2009-8-21
第 5 章 数控检测技术
2009-8-21
5.1 概 述组成,位置测量装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成的。
作用,实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换成位置控制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。
闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测装置的精度决定的，在设计数控机床进给伺服系统，尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择位置检测装置。
2009-8-21
5.1.1 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 三种类型。
☆安装的位置及耦合方式 — 直接测量 和 间接测量 ；
☆测量方法 — 增量型 和 绝对型 ;
☆ 检测信号的类型 — 模拟式 和 数字式 ；
☆运动型式 — 回转型 和 直线型 ；
☆信号转换的原理 — 光电效应、光栅效应、电磁感应原理、
压电效应、压阻效应和磁阻效应 等。
2009-8-21
表 5,1 数控机床检测装置分类分 类 增 量 式 绝 对 式位移传感器回转型 —— 脉冲编码器、
自整角机,旋转变压器、圆感应同步器,光栅角度传感器,
圆光栅、圆磁栅多极旋转变压器,绝对脉冲编码器 绝对值式光栅,三速圆感应同步器,
磁阻式多极旋转变压器直线型 —— 直线应同步器,
光栅尺、磁栅尺,激光干涉仪霍耳位置传感器三速感应同步器,绝对值磁尺、光电编码尺,
磁性编码器速度传感器交、直流测速发电机,
数字脉编码式速度传感器,霍耳速度传感器速度 — 角度传感器
（ Tachsyn）、数字电磁、
磁敏式速度传感器电流传感器霍耳电流传感器
2009-8-21
传感器的性能指标应包括静态特性和动态特性,主要如下 。
1.精度 符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度称作精度 。 高精度和高速实时测量 。
2.分辨率 分辩率应适应机床精度和伺服系统的要求 。
3.灵敏度 灵敏度 高,一致 。
4.迟滞 对某一 输入量,传感器的正行程的输出量与反行程的输出量的不一 致,称为迟滞 。 迟滞小 。
5.测量范围和量程
6.零漂与温漂其它,可靠,抗干扰性强,使用维护方便,成本低等 。
5.1.2 数控测量装置的性能指标及要求
2009-8-21
5.2 旋转变压器
543
1
8
7
62
图 5﹒1 旋转变压器结构示意
1-转轴 2-轴承 3-机壳 4-转子铁心 5-定子铁心
6-端盖 7-电刷 8-集电环
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旋转变压器 （ Resolver） 简称旋变,又称作解算器或分解器 。
分类：有电刷,集电环结构和无刷结构单对极元件,多对极元件 （ 或称多极元件 ）
工作原理：电磁感应
5.2.1 旋转变压器的结构和工作原理定子转子
S1
R1S2
S3
S4
R2 R
3
R4
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E2= KV 1 cos α = KV m sinωtcos α
α =90° E 2 = 0
α =0° E 2 = KV m SINωt
式中,E 2— 转子 绕组 感应电势； V1— 定子 绕组励 磁电压 V1=Vmsinωt；
Vm— 电压信号幅值； α — 定,转子 绕组轴线间夹角； K— 变压比
（ 即绕组匝数比 ）
5.2.1 旋转变压器的结构和工作原理
V1=Vmsinωt V1 V1
E 2=0（ α = 90° ） E 2=KVmSINωtcosα E 2= KVmsinωt（ α = 0° ）
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1,鉴相方式
Vs=Vmsinωt
Vc=Vmcosωt
E2= KV m cosα - KV csinα
= KV m (sinωtcosα - cosωtsinα )
= KV m sin(ωt-α )
5.2 2 旋转变压器的应用
V
S
Vs
Vc E2
图 5.3定子两相绕组励磁转子输出信号的相位角 (ωt-α)与转子的偏转角之间有着严格的对应关系 。
2009-8-21
2.鉴幅方式
Vs=Vmsinα 电 sinωt
Vc=Vmcosα 电 sinωt
E2 = KV m cosα 机 - KV csinα 机
= KV m sinωt(sinα 电 cosα 机 - cos电 sinα 机
= KV m sin(α 电 -α 机 ) sinωt
5.2 2 旋转变压器的应用
V
S
Vs
Vc E2
图 5.3定子两相绕组励磁感应电势 （ E2） 是以 ω为角频率,
以 Vm sin(α 电 -α 机 )为幅值的交变电压信号 。 若电气角 α 电 已知,只要测出
E2 幅值 (利用 E2 =0),便可间接的求出机械角 α 机,从而得出被测角位移 。
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5.2 2 旋转变压器的应用
V
S
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5.4 直线光栅光栅的分类：物理光栅和计量光栅光栅的运动方式：长光栅和圆光栅光线的走向：透射光栅和反射光栅
2009-8-21
1.长光栅检测装置的结构主要结构为标尺光栅和指示光栅栅距和栅距角（两个光栅错开的角度）
5.4.1 长光栅检测装置的结构图 5.9 光栅的结构
1-防护垫 2-光栅读数头 3-标尺光栅
4-防护罩
V
S
3
1
2
4
31 2 4 5
标尺光栅图 5.10 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
2009-8-21
2.工作原理 （以透射投影为例） 摩尔条文宽度 B的理论公式莫尔条纹：
严格来说：
横向莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直
5.4.1 长光栅检测装置的结构
d 放大 2倍
V
S
θ
d
W W
Θ
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莫尔条纹的特征：
（ 1）莫尔条纹的变化规律,两片两光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹间距。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。
（ 2）放大作用 莫尔条纹 宽度 W 和 光栅栅距 d,栅线夹角 θ 之间关系：
由图可知 W=d sinθ
又 θ 很小可认为 sinθ ≈ θ
故 W=d/θ
例如 d = 0.01,θ = 0.01rad,得 W =1mm,放大 100
（ 3）均化 栅距 误差作用
5.4.1 长光栅检测装置的结构
2009-8-21
莫尔条纹的细分技术,光学细分、机械细分和电子细分
5.4.2 光栅位移 -数字变换电路
a
b
c
d
插动放大插动放大整形整形方向辨别门电路可逆计数正脉冲反脉冲
ab
c
d
插动放大插动放大
(sin)
(cos)
整形整形反向反向微分微分微分微分
A
B
C
D
A’
C’
B’
D’
Y1
Y2
Y3
Y4
Y8
Y5
Y6
Y7
H1
H2
正向脉冲反向脉冲
sin
cos
A
B
C
D
A’
B’
C’
D’
相加
A’
B’
C’
D’
相加正走反走
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5.5 光电脉冲编码器
5.5.1 脉冲编码器的分类与结构脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器,
能把机械转角变成电脉冲,可作为位置检测和速度检测装置 。
脉冲编码器分为,光电式,接触式和电磁感应式 。
脉冲编码器是一种增量检测装置,它的型号是由每转发出的脉冲数来区分 。
2000P/r,2500 P/r和 3000 P/r等；
1 2 3 4 5
67
图 5,14 光电脉冲编码器的结构
1-光源 2-圆光栅 3-指示光栅 4-光电池组
5-机械部件 6-护罩 7-印刷电路板
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5.5.2 光电脉冲编码器的工作原理
ωt
节距 P
A B
90°
90°
图 5.15光电脉冲编码器的输出波形
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5.5.3 光电脉冲编码器的应用
A相信号 a +
B相信号整形整形
d
b
c
e
f
-
可逆计数
&
&
单稳反向
a
b
c
d
e
f
a
b
c
d
e
f
应用一：
适应带加减计数要求的可逆计 数器,形成加计数脉冲和减计数脉冲
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5.5.3 光电脉冲编码器的应用应用二：
适应有计数控制端和方向控制端的计数器,形成正走,反走计数脉冲和方向控制电平 。
A1 C QA相脉冲
B相脉冲整形整形单稳单稳
B1 D
S
R
1
2
Q
3 脉冲方向计数有方向端的可逆计数器
A
B
A1
B1
C
D
1
3
高电平,1”
低电平,0”
高电平,1”
高电平,1”
A
B
A1
B1
C
D
1
3
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谢谢听讲欢迎提出宝贵意见和建议
第 5 章 数控检测技术
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5.1 概 述组成,位置测量装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成的。
作用,实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换成位置控制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。
闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测装置的精度决定的，在设计数控机床进给伺服系统，尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择位置检测装置。
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5.1.1 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 三种类型。
☆安装的位置及耦合方式 — 直接测量 和 间接测量 ；
☆测量方法 — 增量型 和 绝对型 ;
☆ 检测信号的类型 — 模拟式 和 数字式 ；
☆运动型式 — 回转型 和 直线型 ；
☆信号转换的原理 — 光电效应、光栅效应、电磁感应原理、
压电效应、压阻效应和磁阻效应 等。
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表 5,1 数控机床检测装置分类分 类 增 量 式 绝 对 式位移传感器回转型 —— 脉冲编码器、
自整角机,旋转变压器、圆感应同步器,光栅角度传感器,
圆光栅、圆磁栅多极旋转变压器,绝对脉冲编码器 绝对值式光栅,三速圆感应同步器,
磁阻式多极旋转变压器直线型 —— 直线应同步器,
光栅尺、磁栅尺,激光干涉仪霍耳位置传感器三速感应同步器,绝对值磁尺、光电编码尺,
磁性编码器速度传感器交、直流测速发电机,
数字脉编码式速度传感器,霍耳速度传感器速度 — 角度传感器
（ Tachsyn）、数字电磁、
磁敏式速度传感器电流传感器霍耳电流传感器
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传感器的性能指标应包括静态特性和动态特性,主要如下 。
1.精度 符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度称作精度 。 高精度和高速实时测量 。
2.分辨率 分辩率应适应机床精度和伺服系统的要求 。
3.灵敏度 灵敏度 高,一致 。
4.迟滞 对某一 输入量,传感器的正行程的输出量与反行程的输出量的不一 致,称为迟滞 。 迟滞小 。
5.测量范围和量程
6.零漂与温漂其它,可靠,抗干扰性强,使用维护方便,成本低等 。
5.1.2 数控测量装置的性能指标及要求
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5.2 旋转变压器
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图 5﹒1 旋转变压器结构示意
1-转轴 2-轴承 3-机壳 4-转子铁心 5-定子铁心
6-端盖 7-电刷 8-集电环
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旋转变压器 （ Resolver） 简称旋变,又称作解算器或分解器 。
分类：有电刷,集电环结构和无刷结构单对极元件,多对极元件 （ 或称多极元件 ）
工作原理：电磁感应
5.2.1 旋转变压器的结构和工作原理定子转子
S1
R1S2
S3
S4
R2 R
3
R4
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E2= KV 1 cos α = KV m sinωtcos α
α =90° E 2 = 0
α =0° E 2 = KV m SINωt
式中,E 2— 转子 绕组 感应电势； V1— 定子 绕组励 磁电压 V1=Vmsinωt；
Vm— 电压信号幅值； α — 定,转子 绕组轴线间夹角； K— 变压比
（ 即绕组匝数比 ）
5.2.1 旋转变压器的结构和工作原理
V1=Vmsinωt V1 V1
E 2=0（ α = 90° ） E 2=KVmSINωtcosα E 2= KVmsinωt（ α = 0° ）
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1,鉴相方式
Vs=Vmsinωt
Vc=Vmcosωt
E2= KV m cosα - KV csinα
= KV m (sinωtcosα - cosωtsinα )
= KV m sin(ωt-α )
5.2 2 旋转变压器的应用
V
S
Vs
Vc E2
图 5.3定子两相绕组励磁转子输出信号的相位角 (ωt-α)与转子的偏转角之间有着严格的对应关系 。
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2.鉴幅方式
Vs=Vmsinα 电 sinωt
Vc=Vmcosα 电 sinωt
E2 = KV m cosα 机 - KV csinα 机
= KV m sinωt(sinα 电 cosα 机 - cos电 sinα 机
= KV m sin(α 电 -α 机 ) sinωt
5.2 2 旋转变压器的应用
V
S
Vs
Vc E2
图 5.3定子两相绕组励磁感应电势 （ E2） 是以 ω为角频率,
以 Vm sin(α 电 -α 机 )为幅值的交变电压信号 。 若电气角 α 电 已知,只要测出
E2 幅值 (利用 E2 =0),便可间接的求出机械角 α 机,从而得出被测角位移 。
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5.2 2 旋转变压器的应用
V
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5.4 直线光栅光栅的分类：物理光栅和计量光栅光栅的运动方式：长光栅和圆光栅光线的走向：透射光栅和反射光栅
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1.长光栅检测装置的结构主要结构为标尺光栅和指示光栅栅距和栅距角（两个光栅错开的角度）
5.4.1 长光栅检测装置的结构图 5.9 光栅的结构
1-防护垫 2-光栅读数头 3-标尺光栅
4-防护罩
V
S
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标尺光栅图 5.10 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
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2.工作原理 （以透射投影为例） 摩尔条文宽度 B的理论公式莫尔条纹：
严格来说：
横向莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直
5.4.1 长光栅检测装置的结构
d 放大 2倍
V
S
θ
d
W W
Θ
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莫尔条纹的特征：
（ 1）莫尔条纹的变化规律,两片两光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹间距。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。
（ 2）放大作用 莫尔条纹 宽度 W 和 光栅栅距 d,栅线夹角 θ 之间关系：
由图可知 W=d sinθ
又 θ 很小可认为 sinθ ≈ θ
故 W=d/θ
例如 d = 0.01,θ = 0.01rad,得 W =1mm,放大 100
（ 3）均化 栅距 误差作用
5.4.1 长光栅检测装置的结构
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莫尔条纹的细分技术,光学细分、机械细分和电子细分
5.4.2 光栅位移 -数字变换电路
a
b
c
d
插动放大插动放大整形整形方向辨别门电路可逆计数正脉冲反脉冲
ab
c
d
插动放大插动放大
(sin)
(cos)
整形整形反向反向微分微分微分微分
A
B
C
D
A’
C’
B’
D’
Y1
Y2
Y3
Y4
Y8
Y5
Y6
Y7
H1
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正向脉冲反向脉冲
sin
cos
A
B
C
D
A’
B’
C’
D’
相加
A’
B’
C’
D’
相加正走反走
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5.5 光电脉冲编码器
5.5.1 脉冲编码器的分类与结构脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器,
能把机械转角变成电脉冲,可作为位置检测和速度检测装置 。
脉冲编码器分为,光电式,接触式和电磁感应式 。
脉冲编码器是一种增量检测装置,它的型号是由每转发出的脉冲数来区分 。
2000P/r,2500 P/r和 3000 P/r等；
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图 5,14 光电脉冲编码器的结构
1-光源 2-圆光栅 3-指示光栅 4-光电池组
5-机械部件 6-护罩 7-印刷电路板
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5.5.2 光电脉冲编码器的工作原理
ωt
节距 P
A B
90°
90°
图 5.15光电脉冲编码器的输出波形
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5.5.3 光电脉冲编码器的应用
A相信号 a +
B相信号整形整形
d
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c
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可逆计数
&
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单稳反向
a
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应用一：
适应带加减计数要求的可逆计 数器,形成加计数脉冲和减计数脉冲
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5.5.3 光电脉冲编码器的应用应用二：
适应有计数控制端和方向控制端的计数器,形成正走,反走计数脉冲和方向控制电平 。
A1 C QA相脉冲
B相脉冲整形整形单稳单稳
B1 D
S
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Q
3 脉冲方向计数有方向端的可逆计数器
A
B
A1
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C
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高电平,1”
低电平,0”
高电平,1”
高电平,1”
A
B
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谢谢听讲欢迎提出宝贵意见和建议
