1、數控技術應用之位置檢測工作裝置本章主要內容6.1 概述6.2 光柵6.3 脈沖編碼器6.4 旋轉變壓器6.5 感應同步器6.1 概述 位置檢測裝置是數控機床的重要組成局部。在閉環、半閉環控制系統中，它的主要作用是檢測位移和速度，并發出反響信號，構成閉環或半閉環控制。 數控機床對位置檢測裝置的要求如下：1工作可靠，抗干擾能力強；2滿足精度和速度的要求；3易于安裝，維護方便，適應機床工作環境；本錢低。 位置檢測裝置按工作條件和測量要求不同，有下面幾種分類方法： 1. 直接測量 直接測量是將直線型檢測裝置安裝在移動部件上，用來直接測量工作臺的直線位移，作為全閉環伺服系統的位置反響信號，而構成位置閉環

2、控制。其優點是準確性高、可靠性好，缺點是測量裝置要和工作臺行程等長，所以在大型數控機床上受到一定限制。2. 間接測量 它是將旋轉型檢測裝置安裝在驅動電機軸或滾珠絲杠上，通過檢測轉動件的角位移來間接測量機床工作臺的直線位移，作為半閉環伺服系統的位置反響用。 優點是測量方便、無長度限制。缺點是測量信號中增加了由回轉運動轉變為直線運動的傳動鏈誤差，從而影響了測量精度。6.1.1 直接測量和間接測量1. 數字式測量 它是將被測的量以數字形式來表示，測量信號一般為脈沖，可以直接把它送到數控裝置進行比較、處理。信號抗干擾能力強、處理簡單。2. 模擬量測量 它是將被測的量用連續變量來表示，如電壓變化、相位變

3、化等。它對信號處理的方法相對來說比較復雜。6.1.2 數字式測量和模擬式測量1. 增量式測量 在輪廓控制數控機床上多采用這種測量方式，增量式測量只測相對位移量，如測量單位為0.001mm，那么每移動0.001mm就發出一個脈沖信號，其優點是測量裝置較簡單，任何一個對中點都可以作為測量的起點，而移距是由測量信號計數累加所得，但一旦計數有誤，以后測量所得結果完全錯誤。 2. 絕對式測量 絕對式測量裝置對于被測量的任意一點位置均由固定的零點標起，每一個被測點都有一個相應的測量值。測量裝置的結構較增量式復雜，如編碼盤中，對應于碼盤的每一個角度位置便有一組二進制位數。顯然，分辨精度要求愈高，量程愈大，那

4、么所要求的二進制位數也愈多，結構就愈復雜。 6.1.3 增量式測量和絕對式測量6.2 光柵 根據光線在光柵中是透射還是反射分為透射光柵和反射光柵，透射光柵分辨率較反射光柵高，其檢測精度可達1m以上。 從形狀上看，又可分為圓光柵和直線光柵。圓光柵用于測量轉角位移，直線光柵用于檢測直線位移。兩者工作原理根本相似，本節著重介紹一種應用比較廣泛的透射式直線光柵。 直線光柵通常包括一長和一短兩塊配套使用，其中長的稱為標尺光柵或長光柵，一般固定在機床移動部件上，要求與行程等長。短的為指示光柵或短光柵，裝在機床固定部件上。兩光柵尺是刻有均勻密集線紋的透明玻璃片，線紋密度為25、50、100、250條/mm等

5、。線紋之間距離相等，該間距稱為柵距，測量時它們相互平行放置，并保持0.050.1mm的間隙。6.2.1 結構光柵尺實物圖9 當指示光柵上的線紋與標尺光柵上的線紋成一小角度放置時，兩光柵尺上線紋互相交叉。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，其它局部為明亮條紋，這種明暗相間的條紋稱為莫爾條紋。莫爾條紋與光柵線紋幾乎成垂直方向排列。嚴格地說，是與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直。6.2.2 工作原理莫爾條紋具有如下特點：1. 放大作用 用Wmm表示莫爾條紋的寬度，P(mm)表示柵距，(rad)為光柵線紋之間的夾角，如右圖所示那么有莫爾條紋寬度W與角成反比，越小，放大倍數越大。2

6、. 均化誤差作用 莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同組成，例如，200條/mm的光柵，10mm寬的光柵就由2000條線紋組成，這樣柵距之間的固有相鄰誤差就被平均化了，消除了柵距之間不均勻造成的誤差。標尺光柵W指示光柵斜P3. 莫爾條紋的移動與柵距的移動成比例 當光柵尺移動一個柵距P時，莫爾條紋也剛好移動了一個條紋寬度W。只要通過光電元件測出莫爾條紋的數目，就可知道光柵移動了多少個柵距，工作臺移動的距離可以計算出來。假設光柵移動方向相反，那么莫爾條紋移動方向也相反。標尺光柵W指示光柵斜P標尺方向指示尺轉角方向莫爾條紋方向標尺方向指示尺轉角方向莫爾條紋方向光柵測量系統 光柵測量系統如下圖，由光源、聚光

7、鏡、光柵尺、光電元件和驅動線路組成。讀數頭光源發出輻射光線，經過聚光鏡后變為平行光束，照射光柵尺。光電元件常使用硅光電池接受透過光柵尺光強信號，并將其轉換成相應的電壓信號。由于此信號比較微弱，驅動線路的作用就是將電壓信號進行電壓和功率放大。 除標尺光柵與工作臺一起移動外，其他均裝在一個殼體內，作成一個單獨部件固定在機床上，這個部件稱為光柵讀數頭，又叫光電轉換器，其作用把光柵莫爾條紋的光信號變成電信號。 當光柵移動一個柵距，莫爾條紋便移動一個條紋寬度，理論上光柵亮度變化是一個三角波形，但由于漏光和不能到達最大亮度，被削頂削底后而近似一個正弦波見左圖。硅光電池將近似正弦波的光強信號變為同頻率的電壓

8、信號見右圖，經光柵位移數字變換電路放大、整形、微分輸出脈沖。每產生一個脈沖，就代表移動了一個柵距那么大的位移，通過對脈沖計數便可得到工作臺的移動距離。光柵位移O光柵的實際亮度變化光柵位移電壓O 光柵的輸出波形圖亮度6.2.3 應用光柵位移數字轉換系統1.鑒向 采用一個光電元件即只開一個窗口觀察，只能計數，卻無法判斷移動方向。因為無論莫爾條紋上移或下移，從一固定位置看其明暗變化是相同的。為了確定運動方向，至少要放置兩個光電元件，兩者相距1/4莫爾條紋寬度。當光柵移動時，莫爾條紋通過兩個光電元件的時間不同，所以兩個光電元件所獲得的電信號雖然波形相同，但相位相差90o。根據兩光電元件輸出信號的超前和

9、滯后，可以確定標尺光柵移動方向。2.提高精度 增加線紋密度，能提高光柵檢測裝置的精度，但制造較困難，本錢高。在實際應用中，既要提高測量精度，同時又能到達自動辨向的目的，通常采用倍頻或細分的方法來提高光柵的分辨精度，如果在莫爾條紋的寬度內，放置四個光電元件，每隔1/4光柵柵距產生一個脈沖，一個脈沖代表移動了1/4柵距那么大位移，分辨精度可提高四倍，這就是四倍頻方案。1. P1、P3信號是相位差180o的兩個信號，差動得正弦信號。同理，P2、P4信號送另一個差動放大器，得余弦信號。2. 正余弦經整形變成方波A和B，為使每隔1/4節距都有脈沖，把A、B各自反向一次得C、D信號，3. A、B、C、D信

10、號再經微分變成窄脈沖A、B、C、D，即在正走或反走時每個方波的上升沿產生窄脈沖，4. 由與門電路把0o、90o、180o、270o四個位置上產生的窄脈沖組合起來，根據不同的移動方向形成正向或反向脈沖。圖中的P1、P2、P3、P4是四塊硅光電池，產生的信號相位彼此相差90o。3.測量原理圖其波形圖sincosABCDABCD正向 相加AB+AD+CD+BC反向 相加BC+CD+AD+AB 四倍頻辨向電路波形 假設光柵柵距0.01mm，那么工作臺每移動0.0025mm，就會送出一個脈沖，即分辨率為0.0025mm。由此可見，光柵檢測系統的分辨力不僅取決于光柵尺的柵距，還取決于鑒向倍頻的倍數。除四倍

11、頻以外，還有十倍頻、二十倍頻等。6.3 脈沖編碼器 脈沖編碼器是一種旋轉式脈沖發生器，能把機械轉角變成電脈沖。脈沖編碼器可分為增量式與絕對式兩類。 從產生元件上分，脈沖編碼器有光電式、接觸式、電磁感應式三種，從精度和可靠性來看，光電式較好，數控機床上主要使用的是光電式脈沖編碼器。 型號用 脈沖數/轉p/r分，常用的2000，2500，3000p/r, 現在有10萬p/r以上的產品。 它可以用于角度檢測，也可用于速度檢測。通常它與電機做成一體，或安裝在非軸伸端。 光電式脈沖編碼器的特點：檢測方式是非接觸式的，無摩擦和磨損，驅動力小，響應速度快。脈沖編碼器實物圖6.3.1 絕對式編碼器 絕對式編碼

12、器是一種旋轉式檢測裝置，可直接把被測轉角用數字代碼表示出來，且每一個角度位置均有其對應的測量代碼，它能表示絕對位置，沒有累積誤差，電源切除后，位置信息不喪失，仍能讀出轉動角度。 絕對式編碼器有光電式、接觸式和電磁式三種，以接觸式四位絕對編碼器為例來說明其工作原理。如下圖為二進制碼盤。它在一個不導電基體上作成許多金屬區使其導電，其中有剖面線局部為導電區，用“1表示；其它局部為絕緣區，用“0表示。每一徑向，由假設干同心圓組成的圖案代表了某一絕對計數值 通常，我們把組成編碼的各圈稱為碼道，碼盤最里圈是公用的，它和各碼道所有導電局部連在一起，經電刷和電阻接電源負極。在接觸式碼盤的每個碼道上都裝有電刷，

13、電刷經電阻接到電源正極圖b。當檢測對象帶動碼盤一起轉動時，電刷和碼盤的相對位置發生變化，與電刷串聯的電阻將會出現有電流通過或沒有電流通過兩種情況。 假設回路中的電阻上有電流通過，為“1；反之，電刷接觸的是絕緣區，電阻上無電流通過，為“0。如果碼盤順時針轉動，就可依次得到按規定編碼的數字信號輸出，圖示為4位二進制碼盤，根據電刷位置得到由“1和“0組成的二進制碼，輸出為0000、0001、00101111。 碼盤位數越大，所能分辨的角度越小，測量精度越高。假設要提高分辨力，就必須增多碼道，即二進制位數增多。 目前接觸式碼盤一般可以做到9位二進制，光電式碼盤可以做到18位二進制。 用二進制代碼做的碼

14、盤，如果電刷安裝不準，會使得個別電刷錯位，而出現很大的數值誤差。如前2頁圖，當電刷由位置0111向1000過渡時，可能會出現從81000到151111之間的讀數誤差，一般稱這種誤差為非單值性誤差。 原因缺點： 圖案變化無規律，在使用中多位同時變化，易產生較多的誤讀。 為消除這種誤差，可采用葛萊碼盤。 下頁圖為葛萊碼盤，其各碼道的數碼不同時改變，任何兩個相鄰數碼間只有一位是變化的，每次只切換一位數，把誤差控制在最小范圍內。 二進制碼轉換成葛萊碼的法那么是：將二進制碼右移一位并舍去末位的數碼，再與二進制數碼作不進位加法，結果即為葛萊碼。 葛萊碼盤 例如，二進制碼1101對應的葛萊碼為1011，其演

15、算過程如下： 1101 二進制碼 1101不進位相加，舍去末位 1011 葛萊碼 1000 1 2 3 4 5 7 8 9 10 11 12 13 14 0000 6 0 0001 0011 0010 0110 0111 0101 1001 1011 1010 1110 1111 1101 0100 1100 15 光電盤是用玻璃材料研磨拋光制成，玻璃外表在真空中鍍上一層不透光的鉻，然后用照相腐蝕法在上面制成向心透光窄縫。透光窄縫在圓周上等分，其數量從幾百條到幾千條不等。圓盤也用玻璃材料研磨拋光制成，其透光窄縫為兩條，每一條后面安裝有一只光電元件。光電盤與工作軸連在一起 ，1.光電盤轉動時，每

16、轉過一個縫隙就發生一次光線的明暗變化，光電元件把通過光電盤和圓盤射來的忽明忽暗的光信號轉換為近似正弦波的電信號，2.經過整形、放大、和微分處理后，輸出脈沖信號。3.通過記錄脈沖的數目，就可以測出轉角。測出脈沖的變化率，即單位時間脈沖的數目，就可以求出速度。6.3.2 增量式脈沖編碼器光電式脈沖編碼器，它由光源、聚光鏡、光電盤、圓盤、光電元件和信號處理電路等組成如圖。電流AB節距tA1B1900圖5-15 脈沖編碼器輸出波形 為了判斷旋轉方向，圓盤的兩個窄縫距離彼此錯開1/4節距，使兩個光電元件輸出信號相位差900。如圖5-15所示，A、B信號為具有900相位差的正弦波，經放大和整形變為方波A1

17、、B1。 設A相比B相超前時為正方向旋轉，那么B相超前A相就是負方向旋轉，利用A相與B相的相位關系可以判別旋轉方向。此外，在光電盤的里圈不透光圓環上還刻有一條透光條紋，用以產生每轉一個的零位脈沖信號，它是軸旋轉一周在固定位置上產生一個脈沖。6.4 旋轉變壓器6.4.1 結構與工作原理 旋轉變壓器是輸出電壓信號與轉子轉角成一定函數關系的控制微電機, 旋轉變壓器是一種角位移測量裝置，由定子和轉子組成。 旋轉變壓器的工作原理與普通變壓器根本相似，其中 1.定子繞組作為變壓器的一次側，接受勵磁電壓。 2.轉子繞組作為變壓器的二次側，通過電磁耦合得到感應電壓，只是其輸出電壓大小與轉子位置有關。 旋轉變壓

18、器通過測量電動機或被測軸的轉角來間接測量工作臺的位移。旋轉變壓器分為單極和多極形式。旋轉變壓器實物圖 如下圖，單極型旋轉變壓器的定子和轉子各有一對磁極，假設加到定子繞組的勵磁電壓，那么轉子通過電磁耦合，產生感應電壓。 旋轉變壓器工作原理結構圖式中 K變壓比即繞組匝數比； Vm勵磁信號的幅值； 勵磁信號角頻率； 旋轉變壓器轉角。轉子繞組中產生的感應電壓為兩磁軸平行，此時轉子繞組中感應電壓最大，即 實際使用時通常采用多極形式，如正余弦旋轉變壓器，其定子和轉子均由兩個匝數相等，軸線相互垂直的繞組構成，轉子輸出電壓那么為應用疊加原理，其磁通為 正余弦旋轉變壓器工作原理Us定子Uc轉子6.4.2 應用

19、兩種典型工作方式，鑒相式和鑒幅式。鑒相式是根據感應輸出電壓的相位來檢測位移量；鑒幅式是根據感應輸出電壓的幅值來檢測位移量。 1.鑒相工作方式 給定子兩繞組分別通以幅值相同、頻率相同、相位差900的交流勵磁電壓，即 這兩個勵磁電壓在轉子繞組中都產生了感應電壓，電壓的代數和： 由上兩式可見，轉子輸出電壓的相位角和轉子的偏轉角之間有嚴格的對應關系，這樣，只要檢測出轉子輸出電壓的相位角，就可知道轉子的轉角。由于旋轉變壓器的轉子和被測軸連接在一起，所以，被測軸的角位移就知道了。 假設，轉子逆向轉動，可得2. 鑒幅工作方式 給定子的兩個繞組分別通以頻率相同、相位相同、幅值分別按正弦和余弦變化的交流激磁電壓

20、，即式中 激磁繞組中的電氣角。 Umsin , Umcos 為定子兩繞組激磁信號的幅值那么轉子上的疊加電壓為同理，如果轉子逆向轉動，可得(5-4) 由式(5-3)和(5-4)可見，轉子感應電壓的幅值隨轉子的偏轉角而變化，測量出幅值即可求得轉角。 如果將旋轉變壓器裝在數控機床的滾珠絲杠上，當角從00到3600時，絲杠上的螺母帶開工作臺移動了一個導程，間接測量了執行部件的直線位移。測量所走過的行程時，可加一個計數器，累計所轉的轉數，折算成位移總長度。6.5 感應同步器 6.5.1 結構與工作原理 感應同步器和旋轉變壓器均為電磁式檢測裝置，屬模擬式測量，二者工作原理相同，其輸出電壓隨被測直線位移或角

21、位移而改變。 感應同步器按其結構特點一般分為直線式和旋轉式兩種： 直線式感應同步器由定尺和滑尺組成，用于直線位移測量。 旋轉式感應同步器由轉子和定子組成，用于角位移測量。 以直線式感應同步器為例，介紹其結構和工作原理。 直線感應同步器相當于一個展開的多極旋轉變壓器，其結構如下圖，定尺和滑尺的基板采用與機床熱膨脹系數相近的鋼板制成，鋼板上用絕緣粘結劑貼有銅箔，并利用腐蝕的方法做成圖示的印刷繞組。長尺叫定尺，安裝在機床床身上，短尺為滑尺，安裝于移動部件上，兩者平行放置，保持0.250.05mm間隙。圖5-16 直線感應同步器結構 U2定尺滑尺余弦繞組正弦繞組USUc 感應同步器兩個單元繞組之間的距離為節距，滑尺和定尺的節距均為2，這是衡量感應同步器精度的主要參數。標準感應同步器定尺長250mm，滑尺長100mm，節距為2mm。定尺上是單向、均勻、連續的感應繞組，滑尺有兩組繞組，一組為正弦繞組，另一為余弦繞組。當正弦繞組與定尺繞組對齊時，余弦繞組與定尺繞組相差1/4節距。U2定尺滑尺余弦繞組正弦繞組USUc2 當滑尺任意一繞