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1、v机床数控改造的方法？*数显表原理与应用一、数显表概念 二、数显表在机床改造中的应用 三、NEWALL数显与球删尺介绍 四、GS9000 数显表介绍四川工程职业技术学院一、数显表概念 v 数显表是一种用于显示的电子仪表，目前在各行各业均 有应用，因为其显示数据精确而且一目了然，所以在很 多场合下已经代替了 指针式仪表。从我们 家中的电子钟表到工 厂用的显示数据牌， 无论是对时间的把握 还是对产量的控制都 提供了精准的数字显 示，用数字量替换了 模拟量。 v 广义和狭义之分*二、数显表在机床改造中的应用 v数显表的选用原则 机床类型与控制轴数 检测元件类型 控制精度 可靠性 价格 v数显表安装方
2、式：*四川工程职业技术学院v如何安装球栅尺 v 球栅尺的安装是十分简单的，一般是将球栅尺两端用专用支 架固定在机床上。读数头固定在机床的走刀架上，与球栅尺 做相对运动。有时小机床把读数头固定、球栅尺做运动。 v 3米以上的球栅尺（含3米），要在尺的中间加装弹性支架 。一般1.5米距离装一个弹性支架。 v 8米以下的（含8米）球栅尺不用接，8米以上的尺需要接长 。如10米的球栅尺要取两根4.9米的钢管、各在一端内径 车扣。再取0.2米的钢管一根,两端都在外径上车扣。然后它 们都装上等量的钢球拧上即可。 v 安装数显表时要注意尽可能远离机床的电动机。以避免产生 不必要干扰信号。*三、NEWALL数
3、显与球删尺介绍 v Newall公司于1968年成立于英国Peterborough，现 已发展成为施奈德电器集团的一份子，隶属于施奈德CST 事业部（传感器技术事业部）。自成立以来，Newall公 司一直致力于为机械及自动化领域提供定位准确的高可靠 产品，旨在帮助客户不断提高生产力和制造效率。 Newall作为球栅尺及数显表的生产商，其专业产品广受 客户推崇。Newall品牌的数显表，采用领先技术与制造 工艺，专为提高机床生产效率而设计。主要与Newall Spherosyn和Microsyn系列球栅尺配套使用，是非常 可靠的数显系统。*NEWALL数显表型号 v A50 v B60 v C8
4、0 v E70 v E90 v SA100 v TOPAZ-D v DP-900*vNewall球栅尺优势 防护等级IP67 (6 灰尘难以进入，完全防尘。7 浸在深度不超过1 米的水下可防止水进入。) 防尘、防油、防铁屑，能在恶劣环境下工作 无机械磨损 无需日常清理与维护 抗冲击、耐震动 可靠性高*vNewall球栅尺优势v 位置传感器可粗略地被分为两大类，直流型和交流型。光电 式和磁力式传感器就属于直流型，这两类传感器均包含线性 传感器和旋转编码器。交流型传感器要么是电感型，要么是 电容型。旋转器属于电感型角度传感器，而LVDT、感应同 步器和Newall球栅则属于电感型线性传感器。 v
5、交流传感器的信号为含基波分量的交流调制信号，直流传感 器的信号则为直流调制信号。在存在偏置误差、信号漂移和 低频干扰的情况下，直流信号有其致命弱点。 v 偏置误差可通过专门的运算放大器消除，实际上就是将直流 信号先转化为交流信号，消除误差偏置后再转换回直流信号 。而交流传感器内的耦合电路本身就能消除大部分偏置误差 。*v 信号漂移也是让直流传感器头疼的一个问题，尤其是对于光 栅来说，LED光源和太阳电池会不断老化，更容易引起输出 信号的漂移。像Newall球栅这样的传感器，采用电磁感应 的测量方式，是基于系统某些稳定的物理特性，如：线圈圈 数比、磁导率等，这些是不会随时间而改变特性的。 v 低
6、频干扰，尤其是低频电源的干扰，会作用于直流信号，除 非延长系统响应时间，否则很难被排除。交流传感器，是在 某一精确稳定的频率下工作，故可以采用高频和低频滤波器 消除干扰，且不影响系统响应速度。 v Newall球栅曾因其原始球栅距大于光栅距而遭人置疑。但 事实上，对于交流信号而言，通过电细分插补实现高分辨率 ，比直流信号更容易实现。就像旋转编码器能够实现同光电 编码器一样的精度和分辨率，Newall球栅也可以达到与直 线光栅和磁栅一样的高性能。*v球栅尺与微栅尺性能比较*技术参数球栅尺SPHEROSYN微栅尺MICROSYN测量分辨率0.005mm/0.001mm0.001mm/0.0005m
7、m测量准确度(0.01+0.005/m)mm0.005mm最大运行速度2m/sec0.75m/sec有效行程5011684mm(30m)501050mm信号输出Sin/Cos或RS422-TTLSin/Cos或RS422-TTL读数头尺寸54mm131mm28mm 35mm75mm25mm防护等级IP67(IEC529)IP67(IEC529)抗冲击100g(IEC69-2-6)100g(IEC69-2-6)耐振动30g(IEC-2-27)30g(IEC-2-27)热膨胀系数1210-6/K1210-6/Kv球栅尺原理v 球栅采用电磁感应技术，含读数头和尺身两部分。 v 尺身是一根不锈钢管，内
8、装精密的镍镉合金球构成。生产调试时，会对 合金球加载一定的预紧力，使其紧密排列。读数头内封装有线圈组及电 路，测量时，读数头沿尺身滑动。*v 上图显示了读数头内线圈的排列情况。采集线圈共有6组，在一个球栅距内 ，相同绕向的ABCD四个线圈组成一组，鉴于合金球是紧密排列的，相邻的 两个A线圈间距是一定的，即为一个球距。采集线圈之外是激磁线圈。 v 在一个球栅距内，不同位置的合金球切割磁力线的截面积不同，因而磁导率 会成周期性变化。线圈采集到的感应电压，亦随之变化。*v 如图，一个球栅距内，不同位置 的线圈，采集到的ABCD四向感 应信号幅值的变化。同组的四个 线圈，位置需满足一定要求，例 如，当
9、一个感应信号（如A）在 波峰位置时，对应的另一个感应 信号（如C）应在波谷位置。这 对信号经过差分混合产生如图 2b所示的信号（如A-C），这 一中间信号与原始感应信号有一 定相位差。如A-C信号相位超强 45度，而D-B信号的相位则滞 后45度。中间信号再进行滤波 整合，才得到最终输出信号。读 数头沿着尺身滑动时，输出信号 的相位将随其在0度至360度之 间变化。*v 输出信号基波频率为10KHz，峰峰值约为5伏，直流输出电位约为 5伏。在一个球栅距（如每12.7毫米）内，测量出的位置值都是绝 对值。如图就说明了：90度相位差对应的是3.175mm的位移。*v光栅尺原理与应用 v光栅分为物理
10、光栅和计量光栅两大类。检测直线 位移的称为直线光栅，检测角度位移的称为圆光 栅；根据光电元件感光方式不同，可将光栅分为 玻璃透射式光栅和金属反射式光栅。直线玻璃透射式光栅和金属反射式光栅检测装置分 别如图所示。 透射式光栅检测装置反射式光栅检测装置v 玻璃透射式光栅是在透明的光学玻璃表面制成感光涂层或 金属镀膜，经过涂敷，蚀刻等工艺制成间隔相等的透明与 不透明线纹，线纹的间距和宽度相等并与运动方向垂直， 线纹之间的间距称为栅距。常用的线纹密度为25条/ 、50条/、100条/、250条/。条数越多，光栅 的分辨率越高。 v 圆光栅是在玻璃圆盘的圆环端面上，制成透光与不透光相 间的条纹，条纹呈辐
11、射状，相互间的夹角相等。v 直线透射式光栅 v 1. 组成 v 由标尺光栅和光栅读数头两部分组成，光栅读数头包括光 源、透镜、光电元件、指示光栅等。如图9-14所示。 v 标尺光栅和指示光栅也可称为长光栅和短光栅，它们的线 纹密度相等。长光栅可安装在机床的固定部件上（如机床 床身），其长度应等于工作台的全行程；短光栅长度较短 ，随光栅读数头安装在机床的移动部件上。光栅位置检测装置的组成 1光源 2透镜 3标尺光栅4指示光栅 5光电元件v 2. 工作原理 v 在测量时，长短两光栅尺面相互平行地重叠在一起，并保 持0.01至0.1mm的间隙，指示光栅相对标尺光栅在自 身平面内旋转一个微小的角度。当
12、光线平行照射光栅时 ，由于光的透射和衍射效应，在与两光栅线纹夹角的平 分线相垂直的方向上，会出现明暗交替、间隔相等的粗条 纹莫尔条纹，如图所示。莫尔条纹形成原理v 两条暗带或明带之间的距离称为莫尔条纹的间距B，若光 栅的栅距为W，则因为很小，则由此可见，莫尔条纹的间距与光栅的栅距成正比。 莫尔条纹具有如下特点： v 由上式可知，莫尔条纹的间距B是光栅栅距W的1/，由 于很小（小于10），故BW，即莫尔条纹具有放 大作用。例如，当栅距为W=0.01，=0.001rad 时，莫尔条纹的间距B=10。因此，不需要经过复杂 的光学系统，就能把光栅的栅距转换成放大了1000倍的 莫尔条纹的宽度，从而大大
13、简化了电子放大线路，这是光 栅技术独有的特点。v （2）起均化误差作用 v 莫尔条纹由若干线纹组成，若光电元件接受长度为10 ，当W=0.01时， 10宽的莫尔条纹就由1000条 线纹组成，因此，制造上的间距误差（或缺陷），只会影 响千分之几的光电效果。所以，莫尔条纹测量长度时，决 定其精度的不是一条线纹，而是一组线纹的平均效应。v （3）莫尔条纹的变化规律 v 长短两光栅相对移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个条 纹间距B，即光栅某一固定点的光强按明暗明规律交 替变化一次。光电元件只要读出移动的莫尔条纹条纹数， 就知道光栅移动了多少栅距，从而也就知道了运动部件的 准确位移量。3. 光栅的辨向与信
14、号处理v 在移动过程中，经过光栅的光线，其光强呈正（余）弦函 数变化，反映莫尔条纹的移动的光信号由光电元件接收转 换成近似正（余）弦函数的电压信号，然后经信号处理装 置整形、放大及微分处理后，即可输出与检测位移成比例 的脉冲信号。为了既能计数，又能判别工作台移动的方向 ，如图所示的光栅用了4个光电元件。每个光电元件相距 四分之一栅距（W/4）。当指示光栅相对标尺光栅移动 时，莫尔条纹通过各个光电元件的时间不一样，光电元件 的电信号虽然波形一样，但相位相差1/4周期。根据各 光电元件输出信号的相位关系，就可确定指示光栅移动的 方向。v 光栅的特点 v 1. 有很高的检测精度。现在光栅的精度可达微
15、米级，再 经细分电路可以达到0.1微米。 v 2. 响应速度较快，可实现动态测量，易于实现检测及数 据处理的自动化控制。 v 3. 对使用环境要求高，怕油污、灰尘及振动。 v 4. 由于标尺光栅一般较长，故安装、维护困难，成本高 。球栅尺与光栅尺各自优势与特点 （1）光栅尺与球栅尺有什么区别？ v 光栅尺是上世纪70年代的日本产品，它是利用光栅的莫尔条纹和光电 转换技术，在3mm的附法玻璃上镀铬刻1为一道的透明长度尺，然 后把它粘在铝尺上。靠光折射或透射反馈到感应器中进行计量。而铝和 玻璃的膨胀系数不一样，冷热温差大时极易折断。光栅尺的传感器与尺 的连接是敞开式的，极易进水、油、灰尘等。一旦进
16、去这些油、水、灰 尘等光栅尺就基本报废了。整体尺只能为3米，接长较难、精度难保证 。所以光栅尺对环境要求相对较高，安装较复杂、使用寿命短，而且必 须要由专业人员安装才行。 v 球栅尺是国际九十年代产品，原产地为英国。它是利用导磁介质量的变 化实现电磁/磁电转换。球栅尺的尺身是由高等级的进口无缝钢管和若 干个精密钢球密闭组合而成。它由感应器产生的电磁切割钢管中的精密 球，把它分割成2450份而每份为5。由于球栅尺是密闭结构，所以 它最大优点是不怕油、水、灰尘，整体尺可做到8米、拼接可做30米 。而且使用寿命长、安装简单、环境要求低。*v （2）光栅尺的分辨率同球栅尺的分辨率为什么不同？ v 一般光栅分辩率是1，球栅的分辩率是5。但分辩率不等同于精确 度，光栅只是1一显示、而球栅有1一显示的、也有5一显示的 ，它们都采用以mm单位的十进制。由于光栅是累计误差，而球栅 是周期性误差。所以短的光栅尺精度较高，长的球栅尺精度要高
