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11．位置检测装置的要求位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环系统中，它的主要作用是检测位移量，并发出反馈信号与数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件，使其向着消除偏差的方向运动，直至偏差等于零为止。数控机床对位置检测装置的要求如下：1）受温度、湿度的影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗干扰能力强。2）在机床执行部件移动范围内，能满足精度和速度的要求。3）使用维护方便，适应机床工作环境。4）成本低。5.7.1概述：第5章数控机床的驱动与位置控制22．位置检测装置的分类按工作条件和测量要求不同，可采用不同的测量方式。（1）按输出信号的形式分类：数字式测量和模拟式测量（2）按测量基点的类型分类：增量式测量和绝对式测量（3）按位置检测元件的运动形式分类：回转型和直线型（4）按位置检测元件的安装位置分类：直接测量和间接测量5.7.1概述：第7章数控机床的驱动与位置控制3常用位置检测装置分类表数字式模拟式增量式绝对式增量式绝对式回转式脉冲编码盘圆光栅绝对式脉冲编码盘旋转变压器圆感应同步器圆磁尺三速圆感应同步器直线式直线光栅激光干涉仪多通道透射光栅直线感应同步器磁尺三速感应同步器绝对磁尺5.7.1概述：第5章数控机床的驱动与位置控制4脉冲编码器是一种光学式位置检测元件，用以测量轴的旋转角度位置和速度变化，其输出信号为电脉冲。在数控机床上属间接测量，它通常与驱动电动机同轴安装，驱动电动机可以通过齿轮箱或同步齿形带驱动丝杠，也可以直接驱动丝杠。脉冲编码器检测方式的特点是：1）检测方式是非接触式的，无摩擦和磨损，驱动力矩小。2）由于光电变换器性能的提高，可得到较快的响应速度。3）由于照像腐蚀技术的提高，可以制造高分辨率、高精度的光电盘，母盘制作后，复制很方便，且成本低。4）抗污染能力差，容易损坏。5.7.2脉冲编码器第5章数控机床的驱动与位置控制5脉冲编码器按码盘的读取方式可分为光电式、接触式和电磁式。就精度与可靠性来讲，光电式脉冲编码器优于其它两种。数控机床上使用光电式脉冲编码器。5.7.2脉冲编码器按照编码化的方式，可分为增量式和绝对值式两种。第5章数控机床的驱动与位置控制61.增量式编码器：5.7.2脉冲编码器增量式脉冲编码器分光电式、接触式和电磁感应式三种。就精度和可靠性来讲，光电式脉冲编码器优于其它两种，它的型号是用脉冲数/转（p/r）来区分，数控机床常用2000、2500、3000p/r等，现在已有每转发10万个脉冲的脉冲编码器。脉冲编码器除用于角度检测外，还可以用于速度检测。第5章数控机床的驱动与位置控制7进给伺服电动机联轴器滚珠丝杠编码器81.增量式编码器：5.7.2脉冲编码器光电式脉冲编码器通常与电机做在一起，或者安装在电机非轴伸端，电动机可直接与滚珠丝杠相连，或通过减速比为i的减速齿轮，然后与滚珠丝杠相连，那么每个脉冲对应机床工作台移动的距离可用下式计算：iMS＝—脉冲当量（mm/脉冲）；S—滚珠丝杠的导程（mm）；i—减速齿轮的减速比；M—脉冲编码器每转的脉冲数（p/r）。第5章数控机床的驱动与位置控制9abz码盘基片透镜光源光敏元件透光狭缝光栅板节距τAABBZZm+τ/4信号处理装置1.增量式编码器：（亦称光电码盘、光电脉冲发生器等）。5.7.2脉冲编码器光电脉冲编码器结构及工作原理第5章数控机床的驱动与位置控制10第5章数控机床的驱动与位置控制转轴码盘及狭缝光敏元件批示光栅及辨向用的A、B狭缝光源ABC零位标志11节距ＡＢA1B1900从光栏板上两条狭缝中检测的信号A和B，是具有90°相位差的两个正弦波，这组信号经放大器放大与整形，输出波形如图所示。5.7.2脉冲编码器第5章数控机床的驱动与位置控制125.7.2脉冲编码器在脉冲编码器还有一条透光条纹C，用以产生基准脉冲，又称零点脉冲，它是轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲。如数控车床切削螺纹时，可将这种脉冲当作车刀进刀点和退刀点的信号使用，以保证切削螺纹不会乱牙。也可用于高速旋转的转数计数或加工中心等数控机床上的主轴准停信号。AB90°Z……码盘转一圈第5章数控机床的驱动与位置控制13２.绝对值式编码器：增量式编码器的缺点是有可能发生由于噪声或其它外界干扰产生的计数错误；因停电、刀具破损而停机，事故排除后不能再找到事故前执行部件的正确位置。采用绝对值式编码器可以克服这些缺点。绝对值式编码器是在码盘的每一转角位置刻有表示该位置的唯一代码，因此称为绝对码盘。5.7.2脉冲编码器第5章数控机床的驱动与位置控制14２.绝对值式编码器：5.7.2脉冲编码器绝对值式编码器结构及工作原理23222120第5章数控机床的驱动与位置控制15２.绝对值式编码器：5.7.2脉冲编码器图中黑表示为“1”，白表示为“0”，四个码道都装有电刷，由于四个码道产生四位二进制数，码盘每转一周产生0000～1111十六个二进制数，因此将码盘圆周分成十六等份。当码盘旋转时，四个电刷依次输出十六个二进制编码0000～1111，编码代表实际角位移，码盘分辨率与码道多少有关，n位码道角盘分辨率为：目前接触式码盘一般可以做到9位二进制，光电式码盘可以做到18位二进制。n2/360第5章数控机床的驱动与位置控制16２.绝对值式编码器：5.7.2脉冲编码器二进制编码器主要缺点是码盘盘上的图案变化较大，在使用中容易产生较多的误读。例如:当电刷由位置0111向1000过渡时，可能会出现从8（1000）到15（1111）之间的读数误差，一般称这种误差为非单值性误差。为消除这种误差，可采用葛莱码盘。它的特点是每相邻十进制数之间只有一位二进制码不同。因此，图案的切换只用一位数（二进制的位）进行。所以能把误读控制在一个数单位之内，提高了可靠性。第5章数控机床的驱动与位置控制17２.绝对值式编码器：5.7.2脉冲编码器二进制码格雷码（循环码、葛莱码）第5章数控机床的驱动与位置控制18２.绝对值式编码器：5.7.2脉冲编码器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。例如，二进制码1101对应的葛莱码为1011，其演算过程如下：1101（二进制码）1101（不进位相加，舍去末位）1011（葛莱码）第5章数控机床的驱动与位置控制19光栅是闭环伺服系统中使用较多的一种光学测量元件，用以测量长度、角度、速度、加速度、振动和爬行等。5.7.3光栅1．光栅的种类（1）直线光栅1）透射光栅：在玻璃的表面上制成透明与不透明间隔相等的线纹。2）反射光栅：在钢直尺或不锈钢带的镜面上用照相腐蚀工艺制作光栅，或用钻石刀直接刻划制作光栅线纹。透射光栅信号幅值大，信噪比好，刻纹密度大，一般每毫米100、200、250条刻纹。反射光栅的线膨胀系数可做到和机床一致，接长方便，线纹密度一般为每毫米4、10、25、40或50条。（2）圆光栅第5章数控机床的驱动与位置控制202．直线透射光栅的组成及工作原理5.7.3光栅光栅位置检测装置由光源、长光栅（标尺光栅）、短光栅（指示光栅）、光电接收元件等组成。指示光栅与标尺光栅刻度等宽。第5章数控机床的驱动与位置控制212．直线透射光栅的组成及工作原理5.7.3光栅VS312431245光栅的结构1-防护垫2-光栅读数头3-标尺光栅4-防护罩光栅读数头1-光源2-准直镜3-指示光栅4-光敏元件5-驱动线路光栅读数头由光源，透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成，是一个单独的部件。第5章数控机床的驱动与位置控制222．直线透射光栅的组成及工作原理5.7.3光栅长、短光栅保持一定间隙（0.05～0.1mm）重叠在一起，并在自身的平面内转一个很小角度θ。在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠，形成黑色条纹，其它部分为明亮条纹，这种明暗相间的条纹称为莫尔条纹。VSθWBBθ第5章数控机床的驱动与位置控制232．直线透射光栅的组成及工作原理5.7.3光栅长光栅安装在机床固定部件上，长度相当于工作台移动的全行程，短光栅则固定在机床移动部件上。第5章数控机床的驱动与位置控制242．直线透射光栅的组成及工作原理5.7.3光栅莫尔条纹与光栅线纹几乎成垂直方向排列。严格地说，是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。当移动一个栅距时，摩尔条纹也移动一个纹距。VSθWBBθ第5章数控机床的驱动与位置控制252．直线透射光栅的组成及工作原理5.7.3光栅莫尔条纹具有如下特点：1）放大作用：当交角θ很小时，栅距W和莫尔条纹节距B（单位：mm）有下列关系：B=W/θ莫尔条纹的节距为光栅栅距的l/θ倍。例如W=0.01,θ=0.001rad，得B=10mm，放大1000。因此，不需要经过复杂的光学系统，便将光栅的栅距放大了1000倍，从而大大减化了电子放大线路，这是光栅技术独有的特点。第5章数控机床的驱动与位置控制262．直线透射光栅的组成及工作原理5.7.3光栅莫尔条纹具有如下特点：2）平均效应：莫尔条纹是由若干线纹组成，例如每毫米100线的光栅，10mm长的莫尔条纹，等亮带由2000根刻线交叉形成。因而对个别栅线的间距误差（或缺陷）就平均化了，这在很大程度上消除了短周期误差的影响。因此莫尔条纹的节距误差就取决于光栅刻线的平均误差。第5章数控机床的驱动与位置控制272．直线透射光栅的组成及工作原理5.7.3光栅莫尔条纹具有如下特点：3）莫尔条纹的移动规律：莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例，当光栅向左或向右移动一个栅距W，莫尔条纹也相应地向上或向下准确地移动一个节距B。只要通过光电元件测出莫尔条纹的数目，就可知道光栅移动了多少个栅距，工作台移动的距离可以计算出来。由于光的衍射与干涉作用，莫尔条纹的变化规律近似正（余）弦函数，变化周期数与两光栅相对移过的栅距数同步。第5章数控机床的驱动与位置控制283．直线光栅检测装置的辩向5.7.3光栅当光栅移动一个栅距，莫尔条纹便移动一个条纹宽度，假定我们开辟一个小窗口来观察莫尔条纹的变化情况，就会发现它在移动一个栅距期间明暗变化了一个周期，理论上光栅亮度变化是一个三角波形，但由于漏光和不能达到最大亮度，被削顶削底后而近似一个正弦波。硅光电池将近似正弦波的光强信号变为同频率的电压信号，经光栅位移—数字变换电路放大、整形、微分输出脉冲。每产生一个脉冲，就代表移动了一个栅距那么大的位移，通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离。光栅的实际亮度变化光栅的输出波形图第5章数控机床的驱动与位置控制293．直线光栅检测装置的辩向5.7.3光栅采用一个光电元件即只开一个窗口观察，只能计数，却无法判断移动方向。因为无论莫尔条纹上移或下移，从一固定位置看其明暗变化是相同的。为了确定运动方向，至少要放置两个光电元件，两者相距1/4莫尔条纹宽度。当光栅移动时，莫尔条纹通过两个光电元件的时间不同，所以两个光电元件所获得的电信号虽然波形相同，但相位相差900。根据两光电元件输出信号的超前和滞后，可以确定标尺光栅移动方向。第5章数控机床的驱动与位置控制304．直线光栅检测装置的细分5.7.3光栅增加线纹密度，能提高光栅检测装置的精度，但制造较困难，成本高。在实际应用中，既要提高测量精度，同时又能达到自动辨向的目的，通常采用倍频或细分的方法来提高光栅的分辨精度，如果在莫尔条纹的宽度内，放置四个光电元件，每隔1/4光栅栅距产生一个脉冲，一个脉冲代表移动了1/4栅距那么大位移，分辨精度可提高四倍，这就是四倍频方案。第5章数控机床的驱动与位置控制314．直线光栅检测装置的细分5.7.3光栅四倍频方案第5章数控机床的驱动与位置控制32图中的P1、P2、P3、P4是四块硅光电池，产生的信号相位彼此相差90o。P1、P3信号是相位差180o的两个信号，接差动放大器放大，得正弦信号。同理，P2、P4信号送另一个差动放大器，得到余弦信号。正弦和余弦信号经整形变成方波A和B，为使每隔1/4节距都有脉冲，把A、B各自反向一次得C、D信号，A、B、C、D信号再经微分变成窄脉冲A′、B′、C′