數(shù)控原理及數(shù)控系統(tǒng) 第2版 教學(xué)課件 作者 王愛玲第6章 位置檢測裝置

第6章位置檢測裝置內(nèi)容提要：教學(xué)目的

教學(xué)難點、重點

教學(xué)手段

6.1檢測裝置的要求與分類

6.2旋轉(zhuǎn)變壓器

6.3感應(yīng)同步器

6.4絕對值脈沖編碼器

6.5光柵

6.6磁柵

6.7脈沖編碼器

思考題

教學(xué)目的1、了解位置檢測裝置的檢測原理、分類、數(shù)控機床對檢測裝置的要求以及各種檢測裝置的工作原理、特點以及應(yīng)用。2、了解和掌握數(shù)控機床檢測裝置的不同工作原理和信號處理方式，把握各種檢測裝置的特點和選型。教學(xué)難點、重點1、直線型感應(yīng)同步器輸出信號的處理方式是難點，理解相位和幅值方式下輸入信號的差異以及輸出信號的處理2、重點是旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光柵的工作原理、特點和應(yīng)用，必須讓大家理解，因為不同的檢測裝置將會有所差異。結(jié)合實例講清楚重點。教學(xué)手段1、采用實例講解法，結(jié)合金工實習(xí)同學(xué)們對數(shù)控機床的一些感性認(rèn)識，必須對不同的數(shù)控機床的檢測裝置工作原理和使用場合差異性區(qū)別開來2、講清楚不同數(shù)控機床檢測裝置的工作原理、特點以及所工作的方式，分開主次，理清思路，結(jié)合實例和多媒體課件。6.1檢測裝置的要求與分類

6.1.1檢測原理6.1.2檢測裝置的分類6.1.1檢測原理

1、計算機數(shù)控系統(tǒng)的位置控制是將插補計算的理論位置與實際反饋位置相比較，用其差值去控制進給電機。而實際反饋位置的采集，則是由一些位置檢測裝置來完成的。這些檢測裝置有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、脈沖編碼器、光柵、磁柵……2、對于采用半閉環(huán)控制的數(shù)控機床，其閉環(huán)路內(nèi)不包括機械傳動環(huán)節(jié)，它的位置檢測裝置一般采用旋轉(zhuǎn)變壓器，或高分辨率的脈沖編碼器，裝在進給電機或絲杠的端頭，旋轉(zhuǎn)變壓器(或脈沖編碼器)每旋轉(zhuǎn)一定角度，都嚴(yán)格地對應(yīng)著工作臺移動的一定距離。測量了電機或絲杠的角位移，也就間接地測量了工作臺的直線位移。3、對于采用閉環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)控機床，應(yīng)該直接測量工作臺的直線位移，可采用感應(yīng)同步器、光柵、磁柵等測量裝置。由工作臺直接帶動感應(yīng)同步器的滑動尺移動的同時，與裝在機床床身上的定尺配合，測量出工作臺的實際位移值?？梢?，位置測量裝置是數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的重要組成部分。它的作用是檢測位移和速度，發(fā)送反饋信號，構(gòu)成閉環(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)的精度決定。數(shù)控機床對檢測裝置的要求：位移檢測系統(tǒng)能夠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，也取決于測量線路。數(shù)控機床對檢測裝置的主要要求有：(1)高可靠性和高抗干擾性；(2)滿足精度和速度要求；(3)使用維護方便，適合機床運行環(huán)境；(4)成本低。

6.1.2檢測裝置的分類

檢測裝置是數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的重要組成部分。它的作用是檢測位移和速度，發(fā)送反饋信號，構(gòu)成半閉環(huán)、閉環(huán)控制。數(shù)控機床工作臺位移值是否和指令值一樣，誤差有多大，與機床驅(qū)動機構(gòu)的精度和位置檢測裝置的精度均有關(guān)，但位置檢測裝置精度將起主要作用或決定性作用。檢測裝置的性能主要體現(xiàn)在它的靜態(tài)特性和動態(tài)特性上。精度、分辨率、靈敏度、測量范圍和量程、遲滯、零漂和溫漂等屬靜態(tài)特性，動態(tài)特性主要指檢測裝置的輸出量對隨時間變化的輸入量的響應(yīng)特性。為適應(yīng)數(shù)控機床工作環(huán)境，保證機床的加工精度，數(shù)控機床用檢測裝置必須滿足數(shù)控機床對檢測裝置的要求；對高速動態(tài)信號能實現(xiàn)不失真測量和處理；易于實現(xiàn)自動化。

檢測裝置的精度指標(biāo)主要包括系統(tǒng)精度和系統(tǒng)分辨率。系統(tǒng)精度是指在一定長度或轉(zhuǎn)角內(nèi)測量累積誤差的最大值，目前一般直線位移測量精度已達到0.002～0.02mm／m，回轉(zhuǎn)角測量精度達到±／360°。系統(tǒng)分辨率是測量元件所能正確檢測的最小位移量，目前直線位移的分辨率為0.001～0.01mm，角位移分辨率為。分辨率的選取與脈沖當(dāng)量的選擇方法一樣，數(shù)值也相同，均按機床加工精度的1/3～1／10選取。對于不同類型的數(shù)控機床，因工作條件和檢測要求不同，可以采用以下不同的檢測方式。1、增量式和絕對式增量式檢測方式只測量位移增量，每移動一個測量單位就發(fā)出一個測量信號。其優(yōu)點是檢測裝置比較簡單，任何一個對中點都可以作為測量起點。但在此系統(tǒng)中，移距是靠對測量信號計數(shù)后讀出的，一旦計數(shù)有誤，此后的測量結(jié)果將全錯。另外在發(fā)生故障時(如斷電等)不能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)才能找到事故前的正確位置。絕對值式測量方式可以避免上述缺點，它的被測量的任一點的位置都以一個固定的零點作基準(zhǔn)，每一被測點都有一個相應(yīng)的測量值。這種方式分辨率要求愈高，結(jié)構(gòu)也愈復(fù)雜。2、數(shù)字式和模擬式

數(shù)字式檢測是將被測量單位量化以后以數(shù)字形式表示，它的特點是：(1)被測量量化后轉(zhuǎn)換成脈沖個數(shù)，便于顯示處理；(2)測量精度取決于測量單位，與量程基本無關(guān)；(3)檢測裝置比較簡單，脈沖信號抗干擾能力強。模擬式檢測是將被測量用連續(xù)的變量來表示。在大量程內(nèi)作精確的模擬式檢測在技術(shù)上有較高要求，數(shù)控機床中模擬式檢測主要用于小量程測量。它的主要特點是：(1)直接對被測量進行檢測，無須量化；(2)在小量程內(nèi)可以實現(xiàn)高精度測量；(3)可用于直接檢測和間接檢測。

對機床的直線位移采用直線型檢測裝置測量，稱為直接檢測。其測量精度主要取決于測量元件的精度，不受機床傳動精度的直接影響。但檢測裝置要與行程等長，這對大型數(shù)控機床來說，是一個很大的限制。對機床的直線位移采用回轉(zhuǎn)型檢測元件測量，稱為間接測量。其測量精度取決于測量元件和機床傳動鏈的精度。間接檢測使用可靠方便，無長度限制，缺點是在檢測信號中加入了直線轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動的傳動鏈誤差，從而影響檢測精度。因此為了提高定位精度，常常需要對機床的傳動誤差進行補償。數(shù)控機床伺服系統(tǒng)常用的位置檢測裝置見表6—1。按檢測信號的類型分，有數(shù)字式和模擬式；按檢測量的測量基準(zhǔn)分，有絕對式和增量式；按被測量和所用檢測裝置的安裝位置關(guān)系分，有直接測量和間接測量。數(shù)字式模

擬

式增量式

絕對式

增量式

絕對式

回轉(zhuǎn)型

增量式光電脈沖編碼器、圓光柵

絕對式光電脈沖編碼器

旋轉(zhuǎn)變壓器、圓形感應(yīng)同步器、圓形磁尺

多極旋轉(zhuǎn)變壓器、三速圓形感應(yīng)同步器

直線型

計量光柵、激光干涉儀

編碼尺、多通道透射光柵

直線型感應(yīng)同步器、磁尺

三速直線型感應(yīng)同步器、絕對值式磁尺

表6-1位置檢測裝置分類

6.2旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種間接測量裝置，由于它具有結(jié)構(gòu)簡單、動作靈敏、工作可靠、對環(huán)境條件要求低、輸出信號幅度大和抗干擾能力強等特點，所以在連續(xù)控制系統(tǒng)中得到了普通使用。

6.2.1旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理

6.2.2旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用

6.2.1旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理

旋轉(zhuǎn)變壓器又叫同步分解器，它是一種控制用的微電機，在結(jié)構(gòu)上與兩相繞線式異步電動機相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成。定子繞組為變壓器一次側(cè)，轉(zhuǎn)子繞組為變壓器二次側(cè)。激磁電壓接到二次側(cè)，感應(yīng)電動勢由一次側(cè)輸出。常用的激磁頻率為400Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz及5000Hz。

通常應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)變壓器為二極旋轉(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。另外，還有一種多極旋轉(zhuǎn)變壓器。也可以把一個極對數(shù)少的和一個極對數(shù)多的兩種旋轉(zhuǎn)變壓器做在一個磁路上，裝在一個機殼內(nèi)，構(gòu)成“粗測”和“精測”電氣變速雙通道檢測裝置，用于高精度檢測系統(tǒng)和同步系統(tǒng)。

由于定子和轉(zhuǎn)子之間的磁通分布符合正弦規(guī)律，所以當(dāng)激磁電壓加到定子繞組時，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。如圖6—1所示，由變壓器工作原理，設(shè)一次繞組匝數(shù)為Nl，二次繞組匝數(shù)為N2，n=Nl／N2為變壓比，當(dāng)一次側(cè)輸入交變電壓

時，二次側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電勢圖6-1旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理（a）線圈位置圖（b）波形圖因此，旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓的幅值是嚴(yán)格地按轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角的正弦規(guī)律變化的，其頻率和激磁電壓的幅值相同。

同時，由于它是一只小型交流電機，二次繞組跟著轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，其輸出電勢隨著轉(zhuǎn)子的角向位置呈正弦規(guī)律變化，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組磁軸與定子繞組磁軸垂直時，＝0，不產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，E2＝0；當(dāng)兩磁軸平行時，感應(yīng)電動勢為最大，即

當(dāng)兩磁軸為任意角度時，感應(yīng)電動勢為式中——定子輸入電壓最大值。6.2.2旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用

根據(jù)上式，測量旋轉(zhuǎn)變壓器二次繞組的感應(yīng)電動勢E2的幅值或相位的變化，可知角的變化。如果將旋轉(zhuǎn)變壓器裝在數(shù)控機床的絲杠上，當(dāng)角從變化到時，表示絲杠上的螺母走了一個螺距，這樣就間接地測量了絲杠的直線位移(螺距)的大小。在數(shù)控機床伺服系統(tǒng)中，往往用來測量機床的主軸及伺服軸運動等。測全長時，可加一只計數(shù)器，累計所走的螺距數(shù)，折算成位移總長度。為區(qū)別正反向，再加一只相敏檢波器以區(qū)別不同的轉(zhuǎn)向。另外，還可以用3個旋轉(zhuǎn)變壓器按10：1和100：1的比例相互配合串接，組成精、中、粗3級旋轉(zhuǎn)變壓器測量裝置。這樣，如果轉(zhuǎn)子以半周期直接與絲杠耦合(即“精”同步)，結(jié)果使絲杠位移10mm，則“中”測旋轉(zhuǎn)變壓器工作范圍為100mm，“粗”測旋轉(zhuǎn)變壓器的工作范圍為1000mm。為了使機床滑板按要求值到達一定位置，須用電氣轉(zhuǎn)換電路，在實際值不斷接近要求值的過程中使旋轉(zhuǎn)變壓器從“粗”轉(zhuǎn)換到“精”，最后位置檢測精度由“精”旋轉(zhuǎn)變壓器決定，具體檢測電路與感應(yīng)同步器相似，其在以后介紹。6.3感應(yīng)同步器

感應(yīng)同步器是由旋轉(zhuǎn)變壓器演變而來的，它是利用兩個平面形印刷繞組，其間保持均勻氣隙約為(0.25±0.05)mm，相對平行移動時，根據(jù)交變磁場和互感原理而工作的。實質(zhì)上，感應(yīng)同步器是多極旋轉(zhuǎn)變壓器的展開形式，兩者的工作原理基本相同。感應(yīng)同步器分兩種：測量直線位移的稱為直線型感應(yīng)同步器；測量角位移的稱為圓形感應(yīng)同步器。直線型感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成；圓形感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成。6.3.1感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和工作原理1、感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)圖6—2定尺與滑尺繞組(a)定尺繞組(b)W形滑尺繞組(c)U形滑尺繞組

圖6—2所示為直線型感應(yīng)同步器的定尺和滑尺的繞組結(jié)構(gòu)示意圖。定尺為連續(xù)繞組，節(jié)距，其中為導(dǎo)電片寬，為片間間隙，定尺節(jié)距即為檢測周期,常取W=2mm。

滑尺上為分段繞組，分為正弦和余弦繞組兩部分，繞組可做成W形或U形。圖6—2中的為正弦繞組，為余弦繞組，兩者在空間錯開1／4定尺節(jié)距(電角度錯開90°)。兩繞組的節(jié)距都為其中為導(dǎo)電片寬，為片間間隙。一般取w1=w2或者取w1=w2/3，正弦與余弦兩繞組的中心距，

（6－5）圖6—3圓形感應(yīng)同步器的繞組結(jié)構(gòu)(a)轉(zhuǎn)子(b)定子圖6—4直線型感應(yīng)同步器的截面結(jié)構(gòu)(a)定尺(b)滑尺1－耐切削液保護層2一基體3一平面繞組4－絕緣粘結(jié)劑5一為鋁箔屏蔽層

圖6—4為定尺和滑尺的截面結(jié)構(gòu)圖。基體2通常采用厚度為10mm的銅板或鑄鐵制成，以減小與機床的溫度誤差。平面繞組3為銅箔，通常采用厚度為0.05mm或0.07mm的紫銅箔，用絕緣粘結(jié)劑4熱壓粘結(jié)在基體2上，利用刻蝕方法制成所需繞組形式。在定尺繞組表面上涂上一層耐切削液的清漆涂層1，防止切削液的飛濺影響。在滑尺繞組表面上貼一層帶塑料薄膜的鋁箔5，為防止在感應(yīng)繞組中因靜電感應(yīng)產(chǎn)生的附加容性電勢。圖6—5標(biāo)準(zhǔn)型直線型感應(yīng)同步器的外形尺寸

直線型感應(yīng)同步器通常有標(biāo)準(zhǔn)型(如圖6—5所示)、窄型、帶狀和三速(三重)式。直線型感應(yīng)同步器的種類：標(biāo)準(zhǔn)型是直線型感應(yīng)同步器中精度最高的一種，應(yīng)用最廣。當(dāng)測量長度超過175mm時，可以將定尺接長使用。窄型直線型感應(yīng)同步器的定尺、滑尺的寬度有所減小，適用于設(shè)備安裝位置受限制的場合，但它的電磁感應(yīng)強度有所減低，比標(biāo)準(zhǔn)型的精度低。帶狀直線型感應(yīng)同步器由于定尺最長可達3m以上，不需接長，便于在設(shè)備上安裝。由于定尺較長，剛性稍差，其總測量精度要比標(biāo)準(zhǔn)型的低。三速(三重)直線型感應(yīng)同步器的定尺有粗、中、細(xì)繞組，為絕對式檢測系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)型直線型感應(yīng)同步器的工作原理圖6－6直線型感應(yīng)同步器繞組原理圖圖6－7感應(yīng)同步器產(chǎn)生感應(yīng)電壓的原理圖

圖6—6所示為標(biāo)準(zhǔn)型直線型感應(yīng)同步器的繞組示意圖。滑尺上有正弦和余弦勵磁繞組，在空間位置上相差1／4節(jié)距。定尺和滑尺繞組的節(jié)距相同即(一般為2mm)。若滑尺繞組加勵磁電壓，則由于電磁感應(yīng)而在定尺繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。感應(yīng)電壓產(chǎn)生原理如圖6—7所示。圖6—7中的電流為滑尺上的勵磁電流，為產(chǎn)生的耦合磁通，為定尺繞組由于磁通耦合所產(chǎn)生的感應(yīng)電流。圖6－8定尺繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢的原理圖

感應(yīng)同步器定尺、滑尺繞組的節(jié)距W反映了直線位移量(一般為2mm)，滑尺相對定尺相對運動時將位移變成相應(yīng)的感應(yīng)電勢信號。產(chǎn)生感應(yīng)電勢的原理如圖6－8所示。當(dāng)定尺和滑尺的繞組(只一個繞組勵磁)相重合時，如圖6—8中的A點，感應(yīng)電勢最大；隨著滑尺相對定尺作平行移動，感應(yīng)電勢慢慢減小，在剛好移動1／4節(jié)距的位置，即移到B點位置，感應(yīng)電勢為零。如果再繼續(xù)移動到1／2節(jié)距，即到C點位置，其感應(yīng)電勢值與A點位置的相同，但極性相反。其后，移到3／4節(jié)距，即D點位置，感應(yīng)電勢又變?yōu)榱恪＿@樣，滑尺在移動一個節(jié)距的過程中，感應(yīng)電勢(按余弦波形)變化了一個周期。若勵磁電壓u=，那么在定尺繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電勢e為（9-9）

——勵磁電壓幅值（V）；式中：——勵磁電壓角頻率（rad/s）；k——比例常數(shù)，其值與繞組間最大互感系數(shù)有關(guān)；——滑尺相對于定尺在空間的相位角。在一個節(jié)距W內(nèi)，位移x與的關(guān)系應(yīng)為

（6－7）

感應(yīng)同步器就是利用感應(yīng)電勢的變化，來檢測在一個節(jié)距W內(nèi)的位移量，這為絕對式測量。6.3.2感應(yīng)同步器輸出信號的處理方式采用不同的勵磁方式，可對輸出信號采取不同的處理方式，常用的有鑒相方式和鑒幅方式。1、鑒相方式所謂鑒相方式就是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的相位來檢測位移量的一種工作方式。滑尺上的正弦、余弦勵磁繞組提供同頻率、同幅值、相位差90°的交流電壓，即

（6－8）

單獨勵磁，在定尺繞組上感應(yīng)電勢分別為（6－9）

根據(jù)疊加原理,定尺繞組上總輸出感應(yīng)電勢e為

（6－10）由上式可知，通過鑒別定尺輸出的感應(yīng)電勢的相位，即可測量定尺和滑尺之間的相對位置。例如定尺輸出感應(yīng)電勢與滑尺勵磁電壓之間相位差為1.8°，在W=2mm的情況下，x=(1.8°/360°)X2mm=0.01mm，它表明滑尺相對定尺節(jié)距的零位置移動了0.01mm。目前，大多數(shù)CNC系統(tǒng)的一個節(jié)距(2mm)定為2000個脈沖，可得到1的分辨率。感應(yīng)同步器的鑒相方式用在相位比較伺服系統(tǒng)中。2、鑒幅方式鑒幅方式是根據(jù)定尺輸出的感應(yīng)電勢的振幅變化來檢測位移量的一種工作方式?；叩恼?、余弦繞組勵磁電壓為同頻率、同相位，但不同幅值，即（6－11）

—勵磁電壓的給定相位角。式中

同理，分別勵磁時，在定尺繞組上產(chǎn)生的輸出感應(yīng)電勢分別為

（6－12）

根據(jù)疊加原理，定尺上輸出總感應(yīng)電勢為（6－13）

若原始狀態(tài)，則e=0。然后滑尺相對定尺有一位移，使變?yōu)椋瑒t感應(yīng)電勢增量為（6－14）

6.3.3感應(yīng)同步器的特點與使用感應(yīng)同步器有如下特點：(1)精度高。感應(yīng)同步器有許多對極，其輸出電壓是許多對極感應(yīng)電壓的平均值。由于誤差均化的作用，使所得到的測量精度比元件本身的制造精度高得多，其直線精度一般為±0.002mm／250mm，轉(zhuǎn)角精度為土0.5"／300mm直徑。因為定尺的節(jié)距誤差有平均自補償作用，所以尺子本身的精度能做得較高。直線感應(yīng)同步器對機床位移的測量是直接測量，不經(jīng)過任何機械傳動裝置，測量精度主要取決于尺子的精度。

感應(yīng)同步器的靈敏度(或稱分辨率)，取決于一個周期進行電氣細(xì)分的程度，靈敏度的提高受到電氣細(xì)分電路中信號噪聲比的限制，但是通過線路的精心設(shè)計和采取嚴(yán)密的抗干擾措施，可以把電噪聲減到很低，并獲得很高的穩(wěn)定性。(2)可用于長距離位移測量。感應(yīng)同步器每根定尺長250mm，測量長度大于175m，可用多根定尺接長來滿足測量范圍的要求。當(dāng)測量長度大于250mm時，可以采用多塊定尺接長，相鄰定尺間隔可用塊規(guī)或激光測長儀進行調(diào)整，使總長度上的累積誤差不大于單塊定尺的最大偏差。行程為幾米到幾十米的中型或大型機床中，工作臺位移的直線測量，大多數(shù)采用直線式感應(yīng)同步器來實現(xiàn)。

(3)對環(huán)境的適應(yīng)性較強。它是利用電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生信號的，所以不怕油污和灰塵污染，測量信號與絕對位置一一對應(yīng)，不易受干擾。因為感應(yīng)同步器金屬基板和床身鑄鐵的熱脹系數(shù)相近，當(dāng)溫度變化時，還能獲得較高的重復(fù)精度，另外，感應(yīng)同步器是非接觸式的空間耦合器件，所以對尺面防護要求低，而且可選擇耐溫性能良好的非導(dǎo)磁性涂料作保護層，加強感應(yīng)同步器的抗溫防濕能力。(4)使用壽命長，維護簡單。感應(yīng)同步器的定尺和滑尺互不接觸，因此無任何摩擦、磨損，使用壽命很長，不怕灰塵、油污及沖擊振動。同時由于是電磁耦合器件，所以不需要光源、光電元件、不存在元件老化及光學(xué)系統(tǒng)故障等問題。(5)抗干擾能力強、工藝性好、成本低、定尺和滑尺繞組便于復(fù)制和成批生產(chǎn)。5、感應(yīng)同步器安裝使用的注意事項直線型感應(yīng)同步器的定尺安裝在機床不動部件上，可直接安裝在機床某個面上，也可以和尺座構(gòu)成組件后再安裝在機床上。這樣可在機外接長，接長精度高，亦可減少在機床上安裝的時間，應(yīng)用廣泛。但接長有一定的難度，為發(fā)揮感應(yīng)同步器的優(yōu)點，接長應(yīng)有嚴(yán)格要求。安裝注意事項如下：(1)感應(yīng)同步器在安裝時必須保持兩尺平行、兩平面間的間隙約為0.25mm，傾斜度小于0.5°，裝配面波紋度在0.01mm／250mm以內(nèi)?；咭苿訒r，晃動的間隙及不平行度誤差的變化小于0.1mm。(2)感應(yīng)同步器大多裝在容易被切屑及切屑液浸入的地方，所以必須加以防護，否則切屑夾在間隙內(nèi)，會使滑尺和定尺的繞組刮傷或短路，使裝置發(fā)生誤動作及損壞。

(3)同步回路中的阻抗和激磁電壓不對稱以及激磁電流失真度超過2％，將對檢測精度產(chǎn)生很大的影響，因此在調(diào)整系統(tǒng)時，應(yīng)加以注意。(4)由于感應(yīng)同步器感應(yīng)電勢低，阻抗低，所以應(yīng)加強屏蔽以防止干擾。6.4絕對值脈沖編碼器6.4.1絕對值脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)和基本原理

絕對值編碼器通過讀取編碼盤上的圖案來表示軸的位置。它由一組二元信號(“0”和“1”)按一定規(guī)律組成代碼，每一個代碼對應(yīng)于編碼器的一個確定位置。下面的例子有助于了解它的構(gòu)成方式：假設(shè)一小車在區(qū)間AE上有5個固定停車點(見圖6—9)，分別以A、B、C、D、E表示。在每個停車點上設(shè)置1個二元開關(guān)(通-斷)，例如位置開關(guān)。當(dāng)小車停止在某一位置時，相應(yīng)的開關(guān)接通(為“l(fā)”)，因此5個開關(guān)組成的5位代碼就表示小車的位置，見表6—4。圖6-9簡單的直接編碼原理圖

小車位置ABCDE代碼1000001000001000001000001表6-4小車位置代碼從上面的分析中可以看出，小車停在確定位置時，就有與之對應(yīng)的代碼，但小車處于任何區(qū)間間隙中，則無代碼輸出。要精確地確定小車的位置，只有盡可能多地安排二元的信號元件，即增加代碼長度。從代碼的角度來看，代碼的利用是不充分的，對于一個5位字長的二元系列，可以構(gòu)成32個代碼，而此處只利用了5個。因此，數(shù)字式直接編碼式傳感器采用二元組合碼，并做成矩形(測線位移)和圓盤或圓柱形(測角位移)，統(tǒng)稱為編碼器。編碼器由編碼模具和讀碼裝置兩部分組成。編碼模具由若干個二進制碼元按一定編碼規(guī)律組成。圖6—10表示一個二進制編碼的碼盤，其中4個碼道分別相應(yīng)于二進制的20、21、22和23各位，陰影部分表示為“1”，而空白部分表示為零，共16個代碼。讀碼裝置是多種多樣的，依編碼模具的二元信號形成原理而定。例如，以導(dǎo)電—不導(dǎo)電作為“1”和“0”，讀碼裝置就需要采用電刷，而當(dāng)以透光-不透表示“1”和“0”時，讀碼裝置相應(yīng)地采用光電方法。

圖6—10圓形編碼器結(jié)構(gòu)示意圖

6.4.2絕對值脈沖編碼器的應(yīng)用按二進制制作的編碼器在實用上有時出現(xiàn)誤碼問題。由于多種原因，讀碼器很難嚴(yán)格處在一條直線上，因此在兩個相鄰代碼的交界處就可能產(chǎn)生誤碼。如在圖6—11中代碼“0111”(數(shù)7)和代碼“1000”(數(shù)8)交界處，讀碼器可能讀出0一15中任何一個數(shù)的代碼。為了消除這一缺點，可采用兩種方法。1、導(dǎo)前-滯后雙讀法2、格雷循環(huán)碼6.5光柵計量光柵是用于數(shù)控機床的精密檢測元件，是閉環(huán)系統(tǒng)中另一種用得較多的測量裝置，用作位移或轉(zhuǎn)角的測量，測量精度可達幾微米。6.5.1光柵結(jié)構(gòu)和工作原理1、光柵的種類與精度在玻璃的表面上制成透明與不透明間隔相等的線紋，稱透射光柵；在金屬的鏡面上制成全反射與漫反射間隔相等的線紋，稱反射光柵，也可以把線紋做成具有一定衍射角度的定向光柵。計量光柵分為長光柵(測量直線位移)和圓光柵(測量角位移)，而每一種又根據(jù)其用途和材質(zhì)的不同分為多種。（1）直線光柵(即長光柵)1）玻璃透射光柵它是在玻璃表面感光材料的涂層上或者在金屬鍍膜上制成的光柵線紋，也有用刻蠟、腐蝕、涂黑工藝。光柵的幾何尺寸主要根據(jù)光柵線紋的長度和安裝情況具體確定，如圖6-14所示。

圖6-14透射光柵

玻璃透射光柵的特點是：①光源可以采用垂直入射，光電元件可直接接受光信號，因此信號幅度大，讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)比較簡單；②每毫米上的線紋數(shù)多，一般常用的黑白光柵可做到每毫米100條線，再經(jīng)過電路細(xì)分，可做到微米級的分辨率。2）金屬反射光柵這是在鋼尺或不銹鋼帶的鏡面上用照相腐蝕工藝制作光柵或用鉆石刀直接刻劃制作光柵條紋。金屬反射光柵的特點是：①標(biāo)尺光柵的線膨脹系數(shù)很容易做到與機床材料一致；②標(biāo)尺光柵的安裝和調(diào)整比較方便；③安裝面積較??；④易于接長或制成整根的鋼帶長光柵；⑤不易碰碎。目前常用的每毫米線紋數(shù)為4、10、25、40、50(見圖6-15)。圖6-15反射光柵（2）圓光柵它是在玻璃圓盤的外環(huán)端面上，做成黑白間隔條紋，根據(jù)不同的使用要求在圓周內(nèi)線紋數(shù)也不相同。圓光柵一般有3種形式：1)60進制，如10800，21600，32400，64800等；2)10進制，如1000，2500，5000等；3)二進制，如512，1024，2048等。圓光柵的結(jié)構(gòu)如圖6—16所示。6-16圓光柵（3）計量光柵的精度光柵檢測系的精度主要取決于光柵尺本體的制造精度，也就是計量光柵任意兩點間的誤差，即累積誤差。由于使用了莫爾條紋技術(shù)，所以相鄰誤差得以適當(dāng)?shù)乇恍拚珜鄯e誤差無多大改善。由于激光技術(shù)的發(fā)展，光柵制作精度可以提高，目前光柵精度可達到微米級，再通過細(xì)分電路可以做到0.1μm，甚至更高的分辨率。表6-6列出了幾種光柵的精度數(shù)據(jù)。

計量光柵

光柵長度／mm

線紋數(shù)

精度①直線式

玻璃透射光柵500100／mm5μm玻璃透射光柵1000

同上10μm玻璃透射光柵1100

同上10μm玻璃透射光柵1100

同上3～5μm玻璃透射光柵500

同上2～3μm金屬反射光柵122040／mm13μm金屬反射光柵50025／mm7μm高精度反射光柵100050／mm7．5μm玻璃衍射光柵300250／mm

土1．5μm回轉(zhuǎn)式玻璃圓光柵

φ27010800／周3(″)①指兩點間最大均方根誤差。表6-6各種光柵的精度2、工作原理光柵位置檢測裝置由光源、長光柵(標(biāo)尺光柵)、短光柵(指示光柵)和光電元件等組成(見圖6—17)。根據(jù)光柵的工作原理分莫爾條紋式和透射直線式光柵兩類。圖6—17光柵位置檢測裝置

（1）透射直線式光柵如圖6—18所示，它是用光電元件把兩塊光柵移動時產(chǎn)生的明暗變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏髯兓姆绞健ｉL光柵裝在機床移動部件上，稱之為標(biāo)尺光柵；短光柵裝在機床固定部件上，稱之為指示光柵。標(biāo)尺光柵和指示光柵均由窄矩形不透明的線紋和與其等寬的透明間隔組成。當(dāng)標(biāo)尺光柵相對線紋垂直移動時，光源通過標(biāo)尺光柵和指示光柵再由物鏡聚焦射到光電元件上。若指示光柵的線紋與標(biāo)尺光柵透明間隔完全重合，光電元件接收到的光通量最少。若指示光柵的線紋與標(biāo)尺光柵的線紋完全重合，光電元件接收到的光通量最強。因此，標(biāo)尺光柵移動過程中，光電元件接收到的光通量忽強忽弱，產(chǎn)生了近似正弦波的電流。再用電子線路轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字以顯示位移量。為了辨別運動方向，指示光柵的線紋錯開l／4柵距，并通過鑒向線路進行判別。由于這種光柵只能透過單個透明間隔，所以光強度較弱，脈沖信號不強，往往在光柵線較粗的場合使用。

圖6—18透射直線式光柵原理圖（a）結(jié)構(gòu)圖（b）輸出波形1-燈泡2-透鏡3-指示光柵4-標(biāo)尺光柵5-光電元件6-讀數(shù)頭（2）莫爾條紋式光柵莫爾條紋的形成與光柵常數(shù)——柵距及光的波長有關(guān)，在柵距大小與波長十分接近時，莫爾條紋可由衍射光的干涉現(xiàn)象來解釋。而在柵距較波長大得多的場合(粗光柵)，衍射現(xiàn)象已不十分明顯，莫爾條紋的產(chǎn)生則由于柵線遮光作用，故可用幾何光學(xué)來說明。在現(xiàn)場常見的是后一種光柵，現(xiàn)以此為例子加以介紹。

圖6—19所示是用柵格斜置的長光柵，圖中作為標(biāo)尺光柵的柵線和X軸垂直，而作為指示光柵的柵線與標(biāo)尺光柵之間有一個小的傾斜角θ，兩者間形成透光的(圖中a)和不透光的(圖中b)菱形條紋。當(dāng)兩光柵沿X軸作相對移動時，條紋將沿柵線方向移動(橫向莫爾條紋)。每變化一個柵距，透光部分將由a處移到b處，a處則完全遮斷，于是在a、b兩處輪流處于透光和遮光狀態(tài)。若在a處放置一個光電元件，則其上的光通量將隨柵格的相對移動而呈三角形變化。不難證明，在傾斜角很小時，莫爾條紋寬度B與柵距W之間有如下關(guān)系：

圖6-19長光柵的莫爾條紋

即條紋寬度B是節(jié)距W的l/θ倍。這種放大作用，是利用光柵測量微小位移的基礎(chǔ)。若在a處放置一個寬度等于B的光電元件，當(dāng)標(biāo)尺光柵沿x軸方向移動半個柵距時，光電元件的受光面積從最大變化到最小(完全遮斷)，此后又逐步增大。故在標(biāo)尺光柵以等速沿x軸運動時，a處的光電元件的受光面積將作周期性變化，其效果類似于一個具有菱形透光孔的長帶沿θ角軸(與y軸夾角為θ)方向移動所產(chǎn)生的效果一樣。莫爾條紋的產(chǎn)生和特點：若光源以平行光照射光柵時，由于擋光效應(yīng)和光的衍射，則在與線紋垂直方向，更確切地說，在兩塊光柵線紋夾角的平分線相垂直的方向上，會出現(xiàn)明暗交替、間隔相等的粗大條紋，稱為“莫爾干涉條紋”，簡稱莫爾條紋

莫爾條紋有如下的特點：(1)起放大作用。(2)均化誤差作用。莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成的，例如若W=0.01mm，則10mm長(短光柵長度)的一根莫爾條紋就由1000條線紋組成(3)莫爾條紋移動與柵距之間移動的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)光柵移動一個柵距(W)時，莫爾條紋也相應(yīng)移動一條(B)，其光強變化近似于正弦波形；若移動方向相反，則莫爾條紋移動方向也相反。6.6磁柵

磁柵又稱磁尺，是一種計算磁波數(shù)目的位置檢測元件?？捎糜谥本€和轉(zhuǎn)角的測量，其優(yōu)點是精度高、復(fù)制簡單和安裝方便等，在油污、粉塵較多的場合使用有較好的穩(wěn)定性。因此，在數(shù)控機床、精密機床和各種測量機上得到廣泛使用。磁柵位置測量有直線式和回轉(zhuǎn)式兩種。磁柵的工作原理與普通磁帶的錄磁和拾磁的原理是相同的。用錄磁磁頭將相等節(jié)距(常為20μm或50μm)周期變化的電信號記錄到磁性標(biāo)尺上，用它作為測量位移量的基準(zhǔn)尺。在檢測時，用拾磁磁頭讀取記錄在磁性標(biāo)尺上的磁信號，通過檢測電路將位移量用數(shù)字顯示出來或送至位置控制系統(tǒng)。圖6—25所示為磁柵位置方框圖。圖6—25磁柵位置檢測方框圖

測量用的磁柵與普通的磁帶錄音的區(qū)別在于：①磁性標(biāo)尺的等節(jié)距錄磁的精度要求很高，因為它直接影響位移測量精度。為此需要在高精度錄磁設(shè)備上對磁尺進行錄磁。②當(dāng)磁尺與拾磁磁頭之間的相對運動速度很低或處在靜止?fàn)顟B(tài)時，也應(yīng)能夠進行位置測量。因此，不能采用一般的錄音機拾磁磁頭即速度響應(yīng)型磁頭，需要用特殊的磁通響應(yīng)型磁頭。6.6.1磁性標(biāo)尺磁性標(biāo)尺是在非導(dǎo)磁材料的基體上，采用涂敷、化學(xué)沉積或電鍍上一層很薄的磁性材料，然后用錄磁的方法使敷層磁化成相等節(jié)距周期變化的磁化信號。磁化信號可以是脈沖，也可以為正弦波或飽和磁波。磁化信號的節(jié)距(或周期)一般有0.05mm、0.10mm、0.20mm、1mm等幾種。磁柵基體不導(dǎo)磁，要求溫度對測量精度的影響小，熱脹系數(shù)與普通鋼鐵相近。磁柵按基體形狀的不同可以分為直線位移測量用的實體型磁柵、帶狀磁柵和線狀磁柵；用于角度位移測量的有回轉(zhuǎn)型磁柵等(見圖6—26)。圖6—26按磁性標(biāo)尺基體形狀分類的各種磁柵a）實體型磁柵b）帶狀磁柵c）線狀磁柵d）回轉(zhuǎn)型磁柵6.7脈沖編碼器6.7.1脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)、分類和工作原理1、分類和結(jié)構(gòu)脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器。它把機械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，是一種常用的角位移傳感器。脈沖編碼器分光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式三種。光電式的精度與可靠性都優(yōu)于其它兩種，因此數(shù)控機床上只使用光電式脈沖編碼器。由霍爾效應(yīng)構(gòu)成的電磁感應(yīng)或脈沖發(fā)生器也有用作速度檢測的。光電脈沖編碼器按每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)的多少來分，又有多種型號，但數(shù)控機床最常用的如表6-7所列。根據(jù)機床滾珠絲杠螺距來選用相應(yīng)的脈沖編碼器。脈沖編碼器每轉(zhuǎn)脈沖移動量(mm)每轉(zhuǎn)脈沖移動量(in)2000P／r2，3，4，6，80.1，O.15，0.2，0.3，0.42500P／r5，100.25，0.53000P／r3，6，120.15，0.3，0.6表6-7光電脈沖發(fā)生器脈沖編碼器每轉(zhuǎn)脈沖移動量(mm)每轉(zhuǎn)脈沖移動量(in)20000P／r2，3，4，6，80.1，0.15，O.2，0.3，0.425000P／r5，10O.25，0.530000P／r3，6，120.15，0.3，0.6

為了適應(yīng)高速、高精度數(shù)字伺服系統(tǒng)的需要，先后又發(fā)展了高分辨率的脈沖編碼器，見表6-8。表6-8高分辨率脈沖編碼器增量式光電脈沖編碼器（見圖6-31）最初的結(jié)構(gòu)就是一種光電盤。在一個圓盤的圓周上分成相等的透明與不透明部分，圓盤與工作油一起旋轉(zhuǎn)。此外還有一個固定不動的扇形薄片與圓盤平行放置，并制作有辨向狹縫(或狹縫群)，當(dāng)光線通過這兩個作相對運動