1、YCF正版可修改PPT（中職）數(shù)控系統(tǒng)選用與維護第三章教學課件第3章 數(shù)控機床的位置檢測裝置 3.1 旋轉(zhuǎn)編碼器 3.2 光柵尺3.3 旋轉(zhuǎn)變壓器和感應同步器 3.4 磁柵 3.5 典型傳感器的類型與選用 3.6 思考與練習 3.1 旋轉(zhuǎn)編碼器 3.1.1旋轉(zhuǎn)編碼器的分類和結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，把機械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為脈沖。是數(shù)控機床上應用廣泛的位置檢測裝置。同時也作為速度檢測裝置用于速度檢測。根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器的結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)編碼器分為光電式、接觸式、電磁感應式三種。從精度和可靠性方面來看，光電式編碼器優(yōu)于其他兩種。數(shù)控機床上常用的是光電式編碼器。3.1 旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)編碼器的結(jié)構(gòu)如圖3-1

2、所示。在一個圓盤的圓周上刻有相等間距的線紋，分為透明和不透明部分，稱為圓光柵。圓光柵和工作軸一起旋轉(zhuǎn)。與圓光柵相對的，平行放置一個固定的扇形薄片，稱為指示光柵。上面制有相差1/4節(jié)距的兩個狹縫，稱為辯向狹縫。此外，還有一個零位狹縫（一轉(zhuǎn)發(fā)出一個脈沖）。旋轉(zhuǎn)編碼器與伺服電動機相連，它的法蘭盤固定在伺服電動機的端面上，構(gòu)成一個完整的檢測裝置。 圖3-1 光電編碼器的結(jié)構(gòu)示意圖3.1 旋轉(zhuǎn)編碼器為了判斷旋轉(zhuǎn)方向，圓盤的兩個窄縫距離彼此錯開1/4節(jié)距，使兩個光電元件輸出信號相位差900。如圖3-2所示，A、B信號為具有900相位差的正弦波，經(jīng)放大和整形變?yōu)榉讲ˋ1、B1。 設A相比B相超前時為正方向旋

3、轉(zhuǎn)，則B相超前A相就是負方向旋轉(zhuǎn)，利用A相與B相的相位關系可以判別旋轉(zhuǎn)方向。此外，在光電盤的里圈不透光圓環(huán)上還刻有一條透光條紋，用以產(chǎn)生每轉(zhuǎn)一個的零位脈沖信號，它是軸旋轉(zhuǎn)一周在固定位置上產(chǎn)生一個脈沖。圖3-1 光電編碼器的結(jié)構(gòu)示意圖3.1 旋轉(zhuǎn)編碼器3.1.3絕對式編碼器增量式編碼器只能進行相對測量，一旦在測量過程中出現(xiàn)計數(shù)錯誤，在以后的測量中會出現(xiàn)計數(shù)誤差。而絕對式編碼器克服了其缺點。絕對式編碼器是一種直接編碼和直接測量的檢測裝置，它能指示絕對位置，沒有累積誤差。既使電源切斷后位置信息也不丟失。常用的編碼器有編碼盤和編碼尺，統(tǒng)稱位碼盤。從編碼器使用的計數(shù)制來分類，有二進制編碼、二進制循環(huán)碼（

4、葛萊碼）、二-十進制碼等編碼器。從結(jié)構(gòu)原理來分類，有接觸式、光電式和電磁式等。常用的是光電式二進制循環(huán)碼編碼器。3.1 旋轉(zhuǎn)編碼器如圖3-3所示為絕對式碼盤結(jié)構(gòu)示意圖。圖3-3a）為二進制碼盤，3-3 b）為葛萊碼盤。碼盤上有許多同心圓（碼道），它代表某種計數(shù)制的一位，每個同心圓上有絕緣與導電的部分。導電部分為“1”，絕緣部分為“0”，這樣就組成了不同的圖案。每一徑向，若干同心圓組成的圖案代表了某一絕對計數(shù)值。二進制碼盤的計數(shù)圖案的改變按二進制規(guī)律變化。葛萊碼的計數(shù)圖案的切換每次只改變一位，誤差可以控制在一個單位內(nèi)。圖3-3 接觸式編碼盤結(jié)構(gòu)及工作原理圖3.1 旋轉(zhuǎn)編碼器接觸式碼盤可以做到9位

5、二進制，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、體積小、輸出信號強，不需放大。缺點是由于電刷的摩擦，使用壽命低，轉(zhuǎn)速不能太高。光電式碼盤沒有接觸磨損，壽命長，轉(zhuǎn)速高，精度高。單個碼盤可以做到18位進制。缺點是結(jié)構(gòu)復雜，價格高。電磁式碼盤是在導磁性好的軟鐵等圓盤上，用腐蝕的方法作成相應碼制的凹凸圖形，當磁通通過碼盤時，由于磁導大小不一樣，其感應電壓也不同，因而可以區(qū)分“0”和“1”，達到測量的目的。該種碼盤也是一種無接觸式碼盤，壽命長，轉(zhuǎn)速高。 3.1 旋轉(zhuǎn)編碼器由上述可知，增量式編碼器每轉(zhuǎn)的輸出脈沖多，測量精度高，但是能夠產(chǎn)生計數(shù)誤差。而絕對式編碼器雖然沒有計數(shù)誤差，但是精度受到最低位（最外圓上）分段寬度的限制，其計

6、數(shù)長度有限。為了得到更大的計數(shù)長度，將增量式編碼器和絕對式編碼器做在一起，形成混合式絕對式編碼器。在圓盤的最外圓是高密度的增量條紋，中間有四個碼道組成絕對式的四位葛萊碼，每1/4同心圓被葛萊碼分割為16個等分段。圓盤最里面有一發(fā)“一轉(zhuǎn)信號”的狹縫。該碼盤的工作原理是三級計數(shù)：粗、中、精計數(shù)。碼盤的轉(zhuǎn)速由“一轉(zhuǎn)脈沖”的計數(shù)表示。在一轉(zhuǎn)內(nèi)的角度位置由葛萊碼的不同數(shù)值表示。每1/4圓葛萊碼的細分由最外圓上的增量制碼完成。 3.2光柵尺3.2.1光柵的種類根據(jù)形狀可分為長光柵和圓光柵，如圖3-4，圖3-5所示。長光柵主要用于測量直線位移；圓光柵主要用于測量角位移。 圖3-4 長光柵 圖3-5 圓光柵3

7、.2光柵尺3.2.2光柵的結(jié)構(gòu)和工作原理光柵是由標尺光柵和光學讀數(shù)頭兩部分組成。標尺光柵一般固定在機床的活動部件上，如工作臺。光柵讀數(shù)頭裝在機床固定部件上。指示光柵裝在光柵讀數(shù)頭中。標尺光柵和指示光柵的平行度及二者之間的間隙（0.050.1mm）要嚴格保證。當光柵讀數(shù)頭相對于標尺光柵移動時，指示光柵便在標尺光柵上相對移動。光柵讀數(shù)頭又叫光電轉(zhuǎn)換器，它把光柵莫爾條紋變成電信號。如圖3-6所示為垂直入射讀數(shù)頭。讀數(shù)頭由光源、聚光鏡、指示光柵、光敏元件和驅(qū)動電路等組成。 圖3-6 光柵讀數(shù)頭3.2光柵尺當指示光柵上的線紋和標尺光柵上的線紋呈一小角度放置時，造成兩光柵尺上的線紋交叉。在光源的照射下，交

8、叉點附近的小區(qū)域內(nèi)黑線重疊形成明暗相間的條紋，這種條紋稱為“莫爾條紋”。“莫爾條紋”與光柵的線紋幾乎成垂直方向排列（見圖3-7）。 圖3-7 光柵的莫爾條紋 3.2光柵尺3.2.3直線光柵尺檢測裝置的辯向原理 莫爾條紋的光強度近似呈正（余）弦曲線變化，光電元件所感應的光電流變化規(guī)律近似為正（余）弦曲線。經(jīng)放大、整形后，形成脈沖，可以作為計數(shù)脈沖，直接輸入到計算機系統(tǒng)的計數(shù)器中計算脈沖數(shù)，進行顯示和處理。根據(jù)脈沖的個數(shù)可以確定位移量，根據(jù)脈沖的頻率可以確定位移速度。用一個光電傳感器只能進行計數(shù)，不能辯向。要進行辯向，至少用兩個光電傳感器。圖3-8所示為光柵傳感器的安裝示意圖。通過兩個狹縫S1和S

9、2的光束分別被兩個光電傳感器P1、P2接受。當光柵移動時，莫爾條紋通過兩個狹縫的時間不同，波形相同，相位差90。 3.2光柵尺至于哪個超前，決定于標尺光柵移動的方向。如圖3-8所示，當標尺光柵向右移動時，莫爾條紋向上移動，縫隙S2的信號輸出波形超前1/4周期；同理，當標尺光柵向左移動，莫爾條紋向下移動，縫隙S1的輸出信號超前1/4周期。根據(jù)兩狹縫輸出信號的超前和滯后可以確定標尺光柵的移動方向。圖3-8光柵的辯向原理圖 3.2光柵尺為了提高光柵檢測裝置的精度，可以提高刻線精度和增加刻線密度。但是刻線密度大于200線/mm以上的細光柵刻線制造困難，成本高。為了提高精度和降低成本，通常采用倍頻的方法

10、來提高光柵的分辨精度，如圖3-9a）所示為采用四倍頻方案的光柵檢測電路的工作原理。光柵刻線密度為50線/mm，采用4個光電元件和4個狹縫，每隔1/4光柵節(jié)距產(chǎn)生一個脈沖，分辨精度可以提高四倍，并且可以辯向。當指示光柵和標尺光柵相對運動時，硅光電池接受到正弦波電流信號。這些信號送到差動放大器，再通過整形，使之成為兩路正弦及余弦方波。然后經(jīng)過微分電路獲得脈沖。由于脈沖是在方波的上升沿上產(chǎn)生，為了使0、90、180、270的位置上都得到脈沖，必須把正弦和余弦方波分別反相一次，然后再微分，得到了4個脈沖。為了辨別正向和反向運動，可以用一些與門把四個方波sin、-sin、cos和-cos（即A、B、C、

11、D）和四個脈沖進行邏輯組合。當正向運動時，通過與門Y1Y4及或門H1得到AB+AD+CD+BC四個脈沖的輸出。 3.2光柵尺當反向運動時，通過與門Y5Y8及或門H2得到BC+AB+AD+CD四個脈沖的輸出。其波形如圖3-9b) 所示，這樣雖然光柵柵距為0.02mm，但是經(jīng)過四倍頻以后，每一脈沖都相當于5m，分辨精度提高了四倍。此外，也可以采用八倍頻，十倍頻等其他倍頻電路。 圖3-9光柵測量裝置的四細分電路與波形 3.3 旋轉(zhuǎn)變壓器和感應同步器3.3.1旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器是一種角度測量裝置，它是一種小型交流電動機。其結(jié)構(gòu)簡單，動作靈敏，對環(huán)境無特殊要求，維護方便，輸出信號幅度大，抗干擾強，工作

12、可靠，廣泛應用于數(shù)控機床上。旋轉(zhuǎn)變壓器是一種常用的轉(zhuǎn)角檢測元件，由于它結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，且其精度能滿足一般的檢測要求，因此被廣泛地應用在數(shù)控機床上。旋轉(zhuǎn)變壓器在結(jié)構(gòu)上和兩相線繞式異步電動機相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子繞組為變壓器的原邊，轉(zhuǎn)子繞組為變壓器的副邊。定子繞組通過固定在殼體上的接線柱直接引出。轉(zhuǎn)子繞組有兩種不同的引出方式。根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組兩種不同的引出方式，旋轉(zhuǎn)變壓器分有刷式和無刷式兩種結(jié)構(gòu)。 圖3-10旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)圖 3.3 旋轉(zhuǎn)變壓器和感應同步器旋轉(zhuǎn)變壓器是根據(jù)互感原理工作的。它的結(jié)構(gòu)保證了其定子和轉(zhuǎn)子之間的磁通呈正（余）弦規(guī)律。定子繞組加上勵磁電壓，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應

13、電動勢。如圖3-11所示，其所產(chǎn)生的感應電動勢的大小取決于定子和轉(zhuǎn)子兩個繞組軸線在空間的相對位置。 圖3-11旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理 3.3 旋轉(zhuǎn)變壓器和感應同步器旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置檢測裝置，有兩種工作方式：鑒相式工作方式和鑒幅式工作方式。 鑒相式工作方式，在該工作方式下，旋轉(zhuǎn)變壓器定子的兩相正向繞組（正弦繞組S和余弦繞組C）分別加上幅值相同，頻率相同，而相位相差90的正弦交流電壓，見圖3-12。 圖3-12旋轉(zhuǎn)變壓器定子兩相激磁繞組 3.3 旋轉(zhuǎn)變壓器和感應同步器3.3.2感應同步器感應同步器是一種電磁感應式的高精度位移檢測裝置。實際上它是多極旋轉(zhuǎn)變壓器的展開形式。感應同步器分旋轉(zhuǎn)式和直線式兩

14、種。旋轉(zhuǎn)式用于角度測量，直線式用于長度測量。兩者的工作原理相同。直線感應同步器由定尺和滑尺兩部分組成。定尺與滑尺之間有均勻的氣隙，在定尺表面制有連續(xù)平面繞組，繞組節(jié)距為P。滑尺表面制有兩段分段繞組，正弦繞組和余弦繞組。它們相對于定尺繞組在空間錯開1/4節(jié)距（1/4P），定子和滑尺的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-13所示。圖3-13 定尺和滑尺繞組示意圖 3.3 旋轉(zhuǎn)變壓器和感應同步器感應同步器的工作原理與旋轉(zhuǎn)變壓器基本一致。使用時，在滑尺繞組通以一定頻率的交流電壓，由于電磁感應，在定尺的繞組中產(chǎn)生了感應電壓，其幅值和相位決定于定尺和滑尺的相對位置。如圖3-14的所示為滑尺在不同的位置時定尺上的感應電壓。當

15、定尺與滑尺重合時，如圖中的a點，此時的感應電壓最大。當滑尺相對于定尺平行移動后，其感應電壓逐漸變小。在錯開1/4節(jié)距的b點，感應電壓為零。依次類推，在1/2節(jié)距的c點，感應電壓幅值與a點相同，極性相反；在3/4節(jié)距的d點又變?yōu)榱恪．斠苿拥揭粋€節(jié)距的e點時，電壓幅值與a點相同。這樣，滑尺在移動一個節(jié)距的過程中，感應電壓變化了一個余弦波形。滑尺每移動一個節(jié)距，感應電壓就變化一個周期。 圖3-14 感應同步器的工作原理3.4磁柵3.4.1磁柵的結(jié)構(gòu)磁柵又叫磁尺，是一種高精度的位置檢測裝置，它由磁性標尺、拾磁磁頭和檢測電路組成，用拾磁原理進行工作的。首先，用錄磁磁頭將一定波長的方波或正弦波信號錄制在磁

16、性標尺上作為測量基準，檢測時根據(jù)與磁性標尺有相對位移的拾磁磁頭所拾取的信號，對位移進行檢測。磁柵可用于長度和角度的測量，精度高、安裝調(diào)整方便，對使用環(huán)境要求較低，如對周圍的電磁場的抗干擾能力較強，在油污和粉塵較多的場合使用有較好的穩(wěn)定性。高精度的磁柵位置檢測裝置可用于各種精密機床和數(shù)控機床。其結(jié)構(gòu)如圖3-15所示。 圖3-15磁柵的結(jié)構(gòu) 3.4磁柵拾磁磁頭是一種磁電轉(zhuǎn)換器件，它將磁性標尺上的磁信號檢測出來，并轉(zhuǎn)換成電信號。普通錄音機上的磁頭輸出電壓幅值與磁通的變化率成正比，屬于速度響應型磁頭。而由于在數(shù)控機床上需要在運動和靜止時都要進行位置檢測，因此應用在磁柵上的磁頭是磁通響應型磁頭。它不僅在磁頭與磁性標尺之間有一定相對速度時能拾取信號，而且在它們相對靜止時也能拾取信號。其結(jié)構(gòu)如圖3-16所示 圖3-16 磁通響應型磁頭 3.4磁柵3.4.2磁柵的工作原理勵磁電流在一個周期內(nèi)兩次過零、兩次出現(xiàn)峰值。相應的磁開關通斷各兩次。磁路由通到斷的時間內(nèi)，輸出線圈中交鏈磁通量由00；磁路由斷到通的時間內(nèi)，輸出線圈中交鏈磁通量由00。 使用單個磁頭的輸出信號小，而且對磁性標尺上的磁化信號的節(jié)距和波形要求也比較高。實際使用時，將幾十各磁頭用一定的方式串聯(lián)，構(gòu)成多間隙磁頭使用。 3.5 典型傳感器的類型與選用編碼器以檢測原理來分，有光學式、磁