第五章位置檢測裝置2023/2/1南京理工大學

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黃新燕概述常用的檢測裝置有旋轉變壓器、感應同步器、編碼器、光柵、磁柵等。位置檢測裝置的作用:是檢測位移（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，使工作臺按指令的路徑精確地移動。位置檢測裝置的精度主要包括系統精度和分辨率。系統精度是指在一定長度或轉角范圍內測量累積誤差的最大值，目前一般長度位置檢測精度均已達到±0.002～0.02㎜／m以內，回轉角測量精度達到±10″／360°；系統分辨率是測量元件所能正確檢測的最小位移量，目前直線位移的分辨率多數為1μm，高精度系統分辨率可達0.1μm，回轉分辨率為2″2023/2/1南京理工大學

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黃新燕數控機床對檢測裝置的主要要求數控機床對檢測裝置的主要要求有：1）受溫度、濕度的影響小，工作可靠，抗干擾能力強；2）在機床移動的范圍內滿足精度和速度要求；3）使用維護方便，適合機床運行環境，便于與數控系統相聯；4）成本低；5）易于實現高速的動態測量。2023/2/1南京理工大學

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黃新燕位置檢測裝置的測量方式若按被測量的幾何量分，有回轉型（測角位移）和直線型（測線位移）；若按檢測信號的類型分，有數字式和模擬式；若按檢測量的基準分，有增量式和絕對式。2023/2/1南京理工大學

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黃新燕1.直接測量和間接測量1）直接測量

所測值為最終值不再需要推算。其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。但檢測裝置要與行程等長，這對大型數控機床來說，是一個很大的限制。2）間接測量所測值為中間值，由它再推算出最終值，稱為間接測量。間接測量使用可靠方便，無長度限制，缺點是在檢測信號中加入了旋轉轉變為直線運動的傳動鏈誤差，從而影響檢測精度。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。2023/2/1南京理工大學

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黃新燕2.數字式與模擬式1）數字式測量方式數字式測量是將被測量用測量單位量化以后以數字形式表示，測量信號一般為電脈沖，可以直接把它送到數控裝置進行比較、處理。數字式檢測裝置的特點是：被測量量化后轉換成脈沖個數，便于顯示和處理；測量精度取決于測量單位，與量程基本無關；檢測裝置比較簡單，脈沖信號抗干擾能力強。2023/2/1南京理工大學

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黃新燕2.數字式與模擬式2）模擬式測量方式模擬式測量是將被測量用連續的模擬量來表示，如用相位變化、電壓、電流變化來表示。主要用于小量程測量。它的主要特點是：直接對被測量進行檢測，無需量化；在小量程內可以實現高精度測量；可用于直接測量和間接測量。2023/2/1南京理工大學

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黃新燕3.增量式與絕對式1）增量式檢測方式增量式測量單純測量位移增量，移動一個測量單位就發出一個測量信號。其優點是檢測裝置比較簡單，任何一個對中點均可作為測量起點；缺點是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；同時發生故障時（如斷電、斷刀等）不能再找到事故前的正確位置，事故排除后，這時必須將工作臺移至起點重新計數才能找到事故前的正確位置。2）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都以一個固定的零點作基準，每一被測點都有一個相應的測量值。

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黃新燕數字式模擬式增量式絕對式增量式絕對式回轉型增量式脈沖編碼器圓光柵絕對式脈沖編碼器旋轉變壓器圓感應同步器多極旋轉變壓器直線型計量光柵、激光干涉儀多通道透射光柵編碼尺直線感應同步器絕對值式磁尺位置檢測裝置的分類2023/2/1南京理工大學

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黃新燕5.1感應同步器(1)感應同步器的分類感應同步器根據用途和結構特點可分成直線式和旋轉式（圓盤式）兩大類。直線式由定尺和滑尺組成，用以測量直線位移，用于全閉環伺服系統。旋轉式由定子和轉子組成，用以測量旋轉角度，用于半閉環伺服系統。利用兩個平面形印刷電路繞組的互感隨位置改變而變化的原理(電磁感應原理)進行測量2023/2/1南京理工大學

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黃新燕(a)定尺繞組(b)W型滑尺繞組(c)U型滑尺繞組2023/2/1南京理工大學

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黃新燕定尺和滑尺的基體通常采用厚度為10mm、與機床床身材料的熱膨脹系數相近的的鋼板或鑄鐵制成，以減小與機床的溫度誤差。平面繞組為銅箔，通常采用厚度為0.05mm或0.07mm的純銅箔，用絕緣粘結劑將銅箔熱壓粘結在基體上，經精密的照相腐蝕工藝制成所需印刷繞組形式。在定尺繞組表面上涂上一層耐切削液的清漆涂層作為保護層，以防止切削液的飛濺影響。在滑尺繞組表面上貼一層帶塑料薄膜的絕緣鋁箔，以防止在感應繞組中因靜電感應產生的附加的容性電勢。2023/2/1南京理工大學

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黃新燕直線式感應同步器通常有標準式、窄式、帶式和3重（速）式等多種.其中標準式直線感應同步器是直線式感應同步器中精度最高、使用也最廣的一種；窄式直線感應同步器的定尺、滑尺的寬度比標準式小，它的電磁感應強度減低，比標準式的精度低，適用于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帶式直線感應同步器由于定尺最長可至3m以上，不需接長，可簡化安裝，可使定尺隨機床床身熱變形而變形，但由于定尺較長，剛性稍差，其總測量精度要比標準式的低；3重式直線感應同步器的定尺有粗、中、細繞組，為絕對式測量系統，特別適用于大型機床。2023/2/1南京理工大學

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黃新燕(2)感應同步器的安裝感應同步器的定尺安裝在機床的不動部件上；滑尺安裝在機床的移動部件上。為防止切屑和油污浸入，一般在感應同步器上安裝防護罩。感應同步器在安裝時必須保持定尺和滑尺平行、兩平面間的間隙約為0.25±0.05mm。這樣，才能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。直線感應同步器的標準定尺長度一般為250mm，當需要增加測量范圍時，可將定尺接長。2023/2/1南京理工大學

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黃新燕（3）感應同步器的工作原理直線式感應同步器繞組原理圖2023/2/1南京理工大學

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黃新燕因余弦繞組與正弦繞組錯開1/4個節距，即π/2的相位角，由余弦繞組激磁在定尺上產生的感應電壓應按正弦規律變化。定尺上的總感應電壓，是上述兩個感應電壓的線性疊加。2023/2/1南京理工大學

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黃新燕根據不同的激磁供電方式，感應同步器有兩種不同的工作方式：鑒相工作方式和鑒幅工作方式。1.鑒相工作方式（相位工作方式）2.鑒幅工作方式（幅值工作方式）感應電壓線性疊加得總感應電壓為：

U=kUscosθ-kUcsinθ=kVm

sin(ωt-θ)感應電壓為:U=kUscos

θ+kUcsinθ=kVmsinωt(sinφcosθ-cosφsinθ)=kVmsin(φ-θ)sinωt2023/2/1南京理工大學

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黃新燕(4)感應同步器的優點精度高:直線感應同步器直接對機床位移進行測量，不經過任何機械傳動裝置，測量精度主要取決于尺子的精度。測量長度不受限制；工作可靠、抗干擾性強；維護簡單，壽命長；抗擾能力強、工藝性好、成本較低，便于復制和成批生產。輸出信號比較微弱，需要放大倍數較高的前置放大器。2023/2/1南京理工大學

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黃新燕相位比較伺服系統原理框圖2023/2/1南京理工大學

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黃新燕5.2光柵光柵按用途分有兩大類，一類是物理光柵（亦稱衍射光柵），另一類是計量光柵。物理光柵的刻線細密，線紋密度一般為200～500條/㎜，線紋相互平行且距離相等，稱此距離為柵距。物理光柵的柵距一般為0.002～0.005㎜，主要是利用光的衍射原理，常用于光譜分析和光波波長的測定。而計量光柵的刻線稍粗，線紋密度一般為25條/㎜、50條/㎜、100條/㎜、250條/㎜等，即：柵距為0.004～0.25㎜，主要是利用光的透射和反射現象，用于數控機床檢測系統。因此，這里所討論的光柵是指計量光柵。

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黃新燕5.2.1光柵的構造計量光柵按形狀可以分為長光柵（又稱直線光柵）和圓光柵。長光柵用于檢測直線位移，圓光柵用于測量轉角位移。按制作原理又可以分成玻璃透射光柵和金屬反射光柵。2023/2/1南京理工大學

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黃新燕長光柵——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層金屬膜，再涂上一層均勻的感光材料，用照相腐蝕法制成透明與不透明間隔相等的線紋，也有用刻蠟、腐蝕、涂黑工藝制成的。玻璃透射光柵的特點是：1）光源可以采用垂直入射，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；2）每毫米上的線紋數多，一般為每毫米100、125、250條，再經過電路細分，可做到微米級的分辨率。2023/2/1南京理工大學

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黃新燕長光柵——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蝕法或用鉆石刀直接刻劃制成的光柵線紋；金屬反射光柵常用的線紋數為每毫米4、10、25、40、50條，因此，其分辨率比玻璃透射光柵低。金屬反射光柵的特點是：1）標尺光柵的線膨脹系數很容易做到與機床材料一致2）標尺光柵的安裝和調整比較方便3）安裝面積較小4）易于接長或制成整根的鋼帶長光柵5）不易碰碎2023/2/1南京理工大學

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黃新燕圓光柵在玻璃圓盤的外環端面上，做成黑白相間條紋，條紋呈輻射狀，相互間夾角（稱為柵距角）相等。根據不同的使用要求在圓周內的線紋數也不相同。圓光柵一般有3種形式：（1）六十進制，如圓周內的線紋數為：10800，21600，32400，64800等；（2）十進制，如圓周內的線紋數為：1000，2500，5000等；（3）二進制，如圓周內的線紋數為：512，1024，2048等。2023/2/1南京理工大學

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黃新燕計量光柵的精度計量光柵的精度主要取決于光柵尺本身的制造精度，也就是計量光柵任意兩點間的誤差。由于激光技術的發展，光柵的制作精度得到很大提高，目前光柵精度可達到微米級，再通過細分電路可以達到0.1μm、甚至更高的分辨率，如：0.025μm。2023/2/1南京理工大學

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黃新燕計量光柵光柵長度（直徑）（㎜）線紋數精度長光柵玻璃透射光柵500100/㎜5μm100010μm110010μm11003～5μm5002～3μm金屬反射光柵122040/㎜13μm50025/㎜7μm高精度金屬反射光柵100050/㎜7.5μm玻璃衍射光柵300250/㎜±1.5μm圓光柵玻璃圓光柵Φ27010800/周3″2023/2/1南京理工大學

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黃新燕5.2.2光柵的測量原理光柵的結構光柵由標尺光柵（又稱長光柵）和光柵讀數頭兩部分組成。標尺光柵和指示光柵構成了光柵副在安裝光柵尺時，標尺光柵和指示光柵的平行度以及兩者之間的間隙（一般取0.05㎜或0.1㎜）要嚴格保證2023/2/1南京理工大學

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黃新燕光柵的結構光柵讀數頭光柵讀數頭又稱光電轉換器，它由光源、透鏡、指示光柵、光敏元件和驅動線路組成。光柵讀數頭的結構形式很多，按光路分，常見的有分光讀數頭、垂直入射讀數頭、反射讀數頭和鏡像讀數頭，光路圖如圖所示，圖中Q表示光源，L表示透鏡，G表示光柵，P表示光敏元件。分光讀數頭垂直入射讀數頭2023/2/1南京理工大學

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黃新燕反射讀數頭2023/2/1南京理工大學

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黃新燕ω摩爾條紋標尺光柵指示光柵光柵節距摩爾條紋節距θW光柵傾角工作原理2023/2/1南京理工大學

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W、ω、θ之間的關系

BC=ABsin(θ/2)其中BC=ω/2，

AB=W，W=（ω/2）/sin(θ/2)由于θ很小，θ單位為rad時，Sin(θ/2)≈θ/2W≈ω/θ莫爾條紋放大原理2023/2/1南京理工大學

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黃新燕主光柵莫爾條紋的性質:1.當用平行光束照射光柵時,透過莫爾條紋的光強度分布近似于余弦函數;2.起放大作用;3.實現平均誤差的作用;4.莫爾條紋的移動與柵距之間的移動成比例莫爾條紋形成原理令k=W/ω=1/θ,則k為放大比。如ω=0.01mm，取θ=0.002rad=0.11o

則W=5mm,

K=500,

即放大500倍，這樣光柵節距雖小，摩爾條紋的節距卻有5mm，因此摩爾條紋清晰可見，易于測量。摩爾條紋是由許多根刻線共同形成的，這樣可使光柵的節距誤差得到平均化。光柵橫向移動一個節距ω，摩爾條紋正好沿刻線上下移動一個節距W，或者說在光柵刻線的某一位置，摩爾條紋明--暗--明變化一個周期，這為光元件的安裝與信號檢測提供了良好的條件。2023/2/1南京理工大學

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黃新燕（1）位移大小的檢測（2）位移方向的檢測（3）速度的檢測5.2.3光柵信息處理2023/2/1南京理工大學

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黃新燕光強度信號轉變為電壓信號放大整形鑒向倍頻2023/2/1南京理工大學

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黃新燕ENBENA2023/2/1南京理工大學

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黃新燕5.3編碼器編碼器又稱碼盤，是一種旋轉式測量元件，通常裝在被測軸上，隨被測軸一起轉動，可將被測軸的角位移轉換成增量脈沖形式或絕對式的代碼形式。編碼器是一種按一定的編碼形式，將一個圓盤分成若干等分，并利用電子、光電或電磁器件，把代表被測位移量大小的各等分上的編碼轉換成便于應用的其他二進制表達方式的測量裝置。

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黃新燕編碼器的分類根據使用的計數制不同，有二進制編碼、二進制循環碼（格雷碼）、余三碼和二一十進制碼等編碼器根據輸出信號的形式的不同，可分為絕對值式編碼器和脈沖增量式編碼器根據內部結構和檢測方式可分為接觸式、光電式和電磁式三種根據在機床上安裝形式的不同分為內裝式編碼器和外裝式編碼器，內裝式編碼器和伺服電動機同軸聯接在一起，伺服電動機再和滾珠絲杠連接，編碼器在進給傳動鏈的前端；二是外裝式編碼器連接在滾珠絲杠末端。外裝式包含的傳動鏈誤差比內裝式多，位置控制精度較高；但內裝式安裝方便。2023/2/1南京理工大學

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黃新燕5.3.1接觸式編碼盤接觸式碼盤是一種絕對值式的檢測裝置，可直接把被測轉角用數字代碼表示出來，且每一個角度位置均有表示該位置的唯一對應的代碼。2023/2/1南京理工大學

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黃新燕注意：根據與電刷串聯的電阻上有無電流通過，可用相應的二進制代碼表示。碼道的圈數就是二進制的位數，且高位在內，低位在外。由此可以推斷出，若是n位二進制碼盤，就有n圈碼道，且圓周均分2n等分，即共有2n個數據來分別表示其不同位置，所能分辨的最小角度α為：α＝360°/2n。

目前接觸式碼盤一般可以做到8～14位二進制。若要求位數更多，則采用組合碼盤，一個粗計碼盤，一個作為精計碼盤。精計碼盤轉一圈，粗計碼盤依次轉一格。2023/2/1南京理工大學

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黃新燕缺點及解決方法易引起非單值性誤差：對于4位二進制碼盤，由于電刷錯位會產生從0（0000）到15（1111）之間的讀數誤差，一般稱這種誤差為非單值誤差。解決方法：（1）采用雙電刷，即在編碼盤的不同位置分別安裝一組電刷，并且當一組電刷位于過渡線上時，另一組電刷位于中間。這樣，根據兩組電刷的空間位置和測得的編碼值進行比較判斷，可推算出正確的測量值。（3）采用特殊代碼即循環碼。其特點是：相鄰兩個代碼間只有一位數變化，即由1變為0，由0變為1，這樣，由于電刷安裝不準確而產生的誤差最多不超過一個編碼單位，誤差能夠大大減小。2023/2/1南京理工大學

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黃新燕接觸式編碼器的特點接觸式絕對值編碼器優點是簡單、體積小、輸出信號強。缺點是電刷磨損造成壽命降低，轉速不能太高（每分鐘幾十轉），精度受最高位碼道寬度限制。因此使用范圍有限。目前，電刷最小寬度可做到0.1mm左右。

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黃新燕5.3.2光電編碼器常用的光電式編碼器為增量式光電編碼器，亦稱光電碼盤、光電脈沖發生器、光電脈沖編碼器等，是一種旋轉式脈沖發生器，它把機械轉角變成電脈沖，是數控機床上常用的一種角位移檢測元件，也可用于角速度檢測。特點：光電式編碼器的優點是沒有接觸磨損，碼盤壽命長，允許轉速高缺點是結構復雜，價格高，光源壽命短。2023/2/1南京理工大學

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黃新燕1—光源；2—透鏡；3—光欄板；4—光電碼盤；5—光電元件；6—參考標記一轉脈沖信號分辨角α＝360°/狹縫數2023/2/1南京理工大學

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黃新燕指示光柵有兩組線紋A和B，每組線紋的節距和圓光柵的節距相同，但A、B兩組線紋彼此錯開1/4個節距，每組線紋與旋轉圓光柵配合產生兩路脈沖A和B用于記數和辯向。2023/2/1南京理工大學

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黃新燕5.3.3編碼器在數控機床上的應用1.位移測量2.主軸控制（1）主軸旋轉與坐標軸進給的同步控制

在螺紋加工中，為了保證切削螺紋的螺距，必須有固定的進刀點和退刀點。安裝在主軸上的光電脈沖編碼器在切削螺紋時主要解決兩個問題：

1）通過對編碼器輸出脈沖的計數，保證主軸每轉一周，刀具準確地移動