1、1第五章 位置检测装置5.1 概述5.2 旋转变压器5.3 感应同步器5.4 光栅4.5 磁栅4.6 编码器2 数控机床对检测装置的要求主要有以下几点： （1）要求有较高的可靠性和抗干扰能力 检测装置应能抗各种电磁干扰，抗干扰能力要足够强。 （2）满足精度和速度的要求 随着数控机床的发展，其精度和速度越来越高，因此，要求检测装置必须满足数控机床的高精度和高速度的要求。其分辨率应在0.00.0.01内，测量精度应满足0.0020.02/m，运动速度应满足020m/min。 5.1 5.1 概述概述3 （3）便于安装和维护 检测装置安装时要满足一定的安装精度要求，安装精度要合理，考虑到影响，整个检
2、测装置要求有较好的防尘、防油污、防切屑等措施。 （4）成本低、寿命长 不同类型的数控机床对检测系统的分辨率和速度有不同的要求，一般情况下，选择检测系统的分辨率或脉冲当量，要求比加工精度高一个数量级。 45.1.1 5.1.1 检测装置的分类检测装置的分类 在当前常用的闭环和半闭环系统中，检测装置根据被测物理量分为位移、速度等类型；按测量方法分为增量式和绝对值式两种；根据运动形式分为旋转型和直线型检测装置。数控机床常用的检测装置见表5-1。 数控机床伺服系统中采用的位置检测装置一般分为直线型和旋转型两大类。直线型的位置检测装置用来检测运动位移的直线位移量；旋转型的位置检测装置用来检测回转部件的转
3、动位移量。除了以上位置检测装置，伺服系统中往往还包括检测速度元件，用以检测和调节电动机的转速。常用的测速元件是测速发电机。 5分类增量式 绝对式 位移检测装置旋转型 脉冲编码器、自整角机、旋转编码器、感应同步器、光栅角度传感器、光栅、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 直线感应同步器、光栅尺、磁栅尺、激光干涉仪、霍尔传感器 三速感应同步器、绝对值磁尺、光电编码尺、磁性编码器 速度检测装置交、直流测速发电机、数字脉冲编码式速度传感器、霍尔速度传感器 速度-角度传感器、数字电磁式传感器、磁敏式速度传感器 电流检测装置霍尔电流传感器 表
4、5-1 数控机床检测装置的分类 65.1.25.1.2数控检测装置的性能指标数控检测装置的性能指标 检测装置放置在伺服驱动系统中。由于所测量的各种物理量不断变化的，因此传感器的测量输出必须能准确、快速地跟随反应这些被测量的变化。传感器的性能指标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的特定函数关系的准确程度称为精度，数控用传感器要满足高精度和高速实时测量的要求。 （2）分辨力 分辨力是显示装置能够有效辨别的最小示值差。要求其应适应机床精度和伺服系统的要求。分辨率的提高，对提高系统其他性能指标和运行平稳性都很重要。 7 （3）灵敏度 测量装置响应的变化除以相应的激励
5、的变化。实时测量装置灵敏度要高，输出、输入关系中对应的灵敏度要求一致。 （4）迟滞 对某一输入量，传感器的正行程的输出量和反行程的输出量的不一致，称为迟滞。数控伺服系统的传感器要求迟滞要小。 （5）测量范围 传感器的测量范围要满足系统的要求，并留有余地。 （6）零漂与温漂 传感器的漂移量是其重要性能标志，它反映了随时间和温度的改变，传感器测量精度的微小变化。 85.1.3 5.1.3 位置传感器的测量方式位置传感器的测量方式 由于工作条件和测量要求的不同，位置传感器有不同的测量方式。5.1.3.1 直接测量和间接测量 位置传感器按形状可分为直线式和旋转式。用直线式位置传感器测直线位移，用旋转式
6、位置传感器测角位移，则该测量方式称为直接测量。用直线式检测装置测量，可直接反映工作台的实际位移量。但由于检测装置要和行程等长，故其在大型数控机床的应用中受到限制。 95.1.3.2 数字式测量和模拟式测量 数字式测量是以量化后的数字形式表示被测量。得到的测量信号通常是电脉冲形式，它将脉冲个数计数后以数字形式表示位移。 模拟式测量是以模拟量表示被测量，得到的测量信号是电压或电流，电压或电流的大小反映位移量的大小。由于模拟量需经/转换后才能被计算机数控系统接受，所以目前模拟式测量在计算机数控系统中应用很少。而数字式测量检测装置简单，信号抗干扰能力强，且便于显示和处理，所以目前应用非常普遍。 105
7、.1.3.3 增量式测量和绝对式测量 按照检测装置的编码方式可分为增量式测量和绝对式测量。增量式测量的特点是只测量位移增量，即工作台每移动一个基本长度单位，检测装置便发出一个测量信号，此信号通常是脉冲形式。这样，一个脉冲所代表的基本长度单位就是分辨率，而通过对脉冲计数便可得到位移量。若增量式检测系统分辨率为0.01，则工作台每移动0.01，检测装置便发出一个脉冲，送往微机数控装置或计数器计数。当计数值为100时，表示工作台移动了1。这种检测方法结构比较简单。但是一旦计数有误，后面的测量结果就会发生错误，再有就是在发生某种故障时，尽管故障已经排除，但由于该测量没有一个特定的标志，所以不能找到原来
8、的正确位置。 11 绝对式测量的特点是：被测的任一点的位置都由一个固定的零点算起，每一被测点都有一个对应的测量值，常以数据形式表示。这种测量装置分辨率越小，结构越复杂。 此外，对检测装置还要求工作可靠，抗干扰性强，使用维修方便，成本低等。下面就数控机床上常用检测装置作一介绍。 125.2 5.2 旋转变压器旋转变压器 旋转变压器是一种控制用的微电机，它将机械转角变换成与该转角呈某一函数关系的电信号。在结构上与二相线绕式异步电动机相似，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，其频率通常为400Hz、500Hz、1000Hz和5000Hz。旋转变压
9、器结构简单、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。因此广泛用于数控机床上。 135.2.1 5.2.1 旋转变压器的工作原理旋转变压器的工作原理 14 旋转变压器在结构上保证定子和转子之间空气隙内磁通分布符合正弦规律，因此当励磁电压回到定子绕组上时，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电动势。其输出电压大小取决于转子的角度位置，即随着转子偏转的角度呈正弦变化。当转子绕组的磁轴与定子绕组的磁轴位置转动角度时，绕组产生的感应电动势应为 11sinsinsinmEnUnUt15式中： 变压比； 定子的； 励磁电压的幅值。 当转子转到两磁轴平行时，即等于90时，转子绕组
10、中感应电动势最大，即 1sinmEnUtn1UmU165.2.2 旋转变压器的应用 在实际应用中，通常采用的是正弦、余弦旋转变压器。其定子和转子绕组中各有相互垂直的两个绕组，如图所示。当激磁绕组用两个相位相差90的电压供电时，应用叠加原理，在副边的一个转子绕组中磁通为：而输出电压为 311sinsincoscosmmUnUtnUt1cos()mnUt12113cossin17正弦、余弦旋转变压器 18 由此可知，当把激磁信号 和 加于定子绕组时，旋转变压器转子绕组便可输出感应信号 。若转子转过角度 ，那么感应信号 和激磁信号 之间一定存在着相位差，这个相位差可通过鉴相器线路检测出来，并表示成相
11、应的电压信号。这样，通过该电压信号的测量便可得到转子转过的角度 。但由于 是关于变量 的周期函数，故转子每转一周， 值将周期性地变化一次。因此，在实际应用时，不但要测出 大小，而且还要测出 的周期变化次数；或者将被测角位移 限制在180之内，即每次测量过程中，转子转过的角度小于半周期。 1sinmUUt2cosmUUt3U13U2U131cos()mUnUt13U3U3U1195.3 5.3 感应同步器感应同步器5.3.1 5.3.1 感应同步器的结构和类型感应同步器的结构和类型 感应同步器是一种电磁感应式多极位置传感元件，是由旋转变压器演变而来，即相当于一个展开的旋转变压器。它的极对数一般取
12、600、720对极，最多的可达2000对极。由于多极结构，在电与磁两方面均能对误差起补偿作用，所以具有很高的精度。感应同步器的励磁频率一般取210kHz。 感应同步器按其运动方式分为旋转式（圆形感应同步器）和直线式两种。两者都包括固定和运动两部分，对旋转式分别称为定子和转子；对直线式分别称为定尺和滑尺。前者测量角位移，后者测量直线位移。 205.3.1.1 旋转式感应同步器 旋转式感应同步器的结构如图5-1所示。定子、转子都用不锈钢、硬铝合金等材料作基板，呈环形辐射状。定子和转子相对的一面均有导电绕组，绕组用铜箔构成（厚0.05mm）。基板和绕组之间有绝缘层。绕组表面还要加一层和绕组绝缘的屏蔽
13、层（材料为铝箔或铝膜）。转子绕组为连续绕组；定子上有两相正交绕组（正弦绕组和余弦绕组），做成分段式，两相绕组交差分布，相差成90相位角。属于同一相的各相绕组用导线串联起来（如图5-2）。 21图5.1 圆感应同步器 1- 转子基板：2-转子绕组 3-定子绕组；4-定子基板；5-绝缘层；6-屏蔽层 图5.2 圆形感应同步器绕组图 225.3.1.2 直线式感应同步器 直线式感应同步器是直线条形，它同样由基板、绝缘层、定尺与滑尺绕组及屏蔽层组成。由于直线式感应同步器一般都必须用在机床上，为使线膨胀系数一致，所以感应同步器基板的材料用钢板或铸铁。直线式感应同步器的结构如图5-3所示。考虑到接长和安装
14、，通常定尺绕组做成连续式单相绕组，滑尺绕组做成分段式的两相正交绕组。见图5-4。 232425 定尺比滑尺长。定尺绕组中相邻两有效导体之间的距离称为极距，滑尺绕组相邻两有效导体之间的距离称为节距，一般都统称为节距，用2表示，常取为2mm，节距代表了测量周期。 直线式感应同步器分为标准型、窄型、带型、和三重型。三重型结构是在一根标尺上有粗、中、精三种绕组，以便构成绝对测量系统。 26 三重感应同步器如图所示，定尺和滑尺均有粗、中、三重感应同步器如图所示，定尺和滑尺均有粗、中、细三套绕组。其中细尺和普通定尺、滑尺一样，栅条都是和细三套绕组。其中细尺和普通定尺、滑尺一样，栅条都是和位移方向垂直的，其
15、节距位移方向垂直的，其节距W Wx x=2mm=2mm。滑尺的粗、中绕组的栅。滑尺的粗、中绕组的栅条与位移方向平行。定尺的粗、中绕组的栅条相对于位移倾条与位移方向平行。定尺的粗、中绕组的栅条相对于位移倾斜不同的角度：斜不同的角度： 定尺的中绕组栅条与位移方向夹角定尺的中绕组栅条与位移方向夹角 =1=1 8 8 4545 ； 粗绕组栅条与位移方向夹角粗绕组栅条与位移方向夹角 =1=1 4 4 。 细绕组用来确定细绕组用来确定1mm1mm内的位置状态内的位置状态, ,分辨力一般为分辨力一般为0.1mm0.1mm； 中绕组节距中绕组节距W Wz z=100mm=100mm，用来确定，用来确定1-10
16、0mm1-100mm内的位置状态内的位置状态; ; 粗绕组节距粗绕组节距W Wc c=4000mm =4000mm ，用来确定，用来确定100-4000mm100-4000mm内的位置内的位置状态。状态。 这三套绕组构成一套这三套绕组构成一套4000mm4000mm范围内的绝对坐标测量系统。范围内的绝对坐标测量系统。27285.3.2 5.3.2 感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理5.3.2.1 感应同步器的工作原理 以直线式感应同步器为例，感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，如图5-5所示。定尺和滑尺平行安装，且保持一定间隙。定尺表面制有连续平面绕组，滑尺上制有两组分段绕组，分别称为正弦
17、绕组和余弦绕组，这两段绕组相对于定尺绕组在空间错开1/4节距，节距用2表示。工作时，当在滑尺两个绕组中的任一绕组加上激励电压时，由于电磁感应，在定尺绕组中会感应出相同频率的感应电压，通过对感应电压的测量，可以精确地测量出位移量。 2930 图5-6所示为滑尺在不同位置时定尺上的感应电压。在点时，定尺与滑尺绕组重合，这时感应电压最大；当滑尺相对于定尺平行移动后，感应电压逐渐减小，在错开1/4节距的 点时，感应电压为零；再继续移至1/2节距的 点时，得到的电压值与 点相同。这样，滑尺在移动一个节距的过程中，感应电压变化了一个余弦波形。由此可见，在励磁绕组中加上一定的交变励磁电压，感应绕组中会感应出
18、相同频率的感应电压，其幅值大小随着滑尺移动作余弦规律变化。滑尺移动一个节距，感应电压变化一个周期。感应同步器就是利用感应电压的变化进行位置检测的。 abca31325.3.2.2 感应同步器的检测电路 感应同步器作为位置测量装置在数控机床上有两种工作方式：鉴相式和鉴幅式。 （1）相位（鉴相式）工作方式 在此工作方式下，给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通2以同频、同幅但相位相差 的交流励磁电压，即sinsin(2)cossmcmmuUtuUtUt33 由于两绕组在定尺绕组的感应电压滞后滑尺的励磁电压90电角度，再考虑两尺间位置变化的机械角，则两绕组在定尺上的感应电压分别为 励磁信号将在空间产生一个
19、频率移动的行波。磁场切割定尺导片，并在其中感应出电动势，该电动势随着定尺与滑尺位置的不同而产生超前或滞后的相位差。 cossintkUEmssincos tkUEmc34 叠加后为 式中 k电磁耦合系数； 励磁电压幅值； 2节距； x滑尺相对定尺位移； 相位角。 mU)sin(tkUEEEmcsd22x35 由上式可知，定尺的感应电压与滑尺的位移X有严格的对应关系，通过测量定尺感应电压的相位 ，即可测量出滑尺相对于定尺的位移X。例如，定尺感应电动势与滑尺励磁电动势之间的相位角 =180，在节距2=2mm的情况下，表明滑尺移动了0.1mm。 36（2）幅值（鉴幅式）工作方式 在这种工作方式下，给
20、滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通上相位、频率相同，但幅值不同的励磁电压，并根据定尺上感应电压的幅值变化来测定滑尺和定尺之间的相对位移量：tUumssinsin0tUumcsincos037 正弦绕组单独供电时： 当滑尺移动时，定尺上的感应电压Ud随滑尺移动距离x（相应的位移角）而变化。设滑尺正弦绕组和定尺绕组重合时x=0（即 =0），当滑尺从x=0开始移动，则在定尺上的感应电压为： 0sinsin0smcuUtutkUumdsincossin038 余弦绕组单独供电时： 若滑尺从x=0开始移动时，则在定尺上的感应电压为： 当正弦和余弦同时供电时，根据叠加原理，有： 0cossin0cmsuUtu
21、tkUumdsinsincos0 )sin(sin0 tkUuuumddd395.3.3 感应同步器的典型应用5.3.3.1 感应同步器的使用特点 由于感应同步器优点较多，所以广泛用于位置检测。 （1）精度高 感应同步器是直接对机床位移进行测量，中间不经过任何机械转换装置，测量精度只受本身精度限制。定尺和滑尺上的平面绕组，采用专门的工艺方法制作精确。40 由于感应同步器极对数多，定尺上的感应电压信号是多周期的平均效应，从而减少了制造绕组局部误差的影响，所以测量精度较高。目前直线感应同步器的精度可达0.001 mm，重复精度0.0002mm,灵敏度0.00005mm。直径302mm的感应同步器的
22、精度可达0.5,重复精度0.1,灵敏度0.05。41 （2）拼接成各种需要的长度 根据测量的需要，可采用多块定尺接长，相邻定尺间隔也可调整，使拼接后总长度的精度保持（或略低于）单块定尺的精度。尺与尺之间的绕组连接方式如图所示，当定尺少于10块时，将各绕组串联连接如图5-7（a）所示，当多于10块时，先将各绕组分成两组串联，然后将此两组再并联如图5-7（b）所示，以不使定尺绕组阻抗过高为原则。 4243 （3）对环境的适应性强 直线式感应同步器金属基尺与安装部件的材料（钢或铸铁）的膨胀系数相近，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。感应同步器为非接触式电磁耦合器件，可选耐温性能
23、好的非导磁性材料作保护层，加强了其抗温防湿能力，同时在绕组的每个周期内，任何时候都可给出与绝对位置相对应的单值电压信号，不受环境干扰的影响。 44 （4）使用寿命长 由于感应同步器定尺与滑尺之间不直接接触,因而没有磨损，所以寿命长。但是感应同步器大多装在切屑或切削液容易入侵的部位，必须用钢带或折罩覆盖，以免切屑划伤滑尺与定尺的绕组。 （5）注意安装间隙 感应同步器安装时要注意定尺和滑尺之间的间隙，一般在（0.020.25）0.05mm以内，滑尺移动过程中，由于晃动所引起的间隙变化 也必须控制在0.01mm之内。如间隙过大，必将影响测量信号的灵敏度。 455.3.3.2 鉴相测量系统的应用 数控
24、机床闭环位置控制系统采用鉴相式系统时，其结构方框图如图5-8所示。指令信号由插补器给出，经脉冲-相位变换器变成相位信号1输入鉴相器，同时反映实际位移的相位角2也送入鉴相器，二者相等时，说明滑尺实际位置与指令给定位置一致；否则输出相位差，并将它转换成模拟电压，经放大后驱动伺服系统，使部件做相应的位移，直至到达指定的位置。4647485.2.3.3 鉴幅测量系统的应用 鉴幅式系统用于数控机床闭环控制系统的结构方框图如图5-9所示。 49 当工作台位移值未达到指令要求值时，即xx1( ),定尺上感应电压U20。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x=x1 ( )时,定
25、尺上感应电压U2 =0。误差信号消失，工作台停止移动。定尺上感应电压同时输出至相敏放大器，与来至相位补偿器的标准正弦信号进行比较，以控制工作台运动的方向。 0050 鉴幅式系统的另一种型式为脉宽调制型系统，同样是根据定尺上感应电压的幅值变化来测定滑尺和定尺之间的相对位移量。但是供给滑尺的正、余弦绕组的励磁信号不是正弦电压，而是方波脉冲。这样便于用开关线路实现，使线路简化，性能稳定。 设 和 分别为提供给感应同步器滑尺的励磁信号,如图5-9b所示方波。若同时将 和 的方波信号分别加到滑尺的正弦、余弦绕组上作为励磁，则在定尺上将产生相应的感应电压。 cusucusu51 利用性能良好的低通滤波器去
26、掉高次谐波，得到含有基波成分的感应电压。它将定尺和滑尺相对运动的位移角与励磁脉冲角度联系起来，调整励磁脉冲的宽度，相当于改变鉴幅式测量系统中激磁电压中的相位角，以跟踪工作台位移值。脉宽调制型系统保留了鉴幅式系统的优点，克服了某些缺点。它用固体组件组成数字电路来代替函数发生器，体积小、易于产生，系统应用比较灵活，如要提高分辨率，只要加几位计数器即可实现。因此这样系统很有发展前途。 525.4 5.4 光栅光栅 光栅分为物理光栅和计量光栅，物理光栅刻线细密，用于光谱分析和光波波长的测定。计量光栅，比较而言刻线较粗，但栅距也较小，在0.0040.25mm之间，主要用在数字检测系统。光栅传感器为动态检
27、测元件，按运动方式分为长光栅和圆光栅，长光栅用来测量直线位移；圆光栅用来测量角度位移。根据光线在光栅中的运动路径分为透射光栅和反射光栅。一般光栅传感器都是做成增量式的，也可以做成绝对值式的。目前光栅传感器应用在高精度数控机床的伺服系统中，其精度仅次于激光式测量。 535.4.1 5.4.1 光栅检测装置的结构光栅检测装置的结构 长光栅检测装置（直线光栅传感器）是由标尺光栅、指示光栅和光栅读数头等组成。标尺光栅一般固定在机床活动部件上（如工作台上），光栅读数头装在机床固定部件上。当光栅主读数头相对于标尺光栅移动时，指示光栅便在标尺光栅上相对移动。标尺光栅和指示光栅的平行度以及两者之间的间隙要严格
28、保证（0.050.1mm）。图5-10给出了光栅检测装置的安装结构。 5432411.标尺光栅 2.指示光栅3.光电元件 4.光源图图5-10 5-10 光栅的结构光栅的结构55 标尺光栅和指示光栅通称为光栅尺，它们是在真空镀膜的玻璃片上或长条形金属镜面上光刻出均匀密集的线纹。光栅的线纹相互平行，线纹之间的距离叫做栅距。对于圆光栅，这些线纹是圆心角相等的向心条纹。两条向心条纹线之间的夹角叫做栅距角。栅距和栅距角是光栅的重要参数。对于长光栅，金属反射光栅的线条纹密度为每毫米有2550个条纹；玻璃透射光栅为每毫米100250个条纹。对于圆光栅，一周内刻有10800条线纹；（圆光栅直径为270mm,
29、360进制）。 56575.4.2 光栅传感器工作原理 以透射光栅为例，当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹之间形成一个小角度 ，并且两个光栅尺刻面相对平行放置时，在光源的照射下，位于几乎垂直栅纹上，形成明暗相间的条纹。这种条纹称为“莫尔条纹”（图5-12）。严格地说，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。莫尔条纹中两条亮纹或两条暗纹之间的距离称为莫尔条纹的宽度，以B表示。莫尔条纹具有以下特征： 585960 （1）莫尔条纹的变化规律 两片光栅相对移过一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹距离。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，变化周期数与光栅相对位移的栅距
30、数同步。 （2）放大作用 在两光栅栅线夹角较小的情况下，莫尔条纹宽度W和光栅栅距d、栅线角 之间有下列关系： 2sin2WB 61 式中： 的单位为rad, B的单位为mm。由于 角很小，sin ,则： 若 W=0.01mm, =0.01,则由上式可得 B=1，即把光栅距转换成放大100倍的莫尔条纹宽度。 （3）均化误差作用 误差莫尔条纹是由若干光栅条纹共用形成，例如每毫米100线的光栅，10mm宽度的莫尔条纹就有1000条线纹，这样栅距之间的相邻误差就被平均化了，消除了由于栅距不均匀、断裂等造成的误差。 /WB 625.4.3 分辨率的提高 为了提高分辨率，在光栅测量系统中常采用四倍频的方案
31、。即在一个莫尔条纹的节距内安装4个光电元件，每相邻的两个元件之间相距均为1/4节距。这样，莫尔条纹每移动一个节距，光电元件将产生4个相差1/4周期的信号。例如，如果光栅的栅距为0.01mm，四倍频后每个脉冲相当于0.0025mm的间距。635.5 5.5 磁栅磁栅 磁尺（磁栅）是一种高精度的位置检测装置，可用于长度和角度的测量，具有精度高、安装调试方便，以及对使用条件要求较低等一系列优点。在油污、粉尘较多的工作环境下使用稳定性较好。5.5.1 5.5.1 磁尺测量装置的组成和工作原理磁尺测量装置的组成和工作原理 5.5.1.1 磁尺的组成 6465 磁尺是由磁性标尺、读取磁头和检测电路组成，其
32、结构如图5-13所示。它是利用录磁原理工作的。先用录磁磁头将按一定周期变化的方波、正弦波或电脉冲信号录制在磁性标尺上，作为测量基准。检测时，用拾磁磁头将磁性标尺上的磁信号转化成电信号，再送到检测电路中去，把磁头相对于磁性标尺的位移量用数字显示出来，并传输给数控系统。 66 磁头是进行磁-电转换的变换器，它把反映位置的磁化信号检测出来，并转换成电信号输送给检测电路。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，磁尺上采用的磁头与普通录音机上的磁头不同。普通录音机上采用的是速度响应型磁头，只有在磁头和磁带之间有一定相对运动速度时，才能检测出磁化信号，这种磁头只能用于动态测量。而磁尺上
33、采用的是磁通响应型磁头。该种磁头结构如图5-14所示。 67图5-14 磁头的结构 68 磁头有两组绕组，分别为绕在磁路截面尺寸较小的横臂上的励磁绕组和绕在磁路截面尺寸较大的竖杆上的拾磁绕组（输出绕组）。当对励磁绕组施加励磁电流 时，若 的瞬时值大于某一数值，横杆上的铁芯材料饱和，这时磁阻很大，磁路被阻断，磁性标尺的磁通 不能通过磁头闭合，输出线圈不与 交链；如果的 的瞬时值小于某一数值， 所产生的磁通也随之降低，两横杆中的磁阻也降低到很小，磁通开路， 与输出线圈交链。由此可见，励磁线圈的作用相当于磁开关。0sinaiitai00ai ai0695.5.1.3 磁尺的工作原理 励磁电流在一个周
34、期内两次过零，两次出现峰值。相应的磁开关通断两次。磁路在由通到断的时间内，输出线圈中交链磁通量由 变化到0；磁路在由断到通的时间内，输出线圈中交链磁通量由0变化到 。 由磁性标尺中的磁信号决定，因此，输出线圈中输出的是一个调幅信号： 0002cos()sinSCmxUUt70式中： 输出线圈中的输出感应电势； 输出电势峰值； 磁性标尺节距； x选定某一N极作为位移零点，x为磁头对磁性标 尺的位移量； 输出线圈感应电势的频率，它比励磁电流的频率高一倍。 SCUmU71 由式前式可见，磁头输出信号的幅值是位移x的函数，只要测出 过0的次数，就可以知道x的大小。 使用单个磁头输出信号弱，而且对磁性标
35、尺上磁化信号的节距和波形要求也较高。所以实际上，总是将几十个磁头以一定的方式串联，构成多间隙磁头使用。 为了辨别磁头的移动方向，通常采用间距为（m+1/4）的两组磁头（m=1,2,3,）, 这样两组的磁头输出电势信号的相位相差90。 SCU72如果第一组磁头的输出信号是：则第二组磁头的输出信号必然是 和 是相位相差90的两列脉冲。至于哪个超前，则取决于磁尺的移动方向。根据两个磁头的超前和滞后，可确定其移动方向。 12cos()sinSCmxUUt22sin()sinSCmxUUt1SCU2SCU735.5.2 5.5.2 多间隙磁通响应型磁头多间隙磁通响应型磁头 如果用一个磁通响应型头读取磁尺
36、上的磁化信号，输出信号往往很微弱，为了提高输出信号的幅值，同时降低对录制的磁化信号正弦波形和节距误差的要求，在实际使用时，常将几个到几十个的磁头以一定的方式联系起来，组成多间隙磁头。如图5-15所示。多间隙磁头中的每一个磁头都以相同的间距 配置，相邻两磁头的输出绕组反向串接。因此，输出信号为各磁头输出信号的叠加。多间隙磁头具有高精度、高分辨率、输出电压大等优点。输出电压与磁头数成正比。/2m74图5-15 多间隙磁头 755.5.3 5.5.3 检测电路检测电路 磁尺检测是模拟测量，必须和检测电路配合才能检测。检测线路包括励磁电路，读取信号的滤波、放大、整形、倍频、细分、数字化和计数等线路。根
37、据检测方法不同，检测电路分为鉴幅型和鉴相型两种。 765.5.3.1 鉴幅型系统工作原理 如前所述，磁头有两组信号输出，将高频载波滤掉后则得到相位差为/2的两组信号，即 检测电路方框图如图5-16所示。磁头H1、H2相对于磁尺每移动一个节距发出一个正（余）弦信号，经信号处理后可进行位置检测。这种方法的线路比较简单，但分辨率受到录磁节距的限制，若要提高分辨率就必须采用较复杂的倍频电路，所以不常采用。 122cos()2sin()SCmSCmxUUxUU77 图5-16 磁尺鉴幅型检测线路框图 783.6.3.2 鉴相型系统工作原理 采用相位检测的精度右可以大大高于录磁节距，并可以通过提高插补脉冲
38、频率以提高系统的分辨率，可达1m。一组磁头的励磁信号移相90则得到输出电压为 在求和电路中相加，则得到磁头总输出电压为 122cos()sin2sin()cosSCmSCmxUUtxUUt2sin()mxUUt79 由上式可知，合成输出电压U的幅值恒定，而相位随磁头和磁尺的相对位置x变化而变化。其输出信号与旋转变压器、感应同步器读取绕组中的信号相似，所以其检测电路也相同。从图5-17看出，振荡器送出的信号经分频器，低通滤波器得到波形较好的正弦波信号。一路经90移相后功率放大送到磁头的励磁绕组，另一路经功率放大送至磁头的励磁绕组。将两磁头的输出信号送入求和电路相加，并经带通滤波器、限幅、放大整形
39、得到与位置量有关的信号，送入检相内插电路中进行内插细分，得到分辨率为预先设定单位的计数信号。计数信号送入可逆计数器，即可进行数字控制和数字显示。 80图5-17磁尺鉴相型检测线路框图 815.6 5.6 编码器编码器5.6.1 5.6.1 脉冲编码器的分类和结构脉冲编码器的分类和结构 脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转角转变成电脉冲，是数控机床上使用广泛的位置检测装置。经过变换电路也可用于速度检测，同时作为速度检测装置；脉冲编码器分光电式、接触式和电磁感应式三种。从精度和可靠性方面来看，光电式脉冲编码器优于其他两种。数控机床上主要使用光电式脉冲编码器。常用的脉冲编码器是一种增量检测装
40、置，它的型号是由每转发出的脉冲数来区分。 82 数控机床上常用的脉冲编码器有：2000P/r、2500P/r和3000P/r等；在高速、高精度数字伺服系统中，应用高分辨率的脉冲编码器，如20000P/r；25000P/r和30000P/r等，现在已有使用每转发出10万个脉冲，乃至几百万逐步形成脉冲的脉冲编码器，该编码器装置内部应用了微处理器。 83图图5-18 5-18 编码盘的结构编码盘的结构84 5.5.3.1 增量式编码器工作原理 鉴向盘与主码盘平行，并刻有a、b两组透明检测窄缝，它们彼此错开1/4节距，以使A、B两个光电变换器的输出信号在相位上相差90。工作时，鉴向盘静止不动，主码盘与
41、转轴一起转动，光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。当主码盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线被全部遮住，光电变换器输出电压为最小；当主码盘上的透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线全部通过，光电变换器输出电压为最大。主码盘每转过一个刻线周期，光电变换器将输出一个近似的正弦波电压，且光电变换器A、B的输出电压相位差为90。经逻辑电路处理就可以测出被测轴的相对转角和转动方向。 855.5.3.2 绝对式编码器原理 绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上的图案信息直接转换成相应代码的检测元件。编码盘有光电式、接触式和电磁式三种。 光电式码盘是目前应用较多的一种，它是在透明材料的圆盘
42、上精确地印制上二进制编码。如图所示为四位二进制的码盘，码盘上各圈圆环分别代表一位二进制的数字码道，在同一个码道上印制黑白等间隔图案，形成一套编码 86 黑色不透光区和白色透光区分别代表二进制的“0”和“1”。在一个四位光电码盘上，有四圈数字码道，每一个码道表示二进制的一位，里侧是高位，外侧是低位，在360范围内可编数码数为24=16个。110000110101011001110100101010011000101111110001001000001110110187 工作时，码盘的一工作时，码盘的一侧放置电源，另一边侧放置电源，另一边放置光电接受装置，放置光电接受装置，每个码道都对应有一每个码
43、道都对应有一个光电管及放大、整个光电管及放大、整形电路。码盘转到不形电路。码盘转到不同位置，光电元件接同位置，光电元件接受光信号，并转成相受光信号，并转成相应的电信号，经放大应的电信号，经放大整形后，成为相应数整形后，成为相应数码电信号。码电信号。 110000110101011001110100101010011000101111110001001000001110110188误差的消除(1).循环码盘(或称格雷码盘)右图所示为四位二进制循环码。这种编码的特点是任意相邻的两个代码间只有一位代码有变化，即“0”变为“1”或“1”变为“0”。因此，在两数变换过程中，所产生的读数误差最多不超过“1”，只可能读成相邻两个数中的一个数。1001011111110100010111001101111010101011000101100010001000110000100089(2).带判位光电装置的二进制循环码盘 该码盘最外圈上的信号位的位置正好与状态交线错开，只有当信号位处的光电元件有信号时才读数，这样就不会产生非单值性误差。 0100110111111110101011001010011101100010001110111000100100000001
