1、第第6 章章 数控机床及加工中心的位移检数控机床及加工中心的位移检测系统测系统 6.1 概述概述 6.2 感应同步器感应同步器 6.3 光栅位置检测装置光栅位置检测装置 6.4 光电脉冲编码器光电脉冲编码器 6.5 旋转变压器旋转变压器 6.6 磁尺检测装置磁尺检测装置返回6.1概述概述 6.1.1检测装置的性能指标与要求检测装置的性能指标与要求通常位置检测装置的精度指标主要包括系统精度和系统分辨率。系统通常位置检测装置的精度指标主要包括系统精度和系统分辨率。系统精度是指在某单位长度或角度内的最大累计测量误差精度是指在某单位长度或角度内的最大累计测量误差,目前直线位移目前直线位移的测量精度可达
2、的测量精度可达(0.0010.002)mm/m,角位移的测量精度可达角位移的测量精度可达10/360。而系统分辨率是指位置检测装置能够测量的最小位移。而系统分辨率是指位置检测装置能够测量的最小位移量量,目前直线位移的分辨率可达目前直线位移的分辨率可达0.001mm,角位移的分辨率可达角位移的分辨率可达2。通常检测装置能检测到的数控机床运动部件的运动速度为通常检测装置能检测到的数控机床运动部件的运动速度为024m/min。数控机床对检测装置的要求主要有数控机床对检测装置的要求主要有:下一页返回6.1概述概述(1)高可靠性和抗干扰性。高可靠性和抗干扰性。(2)满足精度和速度的要求。满足精度和速度的
3、要求。(3)高精度保持性。高精度保持性。(4)使用及维护方便使用及维护方便,适应机床工作环境。适应机床工作环境。(5)成本低。成本低。6.1.2检测装置的分类检测装置的分类6.1.2.1增量式与绝对式增量式与绝对式1.增量式测量增量式测量上一页 下一页返回6.1概述概述增量式测量只测量相对位移量增量式测量只测量相对位移量,如果测量单位为如果测量单位为0.001mm,则每移动则每移动0.001mm 就发出一个脉冲信号。在轮廓控制数控机床上多采用这种就发出一个脉冲信号。在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式测量方式,其优点是测量装置结构简单。但由于测量结果是增量形式其优点是测量装置结构简单。但由于
4、测量结果是增量形式,一旦某一处测量有误一旦某一处测量有误,则在其后的累加测量值均是错误的则在其后的累加测量值均是错误的,因此可能产因此可能产生累积误差。而且生累积误差。而且,增量式测量在断电后不能记忆绝对坐标值增量式测量在断电后不能记忆绝对坐标值,所以采所以采用这种测量方式的数控机床在开机时用这种测量方式的数控机床在开机时,必须进行必须进行“回零回零”操作操作,其在其在发生断电故障时发生断电故障时,不能再找到事故前的正确位置不能再找到事故前的正确位置,只能在故障排除后回只能在故障排除后回零重新计数才能找到正确位置。零重新计数才能找到正确位置。2.绝对式测量绝对式测量上一页 下一页返回6.1概述
5、概述绝对式测量方式对于被测量点的位置都是由一个固定的零点作为基准绝对式测量方式对于被测量点的位置都是由一个固定的零点作为基准的的,每一点都有一个相应的测量值。采用这种方式每一点都有一个相应的测量值。采用这种方式,分辨率要求越高分辨率要求越高,量程越大量程越大,结构就越复杂。结构就越复杂。6.1.2.2直接式与间接式直接式与间接式若测量传感器所测量的指标就是所要求的指标若测量传感器所测量的指标就是所要求的指标,即直线型传感器测量即直线型传感器测量直线位移、回转型传感器测量角位移直线位移、回转型传感器测量角位移,则该测量方式为直接测量。典则该测量方式为直接测量。典型的直接测量装置为光栅、感应同步器
6、或磁尺、编码器。其测量精度型的直接测量装置为光栅、感应同步器或磁尺、编码器。其测量精度主要取决于测量系统本身的精度主要取决于测量系统本身的精度,不受机床传动精度的直接影响。但不受机床传动精度的直接影响。但测量直线位移时测量直线位移时,检测装置要和行程等长检测装置要和行程等长,这对于大型机床而言是不利这对于大型机床而言是不利的。的。上一页 下一页返回6.1概述概述若回转传感器测量的角位移只是中间值若回转传感器测量的角位移只是中间值,由它再推算出与之对应的工由它再推算出与之对应的工作台直线位移作台直线位移,那么该测量方式为间接测量。该方法使用方便且无长那么该测量方式为间接测量。该方法使用方便且无长
7、度限制度限制,但其测量精度取决于测量装置和机床传动系统的精度。典型但其测量精度取决于测量装置和机床传动系统的精度。典型的间接测量装置为码盘和旋转变压器。的间接测量装置为码盘和旋转变压器。6.1.2.3模拟式与数字式模拟式与数字式数字式测量是将被测量以数字形式表示。数字式测量输出信号一般是数字式测量是将被测量以数字形式表示。数字式测量输出信号一般是电脉冲电脉冲,可以直接送到数控装置可以直接送到数控装置(计算机计算机)进行比较、处理。其典型的进行比较、处理。其典型的检测装置为光栅位移测量装置。检测装置为光栅位移测量装置。数字式测量的特点如下数字式测量的特点如下:上一页 下一页返回6.1概述概述(1
8、)被测量量化后转换为脉冲个数被测量量化后转换为脉冲个数,便于显示处理。便于显示处理。(2)测量精度取决于测量单位测量精度取决于测量单位,与量程基本无关。与量程基本无关。(3)检测装置比较简单检测装置比较简单,脉冲信号抗干扰能力强。脉冲信号抗干扰能力强。模拟式检测是将被测量用连续的变量表示模拟式检测是将被测量用连续的变量表示,如用电压或相位的变化来如用电压或相位的变化来表示。在大量程内做精确的模拟式检测技术要求较高表示。在大量程内做精确的模拟式检测技术要求较高,故在数控机床故在数控机床中中,模拟式检测主要用于小量程测量。模拟式检测主要用于小量程测量。模拟式测量的主要特点如下模拟式测量的主要特点如
9、下:(1)直接对被测量进行检测直接对被测量进行检测,无须量化。无须量化。上一页 下一页返回6.1概述概述(2)在小量程内可以实现高精度检测。在小量程内可以实现高精度检测。(3)可用于直接检测和间接检测。可用于直接检测和间接检测。典型的模拟式测量装置有旋转变压器、感应同步器和磁栅等。典型的模拟式测量装置有旋转变压器、感应同步器和磁栅等。数控机床常用检测装置的分类见数控机床常用检测装置的分类见表表6-1。上一页返回6.2感应同步器感应同步器感应同步器是利用两个平面印刷电路绕组的电磁耦合原理感应同步器是利用两个平面印刷电路绕组的电磁耦合原理,检测运动检测运动件的直线位移或角位移的传感器。它属于模拟式
10、测量件的直线位移或角位移的传感器。它属于模拟式测量,其输出电压随其输出电压随被测直线位移或角位移而改变。被测直线位移或角位移而改变。感应同步器按其结构可分为直线型和旋转型两类。直线型感应同步器感应同步器按其结构可分为直线型和旋转型两类。直线型感应同步器用于直线位移测量用于直线位移测量,旋转型感应同步器用于角位移测量。两者结构略旋转型感应同步器用于角位移测量。两者结构略有不同有不同,但其工作原理相同。但其工作原理相同。感应同步器的抗干扰性强感应同步器的抗干扰性强,对环境要求低对环境要求低,机械结构简单机械结构简单,大量程时接大量程时接长方便长方便,加之成本较低加之成本较低,所以在数控机床检测系统
11、中得到了广泛的应用所以在数控机床检测系统中得到了广泛的应用。下一页返回6.2感应同步器感应同步器 6.2.1直线型感应同步器的结构直线型感应同步器的结构直线型感应同步器的结构直线型感应同步器的结构如图如图6-1 所示所示,其定尺和滑尺的基板采用与其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机床热膨胀系数相近的钢板制成,钢板上用绝缘黏结剂贴有铜箔钢板上用绝缘黏结剂贴有铜箔,并利并利用腐蚀的办法做成图用腐蚀的办法做成图6-1 所示的矩形绕组。长尺叫定尺所示的矩形绕组。长尺叫定尺,短尺叫滑尺短尺叫滑尺,标准感应同步器定尺长度为标准感应同步器定尺长度为250mm,滑尺长度为滑尺长度为100mm
12、,使用时定尺使用时定尺安装在固定部件上安装在固定部件上(如机床床身如机床床身)、滑尺安装在运动部件上。、滑尺安装在运动部件上。由图由图6-1 可以看出可以看出,定尺绕组是连续的定尺绕组是连续的,而滑尺上分布有两个励磁绕组而滑尺上分布有两个励磁绕组,分别称为正弦绕组分别称为正弦绕组(sin 绕组绕组)和余弦绕组和余弦绕组(cos 绕组绕组)。上一页 下一页返回6.2感应同步器感应同步器当正弦绕组与定尺绕组对齐时当正弦绕组与定尺绕组对齐时,余弦绕组与定尺绕组相差余弦绕组与定尺绕组相差1/4 节距。节距。感应同步器的定尺和滑尺上矩形绕组的节距相等感应同步器的定尺和滑尺上矩形绕组的节距相等,均为均为2
13、,定尺和滑尺定尺和滑尺之间有之间有(0.250.05)mm 的均匀气隙的均匀气隙,使用时分别安装在相对运动的使用时分别安装在相对运动的部件上。定尺安装在机床导轨上部件上。定尺安装在机床导轨上,其长度大于被检测件的长度其长度大于被检测件的长度;滑尺较滑尺较短短,安装在运动部件上安装在运动部件上,并自然接地。并自然接地。目前生产的直线型感应同步器有标准式、窄式、钢带式和三速式等多目前生产的直线型感应同步器有标准式、窄式、钢带式和三速式等多种。标准式感应同步器定尺长度为种。标准式感应同步器定尺长度为250mm,但可用接长的方法接到但可用接长的方法接到18m。钢带式感应同步器定尺的单根长度可做到。钢带
14、式感应同步器定尺的单根长度可做到10m,最长最长30m。直。直线型感应同步器适用于各种重型、大型和中小型机床。线型感应同步器适用于各种重型、大型和中小型机床。上一页 下一页返回6.2感应同步器感应同步器 6.2.2感应同步器的工作原理感应同步器的工作原理由图由图6-1 可以看出可以看出,当滑尺的两个绕组中任意相通有励磁电流时当滑尺的两个绕组中任意相通有励磁电流时,由于由于电磁感应作用电磁感应作用,在定尺绕组中必然产生感应电势。定尺绕组中感应的在定尺绕组中必然产生感应电势。定尺绕组中感应的总电势是滑尺上正弦绕组和余弦绕组所产生的感应电势的向量和。总电势是滑尺上正弦绕组和余弦绕组所产生的感应电势的
15、向量和。图图6-2 所示所示为滑尺绕组相对定尺绕组移动时定尺绕组感应电势变化的为滑尺绕组相对定尺绕组移动时定尺绕组感应电势变化的情况情况,若向滑尺上的正弦绕组通以交流励磁电压若向滑尺上的正弦绕组通以交流励磁电压,则在绕组中产生励磁则在绕组中产生励磁电流电流,因而绕组周围产生了旋转磁场因而绕组周围产生了旋转磁场,A 点表示滑尺绕组与定尺绕组重点表示滑尺绕组与定尺绕组重合合,这时定尺绕组中感应电势最大这时定尺绕组中感应电势最大,当滑尺从当滑尺从A 点向右平移时点向右平移时,感应电感应电势相应逐渐减小势相应逐渐减小,到两绕组刚好错开到两绕组刚好错开1/4 节距位置即图中节距位置即图中B 点时点时,感
16、应感应电势为零。电势为零。上一页 下一页返回6.2感应同步器感应同步器再继续移动到再继续移动到1/2 节距的位置节距的位置C 点时点时,得到的感应电势与得到的感应电势与A 点大小相点大小相同同,但极性相反。再移动到但极性相反。再移动到3/4 节距即图中节距即图中D 点时点时,感应电势又变为零感应电势又变为零。当移动一个节距到达。当移动一个节距到达E 点时点时,情况与情况与A 点相同。可见点相同。可见,滑尺在移动一滑尺在移动一个节距的过程中个节距的过程中,定子绕组中的感应电势按余弦波形变化一个周期。定子绕组中的感应电势按余弦波形变化一个周期。设定尺绕组节距为设定尺绕组节距为2,它对应的感应电压以
17、余弦函数变化了它对应的感应电压以余弦函数变化了2,当滑当滑尺移动距离为尺移动距离为时时,对应的感应电压以余弦函数变化相位角对应的感应电压以余弦函数变化相位角。由比例。由比例关系关系可得可得上一页 下一页返回6.2感应同步器感应同步器则定尺绕组上的感应电势为则定尺绕组上的感应电势为同理同理,当只对余弦绕组励磁时当只对余弦绕组励磁时,定尺绕组中感应电势定尺绕组中感应电势Ec 按下述公式变按下述公式变化化:当同时给滑尺上两绕组励磁当同时给滑尺上两绕组励磁(Us、Uc)时时,则更具叠加原理则更具叠加原理,定尺绕组定尺绕组中产生的感应电势应是各感应电势的代数和中产生的感应电势应是各感应电势的代数和(E=
18、Es+Ec),据此就可以据此就可以求出滑尺的位移。求出滑尺的位移。6.2.3感应同步器的典型应用感应同步器的典型应用上一页 下一页返回6.2感应同步器感应同步器根据励磁绕组中励磁供电方式的不同根据励磁绕组中励磁供电方式的不同,感应同步器可分为鉴相工作方感应同步器可分为鉴相工作方式和鉴幅工作方式两种。式和鉴幅工作方式两种。6.2.3.1鉴相工作方式鉴相工作方式给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别施加频率相同、幅值相同但时间相给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别施加频率相同、幅值相同但时间相位相差位相差/2的交流励磁电压的交流励磁电压,即即根据叠加原理根据叠加原理,定尺上的总感应电压为定尺上的总感应电压为上一
19、页 下一页返回6.2感应同步器感应同步器鉴相式检测系统的基本组成鉴相式检测系统的基本组成如图如图6-3 所示所示。CNC 装置发出指令脉冲装置发出指令脉冲,经脉冲相位转换器转换为相对于基准相位经脉冲相位转换器转换为相对于基准相位0 变化的指令相位变化的指令相位1,即表即表示位移量的指令式是以相位差角度值给定的。示位移量的指令式是以相位差角度值给定的。从脉冲相位变换器输出的基准脉冲信号经励磁供电线路给感应同步器从脉冲相位变换器输出的基准脉冲信号经励磁供电线路给感应同步器滑尺的两励磁绕组供电滑尺的两励磁绕组供电,其过程为基准相位其过程为基准相位0 经经/2 移相移相,变为幅值变为幅值相等、频率相同
20、、相位相差相等、频率相同、相位相差/2 的正弦、余弦信号的正弦、余弦信号,给正弦绕组、余给正弦绕组、余弦绕组励磁。这样弦绕组励磁。这样,因为是来源于同一个基准相位因为是来源于同一个基准相位0,所以定尺绕组上所以定尺绕组上所取得的感应电压所取得的感应电压E 的相位的相位2 则反映出两者的相位位置。则反映出两者的相位位置。上一页 下一页返回6.2感应同步器感应同步器因此因此,将指令相位将指令相位1 和实际相位和实际相位2 在鉴相器中进行比较在鉴相器中进行比较,若两者相位若两者相位一致一致,即即1=2,则表示感应同步器的实际位置与给定指令位置相同则表示感应同步器的实际位置与给定指令位置相同;若两者位
21、置不一致若两者位置不一致,则利用其产生的相位差作为控制信号则利用其产生的相位差作为控制信号,控制执行机控制执行机构带动工作台向减小相位差的方向移动。构带动工作台向减小相位差的方向移动。具体控制过程为具体控制过程为:脉冲脉冲相位转换器每接收一个脉冲便产生一个指令相位转换器每接收一个脉冲便产生一个指令位移增量位移增量,其大小取决于脉冲其大小取决于脉冲相位转换器的分频系数相位转换器的分频系数N,而分频系数而分频系数取决于系统分辨率。如果感应同步器一个节距为取决于系统分辨率。如果感应同步器一个节距为2mm,脉冲当量选定脉冲当量选定为为0.005mm,则一个脉冲对应的相位增量为则一个脉冲对应的相位增量为
22、上一页 下一页返回6.2感应同步器感应同步器6.2.3.2鉴幅工作方式鉴幅工作方式供给滑尺上正、余弦绕组以频率相同、相位相同但幅值不同的励磁电供给滑尺上正、余弦绕组以频率相同、相位相同但幅值不同的励磁电压。压。则在定尺绕组产生的总感应电压为则在定尺绕组产生的总感应电压为当当-的数值很小时的数值很小时,定尺上的感应电压定尺上的感应电压E 可近似表示为可近似表示为上一页 下一页返回6.2感应同步器感应同步器而其中而其中所以所以机械位移每改变一个机械位移每改变一个x 的位移增量的位移增量,就有误差电压就有误差电压E。值得注意的是。值得注意的是,当误差电压很小时当误差电压很小时,误差电压的幅值才和误差
23、电压的幅值才和x 成正比。当成正比。当E 超过某一预超过某一预先设定的门槛电平时先设定的门槛电平时,就产生脉冲信号就产生脉冲信号,并用此来修正励磁信号并用此来修正励磁信号Us、Uc,使误差信号重新降低到门槛电平以下使误差信号重新降低到门槛电平以下,这样就把位移量转化为数这样就把位移量转化为数字量字量,实现了对位移的测量。实现了对位移的测量。上一页 下一页返回6.2感应同步器感应同步器图图6-4 所示所示为感应同步器鉴幅测量系统框图。由于感应同步器定尺绕为感应同步器鉴幅测量系统框图。由于感应同步器定尺绕组输出的误差电压组输出的误差电压E 比较微弱比较微弱,所以要经前置放大器放大到一定幅值所以要经
24、前置放大器放大到一定幅值后后,再送到误差变换器。误差变换器经方向判别后再送到误差变换器。误差变换器经方向判别后,将表示方向正负的将表示方向正负的符号送入脉冲混合器符号送入脉冲混合器,并产生实际脉冲值。此环节中包括门槛电路并产生实际脉冲值。此环节中包括门槛电路,一一旦定尺上的感应电压旦定尺上的感应电压E 超过门槛值超过门槛值,便产生实际脉冲值。这些脉冲一便产生实际脉冲值。这些脉冲一方面作为实际位移值送到脉冲混合器方面作为实际位移值送到脉冲混合器;另一方面送到数字正余弦信号另一方面送到数字正余弦信号发生器发生器,修正励磁电压的幅值修正励磁电压的幅值,使其按照正余弦规律变化。使其按照正余弦规律变化。
25、门槛电平的整定门槛电平的整定,是根据脉冲当量来进行的。是根据脉冲当量来进行的。上一页 下一页返回6.2感应同步器感应同步器脉冲混合器的作用是将来自于脉冲混合器的作用是将来自于CNC 装置的指令脉冲与反馈回来的实装置的指令脉冲与反馈回来的实际脉冲值进行比较际脉冲值进行比较,得到系统的数字量位置误差得到系统的数字量位置误差,再经再经D/A 转换器将其转换器将其转换为模拟电压信号转换为模拟电压信号,控制伺服机构带动工作台移动。控制伺服机构带动工作台移动。D/A 转换器的作用是产生励磁电压。转换器的作用是产生励磁电压。D/A 转换器由多抽头的计数变转换器由多抽头的计数变压器、开关线路和变换计数器组成压
26、器、开关线路和变换计数器组成,计数变压器的抽头必须精确地按计数变压器的抽头必须精确地按照正弦、余弦函数抽出。照正弦、余弦函数抽出。6.2.4感应同步器的安装感应同步器的安装将感应同步器的输出与数字位移显示器相连将感应同步器的输出与数字位移显示器相连,便可方便地将滑尺相对便可方便地将滑尺相对定尺的机械位移准确地显示出来。定尺的机械位移准确地显示出来。上一页 下一页返回6.2感应同步器感应同步器根据感应同步器的工作方式不同根据感应同步器的工作方式不同,数字位移显示器也有相位型和幅值数字位移显示器也有相位型和幅值型两种。为了提高定尺输出电信号的强度型两种。为了提高定尺输出电信号的强度,定尺上输出电压
27、首先应经定尺上输出电压首先应经前置放大器放大后再进入到数字显示器中。此外前置放大器放大后再进入到数字显示器中。此外,在感应同步器滑尺在感应同步器滑尺绕组与励磁电源之间要设置匹配电压器绕组与励磁电源之间要设置匹配电压器,以保证滑尺绕组有较低的输以保证滑尺绕组有较低的输入阻抗。入阻抗。图图6-5 所示为所示为直线感应同步器的安装图直线感应同步器的安装图,通常将定尺尺座与通常将定尺尺座与固定导轨连接固定导轨连接,滑尺座与移动部件连接。滑尺座与移动部件连接。上一页 下一页返回6.2感应同步器感应同步器为了保证检测精度为了保证检测精度,要求定尺侧母线与机床导轨基准面的平行度允差要求定尺侧母线与机床导轨基
28、准面的平行度允差在全长内为在全长内为0.1mm,滑尺侧母线与机床导轨基准面的平行度允差在全滑尺侧母线与机床导轨基准面的平行度允差在全长内为长内为0.02mm,定尺与滑尺接触的四角间隙一般不大于定尺与滑尺接触的四角间隙一般不大于0.05mm。当量程超过当量程超过250mm 时时,需将多个定尺连接起来需将多个定尺连接起来,此时应使接长后的定此时应使接长后的定尺组件在全长上的累积误差控制在允差范围内。接长后的定尺组件和尺组件在全长上的累积误差控制在允差范围内。接长后的定尺组件和滑尺组件分别安装在机床两个做相对位移的部件上。滑尺组件分别安装在机床两个做相对位移的部件上。上一页返回6.3光栅位置检测装置
29、光栅位置检测装置光栅主要可分为物理光栅和计量光栅两大类。物理光栅刻线细密光栅主要可分为物理光栅和计量光栅两大类。物理光栅刻线细密(200500 条条/mm),节距小节距小,利用光的衍射现象利用光的衍射现象,通常用于光谱的分析通常用于光谱的分析和光波波长的测定等。计量光栅刻线较粗和光波波长的测定等。计量光栅刻线较粗(25 条条/mm,50 条条/mm,100 条条mm,250 条条mm),主要利用光的透射和反射现象主要利用光的透射和反射现象,用于检测直用于检测直线位移和角位移等。线位移和角位移等。计量光栅应用莫尔条纹原理计量光栅应用莫尔条纹原理,所测的位置精度相当高所测的位置精度相当高,而且计量
30、光栅的而且计量光栅的读数速率从每秒零次到数万次读数速率从每秒零次到数万次,范围很广范围很广,非常适于动态测量。非常适于动态测量。计量光栅又分为长光栅计量光栅又分为长光栅(用于测量直线位移用于测量直线位移)和圆光栅和圆光栅(用于测量角位用于测量角位移移),两者工作原理基本相似两者工作原理基本相似,通常长光栅应用较多。通常长光栅应用较多。下一页返回6.3光栅位置检测装置光栅位置检测装置 6.3.1长光栅检测装置的结构长光栅检测装置的结构长光栅检测装置长光栅检测装置(直线光栅传感器直线光栅传感器)由标尺光栅、指示光栅和光栅读数由标尺光栅、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头
31、等组成。标尺光栅一般固定在机床活动部件上(如工作台上如工作台上),光栅光栅读数头装在机床固定部件上。当光栅读数头相对于标尺光栅移动时读数头装在机床固定部件上。当光栅读数头相对于标尺光栅移动时,指示光栅便在标尺光栅上发生相对移动。标尺光栅和指示光栅的平行指示光栅便在标尺光栅上发生相对移动。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保证度以及两者之间的间隙要严格保证(0.050.1mm)。图图6-6 所示所示为光为光栅检测装置的安装结构。栅检测装置的安装结构。标尺光栅和指示光栅统称为光栅尺标尺光栅和指示光栅统称为光栅尺,它们是在真空镀膜的玻璃片或长它们是在真空镀膜的玻璃片或长条形金属镜面上
32、刻出均匀密集的线纹条形金属镜面上刻出均匀密集的线纹,光栅的线纹相互平行光栅的线纹相互平行,线纹之间线纹之间的距离叫作栅距。的距离叫作栅距。上一页 下一页返回6.3光栅位置检测装置光栅位置检测装置对于圆光栅对于圆光栅,这些线纹是圆心角相等的向心条纹这些线纹是圆心角相等的向心条纹,两条向心条纹之间的两条向心条纹之间的夹角叫作栅距角。栅距和栅距角是光栅的重要参数。对于长光栅夹角叫作栅距角。栅距和栅距角是光栅的重要参数。对于长光栅,金金属反射光栅的线纹密度为每毫米属反射光栅的线纹密度为每毫米2550 个条纹个条纹,玻璃透射光栅为每毫玻璃透射光栅为每毫米米100250 个条纹。个条纹。光栅读数头又叫光电
33、转换器光栅读数头又叫光电转换器,它把光栅莫尔条纹变为电信号。它把光栅莫尔条纹变为电信号。图图6-7 所示为垂直入射的读数头所示为垂直入射的读数头,读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成。图件和驱动线路组成。图6-6 中的标尺光栅不属于光栅读数头中的标尺光栅不属于光栅读数头,但它要但它要穿过光栅读数头穿过光栅读数头,且保证与光栅有准确的相互位置关系。且保证与光栅有准确的相互位置关系。6.3.2光栅传感器的工作原理光栅传感器的工作原理上一页 下一页返回6.3光栅位置检测装置光栅位置检测装置以投射光栅为例以投射光栅为例,当指示光栅上的线纹和标尺光栅上
34、的线纹之间形成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一个小角度,并且两个光栅尺刻面相对平行放置时并且两个光栅尺刻面相对平行放置时,在光源的照射下在光源的照射下,栅纹上形成明暗相间的条纹栅纹上形成明暗相间的条纹,这就是莫尔条纹这就是莫尔条纹,如图如图6-8 所示所示。严格。严格来说来说,莫尔条纹排列的方向是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。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宽度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宽度,以以B表示。表示。6.3.2.1莫尔条纹的变化规律莫尔条纹的变化规律两片光栅相
35、对移动一个栅距两片光栅相对移动一个栅距,莫尔条纹移动一个条纹间距。由于光的莫尔条纹移动一个条纹间距。由于光的衍射与干涉作用衍射与干涉作用,莫尔条纹的变化规律近似正莫尔条纹的变化规律近似正(余余)弦函数弦函数,变化周期与变化周期与光栅相对移动的栅距数同步。光栅相对移动的栅距数同步。上一页 下一页返回6.3光栅位置检测装置光栅位置检测装置6.3.2.2放大作用放大作用测量莫尔条纹的宽度要比测量光栅线纹宽度容易得多。在两光栅栅距测量莫尔条纹的宽度要比测量光栅线纹宽度容易得多。在两光栅栅距均为均为W,栅线夹角较小的情况下栅线夹角较小的情况下,莫尔条纹宽度莫尔条纹宽度B 与光栅栅距与光栅栅距W 及栅及栅
36、线夹角之间有下列关系线夹角之间有下列关系:当当 角很小时角很小时,sin,则上式可近似为则上式可近似为上一页 下一页返回6.3光栅位置检测装置光栅位置检测装置若若W=0.01mm,=0.01rad,则可得出则可得出B=1mm,即将光栅栅距转换即将光栅栅距转换成为放大成为放大100 倍的莫尔条纹。倍的莫尔条纹。6.3.2.3误差平均效应误差平均效应由于每条莫尔条纹都是由许多光栅线纹的交点组成的由于每条莫尔条纹都是由许多光栅线纹的交点组成的,当线纹中有一当线纹中有一条线纹有误差时条线纹有误差时(间距不等或倾斜间距不等或倾斜),这条有误差的线纹和另一光栅线这条有误差的线纹和另一光栅线纹的交点位置将产
37、生变化。但是纹的交点位置将产生变化。但是,由于一条莫尔条纹是由许多光栅线由于一条莫尔条纹是由许多光栅线纹交点组成的。因此纹交点组成的。因此,光栅栅距不均匀或断裂导致一个线纹交点位置光栅栅距不均匀或断裂导致一个线纹交点位置的变化的变化,对于一条莫尔条纹来讲其影响就非常小了对于一条莫尔条纹来讲其影响就非常小了,所以莫尔条纹可以所以莫尔条纹可以起到均化误差的作用。起到均化误差的作用。上一页 下一页返回6.3光栅位置检测装置光栅位置检测装置6.3.2.4莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例当干涉条纹移动一个栅距时当干涉条纹移动一个栅距时,莫尔条纹也移动一个莫尔条纹宽
38、度莫尔条纹也移动一个莫尔条纹宽度,若光若光栅移动方向相反栅移动方向相反,则莫尔条纹移动的方向也相反。莫尔条纹的移动方则莫尔条纹移动的方向也相反。莫尔条纹的移动方向与光栅移动方向相垂直。这样测量光栅水平方向移动的微小距离即向与光栅移动方向相垂直。这样测量光栅水平方向移动的微小距离即可用检测垂直方向宽大的莫尔条纹的变化来代替。可用检测垂直方向宽大的莫尔条纹的变化来代替。6.3.3光栅位移光栅位移数字变换电路数字变换电路在光栅测量系统中在光栅测量系统中,提高分辨率和测量精度不可能仅靠增大栅线的密提高分辨率和测量精度不可能仅靠增大栅线的密度来实现。工程上常采用莫尔条纹的细分技术。细分技术有光学细分度来
39、实现。工程上常采用莫尔条纹的细分技术。细分技术有光学细分、机械细分和电子细分等方法。在伺服系统中、机械细分和电子细分等方法。在伺服系统中,应用最多的是电子细应用最多的是电子细分方法。分方法。上一页 下一页返回6.3光栅位置检测装置光栅位置检测装置下面介绍一种常用的下面介绍一种常用的4 倍频光栅位移倍频光栅位移数字变化电路。该电路的组成数字变化电路。该电路的组成如图如图6-9 所示所示。光栅移动时产生的莫尔条纹由光电元件接收。光栅移动时产生的莫尔条纹由光电元件接收,然后经然后经过位移过位移数字变换电路形成正、反走时的正、反向脉冲数字变换电路形成正、反走时的正、反向脉冲,由可逆计数由可逆计数器接收
40、。图器接收。图6-9 中有中有4 块光电池发出的信号分别为块光电池发出的信号分别为a、b、c 和和d,相位相位彼此相差彼此相差90。a、c 信号相位差为信号相位差为180,送入差动放大器放大送入差动放大器放大,得得到到sin 信号信号,将信号幅度放大到足够大。同理将信号幅度放大到足够大。同理,b、d 信号送入另一个信号送入另一个差动放大器差动放大器,得到得到cos 信号。信号。sin、cos 信号经整形变成方波信号经整形变成方波A 和和B,A 和和B 信号经反向得信号经反向得C 和和D信号。信号。上一页 下一页返回6.3光栅位置检测装置光栅位置检测装置A、C、B、D 信号再经微分变成窄脉冲信号
41、再经微分变成窄脉冲A、C、B、D,即在正走或即在正走或反走时每个方波的上升沿产生窄脉冲反走时每个方波的上升沿产生窄脉冲,由与门电路把由与门电路把0、90、180、270 4 个位置上产生的窄脉冲组合起来个位置上产生的窄脉冲组合起来,根据不同的移动方根据不同的移动方向形成正向脉冲或反向脉冲向形成正向脉冲或反向脉冲,用可逆计数器测量光栅的实际位移用可逆计数器测量光栅的实际位移,如图如图6-10 所示。所示。在光栅位移在光栅位移数字变换电路中数字变换电路中,除上面介绍的除上面介绍的4 倍频回路倍频回路以外以外,还有还有10 倍频回路等。倍频回路等。上一页返回6.4光电脉冲编码器光电脉冲编码器 6.4
42、.1脉冲编码器的分类与结构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脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器,能把机械转角转变为电脉冲能把机械转角转变为电脉冲,是是数控机床上使用广泛的位置检测装置数控机床上使用广泛的位置检测装置,经过变换电路也可以用于速度经过变换电路也可以用于速度检测检测,同时作为速度检测装置。脉冲编码器分为光电式、接触式和电同时作为速度检测装置。脉冲编码器分为光电式、接触式和电磁感应式磁感应式3 种。从精度和可靠性方面来看种。从精度和可靠性方面来看,光电式脉冲编码器优于其光电式脉冲编码器优于其他两种。数控机床上主要是使用光电式脉冲编码器。脉冲编码器是一他两种。数控机床上
43、主要是使用光电式脉冲编码器。脉冲编码器是一种增量检测装置种增量检测装置,它的型号是由每转发出的脉冲数来区分的。它的型号是由每转发出的脉冲数来区分的。下一页返回6.4光电脉冲编码器光电脉冲编码器数控机床上常用的脉冲编码器有数控机床上常用的脉冲编码器有2 000 脉冲脉冲/r、2 500 脉冲脉冲/r 和和3 000 脉冲脉冲/r 等等;在高速、高精度数字伺服系统中在高速、高精度数字伺服系统中,应用高分辨率的脉冲编应用高分辨率的脉冲编码器码器,如如20 000 脉冲脉冲/r、25 000 脉冲脉冲/r 和和3 000 脉冲脉冲/r 等等,现已有每现已有每转发出转发出10 万个脉冲万个脉冲,乃至几百
44、万个脉冲的脉冲编码器乃至几百万个脉冲的脉冲编码器,该编码器装置该编码器装置内部应用了微处理器。内部应用了微处理器。光电式脉冲编码器由光源、透镜、光电盘、光栅板光电式脉冲编码器由光源、透镜、光电盘、光栅板(圆盘圆盘)、光电元件、光电元件和信号处理电路等组成和信号处理电路等组成(见图见图6-11)。光电盘用玻璃材料研磨抛光制成。光电盘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玻璃表面在真空中镀上一层不透光的铬,再用照相腐蚀法在上面制成再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其数量从几百条到几千条不等。等。
45、上一页 下一页返回6.4光电脉冲编码器光电脉冲编码器圆盘圆盘(光栅板光栅板)也用玻璃材料研磨抛光制成也用玻璃材料研磨抛光制成,其透光窄缝为两条其透光窄缝为两条,每一条每一条后面安装一只光电元件。后面安装一只光电元件。6.4.2光电脉冲编码器的工作原理光电脉冲编码器的工作原理如图如图6-12 所示所示,当圆光栅旋转时当圆光栅旋转时,光线透过两个光栅的线纹部分光线透过两个光栅的线纹部分,形成形成明暗相间的明暗相间的3路莫尔条纹路莫尔条纹,同时光敏元件接收这些光信号同时光敏元件接收这些光信号,并转化为交并转化为交替变换的电信号替变换的电信号A、B(近似于正弦波近似于正弦波)和和Z,再经放大和整形变成
46、方波再经放大和整形变成方波。其中。其中A、B 信号称为主计数脉冲信号称为主计数脉冲,它们在相位上相差它们在相位上相差90,如图如图6-13 所示所示;Z 信号称为零位脉冲信号称为零位脉冲,“一转一个一转一个”,该信号与该信号与A、B 信号严格同信号严格同步。零位脉冲宽度是主计数脉冲宽度的一半步。零位脉冲宽度是主计数脉冲宽度的一半,细分后同比例变宽。细分后同比例变宽。上一页 下一页返回6.4光电脉冲编码器光电脉冲编码器这些信号作为位移测量脉冲这些信号作为位移测量脉冲,如经过频率如经过频率/电压变换电压变换,也可作为速度测也可作为速度测量反馈信号。量反馈信号。6.4.3光电编码器的运用光电编码器的
47、运用光电脉冲编码器应用在数控机床数字比较伺服系统中光电脉冲编码器应用在数控机床数字比较伺服系统中,作为位置检测作为位置检测装置。光电脉冲编码器将位置检测信号反馈给装置。光电脉冲编码器将位置检测信号反馈给CNC 装置有几种方式装置有几种方式:一是使用减计数要求的可逆计数器一是使用减计数要求的可逆计数器,形成加计数脉冲和减计数脉冲形成加计数脉冲和减计数脉冲;二二是使用有计数控制端和方向控制端的计数器是使用有计数控制端和方向控制端的计数器,形成正走、反走计数脉形成正走、反走计数脉冲和方向控制电平。冲和方向控制电平。图图6-14 所示所示为第一种方式的电路图和波形图。为第一种方式的电路图和波形图。上一
48、页 下一页返回6.4光电脉冲编码器光电脉冲编码器光电脉冲编码器的输入脉冲信号光电脉冲编码器的输入脉冲信号,经过差分驱动传输进入经过差分驱动传输进入CNC 装置装置,仍为仍为A 相信号和相信号和B 相信号相信号,如图如图6-14(a)所示。所示。图图6-15 所示为所示为第二种方式的电路图和波形图。第二种方式的电路图和波形图。现代全数字数控伺服系统中现代全数字数控伺服系统中,由专门的微处理器通过软件对光电编码由专门的微处理器通过软件对光电编码器的信号进行采集、传送和处理器的信号进行采集、传送和处理,完成位置控制任务。完成位置控制任务。上面介绍的光电脉冲编码器主要用在进给系统中。如果在主运动上面介
49、绍的光电脉冲编码器主要用在进给系统中。如果在主运动(主主轴控制轴控制)中也采用这种光电脉冲编码器中也采用这种光电脉冲编码器,则该系统成为具有位置控制功则该系统成为具有位置控制功能的主轴控制系统能的主轴控制系统,或者叫作或者叫作C 轴控制。在一般主轴控制系统中轴控制。在一般主轴控制系统中,采用采用主轴位置脉冲编码器主轴位置脉冲编码器,其原理与光电脉冲编码器一样其原理与光电脉冲编码器一样,只是光栅线纹数只是光栅线纹数为为1 024/周周,经经4 倍频细分电路后倍频细分电路后,为每转为每转4 096 个脉冲。个脉冲。上一页 下一页返回6.4光电脉冲编码器光电脉冲编码器主轴位置脉冲编码器的作用是控制自
50、动换刀时的主轴准停以及车削螺主轴位置脉冲编码器的作用是控制自动换刀时的主轴准停以及车削螺纹时的进刀点和退刀点的定位。加工中心自动换刀时纹时的进刀点和退刀点的定位。加工中心自动换刀时,需要定向控制需要定向控制主轴停在某一固定位置主轴停在某一固定位置,以便在该处进行换刀等动作以便在该处进行换刀等动作,只要数控系统发只要数控系统发出换刀指令出换刀指令,即可利用主轴位置脉冲编码器输出信号使主轴停在规定即可利用主轴位置脉冲编码器输出信号使主轴停在规定的位置上。数控车床车削螺纹时需要多次走刀的位置上。数控车床车削螺纹时需要多次走刀,车刀和主轴都要求停车刀和主轴都要求停在固定的准确位置上在固定的准确位置上,
