第4章 數(shù)控檢測裝置4.1數(shù)控檢測裝置的概述檢測元件是閉環(huán)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的重要組成部分。在閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中，必須利用位置檢測裝置把機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位移量隨時(shí)檢測出來，與給定的控制值(指令信號(hào))進(jìn)行比較，從而控制驅(qū)動(dòng)元件準(zhǔn)確運(yùn)轉(zhuǎn)，使工作臺(tái)(或刀具)按規(guī)定的軌跡和坐標(biāo)移動(dòng)。因此，位置檢測裝置是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件之一，它的精度直接影響數(shù)控機(jī)床的定位精度和加工精度。為此，對(duì)位置檢測裝置提出如下要求： (1)高可靠性和高抗干擾性； (2)滿足精度和速度要求； (3)使用、維護(hù)方便，適合機(jī)床的運(yùn)行環(huán)境； (4)成本低，壽命長。 對(duì)于不同類型的數(shù)控機(jī)床，因工作條件和檢測要求不同，可以采用不同的檢測方式。4.1.1對(duì)位置檢測裝置的要求在數(shù)控機(jī)床中，數(shù)控裝置是依靠指令值與位置檢測裝置的反饋值進(jìn)行比較，以此來控制工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的。位置檢測裝置是CNC系統(tǒng)的重要組成部分。在閉環(huán)系統(tǒng)中，它的主要作用是檢測位移量，并將檢測的反饋信號(hào)和數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號(hào)相比較，若有偏差，經(jīng)放大后控制執(zhí)行部件，使其向著消除偏差的方向運(yùn)動(dòng)，直到偏差為零為止。為了提高數(shù)控機(jī)床的加工精度，必須提高測量元件和測量系統(tǒng)的精度，不同的數(shù)控機(jī)床對(duì)測量元件和測量系統(tǒng)的精度要求、允許的最高移動(dòng)速度各不相同?，F(xiàn)在檢測元件與系統(tǒng)的最高水平是：被檢測部件的最高移動(dòng)速度至240m/min時(shí)，其檢測位移的分辨率(能檢測的最小位移量)可達(dá)1m，相當(dāng)于24m/min時(shí)可達(dá)0.1m。最高分辨率可達(dá)0.01m。因此，研制和選用性能優(yōu)越的檢測裝置是很重要的。 。 數(shù)控機(jī)床對(duì)位置檢測裝置的要求如下： (1)受溫度、濕度的影響小，工作可靠，能長期保持精度，抗干擾能力強(qiáng)； (2)在機(jī)床執(zhí)行部件移動(dòng)范圍內(nèi)，能滿足精度和速度的要求； (3)使用維護(hù)方便，適應(yīng)機(jī)床工作環(huán)境； (4)成本低；(5)易于實(shí)現(xiàn)高速的動(dòng)態(tài)測量。4.1.2檢測裝置的分類按工作條件和測量要求的不同，測量方式亦有不同的劃分方法，位置檢測裝置分類如表41所示。表4l位置檢測裝置分類位置檢測裝置按檢測信號(hào)的類型分類數(shù)字式測量光柵，光電碼盤，接觸式碼盤模擬式測量旋轉(zhuǎn)變壓器，感應(yīng)同步器，磁柵按測量裝置編碼方式分類增量式測量光柵，增量式光電碼盤絕對(duì)式測量接觸式碼盤，絕對(duì)式光電碼盤按檢測方式分類直接測量光柵，感應(yīng)同步器，編碼盤(測回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))間接測量編碼盤，旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)中采用的位置檢測裝置基本分為直線型和旋轉(zhuǎn)型兩大類。直線型位置檢測裝置主要用來檢測運(yùn)動(dòng)部件的直線位移量；旋轉(zhuǎn)型位置檢測裝置主要用來檢測回轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)位移量。常用的位置檢測裝置如圖41所示。圖41 常用的位置檢測裝置除以上位置檢測裝置以外，伺服系統(tǒng)中往往還包括檢測速度的元件，用以檢測和調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。常用的測速元件是測速發(fā)動(dòng)機(jī)。4.2旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器是一種常用的轉(zhuǎn)角檢測元件，由于它結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，且其精度能滿足一般的檢測要求，因此被廣泛應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床上。 旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和兩相繞線式異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)相似，可分為定子和轉(zhuǎn)子兩大部分。定子和轉(zhuǎn)子的鐵芯由鐵鎳軟磁合金或硅鋼薄板沖成的槽狀芯片疊成。它們的繞組分別嵌入各自的槽狀鐵芯內(nèi)。定子繞組通過固定在殼體上的接線柱直接引出。轉(zhuǎn)子繞組有兩種不同的引出方式。根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組兩種不同的引出方式，旋轉(zhuǎn)變壓器分為有刷式和無刷式兩種結(jié)構(gòu)形式。有刷式旋轉(zhuǎn)變壓器，如圖42所示，它的轉(zhuǎn)子繞組通過滑環(huán)和電刷直接引出，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，體積小，但因電刷與滑環(huán)是機(jī)械滑動(dòng)接觸的，所以旋轉(zhuǎn)變壓器的可靠性差，壽命也較短。而無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器卻避免了上述缺陷，在此僅介紹無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器。圖42有刷式旋轉(zhuǎn)變壓器l-轉(zhuǎn)子繞組；2-釘子繞組；3-轉(zhuǎn)子；4-整流子；5-電刷；6-接線柱1、旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理旋轉(zhuǎn)變壓器又稱為分解器，是一種控制用的微型旋轉(zhuǎn)式的交流電動(dòng)機(jī)，它將機(jī)械轉(zhuǎn)角變換成與該轉(zhuǎn)角呈某一函數(shù)關(guān)系的電信號(hào)的一種間接測量裝置。在結(jié)構(gòu)上與兩相線繞式異步電動(dòng)機(jī)相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成。圖43所示是一種無刷旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)，左邊為分解器，右邊為變壓器。變壓器的作用是將分解器轉(zhuǎn)子繞組上的感應(yīng)電動(dòng)勢傳輸出來，這樣就省掉了電刷和滑環(huán)。分解器定子繞組為旋轉(zhuǎn)變壓器的原邊，分解器轉(zhuǎn)子繞組為旋轉(zhuǎn)變壓器的副邊，勵(lì)磁電壓接到原邊，勵(lì)磁頻率通常為400Hz、500Hz、1000 Hz、5000 Hz。旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)作靈敏，對(duì)環(huán)境無特殊要求，維護(hù)方便，輸出信號(hào)的幅度大，抗干擾性強(qiáng)，工作可靠。由于旋轉(zhuǎn)變壓器上述特點(diǎn)，可完全替代光電編碼器，被廣泛應(yīng)用在伺服控制系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)、機(jī)械工具、汽車、電力、冶金、紡織、印刷、航空航天、船舶、兵器、電子、礦山、油田、水利、化工、輕工和建筑等領(lǐng)域的角度、位置檢測系統(tǒng)中。圖43 無刷旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)圖1-電動(dòng)機(jī)軸；2-外殼；3-分解器定子；4-變壓器定子繞組；5-變壓器轉(zhuǎn)子繞組；6-變壓器轉(zhuǎn)子；7-變壓器定子；8-分解器轉(zhuǎn)子；9-分解器定子繞組；10-分解器轉(zhuǎn)子繞組旋轉(zhuǎn)變壓器是根據(jù)互感原理工作的。它保證了定子與轉(zhuǎn)子之間空隙內(nèi)的磁通分布呈正(余)弦規(guī)律，當(dāng)定子繞組上加交流勵(lì)磁電壓(為交變電壓，頻率為24 kHz)時(shí)，通過互感在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，如圖44所示。圖44 兩級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理其輸出電壓的大小取決于定子與轉(zhuǎn)子兩個(gè)繞組軸線在空間的相對(duì)位置臼角。兩者平行時(shí)互感最大，副邊的感應(yīng)電動(dòng)勢也最大；兩者垂直時(shí)互感為零，感應(yīng)電動(dòng)勢也為零。感應(yīng)電動(dòng)勢隨著轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)的角度呈正(余)弦變化，故有U2=KU1cos=KUmsinwtcoa式中：U2為轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電勢；U1為定子的勵(lì)磁電壓；Um為定子勵(lì)磁電壓的幅值；為兩繞組軸線之間的夾角；K為變壓比，即兩個(gè)繞組匝數(shù)比N1N2。2、旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用使用旋轉(zhuǎn)變壓器作位置檢測元件，有兩種方法：鑒相型應(yīng)用和鑒幅型應(yīng)用。一般采用的是正弦、余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，其定子和轉(zhuǎn)子中各有互相垂直的兩個(gè)繞組，如圖45所示。圖45 四級(jí)旋轉(zhuǎn)變壓器 (1)鑒相型應(yīng)用 在這種狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)變壓器的定子兩相正交繞組即正弦繞組s和余弦繞組c中分別加上幅值相等、頻率相同而相位相差90。的正弦交流電壓，如圖43所示，即Us=UmsinwtUc=Umcoswt因?yàn)榇藘上鄤?lì)磁電壓會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，所以在轉(zhuǎn)子繞組中(另一繞組短接)感應(yīng)電動(dòng)勢為U2=Ussin+Uccos上式可變換為U2=KUmsinwtsin+KUmcoswtcos=KUmcos(wt) 測量轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓的相位角咿，便可測得轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的空間轉(zhuǎn)角位置。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，把對(duì)定子正弦繞組勵(lì)磁的交流電壓相位作為基準(zhǔn)相位，與轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓相位作比較，來確定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的位移。(2)鑒幅型應(yīng)用 在這種應(yīng)用中，定子兩相繞組的勵(lì)磁電壓為頻率相同、相位相同而幅值分別按正弦、余弦規(guī)律變化的交變電壓，即Us =UmsinsinwtUc=Umcossinwt勵(lì)磁電壓頻率為24 kHz。 定子勵(lì)磁信號(hào)產(chǎn)生的合成磁通在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢U2，其大小與轉(zhuǎn)子和定子的相對(duì)位置m有關(guān)，并與勵(lì)磁的幅值Umsin和Umcos有關(guān)，即U2=KUmsin(m)sinwt 如果m =，則U2=0。 從物理意義上理解，m =表示定子繞組合成磁通西與轉(zhuǎn)子繞組的線圈平面平行，即沒有磁力線穿過轉(zhuǎn)子繞組線圈，故感應(yīng)電動(dòng)勢為零。當(dāng)中垂直于轉(zhuǎn)子繞組線圈平面時(shí)，即m =90時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢最大。 在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)轉(zhuǎn)子誤差電壓的大小，不斷修改定子勵(lì)磁信號(hào)的(即勵(lì)磁幅值)，使其跟蹤m的變化。當(dāng)感應(yīng)電動(dòng)勢U2的幅值KUmsin(m)為零時(shí)，說明臼角的大小就是被測角位移m的大小。4.3感應(yīng)同步器 感應(yīng)同步器是一種電磁式位置檢測元件，按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一般分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種。直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成；旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成。前者用于直線位移測量，后者用于角位移測量。它們的工作原理都與旋轉(zhuǎn)變壓器相似。感應(yīng)同步器具有檢測精度比較高、抗干擾性強(qiáng)、壽命長、維護(hù)方便、成本低、工藝性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床及各類機(jī)床數(shù)顯改造。本節(jié)僅以直線式感應(yīng)同步器為例，對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理進(jìn)行介紹。1、感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和工作原理直線式感應(yīng)同步器用于直線位移的測量，其結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)展開的多極旋轉(zhuǎn)變壓器。它的主要部件包括定尺和滑尺，定尺安裝在機(jī)床床身上，滑尺則安裝于移動(dòng)部件上，隨工作臺(tái)一起移動(dòng)。兩者平行放置，保持0.20.3mm的間隙，如圖46所示。標(biāo)準(zhǔn)的感應(yīng)同步器定尺長250mm，是單向、均勻、連續(xù)的感應(yīng)繞組；滑尺長100mm，尺上有兩組勵(lì)磁繞組，一組叫正弦勵(lì)磁繞組，如圖46中A所示，一組叫余弦勵(lì)磁繞組，如圖46中B所示。定尺和滑尺繞組的節(jié)距相同，用表示。當(dāng)正弦勵(lì)磁繞組與定尺繞組對(duì)齊時(shí)，余弦勵(lì)磁繞組與定尺繞組相差14節(jié)距。由于定尺繞組是均勻的，故表示滑尺上的兩個(gè)繞組在空間位置上相差14節(jié)距。即2相位角。定尺和滑尺的基板采用與機(jī)床床身材料的熱膨脹系數(shù)相近的低碳鋼，上面有用光學(xué)腐蝕方法制成的銅箔鋸齒形的印刷電路繞組，銅箔與基板之間有一層極薄的絕緣層。在定尺的銅繞組上面涂一層耐腐蝕的絕緣層，以保護(hù)尺面。在滑尺的繞組上面用絕緣的黏接劑粘貼一層鋁箔，以防靜電感應(yīng)。感應(yīng)同步器的工作原理與旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理相似。當(dāng)勵(lì)磁繞組與感應(yīng)繞組間發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，由于電磁耦合的變化，感應(yīng)繞組中的感應(yīng)電壓隨位移的變化而變化，感應(yīng)同步器和旋轉(zhuǎn)變壓器就是利用這個(gè)特點(diǎn)進(jìn)行測量的。所不同的是，旋轉(zhuǎn)變壓器是定子、轉(zhuǎn)子間的旋轉(zhuǎn)位移，而感應(yīng)同步器是滑尺和定尺問的直線位移。圖46感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)示意圖A-正弦勵(lì)磁繞組；B-余弦勵(lì)磁繞組圖47感應(yīng)同步器的工作原理圖感應(yīng)同步器的工作原理圖如圖47所示，它說明了定尺感應(yīng)電壓與定、滑尺繞組的相對(duì)位置的關(guān)系。若向滑尺上的正弦繞組通以交流勵(lì)磁電壓，則在定子繞組中產(chǎn)生勵(lì)磁電流，因而繞組周圍產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場。這時(shí)，如果滑尺處于圖中A點(diǎn)位置，即滑尺繞組與定尺繞組完全對(duì)應(yīng)重合，則定尺上的感應(yīng)電壓最大。隨著滑尺相對(duì)定尺做平行移動(dòng)，感應(yīng)電壓逐漸減小。當(dāng)滑尺移動(dòng)至圖中B點(diǎn)位置時(shí)，即與定尺繞組剛好錯(cuò)開14節(jié)距時(shí)，感應(yīng)電壓為零。再繼續(xù)移至12節(jié)距處，即圖中C點(diǎn)位置時(shí)，為最大的負(fù)值電壓(即感應(yīng)電壓的幅值與A點(diǎn)相同但極性相反)。再移至34節(jié)距，即圖中D的位置時(shí)，感應(yīng)電壓又變?yōu)榱?。?dāng)移動(dòng)到一個(gè)節(jié)距位置即圖中E點(diǎn)，又恢復(fù)初始狀態(tài)，即與A點(diǎn)情況相同。顯然，在定尺和滑尺的相對(duì)位移中，感應(yīng)電壓呈周期性變化，其波形為余弦函數(shù)。在滑尺移動(dòng)一個(gè)節(jié)距的過程中，感應(yīng)電壓變化了一個(gè)余弦周期。 同樣，若在滑尺的余弦繞組中通以交流勵(lì)磁電壓，也能得出定尺繞組中感應(yīng)電壓與兩尺相對(duì)位移臼的關(guān)系曲線，它們之間為正弦函數(shù)關(guān)系。2、感應(yīng)同步器的應(yīng)用根據(jù)勵(lì)磁繞組中勵(lì)磁供電方式的不同，感應(yīng)同步器可分為鑒相工作方式和鑒幅工作方式。鑒相工作方式即將正弦繞組和余弦繞組分別通以頻率相同、幅值相同但相位相差/2的交流勵(lì)磁電壓；鑒幅工作方式，則是將滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別通以相位相同、頻率相同但幅值不同的交流勵(lì)磁電壓。(1)鑒相方式在這種工作方式下，將滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別通以幅值相同、頻率相同、相位相差90。的交流電壓，即Us=UmsinwtUc=Umcoswt勵(lì)磁信號(hào)將在空間產(chǎn)生一個(gè)w為頻率移動(dòng)的行波。磁場切割定尺導(dǎo)片，并在其中感應(yīng)出電勢，該電勢隨著定尺與滑尺相對(duì)位置的不同而產(chǎn)生超前或滯后的相位差。按照疊加原理可以直接求出感應(yīng)電勢U0=KUmsinwtcosKUmcoswtsin=KUmsin(wt)在一個(gè)節(jié)距內(nèi)，與滑尺移動(dòng)距離是一一對(duì)應(yīng)的，通過測量定尺感應(yīng)電勢相位，便可測出定尺相對(duì)滑尺的位移。(2)鑒幅方式在這種工作方式下，將滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別通以頻率相同、相位相同，但幅值不同的交流電壓，即Us=Umsin1sinwtUc=Umcos1sinwt式中的1相當(dāng)于前式中的。此時(shí)，如果滑尺相對(duì)定尺移動(dòng)一個(gè)距離d，其對(duì)應(yīng)的相移為2，那么，在定尺上的感應(yīng)電勢為U0=KUmsin1sinwtcos2KUmcos1coswtsin2=KUmsin(12)由上式可知，若電氣角1已知，則只要測出U0的幅值KUmsin(12)，便可間接地求出2。感應(yīng)同步器直接對(duì)機(jī)床進(jìn)行位移檢測，無中間環(huán)節(jié)影響，所以精度高；其繞組在每個(gè)周期內(nèi)的任何時(shí)間都可以給出僅與絕對(duì)位置相對(duì)應(yīng)的單值電壓信號(hào)，不受干擾的影響，所以工作可靠，抗干擾性強(qiáng)；定尺與滑尺之間無接觸磨損，安裝簡單，維修方便，壽命長；通過拼接方法，可以增大測量距離的長度；其成本低，工藝性好。正因?yàn)槠渚哂腥绱酥嗟膬?yōu)點(diǎn)，感應(yīng)同步器在實(shí)踐中應(yīng)用非常廣泛。4.3光柵光柵分為物理光柵和計(jì)量光柵。物理光柵刻線細(xì)密，主要用于光譜分析和光波波長的測定。計(jì)量光柵，比較而言，刻線較粗，但柵距也較小，一般在0.0040.25 mm之間，主要用于數(shù)字檢測系統(tǒng)。光柵傳感器為動(dòng)態(tài)測量元件，按運(yùn)動(dòng)方式可分為長光柵和圓光柵。長光柵主要用來測量直線位移；圓光柵主要用來測量角度位移。根據(jù)光線在光柵中的運(yùn)動(dòng)路徑可分為透射光柵和反射光柵。一般光柵傳感器都是做成增量式的，也可以做成絕對(duì)值式的。目前，光柵傳感器主要應(yīng)用在高精度數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)中，其精度僅次于激光式測量。 光柵是利用光的透射、衍射現(xiàn)象制成的光電檢測元件，它主要由光柵尺(包括標(biāo)尺光柵和指示光柵)和光柵讀數(shù)頭兩部分組成，如圖48所示。通常，標(biāo)尺光柵固定在機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件(如工作臺(tái)或絲杠)上，光柵讀數(shù)頭安裝在機(jī)床的固定部件(如機(jī)床底座)上，兩者隨著工作臺(tái)的移動(dòng)而相對(duì)移動(dòng)。在光柵讀數(shù)頭中，安裝了一個(gè)指示光柵，當(dāng)光柵讀數(shù)頭相對(duì)于標(biāo)尺光柵移動(dòng)時(shí)，指示光柵便在標(biāo)尺光柵上移動(dòng)。在安裝光柵時(shí)，要嚴(yán)格保證標(biāo)尺光柵和指示光柵的平行度以及兩者之問的間隙(一般取0.05 mm或0.1mm)要求。圖48光柵讀數(shù)頭 光柵尺是用真空鍍膜的方法光刻上均勻密集線紋的透明玻璃片或長條形金屬鏡面。對(duì)于長光柵，這些線紋相互平行，各線紋之間的距離相等，稱此距離為柵距。對(duì)于圓光柵，這些線紋是等柵距角的向心條紋。柵距和柵距角是決定光柵光學(xué)性質(zhì)的基本參數(shù)。常見的長光柵的線紋密度為25、50、100、250條/mm。對(duì)于圓光柵，若直徑為70mm，一周內(nèi)刻線達(dá)100768條；若直徑為110 mm，一周內(nèi)刻線達(dá)6001024條，甚至更高。同一個(gè)光柵元件，其標(biāo)尺光柵和指示光柵的線紋密度必須相同。 光柵讀數(shù)頭由光源、透鏡、指示光柵、光敏元件和驅(qū)動(dòng)電路組成，如圖48所示。讀數(shù)頭的光源一般采用白熾燈泡。白熾燈泡發(fā)出的輻射光線，經(jīng)過透鏡后變成平行光束，照射在光柵尺上。光敏元件是一種將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換元件，它接收透過光柵尺的光強(qiáng)信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成與之成比例的電壓信號(hào)。由于光敏元件產(chǎn)生的電壓信號(hào)一般比較微弱，在長距離傳送時(shí)很容易被各種干擾信號(hào)所淹沒、覆蓋，造成傳送失真。為了保證光敏元件輸出的信號(hào)在傳送中不失真，應(yīng)首先將該電壓信號(hào)進(jìn)行功率和電壓放大，然后再進(jìn)行傳送。驅(qū)動(dòng)電路就是實(shí)現(xiàn)對(duì)光敏元件輸出信號(hào)進(jìn)行功率和電壓放大的電路。 如果將指示光柵在其自身的平面內(nèi)轉(zhuǎn)過一個(gè)很小的角度，這樣兩塊光柵的刻線相交，當(dāng)平行光線垂直照射標(biāo)尺光柵時(shí)，則在相交區(qū)域出現(xiàn)明暗交替、間隔相等的粗大條紋，稱為莫爾條紋。由于兩塊光柵的刻線密度相等，即柵距相等，使產(chǎn)生的莫爾條紋的方向與光柵刻線方向大致垂直。其幾何關(guān)系如圖49所示。當(dāng)很小時(shí)，莫爾條紋的節(jié)距為p=/圖49光柵的工作原理這表明，莫爾條紋的節(jié)距是柵距的1倍。當(dāng)標(biāo)尺光柵移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋就沿與光柵移動(dòng)方向垂直的方向移動(dòng)。當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)柵距時(shí)，莫爾條紋就相應(yīng)準(zhǔn)確地移動(dòng)一個(gè)節(jié)距聲，也就是說兩者一一對(duì)應(yīng)。因此，只要讀出移過莫爾條紋的數(shù)目，就可知道光柵移過了多少個(gè)柵距。而柵距在制造光柵時(shí)是已知的，所以光柵的移動(dòng)距離就可以通過光電檢測系統(tǒng)對(duì)移過的莫爾條紋進(jìn)行計(jì)數(shù)、處理后自動(dòng)測量出來。 如果光柵的刻線為100條，即柵距為0.01mm時(shí)，人們是無法用肉眼來分辨的，但它的莫爾條紋卻清晰可見。所以莫爾條紋是一種簡單的放大機(jī)構(gòu)，其放大倍數(shù)取決于兩光柵刻線的交角，如=0.01 mm，p=5mm，則其放大倍數(shù)為1/=p/=500倍。這種放大特點(diǎn)是莫爾條紋系統(tǒng)的獨(dú)具特性。莫爾條紋還具有平均誤差的特性。光柵測量系統(tǒng)的組成示意圖如圖410所示。光柵移動(dòng),莫爾條紋兩岸交替變化，光強(qiáng)度分布近似余弦曲線，由光電元件變?yōu)橥l率電壓信號(hào)，經(jīng)光柵位移數(shù)字變換電路放大、整形、微分輸出脈沖。每產(chǎn)生一個(gè)脈沖，就代表移動(dòng)了一個(gè)柵距，通過對(duì)脈沖計(jì)數(shù)便可得到工作臺(tái)的移動(dòng)距離。圖410 光柵測量系統(tǒng)組成示意圖4.4光電脈沖編碼器脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，把機(jī)械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，是一種常用的角位移傳感器，同時(shí)也可作速度檢測裝置。脈沖編碼器分為：光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式。脈沖編碼器是一種增量檢測裝置，它的型號(hào)是由每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)來區(qū)分。2000P/r、2500 P/r和3000 P/r等。1、光電脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)和工作原理光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長方形孔。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號(hào)，通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為了判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90的兩路脈沖信號(hào)。根據(jù)檢測原理，編碼器可分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式。圖411 光電脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)1-光源 2-圓光柵 3-指示光柵 4-光電池組5-機(jī)械部件 6-護(hù)罩 7-印刷電路板光電脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)如圖411所示。在一個(gè)圓盤的圓周上刻有相等間距線紋，分為透明和不透明的部分，稱為圓光柵。圓光柵與工作軸一起旋轉(zhuǎn)。與圓光柵相對(duì)平行地放置一個(gè)固定的扇形薄片，稱為指示光柵，上面刻有相差l4節(jié)距的兩個(gè)狹縫(在同一圓周上，稱為辨向狹縫)。此外，還有一個(gè)零位狹縫(一轉(zhuǎn)發(fā)出一個(gè)脈沖)。脈沖編碼器通過十字連接頭或鍵與伺服電動(dòng)機(jī)相連，它的法蘭盤固定在電動(dòng)機(jī)端面上，罩上防護(hù)罩，構(gòu)成一個(gè)完整的檢測裝置。 下面對(duì)光電編碼器的工作原理進(jìn)行介紹。當(dāng)圓光柵旋轉(zhuǎn)時(shí)，光線透過兩個(gè)光柵的線紋部分，形成明暗相間的條紋。光電元件接收這些明暗相問的光信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為交替變化的電信號(hào)，該信號(hào)為兩路近似于正弦波的電流信號(hào)A和B，如圖412所示。A和B信號(hào)相位相差90。，經(jīng)放大和整形變成方波。通過光柵的兩個(gè)電流信號(hào)，還有一個(gè)“一轉(zhuǎn)脈沖”，稱為Z相脈沖，該脈沖也是通過上述處理得來的。A脈沖用來產(chǎn)生機(jī)床的基準(zhǔn)點(diǎn)。 脈沖編碼器輸出信號(hào)A、B、Z、等信號(hào)，這些信號(hào)作為位移測量脈沖，以及經(jīng)過頻率一電壓變換作為速度反饋信號(hào)，進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。圖412 脈沖編碼器輸出的波形2、光電脈沖編碼器的應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床上，光電脈沖編碼器常被用在數(shù)字比較的伺服系統(tǒng)中，作為位置檢測裝置，將檢測信號(hào)反饋給數(shù)控裝置。 光電脈沖編碼器將位置檢測信號(hào)反饋給CNC裝置有兩種方式：一種是適合于有加減計(jì)數(shù)要求的可逆計(jì)數(shù)器，形成加計(jì)數(shù)脈沖和減計(jì)數(shù)脈沖；另一種是適合于有計(jì)數(shù)控制和計(jì)數(shù)要求的計(jì)數(shù)器，形成方向控制信號(hào)和計(jì)數(shù)脈沖。應(yīng)用一：適應(yīng)帶加減計(jì)數(shù)要求的可逆計(jì)數(shù)器，形成加計(jì)數(shù)脈沖和減計(jì)數(shù)脈沖 應(yīng)用二：適應(yīng)有計(jì)數(shù)控制端和方向控制端的計(jì)數(shù)器，形成正走、反走計(jì)數(shù)脈沖和方向控制電平。 思考與練習(xí)1、數(shù)控機(jī)床對(duì)位置檢測裝置有何要求?如何對(duì)位置檢測裝置進(jìn)行分類?2、簡述旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理，并說明它的應(yīng)用。3、簡述感應(yīng)同步器的工作原理，并說明它的應(yīng)用。4、簡述光柵的構(gòu)成和工作原理。5、簡述光電脈沖編碼器的構(gòu)成和工作原理。