1、第6章 位置檢測裝置,6.1 位置檢測裝置概述 6.2 脈沖編碼器 6.3 光柵,6.1 位置檢測裝置概述,組成：位置測量裝置是由檢測元件（傳感器）和信號處理裝置 組成的。 作用：檢測各種位移和速度，發(fā)送反饋信號，構(gòu)成伺服系統(tǒng)的 閉環(huán)控制。檢測裝置是閉環(huán)伺服系統(tǒng)的重要組成部分。 閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床加工精度主要取決于檢測系統(tǒng)的精度。位移檢測系統(tǒng)能夠測量出的最小位移量稱為分辨率。分辨率不僅取決于檢測裝置本身，也取決于檢測電路。,數(shù)控機(jī)床上的檢測裝置應(yīng)滿足以下要求： （1）滿足數(shù)控機(jī)床的精度和速度要求。 位置檢測裝置分辨率應(yīng)高于數(shù)控機(jī)床的分辨率一個數(shù)量級； 位置檢測裝置最高允許的檢測速度應(yīng)高于數(shù)控機(jī)

2、床的最高運行速度。 （2）高可靠性和高抗干擾性。 受溫度、濕度的影響小，工作可靠，精度保持性好，抗干擾能力強(qiáng)； （3）使用維護(hù)方便，適合機(jī)床運行環(huán)境。 （4）成本低。,6.1 位置檢測裝置概述,數(shù)控機(jī)床上檢測裝置的分類 根據(jù)測量裝置的安裝及與機(jī)床運動部件的耦合方式來分可分為直接測量和間接測量檢測裝置; 按測量基點的類型來分可分為增量型和絕對型檢測裝置; 按所獲信號的不同可分為數(shù)字式和模擬式; 按位置檢測元件的運動類型不同可分為回轉(zhuǎn)型和直線型。,6.1 位置檢測裝置概述,數(shù)控機(jī)床檢測裝置的分類,6.1 位置檢測裝置概述,(1)數(shù)字式和模擬式 數(shù)字式測量 將被測量單位量化為數(shù)字形式表示，測量信號量

3、化后轉(zhuǎn)換成電脈沖，便于比較和顯示處理。數(shù)字式檢測裝置比較簡單，脈沖信號抗干擾能力強(qiáng)，其測量精度與量程基本無關(guān)。 模擬式測量 將被測量單位用連續(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)上有較高的要求，數(shù)控機(jī)床中模擬式檢測主要用于小量程測量。,6.1 位置檢測裝置概述,（2）增量式和絕對式 增量式測量 只測量位移增量，移動一個測量單位即發(fā)出一個測量信號，位移的距離由增量值累計求得。 優(yōu)點：檢測裝置比較簡單，能做到高精度，任何一個對中點均 可作為測量起點。 缺點：一旦計數(shù)有誤，此后結(jié)果全錯。發(fā)生故障時（如斷電， 斷刀等），事故排除后，很難找到正確位置。 絕對式測量 被測量的任一點都以一個固

4、定的零點作基準(zhǔn)，每一被測點都有一個相應(yīng)的測量值。這樣就避免了增量式檢測方式的缺陷，但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而且測量的分辨率與位移量均受到一定的限制。,6.1 位置檢測裝置概述,6.2 脈沖編碼器,脈沖編碼器又稱編碼盤或碼盤，是一種回轉(zhuǎn)式數(shù)字測量元件，通常裝在被檢測軸上，隨被測軸一起轉(zhuǎn)動，它把機(jī)械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成電脈沖，以測出軸的旋轉(zhuǎn)角度、位置和速度的變化，是一種常用的角位移測量裝置。 編碼器分類： 光電式，接觸式和電磁感應(yīng)式三種 ，其中光電式編碼器有一定的缺點，但其優(yōu)點突出，特別是精度高和可靠性好，因而廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床上。,脈沖編碼器,6.2 脈沖編碼器,1、光電式 光電式編碼器的特點： （1）非接觸測

5、量，無接觸磨損，碼盤壽命長，精度保證性好； （2）允許測量轉(zhuǎn)速高，精度較高； （3）光電轉(zhuǎn)換，抗干擾能力強(qiáng)； （4）體積小，便于安裝，適合于機(jī)床運行環(huán)境； （5）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高，光源壽命短； （6）碼盤基片為玻璃，抗沖擊和抗震動能力差。,6.2 脈沖編碼器,光電式編碼器可分為增量式光電脈沖編碼器和絕對式光電脈沖編碼器兩種。 增量式脈沖編碼器能夠把回轉(zhuǎn)件的旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)速度準(zhǔn)確測量出來。 絕對式光電脈沖編碼器可將被測轉(zhuǎn)角換成相應(yīng)的代碼來指示絕對位置而沒有累計誤差，是一種直接編碼式的測量裝置。,6.2 脈沖編碼器,6.2.1 增量式脈沖編碼器,增量式脈沖編碼器的型號是由每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)

6、來區(qū)分的?，F(xiàn)在市場上提供的規(guī)格從 36線/ 轉(zhuǎn) 到 10萬線 /轉(zhuǎn)都有； 如何選擇： 滿足伺服系統(tǒng)要求的分辨率； 考慮機(jī)械傳動系統(tǒng)的參數(shù)。 脈沖編碼器的分辨率（分辨角）為： =360/ N 其中增量式碼盤的規(guī)格為N 線/轉(zhuǎn)（P/r）。,增量式光電脈沖編碼器的結(jié)構(gòu),信息處理裝置,6.2.1 增量式脈沖編碼器,當(dāng)圓光柵旋轉(zhuǎn)時，光線透過兩個光柵的線紋部分，形成明暗相間的條紋。光電元件接收時斷時續(xù)的光信號，并轉(zhuǎn)換為交替變化的近似于正弦波的電流信號A和B，A信號和B信號相差90，經(jīng)過放大和整形后變成方波，如圖所示。,6.2.1 增量式脈沖編碼器,增量式光電脈沖編碼器的工作原理,根據(jù)信號A和信號B的發(fā)生順

7、序，即可判斷光電編碼器軸的正反轉(zhuǎn)。若A相超前于B相，則對應(yīng)正轉(zhuǎn)；若B相超前于A相，則對應(yīng)反轉(zhuǎn)。數(shù)控系統(tǒng)正是利用這一相位關(guān)系來判斷方向的。還有一個“一轉(zhuǎn)脈沖”，稱為Z脈沖，該脈沖也是通過上述處理得來的。脈沖編碼器輸出信號有六相，分別為 、 。,6.2.1 增量式脈沖編碼器,輸出信號的作用： A、B兩相的作用： 根據(jù)脈沖的數(shù)目可得出被測軸的角位移； 根據(jù)脈沖的頻率可得出被測軸的轉(zhuǎn)速； 根據(jù)A、B兩相的相位超前滯后關(guān)系可判斷被測軸旋轉(zhuǎn)方向； 后續(xù)電路可利用A、B兩相的90相位差進(jìn)行細(xì)分處理（四倍頻電路實現(xiàn)）。 Z相的作用： 被測軸的周向定位基準(zhǔn)信號； 被測軸的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)記數(shù)信號。,6.2.1 增量式脈

8、沖編碼器,的作用： 后續(xù)電路可利用A、 兩相實現(xiàn)差分輸入，以消除遠(yuǎn)距離傳輸?shù)墓材８蓴_。 增量式光電脈沖編碼器在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用 光電脈沖編碼器在數(shù)控機(jī)床上，作為位置檢測裝置，將檢測信號反饋給數(shù)控裝置。 光電脈沖編碼器將位置檢測信號反饋給CNC裝置有兩種方式： 一是使用帶加減計數(shù)要求的可逆計數(shù)器，形成加計數(shù)脈沖和減計數(shù)脈沖； 二是使用有計數(shù)控制和計數(shù)要求的計數(shù)器，形成方向控制信號和計數(shù)脈沖。,6.2.1 增量式脈沖編碼器,第一種工作方式,6.2.1 增量式脈沖編碼器,第二種工作方式,6.2.1 增量式脈沖編碼器,（4）增量式光電脈沖編碼器的缺點 數(shù)據(jù)容易丟失。增量式編碼器獲得的所有計數(shù)都是相對于

9、某一任意指定的基數(shù)（清零位置）而言。一旦停電或操作失誤，把基數(shù)丟失，就難以尋回來。為了解決此問題，在新型的數(shù)字化伺服驅(qū)動器中，通過安裝鋰電池維持?jǐn)嚯姾缶幋a器的位置。 會產(chǎn)生誤差累積現(xiàn)象。針對以上問題，開發(fā)出了絕對式編碼器，它可以在任意處給出一個確定的與該位置唯一對應(yīng)的讀數(shù)值，無論停電還是長時間不用，其數(shù)據(jù)都不會丟失，并且其誤差只與碼盤的精度有關(guān)，誤差不會因多次計數(shù)而累積。,6.2.1 增量式脈沖編碼器,6.2.2 絕對式脈沖編碼器,（1）絕對式脈沖編碼器的種類 絕對式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,電源切斷后，位置信息不丟失。常用的編碼器有編碼盤和編碼

10、尺，通稱為碼盤。 從編碼器使用的計數(shù)制來分類 二進(jìn)制編碼、二進(jìn)制循環(huán)碼（葛萊碼）、二-十進(jìn)制碼等 從結(jié)構(gòu)原理來分類 接觸式、光電式和電磁式等幾種。最常用的是光電式二進(jìn)制循環(huán)碼編碼器。,6.2.2 絕對式脈沖編碼器,各種碼盤的特點： 接觸式碼盤 優(yōu)點：簡單、體積小、輸出信號強(qiáng)、不需要放大； 缺點：電刷摩擦、壽命低、轉(zhuǎn)速不能太高(幾十轉(zhuǎn)每分鐘)， 而且精度受到最低位（最外圓上）分段寬度的限制。 光電式碼盤 優(yōu)點：沒有接觸磨損、壽命長、轉(zhuǎn)速快，最外層每片寬度可 以做得更小，因而精度高。 缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格高。,6.2.2 絕對式脈沖編碼器,6.2.2 絕對式脈沖編碼器,電磁式碼盤 優(yōu)點：無接觸碼盤

11、，壽命長、轉(zhuǎn)速高等。 原理：在導(dǎo)磁性好的軟鐵和坡莫合金圓盤上，用腐蝕的 方法做成相應(yīng)碼制的凸凹圖形，當(dāng)磁通通過碼盤 時，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。,結(jié)構(gòu)和工作原理 碼盤基片上有多圈碼道，且每碼道的刻線數(shù)相等； 對應(yīng)每圈都有光電傳感器； 輸出信號的路數(shù)與碼盤圈數(shù)成正比； 檢測信號按某種規(guī)律編碼輸出，故可測得被測軸的周向絕對位置。,6.2.2 絕對式脈沖編碼器,（3）混合式絕對值編碼器 結(jié)構(gòu)：在圓盤的的最外圈是高密度的增量條紋，中間有四個碼道組成絕對式的四位葛萊碼，每1/4個同心圓被葛萊碼分割為16個等分段。圓盤最里面有一轉(zhuǎn)信號狹縫。 工作原

12、理：三級計數(shù)，粗、中、精計數(shù)。碼盤轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)由對“一轉(zhuǎn)脈沖”的計數(shù)表示。在一轉(zhuǎn)以內(nèi)的角度位置由葛萊碼的416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。所以采用混合式軸編碼器可以同時測量轉(zhuǎn)子的空間位置與轉(zhuǎn)速。,6.2.2 絕對式脈沖編碼器,6.3 光柵,作用：用作直線位移或角位移的檢測。 特點：測量輸出的信號為數(shù)字脈沖，具有檢測范圍大，測量精度高，響應(yīng)速度快等特點，被廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床伺服測量系統(tǒng)中。,6.3 光柵,光柵的分類： 按其用途分為物理光柵和計量光柵。 物理光柵的刻線細(xì)而密，柵距在0.0020.005mm之間，通常用于光譜分析和光波波長測定。計量光柵相對來說刻線較粗，柵距

13、為0.0040.25mm之間，通常用于數(shù)字檢測系統(tǒng)。 按其制造方法和光學(xué)原理分透射光柵和反射光柵。 在一塊透明玻璃片上刻一系列平行等間隔集線紋的光柵，為透射光柵；在長條形金屬鏡面上制成全反射和漫反射間隔相等的密集線紋的光柵，為反射光柵。 按其形狀可分為圓光柵和長光柵兩種。 圓光柵用于角度測量；長光柵用于直線位移檢測。,光 柵,6.3 光柵,6.3.1 光柵的結(jié)構(gòu),光柵是由標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。 標(biāo)尺光柵一般固定在機(jī)床活動部件上（如工作臺上），光柵讀數(shù)頭裝在機(jī)床固定部件上。 指示光柵裝在光柵讀數(shù)頭中。當(dāng)光柵讀數(shù)頭相對于標(biāo)尺光柵移動時，指示光柵便在標(biāo)尺光柵上相對移動。標(biāo)尺光柵和指示光柵的

14、平行度以及兩者之間的間隙（0.050.1mm之間）要嚴(yán)格保證。,（1）光柵尺 光柵尺是指標(biāo)尺光柵和指示光柵，如圖所示，它們是用真空鍍膜的方法光刻上均勻密集線紋在透明玻璃片或長條形金屬鏡面。光柵的線紋相互平行，線紋之間的距離（柵距）相等。對于圓光柵，這些線紋是等柵距角的向心條紋。柵距和柵距角是光柵的重要參數(shù)。,6.3.1 光柵的結(jié)構(gòu),（2）光柵讀數(shù)頭 光柵讀數(shù)頭又叫光電轉(zhuǎn)換器，它把光柵莫爾條紋變成電信號。光柵讀數(shù)頭都是由光源、透鏡、指示光柵、光敏元件和驅(qū)動電路組成。光柵讀數(shù)頭還有分光讀數(shù)頭、反射讀數(shù)頭和鏡像讀數(shù)頭等幾種。,6.3.1 光柵的結(jié)構(gòu),莫爾條紋演示,當(dāng)指示光柵上的線紋和標(biāo)尺光柵上的線紋

15、成一小角度放置兩個光柵尺時，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)黑線重疊，形成黑色條紋，其它部分為明亮條紋，這種明、暗相間的條紋稱為莫爾條紋。,6.3.2 光柵的工作原理,由光學(xué)理論可以得到長光柵的斜率為： 式中：W1主光柵的光柵常數(shù) W2指示光柵的光柵常數(shù)； 兩光柵柵線的交角。,6.3.2 光柵的工作原理,WP/,用W表示莫爾條紋的寬度，P表示柵距，表示光柵線紋間的夾角,莫爾條紋特性： （1）用平行光束照射光柵時，莫爾條紋由亮帶到暗帶，再由暗 帶到亮帶，透過的光強(qiáng)度分布近似于余弦函數(shù)。 （2）起放大作用 用W表示莫爾條紋的寬度，P表示柵距，表示光柵線紋間的夾角，則

16、有 W=P/sin 由于角很小，sin，則 WP/ 若P=0.01mm，=0.01弧度，則由上式可得W=1mm，即把光柵距轉(zhuǎn)換成放大100倍的莫爾條紋寬度。,6.3.2 光柵的工作原理,（3）起平均誤差作用。 莫爾條紋是由若干光柵線紋干涉形成，例如100線/mm的光柵，10mm寬的莫爾條紋就由1000條線紋組成，這樣?xùn)啪嘀g的相鄰誤差就被平均化了，消除了柵距不均勻造成的誤差。 （4）莫爾條紋的移動與柵距之間的移動成比例。 當(dāng)光柵移動一個柵距時，莫爾條紋也相應(yīng)移動一個莫爾條紋寬度W；若光柵移動方向相反，則莫爾條紋移動方向也相反。莫爾條紋移動方向與光柵移動方向垂直。這樣測量光柵水平方向移動的微小距離就用檢測垂直方向的寬大的莫爾條紋的變化代替。,6.3.2 光柵的工作原理,6.3.3 光柵在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用,在數(shù)控機(jī)床中的光柵測量系統(tǒng)的組成如圖所示，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)字變換電路形成正走時的正向脈沖或反走時的反向脈沖，由可逆計數(shù)器接收。位移-數(shù)字變換電路也叫光柵測量電路或叫四倍頻細(xì)分電路。,上圖中的a、b、c、d是四塊光電池，產(chǎn)生的信號，相位彼此差90。a、c信號是相位差180的兩個信號，送入