5.1位置測量裝置的要求和分類在閉環(huán)系統(tǒng)中，輸出信號被返回與輸入信號相比較。因此，位置測量裝置需要閉環(huán)循環(huán)。位置測量裝置通常是旋轉(zhuǎn)或線性設備，并提供位置和速度信號。5.1.1位置測量裝置的要求為了確定一個機器零件在機床中的位置，位置反饋裝置是必須的，它每時每刻都對軸的當前位置和命令位置進行比較和控制。要選擇一個合適的測量系統(tǒng)機床建造者必須考慮各種標準。如：準確度和精確度，可靠性，導軌的長度，最大切削速度的要求，以及這樣一個系統(tǒng)的維修費用。這些都是選擇數(shù)控機床位置測量裝置的要求。（1）應最高的可靠性和最低測量次數(shù)。（2）滿足最高的精度要求和速度范圍。（3）方便測量裝置的安裝和維修。設備適應工作環(huán)境。（4）成本應該盡可能的低。5.1.2位置測量裝置的分類測量設備可以按以下幾種方式分類：直接和間接測量。增量式測量和絕對測量。數(shù)字與模擬測量5.1.2.1直接和間接測量直接測量系統(tǒng)位置測量系統(tǒng)直接連接在機床的導軌上或嵌入機床的入口處。它相對絲杠或驅(qū)動元件是獨立的（因此避免了和絲杠或驅(qū)動元件誤差的聯(lián)系）,但缺點是相對成本較高，因為必須保持整個測量長度。它還有一個更大的缺點就是在反饋環(huán)節(jié)中會引起機床內(nèi)部的共振。直接測量可以由線性測量設備機床提供,但是他們作為更高質(zhì)量產(chǎn)品的高精度測量裝置趨勢的要求正越來越受到顧客的歡迎。間接測量系統(tǒng)一個帶位置測量裝置的系統(tǒng)安裝在絲杠或機床的一部分驅(qū)動元件上。間接測量的優(yōu)點是成本低，在機床上的安裝更簡單，更容易維護。精度的要求可被絲杠和優(yōu)良設備上的反彈螺距誤差降低。間接系統(tǒng)通常配有旋轉(zhuǎn)位置測量裝置，例如分解器和編碼器。5.1.2.2增量式和絕對測量增量式測量系統(tǒng)在一個增量系統(tǒng)中，每個位移取決于其偏離基準的大小即當前位置的增加。增量系統(tǒng)的缺點是只能確定相對位置，所以以前的測量誤差會對以后所有的測量產(chǎn)生影響（累積誤差）。絕對測量系統(tǒng)在絕對坐標系統(tǒng)的所有測量數(shù)據(jù)都以一個固定的位置或中心的坐標為基準沒有提及之前坐標。電源故障（中段開始）后重新啟動更容易，積累誤差少。數(shù)字絕對測量裝置因其高分辨率而非常非常昂貴。5.1.2.3數(shù)字與模擬測量數(shù)字測量系統(tǒng)在數(shù)字系統(tǒng)中，位置或位移測量使用離散值。數(shù)字測量系統(tǒng)可以是增量（例如，光柵和增量編碼器）或絕對的（例如，絕對式編碼器）。數(shù)字信號更容易儲存，更可靠的傳輸和無差錯復制。數(shù)字測量系統(tǒng)無需單獨的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器。模擬測試系統(tǒng)在這個體系中，位移轉(zhuǎn)被換成另一種可以很容易地測量物理模擬。物理性質(zhì)類似的物體可能有著極為不同的本質(zhì)。模擬位置測量裝置可能是感應傳感器，其輸出連續(xù)位移的比例（如解析器和感應同步器）。模擬系統(tǒng)意味著一個信號，如電壓幅度表示一個軸的位置，換種方式說，我們用距離這個物理變量來表示電壓。一個特定的軌道將被一個電壓來模擬。模擬裝置通常更簡單，更穩(wěn)定并且更便宜。但是，這種測量提供移動物體的直觀顯示。模擬位移測量裝置，適合中小型數(shù)控機床。5.2編碼器編碼器可以測量角位置或角位移。它們可分為兩個主要類型：絕對式編碼器產(chǎn)生的代碼的價值是直接表示出絕對位置。增量編碼器產(chǎn)生同步變化的增加或減少的測量值。5.2.1絕對式編碼器絕對編碼器是一種旋轉(zhuǎn)測量裝置。在絕對式編碼器中，當系統(tǒng)被接通就可以立即對實際位置進行測量。絕對式編碼器有三種：電刷式，光學式和磁場式。用電刷式結(jié)構(gòu)作為一個例子。見例5.1。在灌木叢型編碼器中移動磁盤包含連接到一個共同的終端的導電部分和絕緣部分。當挑選電刷與導電部分發(fā)生接觸，就會產(chǎn)生一個關閉連接。帶有一個額外電刷的數(shù)字輸出的獨立部分被看作是帶電導軌上的一個普通連接。當刷正與絕緣部分連接會產(chǎn)生一個開放的連接。圖5.1顯示了一個四個軌道的圓盤。這是一個只利用0和1兩個數(shù)字的數(shù)字系統(tǒng)。編碼盤有四個軌道，對應四位二進制數(shù)，并且16片段最多提供16個數(shù)字號碼。位置由右至左的數(shù)字相當于2的冪，代表環(huán)數(shù)。例如，1011相當于。昏暗的地區(qū)磁盤上昏暗的地區(qū)，當被認為沿圓圈的任意半徑，代表獨特的二進制數(shù)字。四點分割的計算方法如下：111008212120210123。商業(yè)元件采用多達12軌道。一般情況下，對于一個n軌道磁盤的最大數(shù)量的上限，可以用402/360=05.22來表示；因此，對于一個n軌道圓盤，結(jié)果可被n2分解為：402/360。這些刷軸編碼器沒有內(nèi)部電路，并且可以工作的信號范圍很廣。但是，不可避免的，由于刷子或軌道磨損會導致相對較高的軸扭矩和使用壽命的減少。簡單二進制輸出的一個主要問題可能引起的是，由于刷子的輕微錯位改變從一個部分到另一個部分，一個跟蹤可能發(fā)生了變化，或者稍微領先或落后的其他軌道。一個簡單的二進制編碼的角編碼器會由于輸出狀態(tài)的變化而給出錯誤的讀數(shù)。作為一個例子，假設在圖5.2四軌道編碼器的編碼是從0111到1000。所有刷同時變化是不太可能，所以輸出可以0111-0000-1000或0111-1111-1000，或任何其他四位數(shù)字的組合。這意味著，一個短的時間內(nèi)錯誤的號碼將會被顯示出來。使用格雷碼光盤這個問題是可以克服的。在這個編碼，一個時間內(nèi)只有一個變化量，所以結(jié)果很明確。因為只有一個位的變化，距離碼作為單位經(jīng)常使用。圖5.3中了描述4位格雷碼的結(jié)構(gòu)和二進制轉(zhuǎn)換。例如二進制編碼1110相應的格雷碼是1001，其計算過程如下：100110101111。5.2.2增量編碼器增量式編碼器就是脈沖計數(shù)器。增量式編碼器是最簡單的位置測量裝置，但沒有像絕對編碼器那樣給出明確的位置。僅提供相對的信息。輸入脈沖必須清點編碼器包含一個安裝在軸上透明圓盤和帶有密集精確、明確的交替循環(huán)模式和以及圓盤周邊地區(qū)的不透明部分，這是圖5.4顯示的。光盤的一邊提供一個固定的光源。當磁盤旋轉(zhuǎn)，光周期性的打在光電管上，因而當盤緩慢沿邊緣上升和下降會產(chǎn)生一種在毫伏范圍內(nèi)的正弦輸出信號。這一信號被放大和反饋給一個可把其轉(zhuǎn)換為方波的整形電路。方波通過微分元件被改為短期脈沖。每一次光電管被遮擋都會產(chǎn)生一個脈沖信號。在每一次旋轉(zhuǎn)中所產(chǎn)生的脈沖數(shù)量是在磁盤上銘刻的行數(shù)的函數(shù)，并被稱為解析器。典型的磁盤可能含有200至18000環(huán)。增量式編碼器的軸驅(qū)動裝置在輸出端提供電脈沖。脈沖的數(shù)量決定于距離。脈沖計數(shù)可以用來確定在絲杠螺距可行的分解中線性軸和編碼器軸和絲杠之間的減速齒輪的位置。因而MISnx這里N是編碼器所發(fā)出的連續(xù)脈沖；S是絲杠螺距；M是每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)量；I是編碼和絲杠之間的減速齒輪。脈沖頻率和軸速度成正比。工作臺的速度，這通常指加工操作的進給速度，用如下方式得到脈沖頻率：MISf60這里V是工作臺速度；F是編碼器所發(fā)出的脈沖頻率。單脈沖輸出列作為方向不攜帶任何信息。旋轉(zhuǎn)的方向可能是使用有兩個相同的光電管的電編碼器同時讀取磁盤來確定的，使他們的輸出信號相對有一個90度的便宜，就像如圖5.5所示。第二光電管的輸出表示第一光電管輸出的正弦波的余弦。在實踐中一對光電管常被用來生產(chǎn)兩個信號。讓我們呼吁這兩個信號A和B。他們可以被整形為方波A1和B1。為順時針旋轉(zhuǎn)，讓我們說輸出格A1超前B190度。如果方向被扭轉(zhuǎn)，輸出B1將超前A190度。旋轉(zhuǎn)的方向可以由這兩個波反饋的外部邏輯電路確定。圖5.6顯示了一個方向鑒別器。其運作如下：信號A和A是兩個彼此相差180度的正弦波。信號B和B是兩個彼此相差180度的正弦波。這些波可以通過分整形器和放大器提供方波A和B。然后方波a和B就被與信號的B區(qū)別開了。如果原始的A1等于B1則與門Y2有輸出；因此，可能在一個時間只有一個輸出信號通過Y1或Y2輸出。順時針方向旋轉(zhuǎn)所顯示的“B1高和A1低”，與門Y1被用于反向減去。通過方向差別電路脈沖增加或減少的在計算中是可逆的。除了額外的索引脈沖可以利用，磁盤上還提供一個只包含一個明確的部分的單獨區(qū)域。索引脈沖可以提供一個明確的起點作為參考零，這數(shù)控機床是非常有益的。在許多應用中它可能被用于構(gòu)造一個增量編碼器作為裝置的一部分。增量編碼器，雖然價格低廉且簡單易行的，但確實有一些缺點。首先在電力供應中斷后位置測量通常會丟失（與以往正確裝置不同，并且不明確，當電力恢復后不能給出正確位置）。系統(tǒng)使用增量編碼器必須用某種方式建立一個計數(shù)可以重新開始的基準面。圖5.6方向鑒別器5.3光柵5.3.1光柵的原理光學光柵由兩個玻璃制成的透明尺構(gòu)成的。他們需要巧妙的交叉，或影象蝕刻或水氣沉積為間隔均勻、排列緊密一系列平行線。透明和黑線在寬度上可以相等。其中有個長的而其他都是短的。一般來說，長尺被叫做光柵尺并被安裝在可以動部分。短的被稱為指示光柵并被安裝在固定的部分。實際上，同時在指示光柵和光柵尺上出現(xiàn)的相同線條的間隔有20，50，100，250厘米等。圖5.7光學光柵測量系統(tǒng)如圖5.7光纖光柵測量系統(tǒng)包括一個光源，一個準直透鏡，光柵和光電管。固定的長光柵擴展至超過機床滑動導軌的長度，帶有一個指示光柵覆蓋在上面。除了光柵尺，其他單位被放在閱讀頭上。光學光柵的原理是著名的“莫爾條紋效應”。兩個尺按照一個非常小的角度Q彼此傾斜。這導致了它們之間的交叉點上的干涉效應。這種模式被稱為莫爾條紋（圖5.8）。圖5.8光學測量的原理莫爾條紋在實踐中，當導軌移動，兩尺上的線條就會發(fā)生移動，因此，條紋圖會垂直的穿過它們，與他們的移動方向取決于導軌的右（加）或左（減號）移動方向，如表5.1。一種深（輕）條紋產(chǎn)生在光柵的寬度上并且按照插圖所示的順序運動。表5.1莫爾條紋的移動方向和光柵的移動方向及的關系。莫爾條紋有以下特點:（1）成倍放大光柵間距。光的相互作用和指示光柵產(chǎn)生莫爾條紋的寬度W取決于和光柵間距P，如圖5.9所示。圖5.9W取決于P和W是莫爾條文寬度；是指示光柵斜角；P是光柵間距；一個主要問題，盡管為了解決斜度問題，因此，光電管頭需要變得非常小。莫爾條紋不需要非常小的光電管所以為這一問題提供了良好的解決方案。因此斜度通常被莫爾條紋所取代參，考圖5.8最好理