吳金文2016年4月25日第五章位置檢測裝置（1）

位置檢測裝置是數控機床的重要組成部分。

作用:檢測位移和速度，并發出反饋信號和數控裝置發出的指令信號相比較，構成閉環、半閉環控制。

5.1.1位置檢測裝置的要求

●

受溫度、濕度影響小，工作可靠，能長期保持精度，抗干擾能力強;

●在機床執行部件工作范圍內，能滿足精度和速度要求;

●使用維護方便，適應機床工作環境；

●成本低。

檢測元件的精度指標：

系統精度－－在一定長度或轉角內測量累積誤差的最大值

（±0.001~0.02mm/m，±10″/360°）

系統分辨率－－所能正確檢測的最小位移量

0.001~0.01mm，2″（取1/3~1/10機床加工精度）

檢測元件的作用檢測元件是數控機床伺服系統的重要組成部分。它的作用是檢測位移，發送反饋信號，構成閉環控制。數控機床的運動精度主要由檢測系統的精度決定。位移檢測系統能夠測量的最小位移量稱為分辨率。分辨率不僅取決于檢測元件本身，也取決于測量線路。在設計數控機床，尤其是高精度或大中型數控機床時，必須選用檢測元件。從檢測的信號分

直線型回轉型

從傳感器輸出信號分

模擬式

數字式檢測元件具體分類舉例直線感應同步器、長光柵、長磁柵、激光干涉儀旋轉變壓器、圓感應同步器、圓光柵、圓磁柵、編碼盤光柵檢測裝置、脈沖編碼盤旋轉變壓器、感應同步器不同類型NC機床對檢測系統要求不同。大型數控機床要求速度響應高，中型和高精度數控機床以滿足精度要求為主。測量系統分辨率一般要求比加工精度高一個數量級。直接測量--對機床直線位移采用直線型檢測元件測量，其測量精度取決于測量元件精度，不受機床傳動精度的影響。間接測量--對機床直線位移采用回轉型檢測元件測量，測量精度取決于測量元件和機床傳動鏈兩者的精度。為提高定位精度，常需對機床傳動誤差進行補償。5.1.2位置檢測裝置的分類數字式測量模擬式測量增量式測量絕對式測量直接測量間接測量測量方式將檢測裝置直接安在執行部件上，如光柵，感應同步器用于直接測量工作臺直線位移。將檢測裝置安在滾珠絲杠或驅動電機軸上，通過檢測轉動件的角位移來間接測量執行部件的直線位移。將被測量以數字形式表示，測量量一般為電脈沖。將被測的量以連續變量表示，如電壓變化、相位變化等。主要用于小量程測量。只測位移量，如測量單位為0.01mm,則每移動0.01mm就發出一個脈沖信號。被測量的任意一點位置均由固定的零點標起，每一個被測點都有一個相應的測量值。同步分解器圓感應分解器磁盤位置檢測裝置多級同步分解器同步分解器組件三重式圓感應同步器光電盤圓光柵－數碼盤測角測長增量式絕對式數字式模擬式增量式絕對式增量式絕對式數字式模擬式增量式絕對式直線感應分解器磁尺－長光柵－多通道透射光柵－多重式直線感應同步器5.2光柵1.光柵的種類光柵有透射光柵和反射光柵兩類。透射光柵在透明玻璃片上刻有平行等距的密集線條，常用的有50線/毫米、l00線/毫米和200線/毫米(指直線光柵)。其特點是光源可采用垂直入射光，光電元件能直接接受，因此信號幅值較大，信噪比好，讀數頭的結構簡單。反射光柵在金屬鏡面上制成全反射或漫反射平行等距的密集線條，常用的材料有鋼或鋁等，其每毫米刻線數有4、10、25、40、50，甚至有600線，因此可以得到很高的精度，且長度不受限制。兩種光柵的特點:

玻璃透射光柵

光源可垂直入射，信號幅度大，讀數頭結構簡單;

刻線密度大100條/mm,細分后，分辨率達微米級;

易碎，熱膨脹系數與機床不一致，影響測量精度.

金屬反射光柵鋼尺、鋼帶照相腐蝕、鉆石刀刻劃熱膨脹系數與機床一致，安裝調整方便，易接長，不易碎

光柵結構：1.標尺光柵、2.指示光柵、3.光電元件、4.光源。2．光柵工作結構

原理

1）指示光柵與標尺光柵刻度等寬。2）平行裝配，且無摩擦3）兩尺條紋之間有一定夾角4）當指示光柵與標尺光柵相對運動時，會產生與光柵線垂直的橫向的條紋，該條紋為莫爾條紋，當移動一個柵距時，摩爾條紋也移動一個紋距莫爾條紋的產生

1、標尺光柵和指示光柵的柵距P2、指示光柵在其自身平面內相對于標尺光柵傾斜一個很小的角度,兩塊光柵的刻線就會相交。當燈光通過聚光鏡呈平行光線垂直照射在標尺光柵上，在與兩塊光柵線紋相交的鈍角平分線方向，出現明暗交替，間隔相等的粗短條紋，稱之為橫向莫爾條紋。a=柵距p莫爾條紋產生動畫莫爾條紋移動方向與光柵移動方向及光柵夾角的關系應用較多的干涉條紋式光柵，是利用光的衍射現象產生莫爾干涉條紋。當兩片光柵互相平行，其刻線相互成一小角度θ時，兩光柵有相對運動就會生明暗相間的干涉條紋，將光源來的光經透鏡變成平行光，垂直照射在光柵上，經狹縫s和透鏡由光電元件接受，即可得到與位移成比例的電信號。工作原理

當P=0.01mm，(l00線/毫米)θ=0.01弧度，紋距W=1mm，即利用擋光效應，可把光柵線距轉換成放大100倍的摩爾條紋的寬度。表明莫爾條紋的節距是柵距的1／θ倍。(1)干涉條紋方向與標尺光柵的刻線幾乎垂直。(2)放大作用:用W（mm）表示莫爾條紋的寬度，P(mm)表示柵距，θ(rad)為光柵線紋之間的夾角。莫爾條紋的特點(3)誤差均化作用：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。(4)成比例運動：摩爾條紋的移動與柵距之間的移動成比例。當兩個光柵相對移動一個柵距d時，摩爾條紋相應地移動一個紋距W，因此兩者的移動是對應的，這樣便于記數；標尺光柵移動的方向相反，干涉條紋移動的方向也反向。

d摩爾條紋標尺光柵指示光柵光柵節距摩爾條紋節距作用：放大作用誤差均化作用方便測量位移θW光柵傾角光柵測量系統光柵測量系統由光源、聚光鏡、光柵尺、光電元件和驅動線路組成。三、應用（光柵位移－數字轉換系統）當光柵移動一個柵距，莫爾條紋便移動一個條紋寬度，假定開辟一小窗口觀察莫爾條紋的變化情況，可發現它在移動一個柵距期間明暗變化了一個周期。理論上光柵亮度變化是一個三角波形，但由于漏光和不能達到最大亮度，被削頂削底后而近似一個正弦波（見圖3-4）。硅光電池將近似正弦波的光強信號變為同頻率的電壓信號（見圖3-5），經光柵位移—數字變換電路放大、整形、微分輸出脈沖。每產生一個脈沖，就代表移動了一個柵距那么大的位移，通過對脈沖計數便可得到工作臺的移動距離。

O

亮度電壓圖3-4光柵的實際亮度變化圖3-5光柵的輸出波形圖光柵位移O光柵位移

將明暗相間的干涉條紋用光電元件接收后，經過放大、整形、微分變成脈沖信號，即可用來測量位移量，如右圖。可見每個線距可以發兩個脈沖信號。

根據摩爾條紋的上述特點，可在摩爾條紋的移動方向上開設4個窗口P1，P2，P3，P4，并且使這4個窗口兩兩相距1/4摩爾條紋寬度(W/4),可從這4個觀察窗口進行：機床移動部件的位移檢測；確定移動部件的方向；確定移動速度。

增加線紋密度，能提高光柵檢測裝置精度，但制造較困難，成本高。實際應用中，既要提高測量精度，同時又能達到自動辨向的目的，通常采用倍頻或細分的方法來提高光柵的分辨精度，

如果在莫爾條紋的寬度內，放置四個光電元件，每隔1/4光柵柵距產生一個脈沖，一個脈沖代表移動了1/4柵距的位移，分辨精度可提高四倍，即四倍頻方案。提高精度的方法觀看光柵機構及安裝視頻5.3脈沖編碼器

脈沖編碼器又稱碼盤，是一種回轉式數字測量元件，通常裝在被檢測軸上，隨被測軸一起轉動，可將被測軸的角位移轉換為增量脈沖形式或絕對式的代碼形式。根據內部結構和檢測方式碼盤可分為接觸式、光電式和電磁式3種。其中，光電碼盤在數控機床上應用較多，而由霍爾效應構成的電磁碼盤則可用作速度檢測元件。另外，它還可分為絕對式和增量式兩種。進給伺服電動機聯軸器滾珠絲杠進給伺服電動機及傳動機構編碼器

結構及工作原理

信號處理裝置abz光電盤透鏡光源光電元件圓盤透光狹縫光欄板節距τm+τ/4一、增量式脈沖編碼器增量式脈沖編碼器分光電式、接觸式和電磁感應式三種。光電式脈沖編碼器的精度和可靠性優于其它兩種，其型號用脈沖數/轉來區分，現在已有每轉發10萬個脈沖的脈沖編碼器。脈沖編碼器可用于角度和速度檢測。光電式脈沖編碼器由光源、透鏡、光電盤、圓盤、光電元件和信號處理電路等組成。信號處理裝置abz碼盤基片透鏡光源光敏元件透光狹縫光欄板節距τm+τ/4光源光電盤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，再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，其數量從幾百條到幾千條不等。圓盤也用玻璃材料研磨拋光制成，其透光窄縫為兩條，每一條后面安裝一只光電元件。圖5-5光電式脈沖編碼器結構示意圖光電盤與工作軸連在一起，光電盤轉動時，每轉過一個縫隙就發生一次光線的明暗變化，光電元件把通過光電盤和圓盤射來的忽明忽暗的光信號轉換為近似正弦波的電信號，經過整形、放大、和微分處理后，輸出脈沖信號。通過記錄脈沖的數目，就可以測出轉角。測出脈沖的變化率，即單位時間脈沖的數目，就可以求出速度。節距PAB90°

90°

光電碼盤隨被測軸一起轉動，在光源的照射下，透過光電碼盤和光欄板形成忽明忽暗的光信號，光敏元件把此光信號轉換成電信號，通過信號處理裝置的整形、放大等處理后輸出。輸出的波形有六路：的取反信號。AB90°Z……碼盤轉一圈其中，是

?輸出信號的作用及其處理

A、B兩相的作用√根據脈沖的數目可得出被測軸的角位移；√根據脈沖的頻率可得被測軸的轉速；√根據A、B兩相的相位超前、滯后關系可判斷被測軸旋轉方向。√后續電路可利用A、B兩相的90°相位差進行細分處理（四倍頻電路實現）。ABCP90O

Z相的作用

√被測軸的周向定位基準信號；√被測軸的旋轉圈數記數信號。

的作用√后續電路可利用A、兩相實現差分輸入，以消除遠距離傳輸的共模干擾。Z……碼盤轉一圈增量式碼盤的規格及分辨率規格增量式碼盤的規格是指碼盤每轉一圈發出的脈沖數；現在市場上提供的規格從36線/轉

到10萬線

/轉

都有；選擇：①伺服系統要求的分辨率；②考慮機械傳動系統的參數。分辨率（分辨角）α設增量式碼盤的規格為n線/轉：提高增量式光電編碼器分辨率的方法提高圓周的等分狹縫的密度增加光電盤的發訊通道使盤上有若干大小不等的同心圓環狹縫（碼道），光電盤轉一周，發出的脈沖個數增多，分辨率提高。

增量式編碼器的缺點有可能產生計數錯誤（由于噪聲或其它外界干擾）

若因停電、刀具破損而停機，事故排除后不能找到事故前執行部件的正確位置

二、絕對式編碼器

絕對式編碼器是一種旋轉式檢測裝置，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其對應的測量代碼，它能表示絕對位置，沒有累積誤差，電源切除后，位置信息不丟失，仍能讀出轉動角度。

.絕對式編碼器碼盤基片上有多圈碼道，且每碼道的刻線數相等；對應每圈都有光電傳感器；輸出信號的路數與碼盤圈數成正比；檢測信號按某種規律編碼輸出，故可測得被測軸的周向絕對位置。010111100110011110001001101010111100110111110000000100100011010023222120?絕對編碼盤的編碼方式

及特點

二進制編碼：√特點：編碼循序與位置循序相一致，但可能產生非單值性誤差。√

誤差分析：

0101111001100111100010011010101111001101111100000001001000110100100023222120

1111

圖5-9四位二進制編碼盤

當檢測對象帶動碼盤一起轉動時，電刷和碼盤的相對位置發生變化，與電刷串聯的電阻將會出現有電流通過或沒有電流通過兩種情況。若回路中的電阻上有電流通過，為“1”；反之，電刷接觸的是絕緣區，電阻上無電流通過，為“0”。如果碼盤順時針轉動，就可依次得到按規定編碼的數字信號輸出，圖示為4位二進制碼盤，根據電刷位置得到由“1”和“0”組成的二進制碼，輸出為0000、0001、0010……1111。由圖3-9可看出，碼道的圈數就是二進制的位數，且高位在內，低位在外。其分辨角θ＝360o/24=22.5o，若是n位二進制碼盤，就有n圈碼道，分辨角θ＝360o/2n，碼盤位數越大，所能分辨的角度越小，測量精度越高。用二進制代碼做的碼盤，如果電刷安裝不準，會使得個別電刷錯位，而出現很大的數值誤差。如圖3-10，當電刷由位置0111向1000過渡時，可能會出現從8（1000）到15（1111）之間的讀數誤差，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。

格雷碼

（循環碼、葛萊碼）特點：任何兩個編碼之間只有一位是變化的，因而可把誤差控制在最小單位上。但編碼與位置循序無直接規律。111100011101110001000101011101100010001100001000100110111010111023222120格雷碼的編碼方法它是從二進制碼轉換而來的，轉換規則為：將二進制碼與其本身右移一位后并舍去末位的數碼作不進位加法，得出的結