第5章數控機床常用檢測裝置5.1檢測裝置簡介檢測元件的精度主要包括系統精度和系統分辨率兩項。系統精度是指在一定長度或轉角范圍內測量積累誤差的最大值，目前一般長度位置檢測精度均已達到±0.002mm/m以內，回轉角測量精度達到±10″/360°；系統分辨率是測量元件所能正確檢測的最小位移量，目前長度位移的分辨率多數為1μm，高精度系統分辨率可達0.1μm，回轉分辨率為2″。不同類型數控機床對檢測裝置的精度和使用速度要求是不同的。2024/1/241.5.1檢測裝置簡介系統分辨率的提高，對加工精度有一定的影響，但也不宜過小，分辨率的選取通常和脈沖當量的選取方法一樣，數值也相同，均按機床加工精度的1/3~1/10選取。數控機床對檢測裝置的主要要求有：工作可靠，抗干擾性能強。使用維護方便，適應機床的工作環境。滿足精度和速度的要求。易于實現高速的動態測量、處理的自動化。成本低。2024/1/242.5.2旋轉變壓器5.2.1旋轉變壓器的結構和工作原理（1）旋轉變壓器的結構圖5-1旋轉變壓器a）有刷結構b）無刷結構2024/1/243.5.2.1旋轉變壓器的結構和工作原理2024/1/244.5.2.2旋轉變壓器的應用（1）2024/1/245.5.2.2旋轉變壓器的應用（2）2024/1/246.5.2.2旋轉變壓器的應用（3）2024/1/247.5.3感應同步器5.3.1感應同步器的結構和種類按結構可分為直線感應同步器和圓形感應同步器兩種，直線式用于測量直線位移，而圓形感應同步器用于檢測角位移。直線式由定尺和滑尺兩部分組成；而圓形感應同步器由定子和轉子組成。感應同步器的這兩部分繞組相當于旋轉變壓器的初級和次級線圈，它們都是利用交變磁場和互感原理工作的。2024/1/248.5.3.1感應同步器的結構和種類2024/1/249.5.3.2感應同步器的工作原理(1)如圖5-8所示，滑尺上具有在空間上相差1/4節距的正弦繞組和余弦繞組，且定尺與滑尺節距相同。當滑尺勵磁繞組與定尺感應繞組間發生相對位移時，由于電磁耦合的作用，感應繞組中的感應電壓隨位移的變化而呈周期性地變化，感應同步器就是利用這一特點來檢測滑尺相對定尺的位置的。圖5–8直線感應同步器的結構2024/1/2410.5.3.2感應同步器的工作原理(2)圖5-9感應同步器工作原理當定尺繞組與滑尺繞組之一相重合時，如圖5-9的A點，這時定尺輸出的感應電壓最大；當滑尺繞組相對于定尺繞組平行移動時，感應電壓逐漸減小，到達1/4節距的位置B時，由于各滑尺線圈磁場在定尺各線圈中產生的電壓方向相反，所以定尺線圈輸出電壓為零；如果滑尺繼續向C點移動，則滑尺磁場在定尺中產生的電壓在負方向上逐漸增大，C點達到最大；當滑尺再向D點移動時，定尺電壓又逐漸變為零。當移動一個節距，到達E點時，又與A點的情況相同。2024/1/2411.5.3.4感應同步器測量系統感應同步器也有：鑒相測量系統和鑒幅測量系統。（1）鑒相測量系統給感應同步器滑尺的兩個正余弦繞組分別供以頻率和幅值相同，相位差為90°的勵磁信號：則滑尺二繞組在定尺繞組中分別產生的感應電動勢為：2024/1/2412.5.3.4感應同步器測量系統（2）鑒幅測控系統鑒幅工作方式是根據感應輸出電壓的幅值變化來檢測位移的。在這種工作方式下，滑尺的兩個正余弦繞組分別供以頻率和相位相同，幅值不同正弦電壓，即2024/1/2413.5.4光柵光柵是利用光的反射、透射和干涉現象制成，有物理光柵和計量光柵。物理光柵兩刻線之間距離在0.002-0.005mm之間，常用于光譜分析和光波波長的測定；計量光柵柵距在0.004-0.025mm之間，常用于高精度位移的檢測，是數控系統中應用較多的一種檢測裝置5.4.1計量光柵的種類按照不同的分類方法，計量光柵可分為：直線光柵和圓形光柵；逶射光柵和反射光柵；增量式光柵和絕對式光柵等。2024/1/2414.5.4.2計量光柵的工作原理（1）2024/1/2415.5.4.2計量光柵的工作原理（2）莫爾條紋有以下幾個重要特性：1）平均效應莫爾條紋是由大量的光柵線紋共同作用產生的，對光柵的線紋誤差有平均作用。從而可以在很大程度上消除光柵線紋的制造誤差。光柵越長，參加工作的線紋越多，這種平均效應就越大。2）對應關系如圖5-11所示，當光柵移動一個柵距d，摩爾條紋也相應移動一個紋距W，其光強變化近似正弦波形；若移動方向相反，則摩爾條紋移動的方向也相反。3）放大作用2024/1/2416.5.4.2計量光柵的工作原理（3）2024/1/2417.5.4.2計量光柵的工作原理（4）（2）光電轉換光柵檢測系統的光電轉換轉由光柵讀數頭完成。最基本的光柵讀數頭由光源、聚光鏡、指示尺光柵和硅光電池組成，如圖5-12a所示。為了便于說明其工作原理，以光閘莫爾光柵為例，說明當光柵移動一個柵距時，其輸出波形和兩塊光柵相互位置變化的關系。2024/1/2418.5.4.2計量光柵的工作原理（5）當兩塊光柵的刻線重合時，透光最多，光電池輸出的電壓信號最大；當光柵1向右移動半個柵距時，兩塊光柵的暗線紋將明線紋遮住，透光近似于0，光電池輸出最小；再移動半個柵距，則兩塊光柵的刻線又重合，光電池輸出又達到最大值。這種光柵的遮光作用與光柵的移動距離成線性關系，所以光電池的光接收量也與光柵的移動距離成線性關系，即光電池的輸出電壓波形也近似于三角形。但這是一種理想的狀態，只有在兩塊光柵的夾角為0，刻線質量極好，而且刻線寬度均勻一致才能達到。2024/1/2419.5.4.2計量光柵的工作原理（6）2024/1/2420.5.4.3光柵的測量裝置（2）光柵測量裝置原理如前所述，光柵的移動形成了莫爾條紋，又經光電轉換成正弦電壓信號輸出。這樣的信號，只能用于計數，而不能辨別方向。實際應用中，即要求有較高的檢測精度，又能辨別方向。為了達到這種要求，通常使用分頻電路實現。下面介紹一種廣泛使用的四倍頻辨向電路工作原理。所謂四倍頻，就是采用四個光電元件和四個狹縫，使其與莫爾條紋相重合的位置相差1/4柵距。這樣，相鄰兩個光電元件輸出的正弦信號相差90°，經過整形和邏輯處理后即可得到能夠辨別方向的四倍頻脈沖信號。2024/1/2421.5.4.3光柵的測量裝置圖5-12光柵信號四倍頻電路2024/1/2422.5.5磁柵磁柵是用電磁方法計算磁波數目的一種位置檢測元件，可用作直線和角位移的測量。磁柵與同步感應器、光柵相比，測量精度略低。但具有復制簡單以及安裝方便等一系列優點，特別是在油污、粉塵較多的環境中應用，具有較好的穩定性。因此，磁柵較廣泛地應用在數控機床、精密機床和各種測量機上。2024/1/2423.5.5磁柵磁柵檢測裝置是將具有一定節距的磁化信號用記錄磁頭記錄在磁性標尺的磁膜上，用來作測量基準。在檢測過程中，用拾磁磁頭讀取磁性標尺上的磁化信號轉換成電信號，然后通過檢測電路把磁頭相動于磁尺的位置送給伺服控制系統或數字顯示裝置。磁柵檢測裝置由磁性標尺、拾磁磁頭和檢測電路三部分組成。2024/1/2424.5.5.1磁性標尺磁性標尺常采用不導磁材料做基體，在上面鍍上一層10~30μm厚的高磁性材料，形成均勻的磁膜。再用錄磁磁頭在磁尺上記錄節距相等的周期性變化的磁信號，用于作為測量基準，信號可為正弦波、方波等，節距通常為0.05、0.1、0.2μm等。最后磁尺表面涂上保護層，以防磁頭與磁尺頻繁接觸過程中的磁膜磨損。磁性標尺按形狀可分為：用于檢測直線位移的平面實體型磁尺、帶狀磁尺和同軸型線狀磁尺；用于檢測角位移的回轉型磁尺等，如圖5-13所示。2024/1/2425.5.5.1磁性標尺a)平面實體型磁尺b)帶狀磁尺c)同軸型線狀磁尺d)回轉型磁尺圖5-13按磁性標尺形狀分類的各種磁尺1-實體尺2-尺座（屏蔽罩）3-帶狀尺4-尺墊（泡沫塑料）

5-磁頭6-線狀尺7-磁尺8-組合磁頭9-尺座2024/1/2426.5.5.2讀數磁頭讀數磁頭是進行磁電轉換的器件。它將反映位置變化的磁化信號檢測出來，并轉換成電信號輸送給檢測電路。根據機床數字控制系統的要求，為了在低速運動和靜止時也能進行位置檢測，必須采用一種磁通響應型磁頭，而不能采用普通錄音機上的速度響應型磁頭。磁通響應型磁頭是一個帶有飽和鐵芯的二次諧波調制器，如圖5-14所示。

2024/1/2427.5.5.2讀數磁頭圖5-14磁通響應型磁頭2024/1/2428.5.5.3磁柵的工作原理（1）2024/1/2429.5.5.3磁柵的工作原理圖5–15雙磁頭配置原理圖2024/1/2430.5.6脈沖編碼器

脈沖編碼器是一種旋轉脈沖編碼器，它把機械轉角變成電脈沖，是一種常用的角位移傳感器。脈沖編碼器通常裝在被檢測的軸上，隨被測軸一起旋轉，可將被測軸的角位移轉換成增量式脈沖或絕對式代碼的形式。脈沖編碼器根據輸出信號的方式不同，可分為絕對值式編碼器和脈沖增量式編碼器；根據內部結構和檢測方式不同，可分為接觸式、光電式和電磁式三種。

2024/1/2431.5.6.1絕對式脈沖編碼器可直接把檢測轉角用數字代碼表示出來，每一個角度均有其對應的代碼，它把被測轉角轉換成相應的代碼指示絕對位置，沒有積累誤差。絕對式碼盤的編碼類型有二進制編碼、二－十進制編碼、格雷碼等。圖5-16為4位二進制接觸式絕對式碼盤。圖5-16接觸式絕對式編碼器的碼盤a）絕對式碼盤結構b）二進制碼盤c）格雷碼盤2024/1/2432.5.6.1絕對式脈沖編碼器將二進制碼右移一位并將末位舍去，然后將其與原碼進行不進位加法，則會得到與之相對應的雷格碼。接觸式碼盤體積小，輸出功率大，但易磨損，其使用壽命短，轉速也不能太高。光電式碼盤即是將接觸式碼盤的導電與不導電式區域用透明和不透明區域代替；電磁式碼盤則是用有磁和無磁替換接觸式碼盤的導電和不導電區域。2024/1/2433.5.6.1絕對式脈沖編碼器光電絕對值編碼器2024/1/2434.5.6.2脈沖增量式碼盤（1）結構及其特點增量式脈沖編碼器最初就是一種光電盤，它由光源、聚光鏡、光電盤、分度狹縫、光電元件、模數轉換線路及數字顯示裝置組成。光電盤可以用玻璃研磨拋光制成。玻璃表面在真空中鍍一層不透明的鉻，然后用照像腐蝕法在上面制成狹縫作透光用。狹縫的