《數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用》 數(shù)控機(jī)床檢測裝置

1、第2章 數(shù)控機(jī)床檢測裝置本章要點(diǎn)2.1 概述 2.2 編碼器（碼盤） 2.3 光柵 2.4 磁柵 2.5 感應(yīng)同步器 2.6 旋轉(zhuǎn)變壓器 2.7 測速發(fā)電機(jī) 2.8 激光在機(jī)床位置檢測上的應(yīng)用 本章要點(diǎn)本章要點(diǎn) :1掌握檢測裝置的功能以及數(shù)控機(jī)床對檢測裝置的要求，能正確判別其檢測方式。 2掌握編碼器的工作原理與應(yīng)用。 3掌握光柵的工作原理與應(yīng)用。4掌握磁柵的工作原理與應(yīng)用。 5掌握感應(yīng)同步器的工作原理與應(yīng)用。6掌握測速發(fā)電機(jī)的工作原理與應(yīng)用。 7掌握激光在機(jī)床位置檢測上的應(yīng)用。 下一頁本章要點(diǎn)伺服系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)用步進(jìn)電機(jī)作執(zhí)行元件，不用檢測裝置及反饋。其控制精

2、度取決于步進(jìn)電機(jī)和絲杠的精度。閉環(huán)控制系統(tǒng)必須有檢測環(huán)節(jié)取得反饋信號，并根據(jù)反饋信號來控制伺服電機(jī)帶動(dòng)工作臺移動(dòng)，消除實(shí)際位置（或速度）與指令位置（或速度）之間的誤差。其加工精度主要由檢測裝置的精度決定，而檢測裝置的精度通過分辨力來體現(xiàn)。分辨力是位移檢測系統(tǒng)所能測量的最小位移量。分辨力的高低不僅取決于檢測元件本身也取決于檢測線路，分辨力越小，說明檢測精度越高。 下一頁上一頁返回本章要點(diǎn)如圖2-1所示為帶有位置檢測裝置的閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖。圖中檢測裝置包括檢測傳感器和測量電路，其作用是將位置或速度等被測參數(shù)經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)換由物理量轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)所能識別的數(shù)字脈沖信號，送入微機(jī)數(shù)控裝置以控制驅(qū)動(dòng)元件正確

3、運(yùn)轉(zhuǎn)。 上一頁返回2.1 概述 為提高數(shù)控機(jī)床的加工精度，必須提高測量元件和測量系統(tǒng)的精度，不同的數(shù)控機(jī)床對測量元件和測量系統(tǒng)的精度要求、允許的最高移動(dòng)速度各不相同。通常大型數(shù)控機(jī)床以滿足速度要求為主，中、小型和高精度數(shù)控機(jī)床以滿足精度要求為主。選擇測量系統(tǒng)的分辨率和脈沖當(dāng)量時(shí)，一般要求比加工精度高一個(gè)數(shù)量級。 2.1.1 檢測裝置的功能 檢測裝置是CNC系統(tǒng)的重要組成部分。其主要作用是把檢測到的位移和速度測量信號作為反饋信號，并將反饋信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字送回計(jì)算機(jī)，與數(shù)控裝置發(fā)出的脈沖指令信號進(jìn)行比較，若有偏差，經(jīng)放大后控制驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行部件，使其向消除偏差的方向運(yùn)動(dòng)，直到偏差為零。 下一頁返回2.1

4、 概述檢測元件的作用是檢測位移和速度，發(fā)送反饋信號。在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中檢測裝置是必不可少的。檢測裝置的精度直接影響數(shù)控機(jī)床的定位精度和加工精度。2.1.2數(shù)控機(jī)床對檢測裝置的要求 正由于檢測裝置對數(shù)控機(jī)床的精度有直接影響，所以數(shù)控機(jī)床對檢測裝置的要求如下：1受溫度、濕度的影響小，工作可靠，能長期保持精度，抗干擾能力強(qiáng)。 2在機(jī)床執(zhí)行部件移動(dòng)范圍內(nèi)，能滿足加工精度和加工速度的要求。3使用維護(hù)方便，適合機(jī)床的運(yùn)行環(huán)境。 上一頁下一頁返回2.1 概述4便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)接。5成本低。2.1.3檢測方式分類 在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用的檢測裝置主要有位置檢測和速度檢測，其目的是精確控制位置和速度。目前常用的傳感器主要

5、有編碼器、光柵、磁柵、感應(yīng)同步器和旋轉(zhuǎn)變壓器等。光柵的分辨率一般要優(yōu)于光電編碼器，其次是旋轉(zhuǎn)變壓器。對于不同類型的數(shù)控機(jī)床，根據(jù)不同的工作條件和不同的檢測要求，應(yīng)該采用不同的檢測方式，如表2-1所示。 上一頁下一頁返回2.1 概述數(shù)控機(jī)床中測量傳感器按形狀一般有直線型和旋轉(zhuǎn)型兩種。直線型測量工作臺的直線位移。其測量精度主要取決于測量元件的精度，不受機(jī)床傳動(dòng)精度的影響。旋轉(zhuǎn)型測量與工作臺直線運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，間接測量工作臺的直線位移。其測量精度取決于測量元件和機(jī)床傳動(dòng)鏈兩者的精度。1增量式測量與絕對式測量 按照檢測裝置的編碼方式可分為增量式測量和絕對式測量。（1）增量式測量 增量式測量是只測

6、量位移增量，即工作臺每移動(dòng)一個(gè)基本單位長度單位，測量裝置便發(fā)出一個(gè)測量信號，此信號通常是脈沖形式。 上一頁下一頁返回2.1 概述其優(yōu)點(diǎn)是檢測裝置比較簡單，能做到高精度，任何一個(gè)對中點(diǎn)均可作為測量起點(diǎn)，其缺點(diǎn)是一旦計(jì)數(shù)有誤，此后結(jié)果全錯(cuò)。發(fā)生故障時(shí)，事故排除后，再也找不到正確位置。典型的增量式測量裝置有光柵和增量式光電編碼器。 （2）絕對式測量 絕對式測量是被測的任一點(diǎn)的位置都由一個(gè)固定的零點(diǎn)算起，每一測量點(diǎn)都有一對應(yīng)的測量值，常以數(shù)據(jù)形式表示。典型的絕對式測量裝置有接觸式編碼器和絕對式光電編碼器。 上一頁下一頁返回2.1 概述2直接測量與間接測量 （1）直接測量 對機(jī)床的直線位移采用直線型檢測

7、裝置檢測，稱為直接測量。直接測量的精度主要取決于測量元件的精度，不受機(jī)床傳動(dòng)裝置的直接影響，但檢測裝置要與行程等長，這對大型數(shù)控機(jī)床來說，是一個(gè)很大的限制。典型的直接測量裝置有光柵、感應(yīng)同步器、磁尺和編碼器。（2）間接測量 對機(jī)床直線位移采用回轉(zhuǎn)型檢測元件測量，稱為間接測量。間接測量的精度取決于檢測裝置和機(jī)床對傳動(dòng)鏈兩者的精度，但間接測量無長度限制。典型的間接測量裝置有編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器。 上一頁下一頁返回2.1 概述3數(shù)字式測量與模擬式測量 （1）數(shù)字式測量 數(shù)字式測量以量化后的數(shù)字形式表示被測的量。其特點(diǎn)是測量裝置簡單，信號抗干擾能力強(qiáng)；被測量量化后轉(zhuǎn)換成脈沖個(gè)數(shù)，便于顯示處理；測量精度取

8、決于測量單位，與量程基本無關(guān)。典型的數(shù)字式測量裝置有光電編碼器、接觸式編碼器和光柵。 （2）模擬式測量 模擬式測量是將被測的量用連續(xù)的變量表示，如用電壓變化、相位變化來表示。在大量程內(nèi)作精確的模擬式檢測，在技術(shù)上有較高的要求，數(shù)控機(jī)床中模擬式測量主要用于小量程測量且實(shí)現(xiàn)高精度測量。其特點(diǎn)是直接對被測量進(jìn)行檢測，無需量化；在小量程內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)高精度測量；可用于直接檢測和間接檢測。典型的模擬式測量裝置有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器和磁柵。 上一頁下一頁返回2.1 概述4接觸式測量與非接觸式測量 （1）接觸式測量 接觸式測量的測量傳感器與被測對象間存在著機(jī)械聯(lián)系，因此機(jī)床本身的變形、振動(dòng)等因素會對測量產(chǎn)生一

9、定的影響。典型的接觸式測量裝置有光柵、磁柵、感應(yīng)同步器和接觸式編碼器。 （2）非接觸式測量 非接觸式測量的傳感器與被測對象間是分離的，不發(fā)生機(jī)械聯(lián)系。典型的非接觸式測量裝置有雙頻激光干涉儀和光電式編碼器。 上一頁返回2.2 編碼器（碼盤） 編碼器又稱編碼盤或碼盤，是一種旋轉(zhuǎn)式測量元件，通常安裝在被檢測軸上，隨被測軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，可將被測軸的機(jī)械角位移轉(zhuǎn)換成增量脈沖形式或絕對式的代碼形式。它具有精度高、結(jié)構(gòu)緊湊和工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，常在半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中作為角位移數(shù)字式檢測元件。如圖2-2所示為編碼器與主軸安裝的兩種形式（即同軸和異軸安裝），主要作用是當(dāng)數(shù)控機(jī)床加工螺紋時(shí)，用編碼器作為主軸位置信號的反饋元

10、件，將發(fā)出的主軸轉(zhuǎn)角位置變化信號輸送給計(jì)算機(jī)，控制機(jī)床縱向或橫向電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)螺紋加工的目的。 下一頁返回2.2 編碼器（碼盤）編碼器根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式可分為接觸式、光電式和電磁式三種形式，其中光電式編碼器的精度和可靠性都優(yōu)于其他兩種，因而廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床上。另外，按照每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)的多少又分為2000/r、2500/r、3000/r、4000/r等多種型號。根據(jù)數(shù)控機(jī)床滾珠絲杠的螺距來選用不同型號的編碼器。 2.2.1 光電式編碼器 光電式編碼器是一種光電式非接觸式轉(zhuǎn)角檢測裝置。碼盤用透明及不透明區(qū)域按一定編碼構(gòu)成。根據(jù)其編碼方式不同，可分為增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器。 上一

11、頁下一頁返回2.2 編碼器（碼盤）光電編碼器利用光電原理把機(jī)械角位移變換成電脈沖信號，是數(shù)控機(jī)床最常用的位置檢測元件。光電編碼器按輸出信號與對應(yīng)位置的關(guān)系，通常分為增量式光電編碼器、絕對式光電編碼器和混合式光電編碼器。1光電式編碼器的結(jié)構(gòu) 如圖2-3所示為光電脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)。它由電路板、圓光柵、指示光柵、軸、光敏元件、光源和連接法蘭等組成。 其中，圓光柵是在一個(gè)圓盤的周圍上刻有相等間距的線紋，分為透明和不透明的部分，圓光柵和工作軸一起旋轉(zhuǎn)。與圓光柵相對平行地放置一個(gè)固定的扇形薄片，稱為指示光柵，上面刻有相差1/4節(jié)距的兩個(gè)狹縫和一個(gè)零位狹縫。光電編碼器通過十字連接頭或鍵與伺服電機(jī)相連。它的法

12、蘭固定在電機(jī)端面上，罩上防塵罩，構(gòu)成一個(gè)完整的檢測裝置。 上一頁下一頁返回2.2 編碼器（碼盤）2光電編碼器的工作原理 （1）增量式光電編碼器的工作原理增量式光電編碼器能夠把回轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)角速度準(zhǔn)確測量出來，然后通過光電轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖數(shù)字量，然后由微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)或計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)得到角位移或直線位移量。絕對式光電脈沖編碼器可將被測轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的代碼來指示絕對位置而沒有累計(jì)誤差，是一種直接編碼式的測量裝置。 上一頁下一頁返回2.2 編碼器（碼盤）如圖2-4（a）所示為光電編碼器實(shí)物圖例，如圖2-4（b）所示為增量式光電編碼器測量系統(tǒng)的原理圖。在碼盤的邊緣上設(shè)有間距相等的透光

13、縫隙，碼盤的兩側(cè)分別安裝光源與光敏元件（光電池、光敏三極管等）。當(dāng)碼盤隨被測軸一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，每轉(zhuǎn)過一個(gè)縫隙就有一次光線的明暗變化，投射到光敏元件上的光強(qiáng)就發(fā)生變化，光敏元件把光線的明暗變化轉(zhuǎn)變成電信號的變化。然后，經(jīng)放大、整形處理后，輸出脈沖信號。脈沖的個(gè)數(shù)就等于轉(zhuǎn)過的縫隙數(shù)。如果將脈沖信號送到計(jì)數(shù)器中計(jì)數(shù)，就可以測出碼盤轉(zhuǎn)過的角度。測出單位時(shí)間內(nèi)脈沖的數(shù)目，就可以求出碼盤的旋轉(zhuǎn)速度。 上一頁下一頁返回2.2 編碼器（碼盤）在圖2-4中，因測得的角度值都是相對于上一次讀數(shù)的增量值，所以是一種增量式角位移檢測裝置。其輸出的信號是脈沖，通過計(jì)量脈沖的數(shù)目和頻率，即可測出被測軸的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。由于增量式

14、光電編碼器每轉(zhuǎn)過一個(gè)分辨角就發(fā)出一個(gè)脈沖信號，由此可得出如下結(jié)論： 根據(jù)脈沖的數(shù)目可得出工作軸的回轉(zhuǎn)角度，然后由傳動(dòng)比換算為直線位移距離；根據(jù)脈沖的頻率可得工作軸的轉(zhuǎn)速；根據(jù)光欄板上兩條狹縫中信號的先后順序（相位）可判別光電編碼盤的正反轉(zhuǎn)。 上一頁下一頁返回2.2 編碼器（碼盤）此外，在光電編碼器的內(nèi)圈還增加一條透光條紋Z，每轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個(gè)零位脈沖信號。在進(jìn)給電動(dòng)機(jī)所用的光電編碼器上，零位脈沖用于精確確定機(jī)床的參考點(diǎn)，而在主軸電動(dòng)機(jī)上，則可用于主軸準(zhǔn)停以及螺紋加工等。 進(jìn)給電動(dòng)機(jī)常用增量式光電編碼器的分辨率有2000p/r、2024p/r、2500p/r等。目前，光電編碼器每轉(zhuǎn)可發(fā)出數(shù)萬至數(shù)百萬個(gè)

15、方波信號，因此可滿足高精度位置檢測的需要。上一頁下一頁返回2.2 編碼器（碼盤）光電編碼器的安裝有兩種形式，一種是安裝在伺服電機(jī)的非輸出軸端稱為內(nèi)裝式編碼器，用于半閉環(huán)控制；另一種是安裝在傳動(dòng)鏈末端，稱為外置式編碼器，用于閉環(huán)控制。光電編碼器安裝要保證連接部位可靠、不松動(dòng)，否則會影響位置檢測精度，引起進(jìn)給運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定，機(jī)床產(chǎn)生振動(dòng)。 （2）絕對式光電編碼器的工作原理 絕對式光電編碼器的光盤上有透光和不透光的編碼圖案，編碼方式可以有二進(jìn)制編碼、二進(jìn)制循環(huán)編碼、二至十進(jìn)制編碼等。絕對式光電編碼器通過讀取編碼盤上的編碼圖案來確定位置。 上一頁下一頁返回2.2 編碼器（碼盤）如圖2-5所示為絕對式光電編

16、碼器原理圖，圖2-5（b）是結(jié)構(gòu)圖。在圖2-5（a）中，碼盤上有四條碼道。碼道就是碼盤上的同心圓。按照二進(jìn)制分布規(guī)律，把每條碼道加工成透明和不透明相間的形式。碼盤的一側(cè)安裝光源，另一側(cè)安裝一排徑向排列的光電管，每個(gè)光電管對準(zhǔn)一條碼道。當(dāng)光源照射碼盤時(shí)，如果是透明區(qū)，則光線被光電管接受，并轉(zhuǎn)變成電信號，輸出信號為“1”；如果不是透明區(qū)，光電管接受不到光線，輸出信號為“0”。被測軸帶動(dòng)碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，光電管輸出的信息就代表了軸的相應(yīng)位置，即絕對位置。 上一頁下一頁返回2.2 編碼器（碼盤）絕對式光電編碼器轉(zhuǎn)過的圈數(shù)則由RAM保存，斷電后由后備電池供電，保證機(jī)床的位置即使斷電或斷電后又移動(dòng)過也能夠正確的

17、記錄下來。因此采用絕對式光電編碼器進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)只要出廠時(shí)建立過機(jī)床坐標(biāo)系，則以后就不用再做回參考點(diǎn)的操作，而保證機(jī)床坐標(biāo)系一直有效。絕對式光電編碼器與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置或數(shù)控裝置通常采用通訊的方式，反饋位置信息。 （3）編碼器正反轉(zhuǎn)辨別 隨著碼盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，光敏元件輸出的信號不是方波，而是近似正弦波。為了測出轉(zhuǎn)向，光欄板的兩個(gè)狹縫距離應(yīng)為m1/4p（p為碼盤兩個(gè)狹縫之間的距離即節(jié)距，m為任意整數(shù)），使兩個(gè)光敏元件的輸出信號相差/2相位。如圖2-6所示。 上一頁下一頁返回2.2 編碼器（碼盤）為了判別碼盤的旋轉(zhuǎn)方向，可在碼盤兩側(cè)再裝一套光電轉(zhuǎn)換裝置，兩套光電裝置在圓周方向錯(cuò)開p/4節(jié)距，它們分別用

18、A和B表示。兩套光電轉(zhuǎn)換裝置產(chǎn)生兩組近似于正弦波的電流信號IA和IB，兩者相位相差90，經(jīng)放大和整形電路處理后變成方波，如圖2-6所示。若電流IA的相位超前于IB，對應(yīng)電動(dòng)機(jī)為正向旋轉(zhuǎn)；若IB相超前于IA時(shí)，對應(yīng)電動(dòng)機(jī)為反向旋轉(zhuǎn)。若以該方波的前沿或后沿產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖，可以形成代表正向位移和反向位移的脈沖序列。 光電編碼器的優(yōu)點(diǎn)是沒有接觸磨損，碼盤壽命長，允許轉(zhuǎn)速高，精度較高。缺點(diǎn)為結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高，光源壽命短。 上一頁下一頁返回2.2 編碼器（碼盤）2.2.2 接觸式編碼器接觸式編碼器是一種絕對式檢測裝置，可直接把被測轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來，且每一個(gè)角度位置均有其對應(yīng)的測量代碼，因此這種測量方式

19、即使斷電或切斷電源，也能讀出轉(zhuǎn)動(dòng)角度。其特點(diǎn)是電刷與碼盤上導(dǎo)電區(qū)直接接觸，以測出碼盤的位置。接觸式編碼器的基體是絕緣體，碼道是一組同心圓，碼道的數(shù)目根據(jù)分辨率來決定。 如圖2-7所示為一個(gè)四位二進(jìn)制碼盤。它在一個(gè)不導(dǎo)電基體上做成許多金屬區(qū)使其導(dǎo)電，其中涂黑部分為導(dǎo)電區(qū)，用“1”表示；其它部分為絕緣區(qū)，用“0”表示。這樣，在每一個(gè)徑向上，都有由“1”、“0”組成的二進(jìn)制代碼。最里一圈是公用的，它和各碼道所有導(dǎo)電部分連在一起，經(jīng)電刷和電阻接電源正極。 上一頁下一頁返回2.2 編碼器（碼盤）除公用圈以外，四位二進(jìn)制碼盤的四圈碼道上也都裝有電刷，電刷經(jīng)電阻接地。由于碼盤是與被測轉(zhuǎn)軸連在一起的，而電刷位

20、置是固定的，則當(dāng)碼盤隨被測軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電刷和碼盤的位置發(fā)生相對變化，若電刷接觸的是導(dǎo)電區(qū)域，則經(jīng)電刷、碼道、電阻和電源形成回路，該回路中的電阻上有電流流過，為“1”；反之，若電刷接觸的是絕緣區(qū)域，則不能形成回路，電阻上無電流流過，為“0”。由此可根據(jù)電刷的位置得到由“1”、“0”組成的四位二進(jìn)制碼。碼道的圈數(shù)就是二進(jìn)制的位數(shù)，且高位在內(nèi)，低位在外。因此，若是n位二進(jìn)制碼盤，就有n圈碼道，且圓周均分2n等分，即共有2n個(gè)數(shù)據(jù)來分別表示其不同位置，所能分辨的角度（即分辨率）為 上一頁下一頁返回2.2 編碼器（碼盤）位數(shù)n越大，所能分辨的角度越小，測量精度就越高。所以，要提高分辨率，就必須提高碼道

21、數(shù)，即二進(jìn)制位數(shù)。目前接觸式編碼器一般可以做到9位二進(jìn)制。若要求位數(shù)更多，則采用組合碼盤，一個(gè)作為粗計(jì)碼盤，一個(gè)作為精計(jì)碼盤，精計(jì)碼盤轉(zhuǎn)一圈，粗計(jì)碼盤依次轉(zhuǎn)一格。另外，在實(shí)際應(yīng)用中對碼盤制作和電刷安裝要求十分嚴(yán)格，否則就會產(chǎn)生非單值性誤差。例如，當(dāng)電刷由（0111）向位置（1000）過渡時(shí)，若電刷安裝位置不準(zhǔn)或接觸不良，可能會出現(xiàn)815之間的任何一個(gè)十進(jìn)制數(shù)。這種誤差稱為非單值性誤差。為了消除這種非單值性誤差，可采用二進(jìn)制循環(huán)碼盤（格雷碼盤）。 上一頁下一頁返回2.2 編碼器（碼盤）如圖2-8所示為一個(gè)四位格雷碼盤。通過與圖2-7比較，其不同之處在于：它的各碼道并不同時(shí)改變，任何兩個(gè)相鄰數(shù)碼間

22、只有一位是變化的，所以每次只切換一位數(shù)，把誤差控制在最小單位內(nèi)。 將二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成格雷碼的法則是：將二進(jìn)制碼與其本身右移一位后并舍去末位的數(shù)碼作不進(jìn)位加法，得出的結(jié)果即為格雷碼（循環(huán)碼）。 上一頁下一頁返回2.2 編碼器（碼盤）例如：二進(jìn)制碼0101對應(yīng)的格雷碼為0111，演算過程如下： 0101 （二進(jìn)制碼） 010 （右移一位并舍去末位） 0111 （格雷碼）式中，表示無進(jìn)位相加。接觸式碼盤的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、體積小、輸出信號功率大。缺點(diǎn)是有磨損、壽命短且轉(zhuǎn)速不能太高。 上一頁下一頁返回2.2 編碼器（碼盤）2.2.3 電磁式編碼器 電磁式編碼器是在導(dǎo)磁圓盤上用腐蝕的方法做成一定的編碼圖形，

23、使導(dǎo)磁性有的地方高有的地方低。再用一個(gè)很小的馬蹄形磁芯作磁頭，上面繞兩組線圈，原邊用正弦電流激磁，由于副邊感應(yīng)電動(dòng)勢與整個(gè)磁路磁導(dǎo)有關(guān)，因而可以區(qū)分?jǐn)?shù)碼0或數(shù)碼1。這也是一種非接觸式編碼器，具有壽命長、轉(zhuǎn)速高等優(yōu)點(diǎn)，是一種比較有發(fā)展前途的碼盤。 上一頁返回2.3 光柵 光柵是一種最常見的測量裝置，是在玻璃或金屬基體上均勻刻劃很多等節(jié)距的線紋而制成。其制作工藝是在一塊長形玻璃上用真空鍍膜的方法鍍上一層不透光的金屬膜，再涂上一層均勻的感光材料，然后用照相腐蝕法制成等節(jié)距的透光和不透光相間的線紋，這些線紋與運(yùn)動(dòng)方向垂直，線紋間的距離為柵距，而單位長度上的線紋數(shù)目叫線紋密度。2.3.1 光柵的結(jié)構(gòu)和工

24、作原理 1光柵的結(jié)構(gòu) 光柵裝置的結(jié)構(gòu)由標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。光柵讀數(shù)頭由光源、透鏡、指示光柵、光敏元件和驅(qū)動(dòng)線路組成。如圖2-9（a）所示為直線光柵實(shí)物圖例，圖2-9（b）所示為垂直入射光柵讀數(shù)頭。 下一頁返回2.3 光柵在光柵測量中，通常由一長一短兩塊光柵尺配套使用，其中長的一塊稱為主光柵或標(biāo)尺光柵，固定在機(jī)床的活動(dòng)部件上，隨運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)，要求與行程等長。短的一塊稱為指示光柵，安裝在光柵讀數(shù)頭中，光柵讀數(shù)頭安裝在機(jī)床的固定部件上。兩光柵尺上的刻線密度均勻且相互平行放置，并保持一定的間隙（0.05mm或0.1mm）。如圖2-10所示為一光柵尺的簡單示意圖。 上一頁下一頁返回2.3 光

25、柵兩個(gè)光柵尺上均勻刻有很多條紋，從其局部放大部分來看，白的部分b為透光寬度，黑的部分a為不透光寬度，若P為柵距，則P=a+b。通常情況下，光柵尺刻線的不透光寬度和透光寬度是一樣的，即a：b =1：1。在圖2-9（b）中，標(biāo)尺光柵不屬于光柵讀數(shù)頭，但它要穿過光柵讀數(shù)頭，且保證指示光柵有準(zhǔn)確的位置對應(yīng)關(guān)系。標(biāo)尺光柵和指示光柵統(tǒng)稱為光柵尺。柵距與線紋密度互為倒數(shù)，常見的直線光柵線紋密度為50條/mm、100條/ mm和200條/mm。 上一頁下一頁返回2.3 光柵2、光柵的工作原理 如圖2-11所示的莫爾條紋。在安裝時(shí)，將兩塊柵距相同、黑白寬度相同的標(biāo)尺光柵和指示光柵刻線面平行放置，將指示光柵在其自

26、身平面內(nèi)傾斜一很小的角度，以便使它的刻線與標(biāo)尺光柵的刻線間保持一個(gè)很小的夾角。這樣，在光源的照射下，就形成了光柵刻線幾乎垂直的橫向明暗相同的寬條紋，即莫爾條紋。原因是由于光的干涉效應(yīng)，在a線附近，兩塊光柵尺的刻線相互重疊，光柵尺上的透光狹縫互不遮擋，透光性最強(qiáng)形成亮帶；在b線附近，兩塊光柵尺的刻線互相錯(cuò)開，一塊光柵尺的不透光部分剛好遮住另一光柵尺的透光部分，所以透光性最差，形成暗帶。 如圖2-12所示表示橫向莫爾條紋參數(shù)間的關(guān)系。 上一頁下一頁返回2.3 光柵其中 AB=W 因而由于值很小，上式可簡化成式中，單位為rad。 上一頁下一頁返回2.3 光柵2.3.2 光柵的種類 光柵的種類繁多，可

27、分為計(jì)量光柵和物理光柵；透射光柵和反射光柵等。 1物理光柵物理光柵刻線細(xì)且密，節(jié)距很小（200500條/mm），主要利用光的衍射現(xiàn)象。物理光柵常用于光譜分析和光波波長測定。 2計(jì)量光柵 計(jì)量光柵刻線較粗（25、50、100和250條/mm），主要是利用光的透射和反射現(xiàn)象。由于計(jì)量光柵應(yīng)用莫爾條紋原理，因而所測的位置精度相當(dāng)高，有很高的分辨率，很易做到0.1m的分辨率，最高分辨率可達(dá)0.025m。 上一頁下一頁返回2.3 光柵計(jì)量光柵按形狀可分為長光柵（測量直線位移）和圓光柵（測量角位移）。長光柵又稱直線光柵，用于直線位移測量；圓光柵是在玻璃圓盤的外環(huán)端面上，做成黑白間隔條紋，根據(jù)不同的使用要求

28、在圓周上的線紋數(shù)也不相同。圓光柵一般有三種形式：六十進(jìn)制、十進(jìn)制和二進(jìn)制，用于角位移測量。3透射光柵在玻璃的表面上制成透明與不透明間隔相等的線紋，稱為透射光柵。而玻璃透射光柵是在光學(xué)玻璃的表面上涂上一層感光材料或金屬鍍膜，再在涂層上刻出光柵條紋，用刻蠟、腐蝕、涂黑等辦法制成光柵條紋。光柵的幾何尺寸主要根據(jù)光柵線紋的長度和安裝情況具體確定。上一頁下一頁返回2.3 光柵其特點(diǎn)是：光源可以采用垂直入射，光電元件可直接接受光信號，因此信號幅度大，讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)簡單；每毫米上的線紋數(shù)多，一般常用的黑白光柵可做到每毫米100條線，再經(jīng)過電路細(xì)分，可做到微米級的分辨率。 根據(jù)光柵的工作原理，玻璃透射光柵可分為莫

29、爾條紋式和透射直線式光柵兩類。 （1）莫爾條紋式光柵 莫爾條紋式光柵應(yīng)用很普遍。莫爾條紋具有以下特點(diǎn) ：起平均誤差的作用放大作用莫爾條紋的移動(dòng)與柵距之間的移動(dòng)成正比 上一頁下一頁返回2.3 光柵（2）透射直線式光柵 透射直線式光柵由光源、長光柵（標(biāo)尺光柵）、短光柵（指示光柵）、光敏元件組成。當(dāng)兩塊光柵之間有相對移動(dòng)時(shí)，由光敏元件把兩光柵相對移動(dòng)產(chǎn)生的明暗變化轉(zhuǎn)換為電流變化。當(dāng)指示光柵的刻線與標(biāo)尺光柵的透明間隔完全重合時(shí)，光敏元件接收到的光通量最弱；當(dāng)指示光柵的刻線與標(biāo)尺光柵的刻線完全重合時(shí)，則光敏元件接收到的光通量最強(qiáng)。光敏元件接收到的光通量忽強(qiáng)忽弱，產(chǎn)生近似于正弦波的電流，再由電子線路轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

30、以數(shù)字顯示的位移量。 上一頁下一頁返回2.3 光柵4反射光柵 在金屬的鏡面上制成全反射與漫反射間隔相等的線紋，稱為反射光柵，也可以把線紋做成具有一定衍射角度的定向光柵。而金屬反射光柵是在鋼尺或不銹鋼帶的鏡面上用照相腐蝕工藝制作或用鉆石刀直接刻劃制作光柵條紋。其特點(diǎn)是標(biāo)尺光柵的線膨脹系數(shù)很容易做到與機(jī)床材料一致；標(biāo)尺光柵的安裝和調(diào)整比較方便；安裝面積較?。灰子诮娱L或制成整根的鋼帶長光柵；不易碰碎。目前常用的線紋數(shù)為4、10、25和40條/mm。 上一頁下一頁返回2.3 光柵2.3.3 光柵測量系統(tǒng) 1光柵測量的基本電路 光柵測量系統(tǒng)由光源、透鏡、光柵尺、光敏元件和一系列信號處理電路組成，如圖2-

31、13所示。信號處理電路又包括放大、整形和鑒向倍頻。通常情況下，除標(biāo)尺光柵與工作臺裝在一起隨工作臺移動(dòng)外，光源、透鏡、指示光柵、光敏元件和信號處理均裝在一個(gè)殼體內(nèi)，做成一個(gè)單獨(dú)部件固定在機(jī)床上，這個(gè)部件稱為光柵讀數(shù)頭，其作用是將莫爾條紋的光信號轉(zhuǎn)換成所需的電脈沖信號。讀數(shù)頭的結(jié)構(gòu)形式按光路來分有：分光讀數(shù)頭、垂直入射讀數(shù)頭和反射讀數(shù)頭。 上一頁下一頁返回2.3 光柵首先分析光柵移動(dòng)過程中位移量與各轉(zhuǎn)換信號的相互關(guān)系。當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)柵距，莫爾條紋便移動(dòng)一個(gè)節(jié)距。通常，光柵測量中的光敏元件常使用硅光電池，它的作用是將近似正弦的光強(qiáng)信號變?yōu)橥l率的電壓信號。但由于硅光電池產(chǎn)生電壓信號較弱，所以經(jīng)差動(dòng)放

32、大器放大到幅值足夠大的同頻率正弦波，再經(jīng)整形器變?yōu)榉讲?。由此可以看出，每產(chǎn)生一個(gè)方波，就表示光柵移動(dòng)了一個(gè)柵距。最后通過鑒向倍頻電路中的微分電路變?yōu)橐粋€(gè)窄脈沖。這樣，就變成了由脈沖來表示柵距，而通過對脈沖計(jì)數(shù)便可得到工作臺的移動(dòng)距離。當(dāng)然鑒向倍頻電路的作用不僅于此，它還起到辨別方向和細(xì)分的作用。 上一頁下一頁返回2.3 光柵2鑒向倍頻電路在光柵檢測裝置中，將光源來的平行光調(diào)制后作用于光電元件上，從而得到與位移成比例的電信號。當(dāng)光柵移動(dòng)時(shí)，從光電元件上將獲得一正弦電流。若僅用一個(gè)光電元件檢測光柵的莫爾條紋變化信號，只能產(chǎn)生一個(gè)正弦信號用做計(jì)數(shù)，不能分辨運(yùn)動(dòng)方向。為了辨別方向，至少要放置兩個(gè)光敏元

33、件，兩者相距1/4莫爾條紋節(jié)距，這樣當(dāng)莫爾條紋移動(dòng)時(shí)，將會得到兩路相位相差/2的波形。如圖2-14（a）所示，則光敏元件2上得到的波形信號S2比光敏元件1上得到的波形信號S1超前。反之，如圖2-14（b）則滯后。這兩路信號經(jīng)放大整形后送鑒向倍頻電路，由鑒向環(huán)節(jié)判別出其移動(dòng)方向。 上一頁下一頁返回2.3 光柵 為了提高光柵的分辨精度，除了增大刻線密度和提高刻線精度外，還可用倍頻的方法細(xì)分。倍頻細(xì)分中有4倍頻細(xì)分，所謂4倍頻細(xì)分就是從莫爾條紋原來的一個(gè)脈沖信號，變?yōu)樵?、/2、3/2都有脈沖輸出，從而使精度提高了4倍。實(shí)現(xiàn)4倍頻的方法是每隔1/4莫爾條紋節(jié)距放置一個(gè)硅光電池。 上一頁返回2.4 磁

34、柵 磁柵是一種錄有等節(jié)距磁化信號的磁性標(biāo)尺或磁盤，記錄一定波長的矩形波或正弦波磁信號。可用于數(shù)控系統(tǒng)的位置測量，其錄磁和拾磁原理與普通磁帶相似。在檢測過程中，磁頭讀取磁性標(biāo)尺上的磁化信號并把它轉(zhuǎn)換成電信號，然后通過檢測電路把磁頭相對于磁尺的位置送入計(jì)算機(jī)或數(shù)顯裝置。磁柵與光柵相比，測量精度略低一些。但它有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)： （1）制作簡單，安裝、調(diào)試方便，成本低。磁柵上的磁化信號錄制完，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）磁尺的長度可任意選擇，亦可錄制任意節(jié)距的磁信號。（3）耐油污、灰塵等，對使用環(huán)境要求低。 下一頁返回2.4 磁柵2.4.1 磁柵的結(jié)構(gòu)與工

35、作原理 磁柵測量裝置由磁性標(biāo)尺、讀取磁頭和檢測電路組成，如圖2-15所示為磁柵的結(jié)構(gòu)。按其結(jié)構(gòu)可分為線型、尺型和旋轉(zhuǎn)型三種形式。 1磁性標(biāo)尺磁性標(biāo)尺將一定節(jié)距的磁化信號用記錄磁頭記錄在磁性標(biāo)尺的磁膜上，作為測量基準(zhǔn)，測量時(shí)讀取磁頭將磁性標(biāo)尺上的磁化信號轉(zhuǎn)化為電信號，再送到檢測電路中，把磁頭相對于磁性標(biāo)尺的位置或位移量用數(shù)字顯示。磁性標(biāo)尺安裝調(diào)整方便，對使用環(huán)境的條件要求較低，對周圍磁場的抗干擾能力較強(qiáng)，在油污、粉塵較多的場合下使用有較好的穩(wěn)定性，具有精度高、復(fù)制簡單的優(yōu)點(diǎn)。 上一頁下一頁返回2.4 磁柵磁性標(biāo)尺一般采用非導(dǎo)磁材料做基體，在上面鍍上一層1030m厚的高導(dǎo)磁材料，形成均勻磁膜，再用

36、錄磁磁頭在尺上記錄相等節(jié)距的周期性磁化信號。用作測量基準(zhǔn)信號為正弦波、方波等，節(jié)距通常為0.05、0.1、0.2m，最后在磁尺表面還要涂上一層12m厚的保護(hù)層，以防磁尺與磁頭頻繁接觸而引起的磁膜磨損。2讀取磁頭 讀取磁頭是一種磁電轉(zhuǎn)換器，用來把磁柵上的磁化信號檢測出來變成電信號送給測量電路，其原理與錄音磁帶的原理相同。讀取磁頭可分為動(dòng)態(tài)磁頭和靜態(tài)磁頭。 上一頁下一頁返回2.4 磁柵靜態(tài)磁頭又稱為磁通響應(yīng)型磁頭，它在普通動(dòng)態(tài)磁頭上加有帶勵(lì)磁線圈的可飽和鐵芯，從而利用了可飽和鐵芯的磁性調(diào)制的原理。靜態(tài)磁頭可分為單磁頭、雙磁頭和多磁頭。由于用于位置檢測用的磁柵要求當(dāng)磁尺與磁頭相對運(yùn)動(dòng)速度很低或處于靜

37、止時(shí)亦能測量位移或位置，所以應(yīng)采用靜態(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)磁頭和磁柵有一定相對速度時(shí)才能讀取磁化信號，并有電壓信號輸出。這種磁頭用于錄音機(jī)、磁帶機(jī)的讀取磁頭，不能用來測量位移。 上一頁下一頁返回2.4 磁柵3檢測電路根據(jù)檢測方法的不同，亦可分為鑒相測量電路和鑒幅測量電路，以鑒相測量電路應(yīng)用較多。相位檢測以雙磁頭為例，給兩磁頭通以頻率相同、相位相差90的勵(lì)磁電壓，則在兩個(gè)磁頭的拾磁繞組中分別輸出感應(yīng)電壓U1和U2，將兩輸出信號求和后可得 從式中可以看出，輸出電壓隨磁頭相對于磁柵的位移x的變化而變化，因而根據(jù)U的相位的變化可以測定磁柵的位移x。如圖2

38、-16所示為磁柵相位檢測系統(tǒng)。 上一頁下一頁返回2.4 磁柵從圖2-16知，它由激振器發(fā)出的400KHZ脈沖信號，經(jīng)80分頻器分頻后得到50KHZ的勵(lì)磁信號，再經(jīng)濾波器變?yōu)檎倚盘柗殖蓛陕?，一路?jīng)功率放大器送到第一組磁頭勵(lì)磁線圈，另一路經(jīng)45移相后送入第二組磁頭勵(lì)磁線圈。兩磁頭獲得的信號輸出U1、U2送求和電路中相加，即得到相位按位移量變化的合成信號，該信號經(jīng)選頻方法、整形微分后變成10KHZ的方波，再與一相勵(lì)磁信號鑒相以及細(xì)分，即可得分辨力為5m的位移測量信號，送可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。 上一頁下一頁返回2.4 磁柵2.4.2 磁柵的工作原理 如圖2-17所示為單磁頭結(jié)構(gòu)，磁頭有兩組繞組，一組為拾磁

39、繞組，一組為勵(lì)磁繞組。在勵(lì)磁繞組中加一高頻的交變勵(lì)磁信號，則在鐵芯上產(chǎn)生周期性正反向飽和磁化，使磁芯的可飽和部分在每周期內(nèi)兩次被電流產(chǎn)生的磁場飽和。當(dāng)磁頭靠近磁尺時(shí)，磁尺上的磁通在磁頭氣隙處進(jìn)入鐵芯，并流過拾磁繞組的磁芯而產(chǎn)生感應(yīng)電壓輸出式中，k為耦合系數(shù)； 為磁通量的峰值； 為磁尺上磁化信號的節(jié)距； x為磁頭在磁尺上的位移量； 為勵(lì)磁電流的角頻率。 上一頁下一頁返回2.4 磁柵雙磁頭是為了識別磁柵的移動(dòng)方向而設(shè)置的，如圖2-18所示，兩磁頭按配置。由于單磁頭讀取磁性標(biāo)尺上的磁化信號輸出電壓很小，而且對磁尺上磁化信號的節(jié)距和波形要求高。因此，如圖2-19所示，可將多個(gè)磁頭以一定方式串聯(lián)起來形成

40、多間隙磁頭。這種磁頭放置時(shí)鐵芯平面與磁柵長度方向垂直，每個(gè)磁頭以相同間距放置。若將相鄰兩個(gè)磁頭的輸出繞組反相串接，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。 上一頁返回2.5 感應(yīng)同步器 感應(yīng)同步器是一種電磁感應(yīng)式的高精度的位移檢測裝置。它是利用兩個(gè)平面印刷電路繞組的互感隨其位置變化的原理制造的，用于檢測位移的傳感器。按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和用途可分為直線感應(yīng)同步器和圓感應(yīng)同步器。直線感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成，用于直線位移量的檢測；圓感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成，用于角度位移量的檢測。 2.5.1感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 1感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)

41、如圖2-20所示的直線感應(yīng)同步器，主要由定尺和滑尺組成。定尺是單向均勻感應(yīng)繞組，尺長一般為250mm，繞組節(jié)距2T通常為2mm。 下一頁返回2.5 感應(yīng)同步器滑尺上有兩組激磁繞組，一組稱為正弦激磁繞組，另一組稱為余弦激磁繞組，兩繞組節(jié)距與定尺相同，并相互錯(cuò)開1/4節(jié)距排列，一個(gè)節(jié)距相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)變壓器的一轉(zhuǎn)，這樣兩激磁繞組之間相差90電角度。2感應(yīng)同步器的特點(diǎn) 感應(yīng)同步器具有如下的特點(diǎn)： （1）精度高。感應(yīng)同步器直接對機(jī)床的位移進(jìn)行測量，測量結(jié)果只受本身精度的限制，定尺上感應(yīng)電壓信號為多周期的平均效應(yīng)，降低了繞組局部尺寸誤差的影響，達(dá)到了較高的測量精度，其直線精度一般為0.002mm/250mm。

42、 上一頁下一頁返回2.5 感應(yīng)同步器（2）對環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)。它是利用電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生信號，所以不怕油污，測量信號與絕對位置一一對應(yīng)，不易受到干擾。 （3）使用壽命長，安裝維修簡單。 （4）可用于長距離位移測量，適合于大中型機(jī)床使用。（5）工藝性好，成本低。定尺與滑尺繞組便于復(fù)制和成批生產(chǎn)。2.5.2 感應(yīng)同步器的工作原理 感應(yīng)同步器是基于電磁感應(yīng)現(xiàn)象工作的，如圖2-21所示。 上一頁下一頁返回2.5 感應(yīng)同步器定尺與滑尺相互平行安裝，并保持一定的間距，向滑尺通以交流激磁電壓，則在滑尺繞組中產(chǎn)生激磁電流，繞組周圍產(chǎn)生按正弦規(guī)律變化的磁場，由于電磁感應(yīng)，在定尺上感應(yīng)出感應(yīng)電壓，當(dāng)滑尺

43、與定尺間產(chǎn)生相對位移時(shí)，由于電磁耦合的變化，使定尺上感應(yīng)電壓隨位移的變化而變化。若在滑尺余弦繞組中通以交流勵(lì)磁電壓，也能在定子繞組中得到感應(yīng)電動(dòng)勢，感應(yīng)電動(dòng)勢則按正弦波形變化。 2.5.3 感應(yīng)同步器的工作方式 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。 1鑒相工作方式 上一頁下一頁返回2.5 感應(yīng)同步器鑒相工作方式是給滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別通以頻率相同、幅值相同但時(shí)間相位相差/2的交流勵(lì)磁電壓，即 若起始時(shí)正弦繞組與定尺的感應(yīng)繞組對應(yīng)重合，當(dāng)滑尺移動(dòng)時(shí)，滑尺與定尺的繞組不重合，則定尺繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為 上一頁下一頁返回2.5 感應(yīng)同步器式中，為耦

44、合系統(tǒng)；T為節(jié)距；為滑尺繞組相對于定尺繞組的空間相位角，即 ，當(dāng)滑尺移動(dòng)距離，則對應(yīng)的感應(yīng)電壓以余弦或正弦函數(shù)變化角度。 同理，由于余弦繞組與定尺繞組相差1/4節(jié)距，故在定尺繞組中的感應(yīng)電壓為 應(yīng)用疊加原理，定尺上感應(yīng)電壓為 上一頁下一頁返回2.5 感應(yīng)同步器從式中可以看出，在鑒相工作方式中，由于耦合系數(shù)、勵(lì)磁電壓幅值以及頻率均是常數(shù)，所以定尺的感應(yīng)電壓就只隨著空間相位角的變化而變化了。由此可以說明定尺的感應(yīng)電壓與滑尺的位移值有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，通過鑒別定尺感應(yīng)電壓的相位，即可測得滑尺和定尺間的相對位移。2鑒幅工作方式 鑒幅工作方式是給滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別通以相位相同、頻率相同但幅值不同

45、的交流勵(lì)磁電壓，即 上一頁下一頁返回2.5 感應(yīng)同步器式中，兩勵(lì)磁電壓的幅值分別為 則在定尺上的疊加感應(yīng)電壓為 上一頁下一頁返回2.5 感應(yīng)同步器若則在滑尺移動(dòng)中，在一個(gè)節(jié)距內(nèi)的任一 ， 點(diǎn)稱為節(jié)距零點(diǎn)。若改變滑尺位置， ，則在定尺上出現(xiàn)的感應(yīng)電壓為 令 ，則當(dāng) 很小時(shí)，定尺上的感應(yīng)電壓可近似表示為 上一頁下一頁返回2.5 感應(yīng)同步器又因?yàn)?所以 從式中可以看出，定尺感應(yīng)電壓 實(shí)際上是誤差電壓，當(dāng)位移增量 很小時(shí)，誤差電壓的幅值和 成正比，因此可以通過測量 的幅值來測定位移量 的大小。在鑒幅工作方式中，每當(dāng)改變一個(gè) 的位移增量 ，就有誤差電壓 ，當(dāng) 超過某一預(yù)先設(shè)定的門檻電平，就產(chǎn)生脈沖信號，

46、并用此修正勵(lì)磁信號 、 ，使誤差信號重新降低到門檻電平以下，這樣就把位移量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，實(shí)現(xiàn)了對位移的測量。 上一頁下一頁返回2.5 感應(yīng)同步器2.5.4 感應(yīng)同步器的測量系統(tǒng) 1鑒相測量系統(tǒng) 如圖2-22所示為感應(yīng)同步器鑒相測量系統(tǒng)框圖。此系統(tǒng)測量的前提是感應(yīng)同步器工作在鑒相工作狀態(tài)，這時(shí)感應(yīng)同步器將工作臺機(jī)械位移變?yōu)殡妷盒盘柕南辔蛔兓ㄟ^測量定尺電壓 ，經(jīng)放大濾波整形后作為實(shí)際相位 送鑒相器。CNC系統(tǒng)發(fā)出指令脈沖，經(jīng)脈沖-相位變換器轉(zhuǎn)換成相對于基準(zhǔn)相位 而變化的指令相位 ，即表示位移量的指令是以相位差角值給定的。其中 的大小取決于指令脈沖數(shù)， 隨時(shí)間變化的快慢取決于指令脈沖頻率，而其相

47、對于 的超前與滯后，則取決于指令方向（正向或反向）。 上一頁下一頁返回2.5 感應(yīng)同步器將脈沖-相位變換器輸出的基準(zhǔn)相位信號經(jīng)勵(lì)磁供電線路處理后，向感應(yīng)同步器滑尺的兩勵(lì)磁繞組供電，其過程為基準(zhǔn)相位 經(jīng) 移相，變?yōu)榉迪嗟取㈩l率相同、相位相差 的正弦、余弦信號，而后供給正弦、余弦繞組。由于正弦、余弦勵(lì)磁繞組是同一基準(zhǔn)相位 ，所以定尺繞組上所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢 的相位 則反映出兩者的相對位置。因此，將指令相位 和實(shí)際相位 在鑒相器中進(jìn)行比較，若兩者相一致，即 ，則表示感應(yīng)同步器的實(shí)際位置與給定指令位置相同， ，相位差為零，反之，若兩者位置不一致，則利用其產(chǎn)生的相位差作為伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制信號，控制執(zhí)

48、行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)工作臺向減小相位差的方向移動(dòng)。 上一頁下一頁返回2.5 感應(yīng)同步器2鑒幅測量系統(tǒng) 鑒幅測量系統(tǒng)是通過鑒別定尺繞組輸出的誤差信號的幅值來進(jìn)行位移測量的，其前提條件是感應(yīng)同步器必須工作在幅值工作狀態(tài)，即滑尺的正弦余弦繞組分別通以同頻、同相位但幅值不同的勵(lì)磁電壓，這就需要在測量過程中不斷調(diào)整電壓的幅值。由于幅值的變化是關(guān)于 的正、余弦函數(shù)，所以要不斷地修正 。而當(dāng)定尺和滑尺作相對移動(dòng)時(shí)，兩者繞組間的相對空間相位角 在不斷地改變，并且每移動(dòng)一個(gè)增量距離，便由測量電路發(fā)出一個(gè)脈沖，這些脈沖信號可不斷地自動(dòng)修改滑尺繞組的勵(lì)磁信號，從而使 不斷跟隨 而變化。如圖2-23所示為感應(yīng)同步器鑒幅測量系統(tǒng)

49、框圖。 上一頁下一頁返回2.5 感應(yīng)同步器由于感應(yīng)同步器定尺繞組輸出的誤差信號 比較微弱，所以要經(jīng)前置放大器放大到一定幅值后，送誤差變換器。誤差變換器有兩個(gè)作用，一是經(jīng)方向辨別后將表示方向正、負(fù)的符號送脈沖混合器；二是產(chǎn)生實(shí)際脈沖值。由于此環(huán)節(jié)包含有門檻電路，而門檻電平的整定是根據(jù)脈沖當(dāng)量確定的。一旦定尺上輸出的感應(yīng)電壓超過門檻值，便產(chǎn)生輸出脈沖。這些脈沖一方面作為實(shí)際位移值送脈沖混合器，另一方面作用于正弦余弦信號發(fā)生器上，修正勵(lì)磁電壓的幅值，使其滿足按 的正、余弦規(guī)律變化。脈沖混合器的作用是將由CNC裝置發(fā)出的指令脈沖與反饋回來的實(shí)際脈沖值進(jìn)行比較，得到系統(tǒng)的數(shù)字量位置誤差，后經(jīng)D/A變換器

50、轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，控制伺服機(jī)構(gòu)帶動(dòng)工作臺移動(dòng)。 上一頁返回2.6 旋轉(zhuǎn)變壓器 旋轉(zhuǎn)變壓器又稱同步分解器，屬于電磁式位置檢測傳感器，是一種測量角度用的小型交流電動(dòng)機(jī)，由定子和轉(zhuǎn)子組成。激磁電壓接到定子繞組上，激磁頻率通常為400Hz、500Hz、1000Hz與5000Hz。轉(zhuǎn)子繞組輸出感應(yīng)電壓，輸出電壓隨被測角位移的變化而變化。旋轉(zhuǎn)變壓器可單獨(dú)和滾珠絲杠相連，也可與伺服電機(jī)組成一體，以便提高檢測精度，但由于成本較高，在應(yīng)用上受到一定的限制。 2.6.1旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)變壓器一般用于精度要求不高的機(jī)床，其特點(diǎn)是堅(jiān)固、耐熱和耐沖擊，抗振性好，如圖2-24（a）所示為旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)物圖例。從轉(zhuǎn)子

51、感應(yīng)電壓的輸出方式來看，旋轉(zhuǎn)變壓器可分為有刷和無刷兩種類型。 下一頁返回2.6 旋轉(zhuǎn)變壓器目前數(shù)控機(jī)床中常用的是無刷旋轉(zhuǎn)變壓器。旋轉(zhuǎn)變壓器又分為單極和多極兩種形式，單極型的定子和轉(zhuǎn)子各有一對磁極，多極型有多對磁極。有刷旋轉(zhuǎn)變壓器定子與轉(zhuǎn)子上兩相繞組軸線分別互相垂直，轉(zhuǎn)子繞組的端點(diǎn)通過電刷與滑環(huán)引出；無刷旋轉(zhuǎn)變壓器如圖2-24（b）所示，由分解器與變壓器組成，無電刷和滑環(huán)。分解器結(jié)構(gòu)與有刷旋轉(zhuǎn)變壓器基本相同；變壓器的一次繞組在與分解器轉(zhuǎn)子軸固定在一起的線軸上，與轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動(dòng)，二次繞組繞在與轉(zhuǎn)子同心的定子軸線上。分解器定子線圈外接激磁電壓，轉(zhuǎn)子線圈輸出信號接到變壓器的一次繞組，從變壓器的二次繞組引

52、出最后的輸出信號。無刷旋轉(zhuǎn)變壓器的特點(diǎn)是：輸出信號大，可靠性高且壽命長，不用維修，更適合數(shù)控機(jī)床使用。 上一頁下一頁返回2.6 旋轉(zhuǎn)變壓器2.6.2 旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理 旋轉(zhuǎn)變壓器由定子和轉(zhuǎn)子組成。其中定子繞組作為變壓器的一次側(cè)接受勵(lì)磁電壓；轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的二次側(cè)，通過電磁耦合得到感應(yīng)電壓。旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理與普通變壓基本相似，區(qū)別在于普通變壓器的一次、二次繞組是相對固定的，所以輸出電壓和輸入電壓之比是常數(shù)，而旋轉(zhuǎn)變壓器的一次、二次繞組之間是隨轉(zhuǎn)子的角位移發(fā)生相對位置變化的，因而其輸出電壓的大小也隨之而變化。實(shí)際應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)變壓器為正、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，其定子與轉(zhuǎn)子各有互相垂直的兩個(gè)繞組，

53、如圖2-25所示。其中，定子上的兩個(gè)繞組分別為正弦繞組和余弦繞組，轉(zhuǎn)子繞組中的一個(gè)繞組為輸出電壓U2，另一個(gè)繞組接高阻抗作為補(bǔ)償，為轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角。 上一頁下一頁返回2.6 旋轉(zhuǎn)變壓器2.6.3 旋轉(zhuǎn)變壓器的工作方式 定子繞組通入不同的激磁電壓，可得到兩種不同的工作方式：相位工作方式和幅值工作方式。1相位工作方式 相位工作方式是給定子的兩個(gè)繞組通以相同幅值、相同頻率，但相位差為 /2的交流激磁電壓，則有 當(dāng)轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時(shí)，這兩個(gè)激磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，經(jīng)疊加后轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電壓U2為 上一頁下一頁返回2.6 旋轉(zhuǎn)變壓器式中 ：激磁電壓幅值 ：電磁耦合系數(shù)， 1 ：相位角，也即轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角 當(dāng)轉(zhuǎn)子

54、反轉(zhuǎn)時(shí)，同樣可得到 可見，轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角和轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角 之間有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，只要檢測出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角，就可以求得轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角，也就可得到被測軸的角位移（因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)上被測軸與旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子連接在一起）。 上一頁下一頁返回2.6 旋轉(zhuǎn)變壓器2幅值工作方式 幅值工作方式是給定子的正、余弦繞組上分別通以頻率相同、相位相同，但幅值分別為 和 的交流激磁電壓，則有 當(dāng)給定電氣角為 時(shí)，交流勵(lì)磁電壓幅值分別為 上一頁下一頁返回2.6 旋轉(zhuǎn)變壓器當(dāng)轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時(shí)， 、 經(jīng)疊加，在轉(zhuǎn)子上的感應(yīng)電壓 為當(dāng)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)時(shí)，同理有 可見，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓的幅值隨偏轉(zhuǎn)角而變化，測量出幅值即可求得偏轉(zhuǎn)角，被測軸的角位

55、移也就可求得了。 上一頁返回2.7 測速發(fā)電機(jī) 測速發(fā)電機(jī)是一種旋轉(zhuǎn)式速度檢測元件，可將輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)速變?yōu)殡妷盒盘栞敵?，在?shù)控系統(tǒng)的速度控制單元和位置控制單元中都得到應(yīng)用。尤其是常作為伺服電動(dòng)機(jī)的檢測傳感器，將伺服電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為輸出電壓或輸出脈沖與給定電壓或參考頻率進(jìn)行比較后，發(fā)出速度控制信號，以調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。為了準(zhǔn)確反映伺服電動(dòng)的轉(zhuǎn)速，就要求測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓與轉(zhuǎn)速嚴(yán)格成正比。測速發(fā)電機(jī)分為直流測速發(fā)電機(jī)和交流測速發(fā)電機(jī)。 下一頁返回2.7 測速發(fā)電機(jī)一測速發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流測速發(fā)電機(jī)是一種直流發(fā)電機(jī)，其定子、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和直流伺服電機(jī)基本相同。如果按定子磁極的勵(lì)磁來分，可以分為電

56、磁式和永磁式兩大類。直流測速發(fā)電機(jī)的工作原理與一般直流發(fā)電機(jī)相同，如圖2-26所示。 在恒定磁場中，旋轉(zhuǎn)的電樞繞組切割磁通，并產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，使測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓與轉(zhuǎn)速嚴(yán)格成正比。如圖2-27（a）為理想情況下直流測速發(fā)電機(jī)在帶負(fù)載時(shí)的輸出特性。可以看出，對于不同的負(fù)載電阻，測速發(fā)電機(jī)的輸出特性的斜率也有所不同，它隨負(fù)載的減小而降低。 上一頁下一頁返回2.7 測速發(fā)電機(jī) 而實(shí)際運(yùn)行中，直流測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓與轉(zhuǎn)速間并不能嚴(yán)格保證正比關(guān)系。這是因?yàn)榧由县?fù)載后，直流測速發(fā)電機(jī)電樞反映的去磁作用消弱了磁場磁通，磁通不再是常數(shù)，它隨負(fù)載的大小而改變。這樣測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓就不再和轉(zhuǎn)速n嚴(yán)格成正比

57、，其輸出特性如圖2-27（b）中的虛線所示。另一個(gè)原因是因?yàn)殡娝⒌慕佑|壓降，使得發(fā)電機(jī)在低速時(shí)輸出電壓變得很小，導(dǎo)致在這個(gè)低速范圍內(nèi)測速發(fā)電機(jī)雖有轉(zhuǎn)速輸入信號，但輸出電壓很小。為了改善其輸出特性，常常相應(yīng)地采取某些措施。 上一頁下一頁返回2.7 測速發(fā)電機(jī)二測速發(fā)電機(jī)的特點(diǎn) 直流測速發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是易于得到線性的輸出特性而無相位誤差，因此適用于許多自控系統(tǒng)。缺點(diǎn)是換向器與電刷相對滑動(dòng)接觸，易造成機(jī)械磨損。在數(shù)控系統(tǒng)中，測速發(fā)電機(jī)常用于伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速測量。在檢測時(shí)，往往與伺服電動(dòng)機(jī)同軸接在一起，其輸出電壓可作為轉(zhuǎn)速反饋的模擬信號，送至比較環(huán)節(jié)與給定信號比較，再發(fā)出速度控制信號，以調(diào)節(jié)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速

58、。 上一頁返回2.8 激光在機(jī)床位置檢測上的應(yīng)用 在高精度的磨床、鏜床和坐標(biāo)測量機(jī)上，要求有高精度的機(jī)床位置檢測裝置以及定位系統(tǒng)，此時(shí)經(jīng)常使用雙頻激光干涉儀作為機(jī)床的測量裝置，而在精密機(jī)床上，高精度的雙頻激光干涉測量系統(tǒng)是精密位置測量的決定性因素。雙頻激光干涉儀是利用光的干涉原理和多普勒效應(yīng)來進(jìn)行位置檢測的。 2.8.1 激光干涉法測距 光的干涉原理表明：兩列具有固定相位差，且具有相同頻率、相同振動(dòng)方向或振動(dòng)方向之間夾角很小的光互相交疊，將會產(chǎn)生干涉。 下一頁返回2.8 激光在機(jī)床位置檢測上的應(yīng)用激光干涉儀中光的干涉現(xiàn)象如圖2-28所示。由激光器發(fā)出的激光經(jīng)分光鏡A分成反射光束S1和透射光束S2，S1由固定反射鏡M1反射，S2由可動(dòng)反射鏡M2反射，反射回來的光在分光鏡匯合成相干光束。激光干涉儀利用這一原理使