位置检测装置

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一、位置检测装置的分类和要求

位置检测装置是闭环进给伺服系统的重要组成部分，其精度在很大程度上由位置检测装置的进度决定。现在，检测元件与系统的最高水平：被测部件的最高移动速度240m/min时，检测位移分辨率1um；24m/min时，分辨率0.1um；最高分辨率可达0.01um。

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对位置检测装置的要求：

1） 受温度、湿度的影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗干扰能力强；

2） 在机床执行部件移动范围内，能满足精度和速度要求；

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3） 使用维护方便，适应机床工作环境。

4） 成本低。

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（一）数字式和模拟式测量（所获得的信号不同）

   1．数字式测量

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将被测量以数字的方式表示。测量信号一般为电脉冲，可直接送到数控装置进行比较处理和显示。这样的检测装置有：光栅检测装置、脉冲编码器。装置比较简单，抗干扰能力强。

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2．模拟式测量

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将被测量用连续变量表示。如：电压的幅值变化、相位变化。对相位变化的量可直接送数控装置与移相的指令电压进行比较，对幅值变化的量，可先将其转换为数字脉冲信号，再送数控装置进行比较和显示。这类装置有：旋转变压器、感应同步器。

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（二）增量式和绝对式测量（测量方式不同）

    1．增量式测量

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只测出位移的增量，并用数字脉冲的个数来表示单位位移的数量。

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由于位移的距离是由增量值累积求得，所以，一旦某处测量有误，则其后所得的位移距离都是错误的。

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由于不能指示绝对坐标位置，当因事故断电停机检查，执行部件的位置发生变化后，不能由检修后的位置直接回到停机时的原位，而要先回到加工程序的起始位置，并计算出起点到停机位置的距离，才能用位移指令，令执行部件移回停机时的位置，以便继续加工。光栅、脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺都是增量式检测装置。

2．绝对式测量

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能测出被测部件在某一绝对坐标系中的绝对坐标值，并以二进制或二十进制数码信号表示。需要转换成脉冲数字信号才能送去比较和显示。有：绝对式脉冲编码盘、三速式绝对编码盘。结构复杂，分辨率与位移量都受限制。

此外，根据安装测量位置，有直接测量和间接测量。

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二、感应同步器

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（一）感应同步器的结构和工作原理

    1．结构

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是一种电磁感应式的位置检测装置，有圆和直线两种，分别测量角位移和直线位移。

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图1 直线式感应同步器的结构原理

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结构如图1所示。有定尺和滑尺。钢质基尺上粘贴有铜箔，经照相腐蚀成绕组。绕组节距为2mm，定尺是一连续绕组，滑尺有两个绕组----正弦绕组和余弦绕组，在空间位置上相差1/4个节距。定尺表面涂防切削液涂层，滑尺表面还粘贴一层铝箔，接地防静电感应。定尺安装在固定部件上，滑尺安装在移动部件上，表面相互保持平行，间隙为0.2—0.3mm。定尺一般长250mm，通过多根尺接长，增加测量长度。

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    2．工作原理

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当滑尺绕组通以激磁电压，如正弦绕组通U_S=U_msinωt。在定尺绕组上就产生按正弦规律变化的感应电压，且感应电压的幅值随滑尺相对定尺的位置改变。变化情况如图4-25所示。

当正弦绕组与定尺绕组对齐重叠时，绕组完全偶合，感应电压的幅值最大。滑尺相对定尺移动，感应电压减小，在错开1/4节距时，感应电压为零，继续移动，感应电压减小为负值，到1/2节距，感应电压达负的最大值。在继续移动，感应电压增大，到3/4节距，电压为零，再移动，电压继续升高，到一个节距，电压又增大到正的最大值。可见，滑尺相对定尺移动一个节距，感应电压的幅值按余弦规律变化一周。感应电压按下式变化：

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x：0~2mm（2τ）------θ_机：0~2π，所以，有：θ_机=πx/τ。即：感应电压幅值的电角度与滑尺相对定尺的位移量，在一个节距内成正比关系。故，只要测出θ_机就能得到位移量。

（二）感应同步器的应用

感应同步器有鉴相和鉴幅两种应用（工作）方式。

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1．鉴相方式

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    在正弦绕组上通以励磁电压：U_S=U_msinωt

    在余弦绕组上通以励磁电压：U_C=U_mcosωt

    两绕组的励磁电压的幅值、频率相同，相位不同且相差π/2。

分别在定尺绕组上产生感应电压：

            U_S ---k U_mcosθ_机sinωt，   U_C --- —k U_msinθ_机cosωt。

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定尺上总的感应电压为两感应电压的叠加：

        U=kU_msin（ωt－θ_机）

这是一个按正弦规律变化的电压，其相位角为，即相位变化对应于滑尺相对定尺位移量的变化。故：只要取出感应电压的相位角，就可测量出滑尺相对定尺的位移。且相位角的正负（超前或落后）反应了相对运动的方向。通过鉴别感应电压的相位测量位移，所以称鉴相工作方式。

    2．鉴幅方式

在正、余弦绕组上通以调幅激磁电压：频率、相位相同，幅值不同，正弦绕组的幅值按正弦规律变化，余弦绕组按余弦规律变化：

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         U_S=U_msinθ_电sinωt           U_C=U_mcosθ_电sinωt

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在定尺绕组上的感应电压为：

     U=k U_msinθ_电sinωt cosθ_机- kU_mcosθ_电sinωt sinθ_机

          = k U_msin（θ_电-θ_机）sinωt

    在鉴幅方式，位移的变化，引起的变化，表现为感应电压幅值的变化。因此，可以通过鉴别感应电压的幅值变化测量位移的变化。

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令Δθ=θ_电-θ_机，且Δθ=πΔx/τ，当Δθ很小时，有：

U= k U_mΔθsinωt= k U_m（πΔx/τ）sinωt

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电压幅值的变化量正比于位移的变化量（增量）。

在实际应用中，不断修改激磁信号的θ_电，使之紧紧跟踪的θ_机变化，从而保持Δθ为很小的量。感应电压实际上是一个微量的误差电压。这样，通过测定电压的幅值来测定Δθ，也就是Δx的大小。

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三、光栅位置检测装置

(一)光栅检测装置的结构

图2 光栅位置检测装置

    如图2所示，由光源、透镜、指示光栅、光电元件、驱动电路以及标尺光栅组成。前5个元件安装在同一支架上构成读数头，读数头安装在机床执行部件的固定零件上。标尺光栅安装在移动零件上。标尺光栅与指示光栅的尺面平行，保持0.05～0.1mm的间隙。

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    光栅尺

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光栅尺指标尺光栅和指示光栅，根据制造方法和光学原理的不同，可分为透射光栅和反射光栅。

透射光栅：在经磨制的光学玻璃表面，或在玻璃表面感光材料的涂层上刻成光栅线纹。

          特点：1）光源垂直入射，光电元件直接感受光照，因此，信号幅值比较大，信噪

                   比好，光电转换器的结构简单。

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                    2）线纹密度大，如200线/mm，光栅本身已经细分到0.005mm，从而减轻

                   了电子线路的负担。

          缺点：玻璃易碎；热膨胀系数与机床金属部件不一致，影响测量精度。

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反射光栅：用不锈钢带经照相腐蚀或直接刻线制成。

          特点：与机床金属部件热膨胀系数一致；增加光栅尺长度方便；安装所需面积小，

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                调整方便。适用于大位移测量。

          缺点：线纹密度低。

光栅线纹是光栅的光学结构，相邻两线纹的距离称为栅距ω。单位长度上刻线数目称为线纹密度，常见为4、10、25、50、100、200、250线/mm。

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（二）莫尔条纹

指示光栅与标尺光栅栅距ω相同，平行放置，并将指示光栅在自身平面内转过一个很小的角度θ，使两光栅的刻线相交。当光源照射时，在线纹相交钝角的平分线方向，出现明暗交替。间距相等的条纹，称莫尔条纹。这是由于光的干涉效应，在交点，刻线形成的透光隙缝互不遮挡，透光最强，形成亮带。在两交点的中间，透光隙缝完全被不透光的部分遮盖，透光最差，形成暗带。相邻两亮带或暗带之间的距离W称为莫尔条纹的节距。节距W与栅距ω和倾角θ之间的关系为：

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     莫尔条纹有以下特点：

    1．放大作用

当ω=0.01mm，θ=0.002rad=0.11°时，W=5mm。节距是栅距的500倍，将很难看清的光栅线纹放大成清晰可见的莫尔条纹。这样便于测量。

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2．误差均化作用

    莫尔条纹是由成百千根刻线共同形成的，这样，使得栅距的误差得到平均化。

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    3．利用莫尔条纹测量位移

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   标尺光栅相对指示光栅移动一个栅距，对应莫尔条纹移动一个节距。利用这个特点就可测量位移：在光源对面的光栅尺背后固定安装光电元件，莫尔条纹移动一个节距，莫尔条纹明—暗---明变化一周。光电元件接受的光强强---弱---强变化一周，输出一个近似按正弦规律变化的信号，信号变化一周。根据信号的变化次数，就可测量位移量，移动了多少个栅距。

标尺光栅相对指示光栅的方向改变，对应莫尔条纹的移动方向随之改变，根据莫尔条纹的移动方向可确定位移的方向：在刻线平行方向相距1/4节距安装两个光电元件，这是两个光电元件输出的信号有π/2的相位差，根据两信号的相位的超前和落后，可判断位移方向。

四、脉冲编码器

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    脉冲编码器是一种旋转式角位移检测装置，能将机械转角变换成电脉冲。还可通过检测电脉冲的频率来检测转速，作速度检测装置。有增量式脉冲编码器和绝对式脉冲编码器两种。

（一）增量式脉冲编码器

1．结构

 增量式脉冲编码器有光电式、接触式和电磁感应式三种。数控机床上使用的都是光电式。

 结构如图4-37所示。圆光栅固定在转轴上，转轴与被测旋转轴连接。指示光栅固定在机座上，与圆光栅平行并保持一定的间隙。光源、光电元件和电路板固定在底座上，在光栅前后相对安装。

 圆光栅的基体是玻璃圆盘，表面用真空镀膜法镀上一层不透光的金属膜，再涂上一层均匀的感光材料，用照相腐蚀工艺，制成等距的透光和不透光相间的辐射状线纹，相邻两个透光和不透光线纹构成一个节距。在圆盘里圈不透光圆环上刻有一条透光条纹，用来产生一转一个脉冲信号Z。指示光栅上有两组线纹，节距与圆光栅相等，两组线纹彼此错开1/4节距。

2．工作原理

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圆光栅旋转时，光线透过两个光栅的A、B两组线纹，每转过一个光栅节距，便在光电元件上形成明—暗—明一个周期的光信号，并被转换成两组近似于正弦波的电压信号，连续旋转便得到两路正弦电压信号。经放大、整形后，得到方波信号。从而将角位移转换成了电脉冲。正转时，A相超前90，反转时，B相超前90，通过鉴别A、B两相方波的相位关系，辨别旋转方向。一转脉冲Z为基准脉冲，也称零点脉冲。它是在圆光栅，也是被测旋转轴在一个固定的圆周位置上产生的脉冲。作为坐标原点的信号，车螺纹时作为进刀点的信号。每个脉冲对应的转角与每转输出的脉冲数有关，通常有2000，2500，3000p/r。高分辨率的有：20000，25000，30000p/r。最高达100000p/r。

（二）绝对式脉冲编码器

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是绝对角度位置检测装置。输出信号是某种制式的数码信号，每个角度位置对应一个不同的数码，表示出位移后到达的绝对位置。要用起点位置和终点位置的数码，经运算后才能求得位移量的大小。位移具有停电记忆，只要通电就能显示所在的绝对位置，因此，事故停机检修后，可根据停机时存储或记录的绝对位置，通过绝对位移指令，直接回到原停机位置继续加工。

也有光电式、接触式、电磁式三种。常用光电式。

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结构组成与增量编码盘相似。旋转圆盘是编码盘。码盘上有许多同心圆环（码位数），称为码道。整个圆盘周向又分成若干等份（编码数）的扇形区段，每一扇形区段的码道组成一个数码，透光的码道为“1”，不透光的码道为“0”，内码道为数码高位。所用数码可以是纯二进制，还有葛莱循环码。在圆盘的同一半径方向的每个码道处安装一个光电元件，光源透过码盘，每个扇形区段内的光信号通过光电元件转换成数码脉冲信号。

纯二进制码的缺点：相邻两个二进制数可能有多个数位不同，当数码切换时有多个数位要进行切换，增加了误读几率。

葛莱码则相邻两个二进制数码只有一个数位不同，只有一位切换，提高了读数可靠性。

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