1、第六章第六章 數控機床的檢測裝置數控機床的檢測裝置主要內容主要內容: : 概述概述旋轉變壓器旋轉變壓器 感應同步器感應同步器 光柵光柵 磁柵磁柵 6.1 6.1 概述概述 1 1、作用：作用： 檢測位移（線位移或角位移）和速度，發送反饋信號檢測位移（線位移或角位移）和速度，發送反饋信號至數控裝置，構成伺服系統的閉環或半閉環控制，使工至數控裝置，構成伺服系統的閉環或半閉環控制，使工作臺按指令的路徑精確地移動，其精度決定了加工精度。作臺按指令的路徑精確地移動，其精度決定了加工精度。2 2、應用范圍：應用范圍： 半閉環控制的數控機床：半閉環控制的數控機床：旋轉變壓器、編碼器旋轉變壓器、編碼器，安裝，

2、安裝在電機或絲杠上，測量了電機或絲杠的角位移，也就在電機或絲杠上，測量了電機或絲杠的角位移，也就間接地測量了工作臺的直線位移。間接地測量了工作臺的直線位移。 閉環控制系統的數控機床：閉環控制系統的數控機床：感應同步器、光柵、磁柵感應同步器、光柵、磁柵等測量裝置，安裝在工作臺和導軌上，直接測量工作等測量裝置，安裝在工作臺和導軌上，直接測量工作臺的直線位移。臺的直線位移。6.1 6.1 概述概述3 3、位置檢測裝置的精度包括系統精度和分辨率、位置檢測裝置的精度包括系統精度和分辨率 系統精度系統精度：在一定長度或轉角范圍內測量累積誤差的：在一定長度或轉角范圍內測量累積誤差的最大值。最大值。 分辨率分

3、辨率：位置檢測系統能夠測量的最小位移量。：位置檢測系統能夠測量的最小位移量。3 3、要求：要求： 受溫度、濕度的影響小，工作可靠，抗干擾能力強；受溫度、濕度的影響小，工作可靠，抗干擾能力強； 在機床移動的范圍內滿足精度和速度要求；在機床移動的范圍內滿足精度和速度要求； 使用維護方便，適合機床運行環境；使用維護方便，適合機床運行環境； 成本低；成本低； 易于實現高速的動態測量。易于實現高速的動態測量。6.1 6.1 概述概述主要內容6.1.2 6.1.2 位置檢測裝置分類位置檢測裝置分類按被測量的幾何量分：按被測量的幾何量分： 回轉型（測角位移）和直線型（測線位移）；回轉型（測角位移）和直線型（

4、測線位移）；按檢測信號的類型分：按檢測信號的類型分： 數字式和模擬式；數字式和模擬式；按檢測量的基準分：按檢測量的基準分： 增量式和絕對式。增量式和絕對式。 不同類型的數控機床，因工作條件和檢測要求不同，不同類型的數控機床，因工作條件和檢測要求不同，可采用不同的檢測方式。可采用不同的檢測方式。6.1 6.1 概述概述主要內容概概述述數字式數字式 數字式數字式 模擬式模擬式 模擬式模擬式 增量式增量式 絕對式絕對式 增量式增量式 絕對式絕對式 回轉型回轉型 增量式脈沖編碼器增量式脈沖編碼器圓光柵圓光柵 絕對式脈沖編碼器絕對式脈沖編碼器 旋轉變壓器旋轉變壓器圓感應同步器圓感應同步器圓磁尺圓磁尺 多

5、極旋轉變壓器多極旋轉變壓器3速圓感應同步器速圓感應同步器 直線型直線型 計量光柵計量光柵激光干涉儀激光干涉儀 多通道透射光柵多通道透射光柵 直線感應同步器直線感應同步器磁尺磁尺 3速直線感應同步器速直線感應同步器絕對值式磁尺絕對值式磁尺 移動一個測量單位就發出一個測量信號被測量的任一點的位置都以一個固定零點作基準6.1 6.1 概述概述主要內容1增量式與絕對式增量式與絕對式 1 1）增量式檢測方式）增量式檢測方式 增量式檢測方式測量位移增量，移動一個測量單位增量式檢測方式測量位移增量，移動一個測量單位就發出一個測量信號。就發出一個測量信號。優點：優點：檢測裝置較簡單，任何一個對中點均可作為測量

6、檢測裝置較簡單，任何一個對中點均可作為測量 起點；輪廓控制常采用起點；輪廓控制常采用缺點：缺點：對測量信號計數后才能讀出移距，一旦計數有誤，對測量信號計數后才能讀出移距，一旦計數有誤，此后的測量結果將全錯；發生故障時（如斷電、斷刀等）此后的測量結果將全錯；發生故障時（如斷電、斷刀等）不能再找到事故前的正確位置，必須將工作臺移至起點不能再找到事故前的正確位置，必須將工作臺移至起點重新計數。重新計數。6.1 6.1 概述概述2 2）絕對式測量方式）絕對式測量方式 絕對式測量方式中，被測量的任一點的位置絕對式測量方式中，被測量的任一點的位置都以一個固定的零點作基準，每一被測點都有一都以一個固定的零點

7、作基準，每一被測點都有一個相應的對零點的測量值。避免了增量式檢測方個相應的對零點的測量值。避免了增量式檢測方式的缺陷，但其結構較為復雜。式的缺陷，但其結構較為復雜。6.1 6.1 概述概述2 2數字式與模擬式數字式與模擬式1 1）數字式測量方式）數字式測量方式 將被測量單位量化后以數字形式表示，測量信號一般將被測量單位量化后以數字形式表示，測量信號一般為電脈沖，可直接把它送到數控裝置進行比較、處理為電脈沖，可直接把它送到數控裝置進行比較、處理特點：特點：（1 1）被測量量化后轉換成脈沖個數，便于顯示和處理；）被測量量化后轉換成脈沖個數，便于顯示和處理；（2 2）測量精度取決于測量單位，與量程基

8、本無關（存在）測量精度取決于測量單位，與量程基本無關（存在累加誤差）；累加誤差）；（3 3）檢測裝置較簡單，脈沖信號抗干擾能力強。）檢測裝置較簡單，脈沖信號抗干擾能力強。6.1 6.1 概述概述2 2）模擬式測量方式）模擬式測量方式 將被測量用連續的變量來表示，如用相位變化、電壓將被測量用連續的變量來表示，如用相位變化、電壓變化來表示，主要用于小量程測量。主要特點：變化來表示，主要用于小量程測量。主要特點：（1 1）直接對被測量進行檢測，無需量化；）直接對被測量進行檢測，無需量化；（2 2）在小量程內可以實現高精度測量；）在小量程內可以實現高精度測量；（3 3）可用于直接檢測和間接檢測。）可用

9、于直接檢測和間接檢測。6.1 6.1 概述概述3 3直接測量與間接測量直接測量與間接測量1 1）直接測量）直接測量 對機床的直線位移采用直線型檢測裝置測量，稱為直對機床的直線位移采用直線型檢測裝置測量，稱為直接檢測。接檢測。 測量精度主要取決于測量元件的精度，不受機床傳動測量精度主要取決于測量元件的精度，不受機床傳動精度的影響。精度的影響。 但檢測裝置要與行程等長，對大型數控機床來說，這但檢測裝置要與行程等長，對大型數控機床來說，這是一個很大的限制。是一個很大的限制。6.1 6.1 概述概述2 2）間接測量）間接測量 對機床的直線位移采用回轉型檢測元件測量，稱為對機床的直線位移采用回轉型檢測元

10、件測量，稱為間接測量。間接測量。優點：優點： 使用可靠方便，無長度限制，使用可靠方便，無長度限制，缺點：缺點： 在檢測信號中加入了直線運動轉變為旋轉運動的傳動在檢測信號中加入了直線運動轉變為旋轉運動的傳動鏈誤差，影響檢測精度。因此為了提高定位精度，常鏈誤差，影響檢測精度。因此為了提高定位精度，常常需要對機床的傳動誤差進行補償。常需要對機床的傳動誤差進行補償。6.2 6.2 旋轉變壓器旋轉變壓器6.2.16.2.1旋轉變壓器的結構旋轉變壓器的結構組成：定子、轉子組成：定子、轉子分類：有刷和無刷兩種分類：有刷和無刷兩種旋轉式的小型交流電動機旋轉式的小型交流電動機12356748轉子軸承分解器轉子變

11、壓器定子變壓器二次繞組變壓器轉子線軸殼體分解器定子變壓器一次繞組無刷旋轉變壓器：無刷旋轉變壓器：特點：特點：輸出信號大輸出信號大可靠性高可靠性高壽命長壽命長不用維修不用維修6.2 6.2 旋轉變壓器旋轉變壓器旋轉變壓器分：單極對、多極對。常用單極對旋轉變壓旋轉變壓器分：單極對、多極對。常用單極對旋轉變壓器和雙極對旋轉變壓器。器和雙極對旋轉變壓器。 單極對單極對：定子和轉子上各有一對磁極。：定子和轉子上各有一對磁極。 轉子通常不直接與電機軸相聯，經精密齒輪升速后再轉子通常不直接與電機軸相聯，經精密齒輪升速后再與電機軸相聯，根據絲杠導程選用齒輪升速比，以保證與電機軸相聯，根據絲杠導程選用齒輪升速比

12、，以保證機床的脈沖當量與輸入設定的單位相同，升速比通常為機床的脈沖當量與輸入設定的單位相同，升速比通常為1:21:2、1:31:3、1:41:4、2:32:3、1:51:5、2:52:5等。等。 多極對多極對：增加定子或轉子的極對數，使電氣轉角為機：增加定子或轉子的極對數，使電氣轉角為機械轉角的倍數，用于高精度絕對式檢測系統。械轉角的倍數，用于高精度絕對式檢測系統。 雙極對雙極對：定子和轉子上各有兩對相互垂直的磁極，其：定子和轉子上各有兩對相互垂直的磁極，其檢測精度較高，在數控機床中應用普遍。檢測精度較高，在數控機床中應用普遍。6.2 6.2 旋轉變壓器旋轉變壓器6.2.2 6.2.2 旋轉變

13、壓器的工作原理旋轉變壓器的工作原理 根據互感原理工作，定子與轉子之間氣隙磁通分布根據互感原理工作，定子與轉子之間氣隙磁通分布呈正余弦規律。當定子加上一定頻率的激磁電壓時，呈正余弦規律。當定子加上一定頻率的激磁電壓時，通過電磁耦合，轉子繞組產生感應電勢，其通過電磁耦合，轉子繞組產生感應電勢，其輸出電壓的輸出電壓的大小取決于定子和轉子兩個繞組軸線在空間的相對位置。大小取決于定子和轉子兩個繞組軸線在空間的相對位置。 6.2 6.2 旋轉變壓器旋轉變壓器6.2 6.2 旋轉變壓器旋轉變壓器主要內容單極對旋轉變壓器單極對旋轉變壓器：由變壓器原理，設一次繞組匝數：由變壓器原理，設一次繞組匝數N N1 1，

14、二次繞組匝數，二次繞組匝數N N2 2，變壓比，變壓比n nN N1 1N N2 2，一次側輸入，一次側輸入交變電壓：交變電壓：tUUmsin1二次側產生感應電勢：二次側產生感應電勢： sinsin12tnUnUUmU U2 2轉子繞組感應電勢轉子繞組感應電勢U U1 1定子的激磁電壓定子的激磁電壓U Um m激磁電壓幅值激磁電壓幅值轉子偏轉角轉子偏轉角6.2 6.2 旋轉變壓器旋轉變壓器coscos2tkUem主要內容正弦余弦旋轉變壓器的工作原正弦余弦旋轉變壓器的工作原理理 定子和轉子繞組中各有互相定子和轉子繞組中各有互相垂直的兩個繞組，定子上兩個垂直的兩個繞組，定子上兩個繞組分別為正弦繞組

15、繞組分別為正弦繞組U U1s1s、余弦、余弦繞組繞組U U1c1c，轉子繞組的一個繞組，轉子繞組的一個繞組輸出電壓為輸出電壓為U U2 2，另一個繞組接，另一個繞組接高阻抗，補償轉子對定子的電高阻抗，補償轉子對定子的電樞反應。樞反應。正弦正弦余弦余弦4 5 U1 sU1 cRU2轉 子定 子sinsin1tkUem6.2 6.2 旋轉變壓器旋轉變壓器旋轉變壓器的工作方式旋轉變壓器的工作方式 1 1鑒相工作方式鑒相工作方式 給定子的兩個繞組通以同幅值、同頻率，相位差給定子的兩個繞組通以同幅值、同頻率，相位差/2/2的交流激磁電壓的交流激磁電壓U U1s1sU Um msintsintU U1c1

16、cU Um m（sint+/2sint+/2）U Um mcostcost 轉子正轉時轉子正轉時， U U1s1s、U U1c1c在轉子繞組中產生感應在轉子繞組中產生感應電壓，經疊加，得轉子感應電壓電壓，經疊加，得轉子感應電壓U U2 2 6.2 6.2 旋轉變壓器旋轉變壓器轉子正轉時的感應電壓：轉子正轉時的感應電壓：U U2 2kUkUm msintsinsintsinkUkUm mcostcos=kUcostcos=kUm mcoscos（tt）k k電磁耦合系數，電磁耦合系數，k k11；相位角，轉子偏轉角。相位角，轉子偏轉角。轉子反轉時的感應電壓：轉子反轉時的感應電壓：U U2 2k

17、kU Um mcoscos（tt）（tt） 嚴格對應關系，嚴格對應關系，檢測出（檢測出（tt），可得），可得 ，可得被測軸的角位移。，可得被測軸的角位移。6.2 6.2 旋轉變壓器旋轉變壓器2 2鑒幅工作方式鑒幅工作方式 定子正、余弦繞組分別通同頻率、同相位，但幅值分別定子正、余弦繞組分別通同頻率、同相位，但幅值分別為為U Usmsm和和U Ucmcm的交流激磁電壓的交流激磁電壓 U U1s1sU UsmsmsintsintU U1c1c=U=Ucmcmsint sint 當給定電氣角為當給定電氣角為時，交流激磁電壓的時，交流激磁電壓的幅值幅值分別為分別為 U UsmsmU Um msin s

18、in U UcmcmU Um mcos cos 6.2 6.2 旋轉變壓器旋轉變壓器轉子正轉時轉子正轉時，U U1s1s、U U1c1c經疊加，轉子感應電壓經疊加，轉子感應電壓U U2 2為：為：U U2 2kUkUm msinsinsinsint tsinsinkUkUm mcossincossint tcoscos kUkUm mcoscos（）sinsint t轉子反轉時轉子反轉時，同理有：，同理有： U U2 2kUkUm mcoscos（）sintsintU U2 2的幅值為的幅值為: :kUkUm mcoscos（）、）、kUkUm mcoscos（）可見，可見， U U2 2的幅

19、值隨轉子的偏轉角的幅值隨轉子的偏轉角變化，變化，測量出幅值即可求得偏轉角測量出幅值即可求得偏轉角，6.2 6.2 旋轉變壓器旋轉變壓器主要內容6.2.3 6.2.3 旋轉變壓器的應用旋轉變壓器的應用 測量旋轉變壓器二次繞組的感應電動勢測量旋轉變壓器二次繞組的感應電動勢U U2 2的幅的幅值或相位的變化，可知轉子偏轉角值或相位的變化，可知轉子偏轉角的變化。的變化。 如果將旋轉變壓器安裝在數控機床的絲杠上，如果將旋轉變壓器安裝在數控機床的絲杠上，當當角從角從0 0變化到變化到360360時，表示絲杠上的螺母時，表示絲杠上的螺母走了一個導程，這樣就間接地測量了絲杠的直線走了一個導程，這樣就間接地測量

20、了絲杠的直線位移（導程）的大小。位移（導程）的大小。 6.2 6.2 旋轉變壓器旋轉變壓器 當測全長時，由于普通旋轉變壓器屬于增量當測全長時，由于普通旋轉變壓器屬于增量式測量裝置，如果將其轉子直接與絲杠相聯，轉子轉動式測量裝置，如果將其轉子直接與絲杠相聯，轉子轉動一周，僅相當于工作臺一周，僅相當于工作臺1 1個絲杠導程的直線位移，不能反個絲杠導程的直線位移，不能反映全行程，因此，要檢測工作臺的絕對位置，需要加一映全行程，因此，要檢測工作臺的絕對位置，需要加一臺臺絕對位置計數器絕對位置計數器，累計所走的導程數，折算成位移總，累計所走的導程數，折算成位移總長度。長度。 另外，在轉子每轉另外，在轉子

21、每轉1 1周時，轉子的輸出電壓將隨旋轉周時，轉子的輸出電壓將隨旋轉變壓器的極數不同而不止一次地通過零點，必須在線路變壓器的極數不同而不止一次地通過零點，必須在線路中加中加相敏檢波器相敏檢波器來辨別轉換點和區別不同的轉向。來辨別轉換點和區別不同的轉向。 6.2 6.2 旋轉變壓器旋轉變壓器 此外，還可以用此外，還可以用3 3個旋轉變壓器按個旋轉變壓器按1:11:1、10:110:1和和100:1100:1的比例相互配合串接，組成精、中、粗的比例相互配合串接，組成精、中、粗3 3級旋轉變壓級旋轉變壓器測量裝置。如果轉子以半周期直接與絲杠耦合（即器測量裝置。如果轉子以半周期直接與絲杠耦合（即“精精”

22、同步），結果使絲杠位移同步），結果使絲杠位移10mm10mm，則，則“中中”測旋測旋轉變壓器工作范圍為轉變壓器工作范圍為100mm100mm，“粗粗”測旋轉變壓器的測旋轉變壓器的工作范圍為工作范圍為1000mm1000mm。 為了使機床工作臺按指令值到達一定位置，需用電氣為了使機床工作臺按指令值到達一定位置，需用電氣轉換電路在實際值不斷接近指令值的過程中，使旋轉轉換電路在實際值不斷接近指令值的過程中，使旋轉變壓器從變壓器從“粗粗” ” 轉換到轉換到“中中”再轉換到再轉換到“精精”，最，最終的位置檢測精度由終的位置檢測精度由“精精”旋轉變壓器決定。旋轉變壓器決定。 6.2 6.2 旋轉變壓器旋轉

23、變壓器主要內容6.2.4 6.2.4 磁阻式多極旋轉變壓器簡介磁阻式多極旋轉變壓器簡介 普通旋轉變壓器普通旋轉變壓器：精度為角分級，：精度為角分級，應用：精度要求不高或大型機床的粗測和中測。應用：精度要求不高或大型機床的粗測和中測。近年廣泛采用近年廣泛采用磁阻式多極旋轉變壓器磁阻式多極旋轉變壓器：無電刷、滑環：無電刷、滑環特點：工作可靠、抗沖擊能力強，連續高速運行、壽特點：工作可靠、抗沖擊能力強，連續高速運行、壽命長，成本低，輸出信號電平高（命長，成本低，輸出信號電平高（0.50.51.5V1.5V，最高可，最高可達達4V4V），測量精度不如感應同步器和光柵，但高于普），測量精度不如感應同步器

24、和光柵，但高于普通旋轉變壓器，誤差不超過通旋轉變壓器，誤差不超過3.53.5角秒，所以在數控機床角秒，所以在數控機床上的應用很有前途。上的應用很有前途。 應用：高精度及各種控制式電氣變速雙通道系統，提應用：高精度及各種控制式電氣變速雙通道系統，提高數控機床定位精度。高數控機床定位精度。6.2 6.2 旋轉變壓器旋轉變壓器轉子每轉過一個轉轉子每轉過一個轉子齒距，氣隙磁導子齒距，氣隙磁導變化一個周期；當變化一個周期；當轉子轉過一周時，轉子轉過一周時，氣隙磁導變化的周氣隙磁導變化的周期數等于轉子齒數。期數等于轉子齒數。氣隙磁導變化，輸氣隙磁導變化，輸出繞組感應電勢變出繞組感應電勢變化。化。zzzzz

25、zzzz通過測輸出電壓幅值的變化得轉子的轉角。通過測輸出電壓幅值的變化得轉子的轉角。6.3 6.3 感應同步器感應同步器6.3.1 6.3.1 感應同步器的結構與種類感應同步器的結構與種類1 1、分類：、分類： 直線式直線式：由定尺、滑尺組成，測直線位移，用于全閉：由定尺、滑尺組成，測直線位移，用于全閉環伺服系統。環伺服系統。 旋轉式旋轉式：由定子、轉子組成，測量角位移，用于半閉環：由定子、轉子組成，測量角位移，用于半閉環伺服系統。伺服系統。6.3 6.3 感應同步器感應同步器1 1直線感應同步器直線感應同步器38引線(a)(b)(c)12212211W2片寬a2間隔b2l1W1a1b1b1l

26、1W1/2a1定尺繞組節距定尺繞組節距w w2 22 2（a a2 2+ +b b2 2），），W W2 2222mm2mm滑尺正余弦繞組成滑尺正余弦繞組成W W或或U U形。形。錯開錯開1 14 4w w2 2 （電角度（電角度/2/2）。）。節距節距w w1 12(2(a a1 1+ +b b1 1) )取取w w1 1w w2 2或或w w1 12/32/3 w w2 2正弦繞組余弦繞組)21()412(21nnl6.3 6.3 感應同步器感應同步器 定尺和滑尺的定尺和滑尺的基體基體常用厚度為常用厚度為10mm10mm、與床身材料熱膨、與床身材料熱膨脹系數相近的鋼板或鑄鐵，以減小與機床的

27、溫度誤差。脹系數相近的鋼板或鑄鐵，以減小與機床的溫度誤差。 平面平面繞組繞組為銅箔，常用厚度為為銅箔，常用厚度為0.05mm0.05mm或或0.07mm0.07mm的純銅的純銅箔，用絕緣粘結劑將銅箔熱壓粘結在基體上，經精密照箔，用絕緣粘結劑將銅箔熱壓粘結在基體上，經精密照相腐蝕工藝制成所需印刷繞組形式。相腐蝕工藝制成所需印刷繞組形式。 定尺繞組表面定尺繞組表面涂一層耐切削液的清漆涂層作為涂一層耐切削液的清漆涂層作為保護保護層層，防止切削液的飛濺。，防止切削液的飛濺。 滑尺繞組表面滑尺繞組表面貼一層帶塑料薄膜的貼一層帶塑料薄膜的絕緣鋁箔絕緣鋁箔，防止，防止因靜電感應產生附加容性電勢。因靜電感應產

28、生附加容性電勢。6.3 6.3 感應同步器感應同步器 直線式感應同步器有標準式、窄式、帶式和直線式感應同步器有標準式、窄式、帶式和3 3重重（速）式等。（速）式等。 標準式：標準式：精度最高、使用最廣；精度最高、使用最廣； 窄式窄式：定尺、滑尺寬度比標準式小，電磁感應強度減：定尺、滑尺寬度比標準式小，電磁感應強度減低，比標準式精度低，適用精度較低或機床上安裝位低，比標準式精度低，適用精度較低或機床上安裝位置窄小且安裝面難于加工的情況；置窄小且安裝面難于加工的情況； 帶式：帶式：定尺最長可至定尺最長可至3m3m以上，不需接長，可簡化安裝，以上，不需接長，可簡化安裝，定尺隨床身熱變形而變形，但定尺

29、較長，剛性稍差，定尺隨床身熱變形而變形，但定尺較長，剛性稍差，總測量精度比標準式低；總測量精度比標準式低； 3 3重式：重式：定尺有粗、中、細繞組，為絕對式檢測系統，定尺有粗、中、細繞組，為絕對式檢測系統，特別適用大型機床。特別適用大型機床。6.3 6.3 感應同步器感應同步器2 2圓感應同步器圓感應同步器 定子、轉子采用不銹鋼、硬鋁合金等材料作定子、轉子采用不銹鋼、硬鋁合金等材料作基板基板，呈環形輻射狀。呈環形輻射狀。 定子和轉子相對的一面均有定子和轉子相對的一面均有導電繞組導電繞組，繞組用厚，繞組用厚0.05mm0.05mm的銅箔構成。的銅箔構成。 基板和繞組之間有基板和繞組之間有絕緣層絕

30、緣層。繞組表面還加有一層與繞。繞組表面還加有一層與繞組絕緣的組絕緣的屏蔽層屏蔽層，材料為鋁箔或鋁膜。，材料為鋁箔或鋁膜。6.3 6.3 感應同步器感應同步器 轉子繞組：連續繞組；轉子繞組：連續繞組； 定子繞組：分段式、兩相正交（相差定子繞組：分段式、兩相正交（相差9090電角度）電角度）sinsin繞組、繞組、coscos繞組繞組sincos6.3 6.3 感應同步器感應同步器6.3.2 6.3.2 感應同步器的安裝感應同步器的安裝 定尺定尺安裝在機床的不動部件上；安裝在機床的不動部件上； 滑尺滑尺安裝在機床的移動部件上。安裝在機床的移動部件上。安裝防護罩：防止切屑和油污浸入安裝防護罩：防止切

31、屑和油污浸入 安裝時必須保持定尺和滑尺平行、兩平面間的間隙安裝時必須保持定尺和滑尺平行、兩平面間的間隙約為約為0 025250 005mm05mm，其它安裝要求視具體的產品說明，其它安裝要求視具體的產品說明而定。保證定尺和滑尺在全部工作長度上正常耦合，減而定。保證定尺和滑尺在全部工作長度上正常耦合，減少測量誤差。少測量誤差。6.3 6.3 感應同步器感應同步器6.3.3 6.3.3 感應同步器工作原理感應同步器工作原理 定尺：單向均勻感應繞組，繞組節距定尺：單向均勻感應繞組，繞組節距22，相當繞組，相當繞組 空間分布的一個周期空間分布的一個周期22 滑尺：有兩組激磁繞組，為正、余弦激磁繞組，節

32、距滑尺：有兩組激磁繞組，為正、余弦激磁繞組，節距與定尺相同，相互錯開與定尺相同，相互錯開1/41/4節距，當正弦繞組和定尺節距，當正弦繞組和定尺對準時，余弦繞組和定尺相差對準時，余弦繞組和定尺相差/2/2的距離，相當于的距離，相當于/2/2電角度。電角度。正弦繞組余弦繞組滑尺定尺2/2UdUsUc6.3 6.3 感應同步器感應同步器1 / 41 / 23 / 41 節 距定 尺a點b點c點d點e點滑尺的位置電 磁耦 合 度感應電動勢abcde滑尺繞組通以交流激磁電壓滑尺繞組通以交流激磁電壓時，由電磁感應在定尺上感時，由電磁感應在定尺上感應出感應電壓，應出感應電壓，滑尺與定尺間產生相對位移滑尺與

33、定尺間產生相對位移時，電磁耦合的變化使定尺時，電磁耦合的變化使定尺上感應電壓隨位移的變化而上感應電壓隨位移的變化而變化。變化。 滑尺移動一個節距滑尺移動一個節距, ,感應電壓感應電壓變化一個余弦波形。利用這變化一個余弦波形。利用這個感應電壓的變化進行位置個感應電壓的變化進行位置檢測檢測。E最大E=0E=-EaE=0正弦繞組通電，定子產生余弦波的電動勢正弦繞組通電，定子產生余弦波的電動勢余弦繞組通電，定子產生正弦波的電動勢余弦繞組通電，定子產生正弦波的電動勢6.3 6.3 感應同步器感應同步器 感應同步器有兩種工作方式：鑒相工作方式和鑒幅感應同步器有兩種工作方式：鑒相工作方式和鑒幅工作方式工作方

34、式 1 1鑒相工作方式鑒相工作方式 給滑尺的正弦、余弦繞組分別通同頻率、同幅值，但相給滑尺的正弦、余弦繞組分別通同頻率、同幅值，但相位相差位相差/2/2的交流激磁電壓的交流激磁電壓U Us sU Um msint sint U Uc c=U=Um msinsin（t+/t+/2 2）= =U Um mcostcost6.3 6.3 感應同步器感應同步器若起始時滑尺的正弦繞組與定尺的感應繞組重合，當滑若起始時滑尺的正弦繞組與定尺的感應繞組重合，當滑尺移動尺移動x x距離時，距離時，滑尺正弦繞組和定尺繞組不重合，滑尺正弦繞組和定尺繞組不重合，在在定尺上的感應電壓為定尺上的感應電壓為 U Ud1d1

35、k k U Us scoscosk k U Um msintcos sintcos kk電磁耦合系數；電磁耦合系數；U Um m激磁電壓幅值；激磁電壓幅值；滑尺繞組相對定尺繞組電氣相位角。滑尺繞組相對定尺繞組電氣相位角。的大小為的大小為xx226.3 6.3 感應同步器感應同步器滑尺余弦繞組和定尺繞組相差滑尺余弦繞組和定尺繞組相差l l4 4節距，節距，在定尺上的感在定尺上的感應電壓為應電壓為U Ud2d2kUkUc ccoscos（/2/2）k Uk Um msincost sincost 定尺和滑尺交變磁通經氣隙而耦合，應用疊加原理得定定尺和滑尺交變磁通經氣隙而耦合，應用疊加原理得定尺繞組

36、的感應電壓尺繞組的感應電壓 U Ud d= = U Ud d1 1U Ud d2 2kUkUm msinsin（tt）其中其中可見，可見，U Ud d x，通過測量定尺感應電壓相位，通過測量定尺感應電壓相位tt ，可得滑尺位移量可得滑尺位移量 x x xx226.3 6.3 感應同步器感應同步器將將 稱為稱為相移相移位移轉換系數位移轉換系數。例：設節距例：設節距2=22=2，則，則 若脈沖當量若脈沖當量2m/2m/脈沖，則脈沖，則相移相移位移系數位移系數為為 xmmx/1801脈沖脈沖/36. 0/180002. 06.3 6.3 感應同步器感應同步器UmsintUmcost要求輸出要求輸出4

37、00Hz 的調相信號。的調相信號。=1.8/脈沖，則計數器的脈沖，則計數器的容量應為容量應為200，觸發脈沖的頻，觸發脈沖的頻率應為率應為80kHz。kUmsin（t2）kUmsin（t1）6.3 6.3 感應同步器感應同步器2 2鑒幅工作方式鑒幅工作方式 給滑尺正、余弦繞組分別通同相位、同頻率、幅值不同給滑尺正、余弦繞組分別通同相位、同頻率、幅值不同的激磁電壓的激磁電壓 U Us sU Usmsmsinsint t U Uc cU Ucmcmsinsint t給定電氣角為給定電氣角為時，交流激磁電壓時，交流激磁電壓U Us s 、U Uc c的幅值分別的幅值分別為為 U UsmsmU Um

38、msin sin U UcmcmU Um mcos cos 電氣角。電氣角。6.3 6.3 感應同步器感應同步器根據疊加原理，可得定尺繞組感應電壓根據疊加原理，可得定尺繞組感應電壓U Ud d= U= Us scoscosU Uc csinsinU Um msinsin（）sintsint可見，可見，U Ud d的幅值的幅值U Um msinsin（） ，若已知電氣，若已知電氣角角，則測量出，則測量出U Um msinsin（）可間接求出）可間接求出值，從值，從而求出而求出 x x 的大小。的大小。特別是：當特別是：當U Ud d0 0時，時，因此，逐漸改變，因此，逐漸改變值，值，使使U Ud

39、 d0 0，便可求出，便可求出值，從而求出值，從而求出x x。6.3 6.3 感應同步器感應同步器令令 很小時很小時U Ud d= U= Us scoscosU Uc csinsin U Um msinsin（）sint sint U Um m sintsint將式將式 代入上式代入上式 可見，當可見，當x x很小時，很小時，U Ud d的幅值的幅值 與與x x成正比，可成正比，可通過測量通過測量U Ud d的幅值來測定的幅值來測定x x。)sin(xx22txUUmdsinmU6.3 6.3 感應同步器感應同步器U Ud d x x：每改變一個每改變一個x x的位移增量時，就有電壓的位移增量

40、時，就有電壓U Ud d 據此可實現對位移增量的高精度細分。可預先設定據此可實現對位移增量的高精度細分。可預先設定某一門檻電平，當某一門檻電平，當U Ud d值達到該門檻電平時，就產生一個值達到該門檻電平時，就產生一個脈沖信號，用該脈沖信號去控制修改激磁電壓線路，使脈沖信號，用該脈沖信號去控制修改激磁電壓線路，使其產生合適的其產生合適的U Us s、U Uc c，使，使U Ud d重新降低到門檻電平以下，重新降低到門檻電平以下，這樣：這樣：位移量位移量x x數字量數字量脈沖，實現了對位移的測脈沖，實現了對位移的測量。量。6.3 6.3 感應同步器感應同步器將指令脈沖與反饋來的實際脈沖值進行比較

41、得將指令脈沖與反饋來的實際脈沖值進行比較得到數字量位置誤差，后經到數字量位置誤差，后經D/A控制伺服機構控制伺服機構辨相辨相產生實際脈沖產生實際脈沖跟隨跟隨變化變化6.3 6.3 感應同步器感應同步器6.3.4 6.3.4 感應同步器的特點感應同步器的特點 1 1精度高精度高 直接對機床位移進行測量，不經機械傳動裝置，測直接對機床位移進行測量，不經機械傳動裝置，測量精度主要取決于尺子的精度。量精度主要取決于尺子的精度。 定尺的節距誤差有平均自補償作用，定尺上感應電定尺的節距誤差有平均自補償作用，定尺上感應電壓信號有多周期的平均效應，降低了繞組局部尺寸制造壓信號有多周期的平均效應，降低了繞組局部

42、尺寸制造誤差的影響，從而達到較高的測量精度。誤差的影響，從而達到較高的測量精度。測量長度不受限制測量長度不受限制 可采用多塊定尺接長，增大測量尺寸，行程為幾米可采用多塊定尺接長，增大測量尺寸，行程為幾米到幾十米，可實現中型、大型機床工作臺位移的直線測到幾十米，可實現中型、大型機床工作臺位移的直線測量量6.3 6.3 感應同步器感應同步器工作可靠、抗干擾性強工作可靠、抗干擾性強 感應同步器金屬基板和床身鑄鐵的熱脹系數相近，感應同步器金屬基板和床身鑄鐵的熱脹系數相近，當溫度變化時，兩者的變化規律相同，還能獲得較高的當溫度變化時，兩者的變化規律相同，還能獲得較高的重復精度；重復精度； 圓感應同步器的

43、基板受熱后各方向的熱漲量對稱于圓圓感應同步器的基板受熱后各方向的熱漲量對稱于圓心，不影響測量精度。心，不影響測量精度。 感應同步器是非接觸式的空間耦合器件，所以對尺感應同步器是非接觸式的空間耦合器件，所以對尺面防護要求低，可選擇耐溫性能良好的非導磁性涂料作面防護要求低，可選擇耐溫性能良好的非導磁性涂料作保護層，加強感應同步器的抗溫防濕能力。保護層，加強感應同步器的抗溫防濕能力。6.3 6.3 感應同步器感應同步器維護簡單、壽命長維護簡單、壽命長 定尺和滑尺不接觸，無摩擦、磨損，使用壽命很長。定尺和滑尺不接觸，無摩擦、磨損，使用壽命很長。 加防護罩，防止切屑進入定、滑尺之間滑傷導片及加防護罩，防

44、止切屑進入定、滑尺之間滑傷導片及防止灰塵、油污及沖擊振動。防止灰塵、油污及沖擊振動。 是電磁耦合器件，不需光源、光電元件，不存在元是電磁耦合器件，不需光源、光電元件，不存在元件老化及光學系統故障等問題。件老化及光學系統故障等問題。抗擾能力強、工藝性好、成本較低，便于復制和成抗擾能力強、工藝性好、成本較低，便于復制和成批生產。批生產。輸出信號比較微弱，需要放大倍數較高的前置放大輸出信號比較微弱，需要放大倍數較高的前置放大器。器。6.4 6.4 光光 柵柵定義：定義：利用光的透射、衍射制成的光電檢測元件利用光的透射、衍射制成的光電檢測元件組成：組成： 標尺光柵：固定在機床活動件上標尺光柵：固定在機

45、床活動件上 光柵讀數頭：裝在機床固定件上光柵讀數頭：裝在機床固定件上工作臺移動，產生相對位移工作臺移動，產生相對位移標尺光柵尺身安裝孔 掃描頭 （與移動部件固定）可移動電纜光柵6.4 6.4 光光 柵柵通常意義上講，光柵按用途分有兩大類：通常意義上講，光柵按用途分有兩大類： 物理光柵（衍射光柵）：刻線細密，線紋密度物理光柵（衍射光柵）：刻線細密，線紋密度200200500500條條/ /，線紋相互平行且距離相等（柵距）。柵距，線紋相互平行且距離相等（柵距）。柵距0.0020.0020.0050.005，主要是利用光的衍射原理用于光譜，主要是利用光的衍射原理用于光譜分析和光波波長的測定。分析和光

46、波波長的測定。 計量光柵：刻線稍粗，線紋密度計量光柵：刻線稍粗，線紋密度2525條條/ /、5050條條/ /、100100條條/ /、250250條條/ /等，即柵距為等，即柵距為0.0040.0040.250.25，主要是利用光的透射和反射現象，用于數控機床檢測主要是利用光的透射和反射現象，用于數控機床檢測系統。系統。 這里所討論的光柵是指計量光柵這里所討論的光柵是指計量光柵。6.4 6.4 光光 柵柵 計量光柵：高精度數控機床的位置檢測裝置，用于閉計量光柵：高精度數控機床的位置檢測裝置，用于閉環控制系統，可測量位移和轉角。讀數速率高（環控制系統，可測量位移和轉角。讀數速率高（0 0 數數

47、十萬次十萬次/ /每秒）非常適用動態測量。每秒）非常適用動態測量。一、光柵的種類與精度一、光柵的種類與精度 按形狀：長光柵（直線光柵）、圓光柵。長光柵檢測按形狀：長光柵（直線光柵）、圓光柵。長光柵檢測線位移，圓光柵測量角位移線位移，圓光柵測量角位移 按制作原理：玻璃透射光柵、金屬反射光柵。按制作原理：玻璃透射光柵、金屬反射光柵。 6.4 6.4 光光 柵柵6.4.1 6.4.1 光柵的種類與精度光柵的種類與精度長光柵長光柵（1 1）玻璃透射光柵玻璃透射光柵是在玻璃的表面上用真空鍍膜法鍍一是在玻璃的表面上用真空鍍膜法鍍一層金屬膜，再涂上一層均勻的感光材料，用層金屬膜，再涂上一層均勻的感光材料，用

48、照相腐蝕照相腐蝕法法制成透明與不透明間隔相等的線紋。特點：制成透明與不透明間隔相等的線紋。特點：1 1）光源可采用垂直入射，光電元件可直接接受光信號，）光源可采用垂直入射，光電元件可直接接受光信號， 因此信號幅度大，讀數頭結構比較簡單；因此信號幅度大，讀數頭結構比較簡單；2 2）每毫米上線紋數多，一般為）每毫米上線紋數多，一般為100100、125125、250250條條/mm/mm，再，再經過電路細分，可做到微米級的分辨率。經過電路細分，可做到微米級的分辨率。 6.4 6.4 光光 柵柵（2 2）金屬反射光柵金屬反射光柵是在鋼尺或不銹鋼的鏡面上用照相腐是在鋼尺或不銹鋼的鏡面上用照相腐蝕法或用

49、鉆石刀直接刻劃制成的光柵線紋；常用的線紋蝕法或用鉆石刀直接刻劃制成的光柵線紋；常用的線紋數為數為4 4、1010、2525、4040、5050條條/mm/mm ，分辨率低。，分辨率低。特點：特點：1 1）標尺光柵的線膨脹系數很容易做到與機床材料一致；）標尺光柵的線膨脹系數很容易做到與機床材料一致；2 2）標尺光柵的安裝和調整比較方便；）標尺光柵的安裝和調整比較方便；3 3）安裝面積較小；）安裝面積較小；4 4）易于接長或制成整根的鋼帶長光柵；）易于接長或制成整根的鋼帶長光柵；5 5）不易碰碎。）不易碰碎。6.4 6.4 光光 柵柵圓光柵圓光柵 在玻璃圓盤外環端面上，做成黑白相間條紋，條紋呈在玻

50、璃圓盤外環端面上，做成黑白相間條紋，條紋呈輻射狀，相互間夾角（柵距角）相等。不同的使用要求輻射狀，相互間夾角（柵距角）相等。不同的使用要求在圓周內的線紋數不相同。一般有在圓周內的線紋數不相同。一般有3 3種形式：種形式：（1 1）六十進制，如圓周內的線紋數為：）六十進制，如圓周內的線紋數為：10 80010 800，21 21 600600，32 40032 400，64 80064 800等；等；（2 2）十進制，如圓周內的線紋數為：）十進制，如圓周內的線紋數為：10001000，25002500，50005000等；等；（3 3）二進制，如圓周內的線紋數為：）二進制，如圓周內的線紋數為：5

51、12512，10241024，20482048等。等。一個一個圓形圓形被均分成被均分成360360度，度，每一度有每一度有6060角分，一角分等于角分，一角分等于6060角秒角秒 6.4 6.4 光光 柵柵計量光柵的精度計量光柵的精度 取決于光柵尺本身的制造精度，即計量光柵任意兩點取決于光柵尺本身的制造精度，即計量光柵任意兩點間的誤差。間的誤差。 激光技術的發展使光柵制作精度得到很大提高，可達激光技術的發展使光柵制作精度得到很大提高，可達微米級，再通過細分電路可達微米級，再通過細分電路可達0.1m0.1m、甚至更高，如、甚至更高，如0.025m0.025m。 光柵檢測系統的工作原理基于光柵檢測

52、系統的工作原理基于莫爾條紋莫爾條紋的形成原理的形成原理莫爾條紋是由若干光柵線紋干涉形成的莫爾條紋是由若干光柵線紋干涉形成的. . 各種光柵中以玻璃衍射光柵的精度為最高各種光柵中以玻璃衍射光柵的精度為最高6.4 6.4 光光 柵柵6.4.2 6.4.2 光柵結構與測量原理光柵結構與測量原理1.1.光柵的結構光柵的結構 標尺光柵、指示光柵上均勻刻有條紋，不透光寬度標尺光柵、指示光柵上均勻刻有條紋，不透光寬度（縫隙寬度）（縫隙寬度）a a，透光寬度（刻線寬度），透光寬度（刻線寬度）b b，設柵距為，設柵距為d d，d da+ba+b。通常。通常a=ba=b。安裝時嚴格要保證標尺光柵和指示。安裝時嚴格

53、要保證標尺光柵和指示光柵的平行度及兩者間隙（一般光柵的平行度及兩者間隙（一般0.050.05或或0.10.1）ab標尺光柵指示光柵d6.4 6.4 光光 柵柵2 2）光柵讀數頭）光柵讀數頭SPL2G2G1L1Q作用：將莫爾條紋的光信號轉換成電脈沖信號。作用：將莫爾條紋的光信號轉換成電脈沖信號。結構分類：分光讀數頭、垂直入射讀數頭、反射讀數頭結構分類：分光讀數頭、垂直入射讀數頭、反射讀數頭垂直入射讀數頭垂直入射讀數頭L1G1G2L2PQ分光讀數頭分光讀數頭反射讀數頭反射讀數頭6.4 6.4 光光 柵柵 上述光柵用于上述光柵用于增量式測量增量式測量，有的光柵讀數頭設有，有的光柵讀數頭設有個個絕對零

54、點，當停電或其他原因記錯數字時，可重新對絕對零點，當停電或其他原因記錯數字時，可重新對零（方法：在兩光柵上分別有一小段光柵，這兩小段零（方法：在兩光柵上分別有一小段光柵，這兩小段光柵重合時發出光柵重合時發出零位信號零位信號） 光柵采用與機床材料膨脹系數接近的光柵采用與機床材料膨脹系數接近的K8K8等玻璃材料，等玻璃材料，測量精度較高的光柵在恒溫場所或進行密封使用。測量精度較高的光柵在恒溫場所或進行密封使用。 用直線光柵測量時標尺光柵與行程等長，通常光柵長用直線光柵測量時標尺光柵與行程等長，通常光柵長度為度為1m1m。行程大于。行程大于1m1m時，需要將光柵接長時，需要將光柵接長6.4 6.4

55、光光 柵柵2 2 光柵的基本測量原理光柵的基本測量原理莫爾條紋莫爾條紋橫向透光亮帶橫向暗帶wd均勻刻線主光柵指示光柵夾角明暗相間條紋莫爾條紋移動6.4 6.4 光光 柵柵通過讀出移動的莫爾條紋條數，通過讀出移動的莫爾條紋條數，計算出運動部件的準確位移。計算出運動部件的準確位移。橫向透光亮帶橫向暗帶柵距柵距6.4 6.4 光光 柵柵莫爾條紋特性：莫爾條紋特性：（1 1）光學放大作用）光學放大作用標 尺 光 柵指 示 光 柵dw/22cos2sin222dddwtg放大比放大比k為為 ：1dwk若若d d=0.01mm=0.01mm，0.01rad0.01rad，則，則w w1mm1mm，k k1

56、00100 222cosxxtgwwdx6.4 6.4 光光 柵柵（2 2）實現平均誤差作用）實現平均誤差作用 莫爾條紋莫爾條紋 大量光柵線紋干涉大量光柵線紋干涉 誤差平均效應誤差平均效應 克服個別克服個別/ /局部誤差局部誤差 提高精度提高精度 （3 3）莫爾條紋移動與柵距移動成比例）莫爾條紋移動與柵距移動成比例 光柵移動一個柵距光柵移動一個柵距d d 莫爾條紋沿垂直方向移動一莫爾條紋沿垂直方向移動一個間距個間距w w 若光柵移動方向相反，莫爾條紋移動方向也相反。若光柵移動方向相反，莫爾條紋移動方向也相反。6.4 6.4 光光 柵柵6.4.3 6.4.3 光柵測量系統光柵測量系統 光強信號變

57、為同頻率的電壓信號光強信號變為同頻率的電壓信號 標尺光柵移動過程中，莫爾條紋交替出現標尺光柵移動過程中，莫爾條紋交替出現由亮帶到暗帶、暗帶到亮帶，光強度分布近似由亮帶到暗帶、暗帶到亮帶，光強度分布近似余弦曲線，光電元件接收到的光通量忽大忽小，余弦曲線，光電元件接收到的光通量忽大忽小，產生近似正弦曲線的電壓信號產生近似正弦曲線的電壓信號 6.4 6.4 光光 柵柵四倍頻細分四倍頻細分6.4 6.4 光光 柵柵 鑒向倍頻裝置鑒向倍頻裝置d6.4 6.4 光光 柵柵鑒向倍頻電路作用鑒向倍頻電路作用: : 辨向、細分，提高光柵的分辨率。辨向、細分，提高光柵的分辨率。四倍頻細分四倍頻細分： 就是從一個莫

58、爾條紋之產生一個電脈沖信號，變成為就是從一個莫爾條紋之產生一個電脈沖信號，變成為0 0、9090、180180、270270都有脈沖輸出，一個周期內都有脈沖輸出，一個周期內送出送出4 4個脈沖。分辨率提高個脈沖。分辨率提高4 4倍。倍。 分辨率取決于光柵柵距分辨率取決于光柵柵距d d和鑒向倍頻的倍數和鑒向倍頻的倍數n n，即：，即：分辨率分辨率d d/ /n n。 例：光柵線紋密度例：光柵線紋密度5050條條/mm/mm（柵距（柵距20m20m），經），經4 4倍倍頻處理后，線紋密度提高到頻處理后，線紋密度提高到200200條條/mm/mm，工作臺每移動，工作臺每移動5m5m送出一個脈沖，即分

59、辨率為送出一個脈沖，即分辨率為5m5m，提高，提高4 4倍。倍。6.4 6.4 光光 柵柵光柵在數控車床上的安裝位置光柵在數控車床上的安裝位置6.4 6.4 光光 柵柵光柵在數控鏜銑床上的安裝位置光柵在數控鏜銑床上的安裝位置6.5 6.5 磁磁 柵柵 磁柵（磁尺）：磁柵（磁尺）：用電磁方法計算磁波數目的一種位用電磁方法計算磁波數目的一種位置檢測元件置檢測元件。用于線和角位移測量。與感應同步器、光。用于線和角位移測量。與感應同步器、光柵相比，測量精度略低。柵相比，測量精度略低。 優點：優點：1 1制作簡單，安裝、調整方便，成本低。錄制完的磁化制作簡單，安裝、調整方便，成本低。錄制完的磁化信號，可

60、抹去重錄。可安裝在機床上再錄磁，避免安信號，可抹去重錄。可安裝在機床上再錄磁，避免安裝誤差。裝誤差。2 2長度可任意選擇，亦可錄制任意節距的磁信號。長度可任意選擇，亦可錄制任意節距的磁信號。3 3對使用環境要求低。在油污、粉塵較多的環境中應用，對使用環境要求低。在油污、粉塵較多的環境中應用，具有較好的穩定性。具有較好的穩定性。6.5 6.5 磁磁 柵柵6.5.1 6.5.1 磁柵的工作原理與結構磁柵的工作原理與結構組成：組成： 磁性標尺、磁頭和檢測電路。磁性標尺、磁頭和檢測電路。工作原理：工作原理： 用錄磁磁頭將相等節距（常為用錄磁磁頭將相等節距（常為20m 20m 或或50m50m）周）周期