第三讲 数控机床的位置检测装置
第三讲 数控机床的位置检测装置
在这一讲，我们将主要学习 数控机床中位置检测装置所起的作用 数控机床对位置检测装置性能的要求 常用位置检测装置的结构和工作原理
在这一讲，我们将主要学习： ◼ 数控机床中位置检测装置所起的作用 ◼ 数控机床对位置检测装置性能的要求 ◼ 常用位置检测装置的结构和工作原理
一、位置检测装置的作用与要求 位置检测装置是数控系统的重要组成部分，在第二 讲中我们知道：在闭环或半闭环控制的数控机床中，必 须利用位置检测装置把机床运动部件的实际位移量随时 检测出来，与给定的控制值（指令信号）进行比较，从而 控制驱动元件正确运转，使工作台（或刀具）按规定的轨 迹和坐标移动
一、位置检测装置的作用与要求 位置检测装置是数控系统的重要组成部分，在第二 讲中我们知道：在闭环或半闭环控制的数控机床中，必 须利用位置检测装置把机床运动部件的实际位移量随时 检测出来，与给定的控制值(指令信号)进行比较，从而 控制驱动元件正确运转，使工作台(或刀具)按规定的轨 迹和坐标移动
1数控机床对检测装置的基本要求： 1)稳定可靠、抗于扰能力强。 数控机床的工作环 境存在油污、潮湿、灰尘、冲击振动等，检测装置要能 够在这样的恶劣环境下工作稳定，并且受环境温度影响 小，能够抵抗较强的电磁干扰 2)满足精度和速度的要求。为保证数控机床的精 度和效率，检测装置必须具有足够的精度和检测速度， 位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率一个数量 级。 3)安装维护方便、成本低廉。受机床结构和应用 环境的限制，要求位置检测装置体积小巧，便于安装调 试。尽量选用价格低廉，性能价格比高的检测装置 数控机床加工精度，在很大程度上取决于数控机 床位置检测装置的精度，因此，位置检测装置是数控机 床的关键部件之一，它对于提高数控机床的加工精度有 决定性的作用
1.数控机床对检测装置的基本要求： 1）稳定可靠、抗干扰能力强。数控机床的工作环 境存在油污、潮湿、灰尘、冲击振动等，检测装置要能 够在这样的恶劣环境下工作稳定，并且受环境温度影响 小，能够抵抗较强的电磁干扰。 2）满足精度和速度的要求。为保证数控机床的精 度和效率，检测装置必须具有足够的精度和检测速度， 位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率一个数量 级。 3）安装维护方便、成本低廉。受机床结构和应用 环境的限制，要求位置检测装置体积小巧，便于安装调 试。尽量选用价格低廉，性能价格比高的检测装置。 数控机床加工精度，在很大程度上取决于数控机 床位置检测装置的精度，因此，位置检测装置是数控机 床的关键部件之一，它对于提高数控机床的加工精度有 决定性的作用
2位置检测装置的分类 1)按输出信号的形式分类： 数字式： 将被测量以数字形式表示，测量信号一 般为电脉冲。 模拟式： 将被测量以连续变化的物理量来表示 (电压相位/电压幅值变化
2.位置检测装置的分类 1）按输出信号的形式分类： 数字式: 模拟式: 将被测量以数字形式表示，测量信号一 般为电脉冲。 将被测量以连续变化的物理量来表示 （电压相位 / 电压幅值变化）
2)按测量基点的类型分类： 增量式： 只测量位移增量，并用数字脉冲的个数 表示单位位移的数量 o 绝对式： 测量的是被测部件在某一绝对坐 标系中的绝对坐标位置 3)按位置检测元件的运动形式分类： 直线型：测量直线位移 回转型：测量角位移
2）按测量基点的类型分类: 增量式： 绝对式： 只测量位移增量，并用数字脉冲的个数 表示单位位移的数量。 测量的是被测部件在某一绝对坐 标系中的绝对坐标位置。 3）按位置检测元件的运动形式分类： 回转型: 直线型: 测量直线位移 测量角位移
3位置检测装置的主要性能指标 1)精度符合输出量与输入量之间特定函数关 系的准确程度称作精度，数控机床用传感器要满 足高精度和高速实时测量的要求 2)分辨率位置检测装置能检测的最小位置变 化量称作分辨率。分辨率应适应机床精度和伺服 系统的要求。分辨率的高低，对系统的性能和运 行平稳性具有很大的影响。检测装置的分辨率 般按机床加工精度的1/3~1/10选取（也就是 说，位置检测装置的分辨率要高于机床加工精 度)
3.位置检测装置的主要性能指标 1）精度 符合输出量与输入量之间特定函数关 系的准确程度称作精度，数控机床用传感器要满 足高精度和高速实时测量的要求。 2）分辨率 位置检测装置能检测的最小位置变 化量称作分辨率。分辨率应适应机床精度和伺服 系统的要求。分辨率的高低，对系统的性能和运 行平稳性具有很大的影响。检测装置的分辨率一 般按机床加工精度的1／3～1／10选取（也就是 说，位置检测装置的分辨率要高于机床加工精 度）
3.灵敏度 输出信号的变化量相对于输入信号变 化量的比值为灵敏度。实时测量装置不但要灵敏 度高，而且输出、输入关系中各点的灵敏度应该 是一致的 4.迟滞 对某一输入量，传感器的正行程的输出 量与反行程的输出量的不一致，称为迟滞。 数控 伺服系统的传感器要求迟滞小 5测量范围和量程 传感器的测量范围要满足系 统的要求，并留有余地 6零漂与温漂 零漂与温漂是在输入量没有变化 时， 随时间和温度的变化，位置检测装置的输出 量发生了变化。传感器的漂移量是其重要性能标 志，零漂和温漂反映了随时闻和温度的改变，传 感器测量精度的微小变化
3.灵敏度 输出信号的变化量相对于输入信号变 化量的比值为灵敏度。实时测量装置不但要灵敏 度高，而且输出、输入关系中各点的灵敏度应该 是一致的。 4.迟滞 对某一输入量，传感器的正行程的输出 量与反行程的输出量的不一致，称为迟滞。数控 伺服系统的传感器要求迟滞小。 5.测量范围和量程 传感器的测量范围要满足系 统的要求，并留有余地。 6.零漂与温漂 零漂与温漂是在输入量没有变化 时，随时间和温度的变化，位置检测装置的输出 量发生了变化。传感器的漂移量是其重要性能标 志，零漂和温漂反映了随时间和温度的改变，传 感器测量精度的微小变化
旋转编码器 旋转编码器是一种旋转式的角位移检测装置，在数控机 床中得到了广泛的使用。旋转编码器通常安装在被测轴 上，随被测轴一起转动，直接将被测角位移转换成数字 脉冲)信号，所以也称为旋转脉冲编码器，这种测量方 式没有累积误差。旋转编码器也可用来检测转速 按输出信号形式，旋转编码器可以分为增量式和绝对式 两种类型 常用的增量式旋转编码器为增量式光电编码器，其原理 如图51所示
◼ 二、旋转编码器 ◼ 旋转编码器是一种旋转式的角位移检测装置，在数控机 床中得到了广泛的使用。旋转编码器通常安装在被测轴 上，随被测轴一起转动，直接将被测角位移转换成数字 (脉冲)信号，所以也称为旋转脉冲编码器，这种测量方 式没有累积误差。旋转编码器也可用来检测转速。 ◼ 按输出信号形式，旋转编码器可以分为增量式和绝对式 两种类型。 ◼ 常用的增量式旋转编码器为增量式光电编码器，其原理 如图5.1所示
% 信号处理电路 图5.1增量式光电编码器示意原理 ■ 增量式光电编码器检测装置由光源、聚光镜、光栅盘 光栅板、光电管、信号处理电路等组成。光栅盘和光 栅板用玻璃研磨抛光制成，玻璃的表面在真空中镀一 层不透明的铬，然后用照相腐蚀法， 在光栅盘的边缘 上开有间距相等的透光狭缝。在光栅板上制成两条狭 缝，每条狭缝的后面对应安装一个光电管
图5.1 增量式光电编码器示意原理 ◼ 增量式光电编码器检测装置由光源、聚光镜、光栅盘、 光栅板、光电管、信号处理电路等组成。光栅盘和光 栅板用玻璃研磨抛光制成，玻璃的表面在真空中镀一 层不透明的铬，然后用照相腐蚀法，在光栅盘的边缘 上开有间距相等的透光狭缝。在光栅板上制成两条狭 缝，每条狭缝的后面对应安装一个光电管