第 三 章 数控机床的位置检测

1. 第三章 数控机床的位置检测

2. 第三章 数控机床的位置检测 提 要 本章主要介绍数控机床的位置检测装置作用及分类，讲解光栅尺和脉冲编码器的结构、工作原理及其应用。 学时：2学时

3. 第三章 数控机床的位置检测 目 标 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 及应用。

4. 第三章 数控机床的位置检测 建 议 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、工作原理。

5. 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。 • 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。

6. 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。 数控机床对位置检测装置的要求：

7. 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。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。

8. 模拟式 数字式 直线感应同步器、长光栅、 长磁栅、激光干涉仪 直线型 从检测的信号分 回转型 旋转变压器、圆感应同步器、 圆光栅、圆磁栅、编码盘 2．检测传感器分类 旋转变压器、感应同步器 从传感器 输出信号分 光栅检测装置、脉冲编码盘

9. 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。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。 3．检测元件的特点 • 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。

10. 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。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。

11. 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。

12. 表3-1 数控机床检测装置分类

13. 将被测量以数字形式表示，测量量一般为电脉冲。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。 数字式测量 模拟式测量 增量式测量 绝对式测量 直接测量 间接测量 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。 测量方式 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。

14. 光电盘 圆光栅 增量式 绝对式 数字式 模拟式 －数码盘 多级同步分解器 同步分解器组件 三重式圆感应同步器 测角 测长 增量式 绝对式 增量式 绝对式 增量式 绝对式 数字式 模拟式 位置检测装置 同步分解器 圆感应分解器 磁盘 直线感应分解器 磁尺 －长光栅 －多通道透射光栅 －多重式直线感应同步器

15. 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。

16. 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。

17. 光栅位置检测装置 包括标尺光栅和指示光栅. 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。

18. 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。

19. 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。

20. 光栅位置检测装置 • 光栅检测装置的结构 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

21. 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

22. 标尺光栅 θ 莫尔条纹

23. 　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。　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。

24. 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。 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。 (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。

25. 摩尔条纹 光栅倾角 光栅节距 标尺光栅 指示光栅 作用： 放大作用 误差均化作用 测量位移 摩尔条纹节距 d θ W

26. 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。 (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。

27. 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。

28. O 亮度 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

29. 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。

30. 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。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。

31. 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：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。

32. 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。

33. 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。

34. 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。

35. 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，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， 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。

36. sin a cos 插动放大 整形 正脉冲 b A 方向 辨别 门 电路 可逆 计数 c B d C 插动放大 整形 反脉冲 D A’ B’ (sin) 微分 Y1 A’ C’ 正走 A 插动放大 整形 Y2 a H1 D’ 反向 微分 Y3 b C C’ 正向脉冲 相加 Y4 c 微分 A’ Y5 B B’ H2 d 插动放大 整形 Y6 反向脉冲 B’ 反向 微分 Y7 (cos) D’ C’ 反走 D Y8 D’ 相加 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

37. 与门 -- 微分 Y1 差动 放大器 A 或门H1 Y2 a) 原理电路图 整形 C P1 反相 微分 Y3 P2 Y4 P3 微分 Y5 P4 B 或门H2 差动 放大器 Y6 整形 D 微分 Y7 反相 Y8

38. sin cos A B C D A′ B′ C′ D′ 正向 相加A′B+AD′+C′D+B′C 反向 相加BC′+CD′+A′D+AB′ b) 波形图 图3-7 四倍频辨向电路

39. 4．光栅的特点及应用 光栅检测装置的特点如下： • 精度比较高。一是光栅本身线纹的精度就很高；二是由于干涉条纹是由许多线纹所组成，因此有误差平均的作用。又由于采用倍频线路，分辨率较高。因此多用于精密位移测量。 • 对于直线位移的检查，若长度大于2m，可采用透射光栅接长的办法，但技术上困难些。 • 对环境的要求较高，要用保护罩防尘、防液，且不能振动，因此其维护保养极为重要。 • 制造上需要精密设备，价格较贵。

40. 第三节 脉冲编码器 • 脉冲编码器又称码盘，是一种回转式数字测量元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。 • 根据内部结构和检测方式码盘可分为接触式、光电式和电磁式三种。其中，光电码盘在数控机床上应用较多，而由霍尔效应构成的电磁码盘则可用作速度检测元件。

41. 光电编码器的构成 光源、指示光栅、圆光栅、光电元件。

42. 脉冲编码器的分类与结构 1 2 3 4 5 脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转角变成电脉冲，可作为位置检测和速度检测装置。 脉冲编码器是一种增量检测装置，它的型号是由每转发出的脉冲数来区分。2000P/r、2500 P/r和3000 P/r等； 7 6 图3-8 光电脉冲编码器的结构 1-光源 2-圆光栅 3-指示光栅 4-光电池组 5-机械部件 6-护罩 7-印刷电路板

43. 一、绝对式编码器 绝对式编码器是一种旋转式检测装置，可直接把被测转角用数字代码表示出来，且每一个角度位置均有其对应的测量代码，它能表示绝对位置，没有累积误差，电源切除后，位置信息不丢失，仍能读出转动角度。

44. 23 22 21 20 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 • 结构和工作原理 • 码盘基片上有多圈码道，且每码道的刻线数相等； • 对应每圈都有光电传感器； • 输出信号的路数与码盘圈数成正比； • 检测信号按某种规律编码输出，故可测得被测轴的周向绝对位置。

45. 图3-9 四位二进制编码盘

46. 当检测对象带动码盘一起转动时，电刷和码盘的相对位置发生变化，与电刷串联的电阻将会出现有电流通过或没有电流通过两种情况。若回路中的电阻上有电流通过，为“1”；反之，电刷接触的是绝缘区，电阻上无电流通过，为“0”。如果码盘顺时针转动，就可依次得到按规定编码的数字信号输出，图示为4位二进制码盘，根据电刷位置得到由“1”和“0”组成的二进制码，输出为0000、0001、0010……1111。

47. 由图3-9可看出，码道的圈数就是二进制的位数，且高位在内，低位在外。其分辨角θ＝360o/24=22.5o，若是n位二进制码盘，就有n圈码道，分辨角θ＝360o/2n，码盘位数越大，所能分辨的角度越小，测量精度越高。由图3-9可看出，码道的圈数就是二进制的位数，且高位在内，低位在外。其分辨角θ＝360o/24=22.5o，若是n位二进制码盘，就有n圈码道，分辨角θ＝360o/2n，码盘位数越大，所能分辨的角度越小，测量精度越高。 用二进制代码做的码盘，如果电刷安装不准，会使得个别电刷错位，而出现很大的数值误差。如图3-10，当电刷由位置0111向1000过渡时，可能会出现从8（1000）到15（1111）之间的读数误差，一般称这种误差为非单值性误差。为消除这种误差，可采用葛莱码盘。

48. 图3-11 葛莱码盘 图3-10 四位二进制码盘非单值性误差

49. 图3-11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。图3-11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。 例如，二进制码1101对应的葛莱码为1011，其演算过程如下： 1101 （二进制码） 1101 （不进位相加，舍去末位） 1011 （葛莱码）

50. 23 22 21 20 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 • 绝对编码盘的编码方式及特点 • 二进制编码： • 特点：编码循序与位置循序相一致，但可能产生非单值性误差。 • 误差分析： • 1000 1111