数控机床常用检测装置分析

旋转变压器——抗干扰能力强、工作可靠、结构简单、 动作灵敏、信号输出幅度大，对环境无特殊要求，维护方便， 应用广泛。
脉冲编码盘——工作可靠、精度高，结构紧凑、成本低， 是精密数字控制和伺服系统中常用的角位移数字式检测元 器件，但抗污染能力差，易损坏。
激光干涉仪——精度很高，但抗震性、抗干扰能力差， 价格较贵，应用较少。
原理 1）指示光栅与标尺光栅刻度等宽。 2）平行装配，且无摩擦 3）两尺条纹之间有一定夹角 4）当指示光栅与标尺光栅相对运动时，会产生与光栅线 垂直的横向的条纹，该条纹为莫尔条纹，当移动一个栅 距时，摩尔条纹也移动一个纹距
标尺光栅
θ
莫尔条纹
应用较多的干涉条纹式光栅，是利用光的 衍射现象产生莫尔干涉条纹。当两片光栅 互相平行，其刻线相互成一小角度θ时， 两光栅有相对运动就会生明暗相间的干涉 条纹，将光源来的光经透镜变成平行光， 垂直照射在光栅上，经狭缝s和透镜由光 电元件接受，即可得到与位移成比例的电 信号。
第三章 数控机床的位置检测
第三章 数控机床的位置检测
本章主要介绍数控机床的位置检测装置
提 作用及分类，讲解光栅尺和脉冲编码器
的结构、工作原理及其应用。
要 学时：2学时
第三章 数控机床的位置检测
目
了解数控机床的位置检测装置作用及类型。
掌握光栅和脉冲编码器的结构特点、工作原理
标
及应用。
第三章 数控机床的位置检测
建
学生学习本章节，可结合数控中心的 数控机床来了解光栅和脉冲编码器和
等位置检测装置的结构特点、工作原
议
理。
第一节 概 述
一、位置检测装置的要求
位置检测装置是NC机床重要组成部分，在闭环系 统中其主要作用是检测位移量，并发出反馈信号与数 控装置的指令信号比较，如有偏差，经放大后控制执 行部件，使其朝消除偏差方向运动，直至偏差为零。

专用检具，常用规格： 方体或长方体，通常三块 度误差或者平面度误差等
80mm*400mm和
为一组，对面工作面互相
100mm*500mm
平行，相邻工作面互相垂
直，用于机床调整水平
表1-3 常用检具
续
7）方筒
8）数控车床主轴用莫氏 锥柄检验棒
9）数控车床用长检验棒
检验坐标轴线的直线度或 者垂直度误差
检验数控车床主轴和尾座 部件的跳动及同轴度误差
表1-1 常用工具的实物和功能
1）活扳手
2）呆扳手
3）梅花扳手
开口宽度可以调节，能紧固或 松开一定尺寸范围内的六角头或 方头螺栓、螺钉和螺母
GB/T 4440-2008活扳手
4）内六角扳手
双头呆扳手用于紧固、拆卸两种 尺寸的六角头、方头螺栓和螺母 GB/T 4393-2008呆扳手、梅花 扳手、两用扳手 技术规范
（1）综合桥板 如图1-1所示，综合桥板用于数 控车床几何精度检验。
例如检验数控车床主轴跳动误差时，桥板上放置 磁力表座及百分表；检验数控车床导轨精度时， 桥板上放置精密水平仪。
图1-1 综合桥板
（2）激光干涉仪 如图1-2所示，激光干涉仪的主要组成部件有激光头、直线度测量组 件、垂直度测量组件和安装附件等。
检验数控车床主轴和尾 座部件的等高度
、平行度误差
10）铣床或加工中心主 11）磁性钢球（中心处） 12）平盘（飞机胎） 轴用检验棒（带拉钉）
检验数控铣床或加工中心 装入主轴短检验棒的中心 用于数控车床刀架X向移
主轴径向跳动、主轴轴线 孔中，检验主轴轴向窜动 动对主轴轴线的垂直度误
与Z轴轴线的平行度误差
12）铜棒和铝棒
用于夹持或弯折薄形片及金属丝材 ；在较窄小的工作空间夹持工件， 用于夹持小零件和扭转细金属丝

1000
1111
图6-6 a葛莱码盘
08
1 0000 1000
9
0001
1001
3 0011
11 1011
2 0010
1010 10
6 0110
1110 15
7 0111
1111 14
0101
1101
5
0100 1100
13
4 12
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。
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
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。

复合式位置检测装置
结合接触式和非接触式的特点，如激光扫描仪等。特点是 测量范围大、精度高、稳定性好。
数控机床位置检测装置的发展趋势和前景
01
高精度、高稳定性
随着制造业的发展，对数控机床的加工精度要求越来越高，因此位置检
测装置的高精度、高稳定性是未来的发展趋势。
02
智能化、自动化
随着工业4.0的发展，智能化、自动化是未来的发展方向，因此位置检
测装置的智能化、自动化也是未来的发展趋势。
03
多功能、复合化
为了满足复杂加工需求，位置检测装置的多功能、复合化也是未来的发
展趋势。如将长度、角度、表面粗糙度等多参数测量集成于一体，实现
复合化的测量技术。
02
数控机床位置检测装置的工作原理
感应同步器的工作原理及结构
总结词
感应同步器是利用电磁感应原理实现位移测量的装置。
编码器具有体积小、精度高、响 应速度快等优点。
定期检查编码器的电源和信号输 出是否正常，以及与主轴的连接
是否牢固。
若出现故障，应进行检修或更换 编码器。
磁栅尺的维护与检修
01
02
03
04
磁栅尺具有安装方便、价格较 低等优点。
保持磁栅尺的清洁，避免铁屑 、粉尘等杂质的干扰。
定期检查磁栅尺的磁条是否损 坏或脱落，以及信号输出是否
应用案例二：某型数控铣床的位置检测与控制
总结词
该型数控铣床采用了磁栅尺作为位置检测装置，具有高精度、高分辨率、高可靠 性等特点。
详细描述
该数控铣床采用了磁栅尺作为位置检测装置，具有高精度、高分辨率、高可靠性 等特点。磁栅尺通过磁场感应原理，能够实时监测机床的移动量和位置，为数控 系统提供准确的反馈信息，从而实现了高精度的加工和控制。

第四节 光栅测量装置
2.光栅读数头 (1)分光读数头 如图5-15所示，从光源Q发出的光，经过透镜L1照 射到光栅G1和G2上形成莫尔条纹。 (2)垂直入射读数头 这种读数头主要用于每毫米25～125条刻线的 玻璃透射光栅测量装置，如图5-16所示。
图5-15 分光读数头
第四节 光栅测量装置
(3)反射读数头
图5-26 鉴相式测量检测电路框图
2.鉴幅式测量检测电路
第六节 编码器测量装置
一、光电式编码器的结构 光电式编码器是一种光电脉冲发生器，其最初结构就是一种光电 盘。它由光源、聚光镜、光电盘、分度狭缝、光电元件、数模转 换和方向辨别电路及数字显示装置等组成，如所示。
图5-27 光电式编码器测量装置
第六节 编码器测量装置
第五节 磁栅测量装置
图5-20 带状磁尺
第五节 磁栅测量装置
(4)圆形磁尺
图5-22 圆形磁尺
第五节 磁栅测量装置
2.磁头
图5-23 单磁头结构
第五节 磁栅测量装置
图5-24 双磁头结构
第五节 磁栅测量装置
三、磁栅测量装置的工作方式 磁栅测量是模拟测量，必须和检测电路配合才能实施检测。根据检 测方法的不同，磁栅测量可分为鉴相式测量和鉴幅式测量两种工作 方式，其中以鉴相式测量方式应用较多。 1.鉴相式测量检测电路
第一节 位置检测装置概述
2.按检测信号的选取形式不同分类 (1)数字式测量装置 该装置将被测位移量转换为脉冲个数，即数字 形式来表示。 (2)模拟式测量装置 该装置将被测位移量转换为连续变化的模拟电 量来表示，如电压变化、相位变化等，因此可直接对被测量进行检 测，无需量化处理；在小量程内可实现较高精度的测量，可用于直 接测量和间接测量。 3.按测量的绝对值不同分类 (1)增量式测量装置 它只测量相对位移量(位移增量)，即每移动一 个测量单位就发出一个测量信号。 (2)绝对式测量装置 对于被测量的任意点的位置，均由一个固定的 零点计算起，每一被测点都有一个相应的测量值。

控 机 床 上 通 常 使 用 光 电式 脉 冲编 码 器 。 数 控 机 床 的 定 位 精 度 和 加 工 精 度 在 很 （ ） 电 式 脉 冲 编 码 器 】光 大 的 程 度 上 取 决 于 检 测 装 置 的 精 度 。 它 的 光 电 式 脉 冲 编 码 器 可 分 为 增 量 式 脉 冲 作 用 是 检 测 位 移 量 ， 是 将 系 统 发 出 的 指 令 编 码 器 和 绝 对 式 脉 冲 编 码 器 。 信 号 位 置 与 实 际 反 馈 位 置 相 比 较 ， 用 其 差 光 电 脉 冲 编 码 器 是 按 它 每 转 发 出 的 脉 值 去 控 制 进 给 电 动 机 。 在 数 控 伺 服 系 统 冲数 的多 少 来 分 ，有几 种 型 号 ，数控 机 床 中 ，通 常 有两 种 反 馈 系 统 ：一 种 是 速 度 反 最常 用 的脉 冲编 码器 有 ２ ０ ０ ０脉 冲 ／ｒ ，每转 馈 系 统 ， 用 来 测 量 和 控 制 运 动 部 件 的 进 给 脉 冲 位 移 量 ／ ｍｍ 有 ２ ３ ４ ５ ８ ５０脉 冲 ／ ， ， ， ， ；２ ０ ； ａ ｒ ｌ ； ０ ０脉 速 度 ； 另 一种 是 位 置 反 馈 系统 ，用 来 测 量 ｒ 每 转 脉 冲 位 移 量 ／ ｍ 有 ５， ０ ３ ０ 和 控 制 运 动 部 件 的 位 移 量 。 而 实 际 反 馈 位 冲 ／ ，每转 脉 冲 位 移量 ／ｍｍ３ ６ ｌ ｒ ， ， ２。 置 的 采 集 ， 则 是 由 位 置 检 测 装 置 来 完 成 增 量 式 脉 冲 编 码 器 由 光 源 、 光 敏 元 的 。 这 些 检 测 装 置 有 脉 冲 编 码 器 、 旋 转 变 件 、 透 光 狭 缝 、 码 盘 基 片 、 光 桶 板 、 透 明 压 器 、感 应 同步 器 、 光栅 、 接 近 开 关 等 。 镜 、 Ａ／Ｄ 转 换 线 路 及 数 字 显 示 装 置 组 成 。 ２精度检测装置原理简述 绝 对 式 光 电 编 码 器 是 一 种 直 接 编 码 式 的 测 检 测 装 置 种 类 较 多 ， 现 以 绝 对 式 脉 冲 量 元 件 ， 通 过 读 取 编 码 盘 上 的 图 案 确 定 轴 编 码 器 的 接触 式四 位 绝 对 编 码盘 为 例 ，简 的 位 置 没 有 积 累 误 差 。 述 其 工 作 原 理 。 图 ａ是 绝 对 式 光 电编 码 器 （ ） 合 式 绝对 值 编 码 器 ２混 混 合 式 绝 对 值 编 码 器 是 把 增 量 制 码 与 的 结 构 图 。 图 ｂ是 一 个 四 位 二 进 制 编 码 盘 ， 涂 黑 部 分 是 导 电 的 ， 其 余 是 绝 缘 的 ， 码 盘 绝 对 制 码 同做 在 一 码 盘 上 。 圆 盘 的 最 外 圈 上 有 四 条 码 道 。 四 个 码 道 并 排 装 有 四 个 电 是 高 密 度 的 增 量 制 条 纹 ， 中 间 分 布 在 ４ 其 刷 ， 电 刷 经 电 阻 接 到 电 源 正 极 。 码 盘 最 里 圈 圆 环 上 有 ４个 二 进 制 位 循 环 码 ， 每 １ ／４ 面 的 一 圈 是 电 源负 极 （ 图 １ 。 如 ） 圆 由 ４位 二 进 制 循 环 码 分 割 成 ｌ ６个 等 分 位 由 于 制 造 精 度 和 安 装 质 量 或 工 作 过 程 置 。 在 圆 盘 最 里 圈 仍 有 发 一 转 信 号 的 窄 缝 中 意 外 因 素 ， 易 于 引 起 阅 读 错 误 。 为 此 绝 条 。由循 环码读 出的 ４ｘ ｌ ６个位 置 ／转 ，代 对 式 光 电 编 码 盘 大 多 采 用 格 雷 码 编 码 盘 ， 表 了 一 圈 的 粗 计 角 度 检 测 ， 它 和 交 流 伺 服 图 ｃ为 ４位 格 雷 码 盘 。 其 特 点 是 任 何 两 个 相 电 机 ４对 磁 极 的 结 构 相 对 应 ，可 实 现 对 交 邻数 码 间 只有一 位 是变 化 的 ， 这 样 即使制 流 伺 服 电 机 的 磁 场 位 置 进 行 有 效 的 控 制 。 作和 安 装 不 太 准 确 ，产 生 的 误 差 最 多也 只 ３． 其 它检测 装 置 ２ 是 最 低 位 的 一 位 数 。 还 可 消 除 非 单 值 性 误 旋 转 变 压 器 ， 是 一 种 控 制 用 的 微 电 动 差。 机 ， 将 机 械 转 角 变 换 成 与 该 转 角 呈 某 一 函 ３精度检测装 置 数 关 系 的 电 信 号 ， 工 作 原 理 和 普 通 变 压 器 ３． 脉 冲编 码器 检 测装 置 １ 基 本 相 似 。 结 构 简 单 ， 抗 干 扰 能 力 强 ， 工 脉 冲 编 码 器 ， 是 一 种 旋 转 式 脉 冲 发 生 作 可 靠 ， 动 作 灵 敏 ， 对 环 境 没 有 特 殊 要 求 ， 器 ， 能 把 机 械 转 角 变 成 电 脉 冲 。 是 数 控 机 般 用 于 精 度 要 求 不 高 机 床 的 粗 铡 及 中 测 床 上 使 用 最 多 的 角位 移 检 测 传 感 器 。编 码 系 统 。 器 除 了 可 以 测 量 角 位 移 外 ， 还 可 以 通 过 测 感 应 同 步 器 和 旋 转 变 压 器 均 为 电 磁 式 量 光 电 脉 冲 的 频 率 。 经 过 变 换 电 路 也 可 用 检 测 装 嚣 ， 二 者 工 作 原 理 相 同 ， 其 输 出 电 于速 度 检 测 ， 同时 作 为 速 度 检 测 装 置 。 压 随 被 测 直 线 位 移 或 角 位 移 而 改 变 。 主 要 脉 冲 编 码 器 可 分 为 光 电 式 、 接 触 式 和 部 件 包 括 定 尺 和 滑 尺 ， 定 尺 和 滑 尺 分 剐 安 电磁 感 应 式 三 种 。 从 精 度 和 可 靠 性 来 看 ， 装在 机 床 床 身 和 移 动 部件 上 。感 应 同 步 器 光 电 式 较 好 ， 光 电 式 脉 冲 编 码 器 可 以 用 于 角 度 检 测 ， 也 可 用 于 速 度 检 测 。 所 以 在 数

差π/2的交流激磁电压 U1s＝Umsinωt
U1c＝Um（sinωt+π/2）＝Umcosωt 当转子正转时，这两个激磁电压在转子绕组中产生的 感应电压经叠加，得到转子的感应电压U2为
U 2 = kU1s sin + kU1c cos
CNC
5.2 旋转变压器
U2＝kUmsinωtsinθ＋kUmcosωtcosθ
CNC
5.4 光栅
通常意义上讲，光栅按用途分有两大类：
物 理光 栅（衍 射光栅 ）： 200～ 500 条/㎜，栅距 0.002～0.005㎜，主要是利用光的衍射原理，用于 光谱分析和光波波长的测定。
相同但幅值不同。
Vs = Vm sin sin t
Vc = Vm cos sin t
则在定尺绕组产生的总感应电压为
V2 = KVm sin sin t cos KVm cos sin t sin
＝ KV m sin ( )sin t
若电气角α已知，只要测出V2幅值，便能求出与位移对应 的角度θ。实际测量时，不断调整α ，让幅值为零。α 的变化量则代表θ对应的位移量，就可测得机械位移。
激磁
t
U2
输出
t
U 2 = KU m sin t sin
CNC
U 1c
5.2 旋转变压器
使用较广泛的为正余弦旋转变压器
U 1s
U 2 = kU1s sin + kU1c cos
主要内容
定子 1c
1ccos
θ
5° 4
1ssin
R
U 2 转子
1s
CNC
5.2 旋转变压器
1．鉴相工作方式 给定子的两个绕组通以相同幅值、相同频率，但相位

２ １ 机 械 振 荡 （ ／ 速 时） ． 加 减
１ 数 控 机 床 检 测 装 置 的 分 类
数 控 系 统 中 的 检 测 装 置 分 为位 移 、 速 度 和 电流 ３种 类 型 。
在现代 控制系统 中采用数 字计算机 已成 为普遍 的趋 势 ， 连
系统 的离 散化也是必 不可少 的一个 步 根据 安装 的位置 及耦 合方 式 ，可分 为直 接测 量 和间 接测 量 ２ 续控制系统 的数字仿 真 ， 骤。 因此采样控制 系统 的应用是十 分广泛的 。 与连续系统相 比， 种 ； 测 量 方 法 ， 分 为 增 量 式 和 绝 对 式 ３种 ； 检 测 信 号 的 类 按 可 按 （） 型 ， 分 为 模 拟 式 和 数 字 式 ２大 类 ； 据 运 动 形 式 ， 分 为 回 转 采样控 制系 统具 有 以下 ３个优 点 ： １ 数字 元件 同模拟元件 相 可 根 可 稳定 性等 ；２ 受 扰动 的影 响较少 ， 论 （） 无 型和直线型检测 装置 ； 信号 转换的 原理 ， 分为光 电效应 、 按 可 光 比具有 较高 的可靠性 、 在 扰 动 还 是 在 输 入 的 作 用 下 ， 样 控 制 系 统 都 能 在 经 过 几 个 采 采 栅效应 、 电磁 感 应 原 理 、 电效 应 、 阻 效 应 和 磁 阻 效 应 等 检 测 压 压
避 雷 器 由于 能 够 有 效 地 限 制 电 力 系 统 的 过 电压 ， 而 确 保 从 况下对避 雷器进 行测试 ， 就是 在线 测量 ， 过在 线测 量可 以 电 气 设 备 的 正常 运 行 。 雷 器 的 性 能 对 电 力 系 统 的 安 全 可 靠 运 这 通 避 实 时 、 效 地 判 断 避 雷 器 的运 行状 况 。 有 行有着显著 影响 。当避 雷器 的泄漏 电流超标 时 ， 能会 出现避 可