西南科技大學(xué)品牌課程數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)主講教師：馬有良聯(lián)系郵箱：mayouliang@西南科技大學(xué)品牌課程第一節(jié)概述第二節(jié)旋轉(zhuǎn)變壓器及測(cè)速發(fā)電機(jī)第三節(jié)感應(yīng)同步器第四節(jié)光柵第五節(jié)磁柵第六節(jié)其它位置檢測(cè)元件第四章位置檢測(cè)裝置西南科技大學(xué)品牌課程第一節(jié)概述隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控(NC)系統(tǒng)有了較大的發(fā)展，經(jīng)歷了從硬件數(shù)控(NC)到計(jì)算機(jī)數(shù)控的階段。硬件數(shù)控系統(tǒng)由固定的功能邏輯電路組成，其適應(yīng)能力即柔性較差。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的核心是計(jì)算機(jī)，它由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等部分組成。對(duì)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)通過修改軟件，就可達(dá)到不同的控制要求，且硬件功能模塊化易于擴(kuò)展，因此具有較高的柔性。

若西南科技大學(xué)品牌課程位置檢測(cè)元件的要求：

位置檢測(cè)元件是數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的重要組成部分，起作用是檢測(cè)長(zhǎng)度、角度、位移，并發(fā)出反饋信號(hào)，構(gòu)成閉環(huán)（半閉環(huán)）控制。位置檢測(cè)元件的主要作用是檢測(cè)位移量并將測(cè)量的反饋信號(hào)和數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號(hào)相比較，若有偏差，經(jīng)放大后控制執(zhí)行部件，使其向著消除偏差的方向運(yùn)動(dòng)，直到偏差為零。實(shí)踐表明，閉環(huán)伺服系統(tǒng)的定位精度和加工精度主要由位置檢測(cè)元件決定。一般要求測(cè)量系統(tǒng)的分辨率或脈沖當(dāng)量比加工精度高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。

西南科技大學(xué)品牌課程數(shù)控機(jī)床對(duì)位置檢測(cè)元件的要求如下：

受溫度，濕度的影響小，工作可靠，能長(zhǎng)期保持精度，抗干擾能力強(qiáng)；在機(jī)床執(zhí)行部件移動(dòng)范圍內(nèi)，能滿足精度和速度的要求；維護(hù)方便，適機(jī)床工作環(huán)境；成本低；易于實(shí)現(xiàn)高速的動(dòng)態(tài)測(cè)量，處理和自動(dòng)化。西南科技大學(xué)品牌課程位置檢測(cè)元件的分類：（1）直接測(cè)量和間接測(cè)量（2）增量式測(cè)量和絕對(duì)式測(cè)量（3）接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量（4）數(shù)字式測(cè)量和模擬式測(cè)量

西南科技大學(xué)品牌課程第二節(jié)旋轉(zhuǎn)變壓器及測(cè)速發(fā)電機(jī)1、旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)：旋轉(zhuǎn)變壓器又叫同步分解器，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)使用環(huán)境要求不高，維護(hù)方便，信號(hào)輸出幅值大，抗干擾性強(qiáng)，工作可靠。但是測(cè)量精度稍低，一般用于普通精度的測(cè)量機(jī)構(gòu)中。

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種控制用的小型交流電機(jī)，定子為變壓器的原邊，轉(zhuǎn)子為變壓器的付邊，分為有刷和無刷兩種。西南科技大學(xué)品牌課程2、基本工作原理設(shè)加于定子線組的交流激勵(lì)電壓為

式中Vm——激勵(lì)電壓副值；ω——激勵(lì)電壓角頻率。西南科技大學(xué)品牌課程該電壓產(chǎn)生一個(gè)按正弦規(guī)律變化的脈沖磁場(chǎng)，通過電磁偶合，在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)式中K—電磁偶合系數(shù)；θ—轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到與定子磁軸平行時(shí)（即θ=90），轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電勢(shì)E最大，這時(shí)：當(dāng)轉(zhuǎn)子線組的磁軸與定子繞組垂直時(shí)（即θ=0），轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電勢(shì)為零。西南科技大學(xué)品牌課程3、應(yīng)用情況它在相位伺服系統(tǒng)中可作為相位檢測(cè)器，此時(shí)它可以安裝在絲杠上或者和直流電機(jī)組裝在一起檢測(cè)轉(zhuǎn)角。

旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置檢測(cè)裝置，有兩種典型工作方式，鑒相式和鑒幅式。鑒相式是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的相位來檢測(cè)位移量；鑒幅式是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的幅值來檢測(cè)位移量。西南科技大學(xué)品牌課程4、測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種小型發(fā)電機(jī)，是一種應(yīng)用廣泛的模擬式測(cè)速裝置，它將軸上的機(jī)械角轉(zhuǎn)速變換為電信號(hào)輸出。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)勵(lì)磁方式一般為他勵(lì)，從輸出特性可以看出在勵(lì)磁恒定下，輸出電壓與機(jī)械角轉(zhuǎn)速之間保持著線性關(guān)系。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的缺點(diǎn)：（1）電刷與換向器接觸電阻是變數(shù)，且產(chǎn)生接觸壓降，造成輸出特性一段死區(qū)。（2）有紋波。（3）易產(chǎn)生火花，干擾控制線路。西南科技大學(xué)品牌課程第三節(jié)感應(yīng)同步器1、結(jié)構(gòu)感應(yīng)同步器按其結(jié)構(gòu)可分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種。直線式感應(yīng)同步器用于直線位移的測(cè)量，其結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)展開的多極旋轉(zhuǎn)變壓器，它的主要部件包括定尺和滑尺，定尺（轉(zhuǎn)子）是連續(xù)繞組，滑尺（定子）上的繞組是分段繞組，也是正、余弦繞組。定尺安在機(jī)床床身上，滑尺則安裝在移動(dòng)部件上，隨工作臺(tái)一起移動(dòng)，它們之間錯(cuò)開1/4節(jié)距（齒距），一個(gè)節(jié)距為2電角度，節(jié)距P=2mm，這樣它們錯(cuò)開電角度，安裝時(shí)重疊，兩者平行放置，均勻氣隙（0.2－0.3mm）。定尺滑尺余弦繞組正弦繞組VsVcV2西南科技大學(xué)品牌課程西南科技大學(xué)品牌課程2、工作原理利用電磁感應(yīng)原理，用感應(yīng)電勢(shì)的變化來進(jìn)行位置檢測(cè)的。有鑒相式、和鑒幅式。鑒相式用定尺的感應(yīng)電壓的相移,來測(cè)量滑尺的直線位移X的正比關(guān)系。

根據(jù)疊加原理，定尺上的總感應(yīng)電壓為:西南科技大學(xué)品牌課程鑒幅式用定尺的感應(yīng)電壓的幅值來測(cè)量滑尺的直線位移X的正比關(guān)系。則在定尺繞組產(chǎn)生的總感應(yīng)電壓為以位置檢測(cè)信號(hào)的幅值大小來反映機(jī)械位移的數(shù)值.西南科技大學(xué)品牌課程3、感應(yīng)同步器的特點(diǎn)（1）測(cè)量精度高（2）工作可靠，抗干擾性強(qiáng)（3）測(cè)量長(zhǎng)度不受限制根據(jù)長(zhǎng)度需要任意拼接成250mm（標(biāo)準(zhǔn)定尺長(zhǎng)度）的倍數(shù)。（4）對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)；（5）使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)方便；（6）工藝性好，便于復(fù)制和成批生產(chǎn)；（7）應(yīng)注意勵(lì)磁電壓對(duì)稱性和失真度對(duì)精度的影響。西南科技大學(xué)品牌課程第四節(jié)光柵

光柵是利用光的透射、衍射現(xiàn)象進(jìn)行工作的光學(xué)元件。根據(jù)光線在光柵中是透射還是反射分為透射光柵和反射光柵，透射光柵分辨率較反射光柵高，其檢測(cè)精度可達(dá)1μm以上。光柵作為位置檢測(cè)元件，具有精度高，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，是一種非接觸式測(cè)量。直線透射光柵通常包括一長(zhǎng)和一短兩塊配套使用，其中長(zhǎng)的稱為標(biāo)尺光柵或長(zhǎng)光柵，一般固定在機(jī)床移動(dòng)部件上，要求與行程等長(zhǎng)。短的為指示光柵或短光柵，裝在機(jī)床固定部件上。西南科技大學(xué)品牌課程1、光柵的種類和特點(diǎn)

透射光柵反射光柵透射光柵的特點(diǎn)光源可以采用垂直入射光，光電元件能夠直接接受，因此信號(hào)幅值比較大，信噪比好，光電轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，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，可以做到微米級(jí)的分辨率。但其長(zhǎng)度做的太長(zhǎng)。金屬反射光柵的特點(diǎn)金屬反射光柵的線膨脹系數(shù)很容易做到與機(jī)床用的普通鋼或鑄鐵一致，接長(zhǎng)方便。西南科技大學(xué)品牌課程2、光柵工作原理莫爾條紋：如果將指示光柵在其自身的平面內(nèi)轉(zhuǎn)過一個(gè)很小的角度θ，由于光的衍射作用，就會(huì)產(chǎn)生明暗交替的干涉條紋。西南科技大學(xué)品牌課程光柵測(cè)量系統(tǒng)西南科技大學(xué)品牌課程莫爾條紋有以下特點(diǎn)：信息變換當(dāng)標(biāo)尺光柵對(duì)應(yīng)于指示光柵沿著與刻線垂直的方向作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋也移動(dòng)，若光柵移動(dòng)一個(gè)柵距t，莫爾條紋正好移動(dòng)一個(gè)寬度T。若光柵向相反方向移動(dòng)，條紋也向相反方向移動(dòng)。放大作用莫爾條紋間距T與光柵柵距t及光柵間的夾角θ有如下關(guān)系：由于θ很小，上式近似為：

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這表明莫爾條紋的間距可以通過角θ的改變來調(diào)整。如t=0.01mm，通過減小θ，使T=10mm，則其放大倍數(shù)為1000倍。可見利用光的干涉現(xiàn)象，很容易就能把光柵的柵距放大1000倍。平均誤差效應(yīng)莫爾條紋是由大量刻線共同形成的,對(duì)光柵的刻劃的誤差有平均作用,因此能在很大程度上消除節(jié)距之間所固有的相鄰誤差的影響。3、細(xì)分電路電子細(xì)分電路又稱倍頻電路，常用的是四倍頻。采用4個(gè)光電元件和4個(gè)狹縫，使之每間隔T/4間距產(chǎn)生一個(gè)脈沖，分辨率可提高4倍。西南科技大學(xué)品牌課程第五節(jié)磁柵

磁柵是用電磁方法，計(jì)算磁波數(shù)目的一種位置檢測(cè)元件。用它作直線和角度位移量的測(cè)量，具有高精度，復(fù)制簡(jiǎn)單以及安裝調(diào)整方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，在油污、粉塵較多的工作條件下有較好的穩(wěn)定性。磁柵位置檢測(cè)裝置是由磁尺、讀取磁頭和檢測(cè)電路組成。它利用磁錄音原理，將一定波長(zhǎng)的矩形波或正玄波的電信號(hào)用錄磁磁頭將磁尺記錄在磁性標(biāo)尺的磁膜上，作為測(cè)量的基準(zhǔn)尺。檢測(cè)時(shí)用拾磁磁頭將磁尺上的磁信號(hào)讀出，并通過檢測(cè)電路將位移量用數(shù)字顯示出來或轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)輸送給數(shù)控機(jī)床。

西南科技大學(xué)品牌課程一、激光檢測(cè)元件

激光位移檢測(cè)，具有精度高、無接觸測(cè)量的特點(diǎn)，適用于長(zhǎng)行程、高精度的位移檢測(cè)場(chǎng)合。但其抗環(huán)境干擾能力較差，采取措施后，在數(shù)控機(jī)床及適應(yīng)控制方面具有廣闊應(yīng)用前景。

1、激光的特點(diǎn)

a.高單色性b.高方向性c.高亮度d.高相干性第六節(jié)其它位置檢測(cè)元件西南科技大學(xué)品牌課程激光器用于精密測(cè)量中的激光器通常采用氦氖氣體激光管。在細(xì)玻管中封入氦氖混合氣體，與細(xì)玻管相垂直的地方設(shè)置有反射率很高的反射鏡。被封入玻管的氦氖氣體由于受到高頻振蕩器發(fā)出的能量激發(fā)或直流放電而發(fā)光，在兩反射鏡構(gòu)成的諧振腔中引起振蕩，沿著軸向發(fā)射出相應(yīng)頻率的激光束。

2、激光檢測(cè)原理激光位置檢測(cè)裝置通常由激光管、穩(wěn)頻器、光學(xué)干涉部分、光電接收元件、計(jì)數(shù)器和數(shù)字顯示器等組成。如圖所示西南科技大學(xué)品牌課程光電計(jì)數(shù)器激光發(fā)生器MM2M1機(jī)床身工作臺(tái)可動(dòng)反射鏡半透反射鏡光束1光束2西南科技大學(xué)品牌課程

激光管發(fā)出的激光射到干涉儀的半反射鏡后，被分成兩束光。光束2經(jīng)半反射鏡反射到固定在機(jī)床床身上的全反射鏡，又被反射回來透過半透鏡射到光電計(jì)數(shù)器上。光束1透過半透反射鏡射到裝在工作臺(tái)上的可動(dòng)反射鏡，再反射回半透反射鏡，也被反射到光電計(jì)數(shù)器上。由于這兩束光的路徑不同，有光程差

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當(dāng)光程差ΔS等于激光波長(zhǎng)λ的整數(shù)倍時(shí)，則兩束光在光電計(jì)數(shù)器處相互加強(qiáng)并出現(xiàn)亮點(diǎn)；如果光程差ΔS=N·λ+λ/2,則亮束光相互抵消，在光電計(jì)數(shù)器處出現(xiàn)暗點(diǎn)。因此，每當(dāng)工作臺(tái)移動(dòng)半個(gè)激光波長(zhǎng)時(shí)，光電計(jì)數(shù)器將收到一個(gè)脈沖信號(hào)，根據(jù)計(jì)數(shù)器所計(jì)脈沖數(shù)n即可測(cè)出工作臺(tái)的位移L=1/2·n·λ。西南科技大學(xué)品牌課程二、光電盤（光電脈沖發(fā)生器）

光電盤是一種光電式轉(zhuǎn)角測(cè)量元件。光電盤可由玻璃或金屬圓盤制成，在其圓周上均勻分成相等的透明和不透明部分。當(dāng)光電盤與工作軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，盤后放置的光電元件周期性地受到光照，產(chǎn)生近似的正弦波形，經(jīng)過放大整行后形成脈沖通過門電路送到計(jì)數(shù)器，根據(jù)脈沖的數(shù)目或頻率可測(cè)出工作軸的轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速。西南科技大學(xué)品牌課程增量式脈沖編碼器分光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式三種。就精度和可靠性來講，光電式脈沖編碼器優(yōu)于其它兩種，它的型號(hào)是用脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)（p/r）來區(qū)分，數(shù)控機(jī)床常用2000、2500、3000p/r等，現(xiàn)在已有每轉(zhuǎn)發(fā)10萬個(gè)脈沖的脈沖編碼器。脈沖編碼器除用于角度檢測(cè)外，還可以用于速度檢測(cè)。式中

—脈沖當(dāng)量（mm/脈沖）；S—