如果光栏板上两条夹缝中的信号分别为A和B，相
位相差90°，通过整形，成为两个方波信号，光电
编码盘的输出波形如图6-7所示。根据A和B的先后
顺序，即可判断光电盘的正反转。若A相超前于B相，
对应转轴正转；若B相超前于A相，则对应于轴反转。
若以该方波的前沿或后沿产生记数脉冲，可以形成
代表正向位移或反向位移的脉冲序列。除此之外，
编 码
即具有断电记忆力功能。
器
图6-8 接触式码盘
第六章 位置检测技术
2.2 编码器在数控机床中的应用
第 二 节
光
电
编
码
器
位移测量
1
2 主轴控制
测速 3
零标志脉冲用于 回参考点控制
4
第六章 位置检测技术
3.1 光栅尺的结构及工作原理
第 三
光栅尺的结构组成
节
光
电
尺
数控机床中用于直线位移检测的光栅尺有透射光栅和反射光栅两大类 。
小的角度b，两光栅线纹相交，形成透光
和不透光的菱形条纹，这种黑白相间的条
纹称为莫尔条纹。莫尔条纹的传播方向与
光栅线纹大致垂直。两条莫尔条纹间的距 离为p，因偏斜角度b很小，所以有近似公
图6-11 光栅尺工作原理
式 当工作台正向或反向移动一个栅距l时，莫尔条纹向
上或向下移动一个纹距p，莫尔条纹经狭缝和透镜
和
磁
栅
尺
图6-9 光栅尺外观示意图 1—光栅尺；2—扫描头；3—电缆
图6-10 透射光栅组成示意图
第六章 位置检测技术
3.1 光栅尺的结构及工作原理
第 三
光栅尺的工作原理与特点
节
光
电
尺
和
磁
栅
光栅尺上相邻两条光栅线纹间的距离称
尺
为栅距或节距λ ，安装时，要求标尺光栅
和相互平行，并且其线纹相互偏斜一个很
控 制
高等优点。如图6-5所示是鉴相式伺服系统框图。
图6-5 鉴相式伺服系统框图
第六章 位置检测技术
第
二
节
编码器是一种旋转式转角位移检测元件，通常装在被检测的轴上。随被测轴一起旋转，
光 电
可将被测轴的角位移转换成增量式脉冲或绝对式代码的形式。编码器根据输出信号的方
编 码
式不同，可分为绝对值式编码器和脉冲增量式编码器。
第六章位置检测技术
1
第六章 位置检测技术
1.1 位置伺服控制分类
第 一
开环控制
节
位
置
伺
开环控制系统是指不带位置反馈装置的控制系统。由功率型步进电动机作为驱
服
控
动元件的控制系统是典型的开环控制系统。
制
图6-1 开环控制系统示意图
第六章 位置检测技术
1.1 位置伺服控制分类
第 一
半闭环控制
节
位
置
伺
服
控
制
装置，将直接测量到的位移或角位移反馈到数控装置的比较器中，与输入指令位移量
进行比较，用差值控制运动部件，使运动部件严格按实际需要的位移量运动。
图6-3 闭环控制系统示意图
第六章 位置检测技术
1.2 幅值伺服控制
第 一 节
位
置
幅值伺服控制是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此作为
伺 服
位置反馈信号，与指令信号进行比较，构成闭环控制系统。
控 制
如图6-4所示为鉴幅式伺服系统框图。
图6-4 鉴幅式伺服系统框图
第六章 位置检测技术
1.3 相位伺服控制
第 一 节
位
置
相位伺服控制系统是采用相位比较方法实现位置闭环（及半闭环）控制的伺服系
伺 服
统，是数控机床中使用较多的一种位置控制系统。具有工作可靠、抗干扰性强、精度
p=
由光电元件接收，把光信号转变为电信号。
第六章 位置检测技术
3.2 光栅尺位移数字变换系统 第 三 节 光 电 尺 和 磁 栅 尺
图6-13 四倍频电路
图6-13中的a、b、c、d是四块 硅光电池，产生的信号在相位 上彼此相差90°，a、b信号是 相位相差180°的两个信号，送 入差动放大器放大，得到正弦 信号，将信号幅度放大到足够 大。
电码盘圆周的条纹数有关，即分辨角为：
= 3 6 0 式中，z为条纹数 z
1—转轴；2—发光二极管； 3—光栏板；4—零标志； 5—光敏元件；6—光电码盘； 7—印制电路板； 8—电源及信号连接座
图6-6 增量式光电编码器结构 示意图
第六章 位置检测技术
2.1 增量式编码器
第 二 节
光
电
编
码 器
器
按输出信号 的方式分
绝对值式编码器
脉冲增量式编码 器
第六章 位置检测技术
2.1 增量式编码器
第
二
节
光
常用的增量式旋转编码器为增量式光电编码器，如图6-6所示。当光电码盘旋转时，光
电 编
线通过光栏板和光电码盘产生明暗相间的变化，由光敏元件接收，光敏元件将光信号
码 器
转换成电脉冲信号。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
第六章 位置检测技术
3.2 光栅尺位移数字变换系统
第 三 节
光
电
尺
和
磁
同理，c、d信号送入另一个差动放大器，得到
栅 尺
余弦信号。正弦信号经整形变成方波A，方波A信
号经反相得到方波B，余弦信号经整形变成方波C，
方波C信号经反相得到方波D，A、B、C、D信号
再经微分变成窄脉冲A′、B′、C′、D′，即在顺时针
第
三
节
定义
作用
光
电
尺
按其结构分为直线形和圆形，
和 磁
磁栅是一种计算磁波数目的位
分别用于直线位移和角位移的检
栅 尺
置检测元件。它由磁性标尺、磁 头和检测电路组成。
测。
特点
其优点是精度高，制造简单，安装方便，对使用环境的条件要求较低， 对周围电磁场的抗干扰能力较强，在油污、粉尘较多的场合下使用有好 的稳定性。
半闭环控制系统是在开环控制伺服电动机轴上装有角位移检测装置，通过检测伺
控
制
服电动机的转角，间接地检测出运动部件的位移，反馈给数控装置的比较器，与输入
指令进行比较，用差值控制运动部件。
图6-2 半闭环控制系统示意图
第六章 位置检测技术
1.1 位置伺服控制分类
第 一
闭环控制
节位置源自伺服闭环控制系统是在机床最终的运动部件的相应位置，直接安装直线或回转式检测
或逆时针每个方波的上升沿产生窄脉冲，如图6-
14所示。由与门电路把0°、90°、180°、
270°四个位置上产生的窄脉冲组合起来，根据不
同的移动方向形成正向脉冲或反向脉冲，用可逆
计数器进行计数，就可测量出光栅的实际位移。
图6-14 四倍频电路信号处理波形
第六章 位置检测技术
3.3 磁栅尺的结构及工作原理
光电脉冲编码盘每转一转还输出一个零位脉冲的信
号，这个信号可用做加工螺纹时的同步信号。
图6-7 增量式脉冲编码盘 的输出波形
第六章 位置检测技术
2.2 绝对式编码器
第
二
节 光
绝对式旋转编码器可直接将被测角度用数字代码表示出来，且每一个角度位置均有对
电
应的测量代码，因此，这种测量方式即使断电，只要再通电就能读岀被测轴的角度位置，