第五章数控机床的位置检测装置 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，与拾定 的控制值（指令信号）进行比较，从而挖制驱动元件正确运转，使工作台域刀具)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)稳定可露、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， 松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 磁干优。 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半一个数量级。 3)安装雀护方便、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。尽量选用价格低康，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健部件之一，它对于提高数控机床的加工精度有读定性的作用。 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，测量信号一般为电账冲。 慎叔式：将被测量以违续变化的物理量来表示（电压相位/电压隔值变化） 2)按测量基点的类分类 增量式：只测量位移增量，并用数字肤冲的个数表示单位位移的数量。 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： 目转型：测量直线位移 直线型：测量角位移 5、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闻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 第1页共10页
第 1 页 共 10 页 第五章 数控机床的位置检测装置 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）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。 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： 回转型： 测量直线位移 直线型： 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移作分拼率，分讲率应适应机床精度和问服系饶 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 般按机床如工精度的1/3一1/10透取（也就是说，位置检测装置的分辨率要高于机床如工 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植为灵敏度，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)迟滑 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，称为迟带。数控 饲服系统的传感落要求迟滑小。 5)测量范围和量程 传感器的测量范围要端足系统的要求，并留有余地。 6)零漂与温漂 零漂与温潭是在输入量设有变化时，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。零漂和温漂反肤了随时间和温度的改变，传感 器测量精度的微小变化。 二、旋转俯网器 旋转编码器是一种旋转式的角位移检测装置，在数控机味中得到了广泛的使用。靛转编 码器通常安装在按测轴上，随按测轴一起转动，直接将被测角位移转换成数脉冲)信号， 所以也称为旋转跳冲编码器，这种测量方式没有累积误差。旋转编码器也可用来校测转速· 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.」所示。 增量式光电编码器检测禁置由光源、聚光镜、光细盒、光狮板、光电管、信号处理电路 等组成。光桶盘和光檬板用破璃研磨抛光制成，玻璃的表面在真空中镀一层不透明的铬。然 后用现相腐性法，在光栅盘的边峰上开有间距相等的透光集凝。在光栅板上制成两条孩缝， 每条装缝的后面对应安装一个光电管。 当光桶盒随棱测工作轴一起转动时，每转过一个缝隙，光电管就会感受到一次光线的明 暗变化，使光电管的电阻值改变，这样就把光线的明暗变化转变成电信号的强露变化，而这 第2页共10页
第 2 页 共 10 页 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间和温度的改变，传感 器测量精度的微小变化。 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。 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。 当光栅盘随被测工作轴一起转动时，每转过一个缝隙，光电管就会感受到一次光线的明 暗变化，使光电管的电阻值改变，这样就把光线的明暗变化转变成电信号的强弱变化，而这
个电信号的强弱变化近似于正弦被的信号，经过整形和政大等处理，变换成脉冲信号。通过 计数器计量脉冲的数目，即可测定旋转运动的角位移：通过计量味冲的频率，即可测定旋转 运动的转速，测量结果可以通过数字显示装置进行显示或直接输入到数控系统中 增量式光电编码器外形结构见图5.2.实际应用的光电编码器的光摄板上有两组条纹A, A和B、B。A组与B组的条纹被此错开1/4节距，两组条纹相对应的光敏元件所产生的 信号彼此相差90°相位，用于辨向。此外，在光电码盘的里圈里还有一条透光条纹Q零标 志刻线)。用以每转产生一个陈冲，该脉冲信号又称零标志账冲，作为测量基准， 光电编码墨的输出波形如图53所示。通过光栏板两条魏缝的光信号A和B,相位角相 整90°，通过光电管转换并经过信号的放大整形后，成为两相方波信号. 为了判断光相盘转动的方向，可采月图3.4知)的逻辑控制电路将光电管A、B信号（也 就是中的0°及0·信号)放大整形后变成a,b两组方波。a组分成两路。一路直接微 分产生脉冲d,另一组经反相后再微分得到脉冲©：d、e两路脉冲进入与门电路后分别输出 正转林冲f和反转林冲g。b组方波作为与门的控制信号，使光电盒正转时了有脉冲输出， 反转时g有脉输出，这样瓷可判别光电编码器的旋转方向。 光电编码器的测量精度取决于它所能分拼的最小角度，而这与光栅盘圆周的条纹量有 关，即分辨角： 分辨角a-360°/条收 如果数条纹数为1024，则分辨角9=360°1024-0352”， 三、光振 光概是一种高精度的位移传感器，核结构可分为直线光棚和圆光摄，直线光栅用于测量 直线位移，园光桶川米测量角位移。光桶装置在数控设备、坐标撞床、工具显微镜XY工 作台上广泛使用的位置检测装置，光栖主要用于测量运动位移，确定工作台运动方向及确定 工作台运动的速度。图5.8是光栅尺在车床上的安装示意图。 与其他位置检测装置相比，光腰的主要特点如下： 1)检测精度高。直线光相的精度可达3■m,分辨率可达0.1um。 )响应速度较院，可实现动态测量，易于实现检测及数据处理的白动化。 引使用环境要求较高，怕油污、灰尘及振动， 4)安装、推护困难。成本较高。 1、光懦的组成结构和检测原理 光概是一种在透明玻璃上或金属的反光平面上刻上平行、等距的密集刻线，制成的光学 第3页共0真
第 3 页 共 10 页 个电信号的强弱变化近似于正弦波的信号，经过整形和放大等处理，变换成脉冲信号。通过 计数器计量脉冲的数目，即可测定旋转运动的角位移；通过计量脉冲的频率，即可测定旋转 运动的转速，测量结果可以通过数字显示装置进行显示或直接输入到数控系统中 增量式光电编码器外形结构见图 5.2。实际应用的光电编码器的光栅板上有两组条纹 A、 A 和 B、B，A 组与 B 组的条纹彼此错开 1／4 节距，两组条纹相对应的光敏元件所产生的 信号彼此相差 90°相位，用于辨向。此外，在光电码盘的里圈里还有一条透光条纹 C(零标 志刻线)，用以每转产生一个脉冲，该脉冲信号又称零标志脉冲，作为测量基准。 光电编码器的输出波形如图 5.3 所示。通过光栏板两条狭缝的光信号 A 和 B，相位角相 差 90°，通过光电管转换并经过信号的放大整形后，成为两相方波信号。 为了判断光栅盘转动的方向，可采用图 5.4a)的逻辑控制电路,将光电管 A、B 信号（也 就是中的 0°及 90 ° 信号）放大整形后变成 a、b 两组方波。a 组分成两路，一路直接微 分产生脉冲 d，另一组经反相后再微分得到脉冲 e。d、e 两路脉冲进入与门电路后分别输出 正转脉冲 f 和反转脉冲 g。 b 组方波作为与门的控制信号，使光电盘正转时 f 有脉冲输出， 反转时 g 有脉冲输出，这样就可判别光电编码器的旋转方向。 光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与光栅盘圆周的条纹数有 关，即分辨角： 分辨角α=360°/条纹 如果数条纹数为 1024，则分辨角α=360°/1024=0.352°。 三、光 栅 光栅是一种高精度的位移传感器，按结构可分为直线光栅和圆光栅，直线光栅用于测量 直线位移，园光栅用来测量角位移。光栅装置在数控设备、坐标镗床、工具显微镜 X-Y 工 作台上广泛使用的位置检测装置，光栅主要用于测量运动位移，确定工作台运动方向及确定 工作台运动的速度。图 5.8 是光栅尺在车床上的安装示意图。 与其他位置检测装置相比，光栅的主要特点如下： 1) 检测精度高。直线光栅的精度可达 3μm，分辨率可达 0．1μm。 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。 3) 使用环境要求较高，怕油污、灰尘及振动。 4) 安装、维护困难，成本较高。 1、光栅的组成结构和检测原理 光栅是一种在透明玻璃上或金属的反光平面上刻上平行、等距的密集刻线，制成的光学
元件。数控机床上用的光相尺，是利用两个光旺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。 按制造工艺不可分为透射光质和反射光栅，透射光栅是在透明的玻璃表面刻上间隔相 等的不透明的线效制成的，线纹密度可达到每毫米10条以上！反射光懦一般是在金属的反 光平面上刻上平行、等距的密集刻线，利川反射光进行测量，其刻线密度一最为每毫米4~ 50条。 直线透射光栅尺的结构如图5.9所示。由光源、长光（标尺光栅）、短光鼎指示光栅)、 光电元件等组成，一般移动的光桶为短光榻。长光横装在机床的国定部件上。复光麵随工作 台一起移动，长光的有效长度即为测量范围。两块光栅的线密度（即栅距）相等，其相互 平行并保特一定的同障(0.05一0.1mm),并且使两块光栅的刻线相互斜一个微小的角度日。 当光线平行照射光插时，由于光的透射及)射效应，在与线纹垂直的方向上，准确地说， 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。这 就是“莫尔干沙条纹”，简称莫尔条纹。图5.0是莫尔条纹形成的原理图。 当光橱移动一个狮距形时，莫尔条纹也相应移动一莫尔条纹的阿距B,即光幡某一固定 点的光强按明一暗一明规律交替变化一次。因此。光电元件只要读出移动的莫尔条纹数目， 就知道光细移动了多少幅距，从而也就知道了运动部件的准确位移量。 2、测量电路工作原理 为了对真尔条纹的移动计数，并判别工作台移动的方向，在光栅尺的一侧安装上光源， 另一侧安装上4个光饭元件，每个光敏元件相距为四分之一光儒刻线间距(“/4利，如图5.1川 所示。当标尺光橱随机床运动部件移动时 1)照射到光嫩元件上的光线也随着莫尔条纹移动面产生明暗相间的变化，经过光址元件的 “光一电”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 测量账冲输出。波形如图5.1所示。陈冲数等于移动过的刻线数，将该账冲信号送到计数 器中计数，则计数值就反晚了光桶尺移动的距离， 2)每个光敏元件相距为四分之一光师刻线间距(4/4，使输出信号的相位差为90°，通 过过鉴相电路可判别其运动方向。 此外，为了提出高测量精度，常用修频细分法对输出信号进行处理。图52所示为四 倍顾电路，4个光饭元件的安装位置彼此相差1/4插距，（也就是在一个变化周期内，将光 电管由一个增加到四个)这样，产生4列棱此相差90°的信号，为了在0°，0”，10°， 20°的位置上都能得到脉神。必须把两路相差90·的方被各自反相一次。然后再微分， 第4页其10页
第 4 页 共 10 页 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。 按制造工艺不同可分为透射光栅和反射光栅。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，其刻线密度一般为每毫米 4～ 50 条。 直线透射光栅尺的结构如图 5.9 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，一般移动的光栅为短光栅，长光栅装在机床的固定部件上。短光栅随工作 台一起移动，长光栅的有效长度即为测量范围。两块光栅的刻线密度(即栅距)相等，其相互 平行并保持一定的间隙(0.05～0.1 mm)，并且使两块光栅的刻线相互倾斜一个微小的角度θ。 当光线平行照射光栅时，由于光的透射及衍射效应，在与线纹垂直的方向上，准确地说， 在与两光栅线纹夹角θ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，这 就是“莫尔干涉条纹”，简称莫尔条纹。图 5.10 是莫尔条纹形成的原理图。 当光栅移动一个栅距形时，莫尔条纹也相应移动一莫尔条纹的间距 B，即光栅某一固定 点的光强按明一暗一明规律交替变化一次。因此，光电元件只要读出移动的莫尔条纹数目， 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。 2、测量电路工作原理 为了对莫尔条纹的移动计数，并判别工作台移动的方向，在光栅尺的一侧安装上光源， 另一侧安装上 4 个光敏元件，每个光敏元件相距为四分之一光栅刻线间距( ω／4)，如图 5.11 所示。当标尺光栅随机床运动部件移动时 1） 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 “光一电”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 5.11 所示。脉冲数等于移动过的刻线数，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。 2）每个光敏元件相距为四分之一光栅刻线间距(ω ／4)，使输出信号的相位差为 90°，通 过过鉴相电路可判别其运动方向。 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 5.12 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，（也就是在一个变化周期内，将光 电管由一个增加到四个）这样，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个愁冲，从而使分旗率提高4倍。 为了辨别方向，正向运动时，用“与或”门Y田（图512所示）得到A'B+AD'+C D+B”C的4个正向输出脉冲，反向运动时，用“与成”门YH2得到AB”+议C'+CD'+A' D的4个反向输出脉冲，其被形如图5.13所示， 四、旋转变压暴 能转变压墨属于电磁式的位置检测传感器，它将机城转角变换成与该转角呈某一函数关 系的电信号，可用于角位移测量。在结构上与二相线绕式异步电动机相似。由定子和转子组 成。励磁电压接到定子绕组上，转子绕组输出感应电压，输出电压随被测角位移的变化南变 化。 旋转变压墨分为有刷和无剧两种，无刚美转变压器的结构如图5.14所示。 1,工作原理 旋转变压器在结构上保证定子和转子之间空气家内磁通分布符合正弦规律，因此当励磁 电压加到定子绕组上时，通过电磁糯合，转子饶组产生感应电动势，如图5.15)所示。其输 出电压的大小取决于转子的角度位置，即随着转子偏转的角度呈正弦变化。当转子绕组的磁 轴与定子绕组的磁轴位置转动角度为时，绕组中产生的感应电动劳应为： El=nUl Sin 0 =nUmSin w tsin 0 式中：n为变压比 U1为定子的输出电压 Um为定子最大瞬时电压 当转子转到两磁轴平行时，如图5.15)，即●-90°时，转子绕组中感应电动势最大， 即： El-nUmSint 因此，陵转变压器转子绕红输出电压的奶值是严格地按转子偏转角®的正弦规律变化 的，由此可知，只要测量出旋转变压器转子绕组输出电压的隔值，就旋测量出转子偏转角日。 蒙转变压器可单独和滚珠丝杠相连，也可与同服电动机组成一体。旋转变压器结构简单，动 作灵敏。对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰性强，并且工作可靠，因 此，在数控机床上广泛应用。 五、感应同岁器 感应同步器是利用电磁感应原理制成的位移测量装置，按结构和用途可分为直线感应同 步器和圆盘旋转式器应同步墨两类，直线感应同步器用于测量直线位移，圆且旋转式感应同 第5页共10页
第 5 页 共 10 页 就可得到 4 个脉冲，从而使分辨率提高 4 倍。 为了辨别方向，正向运动时，用“与或”门 YHl（图 5.12 所示）得到 A’B+AD’+C’ D+B’C 的 4 个正向输出脉冲；反向运动时，用“与或”门 YH2 得到 AB’+BC’+CD’+A’ D 的 4 个反向输出脉冲。其波形如图 5.13 所示。 四、旋转变压器 旋转变压器属于电磁式的位置检测传感器，它将机械转角变换成与该转角呈某一函数关 系的电信号，可用于角位移测量。在结构上与二相线绕式异步电动机相似，由定子和转子组 成。励磁电压接到定子绕组上，转子绕组输出感应电压，输出电压随被测角位移的变化而变 化。 旋转变压器分为有刷和无刷两种，无刷旋转变压器的结构如图 5.14 所示。 1、工作原理 旋转变压器在结构上保证定子和转子之间空气隙内磁通分布符合正弦规律，因此当励磁 电压加到定子绕组上时，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电动势，如图 5.15a)所示。其输 出电压的大小取决于转子的角度位置，即随着转子偏转的角度呈正弦变化。当转子绕组的磁 轴与定子绕组的磁轴位置转动角度为θ时，绕组中产生的感应电动势应为： El＝nUl Sinθ=nUmSinωtsinθ 式中：n 为变压比； U1 为定子的输出电压 Um 为定子最大瞬时电压 当转子转到两磁轴平行时，如图 5.15a)，即θ=90°时，转子绕组中感应电动势最大， 即： El＝nUmSinωt 因此，旋转变压器转子绕组输出电压的幅值是严格地按转子偏转角θ的正弦规律变化 的，由此可知，只要测量出旋转变压器转子绕组输出电压的幅值，就能测量出转子偏转角θ。 旋转变压器可单独和滚珠丝杠相连，也可与伺服电动机组成一体。旋转变压器结构简单，动 作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰性强，并且工作可靠，因 此，在数控机床上广泛应用。 五、感应同步器 感应同步器是利用电磁感应原理制成的位移测量装置。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，直线感应同步器用于测量直线位移，圆盘旋转式感应同
步器用于测量角位移，两者的工作原理基本相同： 级应同步器具有较高的测量精度和分湖率，工作可靠，抗干扰能力强，使用寿角长。目 前，直线式感应同步器的测量精度可达1.54m,测量分辨率可0.054m,并可测量较大位 移。因此，感应同步器广泛应用于坐标管床、坐标铣味及其他机味的定位：靛转式感应同步 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。 1,感应间零器的结阿 直线式感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，图5T是感应同步署结构示意图。定尺 和滑尺分别安装在机床床身和移动部件上，定尺成滑尺随工作台一起移动，两者平行放置， 保持02~0.3mm阿隙。标准的感应月步器定尺250mm,尺上有一组感应绕组：滑尺长 1O0mm,尺上有两组励磁绕组，一组为正弦陆磁绕组s。一组为余弦场酸绕粗C,绕组的 竹距与定尺绕组节距相同，均为2mm,用τ表示。当正弦励磁饶组与定尺绕组对齐时，余 弦励磁绕组与定尺绕组相差1/4节距。由于定尺绕组是均匀的，因此，滑尺上的两个绕组 在空间位置上相差1/4节距，即2相位角。 感应同步墨在实际应用时，如果核测量的位移长度比定尺长，怎样解决呢？我们可以采 用多块定尺接长，相邻定尺间隔通过调整。使总长度上的累积误差不大于单块定尺的最大偏 差。在行程为儿米到几十米的中重或大型机床中，工作台位移的直线测量大多数采用感应同 步器来实现 2、感应同步器的工作眼理 感应同步器一般当在滑尺的正弦绕组加一组交流电压，产生扇磁，绕组中产生，碱电流， 并产生交变磁通，这个交变磁通与定尺绕组属合，在定尺浇姐上分别感应出同频率的交流电 压 图5.18所示为滑尺在不同位置时定尺上的感应电压。如果滑尺处于图中a点位置， 就是，滑尺绕组与定尺绕组完全对应重合，都么，由电工学知识我门知道：定尺上的够应电 压最大。随着滑尺相对定尺登平行移动，感应电压逐渐减小。当滑尺移动至图中6点位置： 与定尺烧组刚好错开1/4节更时，感应电压为零。再继线移至1/2节更处，即图中©点位 置时，为最大的负值电压（即级应电压的幅值与ǎ点相同极性相反）。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©点，又族复初始状 态，即与需点情况相同。同学们看看图5.18所示的感应电压。从我门刚才的分析可以看出： 是然在定尺和滑尺的相对位移中，感应电压星周期性变化，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。 第6页共10页
第 6 页 共 10 页 步器用于测量角位移，两者的工作原理基本相同。 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 1.5μm，测量分辨率可 0.05μm，并可测量较大位 移。因此，感应同步器广泛应用于坐标镗床、坐标铣床及其他机床的定位；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。 1、感应同步器的结构 直线式感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，图 5.17 是感应同步器结构示意图。定尺 和滑尺分别安装在机床床身和移动部件上，定尺或滑尺随工作台一起移动，两者平行放置， 保持 0.2～0.3mm 间隙。标准的感应同步器定尺 250mm，尺上有一组感应绕组；滑尺长 100mm，尺上有两组励磁绕组，一组为正弦励磁绕组 us，一组为余弦励磁绕组 uc。绕组的 节距与定尺绕组节距相同，均为 2mm，用τ表示。当正弦励磁绕组与定尺绕组对齐时，余 弦励磁绕组与定尺绕组相差 1／4 节距。由于定尺绕组是均匀的，因此，滑尺上的两个绕组 在空间位置上相差 1／4 节距，即 π/2 相位角。 感应同步器在实际应用时，如果被测量的位移长度比定尺长，怎样解决呢？我们可以采 用多块定尺接长，相邻定尺间隔通过调整，使总长度上的累积误差不大于单块定尺的最大偏 差。在行程为几米到几十米的中型或大型机床中，工作台位移的直线测量大多数采用感应同 步器来实现。 2、感应同步器的工作原理 感应同步器一般当在滑尺的正弦绕组加一组交流电压，产生励磁，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。 图 5.18 所示为滑尺在不同位置时定尺上的感应电压。如果滑尺处于图中 a 点位置， 就是，滑尺绕组与定尺绕组完全对应重合，那么，由电工学知识我们知道：定尺上的感应电 压最大。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 1／4 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。同学们看看图 5.18 所示的感应电压，从我们刚才的分析可以看出： 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
问样，若在滑尺的余弦绕组中通以交流历磁电压，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。 3、感应同步器的测量系统 移应问步器作为位置测量装置在数控机床上有两种工作方式：整相式和鉴幅式。 以鉴相式为例在该工作方式下，给滑尺的正弦绕组和余荣烧组分别通上幅值，類率相 同，而相位角相差玉2的交流电压： Us-Umsineit UcmUmcosot 激慰信号将在空间产生一个以仙为频率移动的电愁波，磁场切副定尺导线。并在其中感 应出电动劳，该电动势随着定尺与滑尺位置的不同而产生超前或滞后的相位差日。根据滑尺 在定尺上的感应电压关系，分别在定尺绕上得到感应电势为： U0s=KUms1n●tG0s0 Uoc-一K Umcosut sin0 根据叠加原理可以直接求出感应电动势： UO=K Umsinot cos 0-K Umcosot sin 8 K Umsin (t-8 式中，Um为扇遥电压幅值(V: w为由磁电压角频率(rad/s射 K为比例常数，其值与绕组间最大互感叛数有关： ·为滑尺相对定尺在空间的相位角。 设感应同步器的节距为：，测量滑尺直线位移量x和相位差日之何的关系为02： 由此可知，在一个节距内·与x是一一对应的，通过测量定尺级应电动势的相位差8， 即可测量出滑尺相对于定尺的位移x。 例如。定尺感应电动势与滑尺卧磁电动势之间的相位角8=18·，在节距1=2mm的情 况下，表明滑尺移动了01mm 数控机床闭环系统采用签相型系统时，其结构如图519所示。误差信号△日（也就是 指令相位日1与实际相位82之差)△日用米控制数控机床的问服驱动机构，使机床向清 除误差的方向运动，构成位置反镜。指令相位1，由数控装置发出，机宋工作时，由于定 尺和滑尺之阿产生了相对运动，使定尺上感应电压的相位发生了变化，实际值为日2。当年1 ≠日2时。即感应同步器的实际位移与CNC装置给定指令位置不相同，利用相位差作为饲 服驱动机构的控制信号，控制执行机构带动工作台向减小误差的方向移动，直至△●=0才 第7页其10页
第 7 页 共 10 页 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。 3、感应同步器的测量系统 感应同步器作为位置测量装置在数控机床上有两种工作方式：鉴相式和鉴幅式。 以鉴相式为例 在该工作方式下，给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通上幅值、频率相 同，而相位角相差 π/2 的交流电压： Us=Umsinωt Uc=Umcosωt 激磁信号将在空间产生一个以ω为频率移动的电磁波。磁场切割定尺导线，并在其中感 应出电动势，该电动势随着定尺与滑尺位置的不同而产生超前或滞后的相位差θ。根据滑尺 在定尺上的感应电压关系，分别在定尺绕组上得到感应电势为： U0s＝K Umsinωt cosθ Uoc= －K Umcosωt sinθ 根据叠加原理可以直接求出感应电动势： U0＝K Umsinωt cosθ－K Umcosωt sinθ＝ K Umsin（ωt－θ） 式中，Um 为励磁电压幅值(V)； ω为励磁电压角频率(rad／s)； K 为比例常数，其值与绕组间最大互感系数有关； θ为滑尺相对定尺在空间的相位角。 设感应同步器的节距为τ，测量滑尺直线位移量 x 和相位差θ之间的关系为 θ=2πx /τ 由此可知，在一个节距内θ与 x 是一一对应的，通过测量定尺感应电动势的相位差θ， 即可测量出滑尺相对于定尺的位移 x。 例如，定尺感应电动势与滑尺励磁电动势之间的相位角θ=18°，在节距τ=2mm 的情 况下，表明滑尺移动了 0.1mm。 数控机床闭环系统采用鉴相型系统时，其结构如图 5.19 所示。误差信号△θ（也就是 指令相位θ1 与实际相位θ2 之差 ） △θ用来控制数控机床的伺服驱动机构，使机床向清 除误差的方向运动，构成位置反馈。指令相位θ1，由数控装置发出，机床工作时，由于定 尺和滑尺之间产生了相对运动，使定尺上感应电压的相位发生了变化，实际值为θ2。当θ1 ≠θ2 时，即感应同步器的实际位移与 CNC 装置给定指令位置不相同，利用相位差作为伺 服驱动机构的控制信号，控制执行机构带动工作台向减小误差的方向移动，直至△θ=0 才
停止，这时，工作台的位置正好移动到数控装置指定的位置， 六、示例 1,增量式光电编码器眼理示意如图所示，试分析其进行角度测量的理。并回答为什么要 用两个光电管进行光信号检测？ 位号处师电尽 答：当光电盘随被测工作轴一起转动时，每转过一个结限，光电管就会感受到一次光线的明 暗变化，使光电管的电阻值改变，这样就把光线的明暗变化转变成电信号的强钢变化，而这 个电信号的强弱变化近似于正弦波的信号，经过整彩和放大等处理，变换成脉冲信号。通过 计数器计量脉冲的数目，即可测定旋转运动的角位移。 用两个光电管进行光信号检测，是为了使光傲元件产生两组电信号，该信号俊此相差0 相位，用于辨向。 2、常用位置检测装置是如何进行分类的？ 答：根暴位置检测装置安装形式和测量方式，数控机味测量方式可按以下几种方式分类： ①绝对式和增量式按检测量的测量基准。可分为绝对式和增量式测量 绝对式位置检测是：每个被测点的位置都从一个固定的零点算起。 增量式位置检测是：只测位移增量，每校测到位置移动一个基本单位时，输出一个脉冲 波，通过脉冲计数便可得到位移量。 ②直接测量和间接测量按被测量和所用检测元件的位置关系，可分为直接测量和间接 测量。 若位置检测技置所测量的对象就是被测量本身，叫做直接测量。采用安装在电机或丝杠 拍喝的回转型检测元件间接测量机床直线位移的检测方法，叫做间接测量。 3、位置检测装置常用的性修指标有露些？ 答：位置检测装置安装在何服驱动系统中，由于所测量的各种物理量是不断变化的，因此传 感器的测量输出必须能准确、快速地跟随并反暖这些被测量的变化。位置检测装置的主要性 能指标包括如下儿项内容。 第8页共10页
第 8 页 共 10 页 停止，这时，工作台的位置正好移动到数控装置指定的位置。 六、示例 1、增量式光电编码器原理示意如图所示，试分析其进行角度测量的原理。并回答为什么要 用两个光电管进行光信号检测？ 答：当光电盘随被测工作轴一起转动时，每转过一个缝隙，光电管就会感受到一次光线的明 暗变化，使光电管的电阻值改变，这样就把光线的明暗变化转变成电信号的强弱变化，而这 个电信号的强弱变化近似于正弦波的信号，经过整形和放大等处理，变换成脉冲信号。通过 计数器计量脉冲的数目，即可测定旋转运动的角位移。 用两个光电管进行光信号检测，是为了使光敏元件产生两组电信号，该信号彼此相差 90° 相位，用于辨向。 2、常用位置检测装置是如何进行分类的？ 答：根据位置检测装置安装形式和测量方式, 数控机床测量方式可按以下几种方式分类： ① 绝对式和增量式 按检测量的测量基准，可分为绝对式和增量式测量 绝对式位置检测是：每个被测点的位置都从一个固定的零点算起。 增量式位置检测是：只测位移增量，每检测到位置移动一个基本单位时，输出一个脉冲 波，通过脉冲计数便可得到位移量。 ② 直接测量和间接测量 按被测量和所用检测元件的位置关系，可分为直接测量和间接 测量。 若位置检测装置所测量的对象就是被测量本身，叫做直接测量。采用安装在电机或丝杠 轴端的回转型检测元件间接测量机床直线位移的检测方法，叫做间接测量。 3、位置检测装置常用的性能指标有哪些？ 答：位置检测装置安装在伺服驱动系统中，由于所测量的各种物理量是不断变化的，因此传 感器的测量输出必须能准确、快速地跟随并反映这些被测量的变化。位置检测装置的主要性 能指标包括如下几项内容
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 感器要清足高精度和高速实时测量的要求。数控机床加工精度，在很大程度上取决于数控机 床位置检测技置的精度。 ②分湖率位置检测装置能检测的最小位置变化量称作分舞率。分讲率应适应机床精 度和间服系统的要求。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。一般按 机床加工精度的1/3一1/10选取检测装置的分辨率。 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 不阻要灵敏度高，而且输出，输入关系中各点的灵敏度应该是一致的： 4、试渊述旋转编码器的工作原理， 答：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，随按测轴一起转动，直接将核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，这种测量方式设有累积误差。靛转编码器也可用来检测转速。 i68 00 图52增量式光电编码器外形结构图 当光电盘随被测工作轴一起转动时，每转过一个缝像，光电管就会感受到一次光线的明暗变 化，使光电管的电阳阻值改变，这样域把光线的明暗变化转变成电信号的强弱变化，而这个电 信号的强雨变化近似于正弦波的信号，经过整形和放大等处理，变换成林冲信号。通过计数 器计量账冲的数目，即可测定旋转运动的角位移；通过计量脉冲的顿率，即可测定旋转运动 的转速。测量结果可以通过数字显示装置选行显示成直接输入到数控系统中。 增量式光电编码器外形结构见图52.实际应用的光电编码器的光栏板上有两组条纹A、 A和B、B,A组与B组的条纹搜此错开1/4节距，两组条纹相对应的光敏元件所产生的 信号彼此相差0”相位，用于裤向。 此外。在光电码盘的里圈里还有一条透光条纹C零标志刻线)，用以每转产生一个 脉冲，该脉神信号又称零标志脉冲。作为测量基准。 第9页共10页
第 9 页 共 10 页 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。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。 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。一般按 机床加工精度的 1／3～1／10 选取检测装置的分辨率。 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、试阐述旋转编码器的工作原理。 答： 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。 图 5.2 增量式光电编码器外形结构图 当光电盘随被测工作轴一起转动时，每转过一个缝隙，光电管就会感受到一次光线的明暗变 化，使光电管的电阻值改变，这样就把光线的明暗变化转变成电信号的强弱变化，而这个电 信号的强弱变化近似于正弦波的信号，经过整形和放大等处理，变换成脉冲信号。通过计数 器计量脉冲的数目，即可测定旋转运动的角位移；通过计量脉冲的频率，即可测定旋转运动 的转速，测量结果可以通过数字显示装置进行显示或直接输入到数控系统中。 增量式光电编码器外形结构见图 5.2。实际应用的光电编码器的光栏板上有两组条纹 A、 A 和 B、B，A 组与 B 组的条纹彼此错开 1／4 节距，两组条纹相对应的光敏元件所产生的 信号彼此相差 90°相位，用于辨向。 此外，在光电码盘的里圈里还有一条透光条纹 C(零标 志刻线)，用以每转产生一个 脉冲，该脉冲信号又称零标志脉冲，作为测量基准
5,位置检测装置在数控机床控制中的主要作用是什么？ 答：位置检测装置是数控系统的重要组成部分，在闭环或华闭环控制的数控机床中，必缓利 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）适 行比较。从而控制更动元件正确运转，使工作台（成刀具）按规定的轨迹和坐标移动。 6、何谓绝对式测量和增量式测量，间接测量和直接测量？ 答：绝对式位置检测是：每个按测点的位置都从一个因定的零点算起：增量式位置检测是 只测位移增量，每检测到位置移动一个基本单位时，输出一个脉冲波或正弦波，通过脉冲计 数梗可得到位移量。 位置检测装置所测量的树象就是被测量本身，叫做直接测量，采用安装在电机或住杠轴端的 回转香检测元件间接测量机床直线位移的检测方法，叫做间接测量。 第10项共10页
第 10 页 共 10 页 5、位置检测装置在数控机床控制中的主要作用是什么? 答：位置检测装置是数控系统的重要组成部分，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。 6、何谓绝对式测量和增量式测量，间接测量和直接测量? 答：绝对式位置检测是：每个被测点的位置都从一个固定的零点算起；增量式位置检测是： 只测位移增量，每检测到位置移动一个基本单位时，输出一个脉冲波或正弦波，通过脉冲计 数便可得到位移量。 位置检测装置所测量的对象就是被测量本身，叫做直接测量。采用安装在电机或丝杠轴端的 回转型检测元件间接测量机床直线位移的检测方法，叫做间接测量