第3章數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)

1、提提要要本章主要介紹本章主要介紹數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置作用及分類，講解光柵尺和脈沖編碼器作用及分類，講解光柵尺和脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)、工作原理及其應(yīng)用。的結(jié)構(gòu)、工作原理及其應(yīng)用。學(xué)時(shí)：學(xué)時(shí)：2學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)第第三三章章 數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)目目標(biāo)標(biāo) 掌握掌握光柵和脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理光柵和脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理 及應(yīng)用。及應(yīng)用。 了解了解數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置作用及類型。數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置作用及類型。第第三三章章 數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)建建議議學(xué)生學(xué)習(xí)本章節(jié)，可結(jié)合數(shù)控中心的學(xué)生學(xué)習(xí)本章節(jié)，可結(jié)合數(shù)控中心的數(shù)控機(jī)床來(lái)了解光柵和脈沖

2、編碼器和數(shù)控機(jī)床來(lái)了解光柵和脈沖編碼器和等位置檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原等位置檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理。理。第第三三章章 數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述 位置檢測(cè)裝置是位置檢測(cè)裝置是NCNC機(jī)床重要組成部分，在閉環(huán)系機(jī)床重要組成部分，在閉環(huán)系統(tǒng)中其主要作用是檢測(cè)位移量，并發(fā)出反饋信號(hào)與數(shù)統(tǒng)中其主要作用是檢測(cè)位移量，并發(fā)出反饋信號(hào)與數(shù)控裝置的指令信號(hào)比較，如有偏差，經(jīng)放大后控制執(zhí)控裝置的指令信號(hào)比較，如有偏差，經(jīng)放大后控制執(zhí)行部件，使其朝消除偏差方向運(yùn)動(dòng)，直至偏差為零。行部件，使其朝消除偏差方向運(yùn)動(dòng)，直至偏差為零。 為提高數(shù)控機(jī)床的加工精度，須提高檢測(cè)元件和為提

3、高數(shù)控機(jī)床的加工精度，須提高檢測(cè)元件和檢測(cè)系統(tǒng)的精度，不同類型數(shù)控機(jī)床，對(duì)檢測(cè)元件和檢測(cè)系統(tǒng)的精度，不同類型數(shù)控機(jī)床，對(duì)檢測(cè)元件和檢測(cè)系統(tǒng)的精度要求、允許的最高移動(dòng)速度各不相同。檢測(cè)系統(tǒng)的精度要求、允許的最高移動(dòng)速度各不相同。 一般要求檢測(cè)元件的分辨率在一般要求檢測(cè)元件的分辨率在0.00010.00010.01mm0.01mm之之內(nèi)、測(cè)量精度為內(nèi)、測(cè)量精度為0.0010.0010.02mm/m,0.02mm/m,運(yùn)動(dòng)速度為運(yùn)動(dòng)速度為0 0 2424m/minm/min。一、位置檢測(cè)裝置的要求一、位置檢測(cè)裝置的要求 數(shù)控機(jī)床對(duì)位置檢測(cè)裝置的要求：數(shù)控機(jī)床對(duì)位置檢測(cè)裝置的要求：l檢測(cè)元件是數(shù)控機(jī)床

4、伺服系統(tǒng)的重要組成部分。它的檢測(cè)元件是數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的重要組成部分。它的作用是檢測(cè)位移，發(fā)送反饋信號(hào)，構(gòu)成閉環(huán)控制。作用是檢測(cè)位移，發(fā)送反饋信號(hào)，構(gòu)成閉環(huán)控制。l數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度主要由檢測(cè)系統(tǒng)的精度決定數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度主要由檢測(cè)系統(tǒng)的精度決定。l位移檢測(cè)系統(tǒng)能夠測(cè)量的最小位移量稱為分辨率位移檢測(cè)系統(tǒng)能夠測(cè)量的最小位移量稱為分辨率。l分辨率不僅取決于檢測(cè)元件本身，也取決于測(cè)量線路分辨率不僅取決于檢測(cè)元件本身，也取決于測(cè)量線路。在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床，尤其是高精度或大中型數(shù)控機(jī)床。在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床，尤其是高精度或大中型數(shù)控機(jī)床時(shí)，必須時(shí)，必須選用檢測(cè)元件。選用檢測(cè)元件。二、位置檢測(cè)裝置的分類二、位置檢

5、測(cè)裝置的分類從檢測(cè)的從檢測(cè)的信號(hào)分信號(hào)分 直線型直線型回轉(zhuǎn)型回轉(zhuǎn)型 從傳感器從傳感器輸出信號(hào)分輸出信號(hào)分 模擬式模擬式 數(shù)字式數(shù)字式 2 2檢測(cè)傳感器分類檢測(cè)傳感器分類直線感應(yīng)同步器、長(zhǎng)光柵、直線感應(yīng)同步器、長(zhǎng)光柵、 長(zhǎng)磁柵、激光干涉儀長(zhǎng)磁柵、激光干涉儀旋轉(zhuǎn)變壓器、圓感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器、圓感應(yīng)同步器、圓光柵、圓磁柵、編碼盤圓光柵、圓磁柵、編碼盤光柵檢測(cè)裝置、脈沖編碼盤光柵檢測(cè)裝置、脈沖編碼盤旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器 感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)環(huán)境要求低，維護(hù)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)環(huán)境要求低，維護(hù)簡(jiǎn)單、價(jià)格低，壽命較長(zhǎng)，具有一定精度、應(yīng)用較廣。價(jià)格低，壽命較長(zhǎng)，

6、具有一定精度、應(yīng)用較廣。 光柵光柵抗干擾能力強(qiáng)，高分辨率、大量程、測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)，高分辨率、大量程、測(cè)量精度高、應(yīng)用廣泛，但成本較高，制造工藝要求高。應(yīng)用廣泛，但成本較高，制造工藝要求高。 磁柵磁柵抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)環(huán)境條件要求低，安裝調(diào)整方便，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)環(huán)境條件要求低，安裝調(diào)整方便，精度高，但存在磁信號(hào)的穩(wěn)定性，磁頭磨損等問(wèn)題。精度高，但存在磁信號(hào)的穩(wěn)定性，磁頭磨損等問(wèn)題。 3 3檢測(cè)元件的特點(diǎn)檢測(cè)元件的特點(diǎn) 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器抗干擾能力強(qiáng)、工作可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、工作可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作靈敏、信號(hào)輸出幅度大，對(duì)環(huán)境無(wú)特殊要求，維護(hù)方便，動(dòng)作靈敏、信號(hào)輸出幅度大，對(duì)

7、環(huán)境無(wú)特殊要求，維護(hù)方便，應(yīng)用廣泛。應(yīng)用廣泛。 脈沖編碼盤脈沖編碼盤工作可靠、精度高，結(jié)構(gòu)緊湊、成本低，工作可靠、精度高，結(jié)構(gòu)緊湊、成本低，是精密數(shù)字控制和伺服系統(tǒng)中常用的角位移數(shù)字式檢測(cè)元是精密數(shù)字控制和伺服系統(tǒng)中常用的角位移數(shù)字式檢測(cè)元器件，但抗污染能力差，易損壞。器件，但抗污染能力差，易損壞。 激光干涉儀激光干涉儀精度很高，但抗震性、抗干擾能力差，精度很高，但抗震性、抗干擾能力差，價(jià)格較貴，應(yīng)用較少。價(jià)格較貴，應(yīng)用較少。 l不同類型不同類型NCNC機(jī)床對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)要求不同。大型數(shù)機(jī)床對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)要求不同。大型數(shù)控機(jī)床要求速度響應(yīng)高，中型和高精度數(shù)控機(jī)控機(jī)床要求速度響應(yīng)高，中型和高精度數(shù)控機(jī)床

8、以滿足精度要求為主。測(cè)量系統(tǒng)分辨率一般床以滿足精度要求為主。測(cè)量系統(tǒng)分辨率一般要求比加工精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)。要求比加工精度高一個(gè)數(shù)量級(jí)。l直接測(cè)量直接測(cè)量-對(duì)機(jī)床直線位移采用直線型檢測(cè)元對(duì)機(jī)床直線位移采用直線型檢測(cè)元件測(cè)量，其測(cè)量精度取決于測(cè)量元件精度件測(cè)量，其測(cè)量精度取決于測(cè)量元件精度，不，不受機(jī)床傳動(dòng)精度的影響。受機(jī)床傳動(dòng)精度的影響。l間接測(cè)量間接測(cè)量-對(duì)機(jī)床直線位移采用回轉(zhuǎn)型檢測(cè)元對(duì)機(jī)床直線位移采用回轉(zhuǎn)型檢測(cè)元件測(cè)量，測(cè)量精度取決于測(cè)量元件和機(jī)床傳動(dòng)件測(cè)量，測(cè)量精度取決于測(cè)量元件和機(jī)床傳動(dòng)鏈兩者的精度。為提高定位精度，常需對(duì)機(jī)床鏈兩者的精度。為提高定位精度，常需對(duì)機(jī)床傳傳動(dòng)誤差進(jìn)行補(bǔ)償。動(dòng)

9、誤差進(jìn)行補(bǔ)償。二、位置檢測(cè)裝置的分類二、位置檢測(cè)裝置的分類表表3-1 3-1 數(shù)控機(jī)床檢測(cè)裝置分類數(shù)控機(jī)床檢測(cè)裝置分類分分 類類 增增 量量 式式 絕絕 對(duì)對(duì) 式式 位移位移傳感器傳感器 回轉(zhuǎn)型回轉(zhuǎn)型脈沖編碼器、脈沖編碼器、自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、圓自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、圓感應(yīng)同步器、光柵角度傳感感應(yīng)同步器、光柵角度傳感器、圓光柵、圓磁柵器、圓光柵、圓磁柵 多極旋轉(zhuǎn)變壓器、多極旋轉(zhuǎn)變壓器、絕對(duì)脈沖編碼器、絕對(duì)絕對(duì)脈沖編碼器、絕對(duì)值式光柵、三速圓感應(yīng)值式光柵、三速圓感應(yīng)同步器、磁阻式多極旋同步器、磁阻式多極旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)變壓器 直線型直線型直線應(yīng)同步器直線應(yīng)同步器 、光柵尺、磁柵尺、激光干、光柵尺、

10、磁柵尺、激光干涉儀、霍耳位置傳感器涉儀、霍耳位置傳感器 三速感應(yīng)同步器、三速感應(yīng)同步器、絕對(duì)值磁尺、光電編碼絕對(duì)值磁尺、光電編碼尺、磁性編碼器尺、磁性編碼器 速度速度傳感器傳感器 交、直流測(cè)速發(fā)電機(jī)、交、直流測(cè)速發(fā)電機(jī)、 數(shù)字脈編碼式速度傳感器、數(shù)字脈編碼式速度傳感器、霍耳速度傳感器霍耳速度傳感器 速度速度角度傳感器角度傳感器、數(shù)字電磁、磁敏式速、數(shù)字電磁、磁敏式速度傳感器度傳感器 電流電流傳感器傳感器 霍耳電流傳感器霍耳電流傳感器 測(cè)量方式測(cè)量方式將檢測(cè)裝置直接安在執(zhí)行部件上，如光柵，將檢測(cè)裝置直接安在執(zhí)行部件上，如光柵，感應(yīng)同步器用于直接測(cè)量工作臺(tái)直線位移。感應(yīng)同步器用于直接測(cè)量工作臺(tái)直線

11、位移。將檢測(cè)裝置安在滾珠絲杠或驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸上，將檢測(cè)裝置安在滾珠絲杠或驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸上，通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)件的角位移來(lái)間接測(cè)量執(zhí)行部通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)件的角位移來(lái)間接測(cè)量執(zhí)行部件的直線位移。件的直線位移。將被測(cè)量以數(shù)字形式表示，測(cè)量量一般為將被測(cè)量以數(shù)字形式表示，測(cè)量量一般為電脈沖。電脈沖。將被測(cè)的量以連續(xù)變量表示，如電壓變化、將被測(cè)的量以連續(xù)變量表示，如電壓變化、相位變化等。主要用于小量程測(cè)量。相位變化等。主要用于小量程測(cè)量。只測(cè)位移量，如測(cè)量單位為只測(cè)位移量，如測(cè)量單位為0.01 mm,0.01 mm,則每移動(dòng)則每移動(dòng)0.01mm0.01mm就發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)。就發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)。被測(cè)量的任意一點(diǎn)位置均由固

12、定的零點(diǎn)標(biāo)起，被測(cè)量的任意一點(diǎn)位置均由固定的零點(diǎn)標(biāo)起，每一個(gè)被測(cè)點(diǎn)都有一個(gè)相應(yīng)的測(cè)量值每一個(gè)被測(cè)點(diǎn)都有一個(gè)相應(yīng)的測(cè)量值。同步分解器同步分解器圓感應(yīng)分解器圓感應(yīng)分解器磁盤磁盤位置檢位置檢測(cè)裝置測(cè)裝置多級(jí)同步分解器多級(jí)同步分解器同步分解器組件同步分解器組件三重式圓感應(yīng)同步器三重式圓感應(yīng)同步器光電盤光電盤圓光柵圓光柵數(shù)碼盤數(shù)碼盤測(cè)角測(cè)角測(cè)長(zhǎng)測(cè)長(zhǎng)增量式增量式絕對(duì)式絕對(duì)式數(shù)字式數(shù)字式模擬式模擬式增量式增量式絕對(duì)式絕對(duì)式增量式增量式絕對(duì)式絕對(duì)式數(shù)字式數(shù)字式模擬式模擬式增量式增量式絕對(duì)式絕對(duì)式直線感應(yīng)分解器直線感應(yīng)分解器磁尺磁尺長(zhǎng)光柵長(zhǎng)光柵多通道透射光柵多通道透射光柵多重式直線感應(yīng)同步器多重式直線感應(yīng)同步器

13、第二節(jié)第二節(jié) 光柵光柵 光柵是閉環(huán)系統(tǒng)中用得比較多的檢測(cè)裝置，可用作光柵是閉環(huán)系統(tǒng)中用得比較多的檢測(cè)裝置，可用作直線位移和轉(zhuǎn)角的檢測(cè)直線位移和轉(zhuǎn)角的檢測(cè)。1 1光柵的結(jié)構(gòu)和種類光柵的結(jié)構(gòu)和種類l光柵有光柵有透射光柵透射光柵和和反射光柵反射光柵兩類。兩類。l透射光柵透射光柵 在透明玻璃片上刻有平行等距的密集線條，常用在透明玻璃片上刻有平行等距的密集線條，常用的有的有5050線線/ /毫米、毫米、l00l00線線/ /毫米和毫米和200200線線/ /毫米毫米( (指直線光柵指直線光柵) )。其特點(diǎn)是光源可采用垂直入射光，光電元件能直接接受，其特點(diǎn)是光源可采用垂直入射光，光電元件能直接接受，因此信

14、號(hào)幅值較大，信噪比好，讀數(shù)頭的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。因此信號(hào)幅值較大，信噪比好，讀數(shù)頭的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。l反射光柵反射光柵 在金屬鏡面上制成全反射或漫反射平行等距的密在金屬鏡面上制成全反射或漫反射平行等距的密集線條，常用的材料有鋼或鋁等，其每毫米刻線數(shù)有集線條，常用的材料有鋼或鋁等，其每毫米刻線數(shù)有4 4、1010、2525、4040、5050，甚至有，甚至有600600線，因此可以得到很高的精度，線，因此可以得到很高的精度，且長(zhǎng)度不受限制。且長(zhǎng)度不受限制。 包括標(biāo)尺光柵和指示光柵包括標(biāo)尺光柵和指示光柵. .根據(jù)制造方法和光學(xué)原理不同，光柵可分為透射光柵和反射光柵根據(jù)制造方法和光學(xué)原理不同，光柵可分為透射光柵和

15、反射光柵. . 透射光柵是在光學(xué)玻璃表面，或在玻璃表面感光材料的涂層透射光柵是在光學(xué)玻璃表面，或在玻璃表面感光材料的涂層上刻成光柵線紋。其特點(diǎn)是上刻成光柵線紋。其特點(diǎn)是: : 光源可以垂直入射，光電元件直接接受光照，因此信號(hào)幅光源可以垂直入射，光電元件直接接受光照，因此信號(hào)幅值比較大，信噪比好，光電密度為值比較大，信噪比好，光電密度為200200線線/mm/mm時(shí)，光柵本身就已時(shí)，光柵本身就已經(jīng)細(xì)分到經(jīng)細(xì)分到0.005mm0.005mm從而減輕了電子線路的負(fù)擔(dān)。從而減輕了電子線路的負(fù)擔(dān)。光光源源透透鏡鏡標(biāo)標(biāo)尺尺光光柵柵G Gs s指指示示光光柵柵G Gi i光光電電元元件件驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)電電路路驅(qū)驅(qū)

16、動(dòng)動(dòng)電電路路l光柵又可分為光柵又可分為直線光柵直線光柵和和圓盤光柵圓盤光柵l直線光柵是測(cè)量直線位移，直線光柵是測(cè)量直線位移，l圓盤光柵是測(cè)量角位移。圓盤光柵簡(jiǎn)稱圓盤光柵是測(cè)量角位移。圓盤光柵簡(jiǎn)稱圓光柵，其刻線呈輻射狀，在一圓周內(nèi)圓光柵，其刻線呈輻射狀，在一圓周內(nèi)的等距線紋數(shù)有三種形式：的等距線紋數(shù)有三種形式：6060進(jìn)制進(jìn)制(10800(10800，2160021600，3240032400，6480064800等線紋數(shù)等線紋數(shù)) )、1010進(jìn)制進(jìn)制(1000(1000，25002500，50005000等線紋數(shù)等線紋數(shù)) )、2 2進(jìn)制進(jìn)制(512(512，10241024，2048204

17、8等線紋數(shù)等線紋數(shù)) )，視需要而選擇。視需要而選擇。pW 光柵結(jié)構(gòu)：光柵結(jié)構(gòu)： 1.1.標(biāo)尺光柵、標(biāo)尺光柵、 2.2.指示光指示光柵、柵、3 3.光電元件、光電元件、4.4.光源。光源。 2 2光柵工作原理光柵工作原理i.光柵檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)光柵檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)光光源源透透鏡鏡標(biāo)標(biāo)尺尺光光柵柵G Gs s指指示示光光柵柵G Gi i光光電電元元件件驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)電電路路驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)電電路路執(zhí)行部件帶著標(biāo)尺光柵相對(duì)指示光柵移動(dòng)，通過(guò)讀數(shù)頭的光執(zhí)行部件帶著標(biāo)尺光柵相對(duì)指示光柵移動(dòng)，通過(guò)讀數(shù)頭的光電轉(zhuǎn)換，發(fā)送出與位移量對(duì)應(yīng)的數(shù)字脈沖信號(hào)，用作位置反電轉(zhuǎn)換，發(fā)送出與位移量對(duì)應(yīng)的數(shù)字脈沖信號(hào)，用作位置反饋信號(hào)或位置

18、顯示信號(hào)饋信號(hào)或位置顯示信號(hào) 原理原理 1 1）指示光柵與標(biāo)尺光柵刻度等寬。）指示光柵與標(biāo)尺光柵刻度等寬。2 2）平行裝配，且無(wú)摩擦）平行裝配，且無(wú)摩擦3 3）兩尺條紋之間有一定夾角）兩尺條紋之間有一定夾角4 4）當(dāng)指示光柵與標(biāo)尺光柵相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與光柵線）當(dāng)指示光柵與標(biāo)尺光柵相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與光柵線垂直的橫向的條紋，該條紋為莫爾條紋，當(dāng)移動(dòng)一個(gè)柵垂直的橫向的條紋，該條紋為莫爾條紋，當(dāng)移動(dòng)一個(gè)柵距時(shí)，摩爾條紋也移動(dòng)一個(gè)紋距距時(shí)，摩爾條紋也移動(dòng)一個(gè)紋距 標(biāo)尺光柵莫爾條紋莫爾條紋應(yīng)用較多的干涉條紋式光柵，是利用光的應(yīng)用較多的干涉條紋式光柵，是利用光的衍射現(xiàn)象產(chǎn)生莫爾干涉條紋。當(dāng)兩片光柵衍射現(xiàn)

19、象產(chǎn)生莫爾干涉條紋。當(dāng)兩片光柵互相平行，其刻線相互成一小角度互相平行，其刻線相互成一小角度時(shí)，時(shí)，兩光柵有相對(duì)運(yùn)動(dòng)就會(huì)生明暗相間的干涉兩光柵有相對(duì)運(yùn)動(dòng)就會(huì)生明暗相間的干涉條紋，將光源來(lái)的光經(jīng)透鏡變成平行光，條紋，將光源來(lái)的光經(jīng)透鏡變成平行光，垂直照射在光柵上，經(jīng)狹縫垂直照射在光柵上，經(jīng)狹縫s s和透鏡由光和透鏡由光電元件接受，即可得到與位移成比例的電電元件接受，即可得到與位移成比例的電信號(hào)。信號(hào)。干涉條紋的特點(diǎn)干涉條紋的特點(diǎn)當(dāng)當(dāng)d =0.01mmd =0.01mm，( (l00l00線線/ /毫米毫米)=0.01)=0.01弧度，紋距弧度，紋距W=1mmW=1mm，即利用擋光效應(yīng)，可把光柵線距

20、轉(zhuǎn)換成放大，即利用擋光效應(yīng)，可把光柵線距轉(zhuǎn)換成放大100100倍的摩倍的摩爾條紋的寬度。爾條紋的寬度。表明莫爾條紋的節(jié)距是柵距的表明莫爾條紋的節(jié)距是柵距的1 1倍。倍。(1)(1)干涉條紋方向與干涉條紋方向與標(biāo)尺光柵的刻線幾標(biāo)尺光柵的刻線幾乎垂直。乎垂直。(2)(2)放大作用放大作用: :用用W W（mmmm）表示莫爾條）表示莫爾條紋的寬度，紋的寬度，d d(mm)(mm)表示柵距，表示柵距，(rad(rad) )為光柵線紋之間的為光柵線紋之間的夾角。夾角。ddWsind d標(biāo)尺光柵標(biāo)尺光柵指示光柵指示光柵光柵節(jié)距光柵節(jié)距摩爾條紋節(jié)距摩爾條紋節(jié)距 作用：作用： 放大作用放大作用誤差均化作用誤差

21、均化作用 測(cè)量位移測(cè)量位移W W光柵傾角光柵傾角干涉條紋的特點(diǎn)(3)(3)誤差均化作用誤差均化作用：摩爾條紋是由許多根刻線共同形成的，摩爾條紋是由許多根刻線共同形成的，這樣可使光柵的節(jié)距誤差得到平均化。這樣可使光柵的節(jié)距誤差得到平均化。(4) (4) 信息變換作用信息變換作用：摩爾條紋的移動(dòng)：摩爾條紋的移動(dòng)與與柵距之間的移動(dòng)成比柵距之間的移動(dòng)成比例。當(dāng)兩個(gè)光柵相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距例。當(dāng)兩個(gè)光柵相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距d d時(shí)，摩爾時(shí)，摩爾條紋相應(yīng)地移條紋相應(yīng)地移動(dòng)一個(gè)紋距動(dòng)一個(gè)紋距W W，因此兩者的移動(dòng)是對(duì)應(yīng)的，這樣便于記數(shù)；，因此兩者的移動(dòng)是對(duì)應(yīng)的，這樣便于記數(shù)；標(biāo)尺光柵移動(dòng)的方向相反，干涉條紋移動(dòng)的方

22、向也反向。標(biāo)尺光柵移動(dòng)的方向相反，干涉條紋移動(dòng)的方向也反向。 (5) (5) 光強(qiáng)分布規(guī)律：當(dāng)用平行光束照射光柵時(shí)，就形成明光強(qiáng)分布規(guī)律：當(dāng)用平行光束照射光柵時(shí)，就形成明暗相間的摩爾條紋。其由暗紋到亮紋的光強(qiáng)分布近似余弦函暗相間的摩爾條紋。其由暗紋到亮紋的光強(qiáng)分布近似余弦函數(shù)。數(shù)。 三、應(yīng)用（光柵位移數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)）三、應(yīng)用（光柵位移數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)） 當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)柵距，莫爾條紋便移動(dòng)一當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)柵距，莫爾條紋便移動(dòng)一個(gè)條紋寬度，假定開(kāi)辟一小窗口觀察莫爾條紋個(gè)條紋寬度，假定開(kāi)辟一小窗口觀察莫爾條紋的變化情況，可發(fā)現(xiàn)它在移動(dòng)一個(gè)柵距期間明的變化情況，可發(fā)現(xiàn)它在移動(dòng)一個(gè)柵距期間明暗變化了一個(gè)周期。

23、暗變化了一個(gè)周期。 理論上光柵亮度變化是一個(gè)三角波形，但理論上光柵亮度變化是一個(gè)三角波形，但由于漏光和不能達(dá)到最大亮度，被削頂削底后由于漏光和不能達(dá)到最大亮度，被削頂削底后而近似一個(gè)正弦波（見(jiàn)圖而近似一個(gè)正弦波（見(jiàn)圖3-43-4）。硅光電池將。硅光電池將近似正弦波的光強(qiáng)信號(hào)變?yōu)橥l率的電壓信號(hào)近似正弦波的光強(qiáng)信號(hào)變?yōu)橥l率的電壓信號(hào)（見(jiàn)圖（見(jiàn)圖3-53-5），），經(jīng)光柵位移經(jīng)光柵位移數(shù)字變換電路放大、整形、微數(shù)字變換電路放大、整形、微分輸出脈沖。每產(chǎn)生一個(gè)脈沖，就代表移動(dòng)了分輸出脈沖。每產(chǎn)生一個(gè)脈沖，就代表移動(dòng)了一個(gè)柵距那么大的位移，通過(guò)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)便可一個(gè)柵距那么大的位移，通過(guò)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)便可得

24、到工作臺(tái)的移動(dòng)距離。得到工作臺(tái)的移動(dòng)距離。 O亮度電壓圖3-4光柵的實(shí)際亮度變化圖3-5光柵的輸出波形圖光柵位移O光柵位移 光柵測(cè)量系統(tǒng)光柵測(cè)量系統(tǒng)P1P2P3P4指示光柵標(biāo)尺光柵硅光電池聚光鏡光源 光柵測(cè)量系光柵測(cè)量系統(tǒng)由光源、統(tǒng)由光源、聚光鏡、光聚光鏡、光柵尺、光電柵尺、光電元件和驅(qū)動(dòng)元件和驅(qū)動(dòng)線路組成。線路組成。l將明暗相間的干涉將明暗相間的干涉條紋用光電元件接條紋用光電元件接收后，經(jīng)過(guò)放大、收后，經(jīng)過(guò)放大、整形、微分變成脈整形、微分變成脈沖信號(hào)，即可用來(lái)沖信號(hào)，即可用來(lái)測(cè)量位移量，如右測(cè)量位移量，如右圖?？梢?jiàn)圖?？梢?jiàn)每個(gè)線距每個(gè)線距可以發(fā)兩個(gè)脈沖信可以發(fā)兩個(gè)脈沖信號(hào)號(hào)。 根據(jù)摩爾條紋的

25、上述特點(diǎn)，可在摩爾根據(jù)摩爾條紋的上述特點(diǎn)，可在摩爾條紋的移動(dòng)方向上開(kāi)設(shè)條紋的移動(dòng)方向上開(kāi)設(shè)4 4個(gè)窗口個(gè)窗口P1P1，P2P2，P3P3，P4P4，并且使這并且使這4 4個(gè)窗口兩兩相距個(gè)窗口兩兩相距1/41/4摩爾條紋寬度摩爾條紋寬度( (W/4),W/4),可可從從這這4 4個(gè)觀個(gè)觀察窗口察窗口進(jìn)行進(jìn)行：l機(jī)床移動(dòng)部件的位移檢測(cè)機(jī)床移動(dòng)部件的位移檢測(cè)；l確定移動(dòng)部件的方向確定移動(dòng)部件的方向；l確定移動(dòng)速度確定移動(dòng)速度。標(biāo)尺光柵安裝在機(jī)床移動(dòng)部件上，光柵讀標(biāo)尺光柵安裝在機(jī)床移動(dòng)部件上，光柵讀數(shù)頭安裝在機(jī)床固定部件。按摩爾條紋特?cái)?shù)頭安裝在機(jī)床固定部件。按摩爾條紋特點(diǎn)，當(dāng)標(biāo)尺光柵移動(dòng)一個(gè)柵距時(shí)，摩

26、爾條點(diǎn)，當(dāng)標(biāo)尺光柵移動(dòng)一個(gè)柵距時(shí)，摩爾條紋移動(dòng)一個(gè)摩爾條紋寬度，即透過(guò)任一個(gè)紋移動(dòng)一個(gè)摩爾條紋寬度，即透過(guò)任一個(gè)窗口的光強(qiáng)變化一個(gè)周期。透過(guò)觀察窗口窗口的光強(qiáng)變化一個(gè)周期。透過(guò)觀察窗口透過(guò)的光強(qiáng)變化的周期數(shù)確定標(biāo)尺光柵移透過(guò)的光強(qiáng)變化的周期數(shù)確定標(biāo)尺光柵移動(dòng)了一個(gè)柵距，測(cè)得機(jī)床移動(dòng)部件位移。動(dòng)了一個(gè)柵距，測(cè)得機(jī)床移動(dòng)部件位移。 從觀察窗口從觀察窗口P1P1，P2P2，P3P3，P4P4，可以得到，可以得到4 4個(gè)在相位上個(gè)在相位上依次超前或滯后依次超前或滯后1/41/4周期的近似余弦函數(shù)的光強(qiáng)變化過(guò)周期的近似余弦函數(shù)的光強(qiáng)變化過(guò)程。當(dāng)標(biāo)尺光柵沿著一個(gè)方向移動(dòng)時(shí)，可得到程。當(dāng)標(biāo)尺光柵沿著一個(gè)方向

27、移動(dòng)時(shí)，可得到4 4個(gè)光強(qiáng)個(gè)光強(qiáng)信號(hào)，信號(hào)，P1P1滯后滯后P2 /2,P2 /2, ,當(dāng)摩爾條紋反向移動(dòng)時(shí)，當(dāng)摩爾條紋反向移動(dòng)時(shí)，4 4個(gè)光強(qiáng)變化為個(gè)光強(qiáng)變化為P1P1超前超前P2 /2, P2P2 /2, P2超前超前P3 /2, P3 /2, , ,可可以斷定標(biāo)尺光標(biāo)沿反向移動(dòng)。從以斷定標(biāo)尺光標(biāo)沿反向移動(dòng)。從4 4個(gè)觀察窗口得到光強(qiáng)個(gè)觀察窗口得到光強(qiáng)度變化的相互超前或滯后關(guān)系可確定機(jī)床移動(dòng)部件的度變化的相互超前或滯后關(guān)系可確定機(jī)床移動(dòng)部件的移動(dòng)方向。移動(dòng)方向。 根據(jù)摩爾條紋的特點(diǎn)，根據(jù)摩爾條紋的特點(diǎn)，標(biāo)尺光柵的移動(dòng)位標(biāo)尺光柵的移動(dòng)位移與摩爾條紋的移動(dòng)位移成比例。因此，標(biāo)移與摩爾條紋的移動(dòng)

28、位移成比例。因此，標(biāo)尺光柵的移動(dòng)速度和摩爾條紋的移動(dòng)速度相尺光柵的移動(dòng)速度和摩爾條紋的移動(dòng)速度相一致一致，也與觀察窗口的光強(qiáng)變化頻率相對(duì)應(yīng)，也與觀察窗口的光強(qiáng)變化頻率相對(duì)應(yīng)。可根據(jù)透過(guò)觀察窗口的光強(qiáng)變化頻率來(lái)確?？筛鶕?jù)透過(guò)觀察窗口的光強(qiáng)變化頻率來(lái)確定標(biāo)尺光柵的移動(dòng)速度，得到機(jī)床移動(dòng)部件定標(biāo)尺光柵的移動(dòng)速度，得到機(jī)床移動(dòng)部件的移動(dòng)速度。的移動(dòng)速度。 增加線紋密度，能提高光柵檢測(cè)裝置精度增加線紋密度，能提高光柵檢測(cè)裝置精度，但制造較困難，成本高。實(shí)際應(yīng)用中，既要，但制造較困難，成本高。實(shí)際應(yīng)用中，既要提高測(cè)量精度，同時(shí)又能達(dá)到自動(dòng)辨向的目的提高測(cè)量精度，同時(shí)又能達(dá)到自動(dòng)辨向的目的，通常采用倍頻或細(xì)

29、分的方法來(lái)提高光柵的分，通常采用倍頻或細(xì)分的方法來(lái)提高光柵的分辨精度，辨精度， 如果在莫爾條紋的寬度內(nèi)，放置四個(gè)光電如果在莫爾條紋的寬度內(nèi)，放置四個(gè)光電元件，每隔元件，每隔1/41/4光柵柵距產(chǎn)生一個(gè)脈沖，一個(gè)脈光柵柵距產(chǎn)生一個(gè)脈沖，一個(gè)脈沖代表移動(dòng)了沖代表移動(dòng)了1/41/4柵距的位移，分辨精度可提高柵距的位移，分辨精度可提高四倍，即四倍頻方案。四倍，即四倍頻方案。 莫爾條紋細(xì)分技術(shù)：光學(xué)細(xì)分、機(jī)械細(xì)分和電子細(xì)分莫爾條紋細(xì)分技術(shù)：光學(xué)細(xì)分、機(jī)械細(xì)分和電子細(xì)分 光柵位移光柵位移- -數(shù)字變換電路數(shù)字變換電路 abcd插動(dòng)放大插動(dòng)放大整形整形方向辨別門電路可逆計(jì)數(shù)正脈沖反脈沖abcd插動(dòng)放大插動(dòng)放

30、大(sin)(cos)整形整形反向反向微分微分微分微分ABCDACBDY1Y2Y3Y4Y8Y5Y6Y7H1H2正向脈沖反向脈沖sincosABCDABCD相加ABCD相加正走反走 a) 原理電路圖 Y6微分微分微分整形P1P2P4P3差動(dòng)放大器差動(dòng)放 大器整形反相反相Y1Y2Y3Y4Y5Y7Y8微分BADC或門H1或門H2與門- sin cos A B C D A B C D正向 相加AB+AD+CD+BC 反向 相加BC+CD+AD+AB b) b) 波形圖波形圖 圖圖3-7 3-7 四倍頻辨向電路四倍頻辨向電路 4 4光柵的特點(diǎn)及應(yīng)用光柵的特點(diǎn)及應(yīng)用 l精度比較高。一是光柵本身線紋的精度就

31、很高；二是由精度比較高。一是光柵本身線紋的精度就很高；二是由于干涉條紋是由許多線紋所組成，因此有誤差平均的作于干涉條紋是由許多線紋所組成，因此有誤差平均的作用。又由于采用倍頻線路，分辨率較高。因此多用于精用。又由于采用倍頻線路，分辨率較高。因此多用于精密位移測(cè)量。密位移測(cè)量。l對(duì)于直線位移的檢查，若長(zhǎng)度大于對(duì)于直線位移的檢查，若長(zhǎng)度大于2m2m，可采用透射光柵，可采用透射光柵接長(zhǎng)的辦法，但技術(shù)上困難些。接長(zhǎng)的辦法，但技術(shù)上困難些。 l對(duì)環(huán)境的要求較高，要用保護(hù)罩防塵、防液，且不能振對(duì)環(huán)境的要求較高，要用保護(hù)罩防塵、防液，且不能振動(dòng)，因此其維護(hù)保養(yǎng)極為重要。動(dòng)，因此其維護(hù)保養(yǎng)極為重要。l制造上需

32、要精密設(shè)備，價(jià)格較貴。制造上需要精密設(shè)備，價(jià)格較貴。第三節(jié)第三節(jié) 脈沖編碼器脈沖編碼器 脈沖編碼器又稱碼盤，是一種回轉(zhuǎn)式數(shù)字測(cè)量元件，脈沖編碼器又稱碼盤，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)，通常裝在被檢測(cè)軸上，隨被測(cè)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，可將被測(cè)軸的可將被測(cè)軸的角位移轉(zhuǎn)換為增量脈沖形式或絕對(duì)式的代碼形式。角位移轉(zhuǎn)換為增量脈沖形式或絕對(duì)式的代碼形式。 根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測(cè)方式碼盤可分為接觸式、光電式根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測(cè)方式碼盤可分為接觸式、光電式和電磁式三種。其中，光電碼盤在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用較多，和電磁式三種。其中，光電碼盤在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用較多，而由霍爾效應(yīng)構(gòu)成的電磁碼盤則可用作速度

33、檢測(cè)元件。而由霍爾效應(yīng)構(gòu)成的電磁碼盤則可用作速度檢測(cè)元件。光電編碼器的構(gòu)成光電編碼器的構(gòu)成 光源、指示光柵、圓光源、指示光柵、圓光柵、光電元件。光柵、光電元件。 脈沖編碼器的分類與結(jié)構(gòu)脈沖編碼器的分類與結(jié)構(gòu) 脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，能把機(jī)械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，可作為位能把機(jī)械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，可作為位置檢測(cè)和速度檢測(cè)裝置。置檢測(cè)和速度檢測(cè)裝置。脈沖編碼器是一種增量檢測(cè)裝置，它脈沖編碼器是一種增量檢測(cè)裝置，它的型號(hào)是由每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)來(lái)區(qū)分。的型號(hào)是由每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)來(lái)區(qū)分。2000P/r2000P/r、2500 P/r2500 P/r和和3000 P/r3

34、000 P/r等；等；1234567圖圖3-8 3-8 光電脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)光電脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)1-1-光源光源 2-2-圓光柵圓光柵 3-3-指示光柵指示光柵 4-4-光光電池組電池組 5-5-機(jī)械部件機(jī)械部件 6-6-護(hù)罩護(hù)罩 7-7-印刷印刷電路板電路板 一、絕對(duì)式編碼器 絕對(duì)式編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式檢測(cè)裝置，可直接把被測(cè)轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來(lái)，且每一個(gè)角度位置均有其對(duì)應(yīng)的測(cè)量代碼，它能表示絕對(duì)位置，沒(méi)有累積誤差，電源切除后，位置信息不丟失，仍能讀出轉(zhuǎn)動(dòng)角度。q 結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理l 碼盤基片上有多圈碼道，碼盤基片上有多圈碼道，且每碼道的刻線數(shù)相等；且每碼道的刻線數(shù)相等；l對(duì)應(yīng)每圈

35、都有光電傳感器；對(duì)應(yīng)每圈都有光電傳感器；l輸出信號(hào)的路數(shù)與碼盤圈數(shù)輸出信號(hào)的路數(shù)與碼盤圈數(shù)成正比；成正比；l檢測(cè)信號(hào)按某種規(guī)律編碼輸檢測(cè)信號(hào)按某種規(guī)律編碼輸出，故可測(cè)得被測(cè)軸的周向出，故可測(cè)得被測(cè)軸的周向絕對(duì)位置。絕對(duì)位置。2 23 32 22 2212 20 0 圖3-9 四位二進(jìn)制編碼盤 當(dāng)檢測(cè)對(duì)象帶動(dòng)碼盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電刷和碼盤的相對(duì)位置發(fā)生變化，與電刷串聯(lián)的電阻將會(huì)出現(xiàn)有電流通過(guò)或沒(méi)有電流通過(guò)兩種情況。若回路中的電阻上有電流通過(guò)，為“1”；反之，電刷接觸的是絕緣區(qū)，電阻上無(wú)電流通過(guò)，為“0”。如果碼盤順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，就可依次得到按規(guī)定編碼的數(shù)字信號(hào)輸出，圖示為4位二進(jìn)制碼盤，根據(jù)電刷位置得到

36、由“1”和“0”組成的二進(jìn)制碼，輸出為0000、0001、00101111。 由圖3-9可看出，碼道的圈數(shù)就是二進(jìn)制的位數(shù)，且高位在內(nèi)，低位在外。其分辨角360o/24=22.5o，若是n位二進(jìn)制碼盤，就有n圈碼道，分辨角360o/2n，碼盤位數(shù)越大，所能分辨的角度越小，測(cè)量精度越高。 用二進(jìn)制代碼做的碼盤，如果電刷安裝不準(zhǔn)，會(huì)使得個(gè)別電刷錯(cuò)位，而出現(xiàn)很大的數(shù)值誤差。如圖3-10，當(dāng)電刷由位置0111向1000過(guò)渡時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)從8（1000）到15（1111）之間的讀數(shù)誤差，一般稱這種誤差為非單值性誤差。為消除這種誤差，可采用葛萊碼盤。 10001111232221201000 1 3 2

37、6 7 412 13 14 15 10 11 90000 5 000010011001001100111010110011011101011101111110101001100 8圖3-11葛萊碼盤圖3-10四位二進(jìn)制碼盤非單值性誤差 圖3-11為葛萊碼盤，其各碼道的數(shù)碼不同時(shí)改變，任何兩個(gè)相鄰數(shù)碼間只有一位是變化的，每次只切換一位數(shù)，把誤差控制在最小范圍內(nèi)。 二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成葛萊碼的法則是：將二進(jìn)制碼右移一位并舍去末位的數(shù)碼，再與二進(jìn)制數(shù)碼作不進(jìn)位加法，結(jié)果即為葛萊碼。 例如，二進(jìn)制碼1101對(duì)應(yīng)的葛萊碼為1011，其演算過(guò)程如下： 1101 （二進(jìn)制碼） 1101 （不進(jìn)位相加，舍去末位）

38、1011 （葛萊碼）q 絕對(duì)編碼盤的編碼方式及特點(diǎn)絕對(duì)編碼盤的編碼方式及特點(diǎn)l 二進(jìn)制編碼：二進(jìn)制編碼： 特點(diǎn)：編碼循序與位置循序相特點(diǎn)：編碼循序與位置循序相一致，但可能產(chǎn)生非單值性誤一致，但可能產(chǎn)生非單值性誤差。差。 誤差分析：誤差分析： 1111232221201000l 格雷碼（循環(huán)碼、葛萊碼）格雷碼（循環(huán)碼、葛萊碼）特點(diǎn)：任何兩個(gè)編碼之間只有特點(diǎn)：任何兩個(gè)編碼之間只有一位是變化的，因而可把誤差一位是變化的，因而可把誤差控制在最小單位上。但編碼與控制在最小單位上。但編碼與位置循序無(wú)直接規(guī)律。位置循序無(wú)直接規(guī)律。23222120 格雷碼的編碼方法格雷碼的編碼方法 它是從二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換而來(lái)的，