数控机床的位置检测装置
1.数控机床对检测装置的基本要求：
1）稳定可靠、抗干扰能力强。数控机床的工作环 境存在油污、潮湿、灰尘、冲击振动等，检测装置要能 够在这样的恶劣环境下工作稳定，并且受环境温度影响 小，能够抵抗较强的电磁干扰。
2）满足精度和速度的要求。为保证数控机床的精 度和效率，检测装置必须具有足够的精度和检测速度， 位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率一个数量 级。
3）安装维护方便、成本低廉。受机床结构和应用 环境的限制，要求位置检测装置体积小巧，便于安装调 试。尽量选用价格低廉，性能价格比高的检测装置。
数控机床加工精度，在很大程度上取决于数控机
床位置检测装置的精度，因此，位置检测装置是数控机
床的关键部件之一，它对于提高数控机床的加工精度有
决定性的作用。
数控机床的位置检测装置
光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度， 而这与光栅盘圆周的条纹数有关，即分辨角
分辨角α=360°/条纹
第三讲 数控机床的位置检测装置
数控机床的位置检测装置
在这一讲，我们将主要学习： 数控机床中位置检测装置所起的作用 数控机床对位置检测装置性能的要求 常用位置检测装置的结构和工作原的作用与要求 位置检测装置是数控系统的重要组成部分，在第二
讲中我们知道：在闭环或半闭环控制的数控机床中，必 须利用位置检测装置把机床运动部件的实际位移量随时 检测出来，与给定的控制值(指令信号)进行比较，从而 控制驱动元件正确运转，使工作台(或刀具)按规定的轨 迹和坐标移动。
数控机床的位置检测装置
图5.1 增量式光电编码器示意原理
增量式光电编码器检测装置由光源、聚光镜、光栅盘、 光栅板、光电管、信号处理电路等组成。光栅盘和光 栅板用玻璃研磨抛光制成，玻璃的表面在真空中镀一 层不透明的铬，然后用照相腐蚀法，在光栅盘的边缘 上开有间距相等的透光狭缝。在光栅板上制成两条狭 缝，每条狭缝的后面对应安装一个光电管。
3）按位置检测元件的运动形式分类： 直线型: 测量直线位移
回转型: 测量角位移
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3.位置检测装置的主要性能指标 1）精度 符合输出量与输入量之间特定函数关 系的准确程度称作精度，数控机床用传感器要满 足高精度和高速实时测量的要求。 2）分辨率 位置检测装置能检测的最小位置变 化量称作分辨率。分辨率应适应机床精度和伺服 系统的要求。分辨率的高低，对系统的性能和运 行平稳性具有很大的影响。检测装置的分辨率一 般按机床加工精度的1／3～1／10选取（也就是 说，位置检测装置的分辨率要高于机床加工精 度）。
2.位置检测装置的分类 1）按输出信号的形式分类：
数字式: 将被测量以数字形式表示，测量信号一 般为电脉冲。
模拟式: 将被测量以连续变化的物理量来表示 （电压相位 / 电压幅值变化）
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2）按测量基点的类型分类: 增量式： 只测量位移增量，并用数字脉冲的个数 表示单位位移的数量。 绝对式： 测量的是被测部件在某一绝对坐 标系中的绝对坐标位置。
6.零漂与温漂 零漂与温漂是在输入量没有变化 时，随时间和温度的变化，位置检测装置的输出 量发生了变化。传感器的漂移量是其重要性能标 志，零漂和温漂反映了随时间和温度的改变，传 感器测量精度的微数小控机变床的位化置检。测装置
二、旋转编码器 旋转编码器是一种旋转式的角位移检测装置，在数控机
床中得到了广泛的使用。旋转编码器通常安装在被测轴 上，随被测轴一起转动，直接将被测角位移转换成数字 (脉冲)信号，所以也称为旋转脉冲编码器，这种测量方 式没有累积误差。旋转编码器也可用来检测转速。 按输出信号形式，旋转编码器可以分为增量式和绝对式 两种类型。 常用的增量式旋转编码器为增量式光电编码器，其原理 如图5.1所示。
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图5.3 光电编码器的输出波形
光电编码器的输出波形如图5.3所示。通过 光栏板两条狭缝的光信号A和B，相位角相 差90°，通过光电管转换并经过信号的放大 整形后，成为两相方波信号。
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为了判断光栅盘转动的方向，可采用图5.4a)的逻辑控制
电路,将光电管A、B信号（也就是中的0°及90 ° 信号）
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3.灵敏度 输出信号的变化量相对于输入信号变 化量的比值为灵敏度。实时测量装置不但要灵敏 度高，而且输出、输入关系中各点的灵敏度应该 是一致的。
4.迟滞 对某一输入量，传感器的正行程的输出 量与反行程的输出量的不一致，称为迟滞。数控 伺服系统的传感器要求迟滞小。
5.测量范围和量程 传感器的测量范围要满足系 统的要求，并留有余地。
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当光栅盘随被测工作轴一起转动时，每转过一个缝隙， 光电管就会感受到一次光线的明暗变化，使光电管的电 阻值改变，这样就把光线的明暗变化转变成电信号的强 弱变化，而这个电信号的强弱变化近似于正弦波的信号， 经过整形和放大等处理，变换成脉冲信号。通过计数器 计量脉冲的数目，即可测定旋转运动的角位移；通过计 量脉冲的频率，即可测定旋转运动的转速，测量结果可 以通过数字显示装置进行显示或直接输入到数控系统中
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图5.2增量式光电编码器外形结构图
增量式光电编码器外形结构见图5.2。实际应用的光电编码 器的光栅板上有两组条纹A、A和B、B，A组与B组的条纹 彼此错开1／4节距，两组条纹相对应的光敏元件所产生的 信号彼此相差90°相位，用于辨向。此外，在光电码盘的里 圈里还有一条透光条纹C(零标志刻线)，用以每转产生一个 脉冲，该脉冲信号又称零标志脉冲，作为测量基准。
放大整形后变成a、b两组方波。a组分成两路，一路直 接微分产生脉冲d，另一组经反相后再微分得到脉冲e。 d、e两路脉冲进入与门电路后分别输出正转脉冲f和反 转脉冲g。 （运用我们学过的数字电子技术知识同学们 从时序图可以分析出） b组方波作为与门的控制信号， 使光电盘正转时f有脉冲输出，反转时g有脉冲输出，这 样就可判别光电编码器的旋转方向。