数控机床位置检测装置
合集下载
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
第3章数控机床的位置检测讲解
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。
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。
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
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。
数控机床对检测装置的主要要求
＝kUmcos（α－θ）sinωt 转子反转时，同理有：
U2＝kUmcos（α＋θ） sinωt
转子感应电压的幅值随转子的偏转角而变化。测量出 幅值可测出 转角。
6.2 旋转变压器 三、旋转变压器的应用
由角位移如何计主要算内直容线位移?
将旋转变压器安装在数控机床的丝杠上，当θ角从
0°变化到360°时，表示丝杠上的螺母走了一个导程， 就间接地测量了丝杠的直线位移（导程）的大小。
U 2Km U si n tsin
6.2 旋转变压器
使用较广泛的为正余弦旋转变压器
U1s
U1c
定子
主要内容 U 2kU 1ssinkU 1ccos
1c
θ
45°
R U2 转子
1ccos
1ssin
1s
6.2 旋转变压器
1．鉴相工作方式
给定子的两个绕组通以相同幅值、相同频率，但相位
差π/2的交流主激要磁内容电压
6.2 旋转变压器
旋转变压器的分类
按有无电刷分：接触式和无接触式两种；
主要内容
按极对数分：单对极和多对极；
按输出电压与转子转角间的函数关系分：正余弦旋 转变压器、线性旋转变压器、比例式旋转变压器以 及特殊函数旋转变压器等。
6.2 旋转变压器 6.2.1旋转变压器的结构
轴承
2
机壳
3
转子铁心
4
5
定子铁心
3
主要内容
1
8
变压器
5 6 47
数控机床主要使用无刷旋转变压器，无刷旋转变压器具 有输出信号大、可靠性高、寿命长及不用维修等优点。
6.2 旋转变压器
6.2.2 旋转变压器的工作原理
原理：电磁感应主要，内当容 定子加上一定频率的 激磁电压时，通过电 磁耦合，转子绕组产 生感应电势，其输出 电压的大小取决于定 子和转子两个绕组轴 线在空间的相对位置。
U2＝kUmcos（α＋θ） sinωt
转子感应电压的幅值随转子的偏转角而变化。测量出 幅值可测出 转角。
6.2 旋转变压器 三、旋转变压器的应用
由角位移如何计主要算内直容线位移?
将旋转变压器安装在数控机床的丝杠上，当θ角从
0°变化到360°时，表示丝杠上的螺母走了一个导程， 就间接地测量了丝杠的直线位移（导程）的大小。
U 2Km U si n tsin
6.2 旋转变压器
使用较广泛的为正余弦旋转变压器
U1s
U1c
定子
主要内容 U 2kU 1ssinkU 1ccos
1c
θ
45°
R U2 转子
1ccos
1ssin
1s
6.2 旋转变压器
1．鉴相工作方式
给定子的两个绕组通以相同幅值、相同频率，但相位
差π/2的交流主激要磁内容电压
6.2 旋转变压器
旋转变压器的分类
按有无电刷分：接触式和无接触式两种；
主要内容
按极对数分：单对极和多对极；
按输出电压与转子转角间的函数关系分：正余弦旋 转变压器、线性旋转变压器、比例式旋转变压器以 及特殊函数旋转变压器等。
6.2 旋转变压器 6.2.1旋转变压器的结构
轴承
2
机壳
3
转子铁心
4
5
定子铁心
3
主要内容
1
8
变压器
5 6 47
数控机床主要使用无刷旋转变压器，无刷旋转变压器具 有输出信号大、可靠性高、寿命长及不用维修等优点。
6.2 旋转变压器
6.2.2 旋转变压器的工作原理
原理：电磁感应主要，内当容 定子加上一定频率的 激磁电压时，通过电 磁耦合，转子绕组产 生感应电势，其输出 电压的大小取决于定 子和转子两个绕组轴 线在空间的相对位置。
数控原理与系统之位置检测装置
1000
1111
图6-6 a葛莱码盘
08
1 0000 1000
9
0001
1001
3 0011
11 1011
2 0010
1010 10
6 0110
1110 15
7 0111
1111 14
0101
1101
5
0100 1100
13
4 12
b 四位二进制码盘非单值性误差
第二节 光电编码器
图6-6为葛莱码盘，其各码道的数码不同时改变，任 何两个相邻数码间只有一位是变化的，每次只切换一位 数，把误差控制在最小范围内。二进制码转换成葛莱码 的法则是：将二进制码右移一位并舍去末位的数码，再 与二进制数码作不进位加法，结果即为葛莱码。
第二节 光电编码器
光电式脉冲编码器，它由光源、聚光镜、光电盘、 圆盘、光电元件和信号处理电路等组成（图6-1）。光电盘是用 玻璃材料研磨抛光制成，玻璃表面在真空中镀上一层不透光的铬， 然后用照相腐蚀法在上面制成向心透光窄缝。透光窄缝在圆周上 等分，其数量从几百条到几千条不等。圆盘也用玻璃材料研磨抛 光制成，其透光窄缝为两条，每一条后面安装有一只光电元件。 光电盘与工作轴连在一起 ，光电盘转动时，每转过一个缝隙就发 生一次光线的明暗变化，光电元件把通过光电盘和圆盘射来的忽 明忽暗的光信号转换为近似正弦波的电信号，经过整形、放大、 和微分处理后，输出脉冲信号。通过记录脉冲的数目，就可以测 出转角。测出脉冲的变化率，即单位时间脉冲的数目，就可以求 出速度。
第二节 光电编码器
光电脉冲编码器用于数字脉冲比较伺服系统(图6-4) 的工作原理如下：光电脉冲编码器与伺服电机的转轴连接，随着 电机的转动产生脉冲序列，其脉冲的频率将随着转速的快慢而升 降。若工作台静止，指令脉冲和反馈脉冲都为零，两路脉冲送入 数字脉冲比较器中进行比较，结果输出也为零。因伺服电机的速 度给定为零，工作台依然不动。随着指令脉冲的输出，指令脉冲 不为零，在工作台尚未移动之前，反馈脉冲仍为零，比较器输出 指令信号与反馈信号的差值，经放大后，驱动电机带动工作台移 动。电机运转后，光电脉冲编码器将输出反馈脉冲送入比较器， 与指令脉冲进行比较，如果偏差不为零，工作台继续移动，不断 反馈，直到偏差为零，即反馈脉冲数等于指令脉冲数时，工作台 停在指令规定的位置上。
1111
图6-6 a葛莱码盘
08
1 0000 1000
9
0001
1001
3 0011
11 1011
2 0010
1010 10
6 0110
1110 15
7 0111
1111 14
0101
1101
5
0100 1100
13
4 12
b 四位二进制码盘非单值性误差
第二节 光电编码器
图6-6为葛莱码盘，其各码道的数码不同时改变，任 何两个相邻数码间只有一位是变化的，每次只切换一位 数，把误差控制在最小范围内。二进制码转换成葛莱码 的法则是：将二进制码右移一位并舍去末位的数码，再 与二进制数码作不进位加法，结果即为葛莱码。
第二节 光电编码器
光电式脉冲编码器，它由光源、聚光镜、光电盘、 圆盘、光电元件和信号处理电路等组成（图6-1）。光电盘是用 玻璃材料研磨抛光制成，玻璃表面在真空中镀上一层不透光的铬， 然后用照相腐蚀法在上面制成向心透光窄缝。透光窄缝在圆周上 等分，其数量从几百条到几千条不等。圆盘也用玻璃材料研磨抛 光制成，其透光窄缝为两条，每一条后面安装有一只光电元件。 光电盘与工作轴连在一起 ，光电盘转动时，每转过一个缝隙就发 生一次光线的明暗变化，光电元件把通过光电盘和圆盘射来的忽 明忽暗的光信号转换为近似正弦波的电信号，经过整形、放大、 和微分处理后，输出脉冲信号。通过记录脉冲的数目，就可以测 出转角。测出脉冲的变化率，即单位时间脉冲的数目，就可以求 出速度。
第二节 光电编码器
光电脉冲编码器用于数字脉冲比较伺服系统(图6-4) 的工作原理如下：光电脉冲编码器与伺服电机的转轴连接，随着 电机的转动产生脉冲序列，其脉冲的频率将随着转速的快慢而升 降。若工作台静止，指令脉冲和反馈脉冲都为零，两路脉冲送入 数字脉冲比较器中进行比较，结果输出也为零。因伺服电机的速 度给定为零，工作台依然不动。随着指令脉冲的输出，指令脉冲 不为零，在工作台尚未移动之前，反馈脉冲仍为零，比较器输出 指令信号与反馈信号的差值，经放大后，驱动电机带动工作台移 动。电机运转后，光电脉冲编码器将输出反馈脉冲送入比较器， 与指令脉冲进行比较，如果偏差不为零，工作台继续移动，不断 反馈，直到偏差为零，即反馈脉冲数等于指令脉冲数时，工作台 停在指令规定的位置上。
数控机床位置检测装置课件
复合式位置检测装置
结合接触式和非接触式的特点，如激光扫描仪等。特点是 测量范围大、精度高、稳定性好。
数控机床位置检测装置的发展趋势和前景
01
高精度、高稳定性
随着制造业的发展，对数控机床的加工精度要求越来越高，因此位置检
测装置的高精度、高稳定性是未来的发展趋势。
02
智能化、自动化
随着工业4.0的发展，智能化、自动化是未来的发展方向，因此位置检
测装置的智能化、自动化也是未来的发展趋势。
03
多功能、复合化
为了满足复杂加工需求，位置检测装置的多功能、复合化也是未来的发
展趋势。如将长度、角度、表面粗糙度等多参数测量集成于一体，实现
复合化的测量技术。
02
数控机床位置检测装置的工作原理
感应同步器的工作原理及结构
总结词
感应同步器是利用电磁感应原理实现位移测量的装置。
编码器具有体积小、精度高、响 应速度快等优点。
定期检查编码器的电源和信号输 出是否正常，以及与主轴的连接
是否牢固。
若出现故障，应进行检修或更换 编码器。
磁栅尺的维护与检修
01
02
03
04
磁栅尺具有安装方便、价格较 低等优点。
保持磁栅尺的清洁，避免铁屑 、粉尘等杂质的干扰。
定期检查磁栅尺的磁条是否损 坏或脱落，以及信号输出是否
应用案例二：某型数控铣床的位置检测与控制
总结词
该型数控铣床采用了磁栅尺作为位置检测装置，具有高精度、高分辨率、高可靠 性等特点。
详细描述
该数控铣床采用了磁栅尺作为位置检测装置，具有高精度、高分辨率、高可靠性 等特点。磁栅尺通过磁场感应原理，能够实时监测机床的移动量和位置，为数控 系统提供准确的反馈信息，从而实现了高精度的加工和控制。
结合接触式和非接触式的特点，如激光扫描仪等。特点是 测量范围大、精度高、稳定性好。
数控机床位置检测装置的发展趋势和前景
01
高精度、高稳定性
随着制造业的发展，对数控机床的加工精度要求越来越高，因此位置检
测装置的高精度、高稳定性是未来的发展趋势。
02
智能化、自动化
随着工业4.0的发展，智能化、自动化是未来的发展方向，因此位置检
测装置的智能化、自动化也是未来的发展趋势。
03
多功能、复合化
为了满足复杂加工需求，位置检测装置的多功能、复合化也是未来的发
展趋势。如将长度、角度、表面粗糙度等多参数测量集成于一体，实现
复合化的测量技术。
02
数控机床位置检测装置的工作原理
感应同步器的工作原理及结构
总结词
感应同步器是利用电磁感应原理实现位移测量的装置。
编码器具有体积小、精度高、响 应速度快等优点。
定期检查编码器的电源和信号输 出是否正常，以及与主轴的连接
是否牢固。
若出现故障，应进行检修或更换 编码器。
磁栅尺的维护与检修
01
02
03
04
磁栅尺具有安装方便、价格较 低等优点。
保持磁栅尺的清洁，避免铁屑 、粉尘等杂质的干扰。
定期检查磁栅尺的磁条是否损 坏或脱落，以及信号输出是否
应用案例二：某型数控铣床的位置检测与控制
总结词
该型数控铣床采用了磁栅尺作为位置检测装置，具有高精度、高分辨率、高可靠 性等特点。
详细描述
该数控铣床采用了磁栅尺作为位置检测装置，具有高精度、高分辨率、高可靠性 等特点。磁栅尺通过磁场感应原理，能够实时监测机床的移动量和位置，为数控 系统提供准确的反馈信息，从而实现了高精度的加工和控制。
第五章 数控机床的位置检测装置 曼初宏
第四节 光栅测量装置
2.光栅读数头 (1)分光读数头 如图5-15所示，从光源Q发出的光，经过透镜L1照 射到光栅G1和G2上形成莫尔条纹。 (2)垂直入射读数头 这种读数头主要用于每毫米25～125条刻线的 玻璃透射光栅测量装置，如图5-16所示。
图5-15 分光读数头
第四节 光栅测量装置
(3)反射读数头
图5-26 鉴相式测量检测电路框图
2.鉴幅式测量检测电路
第六节 编码器测量装置
一、光电式编码器的结构 光电式编码器是一种光电脉冲发生器，其最初结构就是一种光电 盘。它由光源、聚光镜、光电盘、分度狭缝、光电元件、数模转 换和方向辨别电路及数字显示装置等组成，如所示。
图5-27 光电式编码器测量装置
第六节 编码器测量装置
第五节 磁栅测量装置
图5-20 带状磁尺
第五节 磁栅测量装置
(4)圆形磁尺
图5-22 圆形磁尺
第五节 磁栅测量装置
2.磁头
图5-23 单磁头结构
第五节 磁栅测量装置
图5-24 双磁头结构
第五节 磁栅测量装置
三、磁栅测量装置的工作方式 磁栅测量是模拟测量，必须和检测电路配合才能实施检测。根据检 测方法的不同，磁栅测量可分为鉴相式测量和鉴幅式测量两种工作 方式，其中以鉴相式测量方式应用较多。 1.鉴相式测量检测电路
第一节 位置检测装置概述
2.按检测信号的选取形式不同分类 (1)数字式测量装置 该装置将被测位移量转换为脉冲个数，即数字 形式来表示。 (2)模拟式测量装置 该装置将被测位移量转换为连续变化的模拟电 量来表示，如电压变化、相位变化等，因此可直接对被测量进行检 测，无需量化处理；在小量程内可实现较高精度的测量，可用于直 接测量和间接测量。 3.按测量的绝对值不同分类 (1)增量式测量装置 它只测量相对位移量(位移增量)，即每移动一 个测量单位就发出一个测量信号。 (2)绝对式测量装置 对于被测量的任意点的位置，均由一个固定的 零点计算起，每一被测点都有一个相应的测量值。
第三章 数控机床的位置检测
6
3.1.2 位置检测装置的分类
模拟式测量： 将被测量用连续变量来表示，如电压变化、相 位变化等。
主要用于小量程的测量，如感应同步器的一个
线距（2mm）内的信号相位变化等。
特点：
●直接测量被测的量，无需变换；
●在小量程内实现较高精度的测量，技术成熟。
7
增量式 ：只测量位移量。 测量单位为0.01mm，每移动
3.2.2 鉴相测量系统 相位工作方式：
供给滑尺的激磁信号为频率、幅值相同，相
位角相差90°的交流电压。
u s u m sin t uc u m cost
14
两绕组在定尺上的感生电压：
' U 2 kus cos kU m sin t cos
U kuc cos(
脉冲编码器38结构及工作原理信号处理装置信号处理装置码盘基片透镜光源光敏元件透光狭缝光源39光电码盘随被测轴一起转动在光源的照射下透过光电码盘和光欄板形成忽明忽暗的光信号光敏元件把此光信号转换成电信号通过信号处理装置的整形放大等处理后输出
第3章
数控机床的位置检测装置
● 感应同步器位置检测装置
● 旋转变压器位置检测装置
" 2
2
) kU m cos t sin
据线性叠加原理，定尺上感应的总电压：
U 2 U U kU m sin t cos kU m cos t sin
' 2 " 2
kU m sin(t )
说明： 上式建立了感生电压U2与相位
间的关系。
15
3.2.2 鉴相测量系统
30
莫尔条纹的特点
1）放大作用 2）平均效应
3.1.2 位置检测装置的分类
模拟式测量： 将被测量用连续变量来表示，如电压变化、相 位变化等。
主要用于小量程的测量，如感应同步器的一个
线距（2mm）内的信号相位变化等。
特点：
●直接测量被测的量，无需变换；
●在小量程内实现较高精度的测量，技术成熟。
7
增量式 ：只测量位移量。 测量单位为0.01mm，每移动
3.2.2 鉴相测量系统 相位工作方式：
供给滑尺的激磁信号为频率、幅值相同，相
位角相差90°的交流电压。
u s u m sin t uc u m cost
14
两绕组在定尺上的感生电压：
' U 2 kus cos kU m sin t cos
U kuc cos(
脉冲编码器38结构及工作原理信号处理装置信号处理装置码盘基片透镜光源光敏元件透光狭缝光源39光电码盘随被测轴一起转动在光源的照射下透过光电码盘和光欄板形成忽明忽暗的光信号光敏元件把此光信号转换成电信号通过信号处理装置的整形放大等处理后输出
第3章
数控机床的位置检测装置
● 感应同步器位置检测装置
● 旋转变压器位置检测装置
" 2
2
) kU m cos t sin
据线性叠加原理，定尺上感应的总电压：
U 2 U U kU m sin t cos kU m cos t sin
' 2 " 2
kU m sin(t )
说明： 上式建立了感生电压U2与相位
间的关系。
15
3.2.2 鉴相测量系统
30
莫尔条纹的特点
1）放大作用 2）平均效应
数控机床对检测装置的主要要求和分类
数控机床对检测装置的主要要求和分类
位置检测装置的组成：位置检测装置由检测元件（传感器）和信号处理装置组成。
位置检测装置的作用：实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换成位置掌握单元所要求的信号形式。
是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。
闭环和半闭环数控机床的加工精度在很大程度上由位置检测装置的精度打算，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，必需细心选择位置检测装置。
位置检测装置的精度：系统精度和辨别率。
1、数控机床对检测装置的主要要求
（1）受温、湿度影响小，工作牢靠，抗干扰力量强；
（2）在机床移动范围内满意精度和速度要求；
（3）使用维护便利，适合机床运行环境；
（4）成本低；
（5）易于实现高速的动态测量。
2、位置检测装置分类
数控系统中的检测装置分为位移、速度和电流三种类型。
（1）安装的位置及耦合方式——直接测量和间接测量；
（2）测量方法——增量型和肯定型；
（3）检测信号的类型——模拟式和数字式；
（4）运动型式——回转型和直线型；
（5）信号转换的原理——光电效应、光栅效应、电磁感应原理、压电效应、压阻效应和磁阻效应等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
图6-7 接触式码盘结构及工作原理
第三节 光栅测量装置
按光路分反射光栅和透射光栅 反射光栅：
优点：膨胀系数与机床材料一致，安装调整方便，可用钢带做成 长达数米的长光栅，适于大位移测量的场合 缺点：为了使反射后的莫尔条纹反差较大，每mm内线纹不宜过 多，常用的有4、10、25、40、50
磁通响应型磁头：根据数控机床的要求，为了在低速
运动和静止时也能进行位置检测，必须采用磁通响应型 磁头。
磁通响应型磁头
二 磁头
励磁绕组在一个周期内可使铁芯饱和两次，铁芯材料饱和
后，磁阻很大，磁路被阻断；铁芯材料非饱和时，磁阻减小， 磁路开通。可见，励磁绕组的作用相当于磁开关，只要有周 期变化的励磁电流存在，输出绕组的磁路中磁通量产生周期 变化，输出绕组输出电压信号为
按光路分为分光式、直射式、反射式
读数头 a）分光式 b）直射式 c）反光式
四 等倍透镜系统
两光栅间距很小，如安装不准确，就不能得到正确信号，
因此在实际应用中采用了等倍透镜系统。
等倍透镜系统
第四节 磁栅测量装置
磁栅位置检测装置是用磁性标尺代替光栅，用 电磁方法计数磁波数目的一种测量方法。磁栅 位置检测装置是由磁性标尺、磁头和检测电路 组成。
P P W sin
(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。 (3) 信息变换作用。莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例。
一 光栅测量的工作原理
光栅测量 1-标尺光栅 2-指示光栅 3-光电接收器 4-光源
莫尔条纹示意图
W ≈ P /θ
在光源的照射下，交叉点附近的区域内黑线重叠，透明区域变大， 挡光效应最弱，透光的累积使该区域出现亮带；而距交叉点越远 的区域，两光栅不透明黑线的重叠部分越少，黑线的挡光效应增 强，该区域出现暗带。 这种明暗相间与光栅线纹几乎垂直的条纹称为莫尔条纹。莫尔 条纹具有以下特点： （1）放大作用。当两光栅尺线纹之间的夹角 θ很小时，莫尔条 纹的节距W和栅距P之间的关系为
缺点：
由于测量装置输出的是脉冲，只能反应有没有移动，不能表示移
动方向，因此必须有方向判别电路判别移动方向
一旦计数有误，此后结果全错 若发生故障(如断电、断刀等)，事故排除后再也找不到正确位置
三 检测装置的常用类型
（2）绝对式
原理：对于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 优点：测量装置的输出能够代表移动件当前的实际位置(坐标 值)，移动的方向靠当前值和历史记忆取得，后续处理方便 缺点：结构复杂、制作精度没有增量式的高
二 编码盘测量装置
C4 C3 C2 C1
码盘角分辨率θ = 360°/ 2n
二进制码盘
葛莱码盘
二 编码盘测量装置
工作原理：黑的部分为
导电部分表示1，白的部 分为绝缘部分表示0，四 个码道都装有电刷，最里 一圈是公共极。由于四个 码道产生四位二进制数，
码盘每转一周产生
0000~1111十六个二进制 数，编码代表实际角位移， 知道了编码就知道了角位 移。
第二节 增量式光电编码器和绝对式编码盘
一 增量式编码器
1 2 3 4 5
7
6
一 增量式光电编码器工作原理
增量式光电编码器工作原理图
光电脉冲编码器的工作原理 当圆光栅旋转时，光线透过两个光栅的线纹部分，形成明暗相 间的条纹。光敏元件接收这些明暗相间的光信号，并转换为交替 变化的电信号。该信号为两组近似于正弦波的电流信号A和B，A信 号和B信号相位相差90°，经过放大和整形变成方波，如图所示。 通过两个光栅的信号，还有一个“一转脉冲” ( 一转发出一个脉 冲)，称为Z相脉冲，该脉冲也是通过上述处理得来的。Z相脉冲用 来产生机床的基准点，该脉冲以差动形式Z和 (Z的反相)输出。 从图可看出，根据信号A和信号B的发生顺序，即可判断光电编码 器轴的正反转。若A相超前于B相，则为正转；若B相超前于A相， 则为反转。数控系统正是利用这一相位关系来判断方向的。
从速度上讲 进给速度已从10~30m／min提高到60~120m／min
主轴转速也达到10000r／min，有些高达100000r/min
因此要求检测装置必须满足数控机床高精度和高速度的要求。
二 数控机床对检测装置的要求
(2)工作可靠 有较强的抗干扰能力，外界温湿度的变化对
测量结果的影响要小。
似余弦函数。
3)信号处理 光栅输出的信号有两种：一种是正弦波信号；另一种是
方波信号。
（ 1 ）倍频处理。正弦波输出有电流型和电压型，对正 弦波输出信号需经过差动放大、整形及倍频处理后得到脉冲 信号。倍频可提高光栅的分辨精度，如 5 倍频、 10 倍频等。 如原光栅线纹为 50 条／ mm ，经 5 倍频处理后，相当于将线纹 密度提高到 250 条／ mm 。图所示为 HEIDENHAIN 光栅电流型 输出信号经5倍频处理后的信号波形。
一 工作原理
磁性标尺是在非导磁材料的基体上，涂敷或镀上一层 很薄的磁膜(导磁材料)，在磁膜上利用录磁原理，用录磁磁 头记录一定波长的矩形波或正弦波，以此作为测量的基准刻
度，磁化信号的节距(周期)一般有0.05、0.10、0.20、1mm等
二 磁头
1 读取磁头
磁头是进行磁电转换的变换器，它把反映空间位置的磁信号输 送到检测电路中去。 速度响应型磁头：只有在磁头和磁带之间有一定相对运动速度 时，才能检测出磁化信号，磁头输出电压幅值与磁通变化率成 比例，这种磁头只能用于动态测量。如普通录音机
系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都有一定困难。且测量元件一般安装 到工作台上，测量元件应与导轨等长，这造成测量元件造价较高，使用维护较困难。
二 数控机床对检测装置的要求
(1)满足数控机床的精度和速度要求
从精度上讲 某些数控机床的定位精度已达到±0.0015mm／300m 一般数控机床精度要求在± 0.002~0.01mm／m之间 测量系统的分辨率在0.001~0.0001mm之间
（2)测量精度取决于测量单位，与量程基本无关(当然也有积累 误差)；
（3)测量装置比较简单，抗干扰能力强。
模拟式测量是将被测量用连续的变量 ( 如相位变化、电压幅 值变化 ) 来表示的。在数控机床上，模拟式测量主要用于小量程 的测量，例如感应同步器的一个线距内的信号相位变化等。
模拟式测量的特点是： （1)直接测量被测量，无须变换； （2)在小量程内可以实现高精度测量，如旋转变压器、感应同 步器等
三 检测装置的常用类型
1．数字式测量和模拟式测量 数字式测量是将被测量单位量化以后用数字形式来表示的。数 字测量的输出信号一般是电脉冲，可以把它直接送到数控装置 (计算机)进行比较、处理。光栅位移测量装置就是典型的检测装 置。数字式测量的特点是： （1）被测量转化成脉冲个数，便于显示和处理；
透射光栅：
优点：光电元件直接接受光照，信号幅值大， 信噪比好，光电转 换器结构简单，如线性密度200线/mm 缺点：玻璃易破裂，膨胀系数与机床材料不一致，影响测量精度， 测量长度在2m以内
第三节 光栅测量装置
按其结构形式分为长光栅和圆光栅
长光栅：测量直线位移 圆光栅：测量角位移
按线纹密度分粗光栅和细光栅
(3)便于安装和维护 测量装置有一定的安装精度要求，安
装精度要合理。考虑到检测装置的使用环境，整个检测装 置要求有较好的防尘、防油雾、防切屑等措施。
三 检测装置的常用类型
表 常用测量装置类型 分 类 光电式 增量式 绝对式
编码盘
电磁式 增量式
旋转变压器 圆盘感应同步器
绝对式
多极旋转变压器 三速圆感应同步器
第四部分 数控机床的位置检测装置
第一节
对数控机床位置检测装置的要求
数控装置
伺服系统
传动装置
机
床
检测装置
伺服系统是机床的驱动部分，计算机输出的控制 信息通过伺服系统和传动装置变成机床运动。位置检 测装置是数控机床伺服系统的重要组成部分，其作用 是检测位移和速度，发送反馈信号，并与数控装置发 出的指令信号比较，若有偏差，则经过放大后控制执 行部件向着消除偏差的方向运动，直至偏差为零。
光栅测量系统简图
二 光栅测量装置的数字变换线路
微 A' 分 微 C' 分
Y1 A'B Y2 AD' Y3 C'D Y4 B'C Y5 BC' Y6 AB' Y7 A'D Y8 CD' H1
正向脉冲
sin cos
正向 反向
差 动 放大器
sin
整 形
P1 P2 P3 P4 硅光 电池
sin A 反 C 相
在光电编码器的里圈还有一条透光条纹 Ｃ，每转产生一个零位脉冲信号。在进 给电动机所用的光电编码器上，零位脉 冲用于精确确定机床的参考点，而在主 轴电动机上，则可用于主轴准停以及螺 纹加工等。
一 增量式光电编码器
光电输出波形和信号处理线路的方块图
一 增量式光电编码器
2 位置和转速测量
（1）位置测量
当光栅向左或向右移动一个栅距 P 时，莫尔条纹也相应地向上 或向下准确地移动一个节距 W 。根据光栅栅距的位移和莫尔条
纹位移的对应关系，只要测量出莫尔条纹移过的距离，就可以得
出光栅移动的微小距离。 （4）光强分布规律。当用平行光束照射光栅时，就会形成明、暗
第三节 光栅测量装置
按光路分反射光栅和透射光栅 反射光栅：
优点：膨胀系数与机床材料一致，安装调整方便，可用钢带做成 长达数米的长光栅，适于大位移测量的场合 缺点：为了使反射后的莫尔条纹反差较大，每mm内线纹不宜过 多，常用的有4、10、25、40、50
磁通响应型磁头：根据数控机床的要求，为了在低速
运动和静止时也能进行位置检测，必须采用磁通响应型 磁头。
磁通响应型磁头
二 磁头
励磁绕组在一个周期内可使铁芯饱和两次，铁芯材料饱和
后，磁阻很大，磁路被阻断；铁芯材料非饱和时，磁阻减小， 磁路开通。可见，励磁绕组的作用相当于磁开关，只要有周 期变化的励磁电流存在，输出绕组的磁路中磁通量产生周期 变化，输出绕组输出电压信号为
按光路分为分光式、直射式、反射式
读数头 a）分光式 b）直射式 c）反光式
四 等倍透镜系统
两光栅间距很小，如安装不准确，就不能得到正确信号，
因此在实际应用中采用了等倍透镜系统。
等倍透镜系统
第四节 磁栅测量装置
磁栅位置检测装置是用磁性标尺代替光栅，用 电磁方法计数磁波数目的一种测量方法。磁栅 位置检测装置是由磁性标尺、磁头和检测电路 组成。
P P W sin
(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。 (3) 信息变换作用。莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例。
一 光栅测量的工作原理
光栅测量 1-标尺光栅 2-指示光栅 3-光电接收器 4-光源
莫尔条纹示意图
W ≈ P /θ
在光源的照射下，交叉点附近的区域内黑线重叠，透明区域变大， 挡光效应最弱，透光的累积使该区域出现亮带；而距交叉点越远 的区域，两光栅不透明黑线的重叠部分越少，黑线的挡光效应增 强，该区域出现暗带。 这种明暗相间与光栅线纹几乎垂直的条纹称为莫尔条纹。莫尔 条纹具有以下特点： （1）放大作用。当两光栅尺线纹之间的夹角 θ很小时，莫尔条 纹的节距W和栅距P之间的关系为
缺点：
由于测量装置输出的是脉冲，只能反应有没有移动，不能表示移
动方向，因此必须有方向判别电路判别移动方向
一旦计数有误，此后结果全错 若发生故障(如断电、断刀等)，事故排除后再也找不到正确位置
三 检测装置的常用类型
（2）绝对式
原理：对于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 优点：测量装置的输出能够代表移动件当前的实际位置(坐标 值)，移动的方向靠当前值和历史记忆取得，后续处理方便 缺点：结构复杂、制作精度没有增量式的高
二 编码盘测量装置
C4 C3 C2 C1
码盘角分辨率θ = 360°/ 2n
二进制码盘
葛莱码盘
二 编码盘测量装置
工作原理：黑的部分为
导电部分表示1，白的部 分为绝缘部分表示0，四 个码道都装有电刷，最里 一圈是公共极。由于四个 码道产生四位二进制数，
码盘每转一周产生
0000~1111十六个二进制 数，编码代表实际角位移， 知道了编码就知道了角位 移。
第二节 增量式光电编码器和绝对式编码盘
一 增量式编码器
1 2 3 4 5
7
6
一 增量式光电编码器工作原理
增量式光电编码器工作原理图
光电脉冲编码器的工作原理 当圆光栅旋转时，光线透过两个光栅的线纹部分，形成明暗相 间的条纹。光敏元件接收这些明暗相间的光信号，并转换为交替 变化的电信号。该信号为两组近似于正弦波的电流信号A和B，A信 号和B信号相位相差90°，经过放大和整形变成方波，如图所示。 通过两个光栅的信号，还有一个“一转脉冲” ( 一转发出一个脉 冲)，称为Z相脉冲，该脉冲也是通过上述处理得来的。Z相脉冲用 来产生机床的基准点，该脉冲以差动形式Z和 (Z的反相)输出。 从图可看出，根据信号A和信号B的发生顺序，即可判断光电编码 器轴的正反转。若A相超前于B相，则为正转；若B相超前于A相， 则为反转。数控系统正是利用这一相位关系来判断方向的。
从速度上讲 进给速度已从10~30m／min提高到60~120m／min
主轴转速也达到10000r／min，有些高达100000r/min
因此要求检测装置必须满足数控机床高精度和高速度的要求。
二 数控机床对检测装置的要求
(2)工作可靠 有较强的抗干扰能力，外界温湿度的变化对
测量结果的影响要小。
似余弦函数。
3)信号处理 光栅输出的信号有两种：一种是正弦波信号；另一种是
方波信号。
（ 1 ）倍频处理。正弦波输出有电流型和电压型，对正 弦波输出信号需经过差动放大、整形及倍频处理后得到脉冲 信号。倍频可提高光栅的分辨精度，如 5 倍频、 10 倍频等。 如原光栅线纹为 50 条／ mm ，经 5 倍频处理后，相当于将线纹 密度提高到 250 条／ mm 。图所示为 HEIDENHAIN 光栅电流型 输出信号经5倍频处理后的信号波形。
一 工作原理
磁性标尺是在非导磁材料的基体上，涂敷或镀上一层 很薄的磁膜(导磁材料)，在磁膜上利用录磁原理，用录磁磁 头记录一定波长的矩形波或正弦波，以此作为测量的基准刻
度，磁化信号的节距(周期)一般有0.05、0.10、0.20、1mm等
二 磁头
1 读取磁头
磁头是进行磁电转换的变换器，它把反映空间位置的磁信号输 送到检测电路中去。 速度响应型磁头：只有在磁头和磁带之间有一定相对运动速度 时，才能检测出磁化信号，磁头输出电压幅值与磁通变化率成 比例，这种磁头只能用于动态测量。如普通录音机
系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都有一定困难。且测量元件一般安装 到工作台上，测量元件应与导轨等长，这造成测量元件造价较高，使用维护较困难。
二 数控机床对检测装置的要求
(1)满足数控机床的精度和速度要求
从精度上讲 某些数控机床的定位精度已达到±0.0015mm／300m 一般数控机床精度要求在± 0.002~0.01mm／m之间 测量系统的分辨率在0.001~0.0001mm之间
（2)测量精度取决于测量单位，与量程基本无关(当然也有积累 误差)；
（3)测量装置比较简单，抗干扰能力强。
模拟式测量是将被测量用连续的变量 ( 如相位变化、电压幅 值变化 ) 来表示的。在数控机床上，模拟式测量主要用于小量程 的测量，例如感应同步器的一个线距内的信号相位变化等。
模拟式测量的特点是： （1)直接测量被测量，无须变换； （2)在小量程内可以实现高精度测量，如旋转变压器、感应同 步器等
三 检测装置的常用类型
1．数字式测量和模拟式测量 数字式测量是将被测量单位量化以后用数字形式来表示的。数 字测量的输出信号一般是电脉冲，可以把它直接送到数控装置 (计算机)进行比较、处理。光栅位移测量装置就是典型的检测装 置。数字式测量的特点是： （1）被测量转化成脉冲个数，便于显示和处理；
透射光栅：
优点：光电元件直接接受光照，信号幅值大， 信噪比好，光电转 换器结构简单，如线性密度200线/mm 缺点：玻璃易破裂，膨胀系数与机床材料不一致，影响测量精度， 测量长度在2m以内
第三节 光栅测量装置
按其结构形式分为长光栅和圆光栅
长光栅：测量直线位移 圆光栅：测量角位移
按线纹密度分粗光栅和细光栅
(3)便于安装和维护 测量装置有一定的安装精度要求，安
装精度要合理。考虑到检测装置的使用环境，整个检测装 置要求有较好的防尘、防油雾、防切屑等措施。
三 检测装置的常用类型
表 常用测量装置类型 分 类 光电式 增量式 绝对式
编码盘
电磁式 增量式
旋转变压器 圆盘感应同步器
绝对式
多极旋转变压器 三速圆感应同步器
第四部分 数控机床的位置检测装置
第一节
对数控机床位置检测装置的要求
数控装置
伺服系统
传动装置
机
床
检测装置
伺服系统是机床的驱动部分，计算机输出的控制 信息通过伺服系统和传动装置变成机床运动。位置检 测装置是数控机床伺服系统的重要组成部分，其作用 是检测位移和速度，发送反馈信号，并与数控装置发 出的指令信号比较，若有偏差，则经过放大后控制执 行部件向着消除偏差的方向运动，直至偏差为零。
光栅测量系统简图
二 光栅测量装置的数字变换线路
微 A' 分 微 C' 分
Y1 A'B Y2 AD' Y3 C'D Y4 B'C Y5 BC' Y6 AB' Y7 A'D Y8 CD' H1
正向脉冲
sin cos
正向 反向
差 动 放大器
sin
整 形
P1 P2 P3 P4 硅光 电池
sin A 反 C 相
在光电编码器的里圈还有一条透光条纹 Ｃ，每转产生一个零位脉冲信号。在进 给电动机所用的光电编码器上，零位脉 冲用于精确确定机床的参考点，而在主 轴电动机上，则可用于主轴准停以及螺 纹加工等。
一 增量式光电编码器
光电输出波形和信号处理线路的方块图
一 增量式光电编码器
2 位置和转速测量
（1）位置测量
当光栅向左或向右移动一个栅距 P 时，莫尔条纹也相应地向上 或向下准确地移动一个节距 W 。根据光栅栅距的位移和莫尔条
纹位移的对应关系，只要测量出莫尔条纹移过的距离，就可以得
出光栅移动的微小距离。 （4）光强分布规律。当用平行光束照射光栅时，就会形成明、暗