1、第6章 位置檢測裝置6.1 位置檢測裝置概述6.2 脈沖編碼器6.3 光柵6.1 位置檢測裝置概述組成組成：位置測量裝置是由檢測元件（傳感器）和信號處理裝置 組成的。作用：檢測各種位移和速度，發送反饋信號，構成伺服系統的 閉環控制。檢測裝置是閉環伺服系統的重要組成部分。 閉環控制的數控機床加工精度主要取決于檢測系統的精度。位移檢測系統能夠測量出的最小位移量稱為分辨率。分辨率不僅取決于檢測裝置本身，也取決于檢測電路。 數控機床上的檢測裝置應滿足以下要求：（1）滿足數控機床的精度和速度要求。 位置檢測裝置分辨率應高于數控機床的分辨率一個數量級； 位置檢測裝置最高允許的檢測速度應高于數控機床的最高運

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；（3）使用維護方便，適合機床運行環境。（4）成本低。6.1 位置檢測裝置概述數控機床上檢測裝置的分類 根據測量裝置的安裝及與機床運動部件的耦合方式來分可分為直接測量和間接測量檢測裝置; 按測量基點的類型來分可分為增量型和絕對型檢測裝置; 按所獲信號的不同可分為數字式和模擬式; 按位置檢測元件的運動類型不同可分為回轉型和直線型。6.1 位置檢測裝置概述數控機床檢測裝置的分類6.1 位置檢測裝置概述(1)數字式和模擬式數字式測量 將被測量單位量化為數字形式表示，測量信號量化后轉換成電脈沖，便于比較和顯

3、示處理。數字式檢測裝置比較簡單，脈沖信號抗干擾能力強，其測量精度與量程基本無關。模擬式測量 將被測量單位用連續的變量來表示。在大量程內作精確的模擬式檢測，在技術上有較高的要求，數控機床中模擬式檢測主要用于小量程測量。6.1 位置檢測裝置概述（2）增量式和絕對式增量式測量 只測量位移增量，移動一個測量單位即發出一個測量信號，位移的距離由增量值累計求得。優點：檢測裝置比較簡單，能做到高精度，任何一個對中點均 可作為測量起點。缺點：一旦計數有誤，此后結果全錯。發生故障時（如斷電， 斷刀等），事故排除后，很難找到正確位置。絕對式測量 被測量的任一點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

4、值。這樣就避免了增量式檢測方式的缺陷，但其結構較為復雜，而且測量的分辨率與位移量均受到一定的限制。6.1 位置檢測裝置概述6.2 脈沖編碼器脈沖編碼器又稱編碼盤或碼盤，是一種回轉式數字測量元件，通常裝在被檢測軸上，隨被測軸一起轉動，它把機械轉角轉換成電脈沖，以測出軸的旋轉角度、位置和速度的變化，是一種常用的角位移測量裝置。編碼器分類：光電式，接觸式和電磁感應式三種 ，其中光電式編碼器有一定的缺點，但其優點突出，特別是精度高和可靠性好，因而廣泛應用于數控機床上。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：（1）非接觸測量，無接觸磨損，碼盤壽命長，精度保證性好；（2）允許測量轉速

5、高，精度較高；（3）光電轉換，抗干擾能力強；（4）體積小，便于安裝，適合于機床運行環境；（5）結構復雜，價格高，光源壽命短；（6）碼盤基片為玻璃，抗沖擊和抗震動能力差。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式光電脈沖編碼器兩種。增量式脈沖編碼器能夠把回轉件的旋轉方向、旋轉角度和旋轉速度準確測量出來。絕對式光電脈沖編碼器可將被測轉角換成相應的代碼來指示絕對位置而沒有累計誤差，是一種直接編碼式的測量裝置。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是由每轉發出的脈沖數來區分的。現在市場上提供的規格從 3636線線/ / 轉轉 到 1010萬線萬線

6、/ /轉轉都有；如何選擇： 滿足伺服系統要求的分辨率； 考慮機械傳動系統的參數。脈沖編碼器的分辨率（分辨角）為： =360/ N其中增量式碼盤的規格為N 線/轉（P/r）。增量式光電脈沖編碼器的結構abz碼盤基片透鏡光源光敏元件透光狹縫光欄板節距AABBZZm+/4信息處理裝置6.2.1 增量式脈沖編碼器當圓光柵旋轉時，光線透過兩個光柵的線紋部分，形成明暗相間的條紋。光電元件接收時斷時續的光信號，并轉換為交替變化的近似于正弦波的電流信號A和B，A信號和B信號相差90，經過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信號A和信號B的發生順序，

7、即可判斷光電編碼器軸的正反轉。若A相超前于B相，則對應正轉；若B相超前于A相，則對應反轉。數控系統正是利用這一相位關系來判斷方向的。還有一個“一轉脈沖”，稱為Z脈沖，該脈沖也是通過上述處理得來的。脈沖編碼器輸出信號有六相，分別為 、 。AA、ZZBB、6.2.1 增量式脈沖編碼器輸出信號的作用：A A、B B兩相的作用：兩相的作用： 根據脈沖的數目可得出被測軸的角位移； 根據脈沖的頻率可得出被測軸的轉速； 根據A、B兩相的相位超前滯后關系可判斷被測軸旋轉方向； 后續電路可利用A、B兩相的90相位差進行細分處理（四倍頻電路實現）。Z Z相的作用：相的作用： 被測軸的周向定位基準信號； 被測軸的旋

8、轉圈數記數信號。6.2.1 增量式脈沖編碼器 的作用： 后續電路可利用A、 兩相實現差分輸入，以消除遠距離傳輸的共模干擾。增量式光電脈沖編碼器在數控機床中的應用 光電脈沖編碼器在數控機床上，作為位置檢測裝置，將檢測信號反饋給數控裝置。 光電脈沖編碼器將位置檢測信號反饋給CNC裝置有兩種方式： 一是使用帶加減計數要求的可逆計數器，形成加計數脈沖和減計數脈沖； 二是使用有計數控制和計數要求的計數器，形成方向控制信號和計數脈沖。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數據容易丟失。增量

9、式編碼器獲得的所有計數都是相對于某一任意指定的基數（清零位置）而言。一旦停電或操作失誤，把基數丟失，就難以尋回來。為了解決此問題，在新型的數字化伺服驅動器中，通過安裝鋰電池維持斷電后編碼器的位置。會產生誤差累積現象。針對以上問題，開發出了絕對式編碼器，它可以在任意處給出一個確定的與該位置唯一對應的讀數值，無論停電還是長時間不用，其數據都不會丟失，并且其誤差只與碼盤的精度有關，誤差不會因多次計數而累積。 6.2.1 增量式脈沖編碼器6.2.2 絕對式脈沖編碼器（1）絕對式脈沖編碼器的種類 絕對式編碼器是一種直接編碼和直接測量的檢測裝置。它能指示絕對位置，沒有累積誤差,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。 從編碼器使用的計數制來分類 二進制編碼、二進制循環碼（葛萊碼）、二-十進制碼等 從結構原理來分類 接觸式、光電式和電磁式等幾種。最常用的是光電式二進制循環碼編碼器。 6.2.2 絕對式脈沖編碼器各種碼盤的特點：n 接觸式碼盤 優點：簡單、體積小、輸出信號強、不需要放大； 缺點：電刷摩擦、壽命低、轉速不能太高(幾十轉每分鐘)， 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 優點：沒有接觸磨損、壽命長、轉速快，最外層每片寬度可 以做得更小，因而精度高。 缺點：結構復雜、價格高。6.2.2 絕對式脈沖編碼器6.2.2 絕對式脈沖編碼器n 電

11、磁式碼盤優點：無接觸碼盤，壽命長、轉速高等。原理：在導磁性好的軟鐵和坡莫合金圓盤上，用腐蝕的 方法做成相應碼制的凸凹圖形，當磁通通過碼盤 時，由于磁導大小不一樣，其感應電勢也不同， 因而可區分“0”和“1”，達到測量的目的。q 結構和工作原理 碼盤基片上有多圈碼道，且每碼道的刻線數相等； 對應每圈都有光電傳感器； 輸出信號的路數與碼盤圈數成正比； 檢測信號按某種規律編碼輸出，故可測得被測軸的周向絕對位置。6.2.2 絕對式脈沖編碼器23222120（3）混合式絕對值編碼器n 結構：在圓盤的的最外圈是高密度的增量條紋，中間有四個碼道組成絕對式的四位葛萊碼，每1/4個同心圓被葛萊碼分割為16個等分

12、段。圓盤最里面有一轉信號狹縫。n 工作原理：三級計數，粗、中、精計數。碼盤轉的轉數由對“一轉脈沖”的計數表示。在一轉以內的角度位置由葛萊碼的416不同數值表示。每1/4圓葛萊碼的細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測量轉子的空間位置與轉速。 6.2.2 絕對式脈沖編碼器6.3 光柵作用：用作直線位移或角位移的檢測。特點：測量輸出的信號為數字脈沖，具有檢測范圍大，測量精度高，響應速度快等特點，被廣泛應用于數控機床伺服測量系統中。6.3 光柵光柵的分類： 按其用途分為物理光柵和計量光柵。 物理光柵的刻線細而密，柵距在0.0020.005mm之間，通常用于光譜分析和光波波長測定。

13、計量光柵相對來說刻線較粗，柵距為0.0040.25mm之間，通常用于數字檢測系統。 按其制造方法和光學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光柵兩種。 圓光柵用于角度測量；長光柵用于直線位移檢測。光 柵6.3 光柵6.3.1 光柵的結構光柵是由標尺光柵和光柵讀數頭兩部分組成。 標尺光柵一般固定在機床活動部件上（如工作臺上），光柵讀數頭裝在機床固定部件上。 指示光柵裝在光柵讀數頭中。當光柵讀數頭相對于標尺光柵移動時，指示光柵便在標尺光柵上相對移動

14、。標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）要嚴格保證。（1）光柵尺 光柵尺是指標尺光柵和指示光柵，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。 6.3.1 光柵的結構（2）光柵讀數頭 光柵讀數頭又叫光電轉換器，它把光柵莫爾條紋變成電信號。光柵讀數頭都是由光源、透鏡、指示光柵、光敏元件和驅動電路組成。光柵讀數頭還有分光讀數頭、反射讀數頭和鏡像讀數頭等幾種。6.3.1 光柵的結構莫爾條紋演示當指示光柵上的線紋和標尺

15、光柵上的線紋成一小角度放置兩個光柵尺時，造成兩光柵尺上線紋相互交叉。在光源的照射下，交叉點附近的小區域內黑線重疊，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理論可以得到長光柵的斜率為：式中：W1主光柵的光柵常數 W2指示光柵的光柵常數； 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，莫爾條紋由亮帶到暗帶，再由暗 帶到亮帶，透過的光強度分布近似于余弦函數。（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，這樣柵距之間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）莫爾條紋的移動與柵距之間的移動成比例。 當光柵移動一個柵距時，莫爾條紋也相應移動一個莫爾條紋寬度W；若光柵移動方向相反，則莫爾條紋移動方向也相反。莫爾條紋移動方向與光柵移動方向垂直。這樣測量光柵水平方向移動的微小距離就用檢測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 光柵在數控機床中的應用在數控機床中的光柵測量系統的組成如圖所示，光柵移動時產生的莫爾條紋由光電元件接受，然后經過位移-數字變換電路形成正走時的正向脈沖或反走時的反向脈沖，由可逆計數器接收。位移-數字變換電路也叫光柵測量電路或叫四倍頻細分電路。上圖中的a、b、c、d是四塊光電池，產生的信號，相位彼此差90。a、c信號是相位差180的兩個信