1、第五章 位置檢測裝置2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕5.1 概述l常用的檢測裝置有旋轉變壓器、感應同步器、編碼器、光常用的檢測裝置有旋轉變壓器、感應同步器、編碼器、光柵、磁柵等。柵、磁柵等。l位置檢測裝置的作用位置檢測裝置的作用: :是檢測位移（線位移或角位移）和是檢測位移（線位移或角位移）和速度，發送反饋信號至數控裝置，構成伺服系統的閉環或速度，發送反饋信號至數控裝置，構成伺服系統的閉環或半閉環控制，使工作臺按指令的路徑精確地移動。半閉環控制，使工作臺按指令的路徑精確地移動。 l位置檢測裝置的精度主要包括位置檢測裝置的精度主要包括系統精度和分辨率。系統精度是指在一定長度或轉

2、角范圍內測量累積誤差的最大值，目前一般長度位置檢測精度均已達到目前一般長度位置檢測精度均已達到0.0020.0020.020.02mm以內，回轉角測量精度達到以內，回轉角測量精度達到1010360360；系統分辨率是測量元件所能正確檢測的最小位移量，目前直線位移，目前直線位移的分辨率多數為的分辨率多數為1m1m，高精度系統分辨率可達，高精度系統分辨率可達0.1m0.1m，回轉分辨率為回轉分辨率為2 2 2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕5.1.1 5.1.1 數控機床對檢測裝置的主要要求數控機床對檢測裝置的主要要求數控機床對檢測裝置的主要要求有：數控機床對檢測裝置的主要要求有：

3、1 1）受溫度、濕度的影響小，工作可靠，抗干擾能）受溫度、濕度的影響小，工作可靠，抗干擾能力強；力強；2 2）在機床移動的范圍內滿足精度和速度要求；）在機床移動的范圍內滿足精度和速度要求；3 3）使用維護方便，適合機床運行環境，便于與數）使用維護方便，適合機床運行環境，便于與數控系統相聯；控系統相聯；4 4）成本低；）成本低；5 5）易于實現高速的動態測量。）易于實現高速的動態測量。2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕5.1.2 5.1.2 位置檢測裝置的測量方式位置檢測裝置的測量方式l若按被測量的幾何量分，有回轉型（測若按被測量的幾何量分，有回轉型（測角位移）和直線型（測線位移

4、）；角位移）和直線型（測線位移）；l若按檢測信號的類型分，有數字式和模若按檢測信號的類型分，有數字式和模擬式；擬式；l若按檢測量的基準分，有增量式和絕對若按檢測量的基準分，有增量式和絕對式。式。 2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕1. 1.直接測量和間接測量直接測量和間接測量1 1）直接測量）直接測量 所測值為最終值不再需要推算。所測值為最終值不再需要推算。其測量精度主要取決于測量元件其測量精度主要取決于測量元件的精度，不受機床傳動精度的影響。但檢測裝置要與行程等長，的精度，不受機床傳動精度的影響。但檢測裝置要與行程等長，這對大型數控機床來說，是一個很大的限制。這對大型數控機床

5、來說，是一個很大的限制。2 2）間接測量）間接測量 所測值為中間值，由它再推算出最終值，稱為間接測量。所測值為中間值，由它再推算出最終值，稱為間接測量。間接測間接測量使用可靠方便，無長度限制，缺點是在檢測信號中加入了旋轉量使用可靠方便，無長度限制，缺點是在檢測信號中加入了旋轉轉變為直線運動的傳動鏈誤差，從而影響檢測精度。因此為了提轉變為直線運動的傳動鏈誤差，從而影響檢測精度。因此為了提高定位精度，常常需要對機床的傳動誤差進行補償。高定位精度，常常需要對機床的傳動誤差進行補償。2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕2.2.數字式與模擬式數字式與模擬式1 1）數字式測量方式）數字式測量

6、方式 數字式測量是將被測量用測量單位量化以后以數字形式數字式測量是將被測量用測量單位量化以后以數字形式表示，測量信號一般為電脈沖，可以直接把它送到數控表示，測量信號一般為電脈沖，可以直接把它送到數控裝置進行比較、處理。數字式檢測裝置的特點是：裝置進行比較、處理。數字式檢測裝置的特點是：l被測量量化后轉換成脈沖個數，便于顯示和處理；被測量量化后轉換成脈沖個數，便于顯示和處理；l測量精度取決于測量單位，與量程基本無關；測量精度取決于測量單位，與量程基本無關；l檢測裝置比較簡單，脈沖信號抗干擾能力強。檢測裝置比較簡單，脈沖信號抗干擾能力強。2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕2.2.數

7、字式與模擬式數字式與模擬式2 2）模擬式測量方式）模擬式測量方式 模擬式測量是將被測量用連續的模擬量來表示，如模擬式測量是將被測量用連續的模擬量來表示，如用相位變化、電壓、電流變化來表示。主要用于小量程用相位變化、電壓、電流變化來表示。主要用于小量程測量。它的主要特點是：測量。它的主要特點是：l 直接對被測量進行檢測，無需量化；直接對被測量進行檢測，無需量化；l 在小量程內可以實現高精度測量；在小量程內可以實現高精度測量；l 可用于直接測量和間接測量。可用于直接測量和間接測量。 2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕3.3.增量式與絕對式增量式與絕對式1 1）增量式檢測方式）增量式

8、檢測方式l增量式測量單純測量位移增量，移動一個測量單位就發出增量式測量單純測量位移增量，移動一個測量單位就發出一個測量信號。一個測量信號。其優點是檢測裝置比較簡單，任何一個對其優點是檢測裝置比較簡單，任何一個對中點均可作為測量起點；缺點是對測量信號計數后才能讀中點均可作為測量起點；缺點是對測量信號計數后才能讀出移距，一旦計數有誤，此后的測量結果將全錯；同時發出移距，一旦計數有誤，此后的測量結果將全錯；同時發生故障時（如斷電、斷刀等）不能再找到事故前的正確位生故障時（如斷電、斷刀等）不能再找到事故前的正確位置，事故排除后，這時必須將工作臺移至起點重新計數才置，事故排除后，這時必須將工作臺移至起點

9、重新計數才能找到事故前的正確位置。能找到事故前的正確位置。2 2）絕對式測量方式）絕對式測量方式l絕對式測量方式中，被測量的任一點的位置都以一個固定絕對式測量方式中，被測量的任一點的位置都以一個固定的零點作基準，每一被測點都有一個相應的測量值。的零點作基準，每一被測點都有一個相應的測量值。 2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕數字式數字式模擬式模擬式增量式增量式絕對式絕對式增量式增量式絕對式絕對式回轉型回轉型增量式脈沖編碼器增量式脈沖編碼器圓光柵圓光柵絕對式脈沖編絕對式脈沖編碼器碼器旋轉變壓器旋轉變壓器圓感應同步器圓感應同步器多極旋轉變壓器多極旋轉變壓器直線型直線型計量光柵、激光

10、干計量光柵、激光干涉儀涉儀多通道透射光多通道透射光柵柵編碼尺編碼尺直線感應同步器直線感應同步器絕對值式磁尺絕對值式磁尺5.1.3 5.1.3 位置檢測裝置的分類位置檢測裝置的分類2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕5.2 5.2 感應同步器感應同步器(1) (1) 感應同步器的分類感應同步器的分類l感應同步器根據用途和結構特點可分成直線式和旋轉感應同步器根據用途和結構特點可分成直線式和旋轉式（圓盤式）兩大類。式（圓盤式）兩大類。l直線式由定尺和滑尺組成，用以測量直線位移，用于直線式由定尺和滑尺組成，用以測量直線位移，用于全閉環伺服系統。全閉環伺服系統。l旋轉式由定子和轉子組成，用

11、以測量旋轉角度，用于旋轉式由定子和轉子組成，用以測量旋轉角度，用于半閉環伺服系統。半閉環伺服系統。 利用兩個平面形印刷電路繞組的互感隨位置利用兩個平面形印刷電路繞組的互感隨位置改變而變化的原理改變而變化的原理(電磁感應原理電磁感應原理)進行測量進行測量2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕38引線11間隔b2片寬a2W2(a)W1a1b1l1l1W1/2a1b121221 2(b)(c)(a)(a)定尺繞組定尺繞組 (b)W(b)W型滑尺繞組型滑尺繞組 (c) U(c) U型滑尺繞組型滑尺繞組2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕l定尺和滑尺的基體通常采用厚度為定尺和滑

12、尺的基體通常采用厚度為10mm10mm、與機床床身材、與機床床身材料的熱膨脹系數相近的的鋼板或鑄鐵制成，以減小與機床料的熱膨脹系數相近的的鋼板或鑄鐵制成，以減小與機床的溫度誤差。的溫度誤差。l平面繞組為銅箔，通常采用厚度為平面繞組為銅箔，通常采用厚度為0.05mm0.05mm或或0.07mm0.07mm的的純銅箔，用絕緣粘結劑將銅箔熱壓粘結在基體上，經精密純銅箔，用絕緣粘結劑將銅箔熱壓粘結在基體上，經精密的照相腐蝕工藝制成所需印刷繞組形式。的照相腐蝕工藝制成所需印刷繞組形式。l在定尺繞組表面上涂上一層耐切削液的清漆涂層作為保護在定尺繞組表面上涂上一層耐切削液的清漆涂層作為保護層，以防止切削液的

13、飛濺影響。層，以防止切削液的飛濺影響。l在滑尺繞組表面上貼一層帶塑料薄膜的絕緣鋁箔，以防止在滑尺繞組表面上貼一層帶塑料薄膜的絕緣鋁箔，以防止在感應繞組中因靜電感應產生的附加的容性電勢。在感應繞組中因靜電感應產生的附加的容性電勢。2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕l直線式感應同步器通常有標準式、窄式、帶式和直線式感應同步器通常有標準式、窄式、帶式和3 3重（速）重（速）式等多種式等多種. .l其中標準式直線感應同步器是直線式感應同步器中精度最其中標準式直線感應同步器是直線式感應同步器中精度最高、使用也最廣的一種；高、使用也最廣的一種；l窄式直線感應同步器的定尺、滑尺的寬度比標準式

14、小，它窄式直線感應同步器的定尺、滑尺的寬度比標準式小，它的電磁感應強度減低，比標準式的精度低，的電磁感應強度減低，比標準式的精度低，適用于精度較適用于精度較低或機床上安裝位置窄小且安裝面難于加工的情況低或機床上安裝位置窄小且安裝面難于加工的情況l帶式直線感應同步器由于定尺最長可至帶式直線感應同步器由于定尺最長可至3m3m以上，不需接以上，不需接長，可簡化安裝，可使定尺隨機床床身熱變形而變形，但長，可簡化安裝，可使定尺隨機床床身熱變形而變形，但由于定尺較長，剛性稍差，其總測量精度要比標準式的低；由于定尺較長，剛性稍差，其總測量精度要比標準式的低；l3 3重式直線感應同步器的定尺有粗、中、細繞組，

15、為絕對重式直線感應同步器的定尺有粗、中、細繞組，為絕對式測量系統，特別適用于大型機床。式測量系統，特別適用于大型機床。2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕(2)(2)感應同步器的安裝感應同步器的安裝l感應同步器的定尺安裝在機床的不動部件上；滑尺安裝感應同步器的定尺安裝在機床的不動部件上；滑尺安裝在機床的移動部件上。為防止切屑和油污浸入，一般在在機床的移動部件上。為防止切屑和油污浸入，一般在感應同步器上安裝防護罩。感應同步器上安裝防護罩。l感應同步器在安裝時必須保持定尺和滑尺平行、兩平面感應同步器在安裝時必須保持定尺和滑尺平行、兩平面間的間隙約為間的間隙約為0.250.250.05

16、mm0.05mm。這樣，才能保證定尺和。這樣，才能保證定尺和滑尺在全部工作長度上正常耦合，減少測量誤差。滑尺在全部工作長度上正常耦合，減少測量誤差。l直線感應同步器的標準定尺長度一般為直線感應同步器的標準定尺長度一般為250mm250mm，當需要，當需要增加測量范圍時，可將定尺接長。增加測量范圍時，可將定尺接長。2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕（3 3）感應同步器的工作原理）感應同步器的工作原理正弦繞組余弦繞組滑尺定尺2/2UdUsUc直線式感應同步器繞組原理圖直線式感應同步器繞組原理圖2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕cososmVV22xx124cos2s

17、in2ocmmxmVVV 因因余弦繞組余弦繞組與與正弦繞組正弦繞組錯開錯開1/41/4個節距，個節距，即即/2/2的相位角的相位角，由余弦繞組激磁在，由余弦繞組激磁在定尺上產生的感應電壓應按定尺上產生的感應電壓應按正弦規律正弦規律變化變化。定尺上的總感應電壓，是上述。定尺上的總感應電壓，是上述兩個感應電壓的兩個感應電壓的線性疊加線性疊加。2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕l根據不同的激磁供電方式，根據不同的激磁供電方式，感應同步器有兩種不同的感應同步器有兩種不同的工作方式：鑒相工作方式工作方式：鑒相工作方式和鑒幅工作方式。和鑒幅工作方式。1. 1.鑒相工作方式（相位工作鑒相工作

18、方式（相位工作方式）方式）2.2.鑒幅工作方式（幅值工作鑒幅工作方式（幅值工作方式）方式）sincossmcmUVtUVtsinsincossinsmcmUVtUVt感應電壓線性疊加得總感應電感應電壓線性疊加得總感應電壓為：壓為： U = k Us cos-k Ucsin = k Vm sin (t -)感應電壓為感應電壓為: :U = kUscos +kUcsin = kVmsint (sin cos- cossin) = kVmsin (-)sint2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕(4)(4)感應同步器的優點感應同步器的優點l精度高精度高: :直線感應同步器直接對機床位移

19、進行測量，不經過任何直線感應同步器直接對機床位移進行測量，不經過任何機械傳動裝置，測量精度主要取決于尺子的精度機械傳動裝置，測量精度主要取決于尺子的精度 。l測量長度不受限制；測量長度不受限制；l工作可靠、抗干擾性強；工作可靠、抗干擾性強；l維護簡單，壽命長；維護簡單，壽命長；l抗擾能力強、工藝性好、成本較低，便于復制和成批生產。抗擾能力強、工藝性好、成本較低，便于復制和成批生產。l輸出信號比較微弱，需要放大倍數較高的前置放大器。輸出信號比較微弱，需要放大倍數較高的前置放大器。 2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕Fc基 準 信 號發 生 器濾 波 放 大鑒 相 器伺 服放 大

20、器濾 波 放 大 器脈 沖 調 相 器伺 服電 機定 尺滑尺感 應 同 步 器位 置 檢 測 信 號指 令 脈 沖f0P0cPPfUd相位比較伺服系統原理框圖相位比較伺服系統原理框圖指令脈沖反饋脈沖比較器數/模轉換器工作臺位置檢測裝置（旋轉變壓器）電壓-頻率變換器鑒幅器勵磁電路伺服放大器伺服電機2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕5.3 5.3 光柵光柵l光柵按用途分有兩大類，一類是物理光柵（亦稱衍射光光柵按用途分有兩大類，一類是物理光柵（亦稱衍射光柵），另一類是計量光柵。柵），另一類是計量光柵。l物理光柵的刻線細密，線紋密度一般為物理光柵的刻線細密，線紋密度一般為2002005

21、00500條條/ /，線紋相互平行且距離相等，稱此距離為柵距。物理光柵的線紋相互平行且距離相等，稱此距離為柵距。物理光柵的柵距一般為柵距一般為0.0020.0020.0050.005，主要是利用光的衍射原理，主要是利用光的衍射原理，常用于光譜分析和光波波長的測定。常用于光譜分析和光波波長的測定。l而計量光柵的刻線稍粗，線紋密度一般為而計量光柵的刻線稍粗，線紋密度一般為2525條條/ /、5050條條/ /、100100條條/ /、250250條條/ /等，即：柵距為等，即：柵距為0.0040.0040.250.25，主要是利用光的透射和反射現象，用于數控機床檢測系統。主要是利用光的透射和反射現

22、象，用于數控機床檢測系統。因此，這里所討論的光柵是指計量光柵。因此，這里所討論的光柵是指計量光柵。 2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕5.3.1 5.3.1 光柵的種類與精度光柵的種類與精度l計量光柵按形狀可以分為長光計量光柵按形狀可以分為長光柵（又稱直線光柵）和圓光柵。柵（又稱直線光柵）和圓光柵。長光柵用于檢測直線位移，圓長光柵用于檢測直線位移，圓光柵用于測量轉角位移。光柵用于測量轉角位移。l按制作原理又可以分成玻璃透按制作原理又可以分成玻璃透射光柵和金屬反射光柵。射光柵和金屬反射光柵。ab標尺光柵指示光柵d光光源源透透鏡鏡標標尺尺光光柵柵G Gs s指指示示光光柵柵G Gi

23、 i光光電電元元件件驅驅動動電電路路驅驅動動電電路路2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕長光柵長光柵 玻璃透射光柵玻璃透射光柵l玻璃透射光柵玻璃透射光柵是在玻璃的表面上用真空鍍膜法鍍一層金是在玻璃的表面上用真空鍍膜法鍍一層金屬膜，再涂上一層均勻的感光材料，用照相腐蝕法制成屬膜，再涂上一層均勻的感光材料，用照相腐蝕法制成透明與不透明間隔相等的線紋，也有用刻蠟、腐蝕、涂透明與不透明間隔相等的線紋，也有用刻蠟、腐蝕、涂黑工藝制成的。玻璃透射光柵的特點是：黑工藝制成的。玻璃透射光柵的特點是：1 1）光源可以采用垂直入射，光電元件可直接接受光信號，）光源可以采用垂直入射，光電元件可直接接受

24、光信號，因此信號幅度大，讀數頭結構比較簡單；因此信號幅度大，讀數頭結構比較簡單；2 2）每毫米上的線紋數多，一般為每毫米）每毫米上的線紋數多，一般為每毫米100100、125125、250250條，條，再經過電路細分，可做到微米級的分辨率。再經過電路細分，可做到微米級的分辨率。2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕長光柵長光柵金屬反射光柵金屬反射光柵l金屬反射光柵是在鋼尺或不銹鋼的鏡面上用照相腐蝕法金屬反射光柵是在鋼尺或不銹鋼的鏡面上用照相腐蝕法或用鉆石刀直接刻劃制成的光柵線紋；金屬反射光柵常或用鉆石刀直接刻劃制成的光柵線紋；金屬反射光柵常用的線紋數為每毫米用的線紋數為每毫米4 4

25、、1010、2525、4040、5050條，因此，其條，因此，其分辨率比玻璃透射光柵低。金屬反射光柵的特點是：分辨率比玻璃透射光柵低。金屬反射光柵的特點是：1 1）標尺光柵的線膨脹系數很容易做到與機床材料一致）標尺光柵的線膨脹系數很容易做到與機床材料一致2 2）標尺光柵的安裝和調整比較方便）標尺光柵的安裝和調整比較方便3 3）安裝面積較小）安裝面積較小4 4）易于接長或制成整根的鋼帶長光柵）易于接長或制成整根的鋼帶長光柵5 5）不易碰碎）不易碰碎2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕圓光柵圓光柵l在玻璃圓盤的外環端面上，做成黑白相間條紋，條紋呈在玻璃圓盤的外環端面上，做成黑白相間條

26、紋，條紋呈輻射狀，相互間夾角（稱為柵距角）相等。根據不同的輻射狀，相互間夾角（稱為柵距角）相等。根據不同的使用要求在圓周內的線紋數也不相同。圓光柵一般有使用要求在圓周內的線紋數也不相同。圓光柵一般有3 3種形式：種形式：（1 1）六十進制，如圓周內的線紋數為：）六十進制，如圓周內的線紋數為：1080010800，2160021600， 3240032400，6480064800等；等；（2 2）十進制，如圓周內的線紋數為：）十進制，如圓周內的線紋數為：10001000，25002500，50005000等；等；（3 3）二進制，如圓周內的線紋數為：）二進制，如圓周內的線紋數為：512512，1

27、0241024，20482048等。等。 2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕計量光柵的精度計量光柵的精度 l計量光柵的精度主要取決于光柵尺本身的計量光柵的精度主要取決于光柵尺本身的制造精度，也就是計量光柵任意兩點間的制造精度，也就是計量光柵任意兩點間的誤差。由于激光技術的發展，光柵的制作誤差。由于激光技術的發展，光柵的制作精度得到很大提高，目前光柵精度可達到精度得到很大提高，目前光柵精度可達到微米級，再通過細分電路可以達到微米級，再通過細分電路可以達到0.1m0.1m、甚至更高的分辨率，如：甚至更高的分辨率，如：0.025m0.025m。2022-1-1南京理工大學 機械工程學

28、院 黃新燕計量光柵計量光柵光柵長度（直光柵長度（直徑）（徑）（）線紋數線紋數精度精度長光柵長光柵玻璃透射光柵玻璃透射光柵500500100/100/5m5m1000100010m10m1100110010m10m110011003 35m5m5005002 23m3m金屬反射光柵金屬反射光柵1220122040/40/13m13m50050025/25/7m7m高精度金屬反高精度金屬反射光柵射光柵1000100050/50/7.5m7.5m玻璃衍射光柵玻璃衍射光柵300300250/250/1.5m1.5m圓光柵圓光柵玻璃圓光柵玻璃圓光柵27027010800/10800/周周332022-1

29、-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕5.3.2 5.3.2 光柵的結構與測量原理光柵的結構與測量原理光柵的結構光柵的結構l光柵由標尺光柵（又稱長光柵）和光柵讀數頭兩部分組成。光柵由標尺光柵（又稱長光柵）和光柵讀數頭兩部分組成。l標尺光柵和指示光柵構成了光柵副標尺光柵和指示光柵構成了光柵副l在安裝光柵尺時，標尺光柵和指示光柵的平行度以及兩者在安裝光柵尺時，標尺光柵和指示光柵的平行度以及兩者之間的間隙（一般取之間的間隙（一般取0.050.05或或0.10.1）要嚴格保證）要嚴格保證 ab標尺光柵指示光柵d2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕光柵的結構光柵的結構l光柵讀數頭光柵讀數頭

30、 光柵讀數頭又稱光電轉換器，它光柵讀數頭又稱光電轉換器，它由光源、透鏡、指示光由光源、透鏡、指示光柵、光敏元件和驅動線路組成柵、光敏元件和驅動線路組成。光柵讀數頭的結構形式。光柵讀數頭的結構形式很多，按光路分，常見的有分光讀數頭、垂直入射讀數很多，按光路分，常見的有分光讀數頭、垂直入射讀數頭、反射讀數頭和鏡像讀數頭，光路圖如圖所示，圖中頭、反射讀數頭和鏡像讀數頭，光路圖如圖所示，圖中QQ表示光源，表示光源，L L表示透鏡，表示透鏡，G G表示光柵，表示光柵，P P表示光敏元件。表示光敏元件。SPL2G2G1L1QG1G2PLtQ分光讀數頭分光讀數頭垂直入射讀數頭垂直入射讀數頭2022-1-1南

31、京理工大學 機械工程學院 黃新燕l反射讀數頭反射讀數頭L1G1G2L2PQ2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕摩爾條紋摩爾條紋標尺光柵標尺光柵指示光柵指示光柵光柵節距光柵節距摩爾條紋節距摩爾條紋節距W光柵傾角光柵傾角工作原理工作原理2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕v W、之間的關系之間的關系/2指示光柵指示光柵標尺光柵標尺光柵BACW/2橫向莫爾條紋的參數橫向莫爾條紋的參數BC=ABsin(/2)其中其中 BC=/2 ， AB=W ， W=（/2）/sin(/2)由于由于很小，很小，單位為單位為rad時，時，Sin(/2) /2W / 莫爾條紋放大原理莫爾條紋放

32、大原理2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕主光柵主光柵莫爾條紋的性質莫爾條紋的性質: :1. 1.當用平行光束照射光柵時當用平行光束照射光柵時, ,透過莫爾條紋的光強度分布近似于余弦透過莫爾條紋的光強度分布近似于余弦函數函數; ;2.2.起放大作用起放大作用; ;3.3.實現平均誤差的作用實現平均誤差的作用; ;4.4.莫爾條紋的移動與柵距之間的移動成比例莫爾條紋的移動與柵距之間的移動成比例莫爾條紋形成原理莫爾條紋形成原理02cosmxVVV令令k= W/ = 1/,則則k為放大比。為放大比。如如=0.01mm，取，取=0.002 rad = 0.11o 則則W=5mm, K=5

33、00, 即即放大放大500倍，這樣光柵節距雖小，摩爾條紋倍，這樣光柵節距雖小，摩爾條紋的節距卻有的節距卻有5mm，因此，因此摩爾條紋清晰可見，易于測量摩爾條紋清晰可見，易于測量。摩爾條紋是由許多根刻線共同形摩爾條紋是由許多根刻線共同形成的，這樣可使光柵的節距誤差成的，這樣可使光柵的節距誤差得到平均化。得到平均化。光柵光柵橫向移動橫向移動一個節距一個節距，摩爾條紋正好，摩爾條紋正好沿刻線上沿刻線上下下移動一個節距移動一個節距W，或者說在光柵刻線的某一位，或者說在光柵刻線的某一位置，摩爾條紋置，摩爾條紋明明-暗暗-明明變化一個周期，這為光變化一個周期，這為光元件的元件的安裝與信號檢測安裝與信號檢測

34、提供了良好的條件。提供了良好的條件。2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕（1 1） 位移大小的檢測位移大小的檢測（2 2） 位移方向的檢測位移方向的檢測（3 3） 速度的檢測速度的檢測2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕光柵測量系統光柵測量系統P1P2P3P4硅光電池差動放大器整形器差動放大器整形器方向判別門電路可逆計數器控制回路正向脈沖反向脈沖標尺光柵指示光柵聚光鏡光源光強度信號轉變為電壓信號放大整形鑒向倍頻2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕放大環節整形環節鑒向倍頻正向反向sincos0/20/23/2光柵信息處理線路框圖2022-1-1南京理工大

35、學 機械工程學院 黃新燕2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕四倍頻線路鑒向線路AB正向反向鑒向倍頻線路框圖2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕D1Q1Q1D2Q2Q2D3Q3Q3D4Q4Q4&CPBAM1M2M3M4四倍頻線路邏輯圖2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕ABQ1Q2Q3Q4M1M2M3M4CP四 倍 頻 線 路 波 形 圖D1Q1Q1D2Q2Q2D3Q3Q3D4Q4Q4&CPBAM1M2M3M4四倍頻線路邏輯圖2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕ENAENB1y2yM1M2M3M41C01C11C21C32C

36、02C12C22C3正向反向74LS153鑒向線路圖數據選擇輸出ENAENBy00110101Y=C0Y=C1Y=C2Y=C3雙“四選一”線路真值表ENB ENA2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕6.4 6.4 編碼器編碼器l編碼器又稱碼盤，是一種旋轉式測量元件，通編碼器又稱碼盤，是一種旋轉式測量元件，通常裝在被測軸上，隨被測軸一起轉動，可將被常裝在被測軸上，隨被測軸一起轉動，可將被測軸的角位移轉換成增量脈沖形式或絕對式的測軸的角位移轉換成增量脈沖形式或絕對式的代碼形式。代碼形式

37、。 l編碼器是一種按一定的編碼形式，將一個圓盤編碼器是一種按一定的編碼形式，將一個圓盤分成若干等分，并利用電子、光電或電磁器件，分成若干等分，并利用電子、光電或電磁器件，把代表被測位移量大小的各等分上的編碼轉換把代表被測位移量大小的各等分上的編碼轉換成便于應用的其他二進制表達方式的測量裝置。成便于應用的其他二進制表達方式的測量裝置。 2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕編碼器的分類編碼器的分類l根據使用的計數制不同，有根據使用的計數制不同，有二進制編碼、二進制循環碼二進制編碼、二進制循環碼（格雷碼）、余三碼和二一十進制碼等編碼器（格雷碼）、余三碼和二一十進制碼等編碼器l根據輸出信

38、號的形式的不同，可分為根據輸出信號的形式的不同，可分為絕對值式編碼器和脈絕對值式編碼器和脈沖增量式編碼器沖增量式編碼器l根據內部結構和檢測方式可分為根據內部結構和檢測方式可分為接觸式、光電式和電磁式接觸式、光電式和電磁式三種三種l根據在機床上安裝形式的不同分為根據在機床上安裝形式的不同分為內裝式編碼器和外裝式內裝式編碼器和外裝式編碼器，編碼器，內裝式編碼器和伺服電動機同軸聯接在一起，伺內裝式編碼器和伺服電動機同軸聯接在一起，伺服電動機再和滾珠絲杠連接，編碼器在進給傳動鏈的前端；服電動機再和滾珠絲杠連接，編碼器在進給傳動鏈的前端；二是外裝式編碼器連接在滾珠絲杠末端。外裝式包含的傳二是外裝式編碼器

39、連接在滾珠絲杠末端。外裝式包含的傳動鏈誤差比內裝式多，位置控制精度較高；但內裝式安裝動鏈誤差比內裝式多，位置控制精度較高；但內裝式安裝方便方便 。2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕接觸式編碼盤接觸式編碼盤接觸式碼盤是一種絕對值式的檢測裝置，可直接接觸式碼盤是一種絕對值式的檢測裝置，可直接把被測轉角用數字代碼表示出來，且每一個角度把被測轉角用數字代碼表示出來，且每一個角度位置均有表示該位置的唯一對應的代碼。位置均有表示該位置的唯一對應的代碼。2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕注意：注意：l根據與電刷串聯的電阻上有無

40、電流通過，可用相應的二進根據與電刷串聯的電阻上有無電流通過，可用相應的二進制代碼表示。制代碼表示。l碼道的圈數就是二進制的位數，且高位在內，低位在外。碼道的圈數就是二進制的位數，且高位在內，低位在外。由此可以推斷出，若是由此可以推斷出，若是n n位二進制碼盤，就有位二進制碼盤，就有n n圈碼道，且圈碼道，且圓周均分圓周均分2 2n n等分，即共有等分，即共有2 2n n個數據來分別表示其不同位置，個數據來分別表示其不同位置，所能分辨的最小角度所能分辨的最小角度為：為：360360/2/2n n。 l目前接觸式碼盤一般可以做到目前接觸式碼盤一般可以做到8 81414位二進制。若要求位位二進制。若

41、要求位數更多，則采用組合碼盤，一個粗計碼盤，一個作為精計數更多，則采用組合碼盤，一個粗計碼盤，一個作為精計碼盤。精計碼盤轉一圈，粗計碼盤依次轉一格。碼盤。精計碼盤轉一圈，粗計碼盤依次轉一格。 2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕0123 456789101112131415(2)0(2)1(2)2(2)3二進制編碼盤二進制編碼盤2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕缺點及解決方法缺點及解決方法l易引起非單值性誤差：對于易引起非單值性誤差：對于4 4位二位二進制碼盤，由于電刷錯位會產生進制碼盤，由于電刷錯位會產生從從0 0（00000000）到）到1515（111111

42、11）之間的）之間的讀數誤差，一般稱這種誤差為非讀數誤差，一般稱這種誤差為非單值誤差。單值誤差。l解決方法：解決方法：（1 1）采用雙電刷，即在編碼盤的不）采用雙電刷，即在編碼盤的不同位置分別安裝一組電刷，并且同位置分別安裝一組電刷，并且當一組電刷位于過渡線上時，另當一組電刷位于過渡線上時，另一組電刷位于中間。這樣，根據一組電刷位于中間。這樣，根據兩組電刷的空間位置和測得的編兩組電刷的空間位置和測得的編碼值進行比較判斷，可推算出正碼值進行比較判斷，可推算出正確的測量值。確的測量值。（3 3）采用特殊代碼即循環碼。其特）采用特殊代碼即循環碼。其特點是：點是：相鄰兩個代碼間只有一位相鄰兩個代碼間只

43、有一位數變化數變化，即由，即由1 1變為變為0 0，由，由0 0變為變為1 1，這樣，由于電刷安裝不準確而產這樣，由于電刷安裝不準確而產生的誤差最多不超過一個編碼單生的誤差最多不超過一個編碼單位，誤差能夠大大減小。位，誤差能夠大大減小。0123 456789101112131415(2)0(2)1(2)2(2)3(a)0123456789101112131415(2)0(2)1(2)2(2)3輸輸出出二二進進制制編編碼碼盤盤葛葛萊萊編編碼碼盤盤(b)絕絕對對式式脈脈沖沖編編碼碼盤盤01010101112022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕接觸式編碼器的特點接觸式編碼器的特點接觸式絕

44、對值編碼器優點是簡單、體積小、輸出接觸式絕對值編碼器優點是簡單、體積小、輸出信號強。缺點是電刷磨損造成壽命降低，轉速不信號強。缺點是電刷磨損造成壽命降低，轉速不能太高（每分鐘幾十轉），精度受最高位碼道寬能太高（每分鐘幾十轉），精度受最高位碼道寬度限制。因此使用范圍有限。度限制。因此使用范圍有限。 目前，電刷最小寬度可做到目前，電刷最小寬度可做到0.1mm0.1mm左右。左右。 2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕光電編碼器光電編碼器l常用的光電式編碼器為增量式光電編碼器，亦常用的光電式編碼器為增量式光電編碼器，亦稱光電碼盤、光電脈沖發生器、光電脈沖編碼稱光電碼盤、光電脈沖發生器、

45、光電脈沖編碼器等，是一種旋轉式脈沖發生器，它把機械轉器等，是一種旋轉式脈沖發生器，它把機械轉角變成電脈沖，是數控機床上常用的一種角位角變成電脈沖，是數控機床上常用的一種角位移檢測元件，也可用于角速度檢測。移檢測元件，也可用于角速度檢測。 l特點：光電式編碼器的優點是沒有接觸磨損，特點：光電式編碼器的優點是沒有接觸磨損，碼盤壽命長，允許轉速高缺點是結構復雜，價碼盤壽命長，允許轉速高缺點是結構復雜，價格高，光源壽命短。格高，光源壽命短。2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕1 1光源；光源；2 2透鏡；透鏡；3 3光欄板；光欄板；4 4光電碼盤；光電碼盤；5 5光電元件；光電元件；6

46、6參考標記參考標記一轉脈沖信號一轉脈沖信號 分辨角分辨角360360/ /狹縫數狹縫數 2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕板板路路電電刷刷印印光源光源園園光光柵柵指指示示光光柵柵光電元件光電元件低坐低坐護罩護罩旋轉軸旋轉軸A AA向A向指示光柵指示光柵有兩組線紋有兩組線紋A A和和B B，每組線紋的，每組線紋的節距節距和和圓圓光柵光柵的節距相同，但的節距相同，但A A、B B兩組線紋彼此錯開兩組線紋彼此錯開1/41/4個節距，每組線紋與個節距，每組線紋與旋轉圓光柵旋轉圓光柵配合產生兩路配合產生兩路脈脈沖沖A A和和B B用于用于記數和辯向記數和辯向。2022-1-1南京理工大學

47、 機械工程學院 黃新燕反饋脈沖數/ 模轉換器脈沖處理伺服電機工作臺位置檢測裝置（光電編碼器）伺服放大器位置檢測信息Pf指令脈沖P c比較器P e2022-1-1南京理工大學 機械工程學院 黃新燕編碼器在數控機床上的應用編碼器在數控機床上的應用1. 1.位移測量位移測量2.2.主軸控制主軸控制（1 1）主軸旋轉與坐標軸進給的同步控制）主軸旋轉與坐標軸進給的同步控制 在螺紋加工中，為了保證切削螺紋的螺距，必須有固定的在螺紋加工中，為了保證切削螺紋的螺距，必須有固定的進刀點和退刀點。安裝在主軸上的光電脈沖編碼器在進刀點和退刀點。安裝在主軸上的光電脈沖編碼器在切削螺紋時主要解決兩個問題：切削螺紋時主要解決兩個問題： 1 1）通過對編碼器輸出脈沖的計數，保證主軸每轉一周，刀）通過對編碼器輸出脈沖的計數，保證主軸每轉一周，刀具準確地移動一個螺距（導程）。具準確地移動一個螺距（導程）。 2 2）一般的螺紋加工要經過幾次切削才能完成，每次重復切）一般的螺紋加工要經過幾次切削才能完成，每次重復切削，開始進刀的位置必須相同。為了保證重復切削不削，開始進刀