福州大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院NumericalControlTechnologyE_MAIL:.edu第七章數(shù)控機(jī)床檢測技術(shù)本章學(xué)習(xí)幾種常用位置傳感器的結(jié)構(gòu)、原理，并討論它們在直線位移和角位移中測量、控制的應(yīng)用?！?、數(shù)控測量裝置的性能指標(biāo)及要求

※

二、檢測裝置的分類※三、數(shù)控機(jī)床常用檢測元件內(nèi)容：位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件C插補(bǔ)指令實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋在數(shù)控機(jī)床中，檢測裝置有位置、速度和電流檢測。

構(gòu)成閉環(huán)控制檢測系統(tǒng)的精度決定了數(shù)控系統(tǒng)的精度和分辨率。在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)，尤其是高精度進(jìn)給伺服系統(tǒng)時(shí)，必須精心選擇位置檢測裝置。位置測量裝置實(shí)時(shí)測量執(zhí)行部件的位移和速度信號，并變換成位置控制單元所要求的信號形式，將運(yùn)動部件現(xiàn)實(shí)位置反饋到位置控制單元，以實(shí)施閉環(huán)控制。位置測量裝置是閉環(huán)、半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的重要組成部分。

一、數(shù)控測量裝置的性能指標(biāo)及要求

符合輸出量與輸入量之間特定函數(shù)關(guān)系的準(zhǔn)確程度稱作精度。要求：高精度和高速實(shí)時(shí)測量（精度高響應(yīng)快）。檢測精度：±0.001～0.02mm/m傳感器的性能指標(biāo)應(yīng)包括靜態(tài)特性和動態(tài)特性，主要如下：應(yīng)適應(yīng)機(jī)床精度和伺服系統(tǒng)的要求。0.001～0.01mm/m靈敏度高、一致。速度響應(yīng)

1～10m/min，30～90m/min可靠，抗干擾性強(qiáng)、使用維護(hù)方便、成本低等。致，稱為遲滯。遲滯小。對某一輸入量，傳感器的正行程的輸出量的不一1.精度

2.分辨率

3.靈敏度

4.遲滯5.測量范圍和量程6.零漂與7.其它：

不同類型的數(shù)控機(jī)床對檢測裝置的精度和速度適應(yīng)性的要求各不相同。——以滿足速度要求為主——以滿足精度要求為主大型機(jī)床中小型機(jī)床選擇檢測裝置分辨率的原則：比加工精度高一個(gè)數(shù)量級。二、檢測裝置的分類按檢測信號類型數(shù)字式模擬式增量式絕對式按測量方法按運(yùn)動型式回轉(zhuǎn)型直線型按安裝的位置及耦合方式直接測量間接測量按信號轉(zhuǎn)換的原理光電效應(yīng)光柵效應(yīng)電磁感應(yīng)原理壓電效應(yīng)壓阻效應(yīng)和磁阻效應(yīng)等

1、數(shù)字式測量和模擬式測量數(shù)字式測量

它是將被測的量以數(shù)字形式來表示，測量信號一般為電脈沖，可以直接把它送到數(shù)控裝置進(jìn)行比較、處理。模擬量測量

它是將被測的量用連續(xù)變量來表示，如電壓變化、相位變化等。它對信號處理的方法相對來說比較復(fù)雜。特點(diǎn)：

※

被測的量轉(zhuǎn)換為脈沖個(gè)數(shù)，便于顯示和處理；

※測量精度取決于測量單位，和量程基本無關(guān)；

※測量裝置比較簡單，脈沖信號抗干擾能力較強(qiáng)。特點(diǎn)：※直接測量被測的量，無需變換；

※主要用于小量程內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高精度的測量，技術(shù)成熟。2、增量式測量和絕對式測量增量式測量在增量式測量中，某著名企業(yè)部件每某著名企業(yè)一個(gè)基本單位，位置傳感器便發(fā)出一個(gè)測量信號，此信號通常是脈沖形式。如測量單位為0.001mm，則每某著名企業(yè)0.001mm就發(fā)出一個(gè)脈沖信號。一個(gè)脈沖代表的基本長度單位就是分辨率，對脈沖計(jì)數(shù)就可得到位移量，增量式測量只測相對位移量。優(yōu)點(diǎn)：測量裝置較簡單，任何一個(gè)對中點(diǎn)都可以作為測量的起點(diǎn)，在輪廓控制的數(shù)控機(jī)床上大都采用這種方式。

缺點(diǎn)：移距是由測量信號計(jì)數(shù)累加所得，但一旦計(jì)數(shù)有誤，以后測量所得結(jié)果完全錯(cuò)誤。如出某種事故，無法恢復(fù)。對于被測量的任意一點(diǎn)位置均由固定的零點(diǎn)標(biāo)起，每一個(gè)被測點(diǎn)都有一個(gè)相應(yīng)的測量值（編碼），通常以二進(jìn)制形式表示。絕對式測量其結(jié)構(gòu)較增量式復(fù)雜，如絕對編碼器中，對應(yīng)于碼盤的每一個(gè)角度位置便有一組二進(jìn)制位數(shù)。顯然，分辨精度要求愈高，量程愈大，則所要求的二進(jìn)制位數(shù)也愈多，結(jié)構(gòu)就愈復(fù)雜。絕對式測量即使斷電后再重新上電。系統(tǒng)能讀出當(dāng)前位置的數(shù)據(jù)，不需重新歸零。3、直接測量和間接測量直接測量直接測量是將直線型檢測裝置安裝在某著名企業(yè)部件上，用來直接測量工作臺的直線位移，作為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋信號，而構(gòu)成位置閉環(huán)控制。優(yōu)點(diǎn)：準(zhǔn)確性高、可靠性好；缺點(diǎn)：測量裝置要和工作臺行程等長，所以在大型數(shù)控機(jī)床上受到一定限制。間接測量將旋轉(zhuǎn)型檢測裝置安裝在驅(qū)動電機(jī)軸或滾珠絲杠上，通過檢測轉(zhuǎn)動件的角位移來間接測量機(jī)床工作臺的直線位移，作為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋用。優(yōu)點(diǎn)：測量方便、無長度限制。缺點(diǎn)：測量信號中增加了由回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動的傳動鏈誤差，從而影響了測量精度。4、檢測元件的分類表分

類

增

量

式

絕

對

式

位移傳感器

回轉(zhuǎn)型——脈沖編碼器、自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、圓感應(yīng)同步器、光柵角度傳感器、圓光柵、圓磁柵

多極旋轉(zhuǎn)變壓器、絕對脈沖編碼器

絕對值式光柵、三速圓感應(yīng)同步器、磁阻式多極旋轉(zhuǎn)變壓器

直線型——直線感應(yīng)同步器、光柵尺、磁柵尺、激光干涉儀

霍耳位置傳感器

三速感應(yīng)同步器、絕對值磁尺、光電編碼尺、磁性編碼器

速度傳感器

交、直流測速發(fā)電機(jī)、數(shù)字脈編碼式速度傳感器、霍耳速度傳感器

速度—角度傳感器、數(shù)字電磁、磁敏式速度傳感器

電流傳感器

霍耳電流傳感器

三、數(shù)控機(jī)床常用檢測元件（一）旋轉(zhuǎn)變壓器(四）光柵（五）磁柵(二）感應(yīng)同步器（三）脈沖編碼器（一）旋轉(zhuǎn)變壓器1、結(jié)構(gòu)與工作原理54318762旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意

1-轉(zhuǎn)軸2-軸承3-機(jī)殼4-轉(zhuǎn)子鐵心5-定子鐵心

6-端蓋7-電刷8-集電環(huán)

工作原理：電磁感應(yīng)分類：有電刷集電環(huán)結(jié)構(gòu)無刷結(jié)構(gòu)單對極元件多對極元件旋轉(zhuǎn)變壓器（Resolver）是一種角位移測量裝置，由定子和轉(zhuǎn)子組成。簡稱旋變，又稱作解算器或分解器。無刷旋轉(zhuǎn)變壓器具有可靠性高、壽命長、不用維修及輸出信號大等優(yōu)點(diǎn)，是數(shù)控機(jī)床常用的位置檢測裝置之一。無刷旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)①分解器②變壓器變壓器的一次繞組與分解器轉(zhuǎn)子軸固定在同一線軸上，與轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動；變壓器的二次繞組繞在與轉(zhuǎn)子同心的定子軸線上（高導(dǎo)磁材料）。分解器變壓器分解器定子線圈接外加的勵(lì)磁電壓分解器的轉(zhuǎn)子線圈的輸出接到變壓器的一次繞組。從變壓器的二次繞組引出最后的輸出信號。旋轉(zhuǎn)變壓器根據(jù)互感原理工作，與普通變壓器基本相似，其中定子繞組作為變壓器的一次側(cè)，接受勵(lì)磁電壓。轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的二次側(cè)，通過電磁耦合得到感應(yīng)電壓，只是其輸出電壓大小與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)。當(dāng)定子加大勵(lì)磁電壓，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢，如圖所示。其輸出電壓的大小取決于定子和轉(zhuǎn)子兩個(gè)繞組軸線間的夾角。兩者平行時(shí)感應(yīng)電勢最大，兩者垂直時(shí)感應(yīng)電勢為零。感應(yīng)電勢隨著轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)的角度呈正(余)弦變化，即：式中：E2—轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電勢；U1—定子勵(lì)磁電壓；Um—幅值；α—兩繞組軸線間夾角；K—變壓比(繞組匝數(shù)比)。E2=KU1cosα=KUmsinωtcosα

旋轉(zhuǎn)變壓器分為單極和多極形式，先分析一下單極工作情況。定子轉(zhuǎn)子單極旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理實(shí)際使用時(shí)通常采用多極形式，如正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，其定子和轉(zhuǎn)子均由兩個(gè)匝數(shù)相等，軸線相互垂直的繞組構(gòu)成，如下圖所示。一個(gè)轉(zhuǎn)子繞組接高阻抗作為補(bǔ)償，另一個(gè)轉(zhuǎn)子繞組作為輸出。定子轉(zhuǎn)子S1R1S2S3S4R2R3R4VsVc定子轉(zhuǎn)子θΦcΦs正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理應(yīng)用疊加原理，其磁通為轉(zhuǎn)子輸出電壓則為2、旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用

轉(zhuǎn)子輸出信號的相位角(ωt-α)與轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角之間有著嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系?！嗤ㄟ^比較相位就可確定轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。（1）鑒相工作方式Vs=VmsinωtVc=VmcosωtVsVcE2定子兩相繞組勵(lì)磁

定子兩相正向繞組（正弦繞組S和余弦繞組C）分別加上幅值相等、頻率相同，而相位相差90°正弦交變電壓。KV

ccos（α+90°）兩相勵(lì)磁電壓在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢可見，E2與VS同頻，但相位不同，差值為α。E2=KV

scosα-KV

csinα=KV

m

(sinωtcosα-cosωtsinα)=KV

m

sin(ωt-α)

Vs=Vmsinα電sinωtVc=Vmcosα電sinωt

VsVcE2定子兩相繞組勵(lì)磁

給定子兩相繞組分別加上頻率、相位相同，幅值分別按正弦和余弦變化的交變激磁電壓。2.鑒幅工作方式

感應(yīng)電勢E2是以ω為角頻率、以KVmsin(α電-α機(jī))為幅值的交變電壓信號。若電氣角α電已知，只要測出E2

幅值，便可間接的求出機(jī)械角α機(jī)，從而得出被測角位移。

幅值E2=KV

scosα機(jī)-KV

csinα機(jī)=KV

m

sinωt(sinα電cosα機(jī)-cos電sinα機(jī)=KV

m

sin(α電-α機(jī))sinωt其中：α電－電氣角α機(jī)－定、轉(zhuǎn)子夾角特殊情況E2=0時(shí)，說明電氣角的大小與被測角大小相同。若不斷地修改激磁調(diào)幅電壓幅值的電氣角α電，使E2=0，即跟蹤α機(jī)的變化，則此時(shí)機(jī)械角位移α機(jī)即為電氣角α電。這就是鑒幅采用的工作方式。兩種工作方式需要將被測角位移限制在±π以內(nèi)，才能唯一確定θ的大小，屬于動態(tài)跟隨檢測和增量式檢測(二）感應(yīng)同步器1、感應(yīng)同步器及其分類感應(yīng)同步器是一種電磁感應(yīng)（電磁耦合）式的高精度位移檢測裝置，實(shí)際上，可將其視為多極旋轉(zhuǎn)變壓器的展開形式。按其直徑與級對數(shù)的不同，有多種型號分類旋轉(zhuǎn)式直線式標(biāo)準(zhǔn)型窄型帶型三速式（絕對式）用于角度測量用于長度測量兩者工作原理相同，都基于電磁感應(yīng)PP/42、直線感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)由定尺和滑尺兩部分組成，兩尺之間有均勻的氣隙。定尺表面制有連續(xù)平面繞組，繞組節(jié)距為P滑尺上制有兩段分段繞組，分別稱為正弦繞組（Sin繞組）和余弦繞組（Cos繞組），它們相對于定尺繞組在空間錯(cuò)開1/4節(jié)距（1/4P）定尺和滑尺的基板通常采用與機(jī)床床身材料的熱脹系數(shù)相近的鋼板，用絕緣粘接劑把銅箔粘在鋼板上，經(jīng)精密的照相腐蝕制成印刷繞組，再在尺子表面上涂一層保護(hù)層?；弑砻嬗袝r(shí)還貼上一層帶絕緣的鋁箔，以防靜電感應(yīng)。

2、感應(yīng)同步器的工作原理感應(yīng)同步器與旋轉(zhuǎn)變壓器類似，使用時(shí)，在滑尺繞組通以一定頻率的交流電壓，則在滑尺中產(chǎn)生激磁電流，繞組生按正弦規(guī)律變化的磁場，由于電磁感應(yīng)，在定尺繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其幅值和相位（頻率相同）取決于定尺與滑尺的相對位置，見左圖。按照供給滑尺兩個(gè)正交繞組勵(lì)磁的不同信號，感應(yīng)同步器的測量方式分為鑒相測量方式和鑒幅測量方式。Us=UmsinωtUc=Umcosωt（1）鑒相方式在這種工作方式下，給滑尺的sin繞組和cos繞組分別通以幅值相等、頻率相同、相位相差90°的交流電壓。

勵(lì)磁信號將在空間產(chǎn)生一個(gè)以ω為頻率某著名企業(yè)的行波。磁場切割定尺導(dǎo)片，并在其中感應(yīng)出電勢，該電勢隨著定尺與滑尺相對位置不同而產(chǎn)生超前或滯后的相位差θ。按照疊加原理可以直接求出感電勢： Uθ=KUmsinωtcosθ-KUmcosωtsinθ=Kumsin(ωt-θ)式中θ=2πx/P由此可見，在一個(gè)節(jié)距內(nèi)θ與x是一一對應(yīng)的，通過測量定尺感應(yīng)電勢相位θ即可測量出定尺對滑尺的位移x。感應(yīng)同步器鑒相測量系統(tǒng)框圖放大濾波基準(zhǔn)信號發(fā)生器鑒相器

放大器激磁供電線路伺服電機(jī)速度控制單元VsVc滑尺定尺機(jī)床+x-x脈沖調(diào)相器輸出一系列一定頻率的基準(zhǔn)脈沖信號（載波信號），為伺服系統(tǒng)提供一個(gè)相位比較基準(zhǔn)。其作用是將來自數(shù)控裝置的進(jìn)給脈沖信號轉(zhuǎn)換為相位變化的信號。如果相位差不為零，說明工作臺實(shí)際某著名企業(yè)的距離不等于指令信號要求工作臺某著名企業(yè)的距離，鑒相器檢測出的相位差，經(jīng)放大后，送入速度控制單元，驅(qū)動電機(jī)帶動工作臺向減少誤差的方向某著名企業(yè)。若相位差為零，則表示感應(yīng)同步器的實(shí)際位置與給定指令位置相同，鑒相器輸出電壓為零，工作臺停止某著名企業(yè)。鑒相器的作用就是鑒別出這兩個(gè)信號的相位差，并以與此相位差信號成正比的電壓信號輸出。例如：感應(yīng)同步器的節(jié)距P(P=2τ

)為2mm，脈沖當(dāng)量選定為δ=0.001mm，一個(gè)脈沖對應(yīng)的相移角Δθ1為：數(shù)控裝置每發(fā)一個(gè)進(jìn)給脈沖，經(jīng)脈沖調(diào)相器變?yōu)槌盎鶞?zhǔn)信號一個(gè)0.18°相移角的信號，即Δθ1=θ1－θ0=0.18°。此時(shí)因工作臺未動，反饋信號相對于基準(zhǔn)信號的相位差Δθ2=θ2－θ0=0（θ2為定尺繞組上作為反饋信號所取的感應(yīng)電壓U2的相位）。鑒相器將δ＝Δθ1－Δθ2=0.18°的相位差檢測出來，經(jīng)放大后控制伺服電動機(jī)帶動工作臺某著名企業(yè)。隨著工作臺的某著名企業(yè)，θ2逐漸增大，相位差δ逐漸減少，直至δ＝0。（2）鑒幅方式Us=Umsina電sinωtUc=Umcosa電sinωt在這種工作方式下，給滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別通以頻率相同、相位相同，但幅值不同的交流電壓：

若電氣角a電已知，只要測量出Uθ的幅值KUmsin(a電-a機(jī))，便可間接地求a機(jī)。若a機(jī)=a電，則Uθ=0。一旦Uθ=0，說明a電的大小就是角位移的值。 此時(shí)，若滑尺相對定尺某著名企業(yè)一個(gè)距離x其對應(yīng)的相移為a機(jī)，那么在定尺上感應(yīng)電勢為：

Uθ=KUmsina電sinωtcosa機(jī)-KUmcona電sinωtsina機(jī) =KUmsinωt(sina電cosa機(jī)-cosa電sina機(jī)) =KUmsinωtsin(a電-a機(jī))

假定激磁電壓的a電與定尺、滑尺的實(shí)際位置a機(jī)不一致時(shí)，設(shè)a機(jī)=a電+Δa，則由式Uθ=KUmsinωtsin(a電-a機(jī))得：Uθ=KUmsinωtsin(a電-a電-Δa)=-KUmsinωtsin(Δa)在相差△a很小時(shí)，sin△a≈△a故上式可近似表示為：Uθ=-

KUmsinωt·Δa又∵

Δa=2πΔx/p

上式表明，當(dāng)位移△x很小時(shí)，感應(yīng)電勢Uθ的幅值與△x成正比。這就是對位移增量進(jìn)行高精度細(xì)分的依據(jù)。

∴

例如，當(dāng)△x=0.01mm時(shí)，使Uθ達(dá)到某一門檻電平，并產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號，用這個(gè)信號又去控制修改勵(lì)磁電壓線路，使其產(chǎn)生合適的Us和Uc，從而使Uθ重新為零。該方法與旋轉(zhuǎn)變壓器幅值工作方式相同。在這里用這種方法，把位移量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量——脈沖，以達(dá)到測量和控制的目的。

4、感應(yīng)同步器的特點(diǎn)（1）精度高。因?yàn)槎ǔ叩墓?jié)距誤差有平均自補(bǔ)償作用，所以尺子本身的精度能做得很高。（2）工作可靠，抗干能力強(qiáng)。在感應(yīng)同步器繞組的每個(gè)，測量信號與絕對位置有一一對應(yīng)的單值關(guān)系，不受干擾影響。（3）維護(hù)簡單，壽命長。定尺、滑尺之間無接觸磨損，在機(jī)床上安裝簡單。使用時(shí)需要加防護(hù)罩，防止切屑進(jìn)入定、滑尺之間劃傷導(dǎo)片，不受灰塵、油霧影響。

（4）測量距離長?？蓽y量長距離位移。機(jī)床某著名企業(yè)基本上不受限制；故適合大、中型機(jī)床。（5）成本低，產(chǎn)（6）與旋轉(zhuǎn)變壓器相比，感應(yīng)同步器的輸出信號比較微弱，需要一個(gè)放大倍數(shù)很高的前置放大器。（三）脈沖編碼器

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)角變成脈沖，是數(shù)控機(jī)床上使用很廣泛的位置檢測裝置（對某著名企業(yè)部件作半閉環(huán)控制）。同時(shí)也作為速度檢測裝置用于速度檢測。1、脈沖編碼器的分類光電式接觸式電磁感應(yīng)式從精度和可靠性方面來看，光電式脈沖編碼器優(yōu)于其他兩種。數(shù)控機(jī)床上主要使用光電式脈沖編碼器。脈沖編碼器是一種增量檢測裝置，它的型號是由每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)來區(qū)分。數(shù)控機(jī)床上常用的脈沖編碼器有2000p/r和3000p/r等；在高精度數(shù)字伺服系統(tǒng)中，高分辨率的脈沖編碼器，如20000p/r、25000p/r和30000p/r等，現(xiàn)已使用10萬p/r脈沖編碼器，其應(yīng)用了微處理器。2、脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)如圖圓光柵為一圓盤，在圓盤的圓有相等間距線紋，分為透明和不透明的部分。圓光柵與工作軸一起旋轉(zhuǎn)。與圓光柵相對的，平行放置一個(gè)固定的扇形薄片，是指示光柵，上面制有相差1/4節(jié)距的兩個(gè)狹縫（在同一圓，稱為辨向狹縫），使兩個(gè)光電元件輸出信號相位差90°。此外，還有一個(gè)零位狹縫（一轉(zhuǎn)發(fā)出一個(gè)脈沖）。

脈沖編碼器通過無鍵聯(lián)軸器、十字連接頭或鍵與伺服電動機(jī)相連，它的法蘭盤固定在電動機(jī)端面上，罩上防護(hù)罩，構(gòu)成一個(gè)完整的檢測裝置。光敏元件3、光電脈沖編碼器的工作原理當(dāng)圓光柵旋轉(zhuǎn)時(shí)，光線透過兩個(gè)光柵的線紋部分，形成明暗相間的條紋。光電元件接收這些明暗相間的光信號，并轉(zhuǎn)換為交替變化的某著名企業(yè)號，該信號為兩組近似于正弦波的電流信號A和B（見圖）。A和B信號相位相差90°，經(jīng)放大和整形變成方波。通過兩個(gè)光柵的信號，還有一個(gè)“一轉(zhuǎn)脈沖”，稱為Z相脈沖，該脈沖也是通過上述處理得來的。Z相脈用來產(chǎn)生機(jī)床的基準(zhǔn)點(diǎn)。ωt

AB90°

90°

光電脈沖編碼器的輸出波形

AB針腳號1084297316定義５V0VA+A-B+B-Z+Z-屏蔽端子電纜顏色紅黑白灰綠藍(lán)黃橙棕脈沖編碼器輸出信號有A、A、B、B、Z、Z等信號，這些信號作為位移測量脈沖，進(jìn)行位置調(diào)節(jié)；經(jīng)過頻率/電壓變換作為速度反饋信號，進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。輸入電壓常用的有：DC5V、DC12V、DC24V±5%差分整形放大

Y1微分差分

整形放大Y21

微分減計(jì)數(shù)加計(jì)數(shù)上圖為辨向環(huán)節(jié)框圖。脈沖編碼器輸出的交變信號A、A、B、B經(jīng)過差分驅(qū)動和差分接收進(jìn)C裝置，再經(jīng)過整形放大電路變成二個(gè)方波系列A1、B1。將A1和它的反向信號A1微分（上升沿微分）后得到A1′和A1′脈沖系列，作為加、減計(jì)數(shù)脈沖。增量讀數(shù)法B1路方波信號被用作加、減計(jì)數(shù)脈沖的控制信號，正走時(shí)（A超前B），由Y2門輸出加計(jì)數(shù)脈沖，此時(shí)Y1門輸出為低電平（如下頁波形圖）；反走時(shí)（B超前A），由Y1門輸出減計(jì)數(shù)脈沖，此時(shí)Y2門輸出為低電平。這種讀數(shù)方式每次反映的都是相對于上一次讀數(shù)的增量，而不能反映轉(zhuǎn)軸在空間的絕對位置，所以是增量讀數(shù)法。辨向環(huán)節(jié)波形圖A1超前B14、絕對值編碼器絕對值編碼器是一種直接編碼和直接測量的檢測裝置。它能指示絕對位置，沒有累積誤差，電源切除后，位置住處不丟失。絕對式編碼器與增量式編碼器不同之處在于圓盤上透光、不透光的線條圖形，絕對編碼器可有若干編碼，根據(jù)讀出碼盤上的編碼，檢測絕對位置。編碼的設(shè)計(jì)可采用二進(jìn)制碼、循環(huán)碼（葛萊碼）

、二進(jìn)制補(bǔ)碼等。絕對值編碼器的種類接觸式光電式電磁式

優(yōu)點(diǎn)是簡單、體積小、輸出信號強(qiáng)，不需放大；缺點(diǎn)是電刷摩擦、壽命低、轉(zhuǎn)速不能太高（幾十轉(zhuǎn)/分）沒有接觸磨損、壽命長、轉(zhuǎn)速高，最外層每片可以做得更小，因而精度高。單個(gè)碼盤可做到18位進(jìn)制。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格高。是在導(dǎo)磁性好的軟鐵和薄膜合金圓盤上，用腐蝕的方法做成相應(yīng)碼制的凹凸圖形，當(dāng)磁通通過碼盤時(shí)，由于磁導(dǎo)大小不一樣，其感應(yīng)電勢也不同，因而可區(qū)分“0”和“1”，達(dá)到測量的目的。該種碼盤是一種無接觸式碼盤，具有壽命長、轉(zhuǎn)速高等優(yōu)點(diǎn)。它是一個(gè)有發(fā)展前途的直接編碼式測量元件。光電式脈沖編碼器結(jié)構(gòu)示意圖光電式脈沖編碼器，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。光電盤是用玻璃材料研磨拋光制成，玻璃表面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。透光窄縫在圓分，其數(shù)量從幾百條到幾萬條不等。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，光電盤轉(zhuǎn)動時(shí)，每轉(zhuǎn)過一個(gè)縫隙就發(fā)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(zhuǎn)換為近似正弦波的某著名企業(yè)號，經(jīng)過整形、放大、和微分處理后，輸出脈沖信號。通過記錄脈沖的數(shù)目，就可以測出轉(zhuǎn)角。測出脈沖的變化率，即單位時(shí)間脈沖的數(shù)目，就可以求出速度。

6、絕對編碼器1)絕對式碼盤結(jié)構(gòu)與工作原理四位二進(jìn)制編碼盤

絕緣體

導(dǎo)電體

電刷

R

20

21

22

23

E

碼盤碼盤上有心圓（稱為碼道）它代表某種計(jì)數(shù)制的一位，每個(gè)同心圓上有透光與不透光（或絕緣與導(dǎo)電）的部分，透光（或?qū)щ姡┎糠譃椤?”，不透光（或絕緣）部分為“0”，這樣組成了不同的圖案。每一個(gè)徑向，若干同心圓組成的圖案代表了某一絕對計(jì)數(shù)值。二進(jìn)制碼盤每轉(zhuǎn)一個(gè)角度，計(jì)數(shù)圖案的改變按二進(jìn)制規(guī)律變化。碼盤最里圈是公用的，它和各碼道所有導(dǎo)電部分連在一起，經(jīng)電刷和電阻接電源負(fù)極。接觸式碼盤的每個(gè)碼道上都裝有電刷，電刷經(jīng)電阻接到電源正極當(dāng)檢測對象帶動碼盤一起轉(zhuǎn)動時(shí)，電刷和碼盤的相對位置發(fā)生變化，與電刷串聯(lián)的電阻將會出現(xiàn)有電流通過或沒有電流通過兩種情況。若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(qū)，電阻上無電流通過，為“0”。如果碼盤順時(shí)針轉(zhuǎn)動，就可依次得到按規(guī)定編碼的數(shù)字信號輸出，圖示為4位二進(jìn)制碼盤，根據(jù)電刷位置得到由“1”和“0”組成的二進(jìn)制碼，輸出為0000、0001、0010……1111。由圖可以看出，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θ＝360°/16=22.5°，若是n位二進(jìn)制碼盤，就有n圈碼道，分辨角θ＝360°/2n，碼盤位數(shù)越大，所能分辨的角度越小，測量精度越高。若要提高分辨力，就必須增多碼道，即二進(jìn)制位數(shù)增多。目前接觸式碼盤一般可以做到9位二進(jìn)制，光電式碼盤可以做到18位二進(jìn)制。用二進(jìn)制代碼做的碼盤，如果電刷安裝不準(zhǔn)，會使得個(gè)別電刷錯(cuò)位，而出現(xiàn)很大的數(shù)值誤差。如，當(dāng)電刷由位置0111向1000過渡時(shí)，可能會出現(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。

左圖為葛萊碼盤，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。葛萊碼盤例如，二進(jìn)制碼1101對應(yīng)的葛萊碼為1011，其演算過程如下：1101（二進(jìn)制碼）1101（不進(jìn)位相加，舍去末位）1011（葛萊碼）2）混合式絕對值編碼器這種編碼器是把增量制碼與絕對制碼同做在一塊碼盤上。在圓盤的最外圈是高密度的增量條紋，中間有四個(gè)碼道組成絕對式的四位葛萊碼，每1/4同心圓被葛萊碼分割成16個(gè)等分段。圓盤最里在有發(fā)一轉(zhuǎn)信號狹縫。該碼盤的工作原理是三極計(jì)數(shù)：粗、中、精計(jì)數(shù)。碼盤轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)由對“一轉(zhuǎn)脈沖”的計(jì)數(shù)表示。在一轉(zhuǎn)以內(nèi)的角度位置由葛萊碼的4×16不同數(shù)值表示。每1/4圓葛萊碼的細(xì)分由最外圈增量制碼完成。(四）光柵光柵（尺）是一種高精度的檢測元件，常用于全閉環(huán)系統(tǒng)中。在數(shù)控機(jī)床上，使用光柵作為位置檢測裝置。它是將機(jī)械位移或模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖，反饋C裝置，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)位置控制。1、光柵分類透射式反射式按光學(xué)形式分：---光源與光電元件在兩側(cè)→透射光---光源與光電元件同一側(cè)→反射光直線型旋轉(zhuǎn)型按運(yùn)動形式分：---主光柵為直尺形→直線某著名企業(yè)---主光柵為圓盤形→旋轉(zhuǎn)運(yùn)動現(xiàn)在光柵精度可達(dá)微米級，通過細(xì)分電路可以做到0.1μm，甚至更高的分辯率。標(biāo)尺光柵不屬于光柵讀數(shù)頭，但它要穿過光柵讀數(shù)頭，且保證與指示光柵有準(zhǔn)確的相互位置關(guān)系。2、光柵的結(jié)構(gòu)光柵光柵尺光柵讀數(shù)頭標(biāo)尺光柵(主光柵)

指示光柵（動光柵)光源透鏡指示光柵光敏元件驅(qū)動線路裝在光柵讀數(shù)頭中裝在機(jī)床固定部件上光柵讀數(shù)頭又叫光電轉(zhuǎn)換器，它把柵莫爾條紋變成某著名企業(yè)號。決定測量范圍，刻線密度25～250線/mm，一般固定在機(jī)床活動件上(如工作臺上)光柵標(biāo)尺光柵和指示柵的平行度及兩者之間的間隙（0.05～0.1mm）要嚴(yán)格保證。當(dāng)光柵讀數(shù)頭相對于標(biāo)尺光柵某著名企業(yè)時(shí)，指示光柵便在標(biāo)尺光柵上相對某著名企業(yè)。(1)莫爾條紋（Moire）均勻刻線主光柵指示光柵夾角明暗相間條紋莫爾條紋某著名企業(yè)3、光柵工作原理動光柵主光柵p-光柵柵距a-刻線寬度b-縫隙寬度pab當(dāng)指示光柵上的線紋和標(biāo)尺光柵上的線紋呈一小角度θ放置時(shí)，兩光柵尺上線紋相互交叉。在光源的照射下，交叉點(diǎn)附近的小區(qū)域內(nèi)黃線重疊，形成黃色條紋，其他部分為暗色條紋紋。這種明、暗的條紋稱為“莫爾條紋”。條紋寬度：

P-柵距，a-線寬，b-縫寬一般：P=a+b，a=b=P/2

1）當(dāng)=0,P1=P2

→W=

→光閘莫爾條紋θ很小sinθ≈θ

p-光柵柵距a-刻線寬度b-縫隙寬度pab2）當(dāng)=0,P1≠P2

→縱向莫爾條紋特例：如：P=0.01mm，θ=0.01rad，可得W=1mm，把光柵轉(zhuǎn)換成放大100倍的莫爾條紋寬度。莫爾條紋某著名企業(yè)方向與光柵某著名企業(yè)方向垂直。這樣測量光柵水平方向某著名企業(yè)的微小距離就用測垂直方向的寬大的莫爾條紋的變化代替。當(dāng)光柵尺某著名企業(yè)一個(gè)柵距P時(shí)，莫爾條紋也剛好某著名企業(yè)了一個(gè)條紋寬度W。只要通過光電元件測出莫爾條紋的數(shù)目，就可知道光柵某著名企業(yè)了多少個(gè)柵距，工作臺某著名企業(yè)的距離可以計(jì)算出來。若光柵某著名企業(yè)方向相反，則莫爾條紋某著名企業(yè)方向也相反。莫爾條紋特性：

方向性：垂直于角平分線，當(dāng)夾角很小時(shí)→與光柵某著名企業(yè)方向垂直

同步性：光柵某著名企業(yè)一個(gè)柵距→莫爾條紋某著名企業(yè)一個(gè)間距與方向?qū)?yīng)

放大性：夾角θ很小→W

>>P→光學(xué)放大→提高靈敏度

可調(diào)性：夾角θ↓→條紋間距W↑→靈活

準(zhǔn)確性：大量刻線→誤差平均效應(yīng)→克服個(gè)別/局部誤差→提高精度

（2）光柵測量位移的原理光柵位移－數(shù)字轉(zhuǎn)換原理

當(dāng)光柵某著名企業(yè)一個(gè)柵距，莫爾條紋便某著名企業(yè)一個(gè)條紋寬度，假定我們開辟一個(gè)小窗口來觀察莫爾條紋的變化情況，就會發(fā)現(xiàn)它在某著名企業(yè)一個(gè)柵距期間明暗變化了一個(gè)，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，被削頂削底后而近似一個(gè)正弦波（見圖A）。硅光電池將近似正弦波的光強(qiáng)信號變?yōu)橥l率的電壓信號（見圖B），經(jīng)光柵位移—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，就代表某著名企業(yè)了一個(gè)柵距那么大的位移，通過對脈沖計(jì)數(shù)便可得到工作臺的某著名企業(yè)距離。電壓O光柵位移圖B光柵的輸出波形圖圖A光柵的實(shí)際亮度變化亮度光柵位移O1）辨向原理如果傳感器只安裝一套光電元件，則在實(shí)際應(yīng)用中，無論光柵作正向某著名企業(yè)還是反向某著名企業(yè)，光敏元件都產(chǎn)生相同的正弦信號，是無法分辨某著名企業(yè)方向的。為此，必須設(shè)置辨向電路。（3）辨向及細(xì)分

為了確定運(yùn)動方向，至少要放置兩個(gè)光電元件，兩者相距1/4莫爾條紋寬度。當(dāng)光柵某著名企業(yè)時(shí)，莫爾條紋通過兩個(gè)光電元件的時(shí)間不同，所以兩個(gè)光電元件所獲得的某著名企業(yè)號雖然波形相同，但相位相差90o。根據(jù)兩光電元件輸出信號的超前和滯后，可以確定標(biāo)尺光柵某著名企業(yè)方向。2）細(xì)分技術(shù)

細(xì)分電路能在不增加光柵刻線數(shù)（線數(shù)越多，成本越昂貴）的情況下提高光柵的分辨力。莫爾條紋的細(xì)分技術(shù)：光學(xué)細(xì)分、機(jī)械細(xì)分和電子細(xì)分。四塊硅光電池P1、P3信號相位差180°，差動放大后，得正弦信號。P2、P4信號送另一個(gè)差動放大器，得余弦信號正弦和余弦信號整形得方波A和B與門Y1~Y8或門H1、H2輸出正向脈沖輸出反向脈沖H1H2Y6微分微分微分整形P1P2P4P3

差動放大器

差動放大器整形反相反相Y1Y2Y3Y4Y5Y7Y8微分

B

A

D

Ca)細(xì)分原理電路圖A’C′B’D’經(jīng)微分后分別變成窄脈沖A′、B′、C′、D′A、B反向得信號C、D圖中的P1、P2、P3、P4是四塊硅光電池，產(chǎn)生的信號相位彼此相差90o。P1、P3信號是相位差180o的兩個(gè)信號，接差動放大器放大，得正弦信號。同理，P2、P4信號送另一個(gè)差動放大器，得到余弦信號。正弦和余弦信號經(jīng)整形變成方波A和B，為使每隔1/4節(jié)距都有脈沖，把A、B各自反向一次得C、D信號，A、B、C、D信號再經(jīng)微分變成窄脈沖A′、B′、C′、D′，即在正走或反走時(shí)每個(gè)方波的上升沿產(chǎn)生窄脈沖，由與門電路把0o、90o、180o、270o四個(gè)位置上產(chǎn)生的窄脈沖組合起來，根據(jù)不同的某著名企業(yè)方向形成正向或反向脈沖。正向運(yùn)動時(shí)，用與門Y1~Y4及或門H1，得到A′B+AD′+C′D+B′C的四個(gè)輸出脈沖；反向運(yùn)動時(shí)，用與門Y5~Y8及或門H2，得到BC′+CD′+A′D+AB′的四個(gè)輸出脈沖，其波形見圖。正向相加A′B+AD′+C′D+B′C反向相加BC′+CD′+A′D+AB′四倍頻辨向電路

sincosBCDA’B’C’D’A’B’C’D’正走反走波形圖A

增加線紋密度，能提高光柵檢測裝置的精度，但制造較困難，成本高。在實(shí)際應(yīng)用中，既要提高測量精度，同時(shí)又能達(dá)到自動辨向的目的，通常采用倍頻或細(xì)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(nèi)，放置四個(gè)光電元件，每隔1/4光柵柵距產(chǎn)生一個(gè)脈沖，一個(gè)脈沖代表某著名企業(yè)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。

如：若光柵柵距0.01mm，則工作臺每某著名企業(yè)0.0025mm，就會送出一個(gè)脈沖，即分辨率為0.0025mm。由此可見，光柵檢測系統(tǒng)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(shù)。除四倍頻以外，還有十倍頻、二十倍頻等。(4)光柵傳感器特點(diǎn)

①精度高：測長±(0.2+2×10-6L)μm，測角±0.1″②量程大：透射式---光柵尺長（米），反射式---幾十米③響應(yīng)快：可用于動態(tài)測量④增量式：增量碼測量→計(jì)數(shù)，斷電→數(shù)據(jù)消失⑤要求高：對環(huán)境要求高→、濕度、灰塵、振動、某著名企業(yè)精度⑥成本高：電路復(fù)雜3）零位光柵在增量式光柵中，為了尋找坐標(biāo)原點(diǎn)、消除誤差積累，在測量系統(tǒng)中需要有零位標(biāo)記（位移的起始點(diǎn)），因此在光柵尺上除了主光柵刻線外，還必須刻有零位基準(zhǔn)的零位光柵。（五）磁柵1、磁柵的結(jié)構(gòu)磁柵也叫磁尺，是一種高精度位置檢測裝置。磁性標(biāo)尺拾磁磁頭檢測電路磁柵由非導(dǎo)磁性材料（如玻璃、不銹鋼、銅及其他合金材料）制成。用涂敷、化學(xué)沉積或電鍍方法制作在磁性標(biāo)尺基體上，且成薄膜狀。磁性膜厚度為10～20μm，均勻地分布在基體上。磁性膜上有錄制好的磁波，作為測量的基準(zhǔn)。波長一般為0.005、0.01、0.20、1mm等幾種。為了提高磁性標(biāo)尺的壽命，一般在磁性膜上均勻地涂上層1～2μm的耐磨塑料保護(hù)層。是進(jìn)行磁電轉(zhuǎn)換的器件，它將磁性標(biāo)尺上的磁信號檢測出來，并轉(zhuǎn)換成某著名企業(yè)號。磁性標(biāo)尺基體磁性膜

應(yīng)用在磁柵上的磁頭與一般錄音機(jī)上用的單間隙速度響應(yīng)式磁頭不同，它不僅在磁頭與磁頭標(biāo)尺之間有一定相對速度時(shí)能拾取信號，而且在它們相對靜止時(shí)也能拾取信號。這種磁頭叫磁通響應(yīng)型磁頭。磁通響應(yīng)型磁頭的結(jié)構(gòu)如圖，該磁頭有兩組繞組，繞在磁路截面尺寸較小的橫臂上的勵(lì)磁繞組和繞在磁路截面較大的豎桿上的拾磁繞組（輸出繞組）。磁性標(biāo)尺