數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置

第二章數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置一、對(duì)檢測(cè)裝置的要求§2.1概述數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)裝置也叫伺服系統(tǒng)的檢測(cè)、反饋元件，是數(shù)控機(jī)床的感知器官，感知伺服系統(tǒng)的速度和位移，并向控制系統(tǒng)發(fā)送反饋信號(hào)，形成閉環(huán)或半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。1.工作可靠；對(duì)伺服系統(tǒng)檢測(cè)元件的要求是：2.滿足精度要求,分辨率應(yīng)達(dá)0.1～10μm；3.使用維護(hù)方便；4.成本低。

二、檢測(cè)裝置的分類（一）數(shù)字式測(cè)量和模擬式測(cè)量1.數(shù)字式測(cè)量

（1）被測(cè)量轉(zhuǎn)換為脈沖個(gè)數(shù)，便于顯示和處理；（2）測(cè)量精度取決于測(cè)量單位，和量程基本無(wú)關(guān)；（3）測(cè)量裝置比較簡(jiǎn)單，脈沖信號(hào)抗干擾能力較強(qiáng)。數(shù)字量測(cè)量是將被測(cè)的量以數(shù)字形式來(lái)表示，測(cè)量信號(hào)一般為電脈沖信號(hào)，可以直接把它送到數(shù)控裝置進(jìn)行比較、處理。其特點(diǎn)是：2.模擬式測(cè)量模擬式測(cè)量是將被測(cè)的量用連續(xù)變量來(lái)表示，如電壓變化、相位變化等。它對(duì)信號(hào)處理的方法相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜。其特點(diǎn)是：（1）直接測(cè)量被測(cè)的量，無(wú)需變換；（2）在小量程內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高的測(cè)量精度，技術(shù)上較成熟。如旋轉(zhuǎn)變壓器、同步感應(yīng)器等。（二）增量式測(cè)量和絕對(duì)式測(cè)量1.增量式測(cè)量

在輪廓控制數(shù)控機(jī)床上多采用這種測(cè)量方式，增量式測(cè)量只測(cè)相對(duì)位移量，如測(cè)量單位為0.001mm，則每移動(dòng)0.001mm就發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)。2.絕對(duì)式測(cè)量增量式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量裝置較簡(jiǎn)單，任何一個(gè)對(duì)中點(diǎn)都可作為測(cè)量起點(diǎn)。（三）直接測(cè)量和間接測(cè)量1.直接測(cè)量

絕對(duì)式測(cè)量裝置對(duì)于被測(cè)量的任意一點(diǎn)位置均由固定的零點(diǎn)標(biāo)起，每一個(gè)被測(cè)量點(diǎn)都有一個(gè)相應(yīng)的測(cè)量值。其測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)較增量式復(fù)雜。直接測(cè)量是將檢測(cè)裝置直接安裝在執(zhí)行部件上用來(lái)直接測(cè)量工作臺(tái)的直線位移，作為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋信號(hào)。其缺點(diǎn)是測(cè)量裝置要和工作臺(tái)行程等長(zhǎng)，所以在大型數(shù)控機(jī)床上受到一定限制。2.間接測(cè)量它是將旋轉(zhuǎn)型檢測(cè)裝置安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸或滾珠絲杠上，通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)件的角位移來(lái)間接測(cè)量機(jī)床工作臺(tái)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(diǎn)是測(cè)量方便、無(wú)長(zhǎng)度限制。缺點(diǎn)是測(cè)量信號(hào)中增加了由回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)鏈誤差，從而影響了測(cè)量精度?！?.2感應(yīng)同步器一、感應(yīng)同步器的工作原理和分類它是利用電磁耦合原理，將位移或轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，借以進(jìn)行位置檢測(cè)和反饋控制的，屬模擬式測(cè)量。根據(jù)對(duì)滑尺繞組供電方式的不同，以及對(duì)輸出電壓檢測(cè)方式的不同，感應(yīng)同步器的測(cè)量系統(tǒng)可分為鑒幅型和鑒相型兩種。按結(jié)構(gòu)形式可分為直線和圓感應(yīng)同步器兩種；分別用來(lái)測(cè)量直線和角位移；均由定子和動(dòng)子組成。1.感應(yīng)同步器的分類圖2-1圓感應(yīng)同步器定子轉(zhuǎn)子定尺和滑尺的基板采用與機(jī)床熱膨脹系數(shù)相近的鋼板制成，鋼板上用絕緣粘結(jié)劑貼有銅箔，并利用腐蝕的辦法做成圖示的印刷繞組。長(zhǎng)尺叫定尺，安裝在機(jī)床床身上，短尺為滑尺，安裝于移動(dòng)部件上，兩者平行放置，保持0.25~0.05mm間隙。

感應(yīng)同步器兩個(gè)單元繞組間的距離為節(jié)距。定尺上是單向、均勻、連續(xù)的感應(yīng)繞組，滑尺有正、余弦兩個(gè)組繞組。當(dāng)正弦繞組與定尺繞組對(duì)齊時(shí)，余弦繞組與定尺繞組相差1/4節(jié)距。定尺滑尺正弦勵(lì)磁繞組A余弦勵(lì)磁繞組B2

圖2-2直線感應(yīng)同步器UCUSUd標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)同步器定尺長(zhǎng)250mm，滑尺長(zhǎng)100mm，節(jié)距為2mm。定尺圖2-3滑尺在不同位置的感應(yīng)電壓bacde移動(dòng)距離感應(yīng)電壓滑尺位置定尺感應(yīng)電壓滑尺移動(dòng)一個(gè)節(jié)距，感應(yīng)電壓變化一個(gè)周期。2.感應(yīng)同步器的工作原理工作時(shí)，滑尺繞組上通交流電，將在定尺的回路上產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，電勢(shì)的幅值和相位隨工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)而變化，據(jù)此來(lái)測(cè)量工作臺(tái)的位移。二、鑒相系統(tǒng)的工作原理

鑒相系統(tǒng)是通過(guò)檢測(cè)感應(yīng)電壓的相位來(lái)測(cè)量位移的。定尺滑尺正弦勵(lì)磁繞組A余弦勵(lì)磁繞組B2

圖2-2直線感應(yīng)同步器UCUSUd給滑尺的正弦繞組A和余弦繞組B分別施加幅值Um相同，頻率ω相同，相位差900的交流電壓，即開(kāi)始時(shí)，正弦激勵(lì)繞組與定尺繞組重合，此時(shí)滑尺繞組相對(duì)于定尺繞組的空間相位角=0。當(dāng)滑尺移動(dòng)時(shí)，兩繞組不再重合，此時(shí)在定尺上的感應(yīng)電壓U'd為：同理，余弦激勵(lì)繞組作用，定尺上的感應(yīng)電壓U"d為：式中：k—電磁偶合系數(shù)。

若感應(yīng)同步器的節(jié)距為2，則滑尺移動(dòng)的距離X與的關(guān)系式為：

由于感應(yīng)同步器的磁路系統(tǒng)可視為線性，根據(jù)疊加原理，定尺上的感應(yīng)總電壓為：代入上式得：三、鑒幅型系統(tǒng)的工作原理在這種系統(tǒng)中，供給滑尺的正、余弦繞組的激磁信號(hào)是頻率和相位相同而幅值不同的交流電壓，即它是通過(guò)檢測(cè)感應(yīng)電壓的幅值來(lái)測(cè)量的。其中Usm、Ucm幅值分別為式中：

1—給定電氣角。在正弦繞組單獨(dú)作用下，定尺上的感應(yīng)電壓U'd為：在余弦繞組單獨(dú)作用下，定尺上的感應(yīng)電壓U"d為：在正、余弦繞組共同作用下，定尺上的感應(yīng)電壓Ud為：由上式知，定尺上感應(yīng)電壓的幅值隨指令給定的位移X1(

1)與工作臺(tái)實(shí)際位移量X(

)的差值按正弦規(guī)律變化。四、感應(yīng)同步器的特點(diǎn)與應(yīng)用（一）特點(diǎn)

1.精度高它直接對(duì)機(jī)床的位移進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果只受本身精度的限制，直線精度一般為0.002mm/250mm。

2.對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)利用電磁感應(yīng)原理，不怕油污和灰塵污染，不易受到干擾。

3.使用壽命長(zhǎng)，安裝維修簡(jiǎn)單。

4.可用于長(zhǎng)距離位移測(cè)量，適合于大中型機(jī)床使用。5.工藝性好，成本低。（二）應(yīng)用感應(yīng)同步器有鑒相和鑒幅兩種工作方式?；鶞?zhǔn)信號(hào)鑒相器數(shù)控裝置脈沖相位變換激磁供電線路直流放大器伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)放大器反饋信號(hào)感應(yīng)同步器機(jī)床±

xsintuT±

2U2UsUc圖2-4鑒相系統(tǒng)測(cè)量的原理圖指令信號(hào)參考信號(hào)誤差信號(hào)相位角

1由數(shù)控裝置發(fā)出。1.鑒相測(cè)量系統(tǒng)數(shù)控裝置數(shù)模轉(zhuǎn)換器相位補(bǔ)償相敏放大伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)感應(yīng)同步器機(jī)床±

xU2UsUc圖2-5鑒幅系統(tǒng)測(cè)量的原理圖檢波放大余弦正弦振蕩器控制工作臺(tái)的移動(dòng)方向標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)控制移動(dòng)位移2.鑒幅測(cè)量系統(tǒng)五、感應(yīng)同步器安裝使用的注意事項(xiàng)1.安裝時(shí)必須保持兩尺平行、兩平面間的間隙約為0.25mm，傾斜度小于0.5o，裝配面波紋度在0.01mm/250mm以內(nèi)。2.由于感應(yīng)同步器大都裝在易被工作液和切屑浸入的地方，因此應(yīng)加以保護(hù)。3.同步回路中的阻抗和激勵(lì)電壓不對(duì)稱以及激勵(lì)電流失真度不應(yīng)超過(guò)2%。4.由于感應(yīng)同步器感應(yīng)電勢(shì)低、阻抗低，所以應(yīng)加強(qiáng)屏蔽以防止干擾。旋轉(zhuǎn)變壓器是一種的角度檢測(cè)元件，其結(jié)構(gòu)主要由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子通勵(lì)磁電壓，轉(zhuǎn)子上得到電磁耦合感應(yīng)電壓，其輸出電壓大小與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)。由于旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，精度又能滿足一般要求，所以應(yīng)用較廣。旋轉(zhuǎn)變壓器通過(guò)測(cè)量電動(dòng)機(jī)或被測(cè)軸的轉(zhuǎn)角來(lái)間接測(cè)量工作臺(tái)的位移。旋轉(zhuǎn)變壓器分為單極和多極形式，先分析一下單極工作情況?！?.3

旋轉(zhuǎn)變壓器一、基本概念圖2-6旋轉(zhuǎn)變壓器照片圖2-6旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理圖定子U1φ1φ2U2φ2U2φ2U2轉(zhuǎn)子φ2U2二、工作原理U1=UmsinωtU2=kU1sinθ=Umsinωtsinθ式中：k—電磁耦合系數(shù)；U1—定子的激勵(lì)電壓；U2—轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電壓；Um—定子的最大瞬時(shí)電壓。φ2U2

定子轉(zhuǎn)子U1圖2-7旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)原理圖該種旋轉(zhuǎn)變壓器，在轉(zhuǎn)子繞組連接負(fù)載后，所通過(guò)的電流產(chǎn)生的交變磁通將使定子和轉(zhuǎn)子將氣隙中的合成磁通畸變，影響測(cè)試精度。為此采用正弦、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，其定子和轉(zhuǎn)子繞組均由兩個(gè)扎數(shù)相等，且相互垂直的繞組構(gòu)成。如圖2-8所示，一個(gè)轉(zhuǎn)子繞組接高阻抗作為補(bǔ)償，另一個(gè)轉(zhuǎn)子繞組作為輸出。

U1U3U2轉(zhuǎn)子定子

1

2R

2cos

1sin圖2-8正余、弦旋轉(zhuǎn)變壓器原理圖三、應(yīng)用旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置檢測(cè)裝置，有鑒相式和鑒幅式兩種典型工作方式。鑒相式是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的相位來(lái)檢測(cè)位移量；鑒幅式是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的幅值來(lái)檢測(cè)位移量。1.鑒相工作方式給定子兩繞組分別通以幅值相同、頻率相同、相位差900的交流勵(lì)磁電壓，即這兩個(gè)勵(lì)磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中都產(chǎn)生了感應(yīng)電壓，如圖2-8所示，根據(jù)線性疊加原理，轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電壓應(yīng)為這兩個(gè)電壓的代數(shù)和：假如，轉(zhuǎn)子逆向轉(zhuǎn)動(dòng)，可得由上述分析可知，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(duì)應(yīng)關(guān)系，這樣，只要檢測(cè)出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角，就可知道轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。

2.鑒幅工作方式給定子的兩個(gè)繞組分別通以頻率相同、相位相同、幅值分別為U1m和U2m的交流激磁電壓，則有當(dāng)給定電氣角為時(shí)，交流激磁電壓幅值為別為當(dāng)轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)時(shí)，則轉(zhuǎn)子上的疊加電壓為同理，如果轉(zhuǎn)子逆向轉(zhuǎn)動(dòng)，可得

由上述分析計(jì)算可知，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓的幅值隨轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角而變化，測(cè)量出幅值即可求得轉(zhuǎn)角。如果將旋轉(zhuǎn)變壓器裝在數(shù)控機(jī)床的滾珠絲杠上，當(dāng)角從00到3600時(shí)，絲杠上的螺母帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)了一個(gè)導(dǎo)程，間接測(cè)量了執(zhí)行部件的直線位移。測(cè)量所走過(guò)的行程時(shí)，可加一個(gè)計(jì)數(shù)器，累計(jì)所轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)，折算成位移總長(zhǎng)度?！?.4脈沖編碼器脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，能把機(jī)械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，是數(shù)控機(jī)床上使用很廣泛的位置檢測(cè)裝置。脈沖編碼器可分為增量式與絕對(duì)式兩類。圖2-9脈沖編碼器的照片一、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(lái)講，光電式脈沖編碼器優(yōu)于其它兩種，它的型號(hào)是用脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)（p/r）來(lái)區(qū)分，數(shù)控機(jī)床常用2000、2500、3000p/r等，現(xiàn)在已有每轉(zhuǎn)發(fā)10萬(wàn)個(gè)脈沖的脈沖編碼器。脈沖編碼器除用于角度檢測(cè)外，還可以用于速度檢測(cè)。1.基本概念光電式脈沖編碼器通常與電機(jī)做在一起，或者安裝在電機(jī)非軸伸端，電動(dòng)機(jī)可直接與滾珠絲杠相連，或通過(guò)減速比為i的減速齒輪，然后與滾珠絲杠相連，那么每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)的距離可用下式計(jì)算：式中

—脈沖當(dāng)量（mm/脈沖）；

S—滾珠絲杠的導(dǎo)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）。增量式光電編碼器的工作原理圖如圖2-9所示。①②③④⑤⑥

數(shù)字顯示

信號(hào)處理電路

光電盤(pán)

指示光柵

光電元件

聚光鏡

光源

圖2-9光電式脈沖編碼器結(jié)構(gòu)示意圖光電式脈沖編碼器，它由光源、聚光鏡、光電盤(pán)、圓盤(pán)、光電元件和信號(hào)處理電路等組成（圖2-9）。2.光電式脈沖編碼器的組成

光電盤(pán)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。指示光柵也用玻璃材料研磨拋光制成，上刻有相差1/4節(jié)距的兩個(gè)窄縫，每一條后面安裝有一只光電元件。光電盤(pán)與工作軸連在一起，光電盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)縫隙就發(fā)生一次光線的明暗變化，光電元件把通過(guò)光電盤(pán)和圓盤(pán)射來(lái)的忽明忽暗的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為近似正弦波的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)整形、放大后，輸出脈沖信號(hào)。通過(guò)記錄脈沖的數(shù)目，就可以測(cè)出轉(zhuǎn)角。測(cè)出脈沖的變化率，可以求出速度。3.工作原理(a)(b)(c)圖2-10增量式編碼器的工作原理光源光電盤(pán)光電元件兩個(gè)光電元件DA和DB的相位相差900，其產(chǎn)生的信號(hào)，經(jīng)過(guò)整形，成為兩列方波信號(hào)，根據(jù)先后順序，可以判斷圓光柵的正反轉(zhuǎn)。若A超前，則正轉(zhuǎn)，若B超前，則反轉(zhuǎn)。光電脈沖編碼器還每轉(zhuǎn)由DC產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)。數(shù)控車床車螺紋時(shí)，可將這種脈沖信號(hào)當(dāng)作車刀進(jìn)刀點(diǎn)和退刀點(diǎn)的信號(hào)使用，以保證車削螺紋不亂扣。增量式編碼器的缺點(diǎn)是易受噪聲或干擾的影響。但由于它具有制造方便，線路簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在精度要求不高，或舊機(jī)床改造等場(chǎng)合可得到應(yīng)用。絕對(duì)式編碼器可直接把被測(cè)轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來(lái)，且每一個(gè)角度位置均有其對(duì)應(yīng)的測(cè)量代碼，它能表示絕對(duì)位置，沒(méi)有累積誤差，電源切除后，位置信息不丟失，仍能讀出轉(zhuǎn)動(dòng)角度。絕對(duì)式編碼器有光電式、接觸式和電磁式三種，以光電式四位絕對(duì)編碼器為例來(lái)說(shuō)明其工作原理。

二、絕對(duì)式脈沖編碼器

1.二進(jìn)制碼盤(pán)

白的部分代表0，黑的部分代表1，里環(huán)是高位，外環(huán)是低位，按二進(jìn)制8421BCD規(guī)則編碼。圖2-11二進(jìn)制編碼盤(pán)23222120000000010010001101000101011001111000111111101101110010111010100123222120圖2-12二進(jìn)制編碼盤(pán)工作原理圖當(dāng)檢測(cè)對(duì)象帶動(dòng)碼盤(pán)一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電元件和碼盤(pán)的相對(duì)位置發(fā)生變化，從內(nèi)到外四個(gè)感光元件將會(huì)出現(xiàn)有光照或無(wú)光照兩種情況。有光照時(shí)該感光元件設(shè)為“0”；反之，為“1”。如果碼盤(pán)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，就可依次得到按規(guī)定編碼的數(shù)字信號(hào)輸出為：0000、0001、0010……1111。反之，為：1111、1110、1101……0000。由上述分析可知，四位二進(jìn)制編碼盤(pán)的分辨角θ＝360o/24=22.5o，若是n位二進(jìn)制碼盤(pán)，就有n圈碼道，分辨角θ＝360o/2n，碼盤(pán)位數(shù)越大，所能分辨的角度越小，測(cè)量精度越高。若要提高分辨力，就必須增多碼道，即二進(jìn)制位數(shù)增多。目前接觸式碼盤(pán)一般可以做到9位二進(jìn)制，光電式碼盤(pán)可以做到18位二進(jìn)制。用二進(jìn)制代碼做的碼盤(pán)，如果電刷安裝不準(zhǔn)，會(huì)使得個(gè)別電刷錯(cuò)位，而出現(xiàn)很大的數(shù)值誤差。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(pán)。2葛萊編碼盤(pán)葛萊編碼盤(pán)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖2-13所示。白的部分代表0，黑的部分代表1，里環(huán)是高位，外環(huán)是低位。不按8421BCD規(guī)則編碼。圖案的切換只用一位數(shù)（二進(jìn)制），所以能把讀誤控制在一個(gè)單位之內(nèi)，可靠性高。圖2-13葛萊編碼盤(pán)0000000100110010011010001001101110101110111111011100010001010111103267589111014151312423222120輸出二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成葛萊碼的法則是：將二進(jìn)制碼右移一位并舍去末位的數(shù)碼，再與二進(jìn)制數(shù)碼作不進(jìn)位加法，結(jié)果即為葛萊碼。例如，二進(jìn)制碼1101（13）對(duì)應(yīng)的葛萊碼為1011（11），其演算過(guò)程如下：1101（二進(jìn)制碼）1101（不進(jìn)位相加，舍去末位）1011（葛萊碼）

三、編碼盤(pán)的特點(diǎn)根據(jù)結(jié)構(gòu)，編碼盤(pán)可分為接觸式、電磁式和光電式。

1.接觸式編碼盤(pán)其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，體積小，輸出信號(hào)強(qiáng)，不需放大；缺點(diǎn)是存在電刷的磨損問(wèn)題，故壽命短，轉(zhuǎn)速不能太高，而且精度受到最高位分段寬度的限制。如要求位數(shù)更多的話，可用兩個(gè)編碼盤(pán)構(gòu)成組合碼盤(pán)，如用兩個(gè)6位編碼盤(pán)組合起來(lái)，一個(gè)做粗測(cè)，一個(gè)做精測(cè)，精盤(pán)轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，粗盤(pán)最低位剛好移過(guò)一個(gè)，這樣就相當(dāng)于得到了與12位相當(dāng)?shù)拇a盤(pán)。

2.

光電編碼盤(pán)其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)接觸磨損，壽命長(zhǎng)，允許轉(zhuǎn)速高，可實(shí)現(xiàn)的精度高。缺點(diǎn)式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高，光源壽命短。

3.電磁式編碼盤(pán)其優(yōu)點(diǎn)是是無(wú)接觸的編碼碼盤(pán)，具有壽命長(zhǎng)，允許的轉(zhuǎn)速高，精度可達(dá)到很高。10月13日

§2.5光柵檢測(cè)裝置光柵是利用光的透射、干涉現(xiàn)象制成的光電檢測(cè)元件，可以測(cè)量長(zhǎng)度、角度、速度、加速度、振動(dòng)和爬行等。一、光柵的結(jié)構(gòu)光柵可分為透射光柵和反射光柵，透射光柵分辨率較反射光柵高，其檢測(cè)精度可達(dá)1μm以上。從形狀上看，又可分為圓光柵和直線光柵。反射光柵是采用不銹鋼帶經(jīng)照相腐蝕或直接刻線制成。透射光柵是采用經(jīng)磨制的光學(xué)玻璃或在玻璃表面感光材料的涂層上刻成光柵條紋而成。圖2-13直線光柵的照片圖2-14光柵構(gòu)成的原理圖柵距(P)國(guó)內(nèi)機(jī)床上一般采用100、200線/mm直線光柵通常由長(zhǎng)、短兩塊配套使用，長(zhǎng)的稱為標(biāo)尺光柵，一般固定在機(jī)床移動(dòng)部件上，要求與行程等長(zhǎng)。短的為指示光柵，裝在機(jī)床固定部件上。測(cè)量時(shí)它們相互平行放置，并保持0.05~0.1mm的間隙。光源聚光鏡標(biāo)尺光柵(裝在移動(dòng)部件上)指示光柵(裝在固定部件上)光電元件(把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖信號(hào))P1P2P3P4圖2-15光柵檢測(cè)裝置的原理圖二、工作原理光柵測(cè)量時(shí),標(biāo)尺和指示兩光柵保持0.05~0.1mm的間隙，并使刻線相互傾斜一個(gè)小角度θ，由于光的衍射作用，就會(huì)產(chǎn)生明暗相間的干涉條紋，稱為莫爾條紋。當(dāng)兩光柵相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋也移動(dòng)，但兩者的移動(dòng)方向垂直。光柵移動(dòng)一柵距P時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)節(jié)距W。因此通過(guò)測(cè)定莫爾條紋移動(dòng)的數(shù)目，可以測(cè)出光柵移動(dòng)的距離。P

W圖2-16莫爾條紋指示光柵標(biāo)尺光柵

PW莫爾條紋的特點(diǎn)：

1.放大作用用W（mm）表示莫爾條紋的寬度，P(mm)表示柵距，

(rad)為光柵線紋之間的夾角，則有

若光柵節(jié)距P取0.01mm，刻線傾角θ=0.001rad

時(shí)，則莫爾條紋的寬度W=10mm，其放大倍數(shù)為1000，可見(jiàn)莫爾條紋有放大作用。2.均化誤差作用莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同組成，例如，200條/mm的光柵，10mm寬的光柵就由2000條線紋組成，這樣?xùn)啪嘀g的固有相鄰誤差就被平均化了，消除了柵距之間不均勻造成的誤差。

3.莫爾條紋的移動(dòng)與柵距的移動(dòng)成比例當(dāng)光柵尺移動(dòng)一個(gè)柵距P時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋寬度W。只要通過(guò)光電元件測(cè)出莫爾條紋的數(shù)目，就可知道光柵移動(dòng)了多少個(gè)柵距，工作臺(tái)移動(dòng)的距離可以計(jì)算出來(lái)。若光柵移動(dòng)方向相反，則莫爾條紋移動(dòng)方向也相反。

三、光柵測(cè)量裝置的位移－數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)P1

P2

P3

P4

指示光柵

標(biāo)尺光柵硅光電池

聚光鏡

光源

圖2-17光柵測(cè)量系統(tǒng)

P1、P2、P3、P4產(chǎn)生的信號(hào)相位彼此相差90o。P1、P3信號(hào)是相位差180o的兩個(gè)信號(hào)，接差動(dòng)放大器放大，得正弦信號(hào)。同理，P2、P4信號(hào)送另一個(gè)差動(dòng)放大器，得到余弦信號(hào)。Y6微分微分微分整形P1P2P4P3

差動(dòng)放大器

差動(dòng)放大器整形反相反相Y1Y2Y3Y4Y5Y7Y8微分

B方波

A方波

D

C正弦信號(hào)余弦信號(hào)B′A′C′D′圖2-18四倍頻辨向電路正向脈沖反向脈沖為使每隔1/4節(jié)距都有脈沖，把A、B各自反向一次得C、D信號(hào)正向：A'B+AD'+C'D+B'C反向：BC'+CD'+A'D+AB'正弦余弦ABCD正向反向A′B′C′D′圖2-18波形圖

A、B、C、D信號(hào)經(jīng)微分變成窄脈沖A′、B′、C′、D′正弦和余弦信號(hào)經(jīng)整形變成方波A和B在正走或反走時(shí)每個(gè)方波的上升沿產(chǎn)生窄脈沖，由與門(mén)電路把0o、90o、180o、270o四個(gè)位置上產(chǎn)生的窄脈沖組合起來(lái)，根據(jù)不同的移動(dòng)方向形成正向或反向脈沖。正向：A'B+AD'+C'D+B'C反向：BC'+CD'+A'D+AB'二、光柵檢測(cè)的特點(diǎn)（1）由于光柵的刻線可制作十分精確，同時(shí)莫爾條紋對(duì)刻線局部誤差有均化作用，因此柵距誤差對(duì)測(cè)量精度誤差影響較小;也可采用倍頻的方法來(lái)提高分辨精度，所以測(cè)量精度高。（2）在檢測(cè)過(guò)程中，標(biāo)尺光柵和指示光柵不直接接觸，沒(méi)有磨損，因而精度保持性好。（3）光柵刻線要求很精確，兩光柵之間的間隙及傾角都要求保持不變，故制造調(diào)試比較困難，對(duì)工作環(huán)境要求高?！?.3磁尺位置檢測(cè)裝置

磁尺又叫磁柵,是一種采用計(jì)算磁波數(shù)目來(lái)測(cè)量位置的元件。其優(yōu)點(diǎn)是精度高，復(fù)制簡(jiǎn)單，安裝方便等。在油污、粉塵較多的場(chǎng)合使用有較好的穩(wěn)定性。一、組成和原理

該裝置由磁性尺、讀取磁頭和檢測(cè)電路組成。圖2-19磁尺位置檢測(cè)的框圖將磁信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)記錄磁頭轉(zhuǎn)化的一定節(jié)距的磁化信號(hào)圖2-19磁尺的照片

磁性標(biāo)尺是在非導(dǎo)磁材料上用涂敷、化學(xué)沉積或電鍍上一層10~20μm厚的硬磁材料，并在他們表面上錄制相等節(jié)距周期變化的磁信號(hào)，有平面實(shí)體型磁尺、帶狀磁尺、線狀磁尺、圓型磁尺。二、磁性標(biāo)尺框架磁頭帶狀磁尺磁尺磁頭磁頭磁盤(pán)/4(a)帶狀磁尺(b)線狀磁尺(c)圓型磁尺圖2-20常用的磁尺三、磁頭

磁頭是進(jìn)行磁-電轉(zhuǎn)換的變換器，它把反映空間位置的磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。圖2-21磁頭的結(jié)構(gòu)原理圖磁性膜輸出信號(hào)U拾磁繞組激磁繞組激磁電源磁頭鐵芯基體磁尺

0X

U—拾磁線圈的感應(yīng)電壓；U0—感應(yīng)電壓系數(shù)；

—磁尺變化信號(hào)節(jié)距；x—磁頭相對(duì)磁尺的位移；

—激磁電流的角頻率。為了辨別磁頭在磁標(biāo)尺上的移動(dòng)方向，常采用兩組磁頭。A磁頭B磁頭圖2-22雙磁頭測(cè)量的原理圖i1i2U2U1磁尺使用單個(gè)磁頭的輸出信號(hào)很小，實(shí)際使用中，將幾十個(gè)磁頭都以相同的間距λm/2配置，相鄰兩磁頭的輸出繞組反向串接。因此輸出信號(hào)為各磁頭輸出的疊加。多間隙磁頭具有高精度、高分辨率、輸出電壓大等優(yōu)點(diǎn)。磁尺磁頭U(a)(b)輸出電壓Un=3

m/2O

m/2圖2-23多間隙磁頭測(cè)量的原理圖

四、磁柵測(cè)量電路的工作方式磁尺檢測(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)方法有鑒相式和鑒幅式兩種。1.鑒相式測(cè)量檢測(cè)電路振蕩器2MC分頻器

400低通濾波器功放功放90o移向器限幅放大整形可逆計(jì)數(shù)器檢相內(nèi)插電路求和電路帶通濾波器SSNNSSS