【正文】 第六章 位置檢測(cè)裝置 第一節(jié) 概述 第二節(jié) 光電編碼器 第三節(jié) 光 柵 第四節(jié) 感應(yīng)同步器 第一節(jié) 概述 一、 位置檢測(cè)裝置的作用與要求 位置檢測(cè)裝置是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。在閉環(huán)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，它的主要作用是檢測(cè)位移和速度，并發(fā)出反饋信號(hào)，構(gòu)成閉環(huán)或半閉環(huán)控制。 數(shù)控機(jī)床對(duì)位置檢測(cè)裝置的 要求 如下： （ 1） 工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)； （ 2） 滿足精度和速度的要求； （ 3）易于安裝，維護(hù)方便，成本低。 第一節(jié) 概述 二、 位置檢測(cè)裝置的分類 位置檢測(cè)裝置按工作條件和測(cè)量要求不同，有下面 幾種分類方法： （一） 絕對(duì)式測(cè)量和增量式測(cè)量 1. 增量式測(cè)量 在輪廓控制數(shù)控機(jī)床上多采用這種測(cè)量方式，增量式測(cè)量只 測(cè)相對(duì)位移量，如測(cè)量單位為 ， 則每移動(dòng) 出一個(gè)脈沖信號(hào)，其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量裝置較簡(jiǎn)單，任何一個(gè)對(duì)中點(diǎn)都 可以作為測(cè)量的起點(diǎn)，而移距是由測(cè)量信號(hào)計(jì)數(shù)累加所得，但一 旦計(jì)數(shù)有誤，以后測(cè)量所得結(jié)果完全錯(cuò)誤。 第一節(jié) 概述 2. 絕對(duì)式測(cè)量 絕對(duì)式測(cè)量裝置對(duì)于被測(cè)量的任意一點(diǎn)位置均由固定的零點(diǎn) 標(biāo)起，每一個(gè)被測(cè)點(diǎn)都有一個(gè)相應(yīng)的測(cè)量值。測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)較 增量式復(fù)雜，如編碼盤(pán)中，對(duì)應(yīng)于碼盤(pán)的每一個(gè)角度位置便有一 組二進(jìn)制位數(shù)。顯然，分辨精度要求愈高，量程愈大，則所要求 的二進(jìn)制位數(shù)也愈多，結(jié)構(gòu)就愈復(fù)雜。 （二）數(shù)字式測(cè)量和模擬式測(cè)量 1. 數(shù)字式測(cè)量 它是將被測(cè)的量以數(shù)字形式來(lái)表示，測(cè)量信號(hào)一般為脈沖，可 以直接把它送到數(shù)控裝置進(jìn)行比較、處理。信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)、 處理簡(jiǎn)單。 第一節(jié) 概述 2. 模擬量測(cè)量 它是將被測(cè)的量用連續(xù)變量來(lái)表示，如電壓變化、相位變化等。它對(duì)信號(hào)處理的方法相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜。 （ 三 ） 直接測(cè)量和間接測(cè)量 1. 直接測(cè)量 直接測(cè)量是將直線型檢測(cè)裝置安裝在移動(dòng)部件上 ， 用來(lái)直接測(cè)量工作臺(tái)的直線位移 ， 作為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋信號(hào) ，而構(gòu)成位置閉環(huán)控制 。 其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確性高 、 可靠性好 ， 缺點(diǎn)是測(cè)量裝置要和工作臺(tái)行程等長(zhǎng) ， 所以在大型數(shù)控機(jī)床上受到一定限制 。 第一節(jié) 概述 2. 間接測(cè)量 它是將旋轉(zhuǎn)型檢測(cè)裝置安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸或滾珠絲杠上，通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)件的角位移來(lái)間接測(cè)量機(jī)床工作臺(tái)的直線位移，作為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋用。 優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量方便、無(wú)長(zhǎng)度限制。缺點(diǎn)是測(cè)量信號(hào)中增加了由回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)鏈誤差，從而影響了測(cè)量精度。 表 61 常用位置檢測(cè)裝置 數(shù)字式 模擬式 旋轉(zhuǎn)式 圓光柵、 光電編碼器 旋轉(zhuǎn) (多極 )變壓器、圓型感應(yīng)同步器 直線式 直線光柵 、編碼尺 直線型感應(yīng)同步器 、磁柵、絕對(duì)式磁尺 第二節(jié) 光電編碼器 光電編碼器也稱脈沖編碼器 ，是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，能把機(jī)械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，是數(shù)控機(jī)床上使用很廣泛的位置檢測(cè)裝置。脈沖編碼器可分為增量式與絕對(duì)式兩類。 一、增量式脈沖編碼器 增量式脈沖編碼器分光電式 、 接觸式和電磁感應(yīng)式三種 。 就精度和可靠性來(lái)講 ， 光電式脈沖編碼器優(yōu)于其它兩種 ， 它的型號(hào)是用脈沖數(shù) /轉(zhuǎn) （ p/r） 來(lái)區(qū)分 ， 數(shù)控機(jī)床常用 202 2500、 3000p/r等 ， 現(xiàn)在已有每轉(zhuǎn)發(fā) 10萬(wàn)個(gè)脈沖的脈沖編碼器 。 脈沖編碼器除用于角度檢測(cè)外 ，還可以用于速度檢測(cè) 。 第二節(jié) 光電編碼器 ? 光電式脈沖編碼器通常與電機(jī)做在一起，或者安裝在電機(jī)非軸伸端，電動(dòng)機(jī)可直接與滾珠絲杠相連，或通過(guò)減速比為 i的減速齒輪，然后與滾珠絲杠相連，那么每一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)的距離可用下式計(jì)算 ： 式中 — 脈沖當(dāng)量 （ mm/脈沖 ） ； S— 滾珠絲杠的導(dǎo)程 （ mm） ； i— 減速齒輪的減速比； M— 脈沖編碼器每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù) （ p/r） 。 iMS＝? 第二節(jié) 光電編碼器 光電式脈沖編碼器，它由光源、聚光鏡、光電盤(pán)、 圓盤(pán)、光電元件和信號(hào)處理電路等組成（ 圖 61）。光電盤(pán)是用 玻璃材料研磨拋光制成，玻璃表面在真空中鍍上一層不透光的鉻， 然后用照相腐蝕法在上面制成向心透光窄縫。透光窄縫在圓周上 等分，其數(shù)量從幾百條到幾千條不等。圓盤(pán)也用玻璃材料研磨拋 光制成，其透光窄縫為兩條，每一條后面安裝有一只光電元件。 光電盤(pán)與工作軸連在一起 ，光電盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)縫隙就發(fā) 生一次光線的明暗變化，光電元件把通過(guò)光電盤(pán)和圓盤(pán)射來(lái)的忽 明忽暗的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為近似正弦波的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)整形、放大、 和微分處理后，輸出脈沖信號(hào)。通過(guò)記錄脈沖的數(shù)目，就可以測(cè) 出轉(zhuǎn)角。測(cè)出脈沖的變化率，即單位時(shí)間脈沖的數(shù)目，就可以求 出速度。 第二節(jié) 光電編碼器 ①②③④⑤⑥ 數(shù)字顯示 信號(hào)處理電路 光電盤(pán) 圓盤(pán) 光電元件 聚光鏡 光源 圖 61 光電式脈沖編碼器結(jié)構(gòu)示意圖 第二節(jié) 光電編碼器 為了判斷旋轉(zhuǎn)方向，圓盤(pán)的兩個(gè)窄縫距離彼此錯(cuò)開(kāi)1/4節(jié)距，使兩個(gè)光電元件輸出信號(hào)相位差 900。如圖 62所示， A、 B信號(hào)為具有 900相位差的正弦波，經(jīng)放大和整形變?yōu)榉讲?A B1。 設(shè) A相比 B相超前時(shí)為正方向旋轉(zhuǎn)，則 B相超前 A相就是負(fù)方向旋轉(zhuǎn)，利用 A相與 B相的相位關(guān)系可以判別旋轉(zhuǎn)方向。此外，在光電盤(pán)的里圈不透光圓環(huán)上還刻有一條透光條紋，用以產(chǎn)生每轉(zhuǎn)一個(gè)的零位脈沖信號(hào)，它使軸旋轉(zhuǎn)一周在固定位置上產(chǎn)生一個(gè)脈沖。 第二節(jié) 光電編碼器 電流 A B 節(jié)距 ωt A1 B1 900 圖 62 脈沖編碼器輸出波形 第二節(jié) 光電編碼器 1A1A?1A? 在數(shù)控機(jī)床上，光電脈沖編碼器作為位置檢測(cè)裝置，用在數(shù)字比較伺服系統(tǒng)中，將位置檢測(cè)信號(hào)反饋給 CNC裝置。 圖 63所示為辨向環(huán)節(jié)框圖和波形圖。脈沖編碼器輸出的交變信號(hào) 經(jīng)過(guò)差分驅(qū)動(dòng)和差分接收進(jìn)入 CNC裝置，再經(jīng)過(guò)整形放大電路變成二個(gè)方波系列 。將 和它的反向信號(hào) 微分（上升沿微分）后得到 和 脈沖系列，作為加、減計(jì)數(shù)脈沖。 路方波信號(hào)被用作加、減計(jì)數(shù)脈沖的控制信號(hào)，正走時(shí)（ A超前 B）， 由 Y2門輸出加計(jì)數(shù)脈沖，此時(shí) Y1門輸出為低電平（圖 63 ）；反走時(shí)（ B超前 A）， 由 Y1門輸出減計(jì)數(shù)脈沖，此時(shí) Y2門輸出為低電平。這種讀數(shù)方式每次反映的都是相對(duì)于上一次讀數(shù)的增量，而不能反映轉(zhuǎn)軸在空間的絕對(duì)位置，所以是增量讀數(shù)法。 BBAA 、 11 B、1A1B 第二節(jié) 光電編碼器 光電脈沖編碼器用于數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng) (圖 64) 的工作原理如下：光電脈沖編碼器與伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)軸連接，隨著 電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生脈沖序列，其脈沖的頻率將隨著轉(zhuǎn)速的快慢而升 降。若工作臺(tái)靜止，指令脈沖和反饋脈沖都為零，兩路脈沖送入 數(shù)字