第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 第3章数控位置检测装置3.1 3.1 概述概述 3.2 3.2 旋旋转变压器器3.3 3.3 光光栅尺尺3.4 3.4 旋旋转编码器器3.5 3.5 感感应同步器同步器3.6 3.6 磁磁栅3.7 3.7 激光干涉激光干涉仪第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 3.1 3.1 概概 述述3.1.1 数控机床数控机床对位置位置检测装置的要求装置的要求1.耐油污、潮湿、灰尘，温度稳定性好，抗干扰能力强。2.足够的精度和检测速度。直线位移检测分辨率0.0010.01mm，精度0.0010.02mmm，速度24m/min ；回转角位移分辨率2左右，精度10/360。3.安装维护方便，成本低廉。如旋转编码器、光栅尺、感应同步器等都是数控机床常用的位置检测装置。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 3.1.2 位置位置检测装置的分装置的分类按运动形式分类直线型：用于直线位移测量回转型：用与角位移测量按测量基准分类绝对值式：用于直线位移测量增量式：用与角位移测量按安装位置分类直接测量间接测量第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 3.1.2 位置检测装置的分类位置检测装置的分类增 量 式绝 对 式回转型 旋转编码器、圆光栅，旋转变压器、圆感应同步器、圆形磁尺绝对式旋转编码器，多极旋转变压器三速圆型感应同步器直线型 光栅尺、直线型感应同步器、磁尺，激光干涉仪编码尺、多通道投射光栅，三速直线型感应同步器、绝对式磁尺 常用位置检测元件第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 3.1.3 位置位置检测装置的性能指装置的性能指标1.精度：检测输出值与实际位置的符合程度。2.分辨率：可分辨的最小刻度值，一般按加工精度的13110选取检测装置的分辨率。3.灵敏度：检测输出值随实际位置变化的及时程度。4.迟滞：同一实际位置，正行程与反行程的检测输出结果不一致的现象，称为迟滞，迟滞越小越好。5.测量范围和量程：测量范围要满足系统的要求，并留有余地。6.零漂与温漂：测量精度随时间和温度的变化而变化的现象。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 3.2 旋转变压器 旋转变压器是一种角位移测量元件，外形如图所示。结构与两相绕线式异步电动机相似，由定子和转子组成，根据转子绕组引出方式不同，分为有刷和无刷两种结构形式。(a) 旋转变压器外形图 (b)有刷旋转变压器结构图 (c) 无刷旋转变压器结构图图3.1 旋转变压器外形结构图第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 3.2 旋转变压器有刷旋转变压器结构如图3.1(b)所示，定子与转子上均为两相交流分布绕组，二相绕组轴线相互垂直，转子绕组的端点通过电刷和滑环引出，结构简单，体积小，但因电刷与滑环是机械滑动接触，所以这种结构的旋转变压器可靠性差，使用寿命较短。无刷旋转变压器结构如图3.1(c)所示，它没有电刷与滑环，由两大部分组成，一部分是旋转变压器本体，也叫分解器；另一部分是附加变压器。无刷旋转变压器具有可靠性高，使用寿命长，但其体积、重量和成本均有所增加。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 3.2.1 旋旋转变压器的工作原理器的工作原理 旋转变压器是一种输出电压随转子转角变化的信号元件。当给励磁绕组加上一定频率的交流励磁电压时，通过定子与转子之间的电磁耦合，转子绕组就会产生感应电动势，感动电动势的幅值大小与转子位置有关。 如图3.2所示，当转子绕组的磁轴与定子绕组的磁轴垂直时，电磁耦合度为零，感应电动势也为零；二者的磁轴平行时，电磁耦合度最大，感应电动势幅值也最大。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 图3.2 旋转变压器的工作原理第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 由于旋转变压器的定子和转子之间的磁通分布符合正弦规律，因此在转子转动过程中，感应电动势随转子偏转角度呈正弦规律变化，当转子转动角度为时，空载时转子绕组输出电压为式中：k 为传输比；u1 为定子交流励磁电压；U1m为定子励磁电压幅值。 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 3.2.2 旋转变压器的应用旋转变压器的应用 在实际应用中，通常采用的是正弦、余弦旋转变压器,它有两个互相垂直的转子绕组。给定子绕组加正弦交流励磁电压，一个转子绕组输出与转子转角成正弦函数关系的电压，另一个转子绕组输出与转子转角成余弦函数关系的电压，即第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 将励磁信号和转子绕组输出信号送至解码电路输入端，即可得到转子转角代码。日本多摩川公司推出的解码电路集成芯片原理如图3.3所示，如果图中usr=0，那么= rd，即可解码出转子转角。 由于正弦余弦型旋转变压器采用无刷设计，所以维护方便，使用寿命长，稳定可靠，对机械和电气噪声不敏感，因此被广泛应用在航空、航天、雷达以及数控机床的伺服系统中。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 图3.3 解码芯片原理框图第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 3.3 3.3 光光栅尺尺 光栅是一种通过在透明玻璃或金属的反光平面上刻平行、 等距的密集刻线而制成的光学元件。 数控机床上用的光栅尺是利用两个光栅相互重叠时形成的莫尔条纹现象制成的光电式位移测量装置。 按制造工艺不同， 光栅尺可分为透射光栅和反射光栅。 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 透射光栅是在透明的玻璃表面刻上间隔相等的不透明的线纹制成的，线纹密度可达到每毫米100条以上；反射光栅一般是在金属的反光平面上刻上平行、等距的密集刻线，利用反射光进行测量，其刻线密度一般在每毫米450条范围内。 按结构用途不同又可分为直线光栅和圆光栅。直线光栅用于测量直线位移，原光栅用来测量角位移。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 3.3.1 光栅的组成接构和检测原理 1、 组成结构 直线透射光栅尺的结构如图3.4所示，由光源、长光栅（标尺光栅）、短光栅（指示光栅）、光电元件等组成。一般移动的光栅为长光栅，短光栅装在机床的固定部件上。长光栅随工作台一起移动，其有效长度即为测量范围。两块光栅的刻线密度（即栅距）相等，相互平行并保持一定的间隙（0.050.1mm），并且使刻线相互倾斜一个微小的角度。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 图3.4 直线透射光栅尺结构原理 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 2、 莫尔条纹的形成原理 当用光源的平行光照射光栅时， 由于刻线的挡光作用和光的衍射作用， 在与刻线垂直的方向上就会产生明暗交替、 间隔相等的干涉条纹， 称为莫尔条纹， 如图3.5所示。 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 图3.5 莫尔条纹形成原理 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 当标尺光栅沿与刻线垂直的方向移动时，莫尔条纹也跟着移动，且移动的方向与标尺光栅移动的方向垂直；光栅移动一个刻线，莫尔条纹也正好移动一个条纹。通过测定莫尔条纹移动的数目，就可以测量出标尺光栅的相对位移距离。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 3、 莫尔条纹的特点 莫尔条纹具有如下特点。 （1） 放大作用。莫尔条纹的宽度B将随条纹的夹角 的变化而变化， 其关系为式中： 为光栅栅距； 为两光栅的刻线夹角。 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 上式表明，可以通过改变的大小来调整莫尔条纹的宽度，越小，B越大，这相当于把栅距放大了1倍。例如，对于刻线密度为100/mm的光栅，其=0.01mm，如果通过调整，使=0.001rad(0.057)，则 ，其放大倍数为1000倍。而且无需复杂的光学系统，这是莫尔条纹独有的一个重要特性。 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 平均效应 莫尔条纹是指示光栅覆盖了许多条纹后而形成的，例如，250线毫米的光栅，10mm长的一条莫尔条纹是由2500条刻线组成的。因此对光栅条纹间距的误差有平均作用，因而能消除周期误差的影响。 信号变换 标尺光栅每移动一个栅距，莫尔条纹相应地移动一个宽度，同时光线强度按近似正弦规律变化一个周期，从而把机械位移信号变换成了光学信号。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 莫尔条纹的移动与刻线的移动成正比例 当光栅尺移动一个栅距时，莫尔条纹也恰好移动一个节距。若光栅尺朝向反的方向移动，莫尔条纹也往相反的方向移动。从而根据莫尔条纹移动的数目，可以计算出光栅尺移动的距离，并根据莫尔条纹移动的方向来判断移动部件的运动方向。 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 3.3.2 测量量电路工作原理路工作原理 在光栅尺的一侧安装上光源，另一侧安装上光敏元件。当标尺光栅随运动部件移动时，照射到光敏元件上的光线也随着莫尔条纹移动而产生明暗相间的变化，经过光敏元件的 “光-电”变换，得到与刻线移动相对应的正弦波信号，经过放大、整形等处理后，变成测量脉冲输出，波形如图3.6所示。脉冲数等于移过的刻线数，将该脉冲信号送到计数器中计数，则计数值就反映了光栅尺移动的距离。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 图3.6 输出信号波形图第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 为了能够辨别运动方向，可在1/4栅距的位置上安放两个光敏元件，使输出信号的相位差为90，通过鉴相电路判别其运动方向。 此外，为了提出高测量精度，常用倍频细分法对输出信号进行处理。图3.7所示为四倍频电路，4个光敏元件的安装位置彼此相差1/4栅距，产生4列彼此相差90的信号，为了在0，90，180，270的位置上都能得到脉冲，必须把两路相差90的方波各自反相一次，然后再微分，就可得到4个脉冲，使分辨率提高4倍。 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 图3.7 四倍频辨向计数电路 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 为了辨别方向，正向运动时， 用“与或”门YH1得到AB+AD+CD+BC的4个输出脉冲；反向运动时， 用“与或”门YH2得到BC+AB+AD+CD的4个输出脉冲；其波形如图3.8所示。 在机床光栅位移测量系统中，除上述四倍频外，还有八倍频、十倍频、二十倍频等。 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 图3.8 四倍频波形图 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 3.4 旋转编码器 旋转编码器是一种旋转式位置测量装置，通常安装在被测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换成数字脉冲。是数控机床常用的位置检测元件。按输出信号形式（增量脉冲形式或绝对式的代码形式），旋转编码器可以分为增量式和绝对式两种类型。按码盘的读取方法，旋转编码器可分为光电式、接触式和电磁式3种。 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 增量式旋增量式旋转编码器器 1.结构 增量式旋转编码器的外形结构如图3.9所示。它主要由发光管(带聚光镜)、光栅板、光栅盘、光敏元件及信号处理电路板组成。 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 光栅盘分为透光式和反光式2种，透光式光栅盘由光学玻璃制成，玻璃表面在真空中镀一层不透明的膜，然后在圆周的半径方向上，用照相腐蚀的方法制成许多条可以透光的狭缝和不透光的刻线，刻线的数量可达几百条或几千条；反光式光栅盘一般是在金属圆盘的圆周上制成许多条可以反光的刻线，利用反射光进行测量，其发光管和光敏管位于圆盘的一侧。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 此外，也可在金属圆盘的圆周上刻上一定数量的槽或者孔，使圆盘形成透明和不透明区域，其原理和透光式光栅盘相同，只是槽的数量受限，分辨率较低，常被称作光电码盘，主要用于电子手轮和回转刀架的刀位检测。 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 2.工作原理 图3.10所示为增量式旋转编码器测量系统的工作原理示意图，当光栅盘随工作轴一起转动时，每转过一个刻线（狭缝）就发生一次光线的明暗变化，经过光敏元件变成一次电信号的强弱变化，对它进行放大、整形处理后，得到脉冲信号输出。脉冲数就等于转过的刻线数。将该脉冲信号送到计数器中计数，则计数值就反映了圆盘转过的角度。 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 图3.10 增量式旋转编码器光学原理第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 为了判别码盘的旋转方向，采用两个光敏元件，其输出信号经放大整形后，得到如图3.11所示的两列相位差为90的矩形脉冲P1和P2，它们分别接到D触发器的D端和CP端，D触发器在CP脉冲(即P2)的上升沿触发。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 当正转时，l#光敏元件比2#光敏元件先感光，即脉冲P1超前脉冲P2 90。D触发器的输出Q“1”，使可逆计数器的加减控制线为高电平，计数器将作加法计数。同时P1和P2又经与门Y输出脉冲P，经延时电路送到可逆计数器的计数输入端，计数器进行加法计数。当反转时，P2超前P1 90。D触发器输出Q“0”，使可逆计数器的加减控制线为低电平，计数器将作减法计数。计数电路如图3.11所示。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 两相增量式旋转编码器输出脉冲波形图 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 图3.11 正交脉冲可逆计数器原理图 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 增量式旋转编码器的主要技术参数包括：每转脉冲数（P/R）、电源电压、输出信号相数和输出形式等，各参数范围如表3.2所示。其中，1相输出只有1列矩形脉冲，用于单方向计数；2相输出为两列正交脉冲，可正反向计数；3相输出时，A、B为两列正交脉冲，用于正反向计数，Z相为零位脉冲，每转只产生一个。 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 表3.2 旋转编码器技术参数范围 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 3.4.2 3.4.2 绝对值式旋式旋转编码器器 它是一种直接编码式的测量元件。它把被测转角转换成相应的代码指示绝对位置，没有积累误差。其编码盘有光电式、接触式和电磁式三种，为叙述简单起见，以接触式四位绝对编码器为例来说明其工作原理。 图3.12所示是一个四位二进制编码盘， 涂黑部分是导电区， 空白部分是绝缘区。 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 编码盘上共有5个同心环道，外圈的4个环道，分为16个扇形区，每个扇形区的四个环道按导电为“1”、绝缘为“0”组成二进制编码。通常把组成编码的各圈称为码道，对应四个码道并排装有四个电刷，电刷经电阻接到电源的负极。内圈的1个环道是公用环道，全部导电，也装有1个电刷，并接到电源的正极。码盘的转轴可与被测轴一起转动，而5个电刷则是固定不动的。当被测轴带动码盘转动时，与码道对应的4个电刷上将出现相应的电平，形成二进制代码。若码盘按顺时针方向转动，就依次得到0000，0001，0010，1111的二进制输出。 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 图3.12 接触式编码盘 (a) 结构简图； (b) 二进制编码盘； (c) 格雷编码盘 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 二进制码盘具有直观、简单的优点，但对码盘的制作和电刷的安装要求十分严格，否则就会出错。例如，0000位置，若码盘按逆时针方向转动，正常时输出应由数码0000转换到1111；但是，如果最里侧码道上的电刷（电刷3）在安装时稍向逆时针方向偏移，则当码盘随轴作逆时针方向旋转时，电刷3接触导电部分早了一些，因而先给出数码1000，这是不允许的，应避免发生。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 为了消除这种错误，常采用循环码（格雷码）代替二进制码，循环码的特点是相邻的两个数码间只有一位是变化的，它能有效地避免由于制作和安装误差而造成的错误。循环码和二进制码及十进制数的对应关系如表3.3所示。 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 表3.3 绝对值式旋转编码器输出真值表 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 上述为四位码盘，其分辨角度360/24=22.5。如果用n位编码盘，则分辨角度360/2n。所以，位数越多，n越大，分辨角度就越小，精度也就越高。目前，接触式码盘一般可以做到9位二进制，而光电式码盘则可做到18位二进制。如果要求更多的位数，则可用组合码盘，即用一个粗计码盘和一个精计码盘，精计码盘转一圈，粗计码盘转一格，如果用两个9位二进制码盘组合，则可得到相当于18位二进制码盘的输出。 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 3.5 感应同步器 感应同步器是利用两个平面印刷电路绕组的电磁感应原理制成的位移测量装置。这两个绕组类似变压器的原边绕组和副边绕组，所以又称为平面变压器。按结构和用途可分为直线感应同步器和圆盘旋转式感应同步器两类，前者用于测量直线位移，后者用于测量角位移。两者的工作原理基本相同。 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 感应同步器具有较高的测量精度和分辨率，工作可靠，抗干扰能力强，使用寿命长。目前，直线式感应同步器的测量精度可达15m ，分辨率可达0.05m，并可测量较大位移。因此，感应同步器广泛应用于坐标镗床、坐标铣床及其它机床的定位、数控和数显等，旋转式感应同步器常用于雷达天线定位跟踪、精密机床或测量仪器的分度装置等。 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 3.5.1 感感应同步器的同步器的结构构 直线式感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，图3.13是定尺和滑尺的截面结构图，定尺和滑尺均用绝缘粘合剂将铜箔贴在基板上，用光化学腐蚀或其它方法，将铜箔刻制成曲折的印刷电路绕组（如图3.14所示）。定尺表面涂有耐切削液的保护层。滑尺表面用绝缘粘合剂贴有带绝缘层的铝箔，以防止静电感应。 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 图3.13 定尺和滑尺的截面结构 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 图3.14 直线感应同步器定尺和滑尺的绕组示意图 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 如图3.14所示，定尺表面分布有单相均匀绕组，尺长250mm，绕组节距() 2mm(标准型)。滑尺上有两组绕组，一组叫正弦绕组，另一组叫余弦绕组。当正弦绕组的每只线圈和定尺绕组的每只线圈对准(即重合)时，余弦绕组的每只线圈和定尺绕组的每只线圈相差1/4节距，即滑尺上两组绕组在空间位置上相差1/4节距。 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 直线式感应同步器有标准型、窄型和带型三种，其中标准型精度最高，应用最广。各类型感应同步器的精度和电参数如表3.5所示。 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 表3.4 各类型感应同步器的精度和电参数的参考数据 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 2. 感应同步器的工作原理 在感应同步器工作时， 定尺和滑尺相互平行安装， 其间有大约0.250.05 mm的间隙， 间隙的大小会影响电磁耦合度。 定尺是固定的， 滑尺是可动的， 它们之间可以做相对移动。 图3.15说明了定尺感应电压与定、 滑尺绕组的相对位置的关系。 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 图3.15 感应同步器工作原理 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 当在滑尺的正弦绕组加正弦交流(110 kHz)励磁电压时，则在绕组中产生励磁电流，并产生交变磁通，这个交变磁通与定尺绕组耦合，在定尺绕组上分别感应出同频率的交流电压。这时，如果滑尺处于图中A点位置，即滑尺绕组与定尺绕组完全对应重合，则定尺上的感应电压最大。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 随着滑尺相对定尺做平行移动，感应电压逐渐减小。当滑尺移动至图中B点位置，与定尺绕组刚好错开14节距时，感应电压为零。再继续移至1/2节距处，即图中C点位置时，为最大的负值电压(即感应电压的幅值与A点相同但极性相反)。再移至3/4节距，即图中D点位置时，感应电压又变为零。当移动到一个节距位置即图中E点，又恢复初始状态，即与A点情况相同。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 显然在定尺和滑尺的相对位移中，感应电压呈周期性变化，其波形为余弦函数。在滑尺移动一个节距的过程中感应电压变化了一个余弦周期。 同样，若在滑尺的余弦绕组中通以交流励磁电压，也能得出定尺绕组中感应电压与两尺相对位移的关系曲线，它们之间为正弦函数关系。 根据励磁绕组中励磁供电方式的不同，感应同步器可分为鉴相工作方式和鉴幅工作方式。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 1) 鉴相工作方式 当在滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别加同频率、同幅值，相位相差2的励磁电压和时，则将在定尺绕组上分别感应出同频率的电压 ud1=kUm cos sint ud2=-kUm sin cost第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 式中， k为电磁耦合系数， 为滑尺励磁绕组相对于定尺绕组的空间相位角。 实际上， 正弦、 余弦绕组同时供电， 这时定尺绕组上总的感应电压为ud=ud1+ud2 =kUmcos sint-kUm sin cost=kUm sin(t-)第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 由此看出，在鉴相工作方式中，由于耦合系数k、励磁电压幅值Um以及频率t均是常数，因而定尺的感应电压ud就只随着空间相位角的变化而变化。这说明定尺的感应电压与滑尺的位移值有严格的对应关系，通过鉴别定尺感应电压的相位，即可测得滑尺和定尺间的相对位移。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 2） 鉴幅工作方式 给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别加相位相同、 频率相同但幅值不等的交流励磁电压 us=Us sint=(Um sin)sint和 uc=Uc sint=(Um cos)sint， 则定尺绕组中的感应电压为 ud =k(Um sin)sint cos-k(Um cos)sint sin =kUm sint(sin cos-cos sin) =kUm sint sin(-) 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 可见，定尺绕组上的感应电压与激磁电压同频率同相位，而幅值则取决于激磁电压的幅值和感应同步尺的相对位移，且随（-）作正弦规律变化，所以可以通过检测ud的幅值变化来测量机械位移量。 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 3.6 3.6 磁磁栅 磁栅（磁尺）是一种录有等节距磁化信号的磁性标尺或磁盘，是一种高精度的位置检测装置，可用于数控系统的位置测量，其录磁和拾磁原理与普通磁带相似。在检测过程中，磁头读取磁性标尺上的磁化信号并把它转换成电信号，然后通过检测电路把磁头相对于磁尺的位置送入计算机或数显装置。磁栅与光栅、感应同步器相比，测量精度略低一些。但它有其独特的优点： 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 （1） 制作简单， 安装、 调整方便， 成本低。 磁栅上的磁化信号录制完成后， 若发现不符合要求可抹去重录， 亦可安装在机床上再录磁， 避免安装误差。 （2） 磁尺的长度可任意选择， 亦可录制任意节距的磁信号。 （3） 耐油污、 灰尘等， 对使用环境要求低。 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 3.6.1 3.6.1 磁磁栅测量装置的量装置的组成成结构构 磁栅测量装置由磁性标尺、拾磁磁头和测量电路组成，按其结构可分为直线磁栅和圆磁栅，分别用于直线位移和角位移的测量。其中，直线磁栅又分为带状磁栅、杆状磁栅。常用磁栅的外形结构如图3.16所示。 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 图3.16 常用磁栅外形结构 （a） 带状磁栅； （b） 杆状磁栅； （c） 圆磁栅 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 带状磁栅固定在用低碳钢做的屏蔽壳体内，并以一定的预紧力绷紧在框架或支架中，框架固定在机床上，使带状磁尺同机床一起胀缩，从而减少温度对测量精度的影响。杆状磁栅套在磁头中间，与磁头同轴，两者之间保持很小的间隙，由于磁尺包围在磁头中间，对周围电磁起到了屏蔽作用，所以抗干扰能力强，输出信号大。圆形磁栅的磁尺做成圆形磁盘或磁鼓形状，磁头和带状磁尺的磁头相同，圆形磁尺主要用来检测角位移。 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 1. 磁性标尺 磁性标尺常采用不导磁材料做基体，在上面镀上一层1030um厚的高导磁性材料，形成均匀磁膜；再用录磁磁头在尺上记录相等节距的周期性磁化信号，用以作为测量基准，信号可为正弦波、方波等，节距通常为0.05、0.1、0.2mm；最后在磁尺表面还要徐上一层12um厚的保护层，以防磁头与磁尺频繁接触而形成的磁膜磨损。 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 2. 拾磁磁头 拾磁磁头是一种磁电转换器，用来把磁尺上的磁化信号检测出来变成电信号送给测量电路。拾磁磁头可分为动态磁头和静态磁头。 动态磁头又称为速度响应型磁头，它只有一组输出绕组，所以只有当磁头和磁尺有一定相对速度时才能读取磁化信号，并有电压信号输出。这种磁头只能用于录音机、磁带机的拾磁磁头，不能用来测量位移。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 由于用于位置检测用的磁栅要求当磁尺与磁头相对运动速度很低或处于静止时亦能测量位移或位置，所以应采用静态磁头。静态磁头又称磁通响应型磁头，如图3.17所示，它在普通动态磁头的基础上，增加了一个励磁线圈，并采用可饱和的铁芯，利用可饱和铁芯的磁性调制原理来实现位置检测。静态磁头可分为单磁头、双磁头和多磁头。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 图3.17 磁通响应型单磁头 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 3.6.2. 磁磁栅工作原理工作原理 单磁头结构如图3.17所示， 磁头有两组绕组， 一组为拾磁绕组， 一组为励磁绕组。 在励磁绕组中加一高频交变励磁信号， 则在铁心上产生周期性正、 反向饱和磁化现象， 使磁心的可饱和部分在每周期内两次被电流产生的磁场饱和。 当磁头靠近磁尺时， 磁尺上的磁通在磁头气隙处进入铁心， 并流过拾磁绕组的碰心， 产生感应电压第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 式中，k为耦合系数；m为磁通量的峰值；为磁尺上磁化信号的节距；x为磁头在磁尺上的位移量；为励磁电流的角频率。 由此可以看出，磁头输出信号的幅值是位移x的函数，只要测出u的过0的次数，就可以知道位移x的大小。 双磁头是为了识别磁栅的移动方向而设置的，如图3.18所示，两磁头按(m)配置，m为任意整数，当励磁电压相同时，其输出电压分别为第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 图3.18 双磁头的配置 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 通过对u1、u2进行检测处理，即可判定位移方向，并测出位移量的大小。 由于单磁头读取磁性标尺上的磁化信号输出电压很小，而且对磁尺上磁化信号的节距和波形要求高，因此，如图3.19所示，可将多个磁头以一定方式串联起来形成多间隙磁头。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 这种磁头放置时铁芯平面与磁栅长度方向垂直，每个磁头以相同间距/4放置。若将相邻两个磁头的输出绕组反相串接，则能把各磁头输出电压叠加。多磁头的特点是使输出电压幅值增大，同时使各铁芯间误差平均化，因此精度较单磁头高。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 图3.19 多间隙磁头 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 3.6.3 磁磁栅检测电路路 磁栅检测是模拟测量，必须和检测电路配合才能检测。检测线路包括励磁电路，读取信号的滤波、放大、整形、倍频、细分、数字化和计数等线路。根据检测方法不同，检测电路分为鉴幅式检测电路和鉴相式检测电路两种形式，并以鉴相式检测电路应用较多。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 1.鉴幅式磁栅检测电路工作原理 如前所述，当在两个励磁绕组上加相同励磁电压时，可得到两组幅度调制信号输出，将高频载波滤掉后则得到相位差为/2的两组信号，即第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 检测电路方框图如图3.20所示。磁头H1、H2相对于磁尺每移动一个节距发出一个正（余）弦信号，经信号处理后可进行位置检测。这种方法的线路比较简单，但分辨率受到录磁节距的限制，若要提高分辨率就必须采用较复杂的倍频电路，所以不常采用。图3.20 鉴幅式磁栅检测电路框图第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 2. 2. 鉴相式磁相式磁栅检测电路工作原理路工作原理 电路结构如图，由振荡器产生的2MHz脉冲信号，经400分频器分频后得到5kHz的励磁信号，再经低通滤波器滤波后变为两路正弦波信号，一路经功率放大器送到第一组磁头励磁线圈，另一路经90移相后送入第二组磁头励磁线圈。两磁头获得的输出信号分别为:第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 2. 2. 鉴相式磁相式磁栅检测电路工作原理路工作原理 在求和电路中相加，即得到相位按位移量变化的合成信号 该信号经选频放大、整形微分后再与基准相位鉴相以及细分，即可得到分辨率为预先设定单位的位移测量信号，并送可逆计数器计数。 鉴相式检测的精度可远高于录磁节距，并可以通过提高内插补脉冲频率以提高系统的分辨率，可达到1m。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 3.7 激光干涉仪 激光是20世纪60年代末兴起的一种新型光源，其应用范围非常广泛。它与普通光相比具有以下特点。（1）高度相干性。 相干波是指两个具有相同方向、相同频率和相同相位差的波。普通光源是自发辐射光，是非相干光。激光是受激辐射光，具有高度的相干性；第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 （2）方向性好。 普通光向四面八方发光，而激光散射角很小，几乎与激光器的反射镜面垂直。如配置适当的光学准直系统，其发散角可小到10-4rad以下，几乎是一束理想平行光；（3）高度单色性。 普通光源包括许多波长，所以具有多种颜色。如日光包含红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色，其相应的波长从760380nm。激光的单色性高，如氦氖激光的谱线宽度只有10-6nm。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 （4）高亮度。 激光束极窄，所以有效功率和照度特别高，比太阳表面高200亿倍以上。 由于激光具有以上特点，因而广泛应用于长距离，高精度的位置检测。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 1.激光干涉法测距原理 根据光的干涉原理，两列具有固定相位差、相同频率、相同的振动方向或振动方向之间夹角很小的光相互交叠，将会产生干涉现象。如图3.22所示，第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 由激光器发射的激光经分光镜A分成反射光束S1和投射光束S2。两光束分别由固定反射镜M1和可动反射镜M2反射回来，两者在分光镜处汇合成相干光束。若两列光S1和S2的路程差为N(为波长，N为零或正整数），实际合成光的振幅是两个分振幅之和，光强最大，如图3.23（a）所示。当S1和S2的路程差为/2（或波长的奇数倍）时，合成光的振幅和为零，如图3.23（b）所示，此时光强最小。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 图3.22 激光干涉法测距原理图第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 图3.23 激光干涉法测距波形图第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 激光干涉仪就是利用这一原理使激光束产生明暗相间的干涉条纹，由光电转换元件接受并转换为电信号，经处理后由计数器计数，从而实现对位移量的检测。用激光干涉法测距的精度极高。 激光干涉仪是由激光镜、稳频器、光学干涉部分、光电接受元件、计数器和数字显示器组成。目前应用较多的有单频激光干涉仪和双频激光干涉仪。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 2.单频激光干涉仪 如图3.24所示，为单频激光干涉仪原理图，激光器1发出的激光束，经镀有半透明银箔层的分光镜5将光分成两路，一路折射进入固定不动的棱镜4，另一路反射进入可动棱镜7。经棱镜4和7反射回来的光重新在分光镜5处汇合成相干光束，此光束又被分光镜分成两路，一路进入光电元件3，另一路经棱镜8反射至光电元件2。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 图3.24 单频激光干涉仪原理图第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 由于分光镜5上镀有半透明反射的金属膜，所以产生的折射光和反射光的波形相同，但相位上有变化，适当调整光电元件3和2的位置，使两光电信号相位差90。工作时两者相位超前或滞后的关系，取决于棱镜7的移动方向，当工作台6移动时棱镜7也移动，则干涉条纹移动，每移动/2，光电信号变化一个周期。如果采用四倍频电子线路细分，采用波长=0.6328m的氦-氖激光为光源，则一个脉冲周期信号相当于机床工作台的实际位移量为第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 单频激光干涉仪使用时受环境影响较大，调整麻烦，放大器存在零点漂移。为克服这些缺点，可采用双频激光干涉仪。 第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 3.双频激光干涉仪 双频激光干涉仪的基本原理与单频激光干涉仪不同，是一种新型激光干涉仪，如图3.25所示。它是利用光的干涉原理和多普勒效应产生频差的原理来进行位置检测的。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 图3.25 双频激光干涉仪原理图第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 激光管放在轴向磁场内，发出的激光为方向相反的右旋圆偏振光和左旋圆偏振光，其振幅相同，但频率不同，分别用f1和f2。经分光镜M1，一部分反射光经偏振器射入光电元件D1作为基准频率f基（f基= f2-f1）。另一部分通过分光镜M1的折射光到达分光镜M2的a处，频率为f2的光束完全反射经滤光器变为线偏振光f2，投射到固定棱镜M3后反射到分光镜M2的b处。频率为f1的光束完全反射经滤光器变为线偏振光f1，投射到固定棱镜M4后反射到分光镜M2的b处，两者产生相干光束。若M4移动，则反射光的频率发生变化而产生多普勒效应，其频差为多普勒频差 。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 频率为 的反射光与频率为f2的反射光在b处汇合后，经检偏器射入光电元件D2，得到测量频率 的光电流，这路光电流与经光电元件D1后得到频率为f基的光电流，同时经放大器放大进入计算机，经减法器和计数器，即可算出差值 、可动棱镜M4的移动速度v和移动距离L 为第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 式中，N是由计算机纪录下来的脉冲数，将脉冲乘以半波长就得到所测位移长度。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 双频激光干涉仪与单频激光干涉仪相比有下列优点:（1）接受信号为交流信号，前置放大器为交流放大器，而不用直流放大，没有零点漂移等问题；（2）采用多普勒效应，计数器用来计算频率差的变化，不受激光强度和磁场变化的影响。（3）测量精度不受空气湍流的影响，无需预热时间。用激光干涉仪作为机床的测量系统可以提高机床的精度和效率。但由于激光干涉仪的抗振性、抗干扰性和环境适应性差，而且价格较贵，因此目前在机械加工现场使用不多，主要用于机床的校准和调试。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 如图3.26所示为RENISHAW ML10激光测量系统。其组成包括：三角架ML10激光器、PCM10控制接口卡、光学镜组、EC10环境补偿器、分析软件等。激光器的波长为0.633m，采用PCM10接口卡与计算机进行数据传输。系统的EC10环境补偿器，用于测量温度、气压、相对湿度这三个关键的环境参数，并把数据传送到PCM10接口控制单元，以补偿波长的综合变化。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 图3.26 激光干涉仪系统第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 如图3.27所示为测量某加工中心主轴定位精度时的布局。通常是将激光头安装在三角架上，三角架稳定地放置于地面上；干涉镜通过磁性支架安装在机床的固定部件上，一般为主轴或轴座；测量反射镜放置在移动的机床工作台上，干涉镜置于激光器与反射镜之间的光路上。从激光头发出的光在干涉镜处分为两束相干光束，一束光从附加在干涉镜上的反射镜反射回激光头，而另一束要透过干涉镜至反射镜处，再反射回激光头的探测孔，由激光头内检波器监控这两束光的干涉情况。核查软件主显示屏幕左侧的信号表，显示返回信号的强度。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 图3-27 测量布局图第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 本章小结 位置检测装置是数控系统的重要组成部分，主要用来检测位移量，输出位置测量反馈信号。常用的位置检测装置有旋转变压器、旋转编码器、感应同步器、光栅、磁栅、激光干涉仪等。 数控位置检测装置可以分为直线型和回转型两大类型。根据测量基准不同，可分为绝对式和增量式；根据检测元件输出信号不同，可分为数字式和模拟式。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 旋转变压器是位置检测用微电机，结构上与两相线绕式异步电动机相似，由定子和转子组成，定子绕组为变压器的原边，转子绕组为变压器的副边。根据变压器原理，将机械转角变换成电信号。 绝对值式旋转编码盘是根据二进制编码原理工作的，有光电式、接触式和电磁式三种类型。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 光栅尺和旋转编码器都是利用两个光栅相互重叠时形成的莫尔条纹现象，制成的光电式位移测量装置。光栅尺是一种直线位移测量装置，用来测量直线位移量，一般安装在机床工作台上；旋转编码器是一种回转式位置测量装置，用来测量角位移量，一般安装在电机或丝杠轴端。 莫尔条纹具有放大作用、平均效应和信号变换作用，并且莫尔条纹的移动与刻线的移动成正比例，从而根据莫尔条纹移动的数目，可以计算出光栅尺移动的距离，根据莫尔条纹移动方向判断移动部件的运动方向。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 感应同步器是利用两个平面印刷电路绕组的电磁感应原理制成的位移测量装置。这两个绕组类似变压器的原边绕组和副边绕组，所以又称为平面变压器。根据励磁绕组中励磁供电方式的不同，感应同步器可分为鉴相工作方式和鉴幅工作方式。 磁栅（磁尺）是根据磁带录音机原理进行工作的。录音机的磁头式动态磁头，磁栅的磁头采用静态磁头。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 激光干涉仪是一种高分辨率、高精度的位置检测装置。有单频激光干涉仪和双频激光干涉仪。单频激光干涉仪是根据光的干涉原理进行工作的，双频激光干涉仪是利用光的干涉原理和多普勒效应产生频差的原理来进行位置检测的。双频激光干涉仪具有受环境影响小，调整简单，无零点漂移等优点。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 习题33.1 位置检测装置的主要作用是什么？3.2 简述旋转变压器的结构、原理。3.2 简述增量式和绝对式旋转编码器的结构、原理。3.3 简述光栅尺的组成结构。说明莫尔条纹的特点。第第3章章 数控位置检测装置数控位置检测装置 3.4 简述感应同步器的组成结构和工作原理。3.5 简述磁栅测量装置的组成结构。3.6 拾磁磁头分为哪几种？哪一种适用于位置检测？为什么？3.7 单频激光干涉仪与双频激光干涉仪的基本原理分别是什么？3.8 双频激光干涉仪与单频激光干涉仪比较有何优点？3.9 什么是鉴相工作方式，什么是鉴幅工作方式？