第 6章 位置检测装置
6.1 概述
6.2 旋转变压器
6.3 感应同步器
6.4 脉冲编码器
6.5 光栅测量装置
6.6 速度传感器
6.7 位置传感器本章重点、难点和知识拓展本章重点,用于检测机床运动部件位置,速度的各种检测装置及其工作原理 。
知识拓展,数控机床常用的位置检测装置有光栅,
编码器,感应同步器,旋转变压器及磁栅等 。 从测量的方式看有直接测量和间接测量；从测量装置的原理和输出信号看有绝对式测量和增量式测量及数字式测量和模拟式测量 。
本章难点,每种检测装置使用场合和安装方式。
图 6-1 CNC系统的组成
6.1 概述
6.1.1检测概述位置检测装置是数控机床的重要组成部分 。 在闭环,
半闭环控制系统中,它的主要作用是检测位移和速度,
并发出反馈信号,构成闭环或半闭环控制 。
6.1概述图 6-2富士通 CNC系统原理图
6.1.2 检测元件的作用与分类数控机床对位置检测装置的要求
1,工作可靠，抗干扰能力强；
2,满足精度和速度的要求；
3,易于安装，维护方便，适应机床工作环境；
4,成本低。
位移检测装置的分类测角测长位移检测装置数字式增量式 光电盘圆光栅数码盘绝对式 —
模拟式增量式同步分解器圆感应同步器磁盘绝对式多极同步分解器同步分解器组件三重式圆感应同步器长光栅多通道透射光栅直线感应同步器磁尺数字式增量式绝对式模拟式增量式绝对式 多重式直线感应同步器
—
—
—
6.2 旋转变压器
6.2.1 旋转变压器的结构和工作原理旋转变压器 （ 又称同步分解器 )是一种旋转式的小型交流电机,它由定子和转子组成 。 图 6-3所示的是一种无刷旋转变压器的结构图,左边为分解器,右边为变压器 。 旋转变压器是根据互感原理工作的 。
图 6-3 无刷旋转变压器的结构图
1— 电机轴； 2— 外壳； 3— 分解器定子； 4— 变压器定子绕组； 5— 变压器转子绕组； 6— 变压器转子； 7— 变压器定子； 8— 分解器转子； 9— 分解器定子绕组； 10— 分解器转子绕组旋转变压器是根据互感原理工作的 。 它的结构设计与制造保证了定子与转子之间的空气隙内的磁通分布呈正弦规律,当定子绕组上加交流激磁电压时,通过互感在转子绕组中产生感应电动势,其输出电压的大小取决于定子与转子两个绕组轴线在空间的相对位置 θ角 。 两者平行时互感最大,副边的感应电动势也最大；两者垂直时互感为零,感应电动势也为零 。
图 6-4旋转变压器的工作原理图输入,U1=Vmsinωt 输出,U2=KU1sinθ=KVmsinωt ·sinθ
最大互感电压,U2=KVmsinωt
式中,K-变压比,即两个绕组匝数比 W1/W2； U1-定子的激磁电压 ； Vm-
定子的最大瞬时电压； ω— 励磁信号角频率； θ— 旋转变压器转角 。
旋转变压器是一种角位移测量装置,由定子和转子组成 。 是根据互感原理工作的 。
旋转变压器的工作原理与普通变压器基本相似,其中定子绕组作为变压器的一次侧,接受励磁电压 。
转子绕组作为变压器的二次侧,通过电磁耦合得到感应电压,只是其输出电压大小与转子位置有关 。
旋转变压器通过测量电动机或被测轴的转角来间接测量工作台的位移 。
旋转变压器分为单极和多极形式,先分析一下单极工作情况 。
6.2.2 旋转变压器的应用实际使用时通常采用多极形式,如正余弦旋转变压器,
其定子和转子均由两个匝数相等,轴线相互垂直的绕组构成,如图 6-5所示 。 一个转子绕组接高阻抗作为补偿,
另一个转子绕组作为输出,应用叠加原理,其磁通为：
转子输出电压则为：
c o ss i n2 cs ＝
c o ssin2 cs KVKVV
应用旋转变压器作位置检测元件,有两种方法：鉴相型和鉴幅型应用 。
Φc
Φs
Φccosθ
Φs
θ θ Φssinθ
Φc
图 6-5 正余弦旋转变压器工作原理
（ 1）鉴相型应用在此状态下,旋转变压器的定子两相正交绕组即正弦绕组
S和余弦绕组 C中分别加上幅值相等,频率相同而相位相差
90° 的正弦交流电压 (如图 6-5所示 )，
Us=Vmsinω t Uc=Vmcosω t
这两相激磁电压会产生旋转磁场,在转子绕组中 (另一绕组短接 ) 感应电动势为 U2=Ussinθ+Uccosθ 即
U2=KVmsinωt2 sinθ+KVmcosωt2 cosθ=KVmcos(ωt-θ)
测量转子绕组输出电压的相位角 θ,即可测得转子相对于定子的空间转角位置 。 在实际应用时,把对定子正弦绕组激磁的交流电压相位作为基准相位,与转子绕组输出电压相位作比较,来确定转子转角的位移 。
(2) 鉴幅型应用这种应用中,定子两相绕组的激磁电压为频率相同,
相位相同而幅值分别按正弦,余弦规律变化的交变电压,
即 Us=Vmsinθsinωt
Uc=Vmcosθsinωt 激磁电压频率为 2～ 4 kHz。
定子激磁信号产生的合成磁通在转子绕组中产生感应电动势 U2,其大小与转子和定子的相对位置即 θm有关,并与激磁的幅值 Vmsinθ和 Vmcosθ有关,即
U2=KVmsin(θ-θm)sinωt
若 θm=θ,则 U2=0。
(2) 鉴幅型应用从物理概念上理解,θm=θ表示定子绕组合成磁通 Φ由与转子绕组的线圈平面平行,即没有磁力线穿过转子绕组线圈,故感应电动势为零 。 当 Φ垂直于转子绕组线圈平面时,即 θm=θ± 90°
时,转子绕组中感应电动势最大 。
在实际应用中,根据转子误差电压的大小,不断修改定子激磁信号的 θ(即激磁幅值 ),使其跟踪 θm的变化 。 当感应电动势 U2
的幅值 KVmsin(θ-θm)为零时,说明 θ角的大小就是被测角位移
θm的大小 。
如果将旋转变压器装在数控机床的滚珠丝杠上,当角从 00到
3600 时,丝杠上的螺母带动工作台移动了一个导程,间接测量了执行部件的直线位移 。 测量所走过的行程时,可加一个计数器,累计所转的转数,折算成位移总长度 。
小 结旋转变压器是一种角位移测量装置,由定子和转子组成 。
旋转变压器是根据互感原理工作的 。
旋转变压器作为位置检测装置,有两种典型工作方式,鉴相式和鉴幅式 。
鉴相式是根据感应输出电压的相位来检测位移量；
鉴幅式是根据感应输出电压的幅值来检测位移量 。
6.3 感应同步器
6.3.1感应同步器的结构
6.3.2感应同步器的工作原理
6.3.3感应同步器的特点
6.3.4 感应同步器的应用
6.3.1 感应同步器的结构感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置,属模拟式测量,二者工作原理相同,其输出电压随被测直线位移或角位移而改变 。
感应同步器按其结构特点一般分为直线式和旋转式两种：
直线式感应同步器由定尺和滑尺组成,用于直线位移测量 。
旋转式感应同步器由转子和定子组成,用于角位移测量 。
图 6-6感应同步器的结构图直线感应同步器直线感应同步器相当于一个展开的多极旋转变压器,
其结构如图 6-6所示,定尺和滑尺的基板采用与机床热膨胀系数相近的钢板制成,钢板上用绝缘粘结剂贴有铜箔,
并利用腐蚀的办法做成图示的印刷绕组 。 长尺叫定尺,
安装在机床床身上,短尺为滑尺,安装于移动部件上,
两者平行放置,保持 0.25-0.05mm间隙 。
直线感应同步器感应同步器两个单元绕组之间的距离为节距,滑尺和定尺的节距均为,这是衡量感应同步器精度的主要参数 。 标准感应同步器定尺长 250mm,滑尺长 100mm，
节距为 2mm。 定尺上是单向,均匀,连续的感应绕组,
滑尺有两组绕组,一组为正弦绕组,另一为余弦绕组 。
当正弦绕组与定尺绕组对齐时,余弦绕组与定尺绕组相差 1/4节距 。
V2
定尺滑尺正弦绕组 Vs Vc 余弦绕组直线感应同步器结构
6.3.2 感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理与旋转变压器基本上相同,
使用时,在滑尺绕组通以一定频率的交流电压,由于电磁感应,在定尺绕组中产生感应电动势,其幅值和相位取决于定尺与滑尺的相对位置,如图 6-7所示 。
图 6-7感应同步器的工作原理图
（ 1） 鉴相方式给绕组 S和 C分别通以幅值相同,频率相同但相位相差 90°
的交流电压,即 Us=Vmsinωt Uc=Vmcosωt
分别在定尺的绕组上产生感应电压为 V1=Kvmcosθsinωt
V2=-Kvmsinθcosωt
则在定尺绕组上产生合成电压为
V=V1+V2
=KVmcosθsinωt-Vmsinθcosωt
=KVmsin(ωt-θ)
若感应同步器的节距为 2τ,则滑尺直线位移量 x与 θ之间的关系为
θ=2πx/2τ=πx/τ可见，在一个节距内 θ
与 x是一一对应的。通过测量定尺感应电压的相位 θ,即可测量出定尺相对滑尺的位移 x。
图 6-8鉴相系统的结构框图
（ 2） 鉴幅方式则感应到定尺绕组电势为
V=-KVmsin(θm-θ)sinωt
若 θm=θ,则 V=0。
给滑尺的正弦绕组 S和余弦绕组 C分别通以频率相同,相位相同但幅值不同且能由指令角位移 θ 调节的交流电压,
即 Us=Vmsinθsinωt
Uc=Vmcosθsinωt
图 6-9鉴幅系统的结构框图感应电压幅值与定尺滑尺相对位置关系定 尺滑 A
尺 B
2
4
1
位 C
2
2
1
置 D
2
4
3
E
2
E A
V
2
M N 正弦绕组余弦绕组
θ
B
D
C
O
P
感应电压幅值与定尺滑尺相对位置关系图若设定尺绕组节距为,它对应的感应电压以余弦函数变化了,当滑尺移动距离为时,则对应感应电压以余弦函数变化相位角 。 由比例关系可得设 表 示 滑 尺 上 一 相 绕 组 的 激 磁 电 压则 定 尺 绕 组 感 应 电 压 为式中 K— 耦 合 系 数 ；
— 激 磁 电 压 的 幅 值 ；
ω— 激磁电压的角频率；
— 与位移对应的角度 。
22
x?
xx
2
2
tVV ms?s i n?
tKVKVV ms s i nc o sc o s2
mV
感应电压的幅值变化规律就是一个周期性的余弦曲线 。 在一个周期内,感应电压的某一幅值对应两个位移点,如关系图中 M,N两点 。 为确定唯一位移,在滑尺上与正弦绕组错开 1/4节距处,配置了余弦绕组 。 同样,若在滑尺的余弦绕组中通以交流励磁电压,也能得出定尺绕组感应电压与两尺相对位移的关系曲线,
它们之间为正弦函数关系 (图中 OP)。 若滑尺上的正,
余弦绕组同时励磁,就可以分辨出感应电压值所对应的唯一确定的位移 。
注 意假定激磁电压的 θ与定尺,滑尺的实际相位角 θm不一致时,
设 θm=θ+α,则 V=-Kvmsinαsinωt 当 α很小时,上式可近似表示为 V=-(KVmsinωt)α由上式可知,定尺上感应电势与 α成正比,即 V随指令给定的位移量 x(θ)与工作台实际位移量 x1(θm)的差值 Δx(α)成正比变化 。 因此通过测量 V的幅值,就可以测定位移量 Δx的大小 。
当工作台位移值未达到指令要求值时,即 x1≠x(θm≠θ)时,
定尺上感应电压 V≠0。 该电压经检波放大控制伺服驱动机构带动机床工作台移动 。 当工作台移动至 x1=x(θm=θ)时,
定尺上感应电压 V=0,误差信号消失,工作台停止移动 。
定尺上感应电压 V同时输至相敏放大器,与来自相位补偿器的标准正弦信号进行比较,以控制工作台的运动方向 。
6.3.3 感应同步器的特点由于感应同步器具有一系列的优点,所以广泛用于位移检测 。 感应同步器安装时,要注意定尺与滑尺之间的间隙,一般在 (0.25± 0.05) mm范围内 。 间隙变化也必须控制在 0.01 mm之内 。 如间隙过大,将影响测量信号的灵敏度 。 其特点如下 。
(1) 精度高感应同步器的极对数多,平均效应所产生的测量精度要比制造精度高,且输出信号是由滑尺和定尺之间相对移动产生的,中间无机械转换环节,所以测量结果只受本身精度的影响 。
6.3.3 感应同步器的特点
(2) 测量长度不受限制当测量长度大于 250 mm时,可以采用多块尺接长,相邻定尺间隔可用块规或激光测长仪进行调整,使总长度上的累积误差不大于单块定尺的最大偏差 。
(3) 对环境的适应性强直线式感应同步器的金属基尺与安装部件的材料的膨胀系数相似,当环境温度变化时,两者的变化规律相同,而不影响测量精度 。
(4) 维护简单,寿命长定尺,滑尺之间无接触磨损,在机床上安装简单 。 但使用时需要加防护罩,防止切屑进入定,滑尺之间划伤导片 。
6.3.4 感应同步器的应用如果感应同步器的节距为 2mm,脉冲当量选定为
δ=0.001mm,一个脉冲对应的相移角 Δθ1为数控装置每发一个进给脉冲,经脉冲调相器变为超前基准信号一个 0.180相移角的信号,即 Δθ1=θ1-θ0=0.180。 此时因工作台未动,反馈信号相对于基准信号的相位差
Δθ2=θ2-θ0=0（ θ2为定尺绕组上作为反馈信号所取的感应电压 U2的相位 ） 。 鉴相器将 δ＝ Δθ1－ Δθ2 =0.180的相位差检测出来,经放大后控制伺服电动机带动工作台移动 。 随着工作台的移动,θ2逐渐增大,相位差 δ逐渐减少,
直至 δ＝ 0。
18.03 6 0
21
小 结感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置,属模拟式测量,二者工作原理相同,其输出电压随被测直线位移或角位移而改变 。 是根据互感原理工作的 。
作为位置检测装置,有两种典型工作方式,鉴相式和鉴幅式 。 鉴相式是根据感应输出电压的相位来检测位移量；鉴幅式是根据感应输出电压的幅值来检测位移量 。
6.4 脉冲编码器
6.4.1增量式编码器
6.4.2绝对值式编码器
6.4.3脉冲编码器的使用脉冲编码器脉冲编码器是一种光学式位置检测元件,编码盘直接装在转轴上,以测出轴的旋转角度位置和速度变化,
其输出信号为电脉冲 。
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,是数控机床上使用很广泛的位置检测装置 。
这种检测方式的特点是：检测方式是非接触式的,无摩擦和磨损,驱动力小,响应速度快 。 按编码的方式,
可分为增量式和绝对值式两种 。
6.4.1 增量式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 。
注 意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：
式中
— 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） 。
iM
S＝?
光电式脉冲编码器结构光电式脉冲编码器结构示意图光电式脉冲编码器的组成光电式脉冲编码器,它由光源,聚光镜,光电盘,圆盘,
光电元件和信号处理电路等组成 （ 如图 ） 。 光电盘是用玻璃材料研磨抛光制成,玻璃表面在真空中镀上一层不透光的铬,然后用照相腐蚀法在上面制成向心透光窄缝 。 透光窄缝在圆周上等分,其数量从几百条到几千条不等 。 圆盘也用玻璃材料研磨抛光制成,其透光窄缝为两条,每一条后面安装有一只光电元件 。 光电盘与工作轴连在一起,光电盘转动时,每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化,光电元件把通过光电盘和圆盘射来的忽明忽暗的光信号转换为近似正弦波的电信号,经过整形,放大,和微分处理后,输出脉冲信号 。 通过记录脉冲的数目,就可以测出转角 。 测出脉冲的变化率,即单位时间脉冲的数目,就可以求出速度 。
为了判断旋转方向,圆盘的两个窄缝距离彼此错开 1/4节距,使两个光电元件输出信号相位差 900。 如图所示,A,B信号为具有 900相位差的正弦波,经放大和整形变为方波 A1,B1。
设 A相比 B相超前时为正方向旋转,则 B相超前 A
相就是负方向旋转,利用 A相与 B相的相位关系可以判别旋转方向 。 此外,在光电盘的里圈不透光圆环上还刻有一条透光条纹,用以产生每转一个的零位脉冲信号,它是轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲 。
电流
A B
节距
ωt
A1
B1
900
脉冲编码器输出波形增量式编码器的工作原理在图 6-10(a)中,E为等节距的辐射状透光窄缝圆盘,
Q1,Q2为光源,DA,DB,DC为光电元件 (光敏二极管或光电池 ),DA与 DB错开 90° 相位角安装 。
图 6-10 增量式编码器当圆盘旋转一个节距时,在光源照射下,就在光电元件 DA、
DB上得图 6-10(b)所示的光电波形输出,A,B信号为具有
90° 相位差的正弦波 。 这组信号经放大器放大与整形后,得图 6-10(c)所示的输出方波,A相比 B相超前 90°,其电压幅值为 5V。 设 A相超前 B相时为正方向旋转,则 B相超前 A相时为反方向旋转,以判别编码器的旋转方向 。 C相产生的脉冲为基准脉冲,又称零点脉冲,它是转轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲 。
注 意如用数控车床切削螺纹时,可将这种脉冲当做车刀进刀点和退刀点的信号使用,以保证切削螺纹时不会乱扣 。 这种脉冲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 。 A,B相脉冲信号经频率电压变换后,得到与转轴转速成正比例的电压信号,它就是速度反馈信号 。
增量式编码器的缺点是,有可能由于噪声或其他外界干扰产生计数错误,若因停电,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 。
6.4.2 绝对值式编码器绝对式编码器是一种旋转式检测装置,可直接把被测转角用数字代码表示出来,且每一个角度位置均有其对应的测量代码,它能表示绝对位置,没有累积误差,电源切除后,位置信息不丢失,仍能读出转动角度 。
绝对值式编码器是利用其圆盘上的图案来表示数值的 。
绝对式编码器有光电式,接触式和电磁式三种,以接触式四位绝对编码器为例来说明其工作原理 。
接触式四位绝对编码器图 6-11 二进制编码器码位四位二进制编码盘
a) b)
图 6-11所示为二进制编码盘,图中空白的部分透光,表示,0” ；加点 (阴影 )的部分不透光,表示,1” 。 按照圆盘上形成的二进位的每一环配置光电变换器,即图中用黑点所示位置,隔着圆盘从后侧用光源照射 。 此编码盘共有四环,每一环配置的光电变换器对应为 20、
21,22,23。 图中,内侧是二进制的高位,即 23；外侧是二进制的低位,如,1101”,读出的是十进制,13” 的角度坐标值 。 二进制编码器的主要缺点是图案变化无规律,在使用中多位同时变化,易产生较多的误读 。 经改进后的结构如图 6-12所示的葛莱编码盘,它的特点是,每相邻十进制数之间只一位二进制码不同 。 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 。
葛莱编码器图 6-11 二进制编码器 图 6-12 葛莱编码器二进制码与葛莱码的换算图 6-12为葛莱码盘,其各码道的数码不同时改变,任何两个相邻数码间只有一位是变化的,每次只切换一位数,
把误差控制在最小范围内 。 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 ）
绝对值式编码器的优缺点绝对值式编码器比增量编码器具有较多优点：坐标值可从绝对编码盘中直接读出,不会有累积进程中的误计数；运转速度可以提高,编码器本身具有机械式存储功能,即便因停电或其他原因造成坐标值清除,通电后,仍可找到原绝对坐标位置 。
其缺点是,当进给转数大于一转时,需作特别处理,
如用减速齿轮将两个以上的编码器连接起来,组成多级检测装置,但其结构复杂,成本高 。
6.4.3 脉冲编码器的使用脉冲编码器是一种回转编码器,可以用来测相对位移,单位时间内的相对角位移就是角速度 。
回转编码器在检测角位移的同时,配以定时器便可检测出角速度 。
脉冲编码器作速度检测的原理脉冲编码器在经过一个单位角位移时,便产生一个脉冲,PG(A)是脉冲编码器的输出脉冲 。 可以看出,用脉冲编码器输出信号的上升沿打开计数器,对高频时钟信号进行计数；用其下降沿打开锁存器,对计数器内的计数值进行锁存,这样,锁存器的内容就是角位移所经过的时间,求其倒数,便可得到速度 。
图 6-22用脉冲编码器作速度检测原理图注 意在这种用法中,需要根据电机的转速范围和检测精度来决定时钟频率和计数的容量 。 例如,如果电机的转速范围为 n=60～ 3 000 r/min,编码器为 100脉冲 /转,则在低速时,每秒发 100个脉冲,即 PG脉冲周期为
0.01s。 如果采用 8位计数器,则高频时钟频率 f保证计数器不溢出的条件为 0.01f≤256,则 f≤25.6 kHz为了得到较高的检测精度,取 f=25.6 kHz，
则在最高转速 3 000 r/min时,计数器的值为：
PG=fn=25 6001003 3 000/60=5.12
如果对脉冲上升沿进行计数,则为 6；如果对脉冲下降沿进行计数,则为 5。
不难看出,时钟频率越高,则测速误差就越小 。 但时钟频率受计数器容量和工作上限频率限制,不可能无限制地高,所以量化误差总是存在的 。
6.5 光删测量装置
6.5.1 光栅的工作原理
6.5.2 光栅测量的装置
6.5.3 直线光栅检测装置的线路
6.5.4 光栅检测系统光栅简介光栅种类较多 。 根据光线在光栅中是透射还是反射分为透射光栅和反射光栅,透射光栅分辨率较反射光栅高,其检测精度可达 1μm以上 。 从形状上看,又可分为圆光栅和直线光栅 。 圆光栅用于测量转角位移,直线光栅用于检测直线位移 。 两者工作原理基本相似,本节着重介绍一种应用比较广泛的透射式直线光栅 。
直线光栅通常包括一长和一短两块配套使用,其中长的称为标尺光栅或长光栅,一般固定在机床移动部件上,要求与行程等长 。 短的为指示光栅或短光栅,装在机床固定部件上 。 两光栅尺是刻有均匀密集线纹的透明玻璃片,线纹密度为 25,50、
100,250条 /mm等 。 线纹之间距离相等,该间距称为栅距,测量时它们相互平行放置,并保持 0.05~0.1mm的间隙 。
计量光栅有长光栅和圆光栅两种,是数控机床和数显系统常用的检测元件 。 它具有精度高,响应速度较快等优点 。 光栅测量是一种非接触式测量 。
6.5.1 光栅的工作原理光栅位移检测装置由光源,两块光栅 (长光栅,短光栅 )和光电元件等组成,见图 6-13(a)。
图 6-13 光栅的工作原理图原理说明光栅是在一块长条形的光图 6-13光栅的工作原理图学玻璃上均匀地刻上许多与运动方向垂直的线条,线条之间距离 (称为栅距 )可以根据所需的精度决定,一般每毫米刻 50,100,200条线 。 长光栅 G1装在机床的移动部件上,称为标尺光栅；短光栅 G2装在机床的固定部件上,称为指示光栅 。 两块光栅互相平行并保持一定的间隙 (如 0.05 mm或 0.1 mm等 ),而两块光栅的刻线密度相同 。
原理说明（放大作用）
如果将指示光栅在其自身的平面内转过一个很小的角度后,这样两块光栅的刻线相交,当平行光线垂直照射标尺光栅时,则在相交区域出现明暗交替,间隔相等的粗大条纹,称为莫尔条纹 。 由于两块光栅的刻线密度相等,即栅距 ω相等,使产生的莫尔条纹的方向与光栅刻线方向大致垂直 。 其几何关系见图 6-13(b)。
当 θ很小时,莫尔条纹的节距为
W=ω/θ (6-16)
这表明莫尔条纹的节距是栅距的 1/θ倍 。
原理说明（移动成比例并具有方向性）
当标尺光栅移动时,莫尔条纹就沿与光栅移动方向垂直的方向移动 。 当光栅移动一个栅距 ω时,莫尔条纹就相应准确地移动一个节距 W,也就是说两者一一对应 。 因此,只要读出移过莫尔条纹的数目,就可知道光栅移过了多少个栅距,而栅距在制造光栅时是已知的,所以光栅的移动距离就可以通过光电检测系统对移过的莫尔条纹数进行计数,
处理后自动测量出来 。
原理说明（均化误差）
如果光栅的刻线为 100条,即栅距为 0.01 mm时,人们是无法用肉眼来分辨的,但它的莫尔条纹却清晰可见 。 所以莫尔条纹是一种简单的放大机构,其放大倍数取决于两光栅刻线的交角 θ，
如 ω=0.01 mm,W=10 mm,则其放大倍数为 1/θ=W/ω=1 000倍 。
这种放大特点是莫尔条纹系统的独具特点 。
莫尔条纹的另一特点,就是平均效应 。 因为莫尔条纹是由若干条光栅刻线组成,若光电元件接受长度为 10 mm,在 ω=0.01 mm
时,光电元件接受的信号是由 1 000条刻线组成,所以制造数控技术上的缺陷,例如间断地少几根线,只会影响千分之几的光电效果 。 因此,用光栅测量长度,决定其精度的要素不是一根刻线,
而是一组线的平均精度 。
若标尺光栅不动,将指示光栅转一很小的角度,两者移动方向及光栅夹角关系如表所示 。 因莫尔条纹移动方向与光栅移动方向垂直,可用检测垂直方向宽大的莫尔条纹代替光栅水平方向移动的微小距离 。
指示光栅转角方向 标尺光栅移动方向 莫尔条纹移动方向逆时针方向 右 → 下 ↓
左 ← 上 ↑
顺时针方向 右 → 上 ↑
左 ← 下 ↓
莫尔条纹移动方向与光栅移动方向及光栅夹角的关系
P
θ标尺光栅莫尔条纹
6.5.2 光栅测量的装置在实际使用中,大多数装置是把光源,指示光栅和光电元件组合在一起,称之为读数头 。 读数头的结构形式很多,但就其光路来看可分为以下几种 。
1,分光读数头
2,垂直入射读数头
3,反射读数头
1,分光读数头它的原理图见图 6-14,光源 Q发出的光经透镜 L1变成平行光,照射到光栅 G1和 G2上,由透镜 L2把在指示光栅 G2上形成的莫尔条纹聚焦,并在它的焦面上安置光电元件用以接受莫尔条纹的明暗信号 。
这种光学系统是莫尔条纹光学系统的基本型 。 这种分光读数头,刻线截面为锯齿形,栅距为 0.004
mm,锯齿的倾角是根据光栅材料的折射率与入射光的波长确定的 。
图 6-14分光读数头原理图分光读数头不过,这种光栅间距比较小,两块光栅之间的间隙也小 。 为了保护光栅表面,常需粘一层保护玻璃,而这样小的间隙是不行的 。 因此,在实际使用中采用投影系统 (见图 6 15),它是在光栅 G1与 G2
之间装上等倍投影透镜 L3,L4。 这样,G1的像就以同样大小的像投影在 G2上形成莫尔条纹 。 这种系统本质上与前面的相同,只是
G1和 G2之间的距离拉长了,从而满足了实际的使用要求 。 这种读数头主要用在高精度坐标控制和精密测量仪器上 。
图 6-15等倍投影系统图 6-16 玻璃透射光栅系统
2,垂直入射读数头这种读数头主要是用于每毫米 25～ 125线的玻璃透射光栅系统从光源 Q经直透镜 L使光束垂直照射到标尺光栅 G1上,然后通过指示光栅 G2由光电元件
P接收 。 两块光栅之间的距离 t
是根据有效光波的波长 λ 和光栅栅距 ω来选择,即 t=ω/λ 。
但这仅仅是理论值,在实际使用中还要具体选择 。
垂直入射读数头的结构图 6-17为垂直入射读数头的结构示意图,光源 1通过透镜 2后变成平行光照射在标尺光栅 3和指示光栅 4上,形成莫尔条纹后由光电池 5接受信号 。
图 6-17中 8是滚动轴承,
它保证了标尺光栅和指示光栅之间恒定的间隙 。 标尺光栅和读数头分别装在固定部件和移动部件上,
标尺光栅用压板 7夹紧,读数头用螺钉 6固定,其精度最高可达 0.001/1 000 mm。
图 6-17垂直入射读数头的结构示意图
1— 光源；
2— 透镜；
3— 标尺光栅；
4— 指示光栅；
5— 光电池；
6— 螺钉；
7— 压板；
8— 滚动轴承
3,反射读数头这种读数头主要用于每毫米
25～ 50线以下的反射光栅系统,
如图 6-18所示 。 经直透镜 L1，
将光源 Q变成平行光,并以对光栅法面为 β的入射角 (一般为
30° )投影到标尺光栅 G1的反射面上；反射回来的光束先通过指示光栅 G2形成莫尔条纹,
然后经透镜 L1由光电元件 P接收信号 。
图 6-18 反射光栅系统注 意光栅只能用于增量测量方式,目前有的光栅读数头设有一个绝对零点,这样由于停电或其他原因造成记错数字时,可以重新对零 。 它是在标尺光栅上有一小段光栅,在指示光栅上也有相应一小段光栅,当这两小段光栅重叠时发出零位信号,并在数字显示器中显示出来 。
6.5.3 直线光栅检测装置的线路为了提高光栅分辨精度,线路采用了 4倍频的方案 。
图 6-19 光栅测量装置的逻辑框图四倍频原理当光栅刻线密度为 50线 /毫米时,采用 4个光电元件和 4
个缝隙 。 每隔 1／ 4光栅节距产生 1个脉冲,分辨精度可提高 4倍 。
当指示光栅和标尺光栅相对运动时,硅光电池产生正弦波电流信号,这些信号送至差动放大器,再通过整形,
使之成两路正弦及余弦方波 。 然后经微分电路获得脉冲,
由于脉冲是在方波的上升边产生的,如图 6 19所示 。 为了使 0°,90°,180° 及 270° 的位置上都得到脉冲,所以将正弦和余弦方波分别各自反相一次,然后再微分,
这样可以得到四个脉冲 。
四倍频原理为了判别正向或反向运动,还用一些与门把 4个方波
sin,-sin,cos及 -cos(即 A,C,B及 D)和 4个脉冲进行逻辑组合 。 当正方向运动时,通过与门 1～ 4及或门 H1
得到 A′B+AD′+C′D+B′C4个脉冲输出；当反方向运动时,通过与门 5～ 8及或门 H2得到 BC′+AB′+A′D+CD′4
个脉冲输出 。 这样,如果光栅的栅距为 0.02 mm,4倍频后每 1个脉冲都相当于 0.005 mm,使分辨精度提高 4
倍 。
当然,倍频数还可以增加到 8倍频等,但一般到 20
倍频以上就比较困难了 。
6.5.4 光栅测量系统光栅测量系统如图 6-19所示,由光源,聚光镜,光栅尺,光电元件和驱动线路组成 。
读数头光源采用普通的灯泡,发出辐射光线,经过聚光镜后变为平行光束,照射光栅尺 。
光电元件 （ 常使用硅光电池 ） 接受透过光栅尺光强信号,并将其转换成相应的电压信号 。 由于此信号比较微弱,在长距离传递时,
很容易被各种干扰信号淹没,造成传递失真,驱动线路的作用就是将电压信号进行电压和功率放大 。
除标尺光栅与工作台一起移动外,光源,聚光镜,指示光栅,光电元件和驱动线路均装在一个壳体内,作成一个单独部件固定在机床上,这个部件称为光栅读数头,又叫光电转换器,其作用把光栅莫尔条纹的光信号变成电信号 。
光栅的应用（光栅位移－数字转换系统）
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 （ 见下图 ） 。
图 A 光栅的实际亮度变化 图 B 光栅的输出波形图光栅位移 O 光栅位移光栅亮度与电压的对比亮度 电压
O
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 90o。 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 。
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 。
图 6-19中的 1,2,3,4是四块硅光电池,产生的信号相位彼此相差
90o。 1,3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,2,4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′,D′,即在正走或反走时每个方波的上升沿产生窄脉冲,
由与门电路把 0o,90o,180o,270o四个位置上产生的窄脉冲组合起来,根据不同的移动方向形成正向或反向脉冲 。 正向运动时,用与门
Y1~Y4及或门 H1,得到 A′B+AD′+C′D+B′C的四个输出脉冲；反向运动时,用与门 Y5~Y8及或门 H2,得到 BC′+ CD′+A′D+ AB′的四个输出脉冲,其波形见图 6-19。
正向 相加 A′ B+AD′ +C′ D+B′ C
反向 相加 BC′ +CD′ +A′ D+AB′
若光栅栅距 0.01mm,则工作台每移动 0.0025mm,就会送出一个脉冲,即分辨率为 0.0025mm。 由此可见,光栅检测系统的分辨力不仅取决于光栅尺的栅距,还取决于鉴向倍频的倍数 。
除四倍频以外,还有十倍频,二十倍频等 。 但一般到
20倍频以上就比较困难了 。
6.6 速度传感器
6.6.1 测速发电机
6.6.2 脉冲编码器的使用速度传感器分直线速度型和角速度型 。
前面介绍的光电编码器,它除了用作角位移传感器外,同时也被用作速度传感器 。
测速发电机也是一种常用的速度传感器 。
速度传感器一般用于数控系统伺服单元的速度检测控制中,因此角速度传感器用得较多 。
6.6.1 测速发电机是一种能把机械转速转变为电信号的传感器 。
特点：
(1) 输出电压与转速严格地呈线性关系 。
(2) 输出电势与转速比的斜率大 。
测速发电机分交流和直流两大类 。
交流测速发电机又有同步,异步之分 。 在机电一体化控制系统中,常用的是交流异步测速发电机和直流测速发电机 。
图 6-20交流测速发电机工作原理图
1,交流测速发电机如图 6-20所示,定子为两组在空间相互成 90° 角安置的绕组,
转子则为空心杯形结构 。
当在励磁绕组上施加恒定的单相交流电压 U1时,发电机工作绕组便会输出与转速 n大小成正比的交流电压信号 U2,其有效值为：
E2=4.44N2f1KΦd2∝n
式中：
N2— 输出绕组的线圈匝数；
f1— 励磁电压的频率；
K— 绕组系数 (K≈ 1)；
Φd— 电机中的合成磁通 。
2,直流测速发电机它一般都做成永磁式,其工作原理如图 6-21所示 。
在恒定磁场 Φo下,当电枢以转速 n旋转时,电枢上的导体切割磁力线,在瞬间产生空载感应电动势 Eo,它的值由下式确定：
Eo=CeΦon
式中,Ce为电势常数；
Φo为磁通 。
从上式可以看出,空载输出电压 V=Eo,它与转速 n成正比 。 当存在负载电阻 R1和电枢回路总电阻 Ro时,则
V=Eo-IRo=Eo-VRo/R1
V=Eo/(1+Ro/R1)=CeΦon/(1+Ro/R1)
由此可以看出,当 Φo,Ro,R1不变时,测速发电机的输出电压 V与转速 n成正比 。
图 6-21直流测速发电机工作原理图影响直流测速发电机测量结果的因素
(1) 周围环境温度的变化使绕组电阻发生变化,从而产生线性误差 。
(2) 电枢反应,也就是由于电枢电流所产生的磁场会影响测速发电机的磁场,从而引起测量误差 。
(3) 电枢回路的电阻随电枢电流的变化而变化,破坏了输出电压与转速的线性关系 。
为了减少以上影响：
测速发电机的磁路应选得足够饱和；
同时还应将负载电流限制在较小的范围内 。
6.6.2 脉冲编码器的使用脉冲编码器是一种回转编码器,可以用来测相对位移,单位时间内的相对角位移就是角速度 。
回转编码器在检测角位移的同时,配以定时器便可检测出角速度 。
脉冲编码器作速度检测的原理脉冲编码器在经过一个单位角位移时,便产生一个脉冲,
图 6-22是用脉冲编码器作速度检测的原理图 。
PG(A)是脉冲编码器的输出脉冲 。 可以看出,用脉冲编码器输出信号的上升沿打开计数器,对高频时钟信号进行计数；用其下降沿打开锁存器,对计数器内的计数值进行锁存,这样,锁存器的内容就是角位移所经过的时间,求其倒数,便可得到速度 。
图 6-22用脉冲编码器作速度检测原理图注 意在这种用法中,需要根据电机的转速范围和检测精度来决定时钟频率和计数的容量 。 例如,如果电机的转速范围为 n=60～ 3 000 r/min，
编码器为 100脉冲 /转,则在低速时,每秒发 100个脉冲,即 PG脉冲周期为 0.01s。 如果采用 8位计数器,则高频时钟频率 f保证计数器不溢出的条件为 0.01f≤256,则 f≤25.6 kHz为了得到较高的检测精度,取 f=25.6
kHz,则在最高转速 3 000 r/min时,计数器的值为：
PG=fn=25 6001003 3 000/60=5.12 如果对脉冲上升沿进行计数,则为 6；如果对脉冲下降沿进行计数,则为 5。
不难看出,时钟频率越高,则测速误差就越小 。 但时钟频率受计数器容量和工作上限频率限制,不可能无限制地高,所以量化误差总是存在的 。
6.7 位置传感器
6.7.1 接触式位置传感器
6.7.2 接近式位置传感器
6.7 位置传感器位置传感器和位移传感器不一样,它所测量的不是一段距离的变化量,而是通过检测,确定是否已到达某一位置 。 因此,它不需要产生连续变化的模拟量,只需要产生能反映某种状态的开关量就可以了 。
这种传感器常用于数控机床换刀具,工件或工作台到位或行程限制等辅助机能的信号检测 。
位置传感器分接触式和接近式两种 。 接触式传感器是能获取两个物体是否接触之信息的一种传感器；
而接近式传感器则是用来判别在某一范围内是否有某一物体的一种传感器 。
6.7.1 接触式位置传感器这类传感器用微动开关之类的触点器件便可构成 。
它有以下两种：
（ 1） 微动开关位置传感器
（ 2） 二维矩阵式位置传感器
（ 1） 微动开关位置传感器用于检测物体位置,图 6-23所示的几种构造和分布形式 。
图 6-23 微动开关位置传感器
（ a） 构造； （ b） 分布形式
（ 2）二维矩阵式位置传感器二维矩阵式位置传感器如图 6 24所示,它一般用于机械手掌内侧,在手掌内侧常安装有多个二值触觉传感器,用以检测自身与某一物体的接触位置 。
图 6-24 二维矩阵式位置传感器
1— 柔软电极； 2— 柔软绝缘体
6.7.2 接近式位置传感器接近式位置传感器的种类：
① 电磁式；
② 光电式；
③ 静电容式；
④ 气压式；
⑤ 超声波式 。
接近式位置传感器的原理基本工作原理可用图 6-25表示 。
图 6-25 接近式位置传感器
1,电磁式传感器工作原理如下：当一个永久磁铁或一个通有高频电流线圈接近一个铁磁体时,它们的磁力线分布将发生变化 。 因此,
可以用另一组线圈检测这种变化 。 当铁磁体靠近或远离磁场时,它所引起的磁通量变化将在线圈中感应出一个电流脉冲,
其幅值正比于磁通的变化 。
图 6-26给出了线圈两端的电压随铁磁体进入磁场的速度而变化的曲线,其电压极性取决于物体进入磁场还是离开磁场 。 因此,对此电压进行积分便可得出一个二值信号,当积分值小于一定的阈值时,积分器输出低电平；反之,则输出高电平,此时表示某一物体已接近 。
图 6-26电压与速度的关系注 意为了克服此缺点,目前数控系统越来越多地使用光电检测器来检测位置 。
电磁感应传感器只能检测电磁材料,对其他非电磁材料则无能为力 。
2,光电式传感器这种传感器具有体积小,可靠性高,检测位置精度高,
响应速度快,易与 TTL及 CMOS电路并容等优点 。
它分透光型和反射型两种 。
霍尔元件也算 。
（ 1）透光型光电传感器在透光型光电传感器中,发光器件和受光器件相对放置,中间留有间隙,当被测物体到达这一间隙时,发射光被遮住,从而接收器件 (光敏元件 )便可检测出物体已经达到 。
图 6-27透光型传感器的接口电路
（ 2）反射型光电传感器在反射型光电传感器中,发出的光经被测物体反射后再落到检测器件上 。
它与透光型传感器相似,但由于是检测反射光,所以得到的输出电流 Io较小 。 另外,对于不同的物体表面,信噪比也不一样,因此,设定限幅电平就显得非常重要 。 图 6-28所示为这种传感器的典型应用,它的电路与透光型传感器类似,只是接收器的发射极电阻用得较大,且为可调电阻 。 这主要是因为反射型光电传感器的光电流较小,且有很大分散性的缘故 。 图 6-28反射型传感器的接口电路
（ 3）霍尔元件图 6-29 霍尔元件霍尔元件是一种半导体磁电转换元件 (见图 6-29),一般由锗 (Ge),锑化铟 (InSb)、
砷化铟 (InAs)等半导体材料制成 。 其工作原理是将元件置于磁场中,如果 a,b端通以电流 I,在 c,d端就会出现电位差,这种现象称为霍尔效应 。 将小磁体固定在运动部件上,当部件靠近霍尔元件时,便会产生霍尔效应,
利用电路检测出电阻电位差信号,便能判断物体是否到位 。
本章重点、难点和知识拓展本章重点,用于检测机床运动部件位置,速度的各种检测装置及其工作原理 。
知识拓展,数控机床常用的位置检测装置有光栅,编码器,感应同步器,旋转变压器及磁栅等 。 从测量的方式看有直接测量和间接测量；从测量装置的原理和输出信号看有绝对式测量和增量式测量及数字式测量和模拟式测量 。
本章难点,每种检测装置使用场合和安装方式 。
位置检测装置是数控机床的重要组成部分 。 在闭环,
半闭环控制系统中,它的主要作用是检测位移和速度,并发出反馈信号,构成闭环或半闭环控制 。
发出反馈的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 。
数控机床一般要求检测元件的分辨率 （ 检测元件能检测到的最小位移量 ） 在 0.0001-0.01之内,测量精度为 ± 0.001- ± 0.02mm/m,运动速度为 0-24m/min 。
第 6章思考题与习题
6-1位置检测装置在 NC机床中的作用是什么?试简述
NC机床对位置检测装置的要求 。
6-2位置检测装置有哪几种分类方法?感应同步器,脉冲编码器在这些分类方法中各属于哪一类?
6-3简述莫尔条纹的形成原理及特点 。
6-4在光栅检测中采用细分电路有什么作用?
6-5简述接触式码盘的结构和工作原理 。
6-6增量式光电码盘如何判断轴的旋转方向和测量轴的转速?
第 6章思考题与习题
6-7绝对编码器的分辨率是由什么决定的?
6-8简述光栅位置检测装置检测线位移的工作原理 。
6-9在绝对编码器中,二进制编码与葛莱码编码盘各有何优缺点?
6-10设有一绝对编码器有 8个码道,求其能分辨的最小角度是多少?
若该编码器采用二进制编码,那么,11001101所对应的角度在哪个范围内?
6-11简述感应同步器的结构特点和工作原理 。
6-12感应同步器有几种工作方式?每种工作方式的激磁电压有何特点?它们的哪些参数对测量精度有影响？ 为什么?
6-13简述旋转变压器的结构特点和工作原理 。
6.1 概述
6.2 旋转变压器
6.3 感应同步器
6.4 脉冲编码器
6.5 光栅测量装置
6.6 速度传感器
6.7 位置传感器本章重点、难点和知识拓展本章重点,用于检测机床运动部件位置,速度的各种检测装置及其工作原理 。
知识拓展,数控机床常用的位置检测装置有光栅,
编码器,感应同步器,旋转变压器及磁栅等 。 从测量的方式看有直接测量和间接测量；从测量装置的原理和输出信号看有绝对式测量和增量式测量及数字式测量和模拟式测量 。
本章难点,每种检测装置使用场合和安装方式。
图 6-1 CNC系统的组成
6.1 概述
6.1.1检测概述位置检测装置是数控机床的重要组成部分 。 在闭环,
半闭环控制系统中,它的主要作用是检测位移和速度,
并发出反馈信号,构成闭环或半闭环控制 。
6.1概述图 6-2富士通 CNC系统原理图
6.1.2 检测元件的作用与分类数控机床对位置检测装置的要求
1,工作可靠，抗干扰能力强；
2,满足精度和速度的要求；
3,易于安装，维护方便，适应机床工作环境；
4,成本低。
位移检测装置的分类测角测长位移检测装置数字式增量式 光电盘圆光栅数码盘绝对式 —
模拟式增量式同步分解器圆感应同步器磁盘绝对式多极同步分解器同步分解器组件三重式圆感应同步器长光栅多通道透射光栅直线感应同步器磁尺数字式增量式绝对式模拟式增量式绝对式 多重式直线感应同步器
—
—
—
6.2 旋转变压器
6.2.1 旋转变压器的结构和工作原理旋转变压器 （ 又称同步分解器 )是一种旋转式的小型交流电机,它由定子和转子组成 。 图 6-3所示的是一种无刷旋转变压器的结构图,左边为分解器,右边为变压器 。 旋转变压器是根据互感原理工作的 。
图 6-3 无刷旋转变压器的结构图
1— 电机轴； 2— 外壳； 3— 分解器定子； 4— 变压器定子绕组； 5— 变压器转子绕组； 6— 变压器转子； 7— 变压器定子； 8— 分解器转子； 9— 分解器定子绕组； 10— 分解器转子绕组旋转变压器是根据互感原理工作的 。 它的结构设计与制造保证了定子与转子之间的空气隙内的磁通分布呈正弦规律,当定子绕组上加交流激磁电压时,通过互感在转子绕组中产生感应电动势,其输出电压的大小取决于定子与转子两个绕组轴线在空间的相对位置 θ角 。 两者平行时互感最大,副边的感应电动势也最大；两者垂直时互感为零,感应电动势也为零 。
图 6-4旋转变压器的工作原理图输入,U1=Vmsinωt 输出,U2=KU1sinθ=KVmsinωt ·sinθ
最大互感电压,U2=KVmsinωt
式中,K-变压比,即两个绕组匝数比 W1/W2； U1-定子的激磁电压 ； Vm-
定子的最大瞬时电压； ω— 励磁信号角频率； θ— 旋转变压器转角 。
旋转变压器是一种角位移测量装置,由定子和转子组成 。 是根据互感原理工作的 。
旋转变压器的工作原理与普通变压器基本相似,其中定子绕组作为变压器的一次侧,接受励磁电压 。
转子绕组作为变压器的二次侧,通过电磁耦合得到感应电压,只是其输出电压大小与转子位置有关 。
旋转变压器通过测量电动机或被测轴的转角来间接测量工作台的位移 。
旋转变压器分为单极和多极形式,先分析一下单极工作情况 。
6.2.2 旋转变压器的应用实际使用时通常采用多极形式,如正余弦旋转变压器,
其定子和转子均由两个匝数相等,轴线相互垂直的绕组构成,如图 6-5所示 。 一个转子绕组接高阻抗作为补偿,
另一个转子绕组作为输出,应用叠加原理,其磁通为：
转子输出电压则为：
c o ss i n2 cs ＝
c o ssin2 cs KVKVV
应用旋转变压器作位置检测元件,有两种方法：鉴相型和鉴幅型应用 。
Φc
Φs
Φccosθ
Φs
θ θ Φssinθ
Φc
图 6-5 正余弦旋转变压器工作原理
（ 1）鉴相型应用在此状态下,旋转变压器的定子两相正交绕组即正弦绕组
S和余弦绕组 C中分别加上幅值相等,频率相同而相位相差
90° 的正弦交流电压 (如图 6-5所示 )，
Us=Vmsinω t Uc=Vmcosω t
这两相激磁电压会产生旋转磁场,在转子绕组中 (另一绕组短接 ) 感应电动势为 U2=Ussinθ+Uccosθ 即
U2=KVmsinωt2 sinθ+KVmcosωt2 cosθ=KVmcos(ωt-θ)
测量转子绕组输出电压的相位角 θ,即可测得转子相对于定子的空间转角位置 。 在实际应用时,把对定子正弦绕组激磁的交流电压相位作为基准相位,与转子绕组输出电压相位作比较,来确定转子转角的位移 。
(2) 鉴幅型应用这种应用中,定子两相绕组的激磁电压为频率相同,
相位相同而幅值分别按正弦,余弦规律变化的交变电压,
即 Us=Vmsinθsinωt
Uc=Vmcosθsinωt 激磁电压频率为 2～ 4 kHz。
定子激磁信号产生的合成磁通在转子绕组中产生感应电动势 U2,其大小与转子和定子的相对位置即 θm有关,并与激磁的幅值 Vmsinθ和 Vmcosθ有关,即
U2=KVmsin(θ-θm)sinωt
若 θm=θ,则 U2=0。
(2) 鉴幅型应用从物理概念上理解,θm=θ表示定子绕组合成磁通 Φ由与转子绕组的线圈平面平行,即没有磁力线穿过转子绕组线圈,故感应电动势为零 。 当 Φ垂直于转子绕组线圈平面时,即 θm=θ± 90°
时,转子绕组中感应电动势最大 。
在实际应用中,根据转子误差电压的大小,不断修改定子激磁信号的 θ(即激磁幅值 ),使其跟踪 θm的变化 。 当感应电动势 U2
的幅值 KVmsin(θ-θm)为零时,说明 θ角的大小就是被测角位移
θm的大小 。
如果将旋转变压器装在数控机床的滚珠丝杠上,当角从 00到
3600 时,丝杠上的螺母带动工作台移动了一个导程,间接测量了执行部件的直线位移 。 测量所走过的行程时,可加一个计数器,累计所转的转数,折算成位移总长度 。
小 结旋转变压器是一种角位移测量装置,由定子和转子组成 。
旋转变压器是根据互感原理工作的 。
旋转变压器作为位置检测装置,有两种典型工作方式,鉴相式和鉴幅式 。
鉴相式是根据感应输出电压的相位来检测位移量；
鉴幅式是根据感应输出电压的幅值来检测位移量 。
6.3 感应同步器
6.3.1感应同步器的结构
6.3.2感应同步器的工作原理
6.3.3感应同步器的特点
6.3.4 感应同步器的应用
6.3.1 感应同步器的结构感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置,属模拟式测量,二者工作原理相同,其输出电压随被测直线位移或角位移而改变 。
感应同步器按其结构特点一般分为直线式和旋转式两种：
直线式感应同步器由定尺和滑尺组成,用于直线位移测量 。
旋转式感应同步器由转子和定子组成,用于角位移测量 。
图 6-6感应同步器的结构图直线感应同步器直线感应同步器相当于一个展开的多极旋转变压器,
其结构如图 6-6所示,定尺和滑尺的基板采用与机床热膨胀系数相近的钢板制成,钢板上用绝缘粘结剂贴有铜箔,
并利用腐蚀的办法做成图示的印刷绕组 。 长尺叫定尺,
安装在机床床身上,短尺为滑尺,安装于移动部件上,
两者平行放置,保持 0.25-0.05mm间隙 。
直线感应同步器感应同步器两个单元绕组之间的距离为节距,滑尺和定尺的节距均为,这是衡量感应同步器精度的主要参数 。 标准感应同步器定尺长 250mm,滑尺长 100mm，
节距为 2mm。 定尺上是单向,均匀,连续的感应绕组,
滑尺有两组绕组,一组为正弦绕组,另一为余弦绕组 。
当正弦绕组与定尺绕组对齐时,余弦绕组与定尺绕组相差 1/4节距 。
V2
定尺滑尺正弦绕组 Vs Vc 余弦绕组直线感应同步器结构
6.3.2 感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理与旋转变压器基本上相同,
使用时,在滑尺绕组通以一定频率的交流电压,由于电磁感应,在定尺绕组中产生感应电动势,其幅值和相位取决于定尺与滑尺的相对位置,如图 6-7所示 。
图 6-7感应同步器的工作原理图
（ 1） 鉴相方式给绕组 S和 C分别通以幅值相同,频率相同但相位相差 90°
的交流电压,即 Us=Vmsinωt Uc=Vmcosωt
分别在定尺的绕组上产生感应电压为 V1=Kvmcosθsinωt
V2=-Kvmsinθcosωt
则在定尺绕组上产生合成电压为
V=V1+V2
=KVmcosθsinωt-Vmsinθcosωt
=KVmsin(ωt-θ)
若感应同步器的节距为 2τ,则滑尺直线位移量 x与 θ之间的关系为
θ=2πx/2τ=πx/τ可见，在一个节距内 θ
与 x是一一对应的。通过测量定尺感应电压的相位 θ,即可测量出定尺相对滑尺的位移 x。
图 6-8鉴相系统的结构框图
（ 2） 鉴幅方式则感应到定尺绕组电势为
V=-KVmsin(θm-θ)sinωt
若 θm=θ,则 V=0。
给滑尺的正弦绕组 S和余弦绕组 C分别通以频率相同,相位相同但幅值不同且能由指令角位移 θ 调节的交流电压,
即 Us=Vmsinθsinωt
Uc=Vmcosθsinωt
图 6-9鉴幅系统的结构框图感应电压幅值与定尺滑尺相对位置关系定 尺滑 A
尺 B
2
4
1
位 C
2
2
1
置 D
2
4
3
E
2
E A
V
2
M N 正弦绕组余弦绕组
θ
B
D
C
O
P
感应电压幅值与定尺滑尺相对位置关系图若设定尺绕组节距为,它对应的感应电压以余弦函数变化了,当滑尺移动距离为时,则对应感应电压以余弦函数变化相位角 。 由比例关系可得设 表 示 滑 尺 上 一 相 绕 组 的 激 磁 电 压则 定 尺 绕 组 感 应 电 压 为式中 K— 耦 合 系 数 ；
— 激 磁 电 压 的 幅 值 ；
ω— 激磁电压的角频率；
— 与位移对应的角度 。
22
x?
xx
2
2
tVV ms?s i n?
tKVKVV ms s i nc o sc o s2
mV
感应电压的幅值变化规律就是一个周期性的余弦曲线 。 在一个周期内,感应电压的某一幅值对应两个位移点,如关系图中 M,N两点 。 为确定唯一位移,在滑尺上与正弦绕组错开 1/4节距处,配置了余弦绕组 。 同样,若在滑尺的余弦绕组中通以交流励磁电压,也能得出定尺绕组感应电压与两尺相对位移的关系曲线,
它们之间为正弦函数关系 (图中 OP)。 若滑尺上的正,
余弦绕组同时励磁,就可以分辨出感应电压值所对应的唯一确定的位移 。
注 意假定激磁电压的 θ与定尺,滑尺的实际相位角 θm不一致时,
设 θm=θ+α,则 V=-Kvmsinαsinωt 当 α很小时,上式可近似表示为 V=-(KVmsinωt)α由上式可知,定尺上感应电势与 α成正比,即 V随指令给定的位移量 x(θ)与工作台实际位移量 x1(θm)的差值 Δx(α)成正比变化 。 因此通过测量 V的幅值,就可以测定位移量 Δx的大小 。
当工作台位移值未达到指令要求值时,即 x1≠x(θm≠θ)时,
定尺上感应电压 V≠0。 该电压经检波放大控制伺服驱动机构带动机床工作台移动 。 当工作台移动至 x1=x(θm=θ)时,
定尺上感应电压 V=0,误差信号消失,工作台停止移动 。
定尺上感应电压 V同时输至相敏放大器,与来自相位补偿器的标准正弦信号进行比较,以控制工作台的运动方向 。
6.3.3 感应同步器的特点由于感应同步器具有一系列的优点,所以广泛用于位移检测 。 感应同步器安装时,要注意定尺与滑尺之间的间隙,一般在 (0.25± 0.05) mm范围内 。 间隙变化也必须控制在 0.01 mm之内 。 如间隙过大,将影响测量信号的灵敏度 。 其特点如下 。
(1) 精度高感应同步器的极对数多,平均效应所产生的测量精度要比制造精度高,且输出信号是由滑尺和定尺之间相对移动产生的,中间无机械转换环节,所以测量结果只受本身精度的影响 。
6.3.3 感应同步器的特点
(2) 测量长度不受限制当测量长度大于 250 mm时,可以采用多块尺接长,相邻定尺间隔可用块规或激光测长仪进行调整,使总长度上的累积误差不大于单块定尺的最大偏差 。
(3) 对环境的适应性强直线式感应同步器的金属基尺与安装部件的材料的膨胀系数相似,当环境温度变化时,两者的变化规律相同,而不影响测量精度 。
(4) 维护简单,寿命长定尺,滑尺之间无接触磨损,在机床上安装简单 。 但使用时需要加防护罩,防止切屑进入定,滑尺之间划伤导片 。
6.3.4 感应同步器的应用如果感应同步器的节距为 2mm,脉冲当量选定为
δ=0.001mm,一个脉冲对应的相移角 Δθ1为数控装置每发一个进给脉冲,经脉冲调相器变为超前基准信号一个 0.180相移角的信号,即 Δθ1=θ1-θ0=0.180。 此时因工作台未动,反馈信号相对于基准信号的相位差
Δθ2=θ2-θ0=0（ θ2为定尺绕组上作为反馈信号所取的感应电压 U2的相位 ） 。 鉴相器将 δ＝ Δθ1－ Δθ2 =0.180的相位差检测出来,经放大后控制伺服电动机带动工作台移动 。 随着工作台的移动,θ2逐渐增大,相位差 δ逐渐减少,
直至 δ＝ 0。
18.03 6 0
21
小 结感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置,属模拟式测量,二者工作原理相同,其输出电压随被测直线位移或角位移而改变 。 是根据互感原理工作的 。
作为位置检测装置,有两种典型工作方式,鉴相式和鉴幅式 。 鉴相式是根据感应输出电压的相位来检测位移量；鉴幅式是根据感应输出电压的幅值来检测位移量 。
6.4 脉冲编码器
6.4.1增量式编码器
6.4.2绝对值式编码器
6.4.3脉冲编码器的使用脉冲编码器脉冲编码器是一种光学式位置检测元件,编码盘直接装在转轴上,以测出轴的旋转角度位置和速度变化,
其输出信号为电脉冲 。
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,是数控机床上使用很广泛的位置检测装置 。
这种检测方式的特点是：检测方式是非接触式的,无摩擦和磨损,驱动力小,响应速度快 。 按编码的方式,
可分为增量式和绝对值式两种 。
6.4.1 增量式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 。
注 意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：
式中
— 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） 。
iM
S＝?
光电式脉冲编码器结构光电式脉冲编码器结构示意图光电式脉冲编码器的组成光电式脉冲编码器,它由光源,聚光镜,光电盘,圆盘,
光电元件和信号处理电路等组成 （ 如图 ） 。 光电盘是用玻璃材料研磨抛光制成,玻璃表面在真空中镀上一层不透光的铬,然后用照相腐蚀法在上面制成向心透光窄缝 。 透光窄缝在圆周上等分,其数量从几百条到几千条不等 。 圆盘也用玻璃材料研磨抛光制成,其透光窄缝为两条,每一条后面安装有一只光电元件 。 光电盘与工作轴连在一起,光电盘转动时,每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化,光电元件把通过光电盘和圆盘射来的忽明忽暗的光信号转换为近似正弦波的电信号,经过整形,放大,和微分处理后,输出脉冲信号 。 通过记录脉冲的数目,就可以测出转角 。 测出脉冲的变化率,即单位时间脉冲的数目,就可以求出速度 。
为了判断旋转方向,圆盘的两个窄缝距离彼此错开 1/4节距,使两个光电元件输出信号相位差 900。 如图所示,A,B信号为具有 900相位差的正弦波,经放大和整形变为方波 A1,B1。
设 A相比 B相超前时为正方向旋转,则 B相超前 A
相就是负方向旋转,利用 A相与 B相的相位关系可以判别旋转方向 。 此外,在光电盘的里圈不透光圆环上还刻有一条透光条纹,用以产生每转一个的零位脉冲信号,它是轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲 。
电流
A B
节距
ωt
A1
B1
900
脉冲编码器输出波形增量式编码器的工作原理在图 6-10(a)中,E为等节距的辐射状透光窄缝圆盘,
Q1,Q2为光源,DA,DB,DC为光电元件 (光敏二极管或光电池 ),DA与 DB错开 90° 相位角安装 。
图 6-10 增量式编码器当圆盘旋转一个节距时,在光源照射下,就在光电元件 DA、
DB上得图 6-10(b)所示的光电波形输出,A,B信号为具有
90° 相位差的正弦波 。 这组信号经放大器放大与整形后,得图 6-10(c)所示的输出方波,A相比 B相超前 90°,其电压幅值为 5V。 设 A相超前 B相时为正方向旋转,则 B相超前 A相时为反方向旋转,以判别编码器的旋转方向 。 C相产生的脉冲为基准脉冲,又称零点脉冲,它是转轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲 。
注 意如用数控车床切削螺纹时,可将这种脉冲当做车刀进刀点和退刀点的信号使用,以保证切削螺纹时不会乱扣 。 这种脉冲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 。 A,B相脉冲信号经频率电压变换后,得到与转轴转速成正比例的电压信号,它就是速度反馈信号 。
增量式编码器的缺点是,有可能由于噪声或其他外界干扰产生计数错误,若因停电,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 。
6.4.2 绝对值式编码器绝对式编码器是一种旋转式检测装置,可直接把被测转角用数字代码表示出来,且每一个角度位置均有其对应的测量代码,它能表示绝对位置,没有累积误差,电源切除后,位置信息不丢失,仍能读出转动角度 。
绝对值式编码器是利用其圆盘上的图案来表示数值的 。
绝对式编码器有光电式,接触式和电磁式三种,以接触式四位绝对编码器为例来说明其工作原理 。
接触式四位绝对编码器图 6-11 二进制编码器码位四位二进制编码盘
a) b)
图 6-11所示为二进制编码盘,图中空白的部分透光,表示,0” ；加点 (阴影 )的部分不透光,表示,1” 。 按照圆盘上形成的二进位的每一环配置光电变换器,即图中用黑点所示位置,隔着圆盘从后侧用光源照射 。 此编码盘共有四环,每一环配置的光电变换器对应为 20、
21,22,23。 图中,内侧是二进制的高位,即 23；外侧是二进制的低位,如,1101”,读出的是十进制,13” 的角度坐标值 。 二进制编码器的主要缺点是图案变化无规律,在使用中多位同时变化,易产生较多的误读 。 经改进后的结构如图 6-12所示的葛莱编码盘,它的特点是,每相邻十进制数之间只一位二进制码不同 。 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 。
葛莱编码器图 6-11 二进制编码器 图 6-12 葛莱编码器二进制码与葛莱码的换算图 6-12为葛莱码盘,其各码道的数码不同时改变,任何两个相邻数码间只有一位是变化的,每次只切换一位数,
把误差控制在最小范围内 。 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 ）
绝对值式编码器的优缺点绝对值式编码器比增量编码器具有较多优点：坐标值可从绝对编码盘中直接读出,不会有累积进程中的误计数；运转速度可以提高,编码器本身具有机械式存储功能,即便因停电或其他原因造成坐标值清除,通电后,仍可找到原绝对坐标位置 。
其缺点是,当进给转数大于一转时,需作特别处理,
如用减速齿轮将两个以上的编码器连接起来,组成多级检测装置,但其结构复杂,成本高 。
6.4.3 脉冲编码器的使用脉冲编码器是一种回转编码器,可以用来测相对位移,单位时间内的相对角位移就是角速度 。
回转编码器在检测角位移的同时,配以定时器便可检测出角速度 。
脉冲编码器作速度检测的原理脉冲编码器在经过一个单位角位移时,便产生一个脉冲,PG(A)是脉冲编码器的输出脉冲 。 可以看出,用脉冲编码器输出信号的上升沿打开计数器,对高频时钟信号进行计数；用其下降沿打开锁存器,对计数器内的计数值进行锁存,这样,锁存器的内容就是角位移所经过的时间,求其倒数,便可得到速度 。
图 6-22用脉冲编码器作速度检测原理图注 意在这种用法中,需要根据电机的转速范围和检测精度来决定时钟频率和计数的容量 。 例如,如果电机的转速范围为 n=60～ 3 000 r/min,编码器为 100脉冲 /转,则在低速时,每秒发 100个脉冲,即 PG脉冲周期为
0.01s。 如果采用 8位计数器,则高频时钟频率 f保证计数器不溢出的条件为 0.01f≤256,则 f≤25.6 kHz为了得到较高的检测精度,取 f=25.6 kHz，
则在最高转速 3 000 r/min时,计数器的值为：
PG=fn=25 6001003 3 000/60=5.12
如果对脉冲上升沿进行计数,则为 6；如果对脉冲下降沿进行计数,则为 5。
不难看出,时钟频率越高,则测速误差就越小 。 但时钟频率受计数器容量和工作上限频率限制,不可能无限制地高,所以量化误差总是存在的 。
6.5 光删测量装置
6.5.1 光栅的工作原理
6.5.2 光栅测量的装置
6.5.3 直线光栅检测装置的线路
6.5.4 光栅检测系统光栅简介光栅种类较多 。 根据光线在光栅中是透射还是反射分为透射光栅和反射光栅,透射光栅分辨率较反射光栅高,其检测精度可达 1μm以上 。 从形状上看,又可分为圆光栅和直线光栅 。 圆光栅用于测量转角位移,直线光栅用于检测直线位移 。 两者工作原理基本相似,本节着重介绍一种应用比较广泛的透射式直线光栅 。
直线光栅通常包括一长和一短两块配套使用,其中长的称为标尺光栅或长光栅,一般固定在机床移动部件上,要求与行程等长 。 短的为指示光栅或短光栅,装在机床固定部件上 。 两光栅尺是刻有均匀密集线纹的透明玻璃片,线纹密度为 25,50、
100,250条 /mm等 。 线纹之间距离相等,该间距称为栅距,测量时它们相互平行放置,并保持 0.05~0.1mm的间隙 。
计量光栅有长光栅和圆光栅两种,是数控机床和数显系统常用的检测元件 。 它具有精度高,响应速度较快等优点 。 光栅测量是一种非接触式测量 。
6.5.1 光栅的工作原理光栅位移检测装置由光源,两块光栅 (长光栅,短光栅 )和光电元件等组成,见图 6-13(a)。
图 6-13 光栅的工作原理图原理说明光栅是在一块长条形的光图 6-13光栅的工作原理图学玻璃上均匀地刻上许多与运动方向垂直的线条,线条之间距离 (称为栅距 )可以根据所需的精度决定,一般每毫米刻 50,100,200条线 。 长光栅 G1装在机床的移动部件上,称为标尺光栅；短光栅 G2装在机床的固定部件上,称为指示光栅 。 两块光栅互相平行并保持一定的间隙 (如 0.05 mm或 0.1 mm等 ),而两块光栅的刻线密度相同 。
原理说明（放大作用）
如果将指示光栅在其自身的平面内转过一个很小的角度后,这样两块光栅的刻线相交,当平行光线垂直照射标尺光栅时,则在相交区域出现明暗交替,间隔相等的粗大条纹,称为莫尔条纹 。 由于两块光栅的刻线密度相等,即栅距 ω相等,使产生的莫尔条纹的方向与光栅刻线方向大致垂直 。 其几何关系见图 6-13(b)。
当 θ很小时,莫尔条纹的节距为
W=ω/θ (6-16)
这表明莫尔条纹的节距是栅距的 1/θ倍 。
原理说明（移动成比例并具有方向性）
当标尺光栅移动时,莫尔条纹就沿与光栅移动方向垂直的方向移动 。 当光栅移动一个栅距 ω时,莫尔条纹就相应准确地移动一个节距 W,也就是说两者一一对应 。 因此,只要读出移过莫尔条纹的数目,就可知道光栅移过了多少个栅距,而栅距在制造光栅时是已知的,所以光栅的移动距离就可以通过光电检测系统对移过的莫尔条纹数进行计数,
处理后自动测量出来 。
原理说明（均化误差）
如果光栅的刻线为 100条,即栅距为 0.01 mm时,人们是无法用肉眼来分辨的,但它的莫尔条纹却清晰可见 。 所以莫尔条纹是一种简单的放大机构,其放大倍数取决于两光栅刻线的交角 θ，
如 ω=0.01 mm,W=10 mm,则其放大倍数为 1/θ=W/ω=1 000倍 。
这种放大特点是莫尔条纹系统的独具特点 。
莫尔条纹的另一特点,就是平均效应 。 因为莫尔条纹是由若干条光栅刻线组成,若光电元件接受长度为 10 mm,在 ω=0.01 mm
时,光电元件接受的信号是由 1 000条刻线组成,所以制造数控技术上的缺陷,例如间断地少几根线,只会影响千分之几的光电效果 。 因此,用光栅测量长度,决定其精度的要素不是一根刻线,
而是一组线的平均精度 。
若标尺光栅不动,将指示光栅转一很小的角度,两者移动方向及光栅夹角关系如表所示 。 因莫尔条纹移动方向与光栅移动方向垂直,可用检测垂直方向宽大的莫尔条纹代替光栅水平方向移动的微小距离 。
指示光栅转角方向 标尺光栅移动方向 莫尔条纹移动方向逆时针方向 右 → 下 ↓
左 ← 上 ↑
顺时针方向 右 → 上 ↑
左 ← 下 ↓
莫尔条纹移动方向与光栅移动方向及光栅夹角的关系
P
θ标尺光栅莫尔条纹
6.5.2 光栅测量的装置在实际使用中,大多数装置是把光源,指示光栅和光电元件组合在一起,称之为读数头 。 读数头的结构形式很多,但就其光路来看可分为以下几种 。
1,分光读数头
2,垂直入射读数头
3,反射读数头
1,分光读数头它的原理图见图 6-14,光源 Q发出的光经透镜 L1变成平行光,照射到光栅 G1和 G2上,由透镜 L2把在指示光栅 G2上形成的莫尔条纹聚焦,并在它的焦面上安置光电元件用以接受莫尔条纹的明暗信号 。
这种光学系统是莫尔条纹光学系统的基本型 。 这种分光读数头,刻线截面为锯齿形,栅距为 0.004
mm,锯齿的倾角是根据光栅材料的折射率与入射光的波长确定的 。
图 6-14分光读数头原理图分光读数头不过,这种光栅间距比较小,两块光栅之间的间隙也小 。 为了保护光栅表面,常需粘一层保护玻璃,而这样小的间隙是不行的 。 因此,在实际使用中采用投影系统 (见图 6 15),它是在光栅 G1与 G2
之间装上等倍投影透镜 L3,L4。 这样,G1的像就以同样大小的像投影在 G2上形成莫尔条纹 。 这种系统本质上与前面的相同,只是
G1和 G2之间的距离拉长了,从而满足了实际的使用要求 。 这种读数头主要用在高精度坐标控制和精密测量仪器上 。
图 6-15等倍投影系统图 6-16 玻璃透射光栅系统
2,垂直入射读数头这种读数头主要是用于每毫米 25～ 125线的玻璃透射光栅系统从光源 Q经直透镜 L使光束垂直照射到标尺光栅 G1上,然后通过指示光栅 G2由光电元件
P接收 。 两块光栅之间的距离 t
是根据有效光波的波长 λ 和光栅栅距 ω来选择,即 t=ω/λ 。
但这仅仅是理论值,在实际使用中还要具体选择 。
垂直入射读数头的结构图 6-17为垂直入射读数头的结构示意图,光源 1通过透镜 2后变成平行光照射在标尺光栅 3和指示光栅 4上,形成莫尔条纹后由光电池 5接受信号 。
图 6-17中 8是滚动轴承,
它保证了标尺光栅和指示光栅之间恒定的间隙 。 标尺光栅和读数头分别装在固定部件和移动部件上,
标尺光栅用压板 7夹紧,读数头用螺钉 6固定,其精度最高可达 0.001/1 000 mm。
图 6-17垂直入射读数头的结构示意图
1— 光源；
2— 透镜；
3— 标尺光栅；
4— 指示光栅；
5— 光电池；
6— 螺钉；
7— 压板；
8— 滚动轴承
3,反射读数头这种读数头主要用于每毫米
25～ 50线以下的反射光栅系统,
如图 6-18所示 。 经直透镜 L1，
将光源 Q变成平行光,并以对光栅法面为 β的入射角 (一般为
30° )投影到标尺光栅 G1的反射面上；反射回来的光束先通过指示光栅 G2形成莫尔条纹,
然后经透镜 L1由光电元件 P接收信号 。
图 6-18 反射光栅系统注 意光栅只能用于增量测量方式,目前有的光栅读数头设有一个绝对零点,这样由于停电或其他原因造成记错数字时,可以重新对零 。 它是在标尺光栅上有一小段光栅,在指示光栅上也有相应一小段光栅,当这两小段光栅重叠时发出零位信号,并在数字显示器中显示出来 。
6.5.3 直线光栅检测装置的线路为了提高光栅分辨精度,线路采用了 4倍频的方案 。
图 6-19 光栅测量装置的逻辑框图四倍频原理当光栅刻线密度为 50线 /毫米时,采用 4个光电元件和 4
个缝隙 。 每隔 1／ 4光栅节距产生 1个脉冲,分辨精度可提高 4倍 。
当指示光栅和标尺光栅相对运动时,硅光电池产生正弦波电流信号,这些信号送至差动放大器,再通过整形,
使之成两路正弦及余弦方波 。 然后经微分电路获得脉冲,
由于脉冲是在方波的上升边产生的,如图 6 19所示 。 为了使 0°,90°,180° 及 270° 的位置上都得到脉冲,所以将正弦和余弦方波分别各自反相一次,然后再微分,
这样可以得到四个脉冲 。
四倍频原理为了判别正向或反向运动,还用一些与门把 4个方波
sin,-sin,cos及 -cos(即 A,C,B及 D)和 4个脉冲进行逻辑组合 。 当正方向运动时,通过与门 1～ 4及或门 H1
得到 A′B+AD′+C′D+B′C4个脉冲输出；当反方向运动时,通过与门 5～ 8及或门 H2得到 BC′+AB′+A′D+CD′4
个脉冲输出 。 这样,如果光栅的栅距为 0.02 mm,4倍频后每 1个脉冲都相当于 0.005 mm,使分辨精度提高 4
倍 。
当然,倍频数还可以增加到 8倍频等,但一般到 20
倍频以上就比较困难了 。
6.5.4 光栅测量系统光栅测量系统如图 6-19所示,由光源,聚光镜,光栅尺,光电元件和驱动线路组成 。
读数头光源采用普通的灯泡,发出辐射光线,经过聚光镜后变为平行光束,照射光栅尺 。
光电元件 （ 常使用硅光电池 ） 接受透过光栅尺光强信号,并将其转换成相应的电压信号 。 由于此信号比较微弱,在长距离传递时,
很容易被各种干扰信号淹没,造成传递失真,驱动线路的作用就是将电压信号进行电压和功率放大 。
除标尺光栅与工作台一起移动外,光源,聚光镜,指示光栅,光电元件和驱动线路均装在一个壳体内,作成一个单独部件固定在机床上,这个部件称为光栅读数头,又叫光电转换器,其作用把光栅莫尔条纹的光信号变成电信号 。
光栅的应用（光栅位移－数字转换系统）
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 （ 见下图 ） 。
图 A 光栅的实际亮度变化 图 B 光栅的输出波形图光栅位移 O 光栅位移光栅亮度与电压的对比亮度 电压
O
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 90o。 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 。
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 。
图 6-19中的 1,2,3,4是四块硅光电池,产生的信号相位彼此相差
90o。 1,3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,2,4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′,D′,即在正走或反走时每个方波的上升沿产生窄脉冲,
由与门电路把 0o,90o,180o,270o四个位置上产生的窄脉冲组合起来,根据不同的移动方向形成正向或反向脉冲 。 正向运动时,用与门
Y1~Y4及或门 H1,得到 A′B+AD′+C′D+B′C的四个输出脉冲；反向运动时,用与门 Y5~Y8及或门 H2,得到 BC′+ CD′+A′D+ AB′的四个输出脉冲,其波形见图 6-19。
正向 相加 A′ B+AD′ +C′ D+B′ C
反向 相加 BC′ +CD′ +A′ D+AB′
若光栅栅距 0.01mm,则工作台每移动 0.0025mm,就会送出一个脉冲,即分辨率为 0.0025mm。 由此可见,光栅检测系统的分辨力不仅取决于光栅尺的栅距,还取决于鉴向倍频的倍数 。
除四倍频以外,还有十倍频,二十倍频等 。 但一般到
20倍频以上就比较困难了 。
6.6 速度传感器
6.6.1 测速发电机
6.6.2 脉冲编码器的使用速度传感器分直线速度型和角速度型 。
前面介绍的光电编码器,它除了用作角位移传感器外,同时也被用作速度传感器 。
测速发电机也是一种常用的速度传感器 。
速度传感器一般用于数控系统伺服单元的速度检测控制中,因此角速度传感器用得较多 。
6.6.1 测速发电机是一种能把机械转速转变为电信号的传感器 。
特点：
(1) 输出电压与转速严格地呈线性关系 。
(2) 输出电势与转速比的斜率大 。
测速发电机分交流和直流两大类 。
交流测速发电机又有同步,异步之分 。 在机电一体化控制系统中,常用的是交流异步测速发电机和直流测速发电机 。
图 6-20交流测速发电机工作原理图
1,交流测速发电机如图 6-20所示,定子为两组在空间相互成 90° 角安置的绕组,
转子则为空心杯形结构 。
当在励磁绕组上施加恒定的单相交流电压 U1时,发电机工作绕组便会输出与转速 n大小成正比的交流电压信号 U2,其有效值为：
E2=4.44N2f1KΦd2∝n
式中：
N2— 输出绕组的线圈匝数；
f1— 励磁电压的频率；
K— 绕组系数 (K≈ 1)；
Φd— 电机中的合成磁通 。
2,直流测速发电机它一般都做成永磁式,其工作原理如图 6-21所示 。
在恒定磁场 Φo下,当电枢以转速 n旋转时,电枢上的导体切割磁力线,在瞬间产生空载感应电动势 Eo,它的值由下式确定：
Eo=CeΦon
式中,Ce为电势常数；
Φo为磁通 。
从上式可以看出,空载输出电压 V=Eo,它与转速 n成正比 。 当存在负载电阻 R1和电枢回路总电阻 Ro时,则
V=Eo-IRo=Eo-VRo/R1
V=Eo/(1+Ro/R1)=CeΦon/(1+Ro/R1)
由此可以看出,当 Φo,Ro,R1不变时,测速发电机的输出电压 V与转速 n成正比 。
图 6-21直流测速发电机工作原理图影响直流测速发电机测量结果的因素
(1) 周围环境温度的变化使绕组电阻发生变化,从而产生线性误差 。
(2) 电枢反应,也就是由于电枢电流所产生的磁场会影响测速发电机的磁场,从而引起测量误差 。
(3) 电枢回路的电阻随电枢电流的变化而变化,破坏了输出电压与转速的线性关系 。
为了减少以上影响：
测速发电机的磁路应选得足够饱和；
同时还应将负载电流限制在较小的范围内 。
6.6.2 脉冲编码器的使用脉冲编码器是一种回转编码器,可以用来测相对位移,单位时间内的相对角位移就是角速度 。
回转编码器在检测角位移的同时,配以定时器便可检测出角速度 。
脉冲编码器作速度检测的原理脉冲编码器在经过一个单位角位移时,便产生一个脉冲,
图 6-22是用脉冲编码器作速度检测的原理图 。
PG(A)是脉冲编码器的输出脉冲 。 可以看出,用脉冲编码器输出信号的上升沿打开计数器,对高频时钟信号进行计数；用其下降沿打开锁存器,对计数器内的计数值进行锁存,这样,锁存器的内容就是角位移所经过的时间,求其倒数,便可得到速度 。
图 6-22用脉冲编码器作速度检测原理图注 意在这种用法中,需要根据电机的转速范围和检测精度来决定时钟频率和计数的容量 。 例如,如果电机的转速范围为 n=60～ 3 000 r/min，
编码器为 100脉冲 /转,则在低速时,每秒发 100个脉冲,即 PG脉冲周期为 0.01s。 如果采用 8位计数器,则高频时钟频率 f保证计数器不溢出的条件为 0.01f≤256,则 f≤25.6 kHz为了得到较高的检测精度,取 f=25.6
kHz,则在最高转速 3 000 r/min时,计数器的值为：
PG=fn=25 6001003 3 000/60=5.12 如果对脉冲上升沿进行计数,则为 6；如果对脉冲下降沿进行计数,则为 5。
不难看出,时钟频率越高,则测速误差就越小 。 但时钟频率受计数器容量和工作上限频率限制,不可能无限制地高,所以量化误差总是存在的 。
6.7 位置传感器
6.7.1 接触式位置传感器
6.7.2 接近式位置传感器
6.7 位置传感器位置传感器和位移传感器不一样,它所测量的不是一段距离的变化量,而是通过检测,确定是否已到达某一位置 。 因此,它不需要产生连续变化的模拟量,只需要产生能反映某种状态的开关量就可以了 。
这种传感器常用于数控机床换刀具,工件或工作台到位或行程限制等辅助机能的信号检测 。
位置传感器分接触式和接近式两种 。 接触式传感器是能获取两个物体是否接触之信息的一种传感器；
而接近式传感器则是用来判别在某一范围内是否有某一物体的一种传感器 。
6.7.1 接触式位置传感器这类传感器用微动开关之类的触点器件便可构成 。
它有以下两种：
（ 1） 微动开关位置传感器
（ 2） 二维矩阵式位置传感器
（ 1） 微动开关位置传感器用于检测物体位置,图 6-23所示的几种构造和分布形式 。
图 6-23 微动开关位置传感器
（ a） 构造； （ b） 分布形式
（ 2）二维矩阵式位置传感器二维矩阵式位置传感器如图 6 24所示,它一般用于机械手掌内侧,在手掌内侧常安装有多个二值触觉传感器,用以检测自身与某一物体的接触位置 。
图 6-24 二维矩阵式位置传感器
1— 柔软电极； 2— 柔软绝缘体
6.7.2 接近式位置传感器接近式位置传感器的种类：
① 电磁式；
② 光电式；
③ 静电容式；
④ 气压式；
⑤ 超声波式 。
接近式位置传感器的原理基本工作原理可用图 6-25表示 。
图 6-25 接近式位置传感器
1,电磁式传感器工作原理如下：当一个永久磁铁或一个通有高频电流线圈接近一个铁磁体时,它们的磁力线分布将发生变化 。 因此,
可以用另一组线圈检测这种变化 。 当铁磁体靠近或远离磁场时,它所引起的磁通量变化将在线圈中感应出一个电流脉冲,
其幅值正比于磁通的变化 。
图 6-26给出了线圈两端的电压随铁磁体进入磁场的速度而变化的曲线,其电压极性取决于物体进入磁场还是离开磁场 。 因此,对此电压进行积分便可得出一个二值信号,当积分值小于一定的阈值时,积分器输出低电平；反之,则输出高电平,此时表示某一物体已接近 。
图 6-26电压与速度的关系注 意为了克服此缺点,目前数控系统越来越多地使用光电检测器来检测位置 。
电磁感应传感器只能检测电磁材料,对其他非电磁材料则无能为力 。
2,光电式传感器这种传感器具有体积小,可靠性高,检测位置精度高,
响应速度快,易与 TTL及 CMOS电路并容等优点 。
它分透光型和反射型两种 。
霍尔元件也算 。
（ 1）透光型光电传感器在透光型光电传感器中,发光器件和受光器件相对放置,中间留有间隙,当被测物体到达这一间隙时,发射光被遮住,从而接收器件 (光敏元件 )便可检测出物体已经达到 。
图 6-27透光型传感器的接口电路
（ 2）反射型光电传感器在反射型光电传感器中,发出的光经被测物体反射后再落到检测器件上 。
它与透光型传感器相似,但由于是检测反射光,所以得到的输出电流 Io较小 。 另外,对于不同的物体表面,信噪比也不一样,因此,设定限幅电平就显得非常重要 。 图 6-28所示为这种传感器的典型应用,它的电路与透光型传感器类似,只是接收器的发射极电阻用得较大,且为可调电阻 。 这主要是因为反射型光电传感器的光电流较小,且有很大分散性的缘故 。 图 6-28反射型传感器的接口电路
（ 3）霍尔元件图 6-29 霍尔元件霍尔元件是一种半导体磁电转换元件 (见图 6-29),一般由锗 (Ge),锑化铟 (InSb)、
砷化铟 (InAs)等半导体材料制成 。 其工作原理是将元件置于磁场中,如果 a,b端通以电流 I,在 c,d端就会出现电位差,这种现象称为霍尔效应 。 将小磁体固定在运动部件上,当部件靠近霍尔元件时,便会产生霍尔效应,
利用电路检测出电阻电位差信号,便能判断物体是否到位 。
本章重点、难点和知识拓展本章重点,用于检测机床运动部件位置,速度的各种检测装置及其工作原理 。
知识拓展,数控机床常用的位置检测装置有光栅,编码器,感应同步器,旋转变压器及磁栅等 。 从测量的方式看有直接测量和间接测量；从测量装置的原理和输出信号看有绝对式测量和增量式测量及数字式测量和模拟式测量 。
本章难点,每种检测装置使用场合和安装方式 。
位置检测装置是数控机床的重要组成部分 。 在闭环,
半闭环控制系统中,它的主要作用是检测位移和速度,并发出反馈信号,构成闭环或半闭环控制 。
发出反馈的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 。
数控机床一般要求检测元件的分辨率 （ 检测元件能检测到的最小位移量 ） 在 0.0001-0.01之内,测量精度为 ± 0.001- ± 0.02mm/m,运动速度为 0-24m/min 。
第 6章思考题与习题
6-1位置检测装置在 NC机床中的作用是什么?试简述
NC机床对位置检测装置的要求 。
6-2位置检测装置有哪几种分类方法?感应同步器,脉冲编码器在这些分类方法中各属于哪一类?
6-3简述莫尔条纹的形成原理及特点 。
6-4在光栅检测中采用细分电路有什么作用?
6-5简述接触式码盘的结构和工作原理 。
6-6增量式光电码盘如何判断轴的旋转方向和测量轴的转速?
第 6章思考题与习题
6-7绝对编码器的分辨率是由什么决定的?
6-8简述光栅位置检测装置检测线位移的工作原理 。
6-9在绝对编码器中,二进制编码与葛莱码编码盘各有何优缺点?
6-10设有一绝对编码器有 8个码道,求其能分辨的最小角度是多少?
若该编码器采用二进制编码,那么,11001101所对应的角度在哪个范围内?
6-11简述感应同步器的结构特点和工作原理 。
6-12感应同步器有几种工作方式?每种工作方式的激磁电压有何特点?它们的哪些参数对测量精度有影响？ 为什么?
6-13简述旋转变压器的结构特点和工作原理 。
