第3章数控机床的位置检测讲解

根据摩尔条纹的上述特点，可在摩尔 条纹的移动方向上开设4个窗口P1，P2 ，P3，P4，并且使这4个窗口两两相距 1/4摩尔条纹宽度(W/4),可从这4个观 察窗口进行：
机床移动部件的位移检测；
确定移动部件的方向；
确定移动速度。
１－机床移动部件的位移检测
标尺光栅安装在机床移动部件上，光栅读 数头安装在机床固定部件。按摩尔条纹特 点，当标尺光栅移动一个栅距时，摩尔条 纹移动一个摩尔条纹宽度，即透过任一个 窗口的光强变化一个周期。透过观察窗口 透过的光强变化的周期数确定标尺光栅移 动了一个栅距，测得机床移动部件位移。
1．光栅的结构和种类
光栅有透射光栅和反射光栅两类。
透射光栅 在透明玻璃片上刻有平行等距的密集线条，常用 的有50线/毫米、l00线/毫米和200线/毫米(指直线光栅)。 其特点是光源可采用垂直入射光，光电元件能直接接受， 因此信号幅值较大，信噪比好，读数头的结构简单。
反射光栅 在金属镜面上制成全反射或漫反射平行等距的密 集线条，常用的材料有钢或铝等，其每毫米刻线数有4、10 、25、40、50，甚至有600线，因此可以得到很高的精度， 且长度不受限制。
建
学生学习本章节，可结合数控中心的 数控机床来了解光栅和脉冲编码器和
等位置检测装置的结构特点、工作原
议
理。
第一节 概 述
一、位置检测装置的要求
位置检测装置是NC机床重要组成部分，在闭环系 统中其主要作用是检测位移量，并发出反馈信号与数 控装置的指令信号比较，如有偏差，经放大后控制执 行部件，使其朝消除偏差方向运动，直至偏差为零。
测量方式
增量式测量 绝对式测量
只测位移量，如测量单位为0.01 mm,则每移动 0.01mm就发出一个脉冲信号。
被测量的任意一点位置均由固定的零点标起， 每一个被测点都有一个相应的测量值。
直接测量 间接测量
将检测装置直接安在执行部件上，如光栅， 感应同步器用于直接测量工作台直线位移。
将检测装置安在滚珠丝杠或驱动电机轴上， 通过检测转动件的角位移来间接测量执行部 件的直线位移。
(5) 光强分布规律：当用平行光束照射光栅时，就形成明 暗相间的摩尔条纹。其由暗纹到亮纹的光强分布近似余弦函 数。
三、应用（光栅位移－数字转换系统） 当光栅移动一个栅距，莫尔条纹便移动一 个条纹宽度，假定开辟一小窗口观察莫尔条纹 的变化情况，可发现它在移动一个栅距期间明 暗变化了一个周期。 理论上光栅亮度变化是一个三角波形，但 由于漏光和不能达到最大亮度，被削顶削底后 而近似一个正弦波（见图3-4）。硅光电池将 近似正弦波的光强信号变为同频率的电压信号 （见图3-5）， 经光栅位移—数字变换电路放大、整形、微 分输出脉冲。每产生一个脉冲，就代表移动了 一个栅距那么大的位移，通过对脉冲计数便可 得到工作台的移动距离。
干涉条纹的特点
(1)干涉条纹方向与 标尺光栅的刻线几 乎垂直。
(2)放大作用:用W
（mm）表示莫尔条 纹的宽度，d(mm) 表示栅距，θ(rad) 为光栅线纹之间的 夹角。
W d d
sin
当d =0.01mm，(l00线/毫米)θ=0.01弧度，纹距W=1mm ，即利用挡光效应，可把光栅线距转换成放大100倍的摩 尔条纹的宽度。表明莫尔条纹的节距是栅距的1／θ倍。
为提高数控机床的加工精度，须提高检测元件和 检测系统的精度，不同类型数控机床，对检测元件和 检测系统的精度要求、允许的最高移动速度各不相同。
一般要求检测元件的分辨率在0.0001～0.01mm之 内 、 测 量 精 度 为 ± 0.001 ～ 0.02mm/m, 运 动 速 度 为 0 ～ 24m/min。
整B
形
反D微
相
分
Y1 --
Y2 Y3 Y4 Y5
Y6 Y7
光栅又可分为直线光栅和圆盘光栅
直线光栅是测量直线位移，
圆盘光栅是测量角位移。圆盘光栅简称 圆光栅，其刻线呈辐射状，在一圆周内 的 等 距 线 纹 数 有 三 种 形 式 ： 60 进 制 (10800，21600，32400，64800等线纹数 )、10进制(1000，2500，5000等线纹数) 、2进制(512，1024，2048等线纹数)， 视需要而选择。
3．检测元件的特点
感应同步器——抗干扰能力强，对环境要求低，维护简单、
价格低，寿命较长，具有一定精度、应用较广。
光栅——抗干扰能力强，高分辨率、大量程、测量精度高、
应用广泛，但成本较高，制造工艺要求高。
磁栅——抗干扰能力强，对环境条件要求低，安装调整方便，
精度高，但存在磁信号的稳定性，磁头磨损等问题。
旋转变压器——抗干扰能力强、工作可靠、结构简单、 动作灵敏、信号输出幅度大，对环境无特殊要求，维护方便， 应用广泛。
脉冲编码盘——工作可靠、精度高，结构紧凑、成本低， 是精密数字控制和伺服系统中常用的角位移数字式检测元 器件，但抗污染能力差，易损坏。
激光干涉仪——精度很高，但抗震性、抗干扰能力差， 价格较贵，应用较少。
光栅位置检测装置
标尺光栅Gs
驱动 电路
包括标尺光栅和指示光栅.
光源 透镜
光电元件 指示光栅Gi
驱动电路
根据制造方法和光学原理不同，光栅可分为透射光栅和反射光栅.
透射光栅是在光学玻璃表面，或在玻璃表面感光材料的涂层 上刻成光栅线纹。其特点是:
光源可以垂直入射，光电元件直接接受光照，因此信号幅 值比较大，信噪比好，光电密度为200线/mm时，光栅本身就已 经细分到0.005mm从而减轻了电子线路的负担。
第三章 数控机床的位置检测
第三章 数控机床的位置检测
本章主要介绍数控机床的位置检测装置
提 作用及分类，讲解光栅尺和脉冲编码器
的结构、工作原理及其应用。
要 学时：2学时
第三章 数控机床的位置检测
目
了解数控机床的位置检测装置作用及类型。
掌握光栅和脉冲编码器的结构特点、工作原理
标
及应用。
第三章 数控机床的位置检测
表3-1 数控机床检测装置分类
分类
增量式
绝对式
回转型—脉冲编码器、 多极旋转变压器、
自整角机、旋转变压器、圆 绝对脉冲编码器、绝对
位移 感应同步器、光栅角度传感 值式光栅、三速圆感应
传感器 器、圆光栅、圆磁栅
同步器、磁阻式多极旋 转变压器
直线型—直线应同步器 三速感应同步器、
、光栅尺、磁栅尺、激光干 绝对值磁尺、光电编码
数控机床对位置检测装置的要求：
高可靠性和高抗干扰性； 满足精度与速度要求； 使用维护方便，适合机床运行环境；
低成本。
二、位置检测装置的分类
检测元件是数控机床伺服系统的重要组成部分。它的 作用是检测位移，发送反馈信号，构成闭环控制。
数控机床的运动精度主要由检测系统的精度决定。 位移检测系统能够测量的最小位移量称为分辨率。 分辨率不仅取决于检测元件本身，也取决于测量线路
亮度
O
电压
光栅位移 O
光栅位移
图3-4 光栅的实际亮度变化
图3-5 光栅的输出波形图
光栅测量系统
光栅测量系 统由光源、 聚光镜、光 栅尺、光电 元件和驱动 线路组成。
将明暗相间的干涉 条纹用光电元件接 收后，经过放大、 整形、微分变成脉 冲信号，即可用来 测量位移量，如右 图。可见每个线距 可以发两个脉冲信 号。
３－移动速度的确定
根据摩尔条纹的特点，标尺光栅的移动位 移与摩尔条纹的移动位移成比例。因此，标 尺光栅的移动速度和摩尔条纹的移动速度相 一致，也与观察窗口的光强变化频率相对应 。可根据透过观察窗口的光强变化频率来确 定标尺光栅的移动速度，得到机床移动部件 的移动速度。
增加线纹密度，能提高光栅检测装置精度 ，但制造较困难，成本高。实际应用中，既要 提高测量精度，同时又能达到自动辨向的目的 ，通常采用倍频或细分的方法来提高光栅的分 辨精度，
2．光栅工作原理
光栅结构： 1.标尺光栅、 2.指示光 栅、3.光电元件、4.光源。
Wp

光栅位置检测装置
i. 光栅检测装置的结构
标尺光栅Gs
驱动 电路
光源 透镜
光电元件 指示光栅Gi
驱动电路
执行部件带着标尺光栅相对指示光栅移动，通过读数头的光 电转换，发送出与位移量对应的数字脉冲信号，用作位置反 馈信号或位置显示信号
如果在莫尔条纹的宽度内，放置四个光电 元件，每隔1/4光栅栅距产生一个脉冲，一个脉 冲代表移动了1/4栅距的位移，分辨精度可提高 四倍，即四倍频方案。
光栅位移-数字变换电路
莫尔条纹细分技术：光学细分、机械细分和电子细分
a
插动放大
整形
b
方向
c
辨别
d
插动放大
整形
(sin)
插动放大 整形
A
微分 A’
a
反向
涉仪、霍耳位置传感器 尺、磁性编码器
速度
交、直流测速发电机、 速度—角度传感器
传感器 数字脉编码式速度传感器、 、数字电磁、磁敏式速
霍耳速度传感器
度传感器
电流 霍耳电流传感器
传感器
数字式测量 模拟式测量
将被测量以数字形式表示，测量量一般为 电脉冲。 将被测的量以连续变量表示，如电压变化、 相位变化等。主要用于小量程测量。
二、位置检测装置的分类
不同类型NC机床对检测系统要求不同。大型数 控机床要求速度响应高，中型和高精度数控机 床以满足精度要求为主。测量系统分辨率一般 要求比加工精度高一个数量级。
直接测量--对机床直线位移采用直线型检测元 件测量，其测量精度取决于测量元件精度，不 受机床传动精度的影响。
间接测量--对机床直线位移采用回转型检测元 件测量，测量精度取决于测量元件和机床传动 链两者的精度。为提高定位精度，常需对机床 传动误差进行补偿。
微分
b
C
C’
c
微分
B
d
插动放大 整形
B’
反向
微分
(cos)
D
D’
正脉冲
sin
门
可逆
cos
电路
计数
A
反脉冲
B
C
D
A’
Y1
B’
C’
Y2 Y3
H1
D’
正向脉冲 相加
Y4
A’
Y5 Y6 Y7
H2 反向脉冲 B’ C’
D’
Y8
相加
正走 反走
与门
微
差动
分
放大 整
P1
器
形A
反 相
C
微 分
P2
P3
微
P4
分
差动
放大 器
摩尔条纹
标尺光栅
指示光栅 作用：
放大作用 误差均化Байду номын сангаас用
测量位移
光栅倾角
θ
d
光栅节距 摩尔条纹节距
干涉条纹的特点
(3)误差均化作用：摩尔条纹是由许多根刻线共同形成的， 这样可使光栅的节距误差得到平均化。
(4) 信息变换作用：摩尔条纹的移动与栅距之间的移动成比 例。当两个光栅相对移动一个栅距d时，摩尔条纹相应地移 动一个纹距W，因此两者的移动是对应的，这样便于记数； 标尺光栅移动的方向相反，干涉条纹移动的方向也反向。
。在设计数控机床，尤其是高精度或大中型数控机床 时，必须选用检测元件。
2．检测传感器分类
从检测的 信号分
直线型 回转型
直线感应同步器、长光栅、 长磁栅、激光干涉仪 旋转变压器、圆感应同步器、 圆光栅、圆磁栅、编码盘
从传感器 输出信号分
模拟式 旋转变压器、感应同步器 数字式 光栅检测装置、脉冲编码盘
２－确定移动部件的方向
从观察窗口P1，P2，P3，P4，可以得到4个在相位上 依次超前或滞后1/4周期的近似余弦函数的光强变化过 程。当标尺光栅沿着一个方向移动时，可得到4个光强 信号，P1滞后P2 π/2,…,当摩尔条纹反向移动时，4 个光强变化为P1超前P2 π/2, P2超前P3 π/2, …,可 以断定标尺光标沿反向移动。从4个观察窗口得到光强 度变化的相互超前或滞后关系可确定机床移动部件的 移动方向。
位置检 测装置
数字式
光电盘 增量式 圆光栅 绝对式 －数码盘
测角 模拟式
增量式 绝对式
多级同步分解器 同步分解器组件 三重式圆感应同步器 同步分解器 圆感应分解器 磁盘
测长
数字式 模拟式
增量式 －长光栅
绝对式 －多通道透射光栅
增量式
直线感应分解器 磁尺
绝对式 －多重式直线感应同步器
第二节 光栅
光栅是闭环系统中用得比较多的检测装置，可用作直线位移和转角的检测。
原理 1）指示光栅与标尺光栅刻度等宽。 2）平行装配，且无摩擦 3）两尺条纹之间有一定夹角 4）当指示光栅与标尺光栅相对运动时，会产生与光栅线 垂直的横向的条纹，该条纹为莫尔条纹，当移动一个栅 距时，摩尔条纹也移动一个纹距
标尺光栅
θ
莫尔条纹
应用较多的干涉条纹式光栅，是利用光的 衍射现象产生莫尔干涉条纹。当两片光栅 互相平行，其刻线相互成一小角度θ时， 两光栅有相对运动就会生明暗相间的干涉 条纹，将光源来的光经透镜变成平行光， 垂直照射在光栅上，经狭缝s和透镜由光 电元件接受，即可得到与位移成比例的电 信号。