数控机床常用检测装置

Us = (Um cosα)sin wt Uc = (Um sinα)sin wt
Es = KUs sin(90o −θ ) = KUm sinα sin wt cosθ 感应电势： 感应电势： Ec = KUc sin(−θ ) = −KUm cosα cos wt sinθ
S1 Us C2 Uc S2
光电转换原理。 光电转换原理。
莫尔条纹
P— 栅距 W— 莫尔条纹宽度
3.莫尔条纹性质 3.莫尔条纹性质
i）平行光照射光栅时，莫尔条纹由亮带到暗带，再由暗带 平行光照射光栅时，莫尔条纹由亮带到暗带， 到亮带透过的光强度分布近似于余弦函数。 到亮带透过的光强度分布近似于余弦函数。 ii）放大作用： （Ｗ＝P/sinθ） ii）放大作用： （Ｗ＝P/sinθ P/sin iii）均化误差作用 iii）
五.光栅 光栅
位置检测装置． 位置检测装置．将机械位移或者模拟量转变为数字脉 反馈给数控装置，实现闭环控制． 冲，反馈给数控装置，实现闭环控制．
1.结构和种类 1.结构和种类
包括： 包括： 标尺光栅: 标尺光栅:固定在机床活动部件上 指示光栅: 指示光栅:安装在读数头内
光栅读数头示意图
2.原理 2.原理
1. 结构
利用互感原理工作
在结构上与二相线绕式异 步电动机相似， 步电动机相似，由定子和 转子组成。 转子组成。
间接测量角位移
2.基本工作原理 2.基本工作原理
Us
Us = Um sin ω t
S1
S2
U B = KU s sin θ = KU m sin θ sin ω t
θ B2
B1
Z
按工作方式分为鉴相式和鉴幅式
四. 绝对值编码器

图4-7 永磁直流伺服电动机
第4章 数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统 工作原理：假设是单三拍通电工作方式。 （1）A 相通电时，定子A 相的五个小齿和转子对 齐。此时，B 相和 A 相空间差120，含 1 120/9 = 13 齿 3 2 A 相和 C 相差240，含240/ 9 = 26 个 3 齿。所以，A 相的转子、定子的五个小齿对 齐时，B 相、C 相不能对齐，B相的转子、 定子相差 1/3 个齿（3），C相的转子、定 子相差2/3个齿（6）。
mz2 k
式中：n —转速（r/min）； f —控制脉冲频率，即每秒输入步进电动机的脉冲数； 由上式可知：工作台移动的速度由指令脉冲的频率所控制。
第4章 数控机床伺服系统 特点：
(1)来一个脉冲，转一个步距角。
(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。
(3)改变脉冲顺序，改变方向。
种类：
有励磁式和反应式两种。两种的区别在于励磁式步进电机的转 子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。
第4章 数控机床伺服系统
计算机数控系统 机床 I/O 电路和装置 操作面板 键盘 输入输出 设备 机 床
PLC
计算机 数 装 控 置
主轴伺服单元
主轴驱动装置
进给伺服单元 测量装置
进给驱动装置
主进辅 运给助 传控 动 动制 机机机 构构构
数控机床的组成
第4章 数控机床伺服系统
第4章
数控机床伺服系统
第4章 数控机床伺服系统
360o s mz2 k
第4章 数控机床伺服系统
每个步距角对应工作台一个位移值，这个位移值称为脉 冲当量。 因此，只要控制指令脉冲的数量即可控制工作台移动的 位移量。步距角越小，它所达到的位置精度越高，因此实际 使用的步进电动机一般都有较小的步距角。 步进电动机的转速公式为：n 60 f

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

当给定电气角为α时，交流激磁电压的幅值分 别为 Usm＝Umsinα
Ucm＝Umcosα
CNC
6.2 旋转变压器
转子正转时，U1s、U1c经叠加，转子感应电压U2为： U2＝kUmsinαsi主n要ω内ts容inθ＋k Umcosαsinωtcosθ
＝kUmcos（α－θ）sinωt 转子反转时，同理有：
就间接地测量了丝杠的直线位移（导程）的大小。
要检测工作台的绝对位置，需加一台绝对位置计数器， 累计所走的导程数，折算成位移总长度。
转子每转1周时，转子的输出电压将随旋转变压器的 极数不同而不止一次地通过零点，需加相敏检波器来 辨别转换点和区别不同的转向。
CNC
6.3 感应同步器
感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置，属
多极对：增加定主子要内容 或转子极对数，使 电气转角为机械转 角的倍数，用于高 精度绝对式检测。
双极对：定子和转 子上各有两对相互 垂直的磁极，检测 精度较高，数控机 床中应用普遍。
CNC
6.2 旋转变压器
旋转变压器转子轴与电机轴或丝杠连接在一起，实 现电机轴或丝杠转角的测量。
主要内容
单极对：转子经精密齿轮升速后再与电机轴相联， 根据丝杠导程选用齿轮升速比（升速比通常为1:2、 1:3、1:4、2:3、1:5、2:5等），以保证机床的脉冲当 量与输入设定的单位相同。
U2＝ nUm sinωt sinθ
CNC
6.2 旋转变压器
单极型旋转变压器的定子和转子各有一对磁极， 假设加到定子绕组的励磁电压为U1，则转子通过 电磁耦合，产主生要内感容应电势U2。
U1 U m sin t
U 2 nU1 nU m sin t sin
Um—激磁电压幅值

旋转编码器是一种旋转式测量装置, 旋转编码器是一种旋转式测量装置,通常安装在被测 轴上,随被测轴一起转动, 轴上,随被测轴一起转动,可将被测轴的角位移转换 成增量脉冲形式或绝对式的代码形式, 成增量脉冲形式或绝对式的代码形式,所以有增量式 和绝对式两种类型.按其结构又可分为光电式, 和绝对式两种类型.按其结构又可分为光电式,接触 式和电磁感应式. 式和电磁感应式.
图9-2 增量式光电编码器结构示意图
输出波形如图9-3所示. 输出波形如图 所示. 所示
图9-3 增量式光电编码器输出波形
当光电码盘正转时, 信号超前 信号90° 信号超前B信号 当光电码盘正转时,A信号超前 信号 °,当光电 码盘反转时, 信号超前 信号90° 信号超前A信号 码盘反转时,B信号超前 信号 °,数控系统正是利用 这一相位关系来判断方向的. 这一相位关系来判断方向的. 光电编码器的输出信号A, 光电编码器的输出信号 ,和B,为差动信号.差 ,为差动信号. 动信号大大提高了传输的抗干扰能力.在数控系统中, 动信号大大提高了传输的抗干扰能力.在数控系统中, 常对上述信号进行倍频处理,以进一步提高分辨率. 常对上述信号进行倍频处理,以进一步提高分辨率. 此外,在光电码盘的里圈还有一条透光条纹C, 此外,在光电码盘的里圈还有一条透光条纹 ,用以 每转产生一个脉冲, 每转产生一个脉冲,该脉冲信号又称一转信号或零标 志脉冲,作为测量基准. 志脉冲,作为测量基准.
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9-12和图 和图9-13所示. 所示. 和图 所示
图9-12 透射式光栅检测装置
图9-13 反射式光栅检测装置
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, 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, 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. 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 密度为 条 ㎜ 条㎜ 条㎜ 条㎜ 数越多,光栅的分辨率越高. 数越多,光栅的分辨率越高. 圆光栅是在玻璃圆盘的圆环端面上, 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,条纹呈辐射状,相互间的夹角相等. 光相间的条纹,条纹呈辐射状,相互间的夹角相等.