數(shù)控技術(shù)CNC第4章 數(shù)控檢測裝置

1、第四章第四章 數(shù)控檢測裝置數(shù)控檢測裝置第第1 1節(jié)節(jié) 概述概述第第2 2節(jié)節(jié) 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器第第3 3節(jié)節(jié) 感應同步器感應同步器第第4 4節(jié)節(jié) 光柵光柵第第5 5節(jié)節(jié) 磁柵磁柵第第6 6節(jié)節(jié) 光電脈沖編碼器光電脈沖編碼器第第1節(jié)節(jié) 概述概述在閉環(huán)或半閉環(huán)控制數(shù)控機床中，數(shù)控裝置是依靠指令值與位在閉環(huán)或半閉環(huán)控制數(shù)控機床中，數(shù)控裝置是依靠指令值與位 置檢測裝置的反饋值進行比較，來控制工作臺運動的。置檢測裝置的反饋值進行比較，來控制工作臺運動的。位置控制調(diào)位置控制調(diào)節(jié)器節(jié)器速度控制速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋檢測與反饋單元單元位置控制單元位置控制單元速度控制單元速度控制單元+ +

2、+- - -電機電機機械執(zhí)行部件機械執(zhí)行部件CNCCNC插補插補指令指令實際實際位置位置反饋反饋實際實際速度速度反饋反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)在閉環(huán)系統(tǒng)中，數(shù)控檢測裝置的主要作用是檢測位在閉環(huán)系統(tǒng)中，數(shù)控檢測裝置的主要作用是檢測位移量，并將檢測的反饋信號和數(shù)控裝置發(fā)出的指令信移量，并將檢測的反饋信號和數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號相比較，若有偏差，經(jīng)放大后控制執(zhí)行部件，使其號相比較，若有偏差，經(jīng)放大后控制執(zhí)行部件，使其向消除偏差的方向運動，直到偏差為零。向消除偏差的方向運動，直到偏差為零。閉環(huán)數(shù)控機床的加工精度在很大程度上是由位置檢閉環(huán)數(shù)控機床的加工精度在很大程度上是由位置檢測裝置的精度決定的，在設

3、計數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)，測裝置的精度決定的，在設計數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)，尤其是高精度進給伺服系統(tǒng)時，必須精心選擇位置檢尤其是高精度進給伺服系統(tǒng)時，必須精心選擇位置檢測裝置。測裝置。一、數(shù)控機床對檢測裝置的要求一、數(shù)控機床對檢測裝置的要求位置檢測裝置是數(shù)控機床伺服系統(tǒng)中重要的位置檢測裝置是數(shù)控機床伺服系統(tǒng)中重要的組成部分，其作用是檢測位移和速度，發(fā)送反組成部分，其作用是檢測位移和速度，發(fā)送反饋信號，構(gòu)成伺服系統(tǒng)的閉環(huán)或半閉環(huán)控制。饋信號，構(gòu)成伺服系統(tǒng)的閉環(huán)或半閉環(huán)控制。數(shù)控機床的加工精度主要由檢測系統(tǒng)的精度數(shù)控機床的加工精度主要由檢測系統(tǒng)的精度決定。位移檢測系統(tǒng)可測量的最小位移量稱為決定。位移檢

4、測系統(tǒng)可測量的最小位移量稱為分辨率，分辨率不僅取決于檢測元件本身，也分辨率，分辨率不僅取決于檢測元件本身，也取決于測量線路。取決于測量線路。數(shù)控機床對檢測裝置的要求主要有：數(shù)控機床對檢測裝置的要求主要有：（1 1） 高可靠性和高抗干擾性，能長期保持精度；高可靠性和高抗干擾性，能長期保持精度；（2 2） 能滿足機床精度和速度的要求；能滿足機床精度和速度的要求；（3 3） 使用維護方便，適合機床運行環(huán)境；使用維護方便，適合機床運行環(huán)境；（4 4） 成本低。成本低。二、檢測裝置的分類二、檢測裝置的分類按工作條件和測量要求的不同，測量裝置主要有按工作條件和測量要求的不同，測量裝置主要有三種分類方法。三

5、種分類方法。（1 1）增量式與絕對式；）增量式與絕對式；（2 2）數(shù)字式與模擬式；）數(shù)字式與模擬式；（3 3）直接測量與間接測量。）直接測量與間接測量。1 1、增量式與絕對式、增量式與絕對式（1 1）增量式檢測方式）增量式檢測方式增量式檢測方式單純測量位移增量，工作臺移動一增量式檢測方式單純測量位移增量，工作臺移動一個測量單位即發(fā)出一個測量信號。個測量單位即發(fā)出一個測量信號。優(yōu)點：是檢測裝置比較簡單，任何一個點均可作為優(yōu)點：是檢測裝置比較簡單，任何一個點均可作為測量起點。測量起點。缺點：是移距靠測量信號計算后讀出的，一旦計數(shù)缺點：是移距靠測量信號計算后讀出的，一旦計數(shù)有誤，此后的測量結(jié)果將全錯

6、；發(fā)生故障時不能有誤，此后的測量結(jié)果將全錯；發(fā)生故障時不能再找到事故前的正確位置，事故排除后，這時必再找到事故前的正確位置，事故排除后，這時必須將工作臺移至起點重新計數(shù)才能找到事故前的須將工作臺移至起點重新計數(shù)才能找到事故前的正確位置。正確位置。（2 2）絕對式檢測方式）絕對式檢測方式絕對式檢測方式中，被測量的任一點的位置都以一絕對式檢測方式中，被測量的任一點的位置都以一個固定的零點為基準，每一被測點都有一個相應個固定的零點為基準，每一被測點都有一個相應的測量值。的測量值。優(yōu)點：避免了增量式檢測方式的缺陷。優(yōu)點：避免了增量式檢測方式的缺陷。缺點：結(jié)構(gòu)較復雜。缺點：結(jié)構(gòu)較復雜。2 2、數(shù)字式和模

7、擬式、數(shù)字式和模擬式（1 1）數(shù)字式測量）數(shù)字式測量是將被測量以數(shù)字形式表示。數(shù)字測量輸出信號一般是將被測量以數(shù)字形式表示。數(shù)字測量輸出信號一般是電脈沖，可以把它直接送到數(shù)控裝置（計算機）進是電脈沖，可以把它直接送到數(shù)控裝置（計算機）進行比較、處理。行比較、處理。其典型的檢測裝置如光柵位移測量裝置。其典型的檢測裝置如光柵位移測量裝置。數(shù)字式測量的特點是：數(shù)字式測量的特點是：1) 1) 被測量量化成脈沖個數(shù)，便于顯示和處理；被測量量化成脈沖個數(shù)，便于顯示和處理；2) 2) 測量精度取決于測量單位，與量程基本無關(guān)（有測量精度取決于測量單位，與量程基本無關(guān)（有積累誤差）；積累誤差）；3) 3) 測量

8、裝置比較簡單，脈沖信號抗干擾能力強。測量裝置比較簡單，脈沖信號抗干擾能力強。（2 2）模擬式測量）模擬式測量是將被測量用連續(xù)的變量（如相位變化、電壓幅值變是將被測量用連續(xù)的變量（如相位變化、電壓幅值變化）來表示的。化）來表示的。在數(shù)控機床上模擬式測量主要用于小量程的測量，例在數(shù)控機床上模擬式測量主要用于小量程的測量，例如感應同步器的一個線距（節(jié)距）內(nèi)信號相位變化等。如感應同步器的一個線距（節(jié)距）內(nèi)信號相位變化等。模擬式測量的特點是：模擬式測量的特點是：1 1）直接測量被測量，無須變換；）直接測量被測量，無須變換；2 2）在小量程內(nèi)可以實現(xiàn)高精度測量。如用旋轉(zhuǎn)變壓）在小量程內(nèi)可以實現(xiàn)高精度測量。

9、如用旋轉(zhuǎn)變壓器、感應同步器等。器、感應同步器等。3 3、直接測量和間接測量、直接測量和間接測量 （1 1）直接測量）直接測量是將檢測裝置直接安裝在執(zhí)行部件上，測量直線位移是將檢測裝置直接安裝在執(zhí)行部件上，測量直線位移量。量。常用光柵，感應同步器等檢測裝置。常用光柵，感應同步器等檢測裝置。優(yōu)點是：直接反映工作臺的直線位移量。優(yōu)點是：直接反映工作臺的直線位移量。缺點是：檢測裝置要和行程等長，這對大型數(shù)控機床缺點是：檢測裝置要和行程等長，這對大型數(shù)控機床是一個很大的限制。是一個很大的限制。（2 2）間接測量）間接測量間接測量是通過與工作臺直線運動相關(guān)聯(lián)的回間接測量是通過與工作臺直線運動相關(guān)聯(lián)的回轉(zhuǎn)運

10、動間接地測量工作臺的直線位移。轉(zhuǎn)運動間接地測量工作臺的直線位移。檢測裝置常用旋轉(zhuǎn)變壓器等。檢測裝置常用旋轉(zhuǎn)變壓器等。優(yōu)點是：間接測量使用可靠方便，無長限制，優(yōu)點是：間接測量使用可靠方便，無長限制，缺點是：測量信號加入了直線轉(zhuǎn)變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運動缺點是：測量信號加入了直線轉(zhuǎn)變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運動的傳動鏈誤差，從而影響測量精度。的傳動鏈誤差，從而影響測量精度。 感應同步器感應同步器抗干擾能力強，對環(huán)境要求低，維抗干擾能力強，對環(huán)境要求低，維護簡單、價格低，壽命較長，具有一定精度、應用較廣護簡單、價格低，壽命較長，具有一定精度、應用較廣。 光柵光柵抗干擾能力抗干擾能力強，高分辨率、大量程、測量強，高分辨率、大量程、測

11、量精度高、應用廣泛精度高、應用廣泛，但但成本較高成本較高，制造制造工藝要求高。工藝要求高。 磁柵磁柵抗干擾能力抗干擾能力強強，對環(huán)境條件要求對環(huán)境條件要求低，安裝低，安裝調(diào)整方便，精度高，但存在磁信號的穩(wěn)定性，磁頭磨損調(diào)整方便，精度高，但存在磁信號的穩(wěn)定性，磁頭磨損等問題，有應用。等問題，有應用。 三常用檢測元件及其特點三常用檢測元件及其特點 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器抗干擾能力強、工作可靠、結(jié)抗干擾能力強、工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、動作靈敏、信號輸出幅度大，對環(huán)境無特構(gòu)簡單、動作靈敏、信號輸出幅度大，對環(huán)境無特殊要求，維護方便，應用廣泛。殊要求，維護方便，應用廣泛。 脈沖編碼盤脈沖編碼盤工作可靠、精度高

12、，結(jié)構(gòu)緊湊、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)字式檢測元器件，但移數(shù)字式檢測元器件，但抗污染能力差，易損壞抗污染能力差，易損壞。 激光干涉儀激光干涉儀精度很高，但精度很高，但抗震性、抗干擾抗震性、抗干擾能力差能力差，價格較貴，應用較少。，價格較貴，應用較少。 第第2節(jié)節(jié) 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器一、結(jié)構(gòu)和工作原理一、結(jié)構(gòu)和工作原理1.1.旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)變壓器，又稱分解器。它是一種具有電動機結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)變壓器，又稱分解器。它是一種具有電動機結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角檢測裝置，由定子和轉(zhuǎn)子組成，分有刷和無刷兩的轉(zhuǎn)角

13、檢測裝置，由定子和轉(zhuǎn)子組成，分有刷和無刷兩種。種。旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意圖旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意圖 1 1轉(zhuǎn)子軸，轉(zhuǎn)子軸， 2 2外殼，外殼，3 3分解器定子，分解器定子， 4 4分解器定子繞組，分解器定子繞組， 5 5變壓器一次線圈，變壓器一次線圈， 6 6變壓器轉(zhuǎn)子，變壓器轉(zhuǎn)子，7 7分解器轉(zhuǎn)子繞組，分解器轉(zhuǎn)子繞組， 8 8分解器轉(zhuǎn)子，分解器轉(zhuǎn)子，9變壓器二次線圈，變壓器二次線圈， 10定子線軸定子線軸2 2、工作原理、工作原理旋轉(zhuǎn)變壓器按照旋轉(zhuǎn)變壓器按照互感原理互感原理工作，當定子繞組上加上工作，當定子繞組上加上交變勵磁交變勵磁電壓，當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，通過電壓，當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，通過電磁耦合電磁耦合，轉(zhuǎn)

14、，轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)產(chǎn)生子繞組內(nèi)產(chǎn)生感應電勢感應電勢感應電壓感應電壓. .E E2 2= KV= KV1 1cos= KVmsintcoscos= KVmsintcos =90=90 E E 2 = 02 = 0 =0=0 E E 2 = 2 = KVKV m SINm SINt t式中式中: : E E 2 2轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子繞組繞組感應電勢；感應電勢； V V1 1定子定子繞組勵繞組勵磁電壓磁電壓 V V1 1=V=Vm msinsintt； V Vm m電壓信號幅值；電壓信號幅值； 定、轉(zhuǎn)子定、轉(zhuǎn)子繞組軸線間夾角；繞組軸線間夾角； K K變壓比變壓比 （即繞組匝數(shù)比）（即繞組匝數(shù)比）V1=VmsintV

15、1V1E E 2 2= =0 0（= 90 90） E E 2 2=KV=KVm mSINSINttcoscos E E 2 2= = KVKVm msinsintt（= = 0 0） 二、旋轉(zhuǎn)變壓器的應用二、旋轉(zhuǎn)變壓器的應用 旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置檢測元件有兩種使用方法：鑒相旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置檢測元件有兩種使用方法：鑒相式工作方法鑒幅式工作方法。式工作方法鑒幅式工作方法。 一般采用的是正弦、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，其定子和轉(zhuǎn)子一般采用的是正弦、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，其定子和轉(zhuǎn)子繞組中各有互相垂直的兩個繞組。繞組中各有互相垂直的兩個繞組。定子定子Uc(Cos)Uc(Cos)Us(Sin)Us(Sin)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子E

16、 E2 21 1、鑒相式工作方法、鑒相式工作方法在這種狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)變壓器的定子兩相繞組即正弦繞在這種狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)變壓器的定子兩相繞組即正弦繞組組S S和余弦繞組和余弦繞組C C中分別加上幅值相等、頻率相同而相位中分別加上幅值相等、頻率相同而相位相差相差9090度的正弦交流電壓，即：度的正弦交流電壓，即： V Vs s=V=Vm msinsinttV Vc c=V=Vm mcoscost t 因為兩相勵磁電壓會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，所在在轉(zhuǎn)子繞組中感應電因為兩相勵磁電壓會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，所在在轉(zhuǎn)子繞組中感應電動勢為：動勢為：E E2 2= KV= KV s s cos+ KV cos+ KV c csin

17、sin = KV = KV m m ( (sinsintcos + tcos + coscostsintsin) ) = = KVKV m m sinsin( (t-t-) ) 由由E E2 2= KV= KV m m sinsin( (t-t-) )可知感應電壓的可知感應電壓的相位角相位角就等于轉(zhuǎn)子的就等于轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)角機械轉(zhuǎn)角 。因此只要。因此只要檢測出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角，就知道了轉(zhuǎn)檢測出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角，就知道了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角，而且旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子是和伺服子的轉(zhuǎn)角，而且旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子是和伺服電機或傳動軸連接在一起的，從而可以求得電機或傳動軸連接在一起的，從而可以求得執(zhí)行部件的執(zhí)行部件

18、的角位移。角位移。2 2、鑒幅式工作方法、鑒幅式工作方法在這種狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)變壓器的定子兩相繞組即正弦繞在這種狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)變壓器的定子兩相繞組即正弦繞組組S S和余弦繞組和余弦繞組C C中分別加上相位相等、頻率相同而幅值中分別加上相位相等、頻率相同而幅值分別按正弦、余弦規(guī)律變化的交變電壓，即：分別按正弦、余弦規(guī)律變化的交變電壓，即： V Vs s=Vmsin=Vmsin電電sinsinttV Vc c=Vmcos=Vmcos電電sinsintt 因為兩相勵磁電壓會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，所在在轉(zhuǎn)子繞組中感應電因為兩相勵磁電壓會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，所在在轉(zhuǎn)子繞組中感應電動勢為：動勢為：E E2 2 = KV= K

19、V m m cos cos機機- KV- KV c csinsin機機 = KV= KV m m sinsintt( (sinsin電電coscos機機- - coscos電電sinsin機機) ) = = KVKV m m sinsin( (電電-機機) ) sinsintt 感應電勢（感應電勢（E E2 2）是以）是以為角頻率、以為角頻率、以V Vm m sin(sin(電電 - -機機 ) )為幅值的交變電壓信號。為幅值的交變電壓信號。在實際應用中，根據(jù)轉(zhuǎn)子誤差電壓的大小，不斷在實際應用中，根據(jù)轉(zhuǎn)子誤差電壓的大小，不斷修改定子勵磁信號的修改定子勵磁信號的電電，使其跟蹤，使其跟蹤機機的變化

20、，的變化，當當E E2 2=0=0時，說明此時時，說明此時電電= =機機 ，便可間接的求出，便可間接的求出機械角機械角機機 ，從而得出被測角位移。，從而得出被測角位移。 第第3節(jié)節(jié) 感應同步器感應同步器一、結(jié)構(gòu)和工作原理一、結(jié)構(gòu)和工作原理 1 1、感應同步器的結(jié)構(gòu)、感應同步器的結(jié)構(gòu) 按結(jié)構(gòu)可分為直線式（測量長度）和旋轉(zhuǎn)式（測量角按結(jié)構(gòu)可分為直線式（測量長度）和旋轉(zhuǎn)式（測量角度）。度）。 直線式感應同步器類似于旋轉(zhuǎn)變壓器，相當于一個展直線式感應同步器類似于旋轉(zhuǎn)變壓器，相當于一個展開的多極旋轉(zhuǎn)變壓器。開的多極旋轉(zhuǎn)變壓器。 它的主要部件包括定尺和滑尺，定尺安裝在機床床身它的主要部件包括定尺和滑尺，定

21、尺安裝在機床床身上，滑尺安裝于移動部件上，隨工件臺一起移動。兩者上，滑尺安裝于移動部件上，隨工件臺一起移動。兩者平行放置，保持平行放置，保持0.2-0.3mm0.2-0.3mm的間隙。的間隙。感應同步器的結(jié)構(gòu)示意圖感應同步器的結(jié)構(gòu)示意圖A正弦勵磁繞組正弦勵磁繞組 B余弦勵磁繞組余弦勵磁繞組 UsUcUo定尺滑尺2 標準的感應同步器定尺長標準的感應同步器定尺長250mm250mm，尺上有單向、均勻、，尺上有單向、均勻、連續(xù)的感應繞組；滑尺長連續(xù)的感應繞組；滑尺長100mm100mm，尺上有兩組勵磁繞組，尺上有兩組勵磁繞組，一組叫正弦繞組，另一組叫余弦繞組。一組叫正弦繞組，另一組叫余弦繞組。 當正

22、弦繞組與定尺繞組相對齊時，余弦繞組與定尺當正弦繞組與定尺繞組相對齊時，余弦繞組與定尺相差相差0.50.5。UsUcUo定尺滑尺22 2、工作原理、工作原理 感應同步器與旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理相似，感應同步器與旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理相似，當勵磁繞組與感應繞組間發(fā)生相對位移時，由當勵磁繞組與感應繞組間發(fā)生相對位移時，由于電磁耦合的變化，感應繞組中的感應電壓隨于電磁耦合的變化，感應繞組中的感應電壓隨著位移的變化而變化，從而發(fā)出相應的位移電著位移的變化而變化，從而發(fā)出相應的位移電信號進行位置檢測。信號進行位置檢測。 在滑尺的正弦繞組通以交在滑尺的正弦繞組通以交流勵磁電壓，當流勵磁電壓，當滑尺相對滑尺相對定

23、尺移動定尺移動后后，感應電壓感應電壓逐逐漸變小，在錯開漸變小，在錯開1/41/4節(jié)距節(jié)距的的b b點點時，感應電壓為零。再時，感應電壓為零。再繼續(xù)移到繼續(xù)移到1/21/2節(jié)距節(jié)距的的c c點點時時得到的電壓值與得到的電壓值與a a點位置相點位置相同，但極性相反。隨后感同，但極性相反。隨后感應電壓在應電壓在3/43/4節(jié)距節(jié)距位置位置d d點點時又變?yōu)榱?，在移動時又變?yōu)榱?，在移動一個一個節(jié)距節(jié)距到到e e點點時，電壓幅值與時，電壓幅值與a a點位置相同。點位置相同。感應同步器工作原理圖感應同步器工作原理圖這樣滑尺在移動一個節(jié)距的過程中，感應電壓這樣滑尺在移動一個節(jié)距的過程中，感應電壓變化了一個余

24、弦波形。變化了一個余弦波形。同理，若在同理，若在余弦繞組余弦繞組中通以交流勵磁電壓，因中通以交流勵磁電壓，因余余弦繞組弦繞組與與正弦繞組正弦繞組錯開錯開1/4個節(jié)距，即個節(jié)距，即/2的相位的相位角角，由余弦繞組激磁在定尺上產(chǎn)生的，由余弦繞組激磁在定尺上產(chǎn)生的感應電壓感應電壓應應按按正弦規(guī)律正弦規(guī)律變化變化。定尺上的總感應電壓，是上述。定尺上的總感應電壓，是上述兩個感應電壓的兩個感應電壓的線性疊加線性疊加。二、感應同步器的應用二、感應同步器的應用 根據(jù)勵磁繞組中勵磁供電方式的不同，感應同步器可以根據(jù)勵磁繞組中勵磁供電方式的不同，感應同步器可以分為鑒相工作方式和鑒幅工作方式。分為鑒相工作方式和鑒幅

25、工作方式。1 1、鑒相方式、鑒相方式 在這種工作方式下，將滑尺的正弦繞組和余弦繞組分在這種工作方式下，將滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別通以幅值相同、頻率相同，但相位相差別通以幅值相同、頻率相同，但相位相差9090度的交流電度的交流電壓：壓：V Vs s=V=Vm msinsinttV Vc c=V=Vm mcoscost t 兩相勵磁電壓會在空間產(chǎn)生一個以兩相勵磁電壓會在空間產(chǎn)生一個以為頻率移動的為頻率移動的行波。磁場切割定尺，并在其中感應出電勢，感應電動行波。磁場切割定尺，并在其中感應出電勢，感應電動勢為：勢為：E Eo o= KV= KV s scos- KVcos- KVc csinsin

26、 = KV = KV m m ( (sinsintcos - tcos - coscostsintsin) ) = = KVKV m m sinsin( (t-t-) ) 在一個節(jié)距內(nèi)，在一個節(jié)距內(nèi)，與滑尺移動距離一一對應，通過與滑尺移動距離一一對應，通過測量定尺感應電勢相位測量定尺感應電勢相位，便可測出定尺相對滑尺的位，便可測出定尺相對滑尺的位移。移。2 2、鑒幅方式、鑒幅方式在這種狀態(tài)下，感應同步器的滑尺兩相繞組即正弦繞組在這種狀態(tài)下，感應同步器的滑尺兩相繞組即正弦繞組S S和余弦繞組和余弦繞組C C中分別加上相位相等、頻率相同而幅值分別中分別加上相位相等、頻率相同而幅值分別按正弦、余弦規(guī)

27、律變化的交變電壓，即：按正弦、余弦規(guī)律變化的交變電壓，即： V Vs s=V=Vm msinsin電電sinsinttV Vc c=V=Vm mcoscos電電sinsintt 因為兩相勵磁電壓會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，所在在定子繞組因為兩相勵磁電壓會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，所在在定子繞組中感應電動勢為：中感應電動勢為：E Eo o = KV= KV m m cos cos機機- KV- KV c csinsin機機 = KV= KV m m sinsintt( (sinsin電電coscos機機- - coscos電電sinsin機機) ) = = KVKV m m sinsin( (電電-機機) ) sins

28、intt 感應電勢（感應電勢（E Eo o）是以）是以為角頻率、以為角頻率、以V Vm m sin(sin(電電 - -機機 ) )為幅值的交變電壓信號。為幅值的交變電壓信號。在實際應用中，根據(jù)定尺誤差電壓的大小，不斷在實際應用中，根據(jù)定尺誤差電壓的大小，不斷修改滑尺勵磁信號的修改滑尺勵磁信號的電電，使其跟蹤，使其跟蹤機機的變化，的變化，當當E Eo o=0=0時，說明此時時，說明此時電電= =機機 ，便可間接的求出，便可間接的求出機械角機械角機機 ，從而得出被位移。，從而得出被位移。 三、感應同步器的特點：三、感應同步器的特點：1 1、精度高。感應同步器同步器直接對機床位移進行測量，、精度高

29、。感應同步器同步器直接對機床位移進行測量，測量結(jié)果只受本身精度的限制；定尺上感應電壓信號為多周測量結(jié)果只受本身精度的限制；定尺上感應電壓信號為多周期的平均效應，降低了繞組局部尺寸誤差的影響，達到較高期的平均效應，降低了繞組局部尺寸誤差的影響，達到較高測量精度。測量精度。2 2、工作可靠，抗干擾能力強。繞組各個周期內(nèi)單值電壓信、工作可靠，抗干擾能力強。繞組各個周期內(nèi)單值電壓信號可以僅與絕對位置相對應，不受干擾；平面阻抗很低，受號可以僅與絕對位置相對應，不受干擾；平面阻抗很低，受外界電場的影響較小。外界電場的影響較小。3 3、安裝維修簡單，使用壽命長。定尺、滑尺之間無接觸磨、安裝維修簡單，使用壽命

30、長。定尺、滑尺之間無接觸磨損，在機床上安裝簡單；使用防護罩可以防止切屑進入定尺、損，在機床上安裝簡單；使用防護罩可以防止切屑進入定尺、滑尺之間劃傷導片，不受灰塵、油霧影響?；咧g劃傷導片，不受灰塵、油霧影響。4 4、測量距離長?？衫闷唇臃椒?，增大測量尺寸，適合大、測量距離長?？衫闷唇臃椒?，增大測量尺寸，適合大、中型機床使用。中型機床使用。5 5、工藝性好、成本低，便于成批生產(chǎn)。、工藝性好、成本低，便于成批生產(chǎn)。第第4 4節(jié)節(jié) 光柵光柵 光柵是一種常用的非接觸式測量裝置，具有精光柵是一種常用的非接觸式測量裝置，具有精度高、響應速度快等優(yōu)點。度高、響應速度快等優(yōu)點。 按照形狀可分為圓光柵和長

31、光柵，圓光柵用于按照形狀可分為圓光柵和長光柵，圓光柵用于角位移的檢測，長光柵用于直線位移的檢測。角位移的檢測，長光柵用于直線位移的檢測。 光柵還可以分為透射光柵和反射光柵。光柵還可以分為透射光柵和反射光柵。 光柵的制作精度可通過激光技術(shù)達到微米級，光柵的制作精度可通過激光技術(shù)達到微米級，通過細分電路可以做到通過細分電路可以做到0.1m以上分辨率。以上分辨率。一、光柵的結(jié)構(gòu)和工作原理一、光柵的結(jié)構(gòu)和工作原理1、光柵的結(jié)構(gòu)、光柵的結(jié)構(gòu) 光柵由標尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部構(gòu)成。光柵由標尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部構(gòu)成。光柵檢測裝置基本結(jié)構(gòu)示意圖光柵檢測裝置基本結(jié)構(gòu)示意圖 1光源，光源，2透鏡，透鏡，3指示光柵

32、，指示光柵，4光電元件，光電元件，5驅(qū)動電路，驅(qū)動電路，6標尺光柵標尺光柵 標尺光柵一般固定在機床活動部件上（如工作臺或絲標尺光柵一般固定在機床活動部件上（如工作臺或絲杠），光柵讀數(shù)頭安裝在機床固定部件上，光柵讀數(shù)頭杠），光柵讀數(shù)頭安裝在機床固定部件上，光柵讀數(shù)頭中安裝有指示光柵。中安裝有指示光柵。 執(zhí)行部件帶著執(zhí)行部件帶著標尺光柵標尺光柵相對相對指示光柵指示光柵移動，通過讀數(shù)移動，通過讀數(shù)頭的頭的光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換，發(fā)送出與位移量對應的，發(fā)送出與位移量對應的數(shù)字脈沖數(shù)字脈沖信號，信號，用作用作位置反饋位置反饋信號或信號或位置顯示位置顯示信號。信號。 （1）光柵尺）光柵尺包括包括標尺光柵標尺光柵

33、和和指示光柵指示光柵. .根據(jù)制造方法和光學原理不同，根據(jù)制造方法和光學原理不同，光柵光柵可分為可分為透射光柵透射光柵和和反射光柵反射光柵. . 透射光柵透射光柵是在光學玻璃表面，或在玻璃表面是在光學玻璃表面，或在玻璃表面感光材感光材料的涂層上料的涂層上刻成刻成光柵線紋光柵線紋。其特點是。其特點是: : 光源可以垂直入射光源可以垂直入射，光電元件直接接受光照，因此，光電元件直接接受光照，因此信號幅值比較大，信號幅值比較大，信噪比好信噪比好，光電密度為，光電密度為200200線線/mm/mm時，時，光柵本身就已經(jīng)細分到光柵本身就已經(jīng)細分到0.005mm0.005mm從而從而減輕了電子線路減輕了電

34、子線路的負擔。的負擔。光光源源透透鏡鏡標標尺尺光光柵柵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)動動電電路路驅(qū)驅(qū)動動電電路路(2) (2) 光柵讀數(shù)頭光柵讀數(shù)頭 光柵讀數(shù)頭光柵讀數(shù)頭又叫光電轉(zhuǎn)換器，它把光柵莫爾條又叫光電轉(zhuǎn)換器，它把光柵莫爾條紋變成電信號。讀數(shù)頭垂直入射，由紋變成電信號。讀數(shù)頭垂直入射，由光源光源、透鏡透鏡、指示指示光柵光柵、光敏元件光敏元件和和驅(qū)動線路驅(qū)動線路組成。組成。標尺光柵標尺光柵穿過穿過光柵讀數(shù)頭，保證與光柵讀數(shù)頭，保證與指示光柵指示光柵有準確的相互位置關(guān)系。有準確的相互位置關(guān)系。光光源源透透鏡鏡標標尺尺光光柵柵G Gs s指指示示光光柵柵G Gi

35、i光光電電元元件件驅(qū)驅(qū)動動電電路路驅(qū)驅(qū)動動電電路路2、光柵的工作原理、光柵的工作原理 當指示光柵上的線紋和標尺光柵上的線紋成小當指示光柵上的線紋和標尺光柵上的線紋成小角度放置時，將造成兩光柵尺上線紋相互交叉。角度放置時，將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(qū)域內(nèi)黑線重在光源的照射下，交叉點附近的小區(qū)域內(nèi)黑線重疊，形成黑色條紋，其他部分為明亮條紋，稱為疊，形成黑色條紋，其他部分為明亮條紋，稱為“莫爾條紋莫爾條紋”。 莫爾條紋與兩光柵線紋夾角的平分線相互垂直。莫爾條紋與兩光柵線紋夾角的平分線相互垂直。 莫爾條紋如下圖所示：莫爾條紋如下圖所示：莫莫爾條紋爾條紋標尺光柵標尺光柵

36、指示光柵指示光柵光柵節(jié)距光柵節(jié)距莫莫爾條紋節(jié)距爾條紋節(jié)距 作用：作用： 放大作用放大作用誤差均化作用誤差均化作用 測量位移測量位移W光柵傾角光柵傾角v W、之間的關(guān)系之間的關(guān)系/2指示光柵指示光柵標尺光柵標尺光柵BACW/2橫向莫爾條紋的參數(shù)橫向莫爾條紋的參數(shù)BC=ABsin(/2)其中其中 BC=/2 ， AB=W/2 ，因此因此 W=/sin(/2)由于由于很小很小，單位為單位為rad時，時，Sin(/2) 故故 W / 光柵光柵節(jié)距節(jié)距W令令k= W/ = 1/k= W/ = 1/, ,則則k k為放大比。為放大比。如如=0.01mm=0.01mm，取，取=0.002 rad = 0.1

37、1=0.002 rad = 0.11o o 則則W=5mm,W=5mm, K=500,K=500, 即即放大放大500500倍倍，這樣光柵節(jié)距雖小，摩爾條紋的這樣光柵節(jié)距雖小，摩爾條紋的節(jié)距卻有節(jié)距卻有5mm5mm，因此，因此摩爾條紋清晰可見，易于測量摩爾條紋清晰可見，易于測量。摩爾條紋的作用摩爾條紋的作用a. 放大作用放大作用b. 誤差均化作用誤差均化作用摩爾條紋摩爾條紋是由許多根刻線共同形成的，這樣是由許多根刻線共同形成的，這樣可使光柵的可使光柵的節(jié)距誤差節(jié)距誤差得到得到平均化平均化。摩爾條紋的移動距離與光柵的移動距離成比例，摩爾條紋的移動距離與光柵的移動距離成比例，光柵橫向移動一個節(jié)距光

38、柵橫向移動一個節(jié)距，摩爾條紋正好沿刻線上，摩爾條紋正好沿刻線上下移動一個節(jié)距下移動一個節(jié)距W，或者說在光柵刻線的某一位，或者說在光柵刻線的某一位置，摩爾條紋明置，摩爾條紋明-暗暗-明變化一個周期，這為光電明變化一個周期，這為光電元件的安裝與信號檢測提供了良好的條件。元件的安裝與信號檢測提供了良好的條件。v利用脈沖變換電路可以提高光柵檢測裝置的利用脈沖變換電路可以提高光柵檢測裝置的讀數(shù)分辨率，有四倍、八倍、十倍、二十倍等讀數(shù)分辨率，有四倍、八倍、十倍、二十倍等。c. 測量位移測量位移 二、光柵位移二、光柵位移- -數(shù)字變換電路數(shù)字變換電路 下圖所示為光柵測量系統(tǒng)組成示意圖下圖所示為光柵測量系統(tǒng)組

39、成示意圖 光柵移動時，產(chǎn)生的莫爾條紋由光電元件接受，然光柵移動時，產(chǎn)生的莫爾條紋由光電元件接受，然后經(jīng)過位移數(shù)字變換電路形成順時針方向的正向脈后經(jīng)過位移數(shù)字變換電路形成順時針方向的正向脈沖或逆時針方向的反向脈沖，輸入可逆計數(shù)器。沖或逆時針方向的反向脈沖，輸入可逆計數(shù)器。 位移數(shù)字變換電路也叫光柵測量電路或四倍頻細分位移數(shù)字變換電路也叫光柵測量電路或四倍頻細分電路。電路。abcd插動放大插動放大插動放大插動放大整形整形整形整形方向方向辨別辨別門門電路電路可逆可逆計數(shù)計數(shù)正脈沖正脈沖反脈沖反脈沖光柵測量系統(tǒng)組成示意圖光柵測量系統(tǒng)組成示意圖 圖中圖中a a、b b、c c、d d為四塊硅光電為四塊硅

40、光電池，產(chǎn)生的信號在相位上彼此池，產(chǎn)生的信號在相位上彼此相差相差9090度；度； a a、b b是相位彼此相差是相位彼此相差180180度的兩度的兩信號，送入差分放大電路，得信號，送入差分放大電路，得到正弦信號。到正弦信號。 同理同理c c、d d相位，放大后得到余相位，放大后得到余弦信號。弦信號。 正弦、余弦信號經(jīng)整形變成方正弦、余弦信號經(jīng)整形變成方波波A A和和B B，A A和和B B信號經(jīng)過反相得信號經(jīng)過反相得到到C C和和D D信號，信號，A A、B B、C C、D D經(jīng)過經(jīng)過微分變成窄脈沖微分變成窄脈沖A A、B B、C C、D D。sincosABCDABCD相加相加ABCD相加相

41、加正向正向反向反向 由與門電路把由與門電路把0 0、9090、180180、270270四個相位上產(chǎn)生四個相位上產(chǎn)生的窄脈沖相加后，根據(jù)不同的的窄脈沖相加后，根據(jù)不同的移動方向形成正向脈沖或反向移動方向形成正向脈沖或反向脈沖，用可逆計數(shù)器進行計數(shù)，脈沖，用可逆計數(shù)器進行計數(shù)，就可測量出光柵的實際位移。就可測量出光柵的實際位移。 除為四倍頻電路外，還有除為四倍頻電路外，還有1010倍倍頻、頻、2020倍頻等。倍頻等。sincosABCDABCD相加相加ABCD相加相加正向正向反向反向第第5 5節(jié)節(jié) 磁尺（磁柵）磁尺（磁柵） 磁尺又稱為磁柵，是一種錄有等節(jié)距磁化信號磁尺又稱為磁柵，是一種錄有等節(jié)距

42、磁化信號的磁性標尺或磁盤，作為測量基準。測量時，讀的磁性標尺或磁盤，作為測量基準。測量時，讀取磁頭將磁性標尺上的磁化信號轉(zhuǎn)化為電信號，取磁頭將磁性標尺上的磁化信號轉(zhuǎn)化為電信號，再通過檢測電路將磁頭相對于磁性標尺的位置送再通過檢測電路將磁頭相對于磁性標尺的位置送入計算機或數(shù)顯裝置中。入計算機或數(shù)顯裝置中。磁尺按磁尺按基本形基本形狀狀分為分為平面實體形平面實體形磁尺磁尺一般長度為一般長度為600mm帶帶 狀狀 磁磁 尺尺基體厚基體厚0.2mm，寬，寬70mm線線 狀狀 磁磁 尺尺 長度小于長度小于1.5m，套裝在磁頭內(nèi)，套裝在磁頭內(nèi)圓圓 形形 磁磁 尺尺 做成做成磁盤狀磁盤狀，檢測，檢測角位移角位

43、移一、磁尺的結(jié)構(gòu)和工作原理一、磁尺的結(jié)構(gòu)和工作原理 1 1、磁尺的結(jié)構(gòu)、磁尺的結(jié)構(gòu) 磁尺由磁尺由磁性標尺磁性標尺、磁頭磁頭和和檢測電路檢測電路組成。組成。伺伺 服服 系系 統(tǒng)統(tǒng)數(shù)數(shù) 字字 顯顯 示示尺尺磁磁檢檢 測測電電 路路磁磁磁尺位置檢測裝置磁尺位置檢測裝置（1 1）磁性標尺）磁性標尺磁性標尺采用不導磁材料作基體，在上面鍍上一層磁性標尺采用不導磁材料作基體，在上面鍍上一層101030m厚的高導磁材料，形成均勻磁膜；再用錄磁磁厚的高導磁材料，形成均勻磁膜；再用錄磁磁頭在尺上記錄相等節(jié)距的周期性磁化信號，用以作為測頭在尺上記錄相等節(jié)距的周期性磁化信號，用以作為測量基準，信號可為正弦波、方波等，

44、節(jié)距通常為量基準，信號可為正弦波、方波等，節(jié)距通常為0.05mm 、0.1mm 、0.2mm、1mm等；最后在磁尺表面等；最后在磁尺表面涂上一層涂上一層1 2m厚的保護層。厚的保護層。（2 2）磁頭）磁頭磁頭是一種磁電轉(zhuǎn)換器，用來把磁心上的磁化信號檢磁頭是一種磁電轉(zhuǎn)換器，用來把磁心上的磁化信號檢測出來變成電信號送給檢測電路?？煞譃閯討B(tài)磁頭（用測出來變成電信號送給檢測電路?？煞譃閯討B(tài)磁頭（用于錄音機）和靜態(tài)磁頭（用于測量位移）。于錄音機）和靜態(tài)磁頭（用于測量位移）。2 2、磁尺工作原理、磁尺工作原理 磁尺用的是靜態(tài)磁頭，它在普通動態(tài)磁頭上加有帶勵磁尺用的是靜態(tài)磁頭，它在普通動態(tài)磁頭上加有帶勵磁線

45、圈的可飽和鐵芯，從而利用了可飽和鐵芯的磁性調(diào)磁線圈的可飽和鐵芯，從而利用了可飽和鐵芯的磁性調(diào)制的原理。制的原理。 勵磁電流在一個周期內(nèi)兩次過零、兩次出現(xiàn)峰值。對勵磁電流在一個周期內(nèi)兩次過零、兩次出現(xiàn)峰值。對應的磁開關(guān)通斷各兩次。在輸出線圈中輸出的感應電動應的磁開關(guān)通斷各兩次。在輸出線圈中輸出的感應電動勢為：勢為：txUUmsc sin)2cos( txUUmsc sin)2cos( 式中：式中：Usc輸出線圈中的感應電動勢輸出線圈中的感應電動勢Um輸出電動勢幅值輸出電動勢幅值 磁性標尺節(jié)距磁性標尺節(jié)距x 磁頭對磁性標尺的位移量磁頭對磁性標尺的位移量輸出線圈感應電勢的頻率輸出線圈感應電勢的頻率由

46、上式可見，磁頭輸出信號的幅值是位移由上式可見，磁頭輸出信號的幅值是位移x的函數(shù)，只要測出的函數(shù)，只要測出USC過過0次數(shù)，就可知道次數(shù)，就可知道x的大小。的大小。磁頭磁頭是進行是進行磁磁電電轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換的變換器變換器，它把反，它把反映空間位置的映空間位置的磁信號磁信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為電信號電信號輸送到輸送到檢測電路檢測電路中去。中去。使用使用單個磁頭單個磁頭的的輸出信號輸出信號很小，實際使用中常很小，實際使用中常將幾個到幾十個磁頭以一定的方式聯(lián)接起來，將幾個到幾十個磁頭以一定的方式聯(lián)接起來，組成組成多間隙磁頭多間隙磁頭。多間隙磁頭中的每一個磁頭。多間隙磁頭中的每一個磁頭都以相同的間距都以相同的間距m

47、/2配置，相鄰兩個磁頭的輸配置，相鄰兩個磁頭的輸出繞圈出繞圈反向串接反向串接。如圖（多間隙磁頭）。如圖（多間隙磁頭）N N N NN N N NS S S SS S S S N N N N S S S S N N N N S S S S磁磁尺尺N N磁磁頭頭U US S N NN N N N S S S S N N N N S SN N S S S S N N N N S S S S求求和和電電路路帶 帶通 通濾 濾波 波器 器限限幅幅放放大大整整形形功功放放功功放放低 低通 通濾 濾波 波器 器分分頻頻率率/ /4 40 00 0震震蕩蕩器器2 2M MC C9 90 0度度移移相相器器檢檢

48、相相內(nèi)內(nèi)插插電電路路可 可逆 逆記 記數(shù) 數(shù)器 器譯 譯碼 碼器 器數(shù)數(shù)字字顯顯示示代代碼碼輸輸出出磁磁場場分分布布磁磁頭頭I I磁磁頭頭I II I磁磁尺尺( (m m+ +1 1/ /4 4) )為辨別方向，通常采用間距為（為辨別方向，通常采用間距為（m+1/4m+1/4）的兩組磁頭）的兩組磁頭）（m=1,2m=1,2），并使兩組磁頭的勵磁電流相位相差），并使兩組磁頭的勵磁電流相位相差4545o o, ,這這樣兩組磁頭輸出電勢信號相位相差樣兩組磁頭輸出電勢信號相位相差9090o o。二、磁柵的應用二、磁柵的應用 根據(jù)檢測方法的不同，磁柵應用也可分為幅值檢測和根據(jù)檢測方法的不同，磁柵應用也可分為幅值檢測和相位檢測兩種，通常采用相位檢測。相位檢測兩種，通常采用相位檢測。 取磁尺上某取磁尺上某N極點為起點，若磁頭極點為起點，若磁頭I離開該離開該N極點的距極點的距離為離為x，則，則I、II磁頭上拾磁繞組輸出感應電勢分別為：磁頭上拾磁繞組輸出感應電勢分別為：txUUmsc sin)2sin(1 txU