第二章数控系统(4节)

3．直线光栅检测电路
功用：将光敏元件和对应的驱动电路输出的4路模 拟电压信号（Ua、Ub、Uc、Ud）转换为数字脉冲 信号，并使每一个脉冲对应一个固定的位移量。
两种脉冲输出方式：
➢ 第一种方式是正向和反向位移所对应的脉冲分别由不同 的输出端输出，并分别称为正走脉冲和反走脉冲，适用 于采用可逆计数器对脉冲计数的场合；
光栅读数头：又叫光电转换器，可把光栅莫尔条纹变 为电信号；由光源，透镜、指示光栅(与标尺光栅结构相同， 但尺寸短，安装在不同部件上）、光敏元件和驱动线路组成。
透射：垂直入射读数头、分光读数头和镜像读数头。
反射：反射读数头。
垂直入射读数头的结构原理图
1
2
34 5
6
图2-18 光栅读数头结构原理
1--光源 2--透镜 3--标尺光栅 4--指示光栅 5--光敏元件 6--驱动电路
+ W P 2 sin 2
sin
22
WP
摩尔条纹具有误差均化作用；
摩尔条纹的移动方向与光栅尺的移动方向相垂
直，且两光栅尺相对移动一个栅距P，摩尔条 纹上下移动一个莫尔条纹宽度W 。
摩尔条纹信号的转换：
检测莫尔条纹的位移可间接获得两光栅尺的相对位移。
采用光敏元件及相应的驱动电路将光强度信号转换为 成比例的电压信号：
标尺光栅 亮带 暗带 W 亮带 W 暗带
指示光栅
θ P
Y I0
光敏元件 2I m
d
c
b
a
光强度I
W 3W/4 W /2 W /4
θ/2
亮带 P
θ
亮带
θ/2
θ/2
W
亮带
X 图2-19 直线光栅的莫尔条纹
莫尔条纹具有如下特性：
明暗相间的摩尔条纹光强分布近似余弦函数：
I
I0
Im
cos
2y
W
摩尔条纹具有放大作用：
若以圆光栅和指示光栅的a组线纹的透明条形区域完全重合时 刻为时间初始状态，则a组、b组、z狭缝处光敏元件输出的 信号波形如图2-23所示。
光电编码器检测电路用于对a组、b组、z狭缝处光敏元件的 输出信号进行驱动放大、整形等处理，其原理与前述的直线 光栅检测电路基本相同。
光 Ua
Ua
敏
元
件 Ub
Ub
检测装置的分类
按被测量的几何性质分直线型和回转型 按输出的检测信号分数字式和模拟式 按被测量是位置还是位移分绝对式增量式
二、直线光栅
物理光栅 ：刻线细而密，栅距(两刻线间的距 离)在0.002～0.005mm之间，主要用于光谱 分析和光波波长的测量。
计量光栅 ：刻线相对较粗，栅距在0.004～ 0.25mm之间，主要用于高精度位移的检测， 是数控进给伺服系统使用较多的一种检测装置。
U ac
t
t
A′
t
B′
t
A′
t
B′
t
U bd
t
C′
t
D′
t
PZ
t
PF
t
C′
t
D′
t
PZ
t
PF
t
b)
图2-20 光栅位移——数字变换电路
a) 电路原理图 b) 各点波形图
二、脉冲编码器
一种旋转式脉冲发生器，能把机械角位移变成电脉 冲信号，是数控机床伺服系统中使用很广的位移检 测装置，也可作为速度检测装置用于速度检测。
B
微分 B′ 反相 D 微分 D′
a) U ac
＆ A′B ＆ B′C ＆ C′D ＆ D′A
正走
脉冲 ≥1 PZ
＆ D′C ＆ C′B ＆ B′A ＆ A′D
反走
脉冲 ≥1 PF
U ac
a)
U ac
U ac
t
t
Ua
U bd
U bd
t
t
t
Ub
t
A
t
A
t
Uc
B
t
B
t
Ud
t
正C
走
时D
反
t
走C
t
时D
t t
第四节 位移与速度检测
一、概述
位移检测装置是闭环和半闭环控制的CNC系统的 重要组成部分
采用闭环或半闭环伺服系统的数控机床，加工精度 主要取决于位移检测装置的精度。
位移检测装置的精度指标主要有精度和分辨率两项。
在闭环（包括半闭环）伺服系统中，除位置检测外， 还需要检测并反馈执行部件的运动速度，构成速度 的闭环反馈控制。
脉冲编码器分光电式，接触式和电磁感应式三种。 数控机床伺服系统中主要使用光电式脉冲编码器。
常用的脉冲编码器分辨率有2000p/r、2500p/r和 3000p/r等，在高速、高精度数字伺服系统中，脉冲 编码器分辨率达20000p/r、25000p/r和30000p/r等。
1．光电脉冲编码器的结构
12
34
5 6 7 8 9 10
图2-21 光电脉冲编码器结构示意
1--外壳 2--电路板 3--光源 4--透镜 5--圆光栅 6--指示光栅 7--光敏元件
8--底座 9--轴 10--法兰
节） a组透光 面积最大
a组线纹 零位狭缝z
b组线纹
刻线中心
b组透光 面积减半
在U宽 U度0 W内U m，co每s 2隔wyπ/2放置或一个U光电U0元件U m，co共s 2放Px置4个，
则各元件输出的电压信号在相位上依次相差π/2，即：
Ua
U0
Um
cos
2v
P
t
Ub
U0
Um
cos
2v
P
t
2
Uc
U0
Um
cos
2πv P
t
π
Ud
U0
Um
cos 2v t 3
P 2
➢ 第二种方式是正向和反向位移所对应的脉冲都由同一个 输出端输出，位移的方向由一个控制端给出，适用于采 用带加减计数控制端的计器数对脉冲计数的场合。
a b c d
光敏元 件及驱 动电路
Ua Uc
差动 放大器
U ac 整形
A
C′ 反相 C 微分
A′ 微分
下降沿微分
Ub Ud
差动 放大器
U bd 整形
零位狭缝z
刻线半径R
n
图2-22 光电脉冲编码器圆光栅和指示光栅结构和工作原理
2．光电脉冲编码器的工作原理
平行光束透过圆光栅和指示光栅的线纹部分，照射到光敏元 件上，形成明暗相间的光照条纹。
当圆光栅旋转时，光照条纹总通光量呈现周期性变化，每转 过一个节距，总通光量变化一个周期。
圆光栅每旋转一周，其零位狭缝与指示光栅的零位狭缝重合 一次，该处的光敏元件相应产生一个呈余弦形状的脉冲信号。
标尺光栅
2．直线光栅的工作原理
莫尔条纹：两光栅尺平行放置，使刻线相对旋转一个 很小的角度θ，在光的照射下，在光栅尺的另一侧、 在与刻线垂直的方向上形成明暗交替的粗大条纹，即 莫尔条纹；当两光栅尺左右相对移动时，莫尔条纹上 下滚动。
莫尔条纹是由挡光效应或光的衍射形成的。
当栅距与光的波长接近时，莫尔条纹由光的衍射形成； 当栅距比光的波长大得多时，莫尔条纹由挡光效应形成。 计量光栅的莫尔条纹一般都基于挡光效应。
直线光栅：用于直线位移的检测 圆光栅：用于角位移的检测
……
1．直线光栅的结构和特点
按光路不同，直线光栅分透射光栅和反射光栅。
光栅检测装置：标尺光栅 + 光栅读数头
标尺光栅：
透射标尺光栅：光学玻璃；刻线平行，间距相等；光透射； 栅距P；常用线纹密度为100～250条/mm。
反射标尺光栅：钢尺或不锈钢带；光反射和漫射；常用的 刻线密度为25～50条/mm。
输
出 Uz
Uz
放大 、
整形 输出
A
A
B
B
Z
Z
正转时
反转时
图2-23 光电编码器输出信号波形
输出的方波信号A、B可进一步经位移— 数字变换电路进行处理，输出代表角位移和 旋转方向的正转脉冲和反转脉冲。
作业
2-13．何谓刀位点？何谓刀补？何谓刀补号、何谓刀 补值？
2-14．刀具位置补偿的作用和原理是什么？ 2-15．刀具长度补偿的作用和原理是什么？ 2-16．刀具半径补偿的作用是什么？ 2-20．试述C功能刀具半径补偿的执行过程。 2-24．简述莫尔条纹的性质。 2-25．总结直线光栅的工作原理。 2-26．说明直线光栅的4倍频辨向电路工作原理。