1、数控机床电气控制武汉软件职业学院机电工程系武汉软件职业学院机电工程系方占桥方占桥 第四章 数控机床进给驱动系统本章要点进给系统的简介步进电机及其驱动系统伺服电机及驱动系统进给系统的接口半闭环、闭环进给传动系统本章重点步进、伺服电机的原理；驱动系统的结构及原；检测元件的作用及原理4.1概述4.1.1进给驱动系统的概念进给系统：是根据数控装置发出控制指令来驱动的执行机构实现机床的精确进给运动。特点：位置随动、精确定位。作用：1.放大CNC装置发出的控制信号，具有功率输出能力；2.根据CNC装置发出的控制信号对机床移动部件的位置和速度进行控制。4.1.2数控.机床对进给系统的要求1.调整范围要宽；2
2、.定位精度要高；4.低速大转矩，过载能力强；5.可靠性高。3.快速响应、无超调；4.1.3进给系统的分类 步进电动机按执行元件分 直流伺服电动机 交流伺服电动机 开环控制系统 按控制类型分 闭环控制系统 4.1.5进给驱动系统的组成 驱动装置-信号转换、传递、放大；执行元件 -将电信号转换为机械能，完成 机械动作(位移、速度、运动方向)；传动机构-机械部件；检测元件 -将位移、速度、运动方向转换 为电信信号，并反馈至CNC。4.2 步进电动机驱动的进给系统步进电动机驱动的进给系统 步进电动机是一种将电脉冲信号转换为机械角 位移的电磁机械装置。步-一个电脉冲的作用下，步进电动机旋转 一固定的角度
3、。步距角-一步所对应旋转过的角度。如0.36/0.72 4.2.1步进电动机的分类 快速步进电动机-连续输出工作频率高，但输出功率小。按输出功率分 功率步进电动机-工作频率不高，但输出功率大。按工作原理可分为：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）永磁式步进:一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进:一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪 声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进:混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相 步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用 最为广泛。按励
4、磁相数分为：两相、三相、四相、五相、六相、八相。电流极性分为：单极性和双极性步进电动机。运动形式分为：旋转、直线，平面步进电动机。4.2.2 步进电动机的特点 1.输出转角与输入的脉冲个数成正比；2.输出转速励磁电流频率正比；3.具有较高的定位精度，无需制动力矩，无累积误差；4.改变转向方便(改变励磁电流的方向)；5.低频特性欠佳，易产生振荡。4.2.3 步进电动机的工作原理及特性一、步进电动机的工作原理1.结构 定子-定子铁芯和励磁绕组，转子-铁芯(铁磁材料或永久磁钢)。2.工作原理 反应式结构原理图如图所示 单三拍(又称三相三拍)控制步进电动机工作原理 单三拍控制中的“单”是指每次只有一相
5、控制绕组通电，通电顺序为UVWU或按UWVU顺序。“三拍”是指经过三次切换控制绕组的电脉冲为一个循环。步距角为 =30度 三相六拍(双三拍)控制方式步进电动机工作原理 六拍控制方式中三相控制绕组通电顺序按UUVVVWWWUU进行 图示=30度 转速 混合式工作原理定子铁芯上均布8个磁极，每极上分布3个齿，每齿相差120，有A(A1、A2、A3、A4)和B(B1、B2、B3、B4)四相。转子铁芯均布30个齿，两齿间相差12度。转子铁芯分为两段，中间有环形永久磁钢，充磁方向为轴向，两段齿相差6度。A-B相顺序通电，电机正转。交替通电，则反转。步进角为3度 步进角的细分 A、B 相正采用正(余)弦电
6、源，且每周期采样40点，步进角可达0.3度。二、步进电机的主要特性 1、步距误差 步进电动机工作时，实际步距角与理论值 间的差值称为步距误差。2、静态距角特性 步进电动机在不改变通电状态下，转子处于不动 状态，若在电动机轴上外加一负载转矩，使转子按一 定方向转过一个角度，此时转子所受的电磁转矩（T）称为静态转矩，所对应的转角（）称为失调角。静态距角特性是指静态转矩与失调角间的关系。3、启动频率 空载时，步进电动机由静止状态突然启动，并在不丢步的正常运行的最高频率。4、连续运行频率 步进电动机启动后，其运行速度能跟踪指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率。5、矩频特性与动态转矩6、加减特性4
7、.2.4步进电动机的驱动器的控制原理1、驱动装置的组成：环形脉冲分配器、功率放大作用：数控装置：数控装置：根据控制要求发出指令脉冲，指令脉冲的个数代表移动根据控制要求发出指令脉冲，指令脉冲的个数代表移动距离；脉冲频率代表移动速度。距离；脉冲频率代表移动速度。每发出一个脉冲电机旋转一个特定的角度，即步距角每发出一个脉冲电机旋转一个特定的角度，即步距角 环形分配：环形分配：根据指令方向，依次产生步进电机的各相的通电步骤，分根据指令方向，依次产生步进电机的各相的通电步骤，分为硬件环分、软件环分两种。为硬件环分、软件环分两种。放大电路：放大电路：放大环形分配的各相指令，产生步进电机的各相的驱动电放大环
8、形分配的各相指令，产生步进电机的各相的驱动电流流 2.步进电动机驱动电源1）单电压驱动电路 特点：（1）线路简单 （2）电流上升速度慢，高频时带负载能力差。2)高、低压驱动特点：（1）启动电流上升快；（2）较宽频率范围内有较大的平均电流；（3）电磁转矩大且稳定（4）功率损耗较小。（5）启动后有电流波动，影响其工作稳定性。3）恒流斩波驱动特点：（1）绕组中脉冲电流上升沿和睛降沿较陡，快速响应好；（2）电路功耗小、效率高；（3）能输出恒转矩。4.3 伺服电动机驱动的进给系统伺服电动机驱动的进给系统 按工作原理分为 一、感应式(异步式)：结构与单相异步电动机相拟。特点：1.转子细长，惯量小；2.转子
9、电阻大、转速高；3.无刷、坚固、价低；4.控制精度不高、效率较低。二、永磁同步式(为现行主流机型)特点：1.定子为三相绕组，转子为永磁式(稀土永磁体)；2.控制电枢电流来实现转矩的控制；3.控制精度高、快速响应好、惯量小；4.功率因素和效率高、过载能力强。三、永磁直流无刷式 特点：1.结构与永磁同步式相近；2.定子一般有三相绕组，分别由三套功率放电路来控制；3.可控性好；4.低频响应较差。四、磁阻同步式 特点：1.转子无绕组，无磁体，采用变磁阻结构；2.低频响应较好；3.效率低。4.3.1交流伺服电动机工作原理一、永磁直流无刷伺服电动机的工作原理 三相永磁电动机、功率逻辑开关单元和转子位置传感
10、器组成。位置传感器由三只光电器件VP1、VP2、VP3，其位置均匀分布互差120度。当光源依次照到光电器件VP1、VP2、VP3上，其绕组通电，产生磁场，与转子磁场相互作用，使转子对应转动。二、永磁同步式交流伺服电动机的工作有原理 三相绕组接三相电源时，产生旋转磁场Fs，其空间相位角与电流的相位角有关.如，当A相电流达最大值时，Fs的相位角与 A轴向重合，三相交变时，转子逆时针转动。其转矩Tm与Fs、Fr 的乘积成正比。当转子加上负载转矩后，转子磁极轴线将落后定子磁场轴线一个夹角。转子的负载转矩增大时，定子磁极轴线与转子磁极轴线间的夹角增大；当负载转矩减小时角减小。速度控制：当驱动装置读取传感
11、器PS的值，给出转子磁场的移动量时，用以控制定子电流，以改变三相电流相位，使其沿转子旋转方向，并移动相应的角度。方向控制：改变三相电流的相位移相180度)，则旋转方向改变。4.3.2交流伺服电动机伺服系统 交流伺服系统的组成1.交流伺服电动机；2.PWM功率逆变器；3.微处理器控制器及逻辑门阵列；4.位置传感器；5.电源及能耗制动电路；6.键盘显示电路；7.接口电路及通信电路；8.故障检测、保护电路。zz214.4 进给驱动装置的接口和选型4.4.1进给驱动装置的接口 分类 连接对象：CNC、PLC接口、电动机接口、外部设备接口等 功能：指令接口、控制接口、状态接口、安全接口、通讯接口、显示接
12、口。接口信号电压：高压电源接口、低压电源接口、无源电压接口。接口信号幅值特性：开关量接口和模拟量接口。电源接口1.动力电源：进给驱动装置用于变换驱动电动机运行的电源。动力电源的范围较宽，种类也较多，从三相460V到直流24V或更低。典型交流伺服驱动装置的电源多为交流200V，步进电动机的驱动装置的电源为单相交流或直流。对于用直流供电方式来说，其允许电压变化范围宽（如M535为例，允许DC24VDC48V）。交流变化范围可为15%（如200V三相电源可从200V230V）。注意：1.交流电源一般由隔离变压器供电，以提高抗干扰能力和减小对其它设备的影响。有时还需用电抗器减小起动/停止时对电源和电源
13、控制器件的冲击。电源干扰较强时感觉可增加高压瓷片电容，磁环，低通滤波器等。2.交流动力电源分为：整体式或模块式。逻辑电路电源：进给驱动装置的开关量、模拟量等逻辑接口电路工作或电平匹配所需的直流电源（24、5V）。控制电源：进给驱动装置自身的控制板卡、面板显示等内部电路工作电源（一般为单相），可与动力电源共用。二、指令接口作用：与CNC装置实现信息交换。分为脉冲和模拟量接口 1.模拟量指令接口（图4.22）模拟量模块主要用于速度控制。输入/输出指令分为电流和电压控制（图4.214.23）电压指令范围：10V10V电流指令范围：20m A20m A注意：远程控制时一般先用电流控制方式。位置控制由C
14、NC处理。图4.22 2.脉冲指令接口 分类（图4.25）原理 3.通讯指令接口作用：减少占有PLC的点数，实现更多的信息交换。注意：使用时一般与同一生产厂家的设备其用。4.总线指令接口 减小CNC装置的通讯接口，采用串联接法相连。P107图4.304.31三、控制接口作用：驱动装置用于接受CNC、PLC及其它设备的的控制指令信号。分类开关量控制接口P108图4.32 模拟量控制接口P109图 4.33控制接口常用信号1.伺服ON允许进给驱动装置接受指令开始工作2.复位（清除报警）进给驱动装置恢复到初始状态（清除可自恢复故障报警）。3.控制方式选择允许进给驱动装置在两种工作方式之间切换，这两种
15、工作方式可通过参数在位置控制模式、速度控制模式、转矩控制模式中任选两种。4.CCW驱动禁止和CW驱动禁止禁止电动机正/反向旋转，用于机床的限位保护。5.CCW转矩限制输入（010V）和CW转矩限制输入（010V）限制电动机正/反转输出转矩，由模拟电压的值确定输入转矩的限制值。P109图4.33说明：在进给驱动装置内，可通过参数对控制接口的各位信号进行设定：A、设定某位控制接口是否有效；B、设定某位控制信号是常闭有效/常闭有效；C、修改某位控制接口信号的含义。四、状态与安全报警接口（输出接口）作用：用于通知CNC、PLC及其他设备驱动装置目前的工作状态。常用形式有：集电极开路输出；无源接点输出；
16、模拟电压输出。注意：信号源多为电感性负载，应有保护措施。（交流并接RC吸收电路，直流并接续流二极管）。常用信号有：1.伺服准备好：驱动正常工作。2.伺服报警、故障：驱动、电动机有报警，不能正常工作。3.位置到过：位置指令完成。4.零速检出：电动机速度为0。5.速度到达：速度指令完成。6.速度监视：以与电动机速度线性对应的关系输出模拟电压。7.转矩监视：以与电动机转矩线性对应的关系输出模拟电压。说明：1.15项中，采用集电极开路输出试输出。图4.34a 2.报警信号用继电器输出。图4.34b 3.67项采用模拟电压方式输出。图4.34c 4.有些驱动装置的状态与安全报警接口的有效和含义可通过参数
17、来设定(故又称为多功能接口)。五、通信接口 作用：对交流伺服系统，用于高级调试和控制功能。常用通信接口有RS232、RS422、RS485C 以太网及厂家自定义。利用其接口可实现以下功能：1.查看和设置驱动装置的参数和运行模式；2.监视驱动装置的运行状态，包括端子状态、电流波形、电压波形等；3.实现网络化远程监控和远程调试功能。六、反馈接口 1.来自位置、速度检测元件反馈接口 2.输出到CNC的位置反馈接口 七、电动机电源接口 作用：为电动机提供电源。形式：端子排或插接件(小功率)。对步进电动机的驱动装置还有串联/并联接口(改变电动机的磁极数)。4.4.2进给驱动装置的选型 进给系统的选型是以
18、数控机床的设计要求 为基础，与数控装置的选型有密切的关系，机 床的各轴的进给速度、整机的加式精度、加工 范围、传动方式等都直接对驱动系统的性能提 出了要求。各生产厂家通常提供了与数控装置配套的 驱动装置。一、选型原则：1.实用性：选型 的目是是为满足整机的设计 需要，从而满足生产的需要。2.经济性：在满足加工要求的条件下，选型 要最经济或较为合理。3.稳定、可靠性：长时间无故障的工作。4.可操作性：a要符合本单位的使用和设计的习惯；b若出现故障易于排除。二、选型内容 1.驱动装置的控制类型 根据加工精度和进给速度的要求选择类型 步进电动机用于加工精度要求不高的机床，分辨率 在0.01mm以下，
19、最高快移速度在5m/min以下。伺服电动机用于加工精度要求较高的机床，其分辨 率在0.001mm以上，最高快移速度在10m以上。2.反馈类型 加工精度要求不高的简易机床一般用开环控制系统。加工精度要求高的中档普及型机床一般选用半闭环。加工精度要求很高的高档机床才选用全闭环和混合 闭环。3.进给系统的分辨率 根据机床的加工合理选择其脉冲当量。步进电动机的步距角以及驱动装置的细分倍数决定 了步进电动机的分辨率步距角一在1/400r1/1000r 左右。交流伺服驱动装置的分辨率受电动机的编码器和驱 动装置的控制功能 的影响，一般可达1/10000r左右。4.电动机的转速的选择 根据机床设计的最高快移
20、速度、传动比和丝杠螺距 来选择电动机的转速。注意：选择时应保留一定的余量。5.电动机的扭矩的选择 要根据负载的情况选择，计算公式为 Nm 其中：F进给方向的切削力(N)；ML工件和工作台总质量(Kg)；导轨的磨擦系数；传动总效率；Z1步进电动机输出轴齿数；Z2滚珠丝杠轴端齿轮数；滚珠丝杠导程。说明：1).载转矩应小于0.20.3倍的电动机的最大静转矩(步进电动机)，或小于额定转矩(伺服电动机)。2).样的设备和传动系统中，选用步进电动机的标称值为伺服电动机的1.52倍。3).对于有刚性攻丝功能的机床及有频繁启/停的电动机其扭矩选择要略大。4).对金属切削机床，由于不确定因素较多，类比法和实验法
21、来确定 A)类比法：对比同类机床的电动机容量来确定电动机的容 量。B)实验法：对样机进行重切削和连续加工试验，记录其温 升和最大电流值，来判断其进给电动机的扭矩是否合适。.电动机的惯量选择 电动机分有大、中、小的转动惯量。保证加工精度，要求负载折算到电动机轴上的转动惯量小于电动机转子惯量的2倍以下，当不能满足时可作以下处理，1.在保证刚度允许的条件下，增加传动比或减小丝杠的直 径。2.选用大惯量的电动机。7.工作电源 工作电源应与机床的电气设备及工作环境相符合。实验室可选用单相220V交流供电；工厂车间选用三相交流380V或200V；注意：整个系统最好选用同一电源供电。8.抱闸、制动 4.5位
22、置检测元件 4.5.1数控系统位置检测元件的要求及分类 位置检测元件是用于对机床工作台的位置和速度 检测的元件。是伺服系统中引入反馈的重要组成部分。位置检测元件的工作一般是利用光或磁的的原理 完成。位置检测元件可以对工作台的位置和速度进行检 测。位置检测元件的测量精度一般用分辨率来衡量。分辨率：是指能正确检测的最小数量单位。一、对检测元件的要求 1.寿命长、可靠性高、抗干扰能力强；2.满足精度、速度和测量范围的要求；3.使用维护维护方便，适合机床的工作环境；4.易于实现高速的动态测量和处理，易于实现自动化；5.安装、维护方便、成本低。二、检测元件的分类 1.按形态分 直线型和回转型。2.直接测
23、量和间接测量 直接测量：测量参数指标即为所要求的参数指标。如：直线型测量的位移值或回转型测量的角位移等。间接测量：测量值仅为要求参数指标的中间值，其要值还需转换得到。如：回转型测量值仅为工作台的中间值，用其测量还需转换完成。3.接触式和非接触式测量 接触式测量：测量元件与被测量对象有直接的联系。易受干扰。非接触式测量：测量元件与被测量对象没有直接的联系(通过光或磁联系)。抗干扰能力较强。4.数字式和模拟式测量 数字式测量：被测量对象为数字量。模拟式测量：被测量对象为模拟量。4.5.2增量式光电编码器 增量式编码器俗称脉冲编码器，它能把被测轴的机械转角变成脉冲信号，是数控机床上使用很广泛的位置检
24、测元件。同时也作为速度检测元件用于转速检测。增量式脉冲编码器同样也分为接触式，光电式、电磁式三种，从精度和可靠性方面来看，光电式优于其他两种，数控机床上主要使用光电式脉冲编码器。增量式编码器由光源、透镜、光电码盘、光欄板、光敏元件和信号处理电路组成。其中光电码盘可用玻璃材料，在上面用光刻的办法，沿着码盘的圆周制成很多的均匀的透光狭缝，狭缝数量从几百条到几千条不等。码盘与工作轴连接在一起，轴承安装在编码器的外壳上，编码器的工作轴和被测轴采用软连接同轴安装，当被测轴旋转时带动编码器的工作轴和光电码盘一起旋转。光源可以采用白炽灯、硅光电池或发光二极管等，光源发出的发散的光线，经过透镜汇聚成一束平行的
25、光线透过光电码盘和光欄板上的狭缝，照射到光敏元件上，当码盘转动时，光敏元件接收到的是忽明忽暗的光信号，光敏元件把此光信号转换成电信号，通过信号处理电路的整形、放大、分频以电脉冲的形式输出给数控系统。光欄板的两个狭缝距离和码盘上两个狭缝之间的 距离相差1/4的节距，这样使两个光敏元件得到的两 路信号相差/2的相位，以测量出码盘的转动方向。数控机床上使用的脉冲编码器，大多带有零位标志，在码盘的里圈还有一条透光狭缝，相应的光欄板的里圈也有一条透光狭缝，并多加一个光敏元件，每转一圈产生一个零位脉冲信号。在进给电动机所用的脉冲编码器上，零位脉冲用于精确确定机床的参考点，而在主轴控制上则用于螺纹加工及准停
26、控制等。由于增量式光电码盘每转过一个狭缝就发出一个脉冲信号，由此可得出如下结论：1）根据脉冲的数目可得出工作轴的回转角度，然后由传动速此换算为直线位移距离。2）根据脉冲的频率，可得工作轴的转速。3）根据光欄板上两条狭缝中信号的先后顺序，可判断工作轴的正反转。增量式码盘的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而 这与码盘圆周上的狭缝数有关。即：分辨角 常用的脉冲编码器的规格有：2000P/r、2500 P/r、3000 P/r、1024 P/r、2048 P/r等，也有高分辨率的达到20000 P/r、25000 P/r、30000 P/r等。4.5.3 绝对式光电编码器 绝对式光电编码器的光盘上
27、刻有编码图案，编码方式可以是二进制、二进制循环码（格雷码）、二十进制编码。图示4.43为四码道电阻盘。码道:按二进制规律刻制成的明暗相间的同心圆.工作原理：当光照到码盘上时，对应的光电管接受光照，输出一对应的信号，该信号与相应的位置对应。而该原点位置是由系统确认。分辨率与码道数有关，四码道的分辨率为360度/码道数。四码道22.5度目前码道数可达18条，其分辨率为0.0014度。4.5.4旋转变压器 旋转变压器是利用电磁感应原理的一种模拟式角度测量元件，它的输出电压与转子的角位移有固定的函数关系。作用：用于角位移或位移的测量。可用于要求精度不高的数控机床中。特点：坚固、耐热、耐冲击、抗振性也等
28、。一、结构 结构与单相变压器相似，区别在于旋转变压器分有定子、定子绕组和转子、转子绕组。有单极与多极之分。(以两极为例)D1D2 为定子直轴绕组(励磁绕组)，Z1Z2、Z3Z4为转子绕组。D1D2、D3D4在空间上相差90度，Z1Z2、Z3Z4在空间上相差90度，转子绕组Z1Z2与直轴间的夹角角称为转角。二、工作原理 1.空载运行 交流电源UD接入定子直轴绕组中，那么直轴绕组D1D2就成为励磁绕组，如果转子上的输出绕组开路，那么此时就是正余弦旋转变压器的空载运行。励磁绕组D1D2通过交流电流ID12在气隙中建立一个正弦分布的脉振磁场D12，其轴线就是励磁绕组（即直轴绕组）D1D2的轴线即直轴。
29、而输出绕组Z1Z2与磁场的轴线（直轴）的夹角为，故气隙磁场D与输出绕组Z1Z2相交链的磁通Z12Dcos。而另一输出绕组Z3Z4的轴线与磁场轴线（直轴）的夹角为90，那么气隙磁场D与Z3Z4相交链的磁通Z34Dcos(90-)Dsin据上述分析，气隙磁场D在励磁绕组中所感生的电动势为据上述分析，气隙磁场D在励磁绕组中所感生的电动势为输出绕组的电势为忽略励磁绕组和输出绕组的漏阻抗，则输出绕组 和 的端电压分别为调节转子转角 的大小调节转子转角 的大小，输出绕组Z1Z2输出的电压按余弦规律变化，故又叫余弦输出绕组，绕组Z3Z4输出的电压按正弦规律变化，故叫做正弦输出绕组。2.负载运行（1）负载电流
30、的影响上面用正余弦旋转变压器的空载运行情况分析了其工作原理，但在实际应用中，输出绕组都接有负载，如控制元件，放大器等，输出绕组有电流流过，从而产生磁通势，使气隙磁场产生畸变，从而使输出电压产生畸变，不再是转角的正、余弦函数关系（2）负载运行的正余弦旋转变压器的补偿方法1：当余弦输出绕组接有负载阻抗时，同时在正弦输出绕组上接入相同的阻抗。此时两输出绕组中的电流产生的磁场相互抵消。方法2：一、二次同时补偿定子的励磁绕组仍接交流电源，而 作为补偿绕组通过阻抗 或直接短接，在绕组 中产生感应电流，从而产生交轴方向磁通势，补偿转子绕组的交轴磁势。为了减小误差，使用时常常把一次侧、二次侧补偿同时使用，三、
31、线性旋转变压器 线性旋转变压器输出电压与转子转角成正比关系。事实上正余弦旋转变压器在转子转角 很小的时候近似有，此时就可看作一台线旋转变压器。在转角不超过4.5度时，线性度0.1%以内。若要扩大转子转角范围，可将正余弦旋转变压器的线路进行改接，定子绕组 D1、D2与转子绕组 Z1、Z2 串联后接到交流电源UD上，定子交轴D3、D4绕组 作为补偿绕组直接短接或接阻抗短接，Z3、Z4接负载 ZZ输出电压信号。用数学推导可证明，在 的范围内，输出电压UZ 和转角 成线性关系，线性误差不超过0.1%,故转子转角在60度范围内可作为线性旋转变压器使用 4.5.5光栅光栅是一种直线位移传感器，在数控机床上
32、使用的光栅属于计量光栅，用于直接测量工作台的位移，把位移量转换为脉冲信号，反馈给CNC系统，构成全闭环的数控系统。本节将以在数控机床上应用的垂直入射读数头（透射式）直线型计量光栅为例，介绍其结构和工作原理。1光栅的结构光栅由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。在光栅测量中，通常是一长一短两块光栅尺配套使用，其中长的一块称为主光栅或标尺光栅，标尺光栅一般固定在机床的移动部件（如工作台）上，随移动部件一起运动，要求与行程等长。短的一块称为指示光栅，指示光栅连同光源、透镜、光敏元件、转换电路，封装在一个壳体中，叫做光栅读数头。光栅读数头安装在机床的固定部件上。标尺光栅和指示光栅的平行度及两者之间的间隙（
33、0.050.1mm）要严格保证。当工作台移动时，两块光栅尺便发生相对移动。透射光栅：光栅尺是在透明的光学玻璃上用真空蒸镀的方法镀上一层不透光的金属膜，然后用光刻或照相腐蚀的办法制成平行且等距的透光和不透光相间的密集线纹（或同心圆）。金属反射光栅：在金属上刻细条纹，利用光的漫射形成光栅。特点：透射光栅：1）标尺光栅相对移动时，读数头获得脉冲信号。其位移与脉冲数成比例；2）信号幅度大，读数头结构简单；3）刻线密度大，分辨率高。金属漫射光栅：1）标尺光栅的热膨胀系数易与机床相一致；2）易于接长或做成整根；3）不易破碎；4）分辨率低于透光光栅。2.透光光栅的工作原理当工作台与读数光栅有相对运动时，光线
34、透过细条纹，被读数光光栅光电元件感光，产生电脉冲信号，如图4.48所示，经放大整形后产生反馈给CNC（PLC）。特点：电脉冲信号的频率与工作台的位移成比例。3.莫尔条纹形成将两块栅距相同，黑白宽度相同（W=/2）的标尺光栅和指示光栅尺面平行放置，将指示光栅在其自身平面内倾斜一很小的角度，以便使它的刻线与标尺光栅的刻线间保持一很小的夹角，这样在光源的照射下，两块光栅尺的刻线相交，就形成了与光栅刻线几乎垂直的横向明暗相间的宽条纹，即莫尔条纹，两个亮带（或两个暗带）之间的距离称为莫尔条纹的节距B，它与栅距及两光栅刻线间的夹角有关。莫尔条纹有如下特点：1）起放大作用由图可见莫尔条纹的节距B将光栅的栅距
35、W放大了若干倍。设放大倍数为K，由图中可见当角很小时sin，由此可见，莫尔条纹的节距B与角成反比，角越小，则放大倍数越大。这样虽然光栅栅距很小，但莫尔条纹却清晰可见，便于测量。（公式中角的单位要用弧度rad作单位）2）莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例当两光栅尺移动时，莫尔条纹沿着垂直于光栅移动的方向移动。且当光栅尺移动一个栅距，莫尔条纹正好移动一个节距。若光栅尺移动方向改变，莫尔条纹的移动方向也改变。这样莫尔条纹的位移刚好反映了光栅的栅距位移。如图4.49所示，即光栅尺每移动一个栅距，莫尔条纹的光强也经历了由亮到暗，再由暗到亮的一个变化周期，这为后面的信号检测电路提供了良好的条件。3）起均化误
36、差的作用如图4.49所示，莫尔条纹是由许多条刻线共同形成的，例如250线/mm的光栅，10mm长的一条莫尔条纹是由2500条刻线组成的。这样栅距间的固有相邻误差就被平均化了。3光栅测量系统1）光栅测量的基本电路光栅测量系统，由光源、透镜、标尺光栅、指示光栅、光敏元件和信号处理电路等组成。信号处理电路又包括放大、整形和鉴向倍频电路。当光栅移动一个栅距，莫尔条纹便移动一个节距，光源透过莫尔条纹照射到光敏元件上，光强也经历了一个明暗变化的周期，光强变化近似一个正弦波。光敏元件将正弦波的光强信号转变为同频率的电压信号由于光敏元件产生的电压信号较弱，经差动放大器放大到幅值足够大的（16V左右）同频率电压
37、波形再经整形器整为方波。再经过微分电路，在方波的上升沿产生一个脉冲信号。这样通过对脉冲计数便可得到光栅尺的移动距离。2）鉴向倍频电路鉴向倍频电路的作用是辨别方向和细分信号，如前所述，使用一个光敏元件就可测得光栅的移动距离，但无法判断光栅移动的方向。如果安装两个光敏元件，它们的距离相距1/4的莫尔条纹节距，那么根据两个光敏元件哪个先受光，哪个后受光的顺序就可知道光栅的移动方向。当标尺光栅右移，莫尔条纹向上移动时，则光敏元件2上得到的信号S2比光敏元件1上得到的信号S1超前，反之同理。为了提高光栅的分辨率，除了增大刻线密度和提高刻线精度外，还可用倍频的方法细分。通常采用4倍频的电路。所谓4倍频细分，就是从莫尔条纹原来的一个节距一个脉冲信号，变成4个相位依次滞后90度的信号，从而使精度提高了4倍。谢谢观赏
