伺服系統(tǒng)與位置檢測裝置

第9章伺服系統(tǒng)與位置檢測裝置9.1伺服系統(tǒng)概述9.2開環(huán)步進(jìn)電動機驅(qū)動系統(tǒng)9.3直流伺服系統(tǒng)9.4交流伺服系統(tǒng)9.5位置檢測裝置習(xí)題

9.1伺服系統(tǒng)概述1.根本概念伺服〔Servo〕系統(tǒng)又叫隨動系統(tǒng)，是一種能夠跟隨指令信號的變化而動作的自動控制裝置，根據(jù)實現(xiàn)方法不同，可以分為機械隨動〔仿形〕系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)、電氣伺服系統(tǒng)等，目前的數(shù)控機床均采用電氣伺服系統(tǒng)。在數(shù)控機床中，CNC裝置是發(fā)布命令的“大腦〞，而伺服系統(tǒng)那么是數(shù)控機床的“四肢〞，是一種執(zhí)行機構(gòu)，它能夠準(zhǔn)確地執(zhí)行來自CNC裝置的運動指令。伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動裝置、伺服電動機、位置檢測裝置等組成。來將電能轉(zhuǎn)換為機械能，拖動機械部件移動或轉(zhuǎn)動。2.數(shù)控機床對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求數(shù)控機床對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求是：〔1〕調(diào)速范圍寬，在大的速度范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)穩(wěn)定?！?〕負(fù)載特性硬，抗擾動能力強，能保證切削過程中受負(fù)載沖擊時速度不變，尤其在低速時應(yīng)有足夠的負(fù)載能力?！?〕反響速度快?！?〕準(zhǔn)確度高。9.2開環(huán)步進(jìn)電動機驅(qū)動系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng)不設(shè)位置檢測反響裝置，不構(gòu)成運動反響控制回路，電動機按數(shù)控裝置發(fā)出的指令脈沖工作，對運動誤差沒有檢測反響和處理修正過程。其典型代表是步進(jìn)電動機開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)，如圖9.1所示。圖9.1步進(jìn)電動機開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖9.1中，數(shù)控裝置發(fā)出指令脈沖通過環(huán)形分配器和功率放大器驅(qū)動步進(jìn)電動機，每發(fā)出一個指令脈沖，步進(jìn)電動機就轉(zhuǎn)過一個角度，此角度叫做步進(jìn)電動機的步距角。步進(jìn)電動機通過齒輪箱、滾珠絲杠驅(qū)開工作臺運動，其運動的位移量與指令脈沖數(shù)成正比，運動速度與脈沖的頻率成正比。9.2.1步進(jìn)電動機1.步進(jìn)電動機的特點步進(jìn)電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移的機電執(zhí)行元件。概括起來，步進(jìn)電動機具有如下優(yōu)點：〔1〕轉(zhuǎn)子的角位移量和轉(zhuǎn)速嚴(yán)格受脈沖的數(shù)量和頻率控制，有脈沖就走，無脈沖那么停，旋轉(zhuǎn)方向由通電順序決定。〔2〕體積小，重量輕，價格低。〔3〕驅(qū)動簡單，工作可靠，誤差不長期積累?！?〕精度高，慣性小，容易調(diào)試。步進(jìn)電動機的主要缺點是：使用不當(dāng)時，會引起“失步〞或“過沖〞；運轉(zhuǎn)時有振動和噪音；額定轉(zhuǎn)速較低，最高頻率一般不超過1kHz。2.步進(jìn)電動機的分類1〕反響式步進(jìn)電動機反響式步進(jìn)電動機的定子和轉(zhuǎn)子由硅鋼片或其他軟磁材料制成，定子上有勵磁繞組，繞組相數(shù)一般為二、三、四、五、六相，步距角一般為0.36°～3°。2〕永磁式步進(jìn)電動機永磁式步進(jìn)電動機的定子由軟磁材料制成，定子上有勵磁繞組；轉(zhuǎn)子由永久磁鐵制成，步距角一般為15°、22.5°、30°、45°等。3〕混合式步進(jìn)電動機混合式步進(jìn)電動機又叫永磁反響式步進(jìn)電動機，它在結(jié)構(gòu)和性能上，兼有反響式步進(jìn)電動機和永磁式步進(jìn)電動機兩者的特點，即具有反響式步進(jìn)電動機步距角小、工作頻率高的特點，又具有永磁式步進(jìn)電動機控制功率小、運行穩(wěn)定、斷電后有保持轉(zhuǎn)矩的特點，更適合應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)中。3.步進(jìn)電動機的工作原理圖９.2所示為反響式步進(jìn)電動機的工作原理示意圖。其定子、轉(zhuǎn)子是用硅鋼片等軟磁材料制成的，定子上有A、B、C三對磁極，分別繞有A、B、C三相繞組。三對磁極在空間上相互錯開120°。圖9.2反響式步進(jìn)電動機工作原理步進(jìn)電動機的通電方式有以下三種?！?〕單拍。在各相輪流通電的過程中，每拍只有一相通電，稱為單拍。〔2〕雙拍。采用雙相輪流通電方式，即每拍都有兩相通電，稱為雙拍。如三相步進(jìn)電動機的通電順序為AB→BC→CA→AB，那么構(gòu)成三相雙三拍工作制?！?〕單雙拍，即單雙相輪流通電。如對三相步進(jìn)電動機來說，單雙拍工作時的通電順序為A→AB→B→BC→C→CA→A，一個循環(huán)為6拍，稱為三相六拍工作制。步進(jìn)電動機的步距角越小，位置精度越高。對于定子相數(shù)為m，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為Z的步進(jìn)電動機，其步距角為由此可知，定子磁極對數(shù)和轉(zhuǎn)子齒數(shù)越多，步距角就越小。如圖9.3所示，定子為三相，轉(zhuǎn)子有40個齒，那么三相三拍工作時三相六拍工作時圖9.3三相反響式步進(jìn)電動機4.步進(jìn)電動機的主要特性〔1〕步距角α。步進(jìn)電動機每步轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角。〔2〕步距誤差Δα?！?〕距角特性?！?〕矩頻特性?！?〕運行特性。圖9.4步進(jìn)電動機的矩角特性圖9.5步進(jìn)電動機的矩頻特性·低頻區(qū)：步進(jìn)電動機的運行為連續(xù)的單步運動，每次換相時，轉(zhuǎn)子都要來回振蕩假設(shè)干次，如圖9.6(a)所示?！じ哳l區(qū)：這時脈沖間隔短，前一步還沒有振蕩結(jié)束，后一個脈沖就已經(jīng)到來，從而使步進(jìn)電動機連續(xù)平滑地轉(zhuǎn)動，運轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)，如圖9.6(b)所示?！す舱駞^(qū):當(dāng)脈沖頻率介于低頻和高頻之間且接近電動機本身固有的振蕩頻率時，電動機將產(chǎn)生強烈的振蕩，甚至“走一步退兩步〞，左右搖擺，無法正常工作，這種情況應(yīng)設(shè)法防止。圖9.6步進(jìn)電動機的運行特性(a)低頻區(qū)；(b)高頻區(qū)9.2.2步進(jìn)電動機的驅(qū)動及控制步進(jìn)電動機的運行性能不僅與步進(jìn)電動機本身和負(fù)載有關(guān)，而且與配套的驅(qū)動裝置有十分密切的關(guān)系。步進(jìn)電動機驅(qū)動裝置由環(huán)形脈沖分配器、功率放大驅(qū)動電路兩大局部組成，如圖9.7所示。圖9.7步進(jìn)電動機控制電路弱電強電1.步進(jìn)電動機的驅(qū)動電路一般要求步進(jìn)電動機的驅(qū)動電路應(yīng)能夠提供足夠幅值、前后沿較陡的勵磁電流，而且功耗小，效率高，運行穩(wěn)定、可靠，易于維護(hù)。常見的步進(jìn)電動機驅(qū)動電路有如下五種形式。圖9.8單電源串電阻驅(qū)動電路2〕上下電壓切換型驅(qū)動電路上下電壓切換型驅(qū)動電路如圖9.9所示。這種電路的特點是高壓充電，低壓維持。步進(jìn)電動機的繞組每次通電時，首先接通高壓，以保證電流以較快的速度上升；然后改由低壓供電，維持繞組中的電流為額定值。圖9.9上下電壓切換型驅(qū)動電路(a)電路；(b)波形3)恒流斬波型驅(qū)動電路

單電源斬波型驅(qū)動電路如圖9.10所示。當(dāng)輸入信號為低電平時，V截止，電動機繞組中無電流通過。圖9.10單電源斬波型驅(qū)動電路(a)電路；(b)電流波形4)分頻段調(diào)壓驅(qū)動電路由于在低頻時節(jié)拍脈沖比較寬，有足夠的繞組電流上升時間，因而只需較小的限流電阻和較低的電源電壓即可到達(dá)額定電流。高頻時，那么相反。

圖9.11細(xì)分控制驅(qū)動電路繞組電流波形5)細(xì)分控制驅(qū)動電路在實際應(yīng)用中，為了進(jìn)一步提高進(jìn)給運動的分辨率，在不改變步進(jìn)電動機結(jié)構(gòu)的前提下，要求對步距角進(jìn)一步細(xì)分。為了到達(dá)這一目的，可將繞組電流以階梯波的方式輸入，如圖9.11所示。這種將一個步距角分成假設(shè)干步的驅(qū)動方法，叫細(xì)分驅(qū)動電路2.脈沖分配器脈沖分配器用來控制步進(jìn)電動機的運行通電方式。在數(shù)控系統(tǒng)中，脈沖分配器的作用是將數(shù)控裝置送來的一串指令脈沖，按照運行通電方式所要求的順序和分配規(guī)律，分配到各相驅(qū)動電路輸入端，用以控制各相繞組中電流的開通和關(guān)斷。由于步進(jìn)電動機有正反轉(zhuǎn)要求，因而脈沖分配器的輸出既是周期性的，又是可逆的，因此又叫環(huán)形脈沖分配器。圖9.12所示為三相三拍制步進(jìn)電動機環(huán)形脈沖分配器的輸入輸出關(guān)系。圖9.12三相三拍環(huán)形脈沖分配1〕硬件脈沖分配器硬件脈沖分配器由邏輯門電路和觸發(fā)器構(gòu)成。圖9.13所示為三相六拍環(huán)形脈沖分配器原理圖，當(dāng)X＝“1〞時，每來一個脈沖(CP)那么電動機正轉(zhuǎn)一步，分配順序為A→AB→B→BC→C→CA→A；當(dāng)X=“0〞時，每來一個脈沖〔CP〕那么電動機反轉(zhuǎn)一步，分配順序為A→AC→C→CB→B→BA→A。輸出狀態(tài)真值表如表9.1所示。圖9.13三相六拍脈沖分配器表9.1三相六拍脈沖分配器輸出真值表圖9.14CH250實現(xiàn)的三相六拍脈沖分配電路2〕軟件脈沖分配為了提高脈沖分配器的靈活性，也可用軟件來實現(xiàn)環(huán)形脈沖分配。圖9.15所示為89C51單片機與步進(jìn)電動機驅(qū)動電路的接口框圖。圖9.15單片機控制的三相步進(jìn)電動機驅(qū)動電路框圖9.3直流伺服系統(tǒng)9.3.1直流伺服電動機1.結(jié)構(gòu)特點1〕小慣量直流伺服電動機小慣量直流伺服電動機是通過減小電樞的轉(zhuǎn)動慣量來提高力矩／慣量比的。2〕寬調(diào)速直流伺服電動機寬調(diào)速直流伺服電動機又稱大慣量直流伺服電動機，它通過提高輸出力矩來提高力矩／慣量比，具體措施是：增加定子磁極對數(shù)并采用高性能的磁性材料〔如稀土鈷等〕以產(chǎn)生強磁場，該磁性材料性能穩(wěn)定且不易退磁；在同樣的轉(zhuǎn)子外徑和電樞電流的情況下，增加轉(zhuǎn)子上的槽數(shù)和槽的截面積。寬調(diào)速直流伺服電動機具有如下特點：〔1〕過載能力強，能承受10倍于額定電流的峰值沖擊，能產(chǎn)生額定力矩10倍的瞬時轉(zhuǎn)矩。

〔2〕力矩／慣量比大，快速性好?！?〕低速時輸出力矩大?！?〕調(diào)速范圍寬，與高性能伺服驅(qū)動單元組成速度控制系統(tǒng)時，調(diào)速比超過1∶10000。

(5)轉(zhuǎn)子熱容量大，電動機的過載性能好，一般能過載運行幾十分鐘。

2.主要特性

大慣量直流伺服電動機的機械特性硬，其機械特性曲線和調(diào)壓調(diào)速特性曲線與永磁式直流電動機相同，工作特性曲線如圖9.16所示。圖9.16FB15型直流伺服電動機的工作曲線9.3.2直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)伺服驅(qū)動系統(tǒng)的主要作用是把來自CNC裝置的信號進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動伺服電動機轉(zhuǎn)動，并根據(jù)來自CNC裝置的信號指令調(diào)節(jié)伺服電動機的速度。直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)框圖如圖9.17所示。圖9.17伺服驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1.晶閘管〔SCR〕直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)1〕環(huán)流可控可逆直流伺服系統(tǒng)這種電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖9.18所示。在兩組反并聯(lián)的整流橋之間加限流電抗器L1、L2〔平波電抗器〕，并通過兩路電流反響把環(huán)流控制在一定范圍之內(nèi)。圖9.18環(huán)流可控可逆直流伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2〕邏輯無環(huán)流可逆直流伺服系統(tǒng)這種電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖9.19所示。該電路通過無環(huán)流邏輯控制器DLC控制兩組整流橋的開通與封鎖，在一組整流器工作時把另一組整流器的觸發(fā)脈沖封鎖，使它不通電，這樣也就不會出現(xiàn)環(huán)流了。圖9.19邏輯無環(huán)直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.晶體管脈寬調(diào)制〔PWM〕直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)晶體管直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的主電路由H型橋式大功率晶體管〔GTR、IGBT等〕驅(qū)動模塊構(gòu)成。它利用大功率晶體管器件的開關(guān)作用，將直流電源電壓轉(zhuǎn)換成較高頻率(一般為數(shù)千Hz以上)的方波電壓加在直流電動機的電樞上，通過對方波脈沖寬度的控制來改變加在電樞上的平均電壓Ua，從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。晶體管PWM直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)如圖9.20所示。圖9.20晶體管PWM直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)與晶閘管直流伺服系統(tǒng)相比，晶體管PWM直流伺服系統(tǒng)有以下優(yōu)點：〔1〕主電路功率器件少，線路簡單。〔2〕開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬?！?〕系統(tǒng)頻帶寬，快速響應(yīng)性能好，動態(tài)抗擾能力強?！?〕直流電源采用三相不可控整流電路時，電網(wǎng)功率因數(shù)高，對電網(wǎng)沖擊小。9.3.3直流伺服驅(qū)動裝置的信號連接圖9.21所示為FANUCSCR-D型晶閘管直流伺服驅(qū)動裝置的外部連接圖。CNC裝置與伺服單元的連接信號有五組：〔1〕VCMD、GND為CNC裝置輸出控制伺服單元轉(zhuǎn)速的0～±10V電壓控制信號，電壓的大小與轉(zhuǎn)速成約1000r／min每6V的正比關(guān)系。圖9.21FANUCSCR-D型晶閘管直流伺服驅(qū)動裝置外部連接圖CNC裝置與伺服單元的連接信號有五組：〔1〕VCMD、GND為CNC裝置輸出控制伺服單元轉(zhuǎn)速的0～±10V電壓控制信號，電壓的大小與轉(zhuǎn)速成約1000r／min每6V的正比關(guān)系。〔2〕PRDY1、PRDY2為準(zhǔn)備好控制信號，PRDY1與PRDY2短接時，伺服單元主回路通電。〔3〕ENBL1、ENBL2為使能控制信號，當(dāng)ENBL1與ENBL2短接時，伺服單元開始正常工作，并接收模擬電壓的控制?！?)VRDY1、VRDY2為伺服單元通知CNC裝置其正常工作的觸點信號，當(dāng)伺服單元出現(xiàn)報警時，VRDY1與VRDY2立即斷開?！?〕OVL1與OVL2為常閉觸點信號，當(dāng)伺服單元中熱繼電器動作或變壓器內(nèi)熱控開關(guān)動作時，該觸點立即斷開，通知CNC裝置產(chǎn)生過熱報警。9.4交流伺服系統(tǒng)9.4.1交流伺服電動機

交流伺服電動機分為異步型交流伺服電動機和同步型交流伺服電動機兩大類。絕大多數(shù)用于數(shù)控機床進(jìn)給控制驅(qū)動的是永磁同步交流伺服電動機。永磁同步交流伺服電動機的實質(zhì)是直流伺服電動機定子、轉(zhuǎn)子的倒置應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)如圖9.22所示。圖9.22三相永磁同步交流伺服電動機結(jié)構(gòu)圖圖9.23永磁同步交流伺服電動機的機械特性9.4.2交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)以三相永磁同步交流伺服電動機為執(zhí)行元件，根據(jù)換向電路控制方法的不同，同步電動機的驅(qū)動電路可以分為他控?fù)Q向和自控?fù)Q向兩大類。自控?fù)Q向交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的主要組成結(jié)構(gòu)如圖9.24所示，它通過電動機軸端上的轉(zhuǎn)子位置檢測器BQ(如霍爾開關(guān))發(fā)出的信號來控制逆變器的換流，從而被動地改變同步電動機的供電頻率；并根據(jù)外部速度給定信號，以PWM方式控制逆變脈沖寬度，改變輸出到電動機定子繞組上的電壓，從而調(diào)節(jié)同步電動機的轉(zhuǎn)速。圖9.25所示為西門子SIMODRIVE611A交流進(jìn)給驅(qū)動裝置原理圖。圖9.24自控?fù)Q向交流伺服驅(qū)動組成結(jié)構(gòu)圖9.25SIMODRIVE611A交流進(jìn)給伺服驅(qū)動裝置原理圖9.5位置檢測裝置9.5.1概述位置檢測裝置是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成局部。在閉環(huán)、半閉環(huán)系統(tǒng)中，它的主要作用是檢測位移量，輸出位置測量反響信號并與CNC裝置發(fā)出的指令信號相比較，根據(jù)差值控制伺服驅(qū)動裝置運轉(zhuǎn)，使工作臺按規(guī)定的軌跡和坐標(biāo)移動。表9.2位置檢測元件分類

9.5.2旋轉(zhuǎn)編碼器

旋轉(zhuǎn)編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式位置測量裝置，通常安裝在被測軸上，隨被測軸一起轉(zhuǎn)動，可將被測軸的角位移轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖，是數(shù)控機床常用的位置檢測元件。1.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9.26所示，它主要由發(fā)光管(帶聚光鏡)、光柵板、光柵盤、光敏元件及信號處理電路板組成。圖9.26增量式旋轉(zhuǎn)編碼器外形結(jié)構(gòu)圖2)工作原理圖9.27所示為增量式旋轉(zhuǎn)編碼器測量系統(tǒng)的工作原理示意圖。當(dāng)光柵盤隨工作軸一起轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)過一個刻線〔狹縫〕就發(fā)生一次光線的明暗變化，經(jīng)過光敏元件變成一次電信號的強弱變化，對它進(jìn)行放大、整形處理后得到脈沖信號輸出，脈沖數(shù)就等于轉(zhuǎn)過的刻線數(shù)。將該脈沖信號送到計數(shù)器中計數(shù)，那么計數(shù)值就反映了圓盤轉(zhuǎn)過的角度。圖9.27增量式旋轉(zhuǎn)編碼器光學(xué)原理圖9.28兩相增量式旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖波形圖圖9.29正交脈沖可逆計數(shù)器原理圖增量式旋轉(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、輸出信號相數(shù)和輸出形式等，各參數(shù)范圍如表9.3所示。表9.3旋轉(zhuǎn)編碼器技術(shù)參數(shù)范圍2.絕對值式旋轉(zhuǎn)編碼器絕對值式旋轉(zhuǎn)編碼器是一種可直接編碼的測量元件，它把被測轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的代碼指示絕對位置，沒有積累誤差。編碼盤有光電式、接觸式和電磁式三種，為表達(dá)簡單起見，以接觸式四位絕對編碼器為例來說明其工作原理。圖9.30所示是一個四位二進(jìn)制編碼盤，涂黑局部是導(dǎo)電區(qū)，空白局部是絕緣區(qū)。圖9.30接觸式編碼盤(a)結(jié)構(gòu)簡圖；(b)二進(jìn)制編碼盤；(c)格雷編碼盤表9.4絕對值式旋轉(zhuǎn)編碼器輸出真值表9.5.3光柵尺光柵是一種通過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)控機床上用的光柵尺是利用兩個光柵相互重疊時形成的莫爾條紋現(xiàn)象制成的光電式位移測量裝置。

按制造工藝不同，光柵尺可分為透射光柵尺和反射光柵尺。透射光柵尺是在透明的玻璃外表上刻上間隔相等的不透明線紋制成的，線紋密度可到達(dá)100條每毫米以上；反射光柵尺一般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)行測量，其刻線密度一般在4～50條每毫米范圍內(nèi)。1.直線透射光柵尺工作原理1)組成結(jié)構(gòu)直線透射光柵尺的結(jié)構(gòu)如圖9.31所示，由光源、長光柵〔標(biāo)尺光柵〕、短光柵〔指示光柵〕、光敏元件等組成。一般來說，移動的光柵為長光柵，短光柵裝在機床的固定部件上。長光柵隨工作臺一起移動，其有效長度即為測量范圍。圖9.31直線透射光柵尺結(jié)構(gòu)原理2)莫爾條紋的形成原理當(dāng)用光源的平行光照射光柵時，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產(chǎn)生明暗交替、間隔相等的干預(yù)條紋，稱為莫爾條紋，如圖9.32所示。圖9.32莫爾條紋形成原理3〕莫爾條紋的特點〔1〕放大作用。莫爾條紋的寬度B將隨條紋的夾角θ的變化而變化，其關(guān)系為式中：ω為光柵柵距；θ為兩光柵的刻線夾角?！?〕平均效應(yīng)。莫爾條紋是在指示光柵覆蓋了許多條紋后形成的，例如，對于250線／mm的光柵，10mm長的一條莫爾條紋是由2500條刻線組成的?！?〕信號變換〔放大〕。標(biāo)尺光柵每移動一個柵距，莫爾條紋相應(yīng)移動一個寬度，同時光線強度按近似正弦規(guī)律變化一個周期，從而把機械位移信號變換成了光學(xué)信號?！?〕莫爾條紋的移動與刻線的移動成正比。

2.光柵尺的測量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)尺光柵隨運動部件移動時，照射到光敏元件上的光線也隨著莫爾條紋移動而產(chǎn)生明暗相間的變化，經(jīng)過光敏元件的光—電變換，得到與刻線移動相對應(yīng)的正弦波信號，此信號經(jīng)過放大、整形等處理后變成測量脈沖輸出，波形如圖9.33所示。圖9.33輸出信號波形圖圖9.34四倍頻辨向計數(shù)電路圖9.35四倍頻波形圖為了區(qū)分方向，正向運動時，用與或門YH1得到A′B+AD′+C′D+B′C的4個輸出脈沖；反向運動時，用與或門YH2得到BC′+AB′+A′D+CD′的4個輸出脈沖；其波形如圖9.35所示。在機床光柵位移測量系統(tǒng)中，除上述四倍頻外，還有八倍頻、十倍頻、二十倍頻等。9.5.4感應(yīng)同步器1.感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)直線感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩局部組成，圖9.36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鋼基板上，用光化學(xué)腐蝕或其他方法將銅箔刻制成曲折的印刷電路繞組(如圖9.37所示)。圖9.36定尺和滑尺的截面結(jié)構(gòu)圖9.37直線感應(yīng)同步器定尺和滑尺的繞組示意圖表9.5各類型感應(yīng)同步器的精度和電參數(shù)的參考數(shù)據(jù)2.感應(yīng)同步器的工作原理在感應(yīng)同步器工作時，定尺和滑尺相互平行安裝，其間有大約0.25±0.05mm的間隙，間隙的大小會影響電磁耦合度。定尺是固定的，滑尺是可動的，它們之間可以做相對移動。圖9.38說明了定尺感應(yīng)電壓與定、滑尺繞組的相對位置的關(guān)系。圖9.38感應(yīng)同步器工作原理1)鑒相工作方式當(dāng)在滑尺的正弦繞組和余弦繞組中分別加同頻率、同幅值、相位相差π／2的勵磁電壓us=Umsinωt和uc=Umcosωt時，將在定尺繞組上分別感應(yīng)出同頻率的電壓ud1=kUmcosθsinωtud2=-kUmsinθcosωt式中，k為電磁耦合系數(shù)，θ為滑尺勵磁繞組相對于定尺繞組的空間相位角。實際上，正弦、余弦繞組同時供電，這時定尺繞組上總的感應(yīng)電壓為ud=ud1+ud2=kUmcosθsinωt-kUmsinθcosωt=kUmsin(ωt-θ)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磁電壓us=Ussinωt=(Umsinφ)sinωt和uc=Ucsinωt=(Umcosφ)sinωt，那么定尺繞組中的感應(yīng)電壓為ud=k(Umsinφ)sinωtcosθ-k(Umcosφ)sinωtsinθ=kUmsinωt(sinφcosθ-cosφsinθ)=kUmsinωtsin(φ-θ)9.5.5磁柵

磁柵是一種錄有等節(jié)距磁化信號的磁性標(biāo)尺或磁盤，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。磁柵與光柵、感應(yīng)同步器相比，測量精度略低一些，但它有其獨特的優(yōu)點：〔1〕制作簡單，安裝、調(diào)整方便，本錢低。磁柵上的磁化信號錄制完成后，假設(shè)發(fā)現(xiàn)不符合要求可抹去重錄，亦可安裝在機床上再錄磁，防止安裝誤差。〔2〕磁尺的長度可任意選擇，亦可錄制任意節(jié)距的磁信號?！?〕耐油污、灰塵等，對使用環(huán)境要求低。1.磁柵測量裝置的組成結(jié)構(gòu)磁柵測量裝置由磁性標(biāo)尺、拾磁磁頭和測量電路組成，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9.39所示。圖9.39常用磁柵〔a〕帶狀磁柵；〔b〕桿狀磁柵；〔c〕圓磁柵1〕磁性標(biāo)尺磁性標(biāo)尺〔即磁尺〕常采用不導(dǎo)磁材料做基體，在上面鍍上一層10～30μm厚的高導(dǎo)磁性材料，形成均勻磁膜。2〕拾磁磁頭拾磁磁頭是一種磁電轉(zhuǎn)換器，用來把磁尺上的磁化信號檢測出來并轉(zhuǎn)換成電信號送給測量電路。拾磁磁頭可分為動態(tài)磁頭和靜態(tài)磁頭。動態(tài)磁頭又稱速度響應(yīng)型磁頭，它只有一組輸出繞組，因此只有當(dāng)磁頭和磁尺有一定相對速度時才能讀