位置检测装置-光栅尺资料
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
光栅尺和编码器介绍
光栅与编码器介绍位置检测装置作为数控机床的重要组成部分，其作用就是检测位移量，并发出反馈信号与数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件使其向着消除偏差的方向运动，直至偏差等于零为止。
为了提高数控机床的加工精度，必须提高检测元件和检测系统的精度。
其中以编码器，光栅尺，旋转变压器，测速发电机等比较普遍，下面主要对光栅和编码器进行说明。
光栅,现代光栅测量技术简要介绍：将光源、两块长光栅（动尺和定尺）、光电检测器件等组合在一起构成的光栅传感器通常称为光栅尺。
光栅尺输出的是电信号，动尺移动一个栅距，输出电信号便变化一个周期，它是通过对信号变化周期的测量来测出动就与定就职相对位移。
目前使用的光栅尺的输出信号一般有两种形式，一是相位角相差90度的2路方波信号，二是相位依次相差90度的4路正弦信号。
这些信号的空间位置周期为W。
下面针对输出方波信号的光栅尺进行了讨论，而对于输出正弦波信号的光栅尺，经过整形可变为方波信号输出。
输出方波的光栅尺有A相、B 相和Z相三个电信号，A相信号为主信号，B相为副信号，两个信号周期相同，均为W，相位差90o。
Z信号可以作为较准信号以消除累积误差。
一、栅式测量系统简述从上个世纪50年代到70年代栅式测量系统从感应同步器发展到光栅、磁栅、容栅和球栅，这5种测量系统都是将一个栅距周期内的绝对式测量和周期外的增量式测量结合了起来，测量单位不是像激光一样的是光波波长，而是通用的米制（或英制）标尺。
它们有各自的优势，相互补充，在竞争中都得到了发展。
由于光栅测量系统的综合技术性能优于其他4种，而且制造费用又比感应同步器、磁栅、球栅低，因此光栅发展得最快，技术性能最高，市场占有率最高，产业最大。
光栅在栅式测量系统中的占有率已超过80%，光栅长度测量系统的分辨力已覆盖微米级、亚微米级和纳米级，测量速度从60m/min，到480m/min。
测量长度从1m、3m 达到30m和100m。
光栅尺使用说明书
光栅尺使用说明书第1章前言感谢您选择使用本产品。
本说明书详细介绍了光栅尺的使用方法和注意事项，请您仔细阅读。
第2章产品概述2.1产品简介光栅尺是一种精密测量工具，可用于测量线性位移和角度。
2.2主要特点1)高精度：采用先进的光学测量技术，具有高精度的测量能力。
2)便携性：体积小巧，重量轻，方便携带和使用。
3)易操作：采用直观的操作界面，简单易学。
4)可靠性：采用优质材料，具有较高的耐用性和可靠性。
第3章使用方法3.1准备工作1)将光栅尺连接到电源，确保电源正常工作。
2)根据需要调整测量范围和精度。
3)将光栅尺安装到需要测量的物体上，保持稳定。
3.2开始测量1)打开光栅尺的开关，待显示屏亮起后即可开始测量。
2)将光栅尺移动到需要测量的位置，并保持稳定。
3)读取显示屏上的数据，即可得到测量结果。
3.3结束测量1)在测量完成后，关闭光栅尺的开关。
2)断开光栅尺与电源的连接。
3)将光栅尺放置在干燥、清洁的地方，避免碰撞和摩擦。
第4章注意事项4.1使用环境1)光栅尺适用于室内环境使用，避免阳光直射和雨淋。
2)使用温度范围为0~40℃，湿度范围为10%~80%RH。
4.2使用方式1)使用前请先阅读本说明书，了解光栅尺的使用方法和注意事项。
2)操作时请保持手部干燥，避免划伤光栅尺表面。
3)避免将光栅尺与尖锐物体接触，以免损坏传感器部件。
4.3维护保养1)定期清洁光栅尺表面，可使用软布轻柔擦拭。
2)长时间不使用时，请将光栅尺放置在干燥、清洁的地方。
第5章常见问题解答Q:光栅尺的测量范围是多少？A: 光栅尺的标准测量范围为0~1000mm，但可根据需要进行调整。
Q:光栅尺的测量精度是多少？A: 光栅尺的标准测量精度为0.01mm，但可根据需要进行调整。
Q:光栅尺能测量角度吗？A:是的，光栅尺具有角度测量功能。
第6章售后服务以上即为光栅尺的使用说明书，希望能对您有所帮助。
祝您使用愉快！。
数控机床光栅的介绍
数控机床光栅的介绍数控机床光栅的介绍引导语：在高精度数控机床上，使用光栅作为位置检测装置。
它是将机械位移或模拟量转变为数字脉冲，反馈给CNC系统，实现闭环位置控制。
光栅种类很多，其中有物理光栅和计量光栅之分。
你们是知道数控机床光栅是什么吗?下面就来跟着店铺去看看吧!数控机床物理光栅的刻线细而密，栅距(两刻线间的距离)在。
.002—0. 005mm之间，通常用于光谱分析和光波波长的测定。
数控机床计量光栅相对来说刻线较粗，栅距在0.004—0. 25mm乏间，通常用于数字检测系统，用来检测高精度的直线位移和角位移。
数控机床计量光栅是用于数控机床的精密检测装置，具有测量精度高、响应速度快、量程宽等特点，是闭环系统中一种用得较多的位置检测装置。
1.数控机床光栅的种类根据光线在光栅中是反射还是透射分为透射光栅和反射光栅;透射光栅是在玻璃的表面上制成透明与不透明间隔相等的线纹。
反射光栅是在钢尺或不锈钢带的表面上，光整加工成反射光很强的镜面，用照相腐蚀工艺制作光栅条纹。
根据光栅形状可分为直线光栅和圆光栅，直线光栅用于检测直线位移，圆光栅用于检测角位移。
2数控机床光栅的结构与工作原理(1)数控机床直线透射光栅的组成光栅位置检测装置由光派、长光栅(标尺光栅)、短光栅(指示光栅)、光电接收元件等组成。
光栅装置由标尺光栅和指示光栅组成，在标尺光栅和指示光栅上都有密度相同的许多刻线，称为光栅条纹。
光栅条纹的密度一般为每毫米25、50.100或250条。
通常指示光栅固定在机床的固定部件上，标尺光栅固定在机床的移动部件上t两者随数控机床移动部件的移动而相对移动。
两光栅尺相互平行放置，并保持一定的间隙(o. 00~o.imm)重叠在一起.a为栅线宽，^为栅线缝隙宽，d-。
+^为光栅的栅距。
数控机床由光源、透镜、光栅尺、光敏元件和一系列信号处理电路组成。
信号处理电路一般包括放大、整形、鉴向、倍频电路等。
通常情况下，除标尺光栅与工作龠装在一起随其移动外，光源、透镜、指示光栅、光敏元件和信号处理电路均装在一个壳体内，做成一个单独的部件，固定在机床上，其作用是将光栅莫尔条纹变成电信号。
光栅
在一个莫尔条纹宽度内，按照一定间隔放置4个光电器件就能实 现电子细分与判向功能。例如，栅线为50线对/mm的光栅尺，其 光栅栅距为0.02mm，若采用四细分后便可得到分辨率为5μ m的计 数脉冲，这在工业普通测控中已达到了很高精度。由于位移是一 个矢量，即要检测其大小，又要检测其方向，因此至少需要两路 相位不同的光电信号。
光栅测量位移的实质是以光栅 栅距为一把标准尺子对位称量进行 测量。高分辨率的光栅尺一般造价 较贵，且制造困难。为了提高系统 分辨率，需要对莫尔条纹进行细分， 目前（2006年）光栅尺传感器系统 多采用电子细分方法。当两块光栅 以微小倾角重叠时，在与光栅刻线 大致垂直的方向上就会产生莫尔条 纹，随着光栅的移动，莫尔条纹也 随之上下移动。这样就把对光栅栅 距的测量转换为对莫尔条纹个数的 测量。
安装：
一般将主尺安装在机床的工作台（滑板） 上，随机床走刀而动，读数头固定在床身 上，尽可能使读数头安装在主尺的下方。 其安装方式的选择必须注意切屑、切削液 及油液的溅落方向。如果由于安装位置限 制必须采用读数头朝上的方式安装时，则 必须增加辅助密封装置。另外，一般情况 下，读数头应尽量安装在相对机床静止部 件上，此时输出导线不移动易固定，而尺 身则应安装在相对机床运动的部件上（如 滑板）。
以透射光栅为例，当指 示光栅上的线纹和标尺光栅 上的线纹之间形成一个小角 度θ ，并且两个光栅尺刻面 相对平行放置时，在光源的 照射下，位于几乎垂直的栅 纹上，形成明暗相间的条纹。 这种条纹称为“莫尔条纹” 严格地说，莫尔条纹排列的 方向是与两片光栅线纹夹角 的平分线相垂直。莫尔条纹 中两条亮纹或两条暗纹之间 的距离称为莫尔条纹的宽度， 以W表示。
W=ω /2* sin（θ /2）=ω /θ
光栅、编码器基本知识
光栅、编码器基本知识位置检测装置作为数控机床的重要组成部分，其作用就是检测位移量，并发出反馈信号与数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件使其向着消除偏差的方向运动，直至偏差等于零为止。
为了提高数控机床的加工精度，必须提高检测元件和检测系统的精度。
其中以编码器，光栅尺，旋转变压器，测速发电机等比较普遍，下面主要对光栅和编码器进行说明。
光栅,现代光栅测量技术简要介绍：将光源、两块长光栅（动尺和定尺）、光电检测器件等组合在一起构成的光栅传感器通常称为光栅尺。
光栅尺输出的是电信号，动尺移动一个栅距，输出电信号便变化一个周期，它是通过对信号变化周期的测量来测出动就与定就职相对位移。
目前使用的光栅尺的输出信号一般有两种形式，一是相位角相差90度的2路方波信号，二是相位依次相差90度的4路正弦信号。
这些信号的空间位置周期为W。
下面针对输出方波信号的光栅尺进行了讨论，而对于输出正弦波信号的光栅尺，经过整形可变为方波信号输出。
输出方波的光栅尺有A相、B 相和Z相三个电信号，A相信号为主信号，B相为副信号，两个信号周期相同，均为W，相位差90o。
Z信号可以作为较准信号以消除累积误差。
一、栅式测量系统简述从上个世纪50年代到70年代栅式测量系统从感应同步器发展到光栅、磁栅、容栅和球栅，这5种测量系统都是将一个栅距周期内的绝对式测量和周期外的增量式测量结合了起来，测量单位不是像激光一样的是光波波长，而是通用的米制（或英制）标尺。
它们有各自的优势，相互补充，在竞争中都得到了发展。
由于光栅测量系统的综合技术性能优于其他4种，而且制造费用又比感应同步器、磁栅、球栅低，因此光栅发展得最快，技术性能最高，市场占有率最高，产业最大。
光栅在栅式测量系统中的占有率已超过80%，光栅长度测量系统的分辨力已覆盖微米级、亚微米级和纳米级，测量速度从60m/min，到480m/min。
测量长度从1m、3m 达到30m和100m。
光栅尺
光栅的特点 光栅的特点 1. 有很高的检测精度。现在光栅的精度可达微米级， 有很高的检测精度。现在光栅的精度可达微米级， 再经细分电路可以达到0.1微米 微米。 再经细分电路可以达到 微米。 2. 响应速度较快，可实现动态测量，易于实现检测及 响应速度较快，可实现动态测量， 数据处理的自动化控制。 数据处理的自动化控制。 3. 对使用环境要求高，怕油污、灰尘及振动。 对使用环境要求高，怕油污、灰尘及振动。 4. 由于标尺光栅一般较长，故安装、维护困难，成本 由于标尺光栅一般较长，故安装、维护困难， 高。
（3）莫尔条纹的变化规律 ） 长短两光栅相对移动一个栅距W， 长短两光栅相对移动一个栅距 ，莫尔条纹移动一个 条纹间距B，即光栅某一固定点的光强按明→暗 明 条纹间距 ，即光栅某一固定点的光强按明 暗→明 规律交替变化一次。 规律交替变化一次。光电元件只要读出移动的莫尔条 纹条纹数，就知道光栅移动了多少栅距， 纹条纹数，就知道光栅移动了多少栅距，从而也就知 道了运动部件的准确位移量。 道了运动部件的准确位移量。
光栅位置检测装置的组成 1—光源 2—透镜 3—标尺光栅 标尺光栅4—指示光栅 5—光电元件 光源 透镜 标尺光栅 指示光栅 光电元件
2. 工作原理 在测量时，长短两光栅尺面相互平行地重叠在一起， 在测量时，长短两光栅尺面相互平行地重叠在一起， 并保持0.01至0.1mm的间隙，指示光栅相对标尺光栅 的间隙， 并保持 至 的间隙 在自身平面内旋转一个微小的角度θ。 在自身平面内旋转一个微小的角度 。当光线平行照 射光栅时，由于光的透射和衍射效应， 射光栅时，由于光的透射和衍射效应，在与两光栅线 纹夹角θ的平分线相垂直的方向上 会出现明暗交替、 的平分线相垂直的方向上， 纹夹角 的平分线相垂直的方向上，会出现明暗交替、 间隔相等的粗条纹——莫尔条纹，如图所示。 莫尔条纹， 间隔相等的粗条纹 莫尔条纹 如图所示。
光栅尺图文介绍
灰尘等。一旦进去这些油、水、灰尘等光栅尺就基本报废了。整体尺只能为 3 米，接长较难、精度难保证。所以光栅尺对环境要求相对较高，安装较复杂、使 用寿命短，而且必须要由专业人员安装才行。 球栅尺是国际九十年代产品，原产地为英国。它是利用导磁介质量的变化实 现电磁/磁电转换。球栅尺的尺身是由高等级的进口无缝钢管和若干个精密钢球 密闭组合而成。它由感应器产生的电磁切割钢管中的精密球，把它分割成 2450 份而每份为 5μ。由于球栅尺是密闭结构，所以它最大优点是不怕油、水、灰尘， 整体尺可做到 8 米、拼接可做 30 米。而且使用寿命长、安装简单、环境要求低。 3：光栅尺的分辨率同球栅尺的分辨率为什么不同？ 一般光栅分辩率是 1μ， 球栅的分辩率是 5μ。 但分辩率不等同于精确度， 光栅只是 1μ 一显示、而球栅有 1μ 一显示的、也有 5μ 一显示的，它们都采用 以 mm 单位的十进制。由于光栅是累计误差，而球栅是周期性误差。所以短的光 栅尺精度较高，长的球栅尺精度要高于光栅尺的精度。 4：安装光栅尺或球栅尺效益比较 光栅尺在 3 米以下的价格一般是球栅尺价格的 50%， 3 米以上的至 8 米的 光栅同球栅价格基本一样。8 米至 10 米的光栅尺价格要高出球栅尺价格 20%，10 米至 12 米的光栅尺价格要高出球栅尺价格 50%。从短尺价格比较光栅尺要便宜， 但光栅的使用寿命一般是 3 年，而球栅的使用寿命在 10 年以上。从长尺比较球 栅的优势就更多了。所以总体说安装球栅尺的效益要好于光栅尺。 5：编码器是什么 编码器就是圆光栅，测角位移。测完圈数、角度换算成周长。 6：同步传感器是什么 又称电栅也是用于直线测量的，原理是靠二路信号的电磁感应。也具有 不怕油、水、灰，但由于精度低以被淘汰了。 7：磁栅是什么 它是利用磁性栅尺和磁头实现电磁/磁电转换的。具体是一个钢片带磁， 由一个读数头在里面走提出信号。 8：如何安装球栅尺 球栅尺的安装是十分简单的，一般是将球栅尺两端用专用支架固定在机 床上。读数头固定在机床的走刀架上，与球栅尺做相对运动。有时小机床也可把 读数头固定、球栅尺做运动。
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项目2 数控机床的位置检测装置
莫尔条纹的特点
(1)放大作用 • 由于光栅刻线很密，如果不进行光学放大，则不能直接用 光敏器件来测量光栅移动所引起的光强变化，必须采用莫 尔条纹来放大栅距。因为莫尔条纹的节距W和栅距P之间的 关系为 （θ 角度非常小） • 因此莫尔条纹的纹距W要比ω 大得多，这样，虽然光栅栅距 很小，莫尔条纹清晰可见，便于测量到莫尔条纹的移动 。 • 例如 ω =0.01mm ， θ=0.01rad ，可得 W=1mm ，从而把光栅 的栅距转换成放大100倍的莫尔条纹的宽度。
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项目2 数控机床的位置检测装置 尺身中有磁性标尺，滑尺中有拾磁磁头，测量信号 经接口输出至数显装置或控制系统。
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项目2 数控机床的位置检测装置
1、磁性标尺
• 磁性标尺采用不导磁材料作基体，在上面镀上一层10～ 30mm厚的高导磁性材料，形成均匀磁膜。再用录磁磁头在 尺上记录相等节距的周期性磁化信号。
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项目2 数控机床的位置检测装置
☆根据正弦波信号周期的数目可得出被
测对象的位移； ☆根据正弦波信号的频率可得被测对象 的速度； ☆根据A、B两相的相位超前滞后关系可 判断被测对象的移动方向。
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项目2 数控机床的位置检测装置
提高刻线密度，可以提高光栅的精度。但刻线 密度达200线/mm以上的细光栅刻线制造较困难， 成本也高，因此，通常采用倍频的方法来提高光 栅的分辨率精度。
（ 4 ）由于莫尔条纹由亮纹到暗纹或由暗纹到亮纹 的光强分布近似为正弦波，所以光敏接受元件得 到的信号也近似为正弦波。
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项目2 数控机床的位置检测装置
二、光栅尺的信号处理
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项目2 数控机床的位置检测装置
• 光敏元件A、B、/A、/B的间距是1/4纹距。 • A、/A为一组差动信号，B、/B为一组差 动信号，相位差为180度。差动信号提高 了系统的抗干扰能力。 • A和B两组信号相位差为90度，用于辩向。
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项目2 数控机床的位置检测装置 2、拾磁磁头 拾磁磁头是一种磁电转换器，用来把磁性标尺上的 磁化信号检测出来变成电信号送给测量电路。
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项目2 数控机床的位置检测装置 二、工作原理
双 磁 头 检 测
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项目2 数控机床的位置检测装置
• 给两个磁头的励磁绕组上通以频率相同、相位差900 的励磁电流，将会在磁头上产生磁通，当磁头靠近磁 性标尺时，磁性标尺上的磁信号产生的磁通经过磁头 铁心，并被励磁电流产生的磁通所调制，从而在两个 磁头的拾磁绕组中产生感应输出电压u1和u2。 • 合成电压u=u1+u2 • 合成电压u的相位随磁头相对于磁尺位移量x的变化而 变化。因此，根据合成电压u的相位θ 的变化，可以 测量出磁栅的位移量；相位的正负表示正反运动方向。
项目2 数控机床的位置检测装置
项目2 数控机床的位置检测装置
任务2.2 位置检测装置——光栅尺
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项目2 数控机床的位置检测装置
任务2.2 位置检测装置——光栅尺 • 数控机床中的光栅，根据光线在光栅中是反射
还是透射分为反射光栅和透射光栅。还可以按
形状分为圆光栅和长光栅。（2）圆光栅和长光栅分别检测的是什么位移？
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项目2 数控机床的位置检测装置 • 圆光栅用于测量
角位移，长光栅
用于测量直线位 移。目前，光栅
的制作精度通过
激光技术达到了 微米级，通过细 分电路可以做到 0.1μm甚至更高的 分辨率。
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项目2 数控机床的位置检测装置
尺身
尺身安装孔
读数头
（与移动部件固定）
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项目2 数控机床的位置检测装置
光栅在数控车床上的安装位置
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项目2 数控机床的位置检测装置
光栅在数控镗铣床上的安装位置
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项目2 数控机床的位置检测装置
任务2.3 其他位置检测装置简介
2.3.1 磁栅的介绍 • 一、磁栅结构 • 磁栅是一种利用电磁感应和录磁原理对位移进行检测 的装置。 • 磁栅由磁性标尺、拾磁磁头和检测电路组成。 • 按其结构可分为直线磁栅和圆形磁栅。 • 相对光栅而言，磁栅安装调整方便，对使用环境的条 件要求较低，在油污、粉尘较多的场合下使用有较好 的稳定性，常用于机床坐标轴的数字显示和数控机床 的位置检测。
可移动电缆
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项目2 数控机床的位置检测装置
1、光栅尺的结构
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项目2 数控机床的位置检测装置
2、光栅尺的工作原理
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项目2 数控机床的位置检测装置
莫尔条纹
莫尔条纹如何形成呢？
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项目2 数控机床的位置检测装置
• 当指示光栅和主光栅相对左右移动时，就会形成 上下移动且明暗相问的条纹，该条纹称为莫尔条 纹。莫尔条纹的方向与光栅线纹方向大致垂直， 两条莫尔条纹问的距离称为纹距W。 • 如果栅距为ω ，则有近似公式W= ω /θ , 当工作 台左右移动一个栅距ω 时，莫尔条纹向上或向下 移动一个纹距W。莫尔条纹由光敏器件接受，从而 产生电信号。电信号经读数头中的电子线路处理 后，输出脉冲信号。
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项目2 数控机床的位置检测装置
光栅使用特性小结：
● 由于光栅的刻线可以制作十分精确，同时莫尔条纹 对刻线局部误差有均化作用，因此，栅距误差对测量精度 影响较小。 ● 在检测过程中，标尺光栅与指示光栅不直接接触， 没有磨损，因而精度可以长期保持。 ● 光线刻线要求很精确，两光栅之间的间隙及倾斜角 都要求保持不变，制造调试比较困难。光学系统易受外界 的影响产生误差，同时又有灰尘、油、冷却液等污物的侵 入，易使光学系统变质。光栅使用棉花和高浓度酒精来清 洗，以免划伤光栅。
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项目2 数控机床的位置检测装置 2.3.2 感应同步器和旋转变压器
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项目2 数控机床的位置检测装置
(2)平均效应。 •莫尔条纹由许多明暗相间的条纹组成，如 100 条／ mm 的光栅， 10mm 宽的莫尔条纹就由 1000 条线纹组成， 这样对个别线纹的间距误差就不敏感，这在很大程 度上消除了栅距刻制不均匀造成的误差。
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项目2 数控机床的位置检测装置
（ 3 ）指示光栅随工作台运动方向改变时，莫尔条 纹的移动方向也呈规律变化。 • 指示光栅左移时，莫尔条纹向上移动；指示光栅 右移时，莫尔条纹向下移动。