(diǎn)相同但極性相反)。再移至3/4節(jié)距，即圖中D點(diǎn)位置時(shí)，感應(yīng)電壓又變?yōu)榱?。?dāng)移動(dòng)到一個(gè)節(jié)距位置即圖中E點(diǎn)，又恢復(fù)初始狀態(tài)，即與A點(diǎn)情況相同。第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 顯然在定尺和滑尺的相對(duì)位移中，感應(yīng)電壓呈周期性變化，其波形為余弦函數(shù)。在滑尺移動(dòng)一個(gè)節(jié)距的過(guò)程中感應(yīng)電壓變化了一個(gè)余弦周期。 同樣，若在滑尺的余弦繞組中通以交流勵(lì)磁電壓，也能得出定尺繞組中感應(yīng)電壓與兩尺相對(duì)位移的關(guān)系曲線，它們之間為正弦函

32、數(shù)關(guān)系。 根據(jù)勵(lì)磁繞組中勵(lì)磁供電方式的不同，感應(yīng)同步器可分為鑒相工作方式和鑒幅工作方式。第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 1) 鑒相工作方式 當(dāng)在滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別加同頻率、同幅值，相位相差2的勵(lì)磁電壓和時(shí)，則將在定尺繞組上分別感應(yīng)出同頻率的電壓 ud1=kUm cos sint ud2=-kUm sin cost第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 式中， k為電磁耦合系數(shù)， 為滑尺勵(lì)磁繞組相對(duì)于定尺繞組的空間相位角。 實(shí)際上， 正弦、 余弦繞組同時(shí)供電， 這時(shí)定尺繞組上總的感應(yīng)電壓為ud=ud1+ud2 = k Umc o s s i n t - k

33、Um s i n cost=kUm sin(t-)第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 由此看出，在鑒相工作方式中，由于耦合系數(shù)k、勵(lì)磁電壓幅值Um以及頻率t均是常數(shù)，因而定尺的感應(yīng)電壓ud就只隨著空間相位角的變化而變化。這說(shuō)明定尺的感應(yīng)電壓與滑尺的位移值有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)鑒別定尺感應(yīng)電壓的相位，即可測(cè)得滑尺和定尺間的相對(duì)位移。第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 2） 鑒幅工作方式 給滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別加相位相同、 頻率相同但幅值不等的交流勵(lì)磁電壓 us=Us sint=(Um sin)sint和 uc=Uc sint=(Um cos)sint， 則定尺

34、繞組中的感應(yīng)電壓為 ud =k(Um sin)sint cos-k(Um cos)sint sin =kUm sint(sin cos-cos sin) =kUm sint sin(-) 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 可見(jiàn)，定尺繞組上的感應(yīng)電壓與激磁電壓同頻率同相位，而幅值則取決于激磁電壓的幅值和感應(yīng)同步尺的相對(duì)位移，且隨（-）作正弦規(guī)律變化，所以可以通過(guò)檢測(cè)ud的幅值變化來(lái)測(cè)量機(jī)械位移量。 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 3.6 3.6 磁柵磁柵 磁柵（磁尺）是一種錄有等節(jié)距磁化信號(hào)的磁性標(biāo)尺或磁盤，是一種高精度的位置檢測(cè)裝置，可用于數(shù)控系統(tǒng)的位置測(cè)量，

35、其錄磁和拾磁原理與普通磁帶相似。在檢測(cè)過(guò)程中，磁頭讀取磁性標(biāo)尺上的磁化信號(hào)并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后通過(guò)檢測(cè)電路把磁頭相對(duì)于磁尺的位置送入計(jì)算機(jī)或數(shù)顯裝置。磁柵與光柵、感應(yīng)同步器相比，測(cè)量精度略低一些。但它有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)： 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 （1） 制作簡(jiǎn)單， 安裝、 調(diào)整方便， 成本低。 磁柵上的磁化信號(hào)錄制完成后， 若發(fā)現(xiàn)不符合要求可抹去重錄， 亦可安裝在機(jī)床上再錄磁， 避免安裝誤差。 （2） 磁尺的長(zhǎng)度可任意選擇， 亦可錄制任意節(jié)距的磁信號(hào)。 （3） 耐油污、 灰塵等， 對(duì)使用環(huán)境要求低。 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 3.6.1 3.6

36、.1 磁柵測(cè)量裝置的組成結(jié)構(gòu)磁柵測(cè)量裝置的組成結(jié)構(gòu) 磁柵測(cè)量裝置由磁性標(biāo)尺、拾磁磁頭和測(cè)量電路組成，按其結(jié)構(gòu)可分為直線磁柵和圓磁柵，分別用于直線位移和角位移的測(cè)量。其中，直線磁柵又分為帶狀磁柵、桿狀磁柵。常用磁柵的外形結(jié)構(gòu)如圖3.16所示。 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 圖3.16 常用磁柵外形結(jié)構(gòu) （a） 帶狀磁柵； （b） 桿狀磁柵； （c） 圓磁柵 框架帶狀磁尺磁頭磁尺磁頭磁盤磁頭4(a)(b)(c)第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 帶狀磁柵固定在用低碳鋼做的屏蔽殼體內(nèi)，并以一定的預(yù)緊力繃緊在框架或支架中，框架固定在機(jī)床上，使帶狀磁尺同機(jī)床一起脹縮，從

37、而減少溫度對(duì)測(cè)量精度的影響。桿狀磁柵套在磁頭中間，與磁頭同軸，兩者之間保持很小的間隙，由于磁尺包圍在磁頭中間，對(duì)周圍電磁起到了屏蔽作用，所以抗干擾能力強(qiáng)，輸出信號(hào)大。圓形磁柵的磁尺做成圓形磁盤或磁鼓形狀，磁頭和帶狀磁尺的磁頭相同，圓形磁尺主要用來(lái)檢測(cè)角位移。 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 1. 磁性標(biāo)尺 磁性標(biāo)尺常采用不導(dǎo)磁材料做基體，在上面鍍上一層1030um厚的高導(dǎo)磁性材料，形成均勻磁膜；再用錄磁磁頭在尺上記錄相等節(jié)距的周期性磁化信號(hào)，用以作為測(cè)量基準(zhǔn)，信號(hào)可為正弦波、方波等，節(jié)距通常為0.05、0.1、0.2mm；最后在磁尺表面還要徐上一層12um厚的保護(hù)層，以防磁頭

38、與磁尺頻繁接觸而形成的磁膜磨損。 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 2. 拾磁磁頭 拾磁磁頭是一種磁電轉(zhuǎn)換器，用來(lái)把磁尺上的磁化信號(hào)檢測(cè)出來(lái)變成電信號(hào)送給測(cè)量電路。拾磁磁頭可分為動(dòng)態(tài)磁頭和靜態(tài)磁頭。 動(dòng)態(tài)磁頭又稱為速度響應(yīng)型磁頭，它只有一組輸出繞組，所以只有當(dāng)磁頭和磁尺有一定相對(duì)速度時(shí)才能讀取磁化信號(hào)，并有電壓信號(hào)輸出。這種磁頭只能用于錄音機(jī)、磁帶機(jī)的拾磁磁頭，不能用來(lái)測(cè)量位移。第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 由于用于位置檢測(cè)用的磁柵要求當(dāng)磁尺與磁頭相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度很低或處于靜止時(shí)亦能測(cè)量位移或位置，所以應(yīng)采用靜態(tài)磁頭。靜態(tài)磁頭又稱磁通響應(yīng)型磁頭，如圖3.17所示

39、，它在普通動(dòng)態(tài)磁頭的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)勵(lì)磁線圈，并采用可飽和的鐵芯，利用可飽和鐵芯的磁性調(diào)制原理來(lái)實(shí)現(xiàn)位置檢測(cè)。靜態(tài)磁頭可分為單磁頭、雙磁頭和多磁頭。第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 圖3.17 磁通響應(yīng)型單磁頭 勵(lì)磁繞組拾磁繞組輸出信號(hào) U可飽和鐵心拾磁磁頭SSNNSSNNSSNN磁膜非導(dǎo)磁性材料基體磁性標(biāo)尺磁性標(biāo)尺上的磁場(chǎng)分布00abx第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 3.6.2.磁柵工作原理磁柵工作原理 單磁頭結(jié)構(gòu)如圖3.17所示， 磁頭有兩組繞組， 一組為拾磁繞組， 一組為勵(lì)磁繞組。 在勵(lì)磁繞組中加一高頻交變勵(lì)磁信號(hào)， 則在鐵心上產(chǎn)生周期性正、 反向飽和

40、磁化現(xiàn)象， 使磁心的可飽和部分在每周期內(nèi)兩次被電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)飽和。 當(dāng)磁頭靠近磁尺時(shí)， 磁尺上的磁通在磁頭氣隙處進(jìn)入鐵心， 并流過(guò)拾磁繞組的碰心， 產(chǎn)生感應(yīng)電壓txkUmsin2sin第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 式中，k為耦合系數(shù)；m為磁通量的峰值；為磁尺上磁化信號(hào)的節(jié)距；x為磁頭在磁尺上的位移量；為勵(lì)磁電流的角頻率。 由此可以看出，磁頭輸出信號(hào)的幅值是位移x的函數(shù)，只要測(cè)出u的過(guò)0的次數(shù)，就可以知道位移x的大小。 雙磁頭是為了識(shí)別磁柵的移動(dòng)方向而設(shè)置的，如圖3.18所示，兩磁頭按(m)配置，m為任意整數(shù)，當(dāng)勵(lì)磁電壓相同時(shí)，其輸出電壓分別為txkumsin2sin1txk

41、umsin2cos2第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 圖3.18 雙磁頭的配置 S/SN/N S/SN/NS/SN/N(m1/4)鐵心勵(lì)磁電流輸出信號(hào)u2u1磁性標(biāo)尺第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 通過(guò)對(duì)u1、u2進(jìn)行檢測(cè)處理，即可判定位移方向，并測(cè)出位移量的大小。 由于單磁頭讀取磁性標(biāo)尺上的磁化信號(hào)輸出電壓很小，而且對(duì)磁尺上磁化信號(hào)的節(jié)距和波形要求高，因此，如圖3.19所示，可將多個(gè)磁頭以一定方式串聯(lián)起來(lái)形成多間隙磁頭。第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 這種磁頭放置時(shí)鐵芯平面與磁柵長(zhǎng)度方向垂直，每個(gè)磁頭以相同間距/4放置。若將相鄰兩個(gè)磁頭的輸

42、出繞組反相串接，則能把各磁頭輸出電壓疊加。多磁頭的特點(diǎn)是使輸出電壓幅值增大，同時(shí)使各鐵芯間誤差平均化，因此精度較單磁頭高。第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 圖3.19 多間隙磁頭 N NS SNNS SNNS SNNS S輸出磁頭磁性標(biāo)尺磁信號(hào)節(jié)距相鄰磁頭的間距2第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 3.6.3磁柵檢測(cè)電路磁柵檢測(cè)電路 磁柵檢測(cè)是模擬測(cè)量，必須和檢測(cè)電路配合才能檢測(cè)。檢測(cè)線路包括勵(lì)磁電路，讀取信號(hào)的濾波、放大、整形、倍頻、細(xì)分、數(shù)字化和計(jì)數(shù)等線路。根據(jù)檢測(cè)方法不同，檢測(cè)電路分為鑒幅式檢測(cè)電路和鑒相式檢測(cè)電路兩種形式，并以鑒相式檢測(cè)電路應(yīng)用較多。第第3

43、 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 鑒幅式磁柵檢測(cè)電路工作原理 如前所述，當(dāng)在兩個(gè)勵(lì)磁繞組上加相同勵(lì)磁電壓時(shí)，可得到兩組幅度調(diào)制信號(hào)輸出，將高頻載波濾掉后則得到相位差為/2的兩組信號(hào)，即)2cos(1xUumsc)2sin(2xUumsc第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 檢測(cè)電路方框圖如圖3.20所示。磁頭H1、H2相對(duì)于磁尺每移動(dòng)一個(gè)節(jié)距發(fā)出一個(gè)正（余）弦信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理后可進(jìn)行位置檢測(cè)。這種方法的線路比較簡(jiǎn)單，但分辨率受到錄磁節(jié)距的限制，若要提高分辨率就必須采用較復(fù)雜的倍頻電路，所以不常采用。圖3.20 鑒幅式磁柵檢測(cè)電路框圖第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置

44、檢測(cè)裝置 2. 2. 鑒相式磁柵檢測(cè)電路工作原理鑒相式磁柵檢測(cè)電路工作原理 電路結(jié)構(gòu)如圖，由振蕩器產(chǎn)生的2MHz脈沖信號(hào)，經(jīng)400分頻器分頻后得到5kHz的勵(lì)磁信號(hào)，再經(jīng)低通濾波器濾波后變?yōu)閮陕氛也ㄐ盘?hào)，一路經(jīng)功率放大器送到第一組磁頭勵(lì)磁線圈，另一路經(jīng)90移相后送入第二組磁頭勵(lì)磁線圈。兩磁頭獲得的輸出信號(hào)分別為:txUumsin)2cos(1txUumcos)2sin(2第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 2. 2. 鑒相式磁柵檢測(cè)電路工作原理鑒相式磁柵檢測(cè)電路工作原理 txUumsin)2cos(1txUumcos)2sin(2在求和電路中相加，即得到相位按位移量變化的合成信

45、號(hào))2sin(txUum 該信號(hào)經(jīng)選頻放大、整形微分后再與基準(zhǔn)相位鑒相以及細(xì)分，即可得到分辨率為預(yù)先設(shè)定單位的位移測(cè)量信號(hào)，并送可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。 鑒相式檢測(cè)的精度可遠(yuǎn)高于錄磁節(jié)距，并可以通過(guò)提高內(nèi)插補(bǔ)脈沖頻率以提高系統(tǒng)的分辨率，可達(dá)到1m。第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 3.7 激光干涉儀 激光是20世紀(jì)60年代末興起的一種新型光源，其應(yīng)用范圍非常廣泛。它與普通光相比具有以下特點(diǎn)。（1）高度相干性。 相干波是指兩個(gè)具有相同方向、相同頻率和相同相位差的波。普通光源是自發(fā)輻射光，是非相干光。激光是受激輻射光，具有高度的相干性；第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 （2

46、）方向性好。 普通光向四面八方發(fā)光，而激光散射角很小，幾乎與激光器的反射鏡面垂直。如配置適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)，其發(fā)散角可小到10-4rad以下，幾乎是一束理想平行光；（3）高度單色性。 普通光源包括許多波長(zhǎng)，所以具有多種顏色。如日光包含紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種顏色，其相應(yīng)的波長(zhǎng)從760380nm。激光的單色性高，如氦氖激光的譜線寬度只有10-6nm。第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 （4）高亮度。 激光束極窄，所以有效功率和照度特別高，比太陽(yáng)表面高200億倍以上。 由于激光具有以上特點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)距離，高精度的位置檢測(cè)。第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置

47、 1.激光干涉法測(cè)距原理 根據(jù)光的干涉原理，兩列具有固定相位差、相同頻率、相同的振動(dòng)方向或振動(dòng)方向之間夾角很小的光相互交疊，將會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。如圖3.22所示，第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 由激光器發(fā)射的激光經(jīng)分光鏡A分成反射光束S1和投射光束S2。兩光束分別由固定反射鏡M1和可動(dòng)反射鏡M2反射回來(lái)，兩者在分光鏡處匯合成相干光束。若兩列光S1和S2的路程差為N(為波長(zhǎng)，N為零或正整數(shù)），實(shí)際合成光的振幅是兩個(gè)分振幅之和，光強(qiáng)最大，如圖3.23（a）所示。當(dāng)S1和S2的路程差為/2（或波長(zhǎng)的奇數(shù)倍）時(shí)，合成光的振幅和為零，如圖3.23（b）所示，此時(shí)光強(qiáng)最小。第第3 3章章

48、數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 激 光 器M1S2AS1M2圖3.22 激光干涉法測(cè)距原理圖第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 分 振 幅 2 1時(shí) 間移動(dòng)位移合 成 振 幅 1 2移動(dòng)位移時(shí) 間a )b ) 圖3.23 激光干涉法測(cè)距波形圖第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 激光干涉儀就是利用這一原理使激光束產(chǎn)生明暗相間的干涉條紋，由光電轉(zhuǎn)換元件接受并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)處理后由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)位移量的檢測(cè)。用激光干涉法測(cè)距的精度極高。 激光干涉儀是由激光鏡、穩(wěn)頻器、光學(xué)干涉部分、光電接受元件、計(jì)數(shù)器和數(shù)字顯示器組成。目前應(yīng)用較多的有單頻激光干涉儀和雙頻激光干

49、涉儀。第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 2.單頻激光干涉儀 如圖3.24所示，為單頻激光干涉儀原理圖，激光器1發(fā)出的激光束，經(jīng)鍍有半透明銀箔層的分光鏡5將光分成兩路，一路折射進(jìn)入固定不動(dòng)的棱鏡4，另一路反射進(jìn)入可動(dòng)棱鏡7。經(jīng)棱鏡4和7反射回來(lái)的光重新在分光鏡5處匯合成相干光束，此光束又被分光鏡分成兩路，一路進(jìn)入光電元件3，另一路經(jīng)棱鏡8反射至光電元件2。第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 12385467圖3.24 單頻激光干涉儀原理圖第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 由于分光鏡5上鍍有半透明反射的金屬膜，所以產(chǎn)生的折射光和反射光的波形相同，但相位

50、上有變化，適當(dāng)調(diào)整光電元件3和2的位置，使兩光電信號(hào)相位差90。工作時(shí)兩者相位超前或滯后的關(guān)系，取決于棱鏡7的移動(dòng)方向，當(dāng)工作臺(tái)6移動(dòng)時(shí)棱鏡7也移動(dòng)，則干涉條紋移動(dòng)，每移動(dòng)/2，光電信號(hào)變化一個(gè)周期。如果采用四倍頻電子線路細(xì)分，采用波長(zhǎng)=0.6328m的氦-氖激光為光源，則一個(gè)脈沖周期信號(hào)相當(dāng)于機(jī)床工作臺(tái)的實(shí)際位移量為m08. 086328. 02141第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 單頻激光干涉儀使用時(shí)受環(huán)境影響較大，調(diào)整麻煩，放大器存在零點(diǎn)漂移。為克服這些缺點(diǎn)，可采用雙頻激光干涉儀。 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 3.雙頻激光干涉儀 雙頻激光干涉儀的基

51、本原理與單頻激光干涉儀不同，是一種新型激光干涉儀，如圖3.25所示。它是利用光的干涉原理和多普勒效應(yīng)產(chǎn)生頻差的原理來(lái)進(jìn)行位置檢測(cè)的。第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)及顯示器激光器M3M2M1放大器M4工作臺(tái)檢偏器濾光器f測(cè)測(cè)量信號(hào)D2D1基準(zhǔn)信號(hào)f基f1f2f1fab圖3.25 雙頻激光干涉儀原理圖第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 激光管放在軸向磁場(chǎng)內(nèi)，發(fā)出的激光為方向相反的右旋圓偏振光和左旋圓偏振光，其振幅相同，但頻率不同，分別用f1和f2。經(jīng)分光鏡M1，一部分反射光經(jīng)偏振器射入光電元件D1作為基準(zhǔn)頻率f基（f基= f2-f1）。另一部分通過(guò)分

52、光鏡M1的折射光到達(dá)分光鏡M2的a處，頻率為f2的光束完全反射經(jīng)濾光器變?yōu)榫€偏振光f2，投射到固定棱鏡M3后反射到分光鏡M2的b處。頻率為f1的光束完全反射經(jīng)濾光器變?yōu)榫€偏振光f1，投射到固定棱鏡M4后反射到分光鏡M2的b處，兩者產(chǎn)生相干光束。若M4移動(dòng)，則反射光的頻率發(fā)生變化而產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，其頻差為多普勒頻差 。f第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 頻率為 的反射光與頻率為f2的反射光在b處匯合后，經(jīng)檢偏器射入光電元件D2，得到測(cè)量頻率 的光電流，這路光電流與經(jīng)光電元件D1后得到頻率為f基的光電流，同時(shí)經(jīng)放大器放大進(jìn)入計(jì)算機(jī)，經(jīng)減法器和計(jì)數(shù)器，即可算出差值 、可動(dòng)棱鏡M4的移

53、動(dòng)速度v和移動(dòng)距離L 為fff1)(12ffff測(cè)f第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 式中，N是由計(jì)算機(jī)紀(jì)錄下來(lái)的脈沖數(shù)，將脈沖乘以半波長(zhǎng)就得到所測(cè)位移長(zhǎng)度。vf2dtdLv tttNfdtfdtvdtL000222vdtdL 第第3 3章章 數(shù)控位置檢測(cè)裝置數(shù)控位置檢測(cè)裝置 雙頻激光干涉儀與單頻激光干涉儀相比有下列優(yōu)點(diǎn):（1）接受信號(hào)為交流信號(hào)，前置放大器為交流放大器，而不用直流放大，沒(méi)有零點(diǎn)漂移等問(wèn)題；（2）采用多普勒效應(yīng)，計(jì)數(shù)器用來(lái)計(jì)算頻率差的變化，不受激光強(qiáng)度和磁場(chǎng)變化的影響。（3）測(cè)量精度不受空氣湍流的影響，無(wú)需預(yù)熱時(shí)間。用激光干涉儀作為機(jī)床的測(cè)量系統(tǒng)可以提高機(jī)床的精度和效率。但由于激光干涉儀的抗振性、抗干擾性和環(huán)境適應(yīng)性差，而且價(jià)格較貴，因此目