1、第6章 位置檢測(cè)裝置6.1 位置檢測(cè)裝置概述6.2 脈沖編碼器6.3 光柵6.1 位置檢測(cè)裝置概述組成組成：位置測(cè)量裝置是由檢測(cè)元件（傳感器）和信號(hào)處理裝置 組成的。作用：檢測(cè)各種位移和速度，發(fā)送反饋信號(hào)，構(gòu)成伺服系統(tǒng)的 閉環(huán)控制。檢測(cè)裝置是閉環(huán)伺服系統(tǒng)的重要組成部分。 閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床加工精度主要取決于檢測(cè)系統(tǒng)的精度。位移檢測(cè)系統(tǒng)能夠測(cè)量出的最小位移量稱為分辨率。分辨率不僅取決于檢測(cè)裝置本身，也取決于檢測(cè)電路。 數(shù)控機(jī)床上的檢測(cè)裝置應(yīng)滿足以下要求：（1）滿足數(shù)控機(jī)床的精度和速度要求。 位置檢測(cè)裝置分辨率應(yīng)高于數(shù)控機(jī)床的分辨率一個(gè)數(shù)量級(jí)； 位置檢測(cè)裝置最高允許的檢測(cè)速度應(yīng)高于數(shù)控機(jī)床的最高運(yùn)

2、行速度。（2）高可靠性和高抗干擾性。 受溫度、濕度的影響小，工作可靠，精度保持性好，抗干擾能力強(qiáng)；（3）使用維護(hù)方便，適合機(jī)床運(yùn)行環(huán)境。（4）成本低。6.1 位置檢測(cè)裝置概述數(shù)控機(jī)床上檢測(cè)裝置的分類 根據(jù)測(cè)量裝置的安裝及與機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的耦合方式來(lái)分可分為直接測(cè)量和間接測(cè)量檢測(cè)裝置; 按測(cè)量基點(diǎn)的類型來(lái)分可分為增量型和絕對(duì)型檢測(cè)裝置; 按所獲信號(hào)的不同可分為數(shù)字式和模擬式; 按位置檢測(cè)元件的運(yùn)動(dòng)類型不同可分為回轉(zhuǎn)型和直線型。6.1 位置檢測(cè)裝置概述數(shù)控機(jī)床檢測(cè)裝置的分類6.1 位置檢測(cè)裝置概述(1)數(shù)字式和模擬式數(shù)字式測(cè)量 將被測(cè)量單位量化為數(shù)字形式表示，測(cè)量信號(hào)量化后轉(zhuǎn)換成電脈沖，便于比較和顯

3、示處理。數(shù)字式檢測(cè)裝置比較簡(jiǎn)單，脈沖信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，其測(cè)量精度與量程基本無(wú)關(guān)。模擬式測(cè)量 將被測(cè)量單位用連續(xù)的變量來(lái)表示。在大量程內(nèi)作精確的模擬式檢測(cè)，在技術(shù)上有較高的要求，數(shù)控機(jī)床中模擬式檢測(cè)主要用于小量程測(cè)量。6.1 位置檢測(cè)裝置概述（2）增量式和絕對(duì)式增量式測(cè)量 只測(cè)量位移增量，移動(dòng)一個(gè)測(cè)量單位即發(fā)出一個(gè)測(cè)量信號(hào)，位移的距離由增量值累計(jì)求得。優(yōu)點(diǎn)：檢測(cè)裝置比較簡(jiǎn)單，能做到高精度，任何一個(gè)對(duì)中點(diǎn)均 可作為測(cè)量起點(diǎn)。缺點(diǎn)：一旦計(jì)數(shù)有誤，此后結(jié)果全錯(cuò)。發(fā)生故障時(shí)（如斷電， 斷刀等），事故排除后，很難找到正確位置。絕對(duì)式測(cè)量 被測(cè)量的任一點(diǎn)都以一個(gè)固定的零點(diǎn)作基準(zhǔn)，每一被測(cè)點(diǎn)都有一個(gè)相應(yīng)的測(cè)量

4、值。這樣就避免了增量式檢測(cè)方式的缺陷，但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而且測(cè)量的分辨率與位移量均受到一定的限制。6.1 位置檢測(cè)裝置概述6.2 脈沖編碼器脈沖編碼器又稱編碼盤或碼盤，是一種回轉(zhuǎn)式數(shù)字測(cè)量元件，通常裝在被檢測(cè)軸上，隨被測(cè)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，它把機(jī)械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成電脈沖，以測(cè)出軸的旋轉(zhuǎn)角度、位置和速度的變化，是一種常用的角位移測(cè)量裝置。編碼器分類：光電式，接觸式和電磁感應(yīng)式三種 ，其中光電式編碼器有一定的缺點(diǎn)，但其優(yōu)點(diǎn)突出，特別是精度高和可靠性好，因而廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床上。脈沖編碼器6.2 脈沖編碼器 1、光電式 光電式編碼器的特點(diǎn)：（1）非接觸測(cè)量，無(wú)接觸磨損，碼盤壽命長(zhǎng)，精度保證性好；（2）允許測(cè)量轉(zhuǎn)速

5、高，精度較高；（3）光電轉(zhuǎn)換，抗干擾能力強(qiáng)；（4）體積小，便于安裝，適合于機(jī)床運(yùn)行環(huán)境；（5）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高，光源壽命短；（6）碼盤基片為玻璃，抗沖擊和抗震動(dòng)能力差。6.2 脈沖編碼器 光電式編碼器可分為增量式光電脈沖編碼器和絕對(duì)式光電脈沖編碼器兩種。增量式脈沖編碼器能夠把回轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)速度準(zhǔn)確測(cè)量出來(lái)。絕對(duì)式光電脈沖編碼器可將被測(cè)轉(zhuǎn)角換成相應(yīng)的代碼來(lái)指示絕對(duì)位置而沒(méi)有累計(jì)誤差，是一種直接編碼式的測(cè)量裝置。6.2 脈沖編碼器6.2.1 增量式脈沖編碼器增量式脈沖編碼器的型號(hào)是由每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)來(lái)區(qū)分的。現(xiàn)在市場(chǎng)上提供的規(guī)格從 3636線線/ / 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 到 1010萬(wàn)線萬(wàn)線

6、/ /轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)都有；如何選擇： 滿足伺服系統(tǒng)要求的分辨率； 考慮機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)。脈沖編碼器的分辨率（分辨角）為： =360/ N其中增量式碼盤的規(guī)格為N 線/轉(zhuǎn)（P/r）。增量式光電脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)abz碼盤基片透鏡光源光敏元件透光狹縫光欄板節(jié)距AABBZZm+/4信息處理裝置6.2.1 增量式脈沖編碼器當(dāng)圓光柵旋轉(zhuǎn)時(shí)，光線透過(guò)兩個(gè)光柵的線紋部分，形成明暗相間的條紋。光電元件接收時(shí)斷時(shí)續(xù)的光信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為交替變化的近似于正弦波的電流信號(hào)A和B，A信號(hào)和B信號(hào)相差90，經(jīng)過(guò)放大和整形后變成方波，如圖所示。6.2.1 增量式脈沖編碼器n 增量式光電脈沖編碼器的工作原理根據(jù)信號(hào)A和信號(hào)B的發(fā)生順序，

7、即可判斷光電編碼器軸的正反轉(zhuǎn)。若A相超前于B相，則對(duì)應(yīng)正轉(zhuǎn)；若B相超前于A相，則對(duì)應(yīng)反轉(zhuǎn)。數(shù)控系統(tǒng)正是利用這一相位關(guān)系來(lái)判斷方向的。還有一個(gè)“一轉(zhuǎn)脈沖”，稱為Z脈沖，該脈沖也是通過(guò)上述處理得來(lái)的。脈沖編碼器輸出信號(hào)有六相，分別為 、 。AA、ZZBB、6.2.1 增量式脈沖編碼器輸出信號(hào)的作用：A A、B B兩相的作用：兩相的作用： 根據(jù)脈沖的數(shù)目可得出被測(cè)軸的角位移； 根據(jù)脈沖的頻率可得出被測(cè)軸的轉(zhuǎn)速； 根據(jù)A、B兩相的相位超前滯后關(guān)系可判斷被測(cè)軸旋轉(zhuǎn)方向； 后續(xù)電路可利用A、B兩相的90相位差進(jìn)行細(xì)分處理（四倍頻電路實(shí)現(xiàn)）。Z Z相的作用：相的作用： 被測(cè)軸的周向定位基準(zhǔn)信號(hào)； 被測(cè)軸的旋

8、轉(zhuǎn)圈數(shù)記數(shù)信號(hào)。6.2.1 增量式脈沖編碼器 的作用： 后續(xù)電路可利用A、 兩相實(shí)現(xiàn)差分輸入，以消除遠(yuǎn)距離傳輸?shù)墓材８蓴_。增量式光電脈沖編碼器在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用 光電脈沖編碼器在數(shù)控機(jī)床上，作為位置檢測(cè)裝置，將檢測(cè)信號(hào)反饋給數(shù)控裝置。 光電脈沖編碼器將位置檢測(cè)信號(hào)反饋給CNC裝置有兩種方式： 一是使用帶加減計(jì)數(shù)要求的可逆計(jì)數(shù)器，形成加計(jì)數(shù)脈沖和減計(jì)數(shù)脈沖； 二是使用有計(jì)數(shù)控制和計(jì)數(shù)要求的計(jì)數(shù)器，形成方向控制信號(hào)和計(jì)數(shù)脈沖。ZBA 、A6.2.1 增量式脈沖編碼器第一種工作方式6.2.1 增量式脈沖編碼器第二種工作方式6.2.1 增量式脈沖編碼器（4）增量式光電脈沖編碼器的缺點(diǎn)數(shù)據(jù)容易丟失。增量

9、式編碼器獲得的所有計(jì)數(shù)都是相對(duì)于某一任意指定的基數(shù)（清零位置）而言。一旦停電或操作失誤，把基數(shù)丟失，就難以尋回來(lái)。為了解決此問(wèn)題，在新型的數(shù)字化伺服驅(qū)動(dòng)器中，通過(guò)安裝鋰電池維持?jǐn)嚯姾缶幋a器的位置。會(huì)產(chǎn)生誤差累積現(xiàn)象。針對(duì)以上問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出了絕對(duì)式編碼器，它可以在任意處給出一個(gè)確定的與該位置唯一對(duì)應(yīng)的讀數(shù)值，無(wú)論停電還是長(zhǎng)時(shí)間不用，其數(shù)據(jù)都不會(huì)丟失，并且其誤差只與碼盤的精度有關(guān)，誤差不會(huì)因多次計(jì)數(shù)而累積。 6.2.1 增量式脈沖編碼器6.2.2 絕對(duì)式脈沖編碼器（1）絕對(duì)式脈沖編碼器的種類 絕對(duì)式編碼器是一種直接編碼和直接測(cè)量的檢測(cè)裝置。它能指示絕對(duì)位置，沒(méi)有累積誤差,電源切斷后，位置信息不丟失。

10、常用的編碼器有編碼盤和編碼尺，通稱為碼盤。 從編碼器使用的計(jì)數(shù)制來(lái)分類 二進(jìn)制編碼、二進(jìn)制循環(huán)碼（葛萊碼）、二-十進(jìn)制碼等 從結(jié)構(gòu)原理來(lái)分類 接觸式、光電式和電磁式等幾種。最常用的是光電式二進(jìn)制循環(huán)碼編碼器。 6.2.2 絕對(duì)式脈沖編碼器各種碼盤的特點(diǎn)：n 接觸式碼盤 優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、體積小、輸出信號(hào)強(qiáng)、不需要放大； 缺點(diǎn)：電刷摩擦、壽命低、轉(zhuǎn)速不能太高(幾十轉(zhuǎn)每分鐘)， 而且精度受到最低位（最外圓上）分段寬度的限制。n 光電式碼盤 優(yōu)點(diǎn)：沒(méi)有接觸磨損、壽命長(zhǎng)、轉(zhuǎn)速快，最外層每片寬度可 以做得更小，因而精度高。 缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格高。6.2.2 絕對(duì)式脈沖編碼器6.2.2 絕對(duì)式脈沖編碼器n 電

11、磁式碼盤優(yōu)點(diǎn)：無(wú)接觸碼盤，壽命長(zhǎng)、轉(zhuǎn)速高等。原理：在導(dǎo)磁性好的軟鐵和坡莫合金圓盤上，用腐蝕的 方法做成相應(yīng)碼制的凸凹圖形，當(dāng)磁通通過(guò)碼盤 時(shí)，由于磁導(dǎo)大小不一樣，其感應(yīng)電勢(shì)也不同， 因而可區(qū)分“0”和“1”，達(dá)到測(cè)量的目的。q 結(jié)構(gòu)和工作原理 碼盤基片上有多圈碼道，且每碼道的刻線數(shù)相等； 對(duì)應(yīng)每圈都有光電傳感器； 輸出信號(hào)的路數(shù)與碼盤圈數(shù)成正比； 檢測(cè)信號(hào)按某種規(guī)律編碼輸出，故可測(cè)得被測(cè)軸的周向絕對(duì)位置。6.2.2 絕對(duì)式脈沖編碼器23222120（3）混合式絕對(duì)值編碼器n 結(jié)構(gòu)：在圓盤的的最外圈是高密度的增量條紋，中間有四個(gè)碼道組成絕對(duì)式的四位葛萊碼，每1/4個(gè)同心圓被葛萊碼分割為16個(gè)等分

12、段。圓盤最里面有一轉(zhuǎn)信號(hào)狹縫。n 工作原理：三級(jí)計(jì)數(shù)，粗、中、精計(jì)數(shù)。碼盤轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)由對(duì)“一轉(zhuǎn)脈沖”的計(jì)數(shù)表示。在一轉(zhuǎn)以內(nèi)的角度位置由葛萊碼的416不同數(shù)值表示。每1/4圓葛萊碼的細(xì)分由最外圈增量制碼完成。所以采用混合式軸編碼器可以同時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)子的空間位置與轉(zhuǎn)速。 6.2.2 絕對(duì)式脈沖編碼器6.3 光柵作用：用作直線位移或角位移的檢測(cè)。特點(diǎn)：測(cè)量輸出的信號(hào)為數(shù)字脈沖，具有檢測(cè)范圍大，測(cè)量精度高，響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床伺服測(cè)量系統(tǒng)中。6.3 光柵光柵的分類： 按其用途分為物理光柵和計(jì)量光柵。 物理光柵的刻線細(xì)而密，柵距在0.0020.005mm之間，通常用于光譜分析和光波波長(zhǎng)測(cè)定。

13、計(jì)量光柵相對(duì)來(lái)說(shuō)刻線較粗，柵距為0.0040.25mm之間，通常用于數(shù)字檢測(cè)系統(tǒng)。 按其制造方法和光學(xué)原理分透射光柵和反射光柵。 在一塊透明玻璃片上刻一系列平行等間隔集線紋的光柵，為透射光柵；在長(zhǎng)條形金屬鏡面上制成全反射和漫反射間隔相等的密集線紋的光柵，為反射光柵。 按其形狀可分為圓光柵和長(zhǎng)光柵兩種。 圓光柵用于角度測(cè)量；長(zhǎng)光柵用于直線位移檢測(cè)。光 柵6.3 光柵6.3.1 光柵的結(jié)構(gòu)光柵是由標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。 標(biāo)尺光柵一般固定在機(jī)床活動(dòng)部件上（如工作臺(tái)上），光柵讀數(shù)頭裝在機(jī)床固定部件上。 指示光柵裝在光柵讀數(shù)頭中。當(dāng)光柵讀數(shù)頭相對(duì)于標(biāo)尺光柵移動(dòng)時(shí)，指示光柵便在標(biāo)尺光柵上相對(duì)移動(dòng)

14、。標(biāo)尺光柵和指示光柵的平行度以及兩者之間的間隙（0.050.1mm之間）要嚴(yán)格保證。（1）光柵尺 光柵尺是指標(biāo)尺光柵和指示光柵，如圖所示，它們是用真空鍍膜的方法光刻上均勻密集線紋在透明玻璃片或長(zhǎng)條形金屬鏡面。光柵的線紋相互平行，線紋之間的距離（柵距）相等。對(duì)于圓光柵，這些線紋是等柵距角的向心條紋。柵距和柵距角是光柵的重要參數(shù)。 6.3.1 光柵的結(jié)構(gòu)（2）光柵讀數(shù)頭 光柵讀數(shù)頭又叫光電轉(zhuǎn)換器，它把光柵莫爾條紋變成電信號(hào)。光柵讀數(shù)頭都是由光源、透鏡、指示光柵、光敏元件和驅(qū)動(dòng)電路組成。光柵讀數(shù)頭還有分光讀數(shù)頭、反射讀數(shù)頭和鏡像讀數(shù)頭等幾種。6.3.1 光柵的結(jié)構(gòu)莫爾條紋演示當(dāng)指示光柵上的線紋和標(biāo)尺

15、光柵上的線紋成一小角度放置兩個(gè)光柵尺時(shí)，造成兩光柵尺上線紋相互交叉。在光源的照射下，交叉點(diǎn)附近的小區(qū)域內(nèi)黑線重疊，形成黑色條紋，其它部分為明亮條紋，這種明、暗相間的條紋稱為莫爾條紋。 6.3.2 光柵的工作原理由光學(xué)理論可以得到長(zhǎng)光柵的斜率為：式中：W1主光柵的光柵常數(shù) W2指示光柵的光柵常數(shù)； 兩光柵柵線的交角。21tan1cotcosWW6.3.2 光柵的工作原理WP/用W表示莫爾條紋的寬度，P表示柵距，表示光柵線紋間的夾角莫爾條紋特性：（1）用平行光束照射光柵時(shí)，莫爾條紋由亮帶到暗帶，再由暗 帶到亮帶，透過(guò)的光強(qiáng)度分布近似于余弦函數(shù)。（2）起放大作用 用W表示莫爾條紋的寬度，P表示柵距，

16、表示光柵線紋間的夾角，則有 W=P/sin 由于角很小，sin，則 WP/ 若P=0.01mm，=0.01弧度，則由上式可得W=1mm，即把光柵距轉(zhuǎn)換成放大100倍的莫爾條紋寬度。6.3.2 光柵的工作原理（3）起平均誤差作用。 莫爾條紋是由若干光柵線紋干涉形成，例如100線/mm的光柵，10mm寬的莫爾條紋就由1000條線紋組成，這樣?xùn)啪嘀g的相鄰誤差就被平均化了，消除了柵距不均勻造成的誤差。（4）莫爾條紋的移動(dòng)與柵距之間的移動(dòng)成比例。 當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)柵距時(shí)，莫爾條紋也相應(yīng)移動(dòng)一個(gè)莫爾條紋寬度W；若光柵移動(dòng)方向相反，則莫爾條紋移動(dòng)方向也相反。莫爾條紋移動(dòng)方向與光柵移動(dòng)方向垂直。這樣測(cè)量光柵水平方向移動(dòng)的微小距離就用檢測(cè)垂直方向的寬大的莫爾條紋的變化代替。6.3.2 光柵的工作原理6.3.3 光柵在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床中的光柵測(cè)量系統(tǒng)的組成如圖所示，光柵移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的莫爾條紋由光電元件接受，然后經(jīng)過(guò)位移-數(shù)字變換電路形成正走時(shí)的正向脈沖或反走時(shí)的反向脈沖，由可逆計(jì)數(shù)器接收。位移-數(shù)字變換電路也叫光柵測(cè)量電路或叫四倍頻細(xì)分電路。上圖中的a、b、c、d是四塊光電池，產(chǎn)生的信號(hào)，相位彼此差90。a、c信號(hào)是相位差180的兩個(gè)信