第 5章 数控机床的位置检测装置
5.1 概述
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，并发出反馈信号和
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，使着向消除偏差的方向运动直至偏差等
于零为止。
5.1.1 要求：
● 受温度、湿度影响小，工作可靠，能长期保持精度，
抗干扰能力强 ;
● 在机床执行部件工作范围内，能满足精度和速度的要
求；进给速度 20— 30m/min，转速高达 100000r/min。
● 使用维护方便，适应机床工作环境；
● 成本低。
5.1.2 位置检测装置的分类
数字式测量
模拟量测量
数字式测量,被测的量以数字的形式来表示。测量
信号为电脉冲，可以直接把它们送入数控装置进行比
较、处理。
特点：
● 被测的量转换为脉冲个数，便于显示和处理；
● 测量精度取决于测量单位，和量程基本无关；
● 测量装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力较强 。
模拟式测量,模拟式测量是将被测量用连续变量
来表示，如电压变化、相位变化等。数控机床所用模
拟式测量主要用于小量程的测量，如感应同步器的一
个线距（ 2mm）内的信号相位变化等。
特点,
● 直接测量被测的量，无需变换；
● 在小量程内实现较高精度的测量，技术成熟。
,增量式测量
绝对式测量
增量式,只测量位移量。 eg.测量单位为 0.01mm每移动
0.01mm发出一个脉冲信号。
优点,
装置简单，任何一个对中点都可作为测量的起点。在
轮廓控制的数控机床上大都采用这种方式。
缺点,在增量式检测系统中，移距是由测量信号计数读
出，一旦计数有误，以后的测量结果则完全错误。如出
某种事故，无法恢复。
绝对式,
对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标起。
每一个被测点都有一个相应的测量值。
eg.用编码器 装置的结构较为复杂
5.2 增量式光电编码器和绝对式编码器
5.2.1 增量式光电编码器
1、工作原理
2、位置和转速测量
5.2.2 编码盘测量装置
十六个二进制数
5.3 光栅位置检测装置
光栅用于数控机床作为检测装置，已有几十年的历
史，用以测量长度、角度、速度、加速度、振动和爬行
等。它是数控机床闭环系统用得较多的一种检测装置。
5.3.1 光栅检测的工作原理
标尺光栅和指示光栅分别安装在机床的移动部件及固
定部件上，两者相互平行，它们之间保持 0.05mm或
0.1mm的间隙。
根据制造方法和光学原理不同，光栅可分,
透射光栅
反射光栅
透射光栅,采用经磨制的光学玻璃或在玻璃表面感光材
料的涂层上刻成光栅线纹。
特点,光源可以采用垂直入射光，光电元件直接接受光
照。因此信号幅值比较大，信噪比好。光电转换器结构简
单,如 线性密度 200线 /mm。 缺点,玻璃易破裂，热胀
系数与金属部件不一致，影响测量精度。
反射光栅,光栅和机床金属部件的线膨胀系数一致，接
长方便。也可用钢带做成长达数米的长光栅。缺点：为
了使反射后的莫尔系数反差较大，每毫米内线纹不宜多，
常用 4,10,25,40,50线 /mm。
光栅线纹是光栅的光学结构，相邻两线纹之间的距
离称为 栅距 P（ ） 可根据所需精度确定，单位长度上的
刻线数目称为 线纹密度 4,10,25,50,100,200,250
线 /mm。
?
若标尺光栅和指示光栅的栅距相等，指示光栅在其自
身平面内相对于标尺光栅倾斜一个很小的角度，两块光
栅的刻线就会相交。当灯光通过聚光镜呈平行光线垂直
照射在标尺光栅上，在两块光栅线相交的钝角平分线上，
出现明暗交替、间隔相等的粗短条纹,称之为横向莫尔
条纹。
原因,挡光积分效应
原理,由于两光栅间有一个微小的倾斜角，使其线纹相
互交叉，在交叉近旁墨线重叠，减少了挡光面积，挡光
效应弱，在这个区域内出现亮带，光强最大。相反，离
交叉点远的地方，两光栅不透明墨线重叠部分减少，挡
光面积增大，挡光效应增强，由光源发出的光几乎全被
挡住而出现暗带，光强为 0，这就形成了粗光栅的横向莫
尔条纹节距 W。
当指示光栅沿标尺光栅连续移动时，莫尔条纹光强变化
规律近似正弦曲线, 光电元件所感应的光电流变化规律也
近似正弦曲线。
每移动一个（栅距），莫尔条纹就上下移动一个节距，光
电流就变化一次。
2、横向莫尔条纹有以下特点：
a,放大作用
W= ≈ 若 =0.01 通过减小角，得到大的节距 W
，从而大大简化了电子放大线路。这是光栅技术独有的特点。
b.平均效应
莫尔条纹是由若干线纹组成,eg,100线 /mm,10毫米的莫
尔条纹，等亮带由 2000根刻线交叉而成。因而对各别栅线的
间距误差就平均化了。莫尔条纹的节距误差取决于光栅刻线
的平均误差。
?
?
sin ?
1 ? ?
3、直线光栅检测的辨向
采用一个光电元件所得到光栅信号只能计数，但不
能辩识运动的方向。为了确定运动，至少需要两个光电
元件。因此通过 S1和 S2的光束分别为两个光电元件所接
受。当光栅移动时，莫尔条纹通过两个隙缝的时间不同。
所以两个光电元件所获得的电信号相同，但相位相差
90° 。
4、提高光栅检测装置的精度的措施
可以提高刻线精度和增强刻线密度。但刻线密度达
200线 /mm以上的细光栅刻线制造较困难，成本也高，因
此，通常采用倍频的方法来提高光栅的分辨率精度。
50 线 /mm 200 线 /mm
具体：采用 4个光电元件和 4个隙缝，每个光栅节距产生 4
个脉冲，分辨率提高 4倍。
5、特点,
● 由于光栅的刻线可以制作十分精确，同时莫尔条纹
对刻线局部误差有均化作用，因此，栅距误差对测量精
度影响较小。也可采用信号。
● 在检测过程中，标尺光栅与指示光栅不直接接触，
没有磨损，因而精度可以长期保持。
● 光线刻线要求很精确，两光栅之间的间隙及倾斜角
都要求保持不变，制造调试比较困难。光学系统易受外
界的影响产生误差，同时又有灰尘、油、冷却液等污物
的侵入，易使光学系统变质。
5.4 磁尺测量装置
磁尺位置检测装置是由磁性标尺、磁头和检测电路组
成。
利用录磁的原理将一定周期变化的方法，正弦波或脉
冲电信号，用录磁磁头记录在磁性标尺的磁膜上，作为
测量的基准。检测时，用拾磁磁头将磁性标尺上的磁信
号转换成电信号，经过检测电路处理后，用以计量磁头
相对磁尺之间的位移量。
特点,对使用环境的条件要求较低，对周围磁场的抗干
扰能力较强，在油污、粉尘较多的地方使用有较好的稳
定性。
磁尺测量装置的组成和工作原理,
磁性标尺是在非导磁材料如铜、不锈钢、玻璃或其
他合金材料的基体上，用涂敷、化学沉积或电镀的一层
10～ 20um的导磁材料（ Ni-Co或 Fe-Co合金），在它的表
面上录制相等节距周期变化的磁信号。磁信号的节距一
般为 0.05,0.1,0.2,1mm。为了防止磁头对磁性膜的磨
损，通常在磁性膜上涂一层厚 1～ 2mm的耐磨塑料保护层。
磁头是进行磁电转换的变换器，它把反映空间位置的磁
信号输送到检测电路中去。
普通录音机上的磁头输出电压幅值与磁通变化率成
比例，属于速度响应型磁头。根据数控机床的要求，为
了在低速运动和静止时也能进行位置检测，必须采用 磁
通响应型磁头。
5.5 旋转变压器位移检测装置
旋转变压器是一种角度测量元件，它是一种小型交
流电机。在结构上与两相绕组式异步电动机相似，由定
子和转子组成，定子绕组为变压器的原边，转子绕组为
变压器的副边。激磁电压接到定子绕组上，激磁频率通
常为 400H,500H,1000H,3000H,5000H，其结构简单、
动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅
度大，抗干扰性强，工作可靠。
工作原理：
当激磁电压 U1加到定子绕组时，通过电磁耦合，转
子绕组中将产生感生电压，由于转子是可以旋转的，当
转子绕组磁轴转到与定子绕组磁轴垂直时，如图（ a）所
示，激磁磁通不穿过转子绕组的横截面，因此，感应电
压 U2为 0。当转子绕组磁轴自垂直位置转过任意角度时，
转子绕组的产生的感应电压 U2为
：
?
U1== Umsin t
U2= k U1 sin = ksin t sin
?
?? ?
5.6 感应同步器测量装置
5.6.1 感应同步器测量装置的组成及工作原理
工作原理,利用电磁耦合原理，将位移或转角变成电信
号（极为普遍）。即使滑尺与定尺相互平行，并保持一
定的间距。向滑尺通以交流激磁电压，则在滑尺中产生
激磁电流，绕组周围产生按正弦规律变化的磁场，由电
磁感应，在定尺上感出感应电压，当滑尺与定尺间产生
相对位移时，由于电磁耦合的变化，使定尺上感应电压
随位移的变化而变化（相同频率）。
按工作方式不同，感应同步器分为：
相位工作方式（鉴相型系统）
幅值工作方式（鉴幅型系统）。
● 相位工作方式：前提 供给滑尺的激磁信号为频率、
幅值相同，相位角相差 90° 的交流电压。
● 幅值工作方式：前提 给滑尺绕组通入相位相同、频
率相同，但幅值不同的励磁电压。
5.6.2 感应同步器测量系统
1.鉴相测量系统
讨论题
1.数控机床对位置检测装置有何要求？
2.从指令控制的角度看，开环伺服系统控制精度的基本原
因是什么？半闭环控制系统中，位置反馈信号不能包含
哪一部分的位置误差？
3.试述感应同步器的工作原理，并说明相位工作方式。 4.
在逐点比较圆弧插补中，若偏差函数小于零，则刀具在
（ ）。
A、圆内 B、圆外 C、圆上 D、圆心
5.数控机床采用刀具补偿后的优点有（ ）等。
A、可减少刀具磨损对加工精度的影响 B、方便编程
和选择刀具
C、方便机床操作 D、提高加工速度
6、光栅尺是（ ）。
A、一种能够准确地直接测量位移的工具
B、一种数控系统的功能模块
C、一种能够间接检测直线位移或角位移的伺服系统反馈
元件
D、一种能够间接检测直线位移的伺服系统反馈元件
7,通常情况下，平行于机床主轴的坐标轴是（ ）
A,X轴 B,Z轴 C,Y轴 D、不确定
8.用逐点比较法插补出直线 A（ 0,0）,B（ 6,5）的插
补轨迹，并画图示意之,
5.1 概述
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，并发出反馈信号和
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，使着向消除偏差的方向运动直至偏差等
于零为止。
5.1.1 要求：
● 受温度、湿度影响小，工作可靠，能长期保持精度，
抗干扰能力强 ;
● 在机床执行部件工作范围内，能满足精度和速度的要
求；进给速度 20— 30m/min，转速高达 100000r/min。
● 使用维护方便，适应机床工作环境；
● 成本低。
5.1.2 位置检测装置的分类
数字式测量
模拟量测量
数字式测量,被测的量以数字的形式来表示。测量
信号为电脉冲，可以直接把它们送入数控装置进行比
较、处理。
特点：
● 被测的量转换为脉冲个数，便于显示和处理；
● 测量精度取决于测量单位，和量程基本无关；
● 测量装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力较强 。
模拟式测量,模拟式测量是将被测量用连续变量
来表示，如电压变化、相位变化等。数控机床所用模
拟式测量主要用于小量程的测量，如感应同步器的一
个线距（ 2mm）内的信号相位变化等。
特点,
● 直接测量被测的量，无需变换；
● 在小量程内实现较高精度的测量，技术成熟。
,增量式测量
绝对式测量
增量式,只测量位移量。 eg.测量单位为 0.01mm每移动
0.01mm发出一个脉冲信号。
优点,
装置简单，任何一个对中点都可作为测量的起点。在
轮廓控制的数控机床上大都采用这种方式。
缺点,在增量式检测系统中，移距是由测量信号计数读
出，一旦计数有误，以后的测量结果则完全错误。如出
某种事故，无法恢复。
绝对式,
对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标起。
每一个被测点都有一个相应的测量值。
eg.用编码器 装置的结构较为复杂
5.2 增量式光电编码器和绝对式编码器
5.2.1 增量式光电编码器
1、工作原理
2、位置和转速测量
5.2.2 编码盘测量装置
十六个二进制数
5.3 光栅位置检测装置
光栅用于数控机床作为检测装置，已有几十年的历
史，用以测量长度、角度、速度、加速度、振动和爬行
等。它是数控机床闭环系统用得较多的一种检测装置。
5.3.1 光栅检测的工作原理
标尺光栅和指示光栅分别安装在机床的移动部件及固
定部件上，两者相互平行，它们之间保持 0.05mm或
0.1mm的间隙。
根据制造方法和光学原理不同，光栅可分,
透射光栅
反射光栅
透射光栅,采用经磨制的光学玻璃或在玻璃表面感光材
料的涂层上刻成光栅线纹。
特点,光源可以采用垂直入射光，光电元件直接接受光
照。因此信号幅值比较大，信噪比好。光电转换器结构简
单,如 线性密度 200线 /mm。 缺点,玻璃易破裂，热胀
系数与金属部件不一致，影响测量精度。
反射光栅,光栅和机床金属部件的线膨胀系数一致，接
长方便。也可用钢带做成长达数米的长光栅。缺点：为
了使反射后的莫尔系数反差较大，每毫米内线纹不宜多，
常用 4,10,25,40,50线 /mm。
光栅线纹是光栅的光学结构，相邻两线纹之间的距
离称为 栅距 P（ ） 可根据所需精度确定，单位长度上的
刻线数目称为 线纹密度 4,10,25,50,100,200,250
线 /mm。
?
若标尺光栅和指示光栅的栅距相等，指示光栅在其自
身平面内相对于标尺光栅倾斜一个很小的角度，两块光
栅的刻线就会相交。当灯光通过聚光镜呈平行光线垂直
照射在标尺光栅上，在两块光栅线相交的钝角平分线上，
出现明暗交替、间隔相等的粗短条纹,称之为横向莫尔
条纹。
原因,挡光积分效应
原理,由于两光栅间有一个微小的倾斜角，使其线纹相
互交叉，在交叉近旁墨线重叠，减少了挡光面积，挡光
效应弱，在这个区域内出现亮带，光强最大。相反，离
交叉点远的地方，两光栅不透明墨线重叠部分减少，挡
光面积增大，挡光效应增强，由光源发出的光几乎全被
挡住而出现暗带，光强为 0，这就形成了粗光栅的横向莫
尔条纹节距 W。
当指示光栅沿标尺光栅连续移动时，莫尔条纹光强变化
规律近似正弦曲线, 光电元件所感应的光电流变化规律也
近似正弦曲线。
每移动一个（栅距），莫尔条纹就上下移动一个节距，光
电流就变化一次。
2、横向莫尔条纹有以下特点：
a,放大作用
W= ≈ 若 =0.01 通过减小角，得到大的节距 W
，从而大大简化了电子放大线路。这是光栅技术独有的特点。
b.平均效应
莫尔条纹是由若干线纹组成,eg,100线 /mm,10毫米的莫
尔条纹，等亮带由 2000根刻线交叉而成。因而对各别栅线的
间距误差就平均化了。莫尔条纹的节距误差取决于光栅刻线
的平均误差。
?
?
sin ?
1 ? ?
3、直线光栅检测的辨向
采用一个光电元件所得到光栅信号只能计数，但不
能辩识运动的方向。为了确定运动，至少需要两个光电
元件。因此通过 S1和 S2的光束分别为两个光电元件所接
受。当光栅移动时，莫尔条纹通过两个隙缝的时间不同。
所以两个光电元件所获得的电信号相同，但相位相差
90° 。
4、提高光栅检测装置的精度的措施
可以提高刻线精度和增强刻线密度。但刻线密度达
200线 /mm以上的细光栅刻线制造较困难，成本也高，因
此，通常采用倍频的方法来提高光栅的分辨率精度。
50 线 /mm 200 线 /mm
具体：采用 4个光电元件和 4个隙缝，每个光栅节距产生 4
个脉冲，分辨率提高 4倍。
5、特点,
● 由于光栅的刻线可以制作十分精确，同时莫尔条纹
对刻线局部误差有均化作用，因此，栅距误差对测量精
度影响较小。也可采用信号。
● 在检测过程中，标尺光栅与指示光栅不直接接触，
没有磨损，因而精度可以长期保持。
● 光线刻线要求很精确，两光栅之间的间隙及倾斜角
都要求保持不变，制造调试比较困难。光学系统易受外
界的影响产生误差，同时又有灰尘、油、冷却液等污物
的侵入，易使光学系统变质。
5.4 磁尺测量装置
磁尺位置检测装置是由磁性标尺、磁头和检测电路组
成。
利用录磁的原理将一定周期变化的方法，正弦波或脉
冲电信号，用录磁磁头记录在磁性标尺的磁膜上，作为
测量的基准。检测时，用拾磁磁头将磁性标尺上的磁信
号转换成电信号，经过检测电路处理后，用以计量磁头
相对磁尺之间的位移量。
特点,对使用环境的条件要求较低，对周围磁场的抗干
扰能力较强，在油污、粉尘较多的地方使用有较好的稳
定性。
磁尺测量装置的组成和工作原理,
磁性标尺是在非导磁材料如铜、不锈钢、玻璃或其
他合金材料的基体上，用涂敷、化学沉积或电镀的一层
10～ 20um的导磁材料（ Ni-Co或 Fe-Co合金），在它的表
面上录制相等节距周期变化的磁信号。磁信号的节距一
般为 0.05,0.1,0.2,1mm。为了防止磁头对磁性膜的磨
损，通常在磁性膜上涂一层厚 1～ 2mm的耐磨塑料保护层。
磁头是进行磁电转换的变换器，它把反映空间位置的磁
信号输送到检测电路中去。
普通录音机上的磁头输出电压幅值与磁通变化率成
比例，属于速度响应型磁头。根据数控机床的要求，为
了在低速运动和静止时也能进行位置检测，必须采用 磁
通响应型磁头。
5.5 旋转变压器位移检测装置
旋转变压器是一种角度测量元件，它是一种小型交
流电机。在结构上与两相绕组式异步电动机相似，由定
子和转子组成，定子绕组为变压器的原边，转子绕组为
变压器的副边。激磁电压接到定子绕组上，激磁频率通
常为 400H,500H,1000H,3000H,5000H，其结构简单、
动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅
度大，抗干扰性强，工作可靠。
工作原理：
当激磁电压 U1加到定子绕组时，通过电磁耦合，转
子绕组中将产生感生电压，由于转子是可以旋转的，当
转子绕组磁轴转到与定子绕组磁轴垂直时，如图（ a）所
示，激磁磁通不穿过转子绕组的横截面，因此，感应电
压 U2为 0。当转子绕组磁轴自垂直位置转过任意角度时，
转子绕组的产生的感应电压 U2为
：
?
U1== Umsin t
U2= k U1 sin = ksin t sin
?
?? ?
5.6 感应同步器测量装置
5.6.1 感应同步器测量装置的组成及工作原理
工作原理,利用电磁耦合原理，将位移或转角变成电信
号（极为普遍）。即使滑尺与定尺相互平行，并保持一
定的间距。向滑尺通以交流激磁电压，则在滑尺中产生
激磁电流，绕组周围产生按正弦规律变化的磁场，由电
磁感应，在定尺上感出感应电压，当滑尺与定尺间产生
相对位移时，由于电磁耦合的变化，使定尺上感应电压
随位移的变化而变化（相同频率）。
按工作方式不同，感应同步器分为：
相位工作方式（鉴相型系统）
幅值工作方式（鉴幅型系统）。
● 相位工作方式：前提 供给滑尺的激磁信号为频率、
幅值相同，相位角相差 90° 的交流电压。
● 幅值工作方式：前提 给滑尺绕组通入相位相同、频
率相同，但幅值不同的励磁电压。
5.6.2 感应同步器测量系统
1.鉴相测量系统
讨论题
1.数控机床对位置检测装置有何要求？
2.从指令控制的角度看，开环伺服系统控制精度的基本原
因是什么？半闭环控制系统中，位置反馈信号不能包含
哪一部分的位置误差？
3.试述感应同步器的工作原理，并说明相位工作方式。 4.
在逐点比较圆弧插补中，若偏差函数小于零，则刀具在
（ ）。
A、圆内 B、圆外 C、圆上 D、圆心
5.数控机床采用刀具补偿后的优点有（ ）等。
A、可减少刀具磨损对加工精度的影响 B、方便编程
和选择刀具
C、方便机床操作 D、提高加工速度
6、光栅尺是（ ）。
A、一种能够准确地直接测量位移的工具
B、一种数控系统的功能模块
C、一种能够间接检测直线位移或角位移的伺服系统反馈
元件
D、一种能够间接检测直线位移的伺服系统反馈元件
7,通常情况下，平行于机床主轴的坐标轴是（ ）
A,X轴 B,Z轴 C,Y轴 D、不确定
8.用逐点比较法插补出直线 A（ 0,0）,B（ 6,5）的插
补轨迹，并画图示意之,
