第四章第四章 数控检测技术数控检测技术数控系统检测元件的分类数控系统检测元件的分类1. 1. 常用的位置检测装置的分类：常用的位置检测装置的分类：按检测量测量基准按检测量测量基准按被测位移量类型按被测位移量类型按与被测对象联系方式按与被测对象联系方式绝对式绝对式增量式增量式直线式直线式回转式回转式接触式接触式非接触式非接触式 从检测的从检测的信号分信号分 直线型直线型回转型回转型 从传感器从传感器输出信号分输出信号分 模拟式模拟式 数字式数字式数控系统检测元件的分类数控系统检测元件的分类直线感应同步器、长光栅、直线感应同步器、长光栅、 长磁栅、激光干涉仪长磁栅、激光干涉仪旋转变压器、圆感应同步器、旋转变压器、圆感应同步器、圆光栅、圆磁栅、编码盘圆光栅、圆磁栅、编码盘光栅检测装置、脉冲编码盘光栅检测装置、脉冲编码盘旋转变压器、感应同步器旋转变压器、感应同步器 2 位置检测元件的性能要求位置检测元件的性能要求 可靠性、抗干扰能力和环境适应能力强可靠性、抗干扰能力和环境适应能力强 满足精度、速度和测量范围的要求满足精度、速度和测量范围的要求 使用维护方便，便于与使用维护方便，便于与CNC系统相联系统相联 成本成本，寿命，寿命 1. 结构结构 旋转变压器是一种角位移角位移测量装置，由定子和转子组成。 旋转变压器分解器定子变压器定子线轴变压器转子线轴变压器一次线圈变压器二次绕组分解器定子绕组分解器转子绕组转子轴分解器转子 2. 工作原理工作原理 旋转变压器 2. 工作原理工作原理 旋转变压器鉴相鉴相工作方式工作方式E=给变压器的正、余弦绕组分别加上给变压器的正、余弦绕组分别加上幅值相等幅值相等、频率相同、相位不同频率相同、相位不同的正余弦励磁电压的正余弦励磁电压鉴幅鉴幅工作方式工作方式供给定子（或滑尺）的激磁信号是两组供给定子（或滑尺）的激磁信号是两组频率相同频率相同、相位相同相位相同，幅值不同幅值不同 的交流电压。的交流电压。 感应同步器（非接触模拟测量，电磁感应原理）感应同步器（非接触模拟测量，电磁感应原理） （一）（一）感应同步器感应同步器分类与结构分类与结构 （二）二）直线型感应直线型感应同步器同步器（检测直线位移）（检测直线位移） 定尺定尺（连续感应绕组）（连续感应绕组） +滑尺滑尺分段励磁绕组：正弦分段励磁绕组：正弦+余弦）；余弦）； 定尺固定在机床的固定部件，定尺固定在机床的固定部件， 滑尺固定在移动部件，滑尺固定在移动部件， 二尺与导轨平行，二尺间隙二尺与导轨平行，二尺间隙0.150.35mm；感应同步器标准型标准型 窄型窄型 带状带状三速（三重）式三速（三重）式定尺定尺滑尺滑尺1 耐切削液保护层耐切削液保护层 2 基体基体 3 平面绕阻平面绕阻 4绝缘粘结剂绝缘粘结剂 5铝箔屏蔽层铝箔屏蔽层直线型感应直线型感应同步器同步器圆型感应圆型感应同步器同步器（检测角位移）（检测角位移） 转子（连续绕组）转子（连续绕组）+定子（定子（分段绕组：正弦绕组分段绕组：正弦绕组+余弦绕组）余弦绕组）定子定子转子转子2。标准型。标准型直线型直线型感应同步器工作原理感应同步器工作原理 电磁感应原理电磁感应原理 滑尺绕组加交变励磁电压滑尺绕组加交变励磁电压u(t)定尺绕组产生感应电压定尺绕组产生感应电压v(x,t)（x, t)=e u(t)=u数控数控检测元件检测元件 直线型直线型感应同步器工作原理感应同步器工作原理定尺绕阻产生感应电势的原理图定尺绕阻产生感应电势的原理图感应同步器产生感应电压的原理图直线型感应同步器绕阻原理图数控数控检测元件检测元件 直线型直线型感应同步器工作原理感应同步器工作原理滑尺正弦绕组励磁滑尺正弦绕组励磁us(t)定尺感应定尺感应 滑尺余弦绕组励磁滑尺余弦绕组励磁uc(t) 定尺感应定尺感应x : 定、滑尺绕组间在一个节距定、滑尺绕组间在一个节距 (=W) 内的相对位移内的相对位移; : 对应对应x 的相位角的相位角(滑尺相对定尺在空间的相位角）滑尺相对定尺在空间的相位角） = 2 x / （三）感应同步器输出信号的处理方式（三）感应同步器输出信号的处理方式1、鉴相方式、鉴相方式 根据定尺感应输出电压的相位角检测位移根据定尺感应输出电压的相位角检测位移 x； 正、余弦绕组励磁电压同频、同幅、相位差正、余弦绕组励磁电压同频、同幅、相位差90；1. 鉴相式检测方式：鉴相式检测方式： 供供给给定定子子(或或滑滑尺尺)的的激激磁磁信信号号是是频频率率相相同同、幅幅值值相相同同，相相位位相相差差900的交流励磁电压，的交流励磁电压， 根据叠加原理，转子（或定尺）上的总感应电压为根据叠加原理，转子（或定尺）上的总感应电压为 通过鉴别转子（或定尺）感应输出电压的相位，即可计算出转子相对通过鉴别转子（或定尺）感应输出电压的相位，即可计算出转子相对定子（或滑尺相对于定尺）旋转（或移动）的位移。定子（或滑尺相对于定尺）旋转（或移动）的位移。感应同步器工作方式由测得的相位差由测得的相位差( =2 x / ) 求位移求位移x ： 对于对于 =W = 2 mm, 若测得若测得 = 1.8，则，则x = 0.01 mm2. 鉴幅式检测方式：鉴幅式检测方式： 供供给给定定子子（或或滑滑尺尺）的的激激磁磁信信号号是是两两组组频频率率相相同同、相相位位相相同同，幅值不同的交流电压。幅值不同的交流电压。 当当转转子子相相对对于于定定子子（或或滑滑尺尺相相对对于于定定尺尺）旋旋转转（或或移移动动）一一个个角度（位移）时，则在转子（或定尺）绕组产生的总感应电压为角度（位移）时，则在转子（或定尺）绕组产生的总感应电压为 感应同步器工作方式由幅值由幅值求位移求位移 初始位置初始位置二尺相对移动二尺相对移动感应电压增量感应电压增量数控数控系统检测元件系统检测元件（四）感应同步器的特点与使用四）感应同步器的特点与使用1、精度高、精度高 （输出电压使许多对极感应电压的平均值有均化误差作用）（输出电压使许多对极感应电压的平均值有均化误差作用）2、可用于长距离位移测量、可用于长距离位移测量3、对环境的适应性较强、对环境的适应性较强4、使用寿命长，维护简单、使用寿命长，维护简单5、工艺性好，成本低、工艺性好，成本低光栅光栅（非接触模拟测量，光的透射、反射与干涉原理）（非接触模拟测量，光的透射、反射与干涉原理） （一）（一）光栅分类光栅分类 1、物理光栅与物理光栅与计量光栅计量光栅 2、玻璃透射光栅玻璃透射光栅与金属反射光栅与金属反射光栅 3、直线光栅直线光栅与圆光栅与圆光栅 光栅（二）透射直线光栅结构（二）透射直线光栅结构长光栅（标尺光栅）：等距线长光栅（标尺光栅）：等距线 纹，明暗相间，纹，明暗相间，短光栅（指示光栅）：栅距同长光栅，与长光栅夹微小角度短光栅（指示光栅）：栅距同长光栅，与长光栅夹微小角度ii.摩尔条纹摩尔条纹光栅位置检测装置光栅位置检测装置光栅位置检测装置光栅位置检测装置 标尺光栅标尺光栅指示光栅指示光栅光栅节距光栅节距摩尔条纹节距摩尔条纹节距 作用：作用： 放大作用放大作用误差均化作用误差均化作用 测量位移测量位移W光栅倾角光栅倾角vv WW、 、 之间的关系之间的关系光栅位置检测装置光栅位置检测装置光栅位置检测装置光栅位置检测装置 BC=ABsin(/2)其中其中 BC=/2 ， AB=W/2 ，因此因此 W=/sin(/2)由于由于很很小小，单位为单位为rad时，时，Sin(/2) 故故 W / 光栅光栅节距节距W令令k= W/ = 1/k= W/ = 1/, ,则则k k为放大比。为放大比。如如=0.01mm=0.01mm，取，取=0.002 =0.002 radrad = 0.11 = 0.11o o 则则W=5mm, W=5mm, K=500, K=500, 即即放大放大500500倍，这样光栅节距虽小，摩尔条纹倍，这样光栅节距虽小，摩尔条纹的节距却有的节距却有5mm5mm，因此摩尔条纹清晰可见，易于测量因此摩尔条纹清晰可见，易于测量。iii.摩尔条纹的作用摩尔条纹的作用a.放大作用放大作用b.误差均化作用误差均化作用摩尔条纹是由许多根刻线共同形成的，摩尔条纹是由许多根刻线共同形成的，这样可使光栅的这样可使光栅的节距误差节距误差得到得到平均化平均化。 光栅位置检测装置光栅位置检测装置光栅位置检测装置光栅位置检测装置数控数控系统检测元件系统检测元件 光栅光栅莫尔条纹特点莫尔条纹特点 莫尔条纹移动量与移动方向：光栅移动每一个栅距莫尔条纹移动量与移动方向：光栅移动每一个栅距W ， 莫尔条纹则移动一个节距莫尔条纹则移动一个节距B，其移动方向与光栅移动方向和其移动方向与光栅移动方向和 转向有关；转向有关；指示光栅相对标尺光指示光栅相对标尺光指示光栅相对标尺光指示光栅相对标尺光栅的转角方向栅的转角方向栅的转角方向栅的转角方向标尺光栅移动方向标尺光栅移动方向标尺光栅移动方向标尺光栅移动方向莫尔条纹移动方向莫尔条纹移动方向莫尔条纹移动方向莫尔条纹移动方向顺时针顺时针方向转角方向转角 右右右右 上上上上 左左左左 下下下下逆时针逆时针逆时针逆时针方向转角方向转角方向转角方向转角 右右右右 下下下下 左左左左 上上上上直线光栅检测辨向工作原理直线光栅检测辨向工作原理B中中S1 和和S2相距相距W/4的缝隙，光栅移动的缝隙，光栅移动时，莫尔条纹通过时，莫尔条纹通过两个缝隙的时间不两个缝隙的时间不同，所以光电元件同，所以光电元件所获得的电信号波所获得的电信号波形相同，但形相同，但相位差相位差900 。 哪个哪个 信号的超前信号的超前由标尺光栅由标尺光栅G2 确定确定数控数控系统检测元件系统检测元件鉴向与鉴向与4倍频倍频电路电路光栅位移光栅位移数字变换处理数字变换处理 P172 光栅位移光栅位移莫尔条纹移动莫尔条纹移动光电转换器光电转换器 正弦正弦电信号电信号放大、整形、微分放大、整形、微分电脉冲信号电脉冲信号一个脉冲代表一个珊距的距离一个脉冲代表一个珊距的距离（四）计量光栅的特点四）计量光栅的特点（1）精度高。）精度高。直线位移直线位移 0.53m（300mm范围内），分辨率可达范围内），分辨率可达0.1 m；角位移可达精度角位移可达精度0.15”，分辨率可达，分辨率可达0.1 ”（2）可用于大量程测量）可用于大量程测量（3）可实现动态测量易于实现测量及数据处理的自动化）可实现动态测量易于实现测量及数据处理的自动化（4）具有较强的抗干扰能力）具有较强的抗干扰能力（5）怕振动和怕油污）怕振动和怕油污（6）高精度光栅制作成本高）高精度光栅制作成本高数控数控系统检测元件系统检测元件脉冲编码器 脉冲编码器脉冲编码器是一种是一种旋转式角位移检测装置，能旋转式角位移检测装置，能将将机械转角机械转角变换成变换成电脉冲电脉冲，是数控机床上，是数控机床上使用使用最广最广的检测装置。的检测装置。脉脉冲冲编编码码器器的的分分类类增量式增量式脉冲编码器脉冲编码器绝对式绝对式脉冲编码盘脉冲编码盘光电式光电式接触式接触式电磁感应式电磁感应式光电式光电式接触式接触式电磁感应式电磁感应式 v增量式脉冲编码器增量式脉冲编码器脉冲编码器脉冲编码器结构图结构图指示光栅指示光栅有两组线纹有两组线纹A和和B，每组线纹的每组线纹的节距节距和和圆圆光栅光栅的节距相同，但的节距相同，但A、B两组线纹彼此错开两组线纹彼此错开1/4个节距，每组线纹与个节距，每组线纹与旋转圆光栅旋转圆光栅配合产生两路配合产生两路脉脉冲冲A和和B用于用于记数和辩向记数和辩向。上一页上一页 脉冲编码器脉冲编码器工作原理工作原理光源接通，光源接通，圆光栅圆光栅旋转，旋转，光线透过两个光栅的光线透过两个光栅的A,B两组线纹，每转过两组线纹，每转过一个一个光栅节距光栅节距，便在光，便在光电元件上形成电元件上形成明明暗暗明明变化一个周期的变化一个周期的光信光信号号，并被转化为两组近，并被转化为两组近乎于乎于正弦波正弦波的电压信号，的电压信号，连续旋转便得到连续旋转便得到A和和B两路两路正弦电压信号正弦电压信号脉冲编码的输出信号脉冲编码的输出信号如右图所如右图所示：示：放大、整形后得到所示放大、整形后得到所示的方波信号的方波信号A和和B，如如光栅盘正转时光栅盘正转时A相超前相超前90o，反转时反转时B相超前相超前90o。另外还产生一转脉另外还产生一转脉冲冲Z，Z为基准脉冲，为基准脉冲，或称零点脉冲，它是圆或称零点脉冲，它是圆光栅盘，可以作为坐标光栅盘，可以作为坐标原点的信号，车削螺纹原点的信号，车削螺纹时作为刀点的信号。时作为刀点的信号。 脉冲编码器脉冲编码器 是一种是一种绝对角度位置检测绝对角度位置检测装置，它的位置输出信号是装置，它的位置输出信号是某种制式的数码信号，它表示位移后所达到的某种制式的数码信号，它表示位移后所达到的绝对位置绝对位置，要用起点和终点的绝对位置的要用起点和终点的绝对位置的数码信号数码信号，经运算后才能得，经运算后才能得到位移量的大小。到位移量的大小。特点特点电源切除电源切除后位置后位置信息不会丢失信息不会丢失，只要，只要通电就能显示出所在的绝通电就能显示出所在的绝对位置信号对位置信号，因此在，因此在事故停机检修事故停机检修后，可以根据加工后，可以根据加工程序单上程序单上标明的停机时的绝对位置标明的停机时的绝对位置，或，或停机时记录下来的绝对位置停机时记录下来的绝对位置，用，用绝对位移指令绝对位移指令直接直接找回原机位置进行继续加工找回原机位置进行继续加工。v绝对式脉冲编码盘绝对式脉冲编码盘 绝对式脉冲编码器（接触式测量）绝对式脉冲编码器（接触式测量） 结构结构数控数控系统检测元件系统检测元件-脉冲编码脉冲编码器器工作工作原理：绝对式编码盘，每个角度位置对应一个编码原理：绝对式编码盘，每个角度位置对应一个编码码道的圈数是二进制的位数高位在内，低位在外N个码道，圆周均分个码道，圆周均分为为2n 脉冲编码器脉冲编码器v绝对式脉冲编码盘绝对式脉冲编码盘 码盘上有码盘上有许多许多同心圆环同心圆环，称为，称为码道码道，整个圆盘又分，整个圆盘又分为若干个为若干个等分的扇形区段等分的扇形区段，每一相同的扇形区段的，每一相同的扇形区段的码道组成一个码道组成一个数码数码，着色的码道为着色的码道为“1”，未着色的未着色的码道为码道为“0”，内环码道为数码的高位。，内环码道为数码的高位。A图为二进制数码，图为二进制数码，B图为葛莱循环码图为葛莱循环码在在圆盘圆盘的同一半径方向的每个码道处，如图的的同一半径方向的每个码道处，如图的圆点圆点所示，安装一个所示，安装一个光电元件光电元件，光源光源装在圆盘的另一侧，装在圆盘的另一侧，码盘转动，每一扇形区段愉的光信号通过光电元件码盘转动，每一扇形区段愉的光信号通过光电元件转换成数码脉冲信号转换成数码脉冲信号。脉冲编码器脉冲编码器v绝对式脉冲编码盘绝对式脉冲编码盘 脉冲编码器脉冲编码器图中图中二进制二进制的数码的数码1100的位置就是从的位置就是从0位算起位算起的第的第12个角度个角度绝对坐标绝对坐标位置位置，换算成角度是，换算成角度是（360/16）x12=270的的位置（编码盘分为位置（编码盘分为16个个区段）。区段）。v绝对式脉冲编码盘绝对式脉冲编码盘 纯纯二进制码二进制码有一个有一个缺点缺点：相邻：相邻两个二进制数两个二进制数可能有可能有多多位二进制码位二进制码不同，当数码切换时有多个数位要进行切不同，当数码切换时有多个数位要进行切换，换，增大了误读的机率增大了误读的机率。葛莱码葛莱码相邻相邻两个二进制数码两个二进制数码只有只有一个数位一个数位不同，因此不同，因此两数切换时只在一位进行，提高了读数的可靠性。两数切换时只在一位进行，提高了读数的可靠性。两种编码的可靠性的比较:脉冲编码器脉冲编码器v多圈式脉冲编码盘多圈式脉冲编码盘 脉冲编码器脉冲编码器它有一个它有一个光电码盘光电码盘和一个和一个磁码盘磁码盘，两条通道的信号经过检测，两条通道的信号经过检测装置内部的装置内部的CPUCPU、大规模集成电路大规模集成电路及及驱动电路驱动电路串行地输出串行地输出绝对绝对位置信息位置信息。这种编码器的这种编码器的优点优点是：是： 分辨率高分辨率高 响应快响应快 具有数据长期存储功能具有数据长期存储功能 串行输出，信号线少，可靠性高，便于长距离传输串行输出，信号线少，可靠性高，便于长距离传输2、绝对式编码器的特点、绝对式编码器的特点 （1）可以直接读出角度坐标的绝对值。）可以直接读出角度坐标的绝对值。 （2）没有积累误差。）没有积累误差。 （3）电源切除后位置信号不会丢失）电源切除后位置信号不会丢失 （4）允许的最高旋转速度较高。）允许的最高旋转速度较高。 （5）为提高精度和分辨率，必须增加码道数，使构造变得）为提高精度和分辨率，必须增加码道数，使构造变得复杂，价格也较贵。复杂，价格也较贵。 数控数控系统检测元件系统检测元件-编码器编码器分辨角度分辨角度 a= 分辨率分辨率=3600 2n 1 2n0101（二进制码）（二进制码）0010 （右移一位并舍去末位）（右移一位并舍去末位）0111 （格雷码）（格雷码）+将二进制码二进制码转换成格雷格雷码码（循环码）（循环码）