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1、,第六章 位置检测装置,第一节 概述 第二节 光电编码器 第三节 光 栅 第四节 感应同步器,第一节 概述,一、位置检测装置的作用与要求 位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环、半闭环控制系统中，它的主要作用是检测位移和速度，并发出反馈信号，构成闭环或半闭环控制。 数控机床对位置检测装置的要求如下： （1）工作可靠，抗干扰能力强； （2）满足精度和速度的要求； （3）易于安装，维护方便，成本低。,第一节 概述,二、位置检测装置的分类 位置检测装置按工作条件和测量要求不同，有下面 几种分类方法： （一）绝对式测量和增量式测量 1. 增量式测量 在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式，增量式
2、测量只 测相对位移量，如测量单位为0.001mm，则每移动0.001mm就发 出一个脉冲信号，其优点是测量装置较简单，任何一个对中点都 可以作为测量的起点，而移距是由测量信号计数累加所得，但一 旦计数有误，以后测量所得结果完全错误。,第一节 概述,2. 绝对式测量 绝对式测量装置对于被测量的任意一点位置均由固定的零点 标起，每一个被测点都有一个相应的测量值。测量装置的结构较 增量式复杂，如编码盘中，对应于码盘的每一个角度位置便有一 组二进制位数。显然，分辨精度要求愈高，量程愈大，则所要求 的二进制位数也愈多，结构就愈复杂。 （二）数字式测量和模拟式测量 1. 数字式测量 它是将被测的量以数字形
3、式来表示，测量信号一般为脉冲，可 以直接把它送到数控装置进行比较、处理。信号抗干扰能力强、 处理简单。,第一节 概述,2. 模拟量测量 它是将被测的量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等。它对信号处理的方法相对来说比较复杂。 （三）直接测量和间接测量 1. 直接测量 直接测量是将直线型检测装置安装在移动部件上，用来直接测量工作台的直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，而构成位置闭环控制。其优点是准确性高、可靠性好，缺点是测量装置要和工作台行程等长，所以在大型数控机床上受到一定限制。,第一节 概述,2. 间接测量 它是将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角位移
4、来间接测量机床工作台的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。 优点是测量方便、无长度限制。缺点是测量信号中增加了由回转运动转变为直线运动的传动链误差，从而影响了测量精度。 表6-1 常用位置检测装置,第二节 光电编码器,光电编码器也称脉冲编码器，是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转角变成电脉冲，是数控机床上使用很广泛的位置检测装置。脉冲编码器可分为增量式与绝对式两类。 一、增量式脉冲编码器 增量式脉冲编码器分光电式、接触式和电磁感应式三种。就精度和可靠性来讲，光电式脉冲编码器优于其它两种，它的型号是用脉冲数/转（p/r）来区分，数控机床常用2000、2500、3000p/r等，现在已有每转发
5、10万个脉冲的脉冲编码器。脉冲编码器除用于角度检测外，还可以用于速度检测。,第二节 光电编码器,光电式脉冲编码器通常与电机做在一起，或者安装在电机非轴伸端，电动机可直接与滚珠丝杠相连，或通过减速比为i的减速齿轮，然后与滚珠丝杠相连，那么每一个脉冲对应机床工作台移动的距离可用下式计算： 式中 脉冲当量（mm/脉冲）； S滚珠丝杠的导程（mm）； i减速齿轮的减速比； M脉冲编码器每转的脉冲数（p/r）。,第二节 光电编码器,光电式脉冲编码器，它由光源、聚光镜、光电盘、 圆盘、光电元件和信号处理电路等组成（图6-1）。光电盘是用 玻璃材料研磨抛光制成，玻璃表面在真空中镀上一层不透光的铬， 然后用照
6、相腐蚀法在上面制成向心透光窄缝。透光窄缝在圆周上 等分，其数量从几百条到几千条不等。圆盘也用玻璃材料研磨抛 光制成，其透光窄缝为两条，每一条后面安装有一只光电元件。 光电盘与工作轴连在一起 ，光电盘转动时，每转过一个缝隙就发 生一次光线的明暗变化，光电元件把通过光电盘和圆盘射来的忽 明忽暗的光信号转换为近似正弦波的电信号，经过整形、放大、 和微分处理后，输出脉冲信号。通过记录脉冲的数目，就可以测 出转角。测出脉冲的变化率，即单位时间脉冲的数目，就可以求 出速度。,第二节 光电编码器,图6-1 光电式脉冲编码器结构示意图,第二节 光电编码器,为了判断旋转方向，圆盘的两个窄缝距离彼此错开1/4节距
7、，使两个光电元件输出信号相位差900。如图6-2所示，A、B信号为具有900相位差的正弦波，经放大和整形变为方波A1、B1。 设A相比B相超前时为正方向旋转，则B相超前A相就是负方向旋转，利用A相与B相的相位关系可以判别旋转方向。此外，在光电盘的里圈不透光圆环上还刻有一条透光条纹，用以产生每转一个的零位脉冲信号，它使轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲。,第二节 光电编码器,电流,A B,节距,t,A1,B1,900,图6-2 脉冲编码器输出波形,第二节 光电编码器,在数控机床上，光电脉冲编码器作为位置检测装置，用在数字比较伺服系统中，将位置检测信号反馈给CNC装置。 图6-3所示为辨向环节框图
8、和波形图。脉冲编码器输出的交变信号 经过差分驱动和差分接收进入CNC装置，再经过整形放大电路变成二个方波系列 。将 和它的反向信号 微分（上升沿微分）后得到 和 脉冲系列，作为加、减计数脉冲。 路方波信号被用作加、减计数脉冲的控制信号，正走时（A超前B），由Y2门输出加计数脉冲，此时Y1门输出为低电平（图6-3 ）；反走时（B超前A），由Y1门输出减计数脉冲，此时Y2门输出为低电平。这种读数方式每次反映的都是相对于上一次读数的增量，而不能反映转轴在空间的绝对位置，所以是增量读数法。,第二节 光电编码器,光电脉冲编码器用于数字脉冲比较伺服系统(图6-4) 的工作原理如下：光电脉冲编码器与伺服电机
9、的转轴连接，随着 电机的转动产生脉冲序列，其脉冲的频率将随着转速的快慢而升 降。若工作台静止，指令脉冲和反馈脉冲都为零，两路脉冲送入 数字脉冲比较器中进行比较，结果输出也为零。因伺服电机的速 度给定为零，工作台依然不动。随着指令脉冲的输出，指令脉冲 不为零，在工作台尚未移动之前，反馈脉冲仍为零，比较器输出 指令信号与反馈信号的差值，经放大后，驱动电机带动工作台移 动。电机运转后，光电脉冲编码器将输出反馈脉冲送入比较器， 与指令脉冲进行比较，如果偏差不为零，工作台继续移动，不断 反馈，直到偏差为零，即反馈脉冲数等于指令脉冲数时，工作台 停在指令规定的位置上。,第二节 光电编码器,第二节 光电编码
10、器,图6-3 辨向环节框图和波形图,第二节 光电编码器,图6-4 数字比较伺服系统,第二节 光电编码器,二、绝对式编码器 绝对式编码器是一种旋转式检测装置，可直接把被测转角用数字代码表示出来，且每一个角度位置均有其对应的测量代码，它能表示绝对位置，没有累积误差，电源切除后，位置信息不丢失，仍能读出转动角度。绝对式编码器有光电式、接触式和电磁式三种，以接触式四位绝对编码器为例来说明其工作原理。,第二节 光电编码器,图6-5 四位二进制编码盘,a) b),第二节 光电编码器,如图6-5a所示为二进制码盘。它在一个不导电基体上 作成许多金属区使其导电，其中有剖面线部分为导电区，用“1”表 示；其它部
11、分为绝缘区，用“0”表示。每一径向，由若干同心圆组成 的图案代表了某一绝对计数值，通常，我们把组成编码的各圈称为 码道，码盘最里圈是公用的，它和各码道所有导电部分连在一起， 经电刷和电阻接电源负极。在接触式码盘的每个码道上都装有电刷， 电刷经电阻接到电源正极（图6-5b）。当检测对象带动码盘一起转 动时，电刷和码盘的相对位置发生变化，与电刷串联的电阻将会出 现有电流通过或没有电流通过两种情况。若回路中的电阻上有电流 通过，为“1”；反之，电刷接触的是绝缘区，电阻上无电流通过，为 “0”。如果码盘顺时针转动，就可依次得到按规定编码的数字信号输 出，图示为4位二进制码盘，根据电刷位置得到由“1”和
12、“0”组成的二 进制码，输出为0000、0001、00101111。,第二节 光电编码器,由图6-5可以看出，码道的圈数就是二进制的位数，且高位在内，低位在外。其分辨角360o/24=22.5o，若是n位二进制码盘，就有n圈码道，分辨角360o/2n，码盘位数越大，所能分辨的角度越小，测量精度越高。若要提高分辨力，就必须增多码道，即二进制位数增多。目前接触式码盘一般可以做到9位二进制，光电式码盘可以做到18位二进制。 用二进制代码做的码盘，如果电刷安装不准，会使得个别电刷错位，而出现很大的数值误差。如图6-5a，当电刷由位置0111向1000过渡时，可能会出现从8（1000）到15（1111）
13、之间的读数误差，一般称这种误差为非单值性误差。为消除这种误差，可采用葛莱码(格雷码)盘。,第二节 光电编码器,图6-6 a葛莱码盘,b 四位二进制码盘非单值性误差,第二节 光电编码器,图6-6为葛莱码盘，其各码道的数码不同时改变，任何两个相邻数码间只有一位是变化的，每次只切换一位数，把误差控制在最小范围内。二进制码转换成葛莱码的法则是：将二进制码右移一位并舍去末位的数码，再与二进制数码作不进位加法，结果即为葛莱码。 例如:二进制码1101对应的葛莱码为1011，其演算过程如下： 1101 （二进制码） 1101（不进位相加，舍去末位） 1011 （葛莱码）,第二节 光电编码器,码盘分辨率与码道
14、的圈数n有关，即： 显然，码道的数目越多，分辨率也越高（可分辨的角度越小）。 示例 （P113例） 编码器在数控机床中的应用（自学P114）,第三节 光栅,一、光栅的种类 光栅种类较多。 按用途分为物理光栅和计量光栅，物理光栅通常用于光谱分析和光波波长测定；根据光线在光栅中是透射还是反射分为透射光栅和反射光栅，透射光栅分辨率较反射光栅高，其检测精度可达1m以上；从形状上看，又可分为圆光栅和直线光栅，圆光栅用于测量转角位移，直线光栅用于检测直线位移。两者工作原理基本相似。本节着重介绍一种应用比较广泛的透射式直线光栅。 直线光栅通常包括一长和一短两块配套使用，其中长的称为标尺光栅或长光栅，一般固定
15、在机床移动部件上，要求与行程等长。短的为指示光栅或短光栅，装在机床固定部件上。两光栅尺是刻有均匀密集线纹的透明玻璃片，线纹密度为25、50、100、250条/mm等。线纹之间距离相等，该间距称为栅距，测量时它们相互平行放置，并保持0.050.1mm的间隙。,第三节 光栅,二、工作原理 当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一小角度放置时，两光栅尺上线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠，形成黑色条纹，其它部分为明亮条纹，这种明暗相间的条纹称为莫尔条纹。莫尔条纹与光栅线纹几乎成垂直方向排列。严格地说，是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。莫尔条纹具有如下特点： 1. 放大作用 用B（mm）表示莫尔(黑白)条纹的间距，W(mm)表示栅距， (rad)为光栅线纹之间的夹角，如图6 -7所示则有 莫尔条纹间距B与 角成反比， 越小，B及放大倍数越大。,第三节 光栅,第三节 光栅,第三节 光栅,第三节 光栅,2. 均化误差作用 莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同组成，例如，200条/mm的光栅，10mm宽的光栅就由2000条线纹组成，这样栅距之间的固有相邻误差就被平均化了，消除了栅距之间不均匀造成的误差。 3. 莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例 当光栅尺移动一个栅距W时，莫尔条纹也刚好移动了一个条纹宽度B。只要通
