数控技术及应用5

第五章 数控机床位置传感器件

易考内容及题型

一、光栅位置检测装置（P92）

位置传感器件主要分为以下三类：直线或角位移传感器、模拟或数字

位移传感器和绝对、半绝对或增量位移传感器。

光栅位移检测装置包括三大部分：

1、光栅传感器：光栅传感器是一种将位移信号装换为相应电信号的装置。这部分功能主要由光栅光学系统、相应的机械结构以及初级信号处理与驱动电路来完成的。光栅传感器又可看成由主光栅和光栅读数头组成。

2、光栅倍频器：为光栅传感器供电并对其输出信号进行辨向和细分等处理的电子装置。

3、光栅数显表：给光栅倍频器供电、对其输出进行记数病装换成位移量以及显示和输出位移量。光栅数显表最主要的作用是显示位移测量的结果。

应试提示：易考题型为单项选择题、填空题。（P94）

二、莫尔条纹（P95）

1、 莫尔条纹的组成

栅距相同的主光栅和指示光栅叠放在一起，中间留有间隙d，且两者栅线错开一个很小的角度θ，这样便会产生与栅线接近于垂直的明暗相间的横向条纹，两条暗带或两条亮带之间的距离称为莫尔条纹的间距B，设光栅的栅距为W，则由于两块光栅刻线之间的夹角很小，有：

B=W/θ

2、 莫尔条纹特点

莫尔条纹的移动量，移动方向与光栅尺的位移量，位移方向具有对应关系；莫尔条纹的间距对光栅栅距具有放大作用；莫尔条纹对光栅栅距局部误差具有误差平均作用。

3、 莫尔条纹测量位移的原理

用光栅的莫尔条纹测量位移时，当两块光栅有相对移动时，可以观察到莫尔条纹光强的变化。设初始位置为接收亮带信号，随着光栅移动，由亮进入稍暗，然后半亮半暗，全暗，半暗半亮，稍暗全亮，这就是说光栅移动一个栅距，莫尔条纹的变化经历了一个周期，即移动了一个条纹间距。光栅移动一个栅距，莫尔条纹也移动一个条纹间距。电压输出按正弦函数周期变化，通过电路整形处理，变成脉冲输出，脉冲数和条纹数与移过的栅距数一一对应。因此位移量为：

X=NW

式中N——条纹数；

W——栅距。

据此可以测得运动部件的位移量。

应试提示：易考题型为单项选择题、填空题。（P95）

三、光栅传感器的信号处理技术（97）

1、 辨别位移方向的原理

由于位移量是有方向性的，因此希望当物体正向移动时，将得到时脉冲数累加；反向移动时就从已累加的脉冲数中减去反向移动所得到的脉冲数。为了实现这一设想，在相距1/4B的位置上设置两个光栅件1和2.这样便得到两个相位差90的正弦信号u1和u2。然后送入辨向电路中，其工作原理解释如下。设测量正向位移时，光电元件1的输出电压u1比光电元件2的输出电压u2超前90相角，u1，u2经整形放大后得到两个方波信号u1’和u1’’，u1’’是u1’反向后得到的方波信号。对u1’’和u1’分别进行微分，得到u1w’和u1w’’。由于u1w’处于高电平时，u2’总是处于低电平，因而与门的输出y1为零；而u1w’’处于高电平时，u2’也处于高电平，因而与门有信号y2输出，该信号对应于移过的摩尔条纹数。将两个与门的输出信号y2和y送人触发器，就得到可逆计数器的技术方向控制信号。当y2不为零时，触发器输出的计数方向控制信号使可逆计数器对时钟信号做加法计数。时钟信号就是y1，y2的“或”，并经过适当延时。这样，便可把正向位移量记录下来。

测量反向位移时，u2超前u190°相角，与正向移动时情况相反。

2、 细分技术

所谓细分技术：就是在英尔条纹变化一周期时，不只是输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，以提高分辨率。

应试提示：易考题型为单项选择题、填空题和分析题。（P97）

四、光栅传感器的安装及注意事项（P99）

一般讲主尺安装在机床或设备的动板上，读数头固定在机床身上，也

可以将读数头固定在动板上，而主尺安装在床身上。安装时注意切削液和油液的溅落方向。

注意事项：

1、 读数头输出插头与数显表插拔时应关闭电源。

2、 光栅传感器安装好后应尽可能外加保护罩，并及时清理溅落在尺上或保护罩上的切削和油液，严格防止任何异物进入壳体内部。

3、 严禁剧烈震动和摔打光栅传感器，以免主栅尺（玻璃制品）碎裂，造成传感器损坏。

4、 定期检查各安装联接螺钉是否松动，建议用内六角螺钉。

5、 防止大量油污及水污染光栅尺面，以免损坏栅线，造成光栅传感器失败。

6、 传感器的安装应远离浊源，热源。

7、 每隔一年用乙醚、乙醇混合液（各50%）洗涤光栅尺面，保持光栅尺面清洁。

8、 严禁自行拆开光栅内部，否则可能造成光栅传感器的失效。

9、 光栅尺安装完毕后，一定要在机床导轨上安装限位装置，防止工作台移动超过光栅尺长度撞坏读数头，另外在购买光栅尺时应尽可能选用其测量长度大于工作台最大行程的规格。

五、脉冲发生器（101）

循环码盘

直接二进制码盘虽然简单，但是对码盘的制作和安装要求很严格，否则容易出错比如四位二进制码盘，当电刷由7（0111）8（1000）过渡时，若电刷进入导电区的先后有差别就可能出现0~15之间的任一十制数，出错的几率多，且误差的绝对值亦较大。为了解决这一问题通常采用的方法是应用循环码盘。循环码盘的特点是相邻的两组数码之间只有一位是变化的。因此，即使制作和安装不很准确，产生的误差也不可能超过码盘自身的分辨率。

应试提示：易考题型为单项选择题、填空题和分析题。（P101）

六、感应同步器（P101）

感应同步器的工作原理

无论是长、圆型感应同步器的基本工作原理是一样的，都是基于电磁感应现象。当励磁绕组用一定频率的正弦电压励磁时，将产生同频率的交变磁通，感应绕组与这个交变磁通耦合，感应出同频率的交变电动势，当滑吃上的正弦绕组S和定尺上的绕组位置重合时耦合进通最大，感应电动势也最大；当滑尺继续移动时，感应电动势逐渐减小，当移到1/4节距位置处，感应电动势为零；继续移动到半个节距时，可得到负的最大感应电动势；在3/4节距处又变为零；移动到一个节距点后，感应电动势的变化又重复上述过程，显然感应电动势随着滑尺相对于定尺的移动而周期性变化。

应试提示：易考题型为单项选择题、填空题和分析题。（P104）

七、其他位置检测元件（P111）

（1） 旋转变压器。

（2） 磁棚。

应试提示：易考题型为单项选择题、填空题。（P111）

【典型例题分析】

例1 和感应同步器、磁棚等相比，光栅传感器的主要不足之处是【 】 A、测量精度低 B、成本高 C、抗干扰能力差 D、测量长度小 【答案】B

例2 如果光栅位移传感器的光栅尺每毫米刻线100条，指示光栅和主光栅错开θ=0.001rad，则莫尔条纹的间距为【 】A、2.5mm

B、5mm C、10mm D、20mm 【答案】C

例3 有单个码盘组成的绝对脉冲发生器所测的角位移范围为【 】

A、0~90° B、0~180° C、0~270° D、0~360°【答案】D

例4 直线感应同步器定尺上是【 】A、正弦绕组 B、余弦绕组 C、连续绕组

D、分段绕组 【答案】C

例5 用光栅位置传感器测量机床位移，若光栅栅距为0.01mm，莫尔条纹移动数为1000个，若不采用细分技术则机床位移量为【 】A、0.1mm B、1mm C、10mm D、100mm【答案】C

例6 用直线感应同步器和数字显示系统测量位移，要求最大测量速度Vmax=9m/min，当脉冲当量q=0.01mm，顾磁频率f【 】

A、>=15Hz B、>=90Hz C、>=900Hz D、>=15KHz【答案】D

例7 直线感应同步器类型有【 】A、标准型、窄型、带型和长型

B、非标准型、窄型、带型和三重型 C、非标准型、窄型、带型、和宽型 D、标准型、窄型、带型和三重型【答案】D

例8 用光栅传感器侧直线位移时，为了辨别移动方向，在莫尔条纹间距B内，相距设置两个光电元件，两光电元件输出电压信号的相位差是【 】A、30° B、60° C、90° D、180°【答案】C

例9 绝对式脉冲发生器的单个码盘上有8条码道，则其分辨率约为【 】A、1.10°

B、1.41° C、1.30° D、180°【答案】B

例10 感应同步器信号处理采用鉴幅型时，滑尺上正弦绕组和余弦绕组的励磁信号分别是【 】A、Umsinwt和Umcoswt B、U1sinwt和U2sinwt（U1≠U2） C、Umsinwt和Umsinwt D、U1sinwt和U2coswt（U1≠U2）【答案】B

例11 为了辨别磁尺与磁头的移动方向，通常利用两组磁头，它们彼此相距（其中m为正整数，p为磁尺节距）【 】A、（m+1/4）p B、（m+1/2）p C、（m+1）p

D、（m+1/3）p【答案】A

例12 直线感应同步器滑尺的正弦和余弦绕组在空间错开的角度为【 】A、π/6 B、π/3 C、π/2 D、π【答案】C

例13 一增量式脉冲发生器，其单次脉冲的典型脉冲宽度（周期）为5微秒，其最高允许测量转速为4000转/分，则该脉冲发生器每转输出脉冲数为【 】A、5000

B、4000 C、3000 D、2000【答案】C

例14 若数控机床的脉冲当量δ=0.05mm，快进时步进电动机的工作频率f=2500Hz，则快速进给速度v为【 】A、2m/min B、3m/min C、5m/min D、7.5m/min【答案】D

例15 光栅利用_____，使得它能测得比栅距还小的位移量。【 】A、莫尔条纹的作用 B、数显表 C、细分技术 D、高分辨指示光栅【答案】C

例16 一增量式脉冲发生器每转输出脉冲数为5000，如果单次脉冲的脉冲宽度不能小于6微秒，则该脉冲发生器最高允许的转速为【 】A、1000转/分 B、2000转/分 C、4000转/分 D、120000转/分【答案】B

例17 磁栅传感器由_____、磁头和检测电路组成。【答案】磁尺

例18 光栅倍频器是对光栅输出信号进行_____和细分等处理的电子装置。【答案】辨向

例19 光栅传感器如果需要按如图5-1所示安装，则必须增加_____。

【答案】辅助密封装置

例20 以鉴幅型感应同步器为例，简述其位移测量原理。【答案】（1）在滑尺上两相绕组分别以同频、同相但幅值不相等的交流信号：u1=Umsinφsinwt；uc=Umcosφsinwt （2）感应同步器的感应电动势幅值随定、滑尺的相对位移而变化，因此通过测量幅值可以测量位移，这就是鉴幅型的工作原理。

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一、单项选择题

1、 如果光栅位移传感器的光栅尺每毫米刻线100条，指示光栅和主光栅错开θ=0.002rad，则莫尔条纹的间距为【 】A、2.5mm

B、5mm C、10mm D、20mm

2、 当感应同步器采用鉴相型工作方式时，滑尺上的两相激磁信号分别是【 】A、Umsinwt和Umcoswt B、U1sinwt和U2sinwt（U1≠U2） C、U1sinwt和U2coswt（U1≠U2） D、Umsinwt和Umcosw2t（w1≠w2）