、数控机床检测装置

暗带 亮带
b
a B
b
a
倍频电路（倍频器）的作用：提高光栅传感器的检测精度（灵敏度）
［增设倍频电路的原因：主要是光学玻璃上刻制线纹的数目有限；实际应用中， 一般结合采用倍频电路来扩大光栅传感器输出脉冲的个数］
例如：一光栅传感器，倍频前，莫尔条纹变化一周（产生1个正弦波信 号），光栅传感器输出1个脉冲，主光栅与指示光栅移动1个栅距；
光学玻璃
a
W
主光栅和指示光栅线纹的栅距相同。
条纹密度有：25、50、100、250线/mm
主光栅
条纹密度越高，检测精度越高;
光栅副
指示光栅
光栅尺按装时，主光栅和扫描头：一个按装在固定部件上，另一 个就按装在机床的移动部件上；
光栅传感器的作用：当伺服电机通过丝杠带动工作台移动时，主 光栅和扫描头发生相对位移，扫描头开始读数，并将工作台移动 的实际位移量转换为电脉冲的信号，反馈给CNC，形成位置闭环控 制。
第2章 数控机床的检测装置
路增保
本章主要介绍3个内容： §1.光栅传感器（结构及控制原理） §2.光电编码器（结构及控制原理） §3.光电编码器在数控机床中的应用
§1.光栅传感器
光栅传感器（光栅尺）是一种高精度的直线位移传感器；
组成：照明系统、光栅副 （主光栅和指示光栅）、光电 接收元件及信号处理电路。
2.绝对式旋转编码器 特点：有断电记忆功能（CNC断电再上
电，能读出坐标轴的位置）
增量式旋转编码器
码盘
码盘结构：在玻璃圆 盘上镀上一层金属薄 膜，上刻有伞状线纹。
节距
α
组成：1.转轴（与电机或丝杠同轴相连） 增量式光电编码器结构图 2.光源（LED和透镜） 3.光栏板（辨别转轴的旋转方向及位置和速度信号） 4.零标志槽（产生坐标轴回参考点的零脉冲信号） 5.光敏元件（将光强信号转换为电信号） 6.码盘（盘上刻有间距相等的伞形密集条纹，用于产生脉冲信号） 7.印刷电路板即信号处理电路（包括放大、整形、鉴相、倍频） 8.接线座【编码器的工作电源（DC5V）及输出信号接口】
光电编码器的工作原理：
正弦波的电压信号
光源 透镜
节距 α
光栏板
码盘 光敏元件 放大整形
计数器（P的个数，反映 码盘转过的角度）
电路 脉冲 CNC （位置反馈）
n 转轴
输出
光电编码器工作的示意图 F/V 驱动器 （速度反馈）
工作原理：电机（或丝杠）带动码盘转动。光源经透镜聚焦，照在 光栏板上，当光栏板上的条纹和码盘上的条纹重合时（二者条纹节 距相同），透射过来的光线照在光敏元件上。码盘每转过一个节距， 照在光敏元件上的光强信号发生一次明暗的变化（类似正弦波变 化），则光敏元件就输出一个正弦波的电信号，经放大、整形成 一个脉冲信号输出。码盘连续转动，脉冲信号就连续输出；
主光栅
扫描头（指示光栅） 电缆
CNC
光
（主光栅）
栅Байду номын сангаас
短 光栅副 长
检
红色：主光栅；
测 装
其余：扫描头；
置
的
信号处理电路
组
成
扫描头内包含有照明系统、指示光栅、光电接收元件及信号处 理电路。
光栅：在透明的光学玻璃上刻制平行且间距相等的密集线纹，利 用光的透射现象形成光栅。
b
条纹
放大
a :刻线宽度 b :相邻两刻线间隙的宽度 w :光栅的栅距 w=a+b
光源照在光电元件上时，其输出的电信号： A 、A的信号相位差为 180°，B、B的信号相位差为180°；
●当A组脉冲信号的波形超前B组90°，电机正转；
●当A组脉冲信号的波形滞后B组90°，电机反转； 下图为A、B两组条纹产生的脉冲信号的波形
A
A
A信号 A
A
B信号
B B
B B
90°
CNC是通过识别
电机正转
90° 电机反转
A信号和B信号的相位差来判别电机的旋转方向；
C信号脉冲信号的频率来判断电机的旋转速度（转速）； A或B信号脉冲信号的个数来判断电机的旋转角度（角位移）；
★光电编码器的测量精度取决于码盘上相邻两条纹的夹角α（分辨
角， α越小，测量精度越高），
分辨角表达式：α

360 条纹数
例：若码盘条纹线数为1024，既1024P/r 则α=360°/1024=0.352°
旋转方向的判别：
光栏板上有A、B两组条纹（A 、A为一组，B、B为一组，如图）；A、B 两组条纹位置彼此错开1/4节距（即A组与B组信号相位差为90°）。当
主光栅

莫尔条纹形成的原理：主光栅和指示
W
光栅叠加，一面光源照射，另一面就 指示光栅
形成忽明忽暗的光强信号-----莫尔条 b
纹。
当二者发生相对位移时，同一栅距
a
内的光强信号呈现忽明忽暗的变化。 b
光栅读数：通过光电元件读取莫尔条
a
纹光强信号的强弱变化转换为电信号
（移动一个栅距，输出一正弦波电信
号)
下图为光栅传感器的结构图 正弦波的电压信号
主光栅
（硅光电池）
鉴相、倍频电路
指示光栅
控制原理：光源产生的光线，经透镜折射成水平光线照在光栅副上，在 指示光栅的反面形成均匀的或明或暗的条纹光线（莫尔条纹），照在光 敏元件上，光敏元件输出abcd四个光电信号；
当机床的移动部件带动主光栅或指示光栅移动时，莫尔条纹的光强信号 发生类似与正弦规律的变化，照在光敏元件上，输出的abcd四个光电信 号也类似正弦波的变化（ac、bd各为一组差动信号，信号弱，若长距离传递， 易被干扰信号淹没），经放大器放大，整形器整形成脉冲信号，再经鉴相、 倍频电路，输出正反向脉冲信号送给计数器。脉冲的个数反映的就是主 光栅和指示光栅之间移动的相对位移量。脉冲的频率反映主、指光栅移 动的速度，正反向脉冲的相位差反映主、指光栅移动的方向；
主、指光栅移动方向的判别原理：
a c
●若ac信号相位超前bd信号90°时，
方向为正，电机正转；
b d
●若ac信号相位迟后bd信号90°时， 方向为负，电机反转；
90°
§2.光电编码器
是一种旋转式测量装置
增量式光电编码器结构图
安装的部位：伺服电机的尾部或丝杠的轴端； 作用：将电机或丝杠的转角转换为电脉冲（每转一个分辨角输出一脉冲） 类型： 1.增量式旋转编码器 特点：无断电记忆功能；
若4倍频，莫尔条纹变化一周，输出4个脉冲；即每输出1个脉冲，主、 指光栅移动1/4个栅距；
鉴相电路的作用：判别主、指光栅移动的方向；
下图为4个光电元件输出的电信号ac、bd经放大、整形后输出的TTL 方波信号（ac、bd各为一对差动信号，即a与c相位差为180°，b与d相位差
为180°；但ac与bd 相位差为90°）