數(shù)控原理與系統(tǒng)之位置檢測裝置

第六章位置檢測裝置第一節(jié)概述第二節(jié)光電編碼器第三節(jié)光柵第四節(jié)感應(yīng)同步器

第一節(jié)概述一、位置檢測裝置的作用與要求

位置檢測裝置是數(shù)控機床的重要組成部分。在閉環(huán)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，它的主要作用是檢測位移和速度，并發(fā)出反饋信號，構(gòu)成閉環(huán)或半閉環(huán)控制。數(shù)控機床對位置檢測裝置的要求如下：

（1）

工作可靠，抗干擾能力強；（2）

滿足精度和速度的要求；（3）易于安裝，維護方便，成本低。

第一節(jié)概述二、位置檢測裝置的分類

位置檢測裝置按工作條件和測量要求不同，有下面幾種分類方法：

（一）

絕對式測量和增量式測量

1.增量式測量

在輪廓控制數(shù)控機床上多采用這種測量方式，增量式測量只測相對位移量，如測量單位為0.001mm，則每移動0.001mm就發(fā)出一個脈沖信號，其優(yōu)點是測量裝置較簡單，任何一個對中點都可以作為測量的起點，而移距是由測量信號計數(shù)累加所得，但一旦計數(shù)有誤，以后測量所得結(jié)果完全錯誤。

第一節(jié)概述

2.絕對式測量

絕對式測量裝置對于被測量的任意一點位置均由固定的零點標起，每一個被測點都有一個相應(yīng)的測量值。測量裝置的結(jié)構(gòu)較增量式復(fù)雜，如編碼盤中，對應(yīng)于碼盤的每一個角度位置便有一組二進制位數(shù)。顯然，分辨精度要求愈高，量程愈大，則所要求的二進制位數(shù)也愈多，結(jié)構(gòu)就愈復(fù)雜。

（二）數(shù)字式測量和模擬式測量

1.

數(shù)字式測量

它是將被測的量以數(shù)字形式來表示，測量信號一般為脈沖，可以直接把它送到數(shù)控裝置進行比較、處理。信號抗干擾能力強、處理簡單。

第一節(jié)概述

2.

模擬量測量

它是將被測的量用連續(xù)變量來表示，如電壓變化、相位變化等。它對信號處理的方法相對來說比較復(fù)雜。

（三）直接測量和間接測量

1.

直接測量

直接測量是將直線型檢測裝置安裝在移動部件上，用來直接測量工作臺的直線位移，作為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋信號，而構(gòu)成位置閉環(huán)控制。其優(yōu)點是準確性高、可靠性好，缺點是測量裝置要和工作臺行程等長，所以在大型數(shù)控機床上受到一定限制。

第一節(jié)概述

2.

間接測量

它是將旋轉(zhuǎn)型檢測裝置安裝在驅(qū)動電機軸或滾珠絲杠上，通過檢測轉(zhuǎn)動件的角位移來間接測量機床工作臺的直線位移，作為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋用。優(yōu)點是測量方便、無長度限制。缺點是測量信號中增加了由回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動的傳動鏈誤差，從而影響了測量精度。表6-1常用位置檢測裝置

數(shù)字式模擬式旋轉(zhuǎn)式圓光柵、光電編碼器旋轉(zhuǎn)(多極)變壓器、圓型感應(yīng)同步器直線式直線光柵、編碼尺直線型感應(yīng)同步器、磁柵、絕對式磁尺

第二節(jié)光電編碼器

光電編碼器也稱脈沖編碼器，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，是數(shù)控機床上使用很廣泛的位置檢測裝置。脈沖編碼器可分為增量式與絕對式兩類。

一、增量式脈沖編碼器

增量式脈沖編碼器分光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式三種。就精度和可靠性來講，光電式脈沖編碼器優(yōu)于其它兩種，它的型號是用脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)（p/r）來區(qū)分，數(shù)控機床常用2000、2500、3000p/r等，現(xiàn)在已有每轉(zhuǎn)發(fā)10萬個脈沖的脈沖編碼器。脈沖編碼器除用于角度檢測外，還可以用于速度檢測。

第二節(jié)光電編碼器

光電式脈沖編碼器通常與電機做在一起，或者安裝在電機非軸伸端，電動機可直接與滾珠絲杠相連，或通過減速比為i的減速齒輪，然后與滾珠絲杠相連，那么每一個脈沖對應(yīng)機床工作臺移動的距離可用下式計算：式中—脈沖當量（mm/脈沖）；S—滾珠絲杠的導程（mm）；i—減速齒輪的減速比；M—脈沖編碼器每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)（p/r）。

第二節(jié)光電編碼器

光電式脈沖編碼器，它由光源、聚光鏡、光電盤、圓盤、光電元件和信號處理電路等組成（圖6-1）。光電盤是用玻璃材料研磨拋光制成，玻璃表面在真空中鍍上一層不透光的鉻，然后用照相腐蝕法在上面制成向心透光窄縫。透光窄縫在圓周上等分，其數(shù)量從幾百條到幾千條不等。圓盤也用玻璃材料研磨拋光制成，其透光窄縫為兩條，每一條后面安裝有一只光電元件。光電盤與工作軸連在一起，光電盤轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)過一個縫隙就發(fā)生一次光線的明暗變化，光電元件把通過光電盤和圓盤射來的忽明忽暗的光信號轉(zhuǎn)換為近似正弦波的電信號，經(jīng)過整形、放大、和微分處理后，輸出脈沖信號。通過記錄脈沖的數(shù)目，就可以測出轉(zhuǎn)角。測出脈沖的變化率，即單位時間脈沖的數(shù)目，就可以求出速度。

第二節(jié)光電編碼器圖6-1光電式脈沖編碼器結(jié)構(gòu)示意圖第二節(jié)光電電編碼器為了判斷旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)方向，圓盤盤的兩個窄縫縫距離彼此錯錯開1/4節(jié)節(jié)距，使兩個個光電元件輸輸出信號相位位差900。如圖6-2所示，A、B信號為具有900相位差的正弦弦波，經(jīng)放大大和整形變?yōu)闉榉讲ˋ1、B1。設(shè)A相比B相超前時為正正方向旋轉(zhuǎn)，，則B相超前A相就是負方向向旋轉(zhuǎn)，利用用A相與B相的相位關(guān)系系可以判別旋旋轉(zhuǎn)方向。此此外，在光電電盤的里圈不不透光圓環(huán)上上還刻有一條條透光條紋，，用以產(chǎn)生每每轉(zhuǎn)一個的零零位脈沖信號號，它使軸旋旋轉(zhuǎn)一周在固固定位置上產(chǎn)產(chǎn)生一個脈沖沖。第二節(jié)光電電編碼器電流AB節(jié)距ωtA1B1900圖6-2脈沖編碼器輸出波形第二節(jié)光電電編碼器

在數(shù)控機床上，光電脈沖編碼器作為位置檢測裝置，用在數(shù)字比較伺服系統(tǒng)中，將位置檢測信號反饋給CNC裝置。

圖6-3所示為辨向環(huán)節(jié)框圖和波形圖。脈沖編碼器輸出的交變信號經(jīng)過差分驅(qū)動和差分接收進入CNC裝置，再經(jīng)過整形放大電路變成二個方波系列。將和它的反向信號微分（上升沿微分）后得到和脈沖系列，作為加、減計數(shù)脈沖。路方波信號被用作加、減計數(shù)脈沖的控制信號，正走時（A超前B），由Y2門輸出加計數(shù)脈沖，此時Y1門輸出為低電平（圖6-3）；反走時（B超前A），由Y1門輸出減計數(shù)脈沖，此時Y2門輸出為低電平。這種讀數(shù)方式每次反映的都是相對于上一次讀數(shù)的增量，而不能反映轉(zhuǎn)軸在空間的絕對位置，所以是增量讀數(shù)法。第二節(jié)光電電編碼器光電脈沖編碼碼器用于數(shù)字字脈沖比較伺伺服系統(tǒng)(圖6-4)的工作原理如如下：光電脈脈沖編碼器與與伺服電機的的轉(zhuǎn)軸連接，，隨著電機的轉(zhuǎn)動產(chǎn)產(chǎn)生脈沖序列列，其脈沖的的頻率將隨著著轉(zhuǎn)速的快慢慢而升降。若工作臺臺靜止，指令令脈沖和反饋饋脈沖都為零零，兩路脈沖沖送入數(shù)字脈沖比較較器中進行比比較，結(jié)果輸輸出也為零。。因伺服電機機的速度給定為零，，工作臺依然然不動。隨著著指令脈沖的的輸出，指令令脈沖不為零，在工工作臺尚未移移動之前，反反饋脈沖仍為為零，比較器器輸出指令信號與反反饋信號的差差值，經(jīng)放大大后，驅(qū)動電電機帶動工作作臺移動。電機運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)后，光電脈脈沖編碼器將將輸出反饋脈脈沖送入比較較器，與指令脈沖進進行比較，如如果偏差不為為零，工作臺臺繼續(xù)移動，，不斷反饋，直到偏偏差為零，即即反饋脈沖數(shù)數(shù)等于指令脈脈沖數(shù)時，工工作臺停在指令規(guī)定定的位置上。。第二節(jié)光電電編碼器差分整形放大Y1微分差分整形放大Y21微分減計數(shù)加計數(shù)abcde圖6-3辨向環(huán)節(jié)框圖和波形圖第二節(jié)光電電編碼器圖6-3辨向環(huán)節(jié)框圖和波形圖第二節(jié)光電電編碼器圖6-4數(shù)字比較伺服系統(tǒng)第二節(jié)光電電編碼器二、絕對式編編碼器絕對式編碼器器是一種旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)式檢測裝置置，可直接把把被測轉(zhuǎn)角用用數(shù)字代碼表表示出來，且且每一個角度度位置均有其其對應(yīng)的測量量代碼，它能能表示絕對位位置，沒有累累積誤差，電電源切除后，，位置信息不不丟失，仍能能讀出轉(zhuǎn)動角角度。絕對式式編碼器有光光電式、接觸觸式和電磁式式三種，以接接觸式四位絕絕對編碼器為為例來說明其其工作原理。。第二節(jié)光電電編碼器圖6-5四位二進制編編碼盤a)b)第二節(jié)光電電編碼器如圖6-5a所示為二進制制碼盤。它在在一個不導電電基體上作成許多金屬屬區(qū)使其導電電，其中有剖剖面線部分為為導電區(qū)，用用“1”表示；其它部分分為絕緣區(qū)，，用“0”表表示。每一徑徑向，由若干干同心圓組成成的圖案代表了了某一絕對計計數(shù)值，通常常，我們把組組成編碼的各各圈稱為碼道，碼盤最最里圈是公用用的，它和各各碼道所有導導電部分連在在一起，經(jīng)電刷和電阻阻接電源負極極。在接觸式式碼盤的每個個碼道上都裝裝有電刷，電刷經(jīng)電阻接接到電源正極極（圖6-5b）。當檢測對象帶帶動碼盤一起起轉(zhuǎn)動時，電刷和和碼盤的相對對位置發(fā)生變變化，與電刷刷串聯(lián)的電阻阻將會出現(xiàn)有電流通過過或沒有電流流通過兩種情情況。若回路路中的電阻上上有電流通過，為“1”；反之，，電刷接觸的的是絕緣區(qū)，，電阻上無電電流通過，為為“0”。如果果碼盤順時針針轉(zhuǎn)動，就可可依次得到按按規(guī)定編碼的的數(shù)字信號輸輸出，圖示為4位二進制碼碼盤，根據(jù)電電刷位置得到到由“1”和和“0”組成成的二進制碼，輸出出為0000、0001、0010……1111。第二節(jié)光電電編碼器由圖6-5可以看出，碼碼道的圈數(shù)就就是二進制的的位數(shù)，且高高位在內(nèi)，低低位在外。其其分辨角θ＝360o/24=22.5o，若是n位二進制碼盤盤，就有n圈碼道，分辨辨角θ＝360o/2n，碼盤位數(shù)越大大，所能分辨辨的角度越小小，測量精度度越高。若要要提高分辨力力，就必須增增多碼道，即即二進制位數(shù)數(shù)增多。目前前接觸式碼盤盤一般可以做做到9位二進進制，光電式式碼盤可以做做到18位二二進制。用二進制代碼碼做的碼盤，，如果電刷安安裝不準，會會使得個別電電刷錯位，而而出現(xiàn)很大的的數(shù)值誤差。。如圖6-5a，當電刷由位置置0111向向1000過過渡時，可能能會出現(xiàn)從8（1000）到15（（1111））之間的讀數(shù)數(shù)誤差，一般般稱這種誤差差為非單值性性誤差。為消消除這種誤差差，可采用葛葛萊碼(格雷雷碼)盤。第二節(jié)光電電編碼器圖6-6a葛萊碼盤

b四位二進制碼盤非單值性誤差第二節(jié)光電電編碼器圖6-6為葛萊碼盤，，其各碼道的的數(shù)碼不同時時改變，任何何兩個相鄰數(shù)數(shù)碼間只有一一位是變化的的，每次只切切換一位數(shù)，，把誤差控制制在最小范圍圍內(nèi)。二進制制碼轉(zhuǎn)換成葛葛萊碼的法則則是：將二進進制碼右移一一位并舍去末末位的數(shù)碼，，再與二進制制數(shù)碼作不進進位加法，結(jié)結(jié)果即為葛萊萊碼。例如:二進制制碼1101對應(yīng)的葛萊萊碼為1011，其演算算過程如下：：1101（（二進制碼））1101（不不進位相加，，舍去末位））1011（（葛萊碼）第二節(jié)光電電編碼器碼盤分辨率與碼道的圈數(shù)n有關(guān)，即：

顯然，碼道的數(shù)目越多，分辨率也越高（可分辨的角度越?。?。示例（P113例）編碼器在數(shù)控機床中的應(yīng)用（自學P114）第三節(jié)光柵柵一、光柵的種種類光柵種類較多多。按用途分為物物理光柵和計計量光柵，物理光柵通通常用于光譜譜分析和光波波波長測定；；根據(jù)光線在光光柵中是透射射還是反射分分為透射光柵柵和反射光柵柵，透射光柵分分辨率較反射射光柵高，其其檢測精度可可達1μm以上；從形狀上看，，又可分為圓圓光柵和直線線光柵，圓光柵用于于測量轉(zhuǎn)角位位移，直線光光柵用于檢測測直線位移。。兩者工作原原理基本相似似。本節(jié)著重介紹紹一種應(yīng)用比比較廣泛的透透射式直線光光柵。直線光柵通常常包括一長和和一短兩塊配配套使用，其其中長的稱為為標尺光柵或或長光柵，一一般固定在機機床移動部件件上，要求與與行程等長。。短的為指示示光柵或短光光柵，裝在機機床固定部件件上。兩光柵柵尺是刻有均均勻密集線紋紋的透明玻璃璃片，線紋密密度為25、、50、100、250條/mm等。線紋之間間距離相等，，該間距稱為為柵距，測量量時它們相互互平行放置，，并保持0.05~0.1mm的間隙。第三節(jié)光柵柵二、工作原理

當指示光柵上的線紋與標尺光柵上的線紋成一小角度放置時，兩光柵尺上線紋互相交叉。在光源的照射下，交叉點附近的小區(qū)域內(nèi)黑線重疊，形成黑色條紋，其它部分為明亮條紋，這種明暗相間的條紋稱為莫爾條紋。莫爾條紋與光柵線紋幾乎成垂直方向排列。嚴格地說，是與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直。莫爾條紋具有如下特點：

1.放大作用用B（mm）表示莫爾(黑白)條紋的間距，W(mm)表示柵距，(rad)為光柵線紋之間的夾角，如圖6--7所示則有

莫爾條紋間距B與角成反比，越小，B及放大倍數(shù)越大。第三節(jié)光柵柵BθW標尺光柵圖6-7莫爾條紋Wθ指示光柵第三節(jié)光柵柵圖6-7莫爾條紋B標尺光柵第三節(jié)光柵柵第三節(jié)光柵柵2.均化誤差作用用莫爾條紋是由由光柵的大量量刻線共同組組成，例如，，200條/mm的光柵，10mm寬的光柵就由由2000條條線紋組成，，這樣柵距之之間的固有相相鄰誤差就被被平均化了，，消除了柵距距之間不均勻勻造成的誤差差。3.莫爾條紋的移移動與柵距的的移動成比例例當光柵尺移動動一個柵距W時，莫爾條紋紋也剛好移動動了一個條紋紋寬度B。只要通過光電電元件測出莫莫爾條紋的數(shù)數(shù)目，就可知知道光柵移動動了多少個柵柵距，工作臺臺移動的距離離可以計算出出來。若光柵柵移動方向相相反，則莫爾爾條紋移動方方向也相反（（見圖6-7）。三、光柵的辨辨向與信號處處理(應(yīng)用)若標尺光柵不不動，將指示示光柵轉(zhuǎn)一很很小的角度，，兩者移動方向及光柵夾夾角關(guān)系如表表6-1所示示。因莫爾條條紋移動方向向與光柵移動方向垂直，，可用檢測垂垂直方向?qū)挻蟠蟮哪獱枟l紋紋代替光柵水水平方向移動的微小距距離。表6-1莫爾爾條紋移動方方向與光柵移移動方向及光光柵夾角的關(guān)關(guān)系第三節(jié)光柵柵第三節(jié)光柵柵圖6-8光光柵測量系統(tǒng)統(tǒng)1、光柵測量系統(tǒng)統(tǒng)如圖6-8所所示，由光源源、聚光鏡、、光柵尺、光光電元件和驅(qū)驅(qū)動線路組成成。第三節(jié)光柵柵讀數(shù)頭光源采采用普通的燈燈泡，發(fā)出輻輻射光線，經(jīng)過聚光鏡后后變?yōu)槠叫泄夤馐?，照射光光柵尺。光電電元件（常使用硅光光電池）接受受透過光柵尺尺光強信號，，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的的電壓信號。。由于此信號號比較微弱，，在長距離傳遞時，很很容易被各種種干擾信號淹淹沒，造成傳傳遞失真，驅(qū)動線路的作作用就是將電電壓信號進行行電壓和功率率放大。除標尺光柵固固定在機床上上外，光源、、聚光鏡、指指示光柵、光光電元件和驅(qū)驅(qū)動線路均裝裝在一個殼體體內(nèi)，作成一一個單獨部件件與工作臺一一起移動，這這個部件稱為為光柵讀數(shù)頭頭，又叫光電電轉(zhuǎn)換器，其其作用把光柵柵莫爾條紋的的光信號變成成電信號。第三節(jié)光柵柵2、光柵位移－數(shù)數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)統(tǒng)當光柵移動一一個柵距，莫莫爾條紋便移移動一個條紋紋寬度，假定我我們開辟一個個小窗口來觀觀察莫爾條紋紋的變化情況，就會發(fā)發(fā)現(xiàn)它在移動動一個柵距期期間明暗變化化了一個周期，理論上上光柵亮度變變化是一個三三角波形，但但由于漏光和不能達到到最大亮度，，被削頂削底底后而近似一一個正弦波（見圖6-9）。硅光電池池將近似正弦弦波的光強信信號變?yōu)橥l率的電電壓信號（見見圖6-10），經(jīng)光柵位位移—數(shù)字變換電路放大大、整形、微微分輸出脈沖沖。每產(chǎn)生一一個脈沖，就代表移動了了一個柵距那那么大的位移移，通過對脈脈沖計數(shù)便可得到工作作臺的移動距距離。第三節(jié)光柵柵亮度電壓光柵位移O光柵位移O圖6-9光柵的實際亮度變化圖6-10光柵的輸出波形圖第三節(jié)光柵柵采用一個光電電元件即只開開一個窗口觀觀察，只能計計數(shù)，卻無法法判斷移動方方向。因為無無論莫爾條紋紋上移或下移移，從一固定定位置看其明明暗變化是相相同的。為了了確定運動方方向，至少要要放置兩個光光電元件，兩兩者相距1/4莫爾條紋紋寬度。當光光柵移動時，，莫爾條紋通通過兩個光電電元件的時間間不同，所以以兩個光電元元件所獲得的的電信號雖然然波形相同，，但相位相差差90o。根據(jù)兩光電元元件輸出信號號的超前和滯滯后，可以確確定標尺光柵柵移動方向。。增加線紋密度度，能提高光光柵檢測裝置置的精度，但但制造較困難難，成本高。。在實際應(yīng)用用中，既要提提高測量精度度，同時又能能達到自動辨辨向的目的，，通常采用倍倍頻或細分的的方法來提高高光柵的分辨辨精度，如果果在莫爾條紋紋的寬度內(nèi)，，放置四個光光電元件，每每隔1/4光光柵柵距產(chǎn)生生一個脈沖，，一個脈沖代代表移動了1/4柵距那那么大位移，，分辨精度可可提高四倍，，這就是四倍倍頻方案。第三節(jié)光柵柵圖6-11a中的P1、P2、P3、P4是四塊硅光電電池，產(chǎn)生的的信號相位彼此此相差90o。P1、P3信號是相位差差180o的兩個信號，，接差動放大器放放大，得正弦弦信號。同理理，P2、P4信號送另一個個差動放大器，得到余余弦信號。正正弦和余弦信信號經(jīng)整形變變成方波A和B，為使每隔1/4節(jié)距都有脈脈沖，把A、B各自反向一次次得C、D信號，A、B、C、D信號再經(jīng)微分分變成窄脈沖沖A′、B′、、C′、D′′，即在正走或反走時每每個方波的上上升沿產(chǎn)生窄窄脈沖，由與與門電路把0o、90o、180o、270o四個位置上產(chǎn)產(chǎn)生的窄脈沖沖組合起來，，根據(jù)不同的的移動方向形成正向或或反向脈沖。。正向運動時時，用與門Y1~Y4及或門H1，得到A′B+AD′+C′D+B′C的四個輸出脈脈沖；反向運運動時，用與與門Y5~Y8及或門H2，得到BC′+CD′+A′D+AB′的四個輸出脈脈沖，其波形見圖6-11b。第三節(jié)光柵柵Y6微分微分微分整形P1P2P4P3

差動放大器

差動放大器整形反相反相Y1Y2Y3Y4Y5Y7Y8微分

B

A

D

Ca)電路原理圖圖6-11四倍頻辨向電路第三節(jié)光柵柵sincosAB

CDA′B′C′D′

正向相加A′B+AD′+C′D+B′C

反向相加BC′+CD′+A′D+AB′圖6-11四倍頻辨向電路

b)波形圖(正向疊加)

正反第三三節(jié)節(jié)光光柵柵若光光柵柵柵柵距距0.01mm,采用用四四倍倍頻頻辨辨向向電電路路，，則則工工作作臺每每移移動動0.0025mm，，就會會送送出出一一個個脈脈沖沖，，即即分分辨辨率率為為0.0025mm。。由此此可可見見，，光光柵柵檢檢測測系系統(tǒng)統(tǒng)的的分分辨辨力力不不僅僅取取決于于光光柵柵尺尺的的柵柵距距，，還還取取決決于于鑒鑒向向倍倍頻頻的的倍倍數(shù)數(shù)。。除除四四倍倍頻以以外外，，還還有有十十倍倍頻頻、、二二十十倍倍頻頻(電電路路)等等。。3、、光柵柵的的分分辨辨率率分辨辨率率=W/n式中中：：W為柵柵距距，，n為電電路路鑒鑒向向細細分分的的倍倍數(shù)數(shù)第三三節(jié)節(jié)光光柵柵四、、光光柵柵的的特特點點1、、檢檢測測精精度度高高；；2、、響響應(yīng)應(yīng)速速度度快快；；3、、環(huán)環(huán)境境要要求求高高；；4、、安安裝裝、、維維護護較較難難，，成成本本較較高高。。五、、光光柵柵的的應(yīng)應(yīng)用用（P119））第四四節(jié)節(jié)感感應(yīng)應(yīng)同同步步器器一、、結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)與與工工作作原原理理感應(yīng)應(yīng)同同步步器器為電電磁磁式式檢檢測測裝裝置置，，屬屬模模擬擬式式測測量量，其其輸輸出出電電壓壓隨隨被被測測直直線線位位移移或或角角位位移移而而改改變變。。感應(yīng)應(yīng)同同步步器器按其其結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)特特點點一一般般分分為為直線線式式和和旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)式式兩兩種種：直線線式式感感應(yīng)應(yīng)同同步步器器由定定尺尺和和滑滑尺尺組組成成，，用用于于直直線線位位移移測測量量。。旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)式式感感應(yīng)應(yīng)同同步步器器由轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子和和定定子子組組成成，，用用于于角角位位移移測測量量。。本節(jié)節(jié)以以直直線線式式感感應(yīng)應(yīng)同同步步器器為為例例,介介紹紹其其結(jié)構(gòu)構(gòu)和工作作原原理理第四四節(jié)節(jié)感感應(yīng)應(yīng)同同步步器器直線線感感應(yīng)應(yīng)同同步步器器其其結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)如如圖圖6-12所所示示，，定定尺尺和和滑滑尺尺的的基基板板采采用用與與機機床床熱熱膨膨脹脹系系數(shù)數(shù)相相近近的的鋼鋼板板制制成成，，鋼鋼板板上上用用絕絕緣緣粘粘結(jié)結(jié)劑劑貼貼有有銅銅箔箔，，并并利利用用腐腐蝕蝕的的辦辦法法做做成成圖圖示示的的印印刷刷繞繞組組。。長長尺尺叫叫定定尺尺，，安安裝裝在在機機床床床床身身上上，，短短尺尺為為滑滑尺尺，，安安裝裝于于移移動動部部件件上上，，兩兩者者平平行行放放置置，，保保持持0.25~0.05mm間隙隙。。感應(yīng)應(yīng)同同步步器器兩兩個個單單元元繞繞組組之之間間的的距距離離為為節(jié)節(jié)距距，，滑滑尺尺和和定定尺尺的的節(jié)節(jié)距距均均為為2，，這這是是衡衡量量感感應(yīng)應(yīng)同同步步器器精精度度的的主主要要參參數(shù)數(shù)。。標標準準感感應(yīng)應(yīng)同同步步器器定定尺尺長長250mm，，滑尺尺長長100mm，，節(jié)距距為為2mm。。定尺尺上上是是單單向向、、均均勻勻、、連連續(xù)續(xù)的的感感應(yīng)應(yīng)繞繞組組，，滑滑尺尺有有兩兩組組繞繞組組，，一一組組為為正正弦弦繞繞組組，，另另一一為為余余弦弦繞繞組組。。當當正正弦弦繞繞組組與與定定尺尺繞繞組組對對齊齊時時，，余余弦弦繞繞組組與與定定尺尺繞繞組組相相差差1/4節(jié)節(jié)距距。。第四四節(jié)節(jié)感感應(yīng)應(yīng)同同步步器器

V2定尺

滑尺

正弦繞組VsVc

余弦繞組

圖6-12直線感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)

2

3/4第四四節(jié)節(jié)感感應(yīng)應(yīng)同同步步器器當滑滑尺尺任任意意一一繞繞組組加加交交流流激激磁磁電電壓壓時時，，由由于于電電磁磁感應(yīng)應(yīng)作作用用，，在在定定尺尺繞繞組組中中必必然然產(chǎn)產(chǎn)生生感感應(yīng)應(yīng)電電壓壓，，該該感感應(yīng)應(yīng)電電壓壓取取決決于滑滑尺尺和和定定尺尺的的相相對對位位置置。。當當只只給給滑滑尺尺上上正正弦弦繞繞組組加加勵勵磁磁電電壓壓時時，，定尺尺感感應(yīng)應(yīng)電電壓壓與與定定、、滑滑尺尺的的相相對對位位置置關(guān)關(guān)系系如如圖6-13所示示.如如果果滑滑尺尺處于于A位置置，，即即滑滑尺尺繞繞組組與與定定尺尺繞繞組組完完全全對對應(yīng)應(yīng)重重合合，，定定尺尺繞繞組組線線圈圈中穿穿入入的的磁磁通通最最多多，，則則定定尺尺上上的的感感應(yīng)應(yīng)電電壓壓最最大大。。隨隨著著滑滑尺尺相相對對定定尺做做平平行行移移動動，，穿穿入入定定尺尺的的磁磁通通逐逐漸漸減減少少，，感感應(yīng)應(yīng)電電壓壓逐逐漸漸減減小小。。當滑滑尺尺移移到到圖圖中中B點位位置置，，與與定定尺尺繞繞組組剛剛好好錯錯開開1/4節(jié)節(jié)距距時時，，感感應(yīng)應(yīng)電壓壓為為零零。。再再移移動動至至1/2節(jié)節(jié)距距處處，，即即圖圖中中C點位位置置時時，，定定尺尺線線圈圈中中穿出出的的磁磁通通最最多多，，感感應(yīng)應(yīng)電電壓壓最最大大，，但但極極性性相相反反。。再再移移至至3/4節(jié)節(jié)距距，，即圖圖中中D點位位置置時時，，感感應(yīng)應(yīng)電電壓壓又又變變?yōu)闉榱懔?，，當當移移動動一一個個節(jié)節(jié)距距位位置置如如圖圖中E點，，又又恢恢復(fù)復(fù)到到初初始始狀狀態(tài)態(tài)，，與與A點相相同同。。第四四節(jié)節(jié)感感應(yīng)應(yīng)同同步步器器顯然然，，在在定定尺尺移移動動一一個個節(jié)節(jié)距距的的過過程程中中，，感感應(yīng)應(yīng)電電壓壓近似似于于余余弦弦函函數(shù)數(shù)變變化化了了一一個個周周期期，，如如圖圖6-13中中ABCDE。。圖6-13感感應(yīng)應(yīng)電電壓壓幅幅值值與與定定尺尺滑滑尺尺相相對對位位置置關(guān)關(guān)系系第四四節(jié)節(jié)感感應(yīng)應(yīng)同同步步器器感應(yīng)應(yīng)電電壓壓的的幅幅值值變變化化規(guī)規(guī)律律就就是是一一個個周周期期性性的的余余弦弦曲曲線線。。在在一一個周周期期內(nèi)內(nèi)，，感感應(yīng)應(yīng)電電壓壓的的某某一一幅幅值值對對應(yīng)應(yīng)兩兩個個位位移移點點，，如如圖圖6-13中中M、、N兩點點。。為確確定定唯唯一一位位移移，，在在滑滑尺尺上上與與正正弦弦繞繞組組錯錯開開1/4節(jié)節(jié)距距處處，，配配置了余弦繞組組。同樣，若若在滑尺的余余弦繞組中通通以交流勵磁磁電壓，也能得出定尺尺繞組感應(yīng)電電壓與兩尺相相對位移的關(guān)關(guān)系曲線，它它們之間為正弦函數(shù)數(shù)關(guān)系(圖6-13中OP)。若滑尺上的正正、余弦繞組組同時勵磁，就可以以分辨出感應(yīng)應(yīng)電壓值所對對應(yīng)的唯一確確定的位移。。第四節(jié)感應(yīng)應(yīng)同步器二、感應(yīng)同步器的應(yīng)用感應(yīng)同步器作為位置測量裝置安裝在數(shù)控機床上，它也有兩種工作方式：鑒相式和鑒幅式。

1.鑒相型系統(tǒng)供給滑尺的正、余弦繞組的激磁信號是頻率、幅值相同，相位相差900的交流勵磁電壓

根據(jù)疊加原理，定尺上的總感應(yīng)電壓為

第四節(jié)感應(yīng)應(yīng)同步器式中K—耦合系數(shù)(比例常數(shù))；

—勵磁電壓的幅值；

ω—勵磁電壓的角頻率；

—與位移對應(yīng)的角度。若設(shè)定尺繞組節(jié)距為2，它對應(yīng)的感應(yīng)電壓以正弦函數(shù)變化了，當滑尺移動距離為時，則對應(yīng)感應(yīng)電壓以正弦函數(shù)變化相位角。由比例關(guān)系

可得

第四節(jié)感應(yīng)應(yīng)同步器通過鑒別定尺尺感應(yīng)輸出電電壓的相位，，即可測量定定尺和滑尺之間的相相對位移。例例如定尺感應(yīng)應(yīng)輸出電壓與與滑尺勵磁電電壓之間的相位差差為3.60，當節(jié)距=2mm的情況下，表表明滑尺移動動了0.02mm。鑒相式伺服系系統(tǒng)利用相位比較較原理進行工工作,如圖6-14?；鶞市盘柊l(fā)生生器輸出一系系列一定頻率率的基準脈沖沖信號（載波波信號），為為伺服系統(tǒng)提提供一個相位位比較基準。。脈沖調(diào)相器的的作用是將來來自數(shù)控裝置置的進給脈沖沖信號轉(zhuǎn)換為為相位變化的的信號，圖6-15為為其原理組成成框圖。在脈脈沖調(diào)相器中中，由基準信信號發(fā)生器產(chǎn)產(chǎn)生的基準脈脈沖信號分成成兩路，一路路直接輸入分分頻器1，它它為1/N分頻的二進制制計數(shù)器，稱稱為基準分頻頻通道。指令相位第四節(jié)感應(yīng)應(yīng)同步器基準相位放大整形濾波基準信號發(fā)生器脈沖調(diào)相器鑒相器放大器激磁供電線路伺服電機速度控制單元滑尺定尺機床VsVc+x-x圖6-14感應(yīng)同步器鑒相測量系統(tǒng)框圖θ0θ1第四節(jié)感應(yīng)應(yīng)同步器

分配器1（1/N）（基準分頻通道）

分配器2（1/N）（調(diào)相分頻通道）脈沖加減器基準信號發(fā)生器勵磁信號

指令信號+x-x圖6-15脈沖調(diào)相器系統(tǒng)框圖第四節(jié)感應(yīng)應(yīng)同步器為適應(yīng)感應(yīng)同同步器滑尺的的兩勵磁繞組組供電的要求求，該通道輸出兩兩路幅值相等等、頻率相同同、相位相差差900的脈沖信號，，經(jīng)激磁供電線線路變成正、、余弦信號給給滑尺正弦、、余弦繞組勵勵磁。另一路先經(jīng)過過脈沖加減器器，再進入分分頻器2，該該分頻器也為為1/N分頻二進制計數(shù)數(shù)器，稱為調(diào)調(diào)相分頻通道道。調(diào)相分頻頻通道的任務(wù)務(wù)是將指令脈沖信號號調(diào)制成與基基準脈沖有一一定關(guān)系的輸輸出脈沖信號號，其相位差大小和和極性與指令令脈沖有關(guān)。。上述兩個分分頻器均為1/N分頻，即當輸入入N個計數(shù)脈沖后后產(chǎn)生一個溢溢出脈沖。當指令脈沖為為零時，調(diào)相相分頻通道輸輸出信號和基基準脈沖信號號相位相同，兩兩者相位差為為零。第四節(jié)感應(yīng)應(yīng)同步器當有一正向指指令脈沖通過過脈沖加減器器，使得輸入入到調(diào)相分頻通道的脈脈沖個數(shù)增加加一個，結(jié)果果該分頻器產(chǎn)產(chǎn)生溢出脈沖沖的時刻提前產(chǎn)生。。因此，在指指令脈沖作用用下，調(diào)相分分頻通道輸出出脈沖與基準脈沖有有一個相位差差Δθ1，且Δθ1＝θ1－θ0，θ0為基準信號發(fā)生器的的基準相位；；θ1為指令信號相相位；θ1的大小取決于于指令脈沖數(shù)，，其隨時間變變化的快慢取取決于指令脈脈沖頻率，而而其相對于θ0的超前與滯后后，則取決于于指令脈沖進進給方向。如果感應(yīng)同步步器的節(jié)距為為2mm，脈沖當量選定定為δ=0.001mm，一個脈沖對應(yīng)應(yīng)的相移角Δθ1為:第四節(jié)感應(yīng)應(yīng)同步器數(shù)控裝置每發(fā)發(fā)一個進給脈脈沖，經(jīng)脈沖沖調(diào)相器變?yōu)闉槌盎鶞市盘栆粋€個0.180相移角的信號號，即Δθ1=θ1-θ0=0.180。此時因工作臺臺未動，反饋饋信號相對于于基準信號的的相位差Δθ2=θ2-θ0=0（θ2為定尺繞組上上作為反饋信信號所取的感感應(yīng)電壓U2的相位）。鑒相器將δ＝Δθ1－Δθ2=0.180的相位差檢測測出來，經(jīng)放放大后控制伺服電電動機帶動工工作臺移動。。隨著工作臺臺的移