第四章位置检测装置

4）莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线 数相等。例如，采用100线/mm光栅时，若光 栅移动了x mm（也就是移过了100×x条光栅 刻线），则从光电元件面前掠过的莫尔条纹 也是100×x条。由于莫尔条纹比栅距宽得多， 所以能够被光敏元件所识别。将此莫尔条纹 产生的电脉冲信号计数，就可知道移动的实 际距离了。
无刷式旋转变压器
它分为两大部分，即旋转变压器本体和附加变压器。附 加变压器的原、副边铁心及其线圈均成环形，分别固定于转 子轴和壳体上，径向留有一定的间隙。旋转变压器本体的转 子绕组与附加变压器原边线圈连在一起，在附加变压器原边 线圈中的电信号，即转子绕组中的电信号，通过电磁耦合， 经附加变压器副边线圈间接地送出去。这种结构避免了电刷 与滑环之间的不良接触造成的影响，提高了旋转变压器的可 靠性及使用寿命，但其体积、质量、成本均有所增加。
(4 1)
（4－2）
根据电磁学原理，转子绕组B1B2 中的感应电势则为
VB KVs sin KVm sin sin t
式中K——旋转变压器的变化； m —Vs的幅值 ； V
——转子的转角，当转子和定子的磁轴垂直时，=0。如 果转子安装在机床丝杠上，定子安装在机床底座上，则角代
第三节 旋转变压器
旋转变压器是一种常用的转角检测元件，它具
有结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境条件要
求低（特别是高温、高粉尘的环境）、输出信号幅
度大和抗干扰能力强等特点，缺点是信号处理比较 复杂。虽然如此，旋转变压器还是被广泛地应用于 半闭环控制的数控机床上。
一、旋转变压器的结构
旋转变压器的结构和两相绕线式异步电机的结构相似，可 分为定子和转子两大部分。定子和转子的铁心由铁镍软磁合金 或硅钢薄板冲成的槽状心片叠成。它们的绕组分别嵌入各自的
Vs＝Vm cos t
(4 3);Vs＝Vm sin t
（4—3） （4—4）
(4 4)
根据线性叠加原理，可在转子绕组B1B2中得到感应电势VB，其值为激磁电 压VS和VK在B1B2中产生感应电势VBS和VBK之和，即 V V V VB V BS V BK
KV sin( KVcos KVss sin( ))KVk k cos
4.莫尔条纹有如下特征： 1）莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的， 对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很 大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误差。 2）当指示光栅沿与栅线垂直的方向作相对移动 时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者 的运动方向相互垂直）；指示光栅反向移动， 莫尔条纹亦反向移动。
3） 起放大作用。若用B表示莫尔条纹的宽度，W表示光
二、旋转变压器的工作原理
由于旋转变压器在结构上保证了其定子和转子(旋转一 周)之间空气间隙内磁通分布符合正弦规律，因此，当激 磁电压加到定子绕组时，通过电磁耦合，转子绕组便产 生感应电势。图4－3为两极旋转变压器电气工作原理图。 图中Z为阻抗。设加在定子绕组 S1，S2的激磁电压为
VS Vm sin t
3.工作原理
在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光 的刻线面相对叠和在一起，中间留有很小的 间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角θ。在 两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成 亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡 光作用而形成暗带。 这种亮带和暗带形成明暗相间的条纹称 为莫尔条纹，条纹方向与刻线方向近似垂直。 通常在光栅的适当位置安装光敏元件。
利用光栅精密测量位移： 当指示光栅与主光栅有相对运动时，莫尔条纹也 作同步移动。由于，栅距被放大许多倍，光电元件测 出莫尔条纹的移动，通过脉冲计数得到位移的度量。 原理框图如图4所示。
图4 光栅测量位移原理框图
由于光栅的刻线非常细微，很难分辨到底 移动了多少个栅距，而利用莫尔条纹的实际价 值就在于：能让光敏元件“看清”随光栅刻线 移动所带来的光强变化。 当指示光栅沿x轴 （例如水平方向）自左向右移动时，莫尔条纹 的亮带和暗带将顺序自下而上（图中的y方向） 不断地掠过光敏元件（在演示中就是我们的眼 睛）。光敏元件“观察”到莫尔条纹的光强变 化近似于正弦波变化。光栅移动一个栅距W， 光强变化一个周期。
2.1光栅尺的构造和种类
光栅尺包括标尺光栅和指示光栅，它是用真空 镀膜的方法光刻上均匀密集线纹的透明玻璃片或长 条形金属镜面。对于长光栅，这些线纹相互平行， 各线纹之间距离相等，我们称此距离为栅距。对于 圆光栅，这些线纹是等栅距角的向心条纹。栅距和 栅距角是决定光栅光学性质的基本参数。常见的长 光栅的线纹密度25,50,100,125,250条／mm。对于 圆光栅，若直径为70mm,一周内刻线100-768条； 若直径为110mm，一周内刻线达600-1024条，甚 至更高。同一个光栅元件，其标尺光栅和指示光栅 的线纹密度必须相同。
模拟式 绝对式
回 转 式
脉冲编码盘 圆光栅
直 线 式
直线光栅 激光干涉仪
直线感应同步 速 感 应 同 三 通 道 透 射 多 器 步器 光栅 磁尺 绝对磁尺
第二节 光栅尺
光栅简介
光栅的构造
光栅的工作原理
莫尔条纹的特征
1.光栅简介
在高精度的数控机床上，目前大量使用光栅作为反馈 检测元件。光栅与前面讲的旋转变压器、感应同步器不 同，它不是依靠电磁学原理进行工作的，不需要激磁电 压，而是利用光学原理进行工作，因而不需要复杂的电 子系统。光栅的检测精度较高，可达1微米 以上。
1. 进给伺服系统对位置测量装置的要求
高可靠性和高抗干扰性：

受温度、湿度的影响小，工作可靠，精度保持性好，抗干扰能力强；
能满足精度和速度的要求：

位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率（一个数量级）； 位置检测装置最高允许的检测速度应数控机床的最高运行速度。
使用维护方便，适应机床工作环境； 成本低。
表的是丝杠转过的角度，它间接反映了机床工作台的位移。转 子绕组中的感应电势为以角速度ω随时间t变化的交变电压信号。
两极旋转变压器
其幅值 KVm sin 随转子和定子的相对角位移 以正弦函数 变化。因此，只要测量出转子绕组中的感应电势的幅值，便 可间接地得到转子相对于定子的位置，即 角的大小。以上 是两极绕组式旋转变压器的基本工作原理，在实际应用中， 考虑到使用的方便性和检测精度等因素，常采用四极绕组式 旋转变压器。这种结构形式的旋转变压器可分为鉴相式和鉴 幅式两种工作方式。
2. 位置检测装置的分类
按输出信号的形式分类：数字式和模拟式
按测量基点的类型分类：增量式和绝对式 按位置检测元件的运动形式分类：回转型和直线型
常用位置检测装置分类表
数字式 增量式 绝对式 增量式
旋转变压器 对 式 脉 冲 绝 速 圆 感 应 三 圆感应同步器 编码盘 同步器 圆磁尺
槽状铁心内。定子绕组通过固定在壳体上的接线柱直接引出。
转子绕组有两种不同的引出方式。根据转子绕组两种不同的引 出方式，旋转变压器分为有刷式和无刷式两种结构形式。
有刷式旋转变压器：它的转子绕组通过滑环和电刷直
接引出，其特点是结构简单，体积小，但因电刷与滑环是 机械滑动接触的，所以旋转变压器的可靠性差，寿命也较 短。
光栅的分类
长光栅
检测直线位移
按形状分类
圆光栅
检测转角位移
光栅
玻璃透射光栅
按制作原理
金属反射光栅
光栅
透射式光栅
在透明的光学玻 璃板上，刻制平 行且等距的密集 线纹，利用光的 透射现象形成光 栅。
反射式光栅
在不透明的金属材 料，如不锈钢板或 铝板上刻制平行且 等距的密集线纹， 利用光的全反射或 漫反射形成光栅。
B
BS
BK
＝KVm sin(t t ) （4－5） Vm sin( ) （4－5）
KVm cos sin KVm sin t cos KVm cos t t sin KVm sin t cos
（4—5）
2．鉴幅式工作方式
鉴幅式工作方式是通过对旋转变压器转子绕组中感应电势幅值的检 测来实现位移检测的。其工作原理如下：参看图4-4，设定子主绕组 S1S2和辅助绕组K1K2分别输入交变激磁电压 Vs＝Vm cos sin t (4 6);Vs＝Vm sin sin t (4 7) （4—6）
式中 和 分别为激磁电压VS和VK的幅值。 角可以改 变，称其为旋转变压器的电气角。 根据线性叠加原理，得出转子绕组 B1B2中的感应电势VB如下： VB VBS VBK KVs sin( ) KVk cos KVm cos sin t sin KVm sin sin t cos VB VBS VBK KVs sin( ) KVk cos KVm cos sin t sin KVm sin sin t cos ＝KVm sin( )sin t (4 8) ＝KVm sin( )sin t (4 8) (4—8)
第四章 位置检测装置
一、概 述
组成：位置测量装置是由检测元件（传感器）和信号处理装
置组成的。 作用：实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换成位置 控制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置反馈到位置控 制单元，以实施闭环控制。它是闭环、半闭环进给伺服系统的重 要组成部分。 闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测装置 的精度决定的，在设计数控机床进给伺服系统，尤其是高精度进 给伺服系统时，必须精心选择位置检测装置。
透射式的光栅结构图
反射光栅的结构图
光栅：等节距的透光和不透光的刻线均匀相间 排列构成的光学元件称为光栅
图1 主光栅
图2 指示光栅
2.光栅的构造
光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测 元件，它主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。 通常，标尺光栅固定在机床的活动部件上(如工作台或 丝杠)，光栅读数头安装在机床的固定部件上(如机床 底座)，二者随着工作台的移动而相对移动。在光栅读 数头中，安装着一个指示光栅，当光栅读数头相对于 标尺光栅移动时，指示光栅便在标尺光栅上移动。当 安装光栅时，要严格保证标尺光栅和指示光栅的平行 度以及两者之间的间隙(一般取0.05mm或0.1mm)要求。