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1、华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗1/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置教教 师师 课课 时时 授授 课课 计计 划划教师姓名教师姓名 林砺宗林砺宗 课程名称课程名称 机电数控设计机电数控设计 授课时数授课时数 2h 2h 累计累计 天天授课日期授课日期授课日期授课日期 班班班班 次次次次 课课课课 题题题题第五章第五章第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统伺服驱动系统伺服驱动系统之之之之检测装置检测装置检测装置检测装置教学目的教学目的教学目的教学目的 1 1 1

2、 1、了解各类检测装置的基本构造、了解各类检测装置的基本构造、了解各类检测装置的基本构造、了解各类检测装置的基本构造2 2 2 2、掌握检测装置的基本原理、掌握检测装置的基本原理、掌握检测装置的基本原理、掌握检测装置的基本原理 重重重重 点点点点 难难难难 点点点点 光栅、编码器光栅、编码器光栅、编码器光栅、编码器 教教教教 具具具具 计算机计算机计算机计算机 作作作作 业业业业 教材教材教材教材习题习题习题习题 参考书参考书参考书参考书 教教学学过过程程教教学学过过程程一一一一、旧旧旧旧课课课课复复复复习习习习(建建建建议议议议用用用用时时时时:10:10:10:10分分分分钟钟钟钟)二二二

3、二、新新新新课课课课的的的的教教教教学学学学内内内内容容容容(建建建建议议议议用用用用时时时时:80:80:80:80分钟分钟分钟分钟)1 1 1 1光栅光栅光栅光栅2 2 2 2编码器编码器编码器编码器3.3.3.3.磁尺磁尺磁尺磁尺课课后后小小记记课课后后小小记记华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗2/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置上一讲内容复习上一讲内容复习（诱导回忆、启发、提问）（诱导回忆、启发、提问）（诱导回忆、启发、提问）（诱导回忆、启发、提问）（1

4、 1）绝对值测量方式和增量测量方式）绝对值测量方式和增量测量方式）绝对值测量方式和增量测量方式）绝对值测量方式和增量测量方式 a.绝对值测量方式绝对值测量方式绝对值测量方式绝对值测量方式b.增量测量方式增量测量方式增量测量方式增量测量方式 （2 2）数字式测量和模拟式测量）数字式测量和模拟式测量）数字式测量和模拟式测量）数字式测量和模拟式测量a.数字式测量数字式测量数字式测量数字式测量b.模拟式测量模拟式测量模拟式测量模拟式测量(3)(3)直接测量和间接测量直接测量和间接测量直接测量和间接测量直接测量和间接测量a.a.直接测量直接测量直接测量直接测量b.b.间接测量间接测量间接测量间接测量1.

5、位置检测装置的分类位置检测装置的分类华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗3/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置分分分分 类类类类 增增增增 量量量量 式式式式 绝绝绝绝 对对对对 式式式式 位移位移位移位移传感器传感器传感器传感器 回转型回转型回转型回转型脉冲编码器、脉冲编码器、脉冲编码器、脉冲编码器、自整角机自整角机自整角机自整角机 、旋转变压器、圆旋转变压器、圆旋转变压器、圆旋转变压器、圆感应同步器感应同步器感应同步器感应同步器 、光栅角度传感光栅角度传感光栅角

6、度传感光栅角度传感器器器器 、圆光栅、圆磁栅圆光栅、圆磁栅圆光栅、圆磁栅圆光栅、圆磁栅 多极旋转变压器多极旋转变压器多极旋转变压器多极旋转变压器 、绝对脉冲编码器绝对脉冲编码器绝对脉冲编码器绝对脉冲编码器 绝对值绝对值绝对值绝对值式光栅式光栅式光栅式光栅 、三速圆感应同三速圆感应同三速圆感应同三速圆感应同步器步器步器步器 、磁阻式多极旋转磁阻式多极旋转磁阻式多极旋转磁阻式多极旋转变压器变压器变压器变压器 直线型直线型直线型直线型直线应同步直线应同步直线应同步直线应同步器器器器 、光栅尺、磁栅尺光栅尺、磁栅尺光栅尺、磁栅尺光栅尺、磁栅尺 、激激激激光干涉仪光干涉仪光干涉仪光干涉仪 霍耳位置传感器

7、霍耳位置传感器霍耳位置传感器霍耳位置传感器 三速感应同步器三速感应同步器三速感应同步器三速感应同步器 、绝对值磁尺、光电编码绝对值磁尺、光电编码绝对值磁尺、光电编码绝对值磁尺、光电编码尺尺尺尺 、磁性编码器磁性编码器磁性编码器磁性编码器 速度速度速度速度传感器传感器传感器传感器 交、直流测速发电机交、直流测速发电机交、直流测速发电机交、直流测速发电机 、数字脉编码式速度传感器数字脉编码式速度传感器数字脉编码式速度传感器数字脉编码式速度传感器 、霍耳速度传感器霍耳速度传感器霍耳速度传感器霍耳速度传感器 速度速度速度速度角度传感器角度传感器角度传感器角度传感器（TachsynTachsyn）、数字

8、电）、数字电）、数字电）、数字电磁、磁敏式速度传感器磁、磁敏式速度传感器磁、磁敏式速度传感器磁、磁敏式速度传感器 电流电流电流电流传感器传感器传感器传感器 霍耳电流传感器霍耳电流传感器霍耳电流传感器霍耳电流传感器 华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗4/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置本讲内容第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统 第二节第二节 检测装置检测装置三三、光栅尺光栅尺四、磁尺四、磁尺之之华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺

9、宗林砺宗5/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置 光栅通常作为高精度数控机床的位置检测光栅通常作为高精度数控机床的位置检测元件，将机械位移或模拟量转变为数字脉冲，反元件，将机械位移或模拟量转变为数字脉冲，反馈给数控装置，实现闭环位置控制。馈给数控装置，实现闭环位置控制。光栅分类为：光栅分类为：圆光栅圆光栅长光栅长光栅 透射光栅透射光栅反射光栅反射光栅v 三、光栅尺三、光栅尺华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗6/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计

10、机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置（一）（一）光栅的光栅的光栅的光栅的结构结构结构结构 光光栅栅种种类类较较多多。根根据据光光线线在在光光栅栅中中是是透透射射还还是是反反射射分分为为透透射射光光栅栅和和反反射射光光栅栅，透透射射光光栅栅分分辨辨率率较较反反射射光光栅栅高高，其其检检测测精精度度可可达达1m以上。以上。从从形形状状上上看看，又又可可分分为为圆圆光光栅栅和和直直线线光光栅栅。圆圆光光栅栅用用于于测测量量转转角角位位移移，直直线线光光栅栅用用于于检检测测直直线线位位移移。两两者者工工作作原原理理基基本本相相似似，本本节节着着重重介介绍绍一一种种应应

11、用用比比较较广广泛泛的的透透射射式式直直线光栅。线光栅。华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗7/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置透射光栅是在玻璃表面上制成一系列平行等透射光栅是在玻璃表面上制成一系列平行等距的透光缝隙和不透光的栅线，反射光栅是在金距的透光缝隙和不透光的栅线，反射光栅是在金属的镜面上制成全反射和漫反射间隔相等的条纹。属的镜面上制成全反射和漫反射间隔相等的条纹。条纹之间的距离称为栅距条纹之间的距离称为栅距。光栅检测装置主要由光源、聚光镜、标尺光光栅检测

12、装置主要由光源、聚光镜、标尺光栅、指示光栅和光敏元件。栅、指示光栅和光敏元件。VS312431245图图 光栅的结构光栅的结构 1-1-防护垫防护垫 2-2-光栅读数头光栅读数头 3-3-标尺光栅标尺光栅 4-4-防护罩防护罩 图图5.10 5.10 光栅读数头光栅读数头 1-1-光源光源 2-2-准直镜准直镜 3-指示光栅指示光栅 4-4-光敏元件光敏元件 5-驱动线路驱动线路 华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗8/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置 直直线线光

13、光栅栅通通常常包包括括一一长长和和一一短短两两块块配配套套使使用用，其其中中长长的的称称为为标标尺尺光光栅栅或或长长光光栅栅，一一般般固固定定在在机机床床移移动动部部件件上上，要要求求与与行行程程等等长长。短短的的为为指指示示光光栅栅或或短短光光栅栅，装装在在机机床床固固定定部部件件上上。两两尺尺上上刻刻有有均均匀匀密密集集线线纹纹的的透透明明玻玻璃璃片片，线线 纹纹 密密 度度 为为 25、50、100、250条条/mm等等。线线纹纹之之间间距距离离相相等等，该该间间距距称称为为栅栅距距，测测量量时时它它们们相相互互平平行行放放置置，并并保保持持的的间间隙。隙。华东理工大学华东理工大学机械与

14、动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗9/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置 （二）直线光栅的工作原理（二）直线光栅的工作原理（二）直线光栅的工作原理（二）直线光栅的工作原理1.1.莫尔条纹的产生和特点莫尔条纹的产生和特点莫尔条纹的产生和特点莫尔条纹的产生和特点 当当当当指指指指示示示示光光光光栅栅栅栅上上上上的的的的线线线线纹纹纹纹与与与与标标标标尺尺尺尺光光光光栅栅栅栅上上上上的的的的线线线线纹纹纹纹成成成成一一一一小小小小角角角角度度度度放放放放置置置置时时时时，两两两两光光光光栅栅栅栅尺尺

15、尺尺上上上上线线线线纹纹纹纹互互互互相相相相交交交交叉叉叉叉。在在在在光光光光源源源源的的的的照照照照射射射射下下下下，交交交交叉叉叉叉点点点点附附附附近近近近的的的的小小小小区区区区域域域域内内内内黑黑黑黑线线线线重重重重叠叠叠叠，形形形形成成成成黑黑黑黑色色色色条条条条纹纹纹纹，其其其其它它它它部部部部分分分分为为为为明明明明亮亮亮亮条条条条纹纹纹纹，这这这这种种种种明明明明暗暗暗暗相相相相间间间间的的的的条条条条纹纹纹纹称称称称为为为为莫莫莫莫尔尔尔尔条条条条纹纹纹纹。莫莫莫莫尔尔尔尔条条条条纹纹纹纹与与与与光光光光栅栅栅栅线线线线纹纹纹纹几几几几乎乎乎乎成成成成垂垂垂垂直直直直方方方方

16、向向向向排排排排列列列列。严严严严格格格格地地地地说说说说，是是是是与与与与两两两两片片片片光栅线纹夹角的平分线相垂直。光栅线纹夹角的平分线相垂直。光栅线纹夹角的平分线相垂直。光栅线纹夹角的平分线相垂直。华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗10/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置指示光栅指示光栅标尺光栅标尺光栅光光栅栅检检测测装装置置的的组组成成 华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗11/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动

17、系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置（1 1）放大作用放大作用放大作用放大作用 用用用用WW（mmmm）表表表表 示示示示 莫莫莫莫 尔尔尔尔 条条条条 纹纹纹纹 的的的的 宽宽宽宽 度度度度，P P(mm)(mm)表表表表示示示示栅栅栅栅距距距距，(rad)(rad)为为为为光光光光栅栅栅栅线线线线纹纹纹纹之之之之间间间间的的的的夹夹夹夹角角角角，如下图（图如下图（图如下图（图如下图（图5-185-18）所示则有）所示则有）所示则有）所示则有 (5-8)(5-8)莫莫莫莫尔尔尔尔条条条条纹纹纹纹宽宽宽宽度度度度WW与与与与角角角角成成成成反反

18、反反比比比比，越越越越小小小小，放放放放大大大大倍倍倍倍数越大。数越大。数越大。数越大。莫尔条纹具有如下特点：莫尔条纹具有如下特点：华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗12/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置 P 标尺光栅标尺光栅图图5-18 放大的莫尔条纹放大的莫尔条纹华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗13/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置

19、检测装置华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗14/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置（2）均化误差作用均化误差作用 莫莫尔尔条条纹纹是是由由光光栅栅的的大大量量刻刻线线共共同同组组成成，例例如如，200条条/mm的的光光栅栅，10mm宽宽的的光光栅栅就就由由2000条条线线纹纹组组成成，这这样样栅栅距距之之间间的的固固有有相相邻邻误误差差就就被被平平均均化化了了，消消除除了了栅栅距距之之间间不不均匀造成的误差。均匀造成的误差。华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学

20、院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗15/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置（3）莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例 当当光光栅栅尺尺移移动动一一个个栅栅距距P时时，莫莫尔尔条条纹纹也也刚刚好好移移动动了了一一个个条条纹纹宽宽度度W。只只要要通通过过光光电电元元件件测测出出莫莫尔尔条条纹纹的的数数目目，就就可可知知道道光光栅栅移移动动了了多多少少个个栅栅距距，工工作作台台移移动动的的距距离离可可以以计计算算出出来来。若若光光栅栅移移动动方方向向相相反反，则则莫莫尔尔条条纹移动

21、方向也相反（见图纹移动方向也相反（见图5-18）。）。华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗16/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置 2.2.辩向辩向辩向辩向 若若若若标标标标尺尺尺尺光光光光栅栅栅栅不不不不动动动动，将将将将指指指指示示示示光光光光栅栅栅栅转转转转一一一一很很很很小小小小的的的的角角角角度度度度，两两两两者者者者移移移移动动动动方方方方向向向向及及及及光光光光栅栅栅栅夹夹夹夹角角角角关关关关系系系系如如如如表表表表5-15-1所所所所示示示示。因因因

22、因莫莫莫莫尔尔尔尔条条条条纹纹纹纹移移移移动动动动方方方方向向向向与与与与光光光光栅栅栅栅移移移移动动动动方方方方向向向向垂垂垂垂直直直直，可可可可用用用用检检检检测测测测垂垂垂垂直直直直方方方方向向向向宽宽宽宽大大大大的的的的莫莫莫莫尔尔尔尔条条条条纹纹纹纹代代代代替替替替光光光光栅栅栅栅水水水水平平平平方方方方向向向向移动的微小距离。移动的微小距离。移动的微小距离。移动的微小距离。华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗17/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置表表表

23、表5-15-1莫尔条纹移动方向与光栅移动方向及光栅夹莫尔条纹移动方向与光栅移动方向及光栅夹莫尔条纹移动方向与光栅移动方向及光栅夹莫尔条纹移动方向与光栅移动方向及光栅夹角的关系角的关系角的关系角的关系 指示光栅转角方向指示光栅转角方向 标尺光栅移动方向标尺光栅移动方向 莫尔条纹移动方向莫尔条纹移动方向 右右 下下 逆时针方向逆时针方向 左左 上上 右右 上上 顺时针方向顺时针方向 左左 下下 华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗18/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置

24、 光光光光栅栅栅栅测测测测量量量量系系系系统统统统如如如如下下下下图图图图（图图图图5-195-19）所所所所示示示示，由由由由光光光光源源源源、聚聚聚聚光光光光镜镜镜镜、光光光光栅栅栅栅尺尺尺尺、光光光光电电电电元元元元件件件件和和和和驱驱驱驱动动动动线线线线路路路路组组组组成成成成。读读读读数数数数头头头头光光光光源源源源采采采采用用用用普普普普通通通通的的的的灯灯灯灯泡泡泡泡，发发发发出出出出辐辐辐辐射射射射光光光光线线线线，经经经经过过过过聚聚聚聚光光光光镜镜镜镜后后后后变变变变为为为为平平平平行行行行光光光光束束束束，照照照照射射射射光光光光栅栅栅栅尺尺尺尺。光光光光电电电电元元元元

25、件件件件（常常常常使使使使用用用用硅硅硅硅光光光光电电电电池池池池）接接接接受受受受透透透透过过过过光光光光栅栅栅栅尺尺尺尺光光光光强强强强信信信信号，并将其转换成相应的电压信号。号，并将其转换成相应的电压信号。号，并将其转换成相应的电压信号。号，并将其转换成相应的电压信号。（三）光栅位移数字转换系统（三）光栅位移数字转换系统（三）光栅位移数字转换系统（三）光栅位移数字转换系统华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗19/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置图图图图5-1

26、9 5-19 光栅测量系统光栅测量系统光栅测量系统光栅测量系统 P1 P2 P3 P4指示光栅指示光栅 标尺光栅标尺光栅 硅光电池硅光电池 聚光镜聚光镜 光源光源 华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗20/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置 当当当当光光光光栅栅栅栅移移移移动动动动一一一一个个个个栅栅栅栅距距距距，莫莫莫莫尔尔尔尔条条条条纹纹纹纹便便便便移移移移动动动动一一一一个个个个条条条条纹纹纹纹宽宽宽宽度度度度，假假假假定定定定我我我我们们们们开开开开辟辟辟辟

27、一一一一个个个个小小小小窗窗窗窗口口口口来来来来观观观观察察察察莫莫莫莫尔尔尔尔条条条条纹纹纹纹的的的的变变变变化化化化情情情情况况况况，就就就就会会会会发发发发现现现现它它它它在在在在移移移移动动动动一一一一个个个个栅栅栅栅距距距距期期期期间间间间明明明明暗暗暗暗变变变变化化化化了了了了一一一一个个个个周周周周期期期期，理理理理论论论论上上上上光光光光栅栅栅栅亮亮亮亮度度度度变变变变化化化化是是是是一一一一个个个个三三三三角角角角波波波波形形形形，但但但但由由由由于于于于漏漏漏漏光光光光和和和和不不不不能能能能达达达达到到到到最最最最大大大大亮亮亮亮度度度度，被削顶削底后而近似一个正弦波（见

28、图被削顶削底后而近似一个正弦波（见图被削顶削底后而近似一个正弦波（见图被削顶削底后而近似一个正弦波（见图5-205-20）。）。）。）。硅硅硅硅光光光光电电电电池池池池将将将将近近近近似似似似正正正正弦弦弦弦波波波波的的的的光光光光强强强强信信信信号号号号变变变变为为为为同同同同频频频频率率率率的的的的电电电电压压压压信信信信号号号号（见见见见图图图图5-215-21），经经经经光光光光栅栅栅栅位位位位移移移移数数数数字字字字变变变变换换换换电电电电路路路路放放放放大大大大、整整整整形形形形、微微微微分分分分输输输输出出出出脉脉脉脉冲冲冲冲。每每每每产产产产生生生生一一一一个个个个脉脉脉脉冲冲

29、冲冲，就就就就代代代代表表表表移移移移动动动动了了了了一一一一个个个个栅栅栅栅距距距距那那那那么么么么大大大大的的的的位位位位移移移移，通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离。通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离。通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离。通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离。华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗21/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置 莫尔条纹的莫尔条纹的莫尔条纹的莫尔条纹的细分技术：细分技术：细分技术：细分技术：光学光学光学光学

30、细分、机械细分细分、机械细分细分、机械细分细分、机械细分和电子细分和电子细分和电子细分和电子细分 sincosABCDABCD相加相加ABCD相加相加正走正走反走反走华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗22/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置 由由由由于于于于此此此此信信信信号号号号比比比比较较较较微微微微弱弱弱弱，在在在在长长长长距距距距离离离离传传传传递递递递时时时时，很很很很容容容容易易易易被被被被各各各各种种种种干干干干扰扰扰扰信信信信号号号号淹淹淹淹没没没

31、没，造造造造成成成成传传传传递递递递失失失失真真真真，驱驱驱驱动动动动线路的作用就是将电压信号进行电压和功率放大。线路的作用就是将电压信号进行电压和功率放大。线路的作用就是将电压信号进行电压和功率放大。线路的作用就是将电压信号进行电压和功率放大。除除除除标标标标尺尺尺尺光光光光栅栅栅栅与与与与工工工工作作作作台台台台一一一一起起起起移移移移动动动动外外外外，光光光光源源源源、聚聚聚聚光光光光镜镜镜镜、指指指指示示示示光光光光栅栅栅栅、光光光光电电电电元元元元件件件件和和和和驱驱驱驱动动动动线线线线路路路路均均均均装装装装在在在在一一一一个个个个壳壳壳壳体体体体内内内内，作作作作成成成成一一一一

32、个个个个单单单单独独独独部部部部件件件件固固固固定定定定在在在在机机机机床床床床上上上上，这这这这个个个个部部部部件件件件称称称称为为为为光光光光栅栅栅栅读读读读数数数数头头头头，又又又又叫叫叫叫光光光光电电电电转转转转换换换换器器器器，其其其其作作作作用把光栅莫尔条纹的光信号变成电信号。用把光栅莫尔条纹的光信号变成电信号。用把光栅莫尔条纹的光信号变成电信号。用把光栅莫尔条纹的光信号变成电信号。华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗23/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测

33、装置电压电压图图5-21 光栅的输出波形图光栅的输出波形图O 光栅位移光栅位移 O 光栅位移光栅位移图图5-20 光栅的实际亮度变化光栅的实际亮度变化亮度亮度华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗24/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置 (1)在机床工作台移动范围内，能满足在机床工作台移动范围内，能满足精精度度和和速度速度的要求。不同类型的数控机床对检的要求。不同类型的数控机床对检测装置的精度和速度要求不一样。通常要求测装置的精度和速度要求不一样。通常要求检测元件的检

34、测元件的分辨度（即检测的最小位移量）分辨度（即检测的最小位移量）在之内，测量精度在以内。运动速度为在之内，测量精度在以内。运动速度为024m/min。（四）光栅的优点（四）光栅的优点华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗25/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置 (2)在机床的工作环境下，能可靠地工作，亦在机床的工作环境下，能可靠地工作，亦即受温度影响小，抗干扰能力强，并能长期保即受温度影响小，抗干扰能力强，并能长期保持精度。持精度。(3)使用、维护简单方便，成本高使用

35、、维护简单方便，成本高华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗26/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置1.工作台移动位移的检测工作台移动位移的检测 BW，可计算出位移，可计算出位移x。2.工作台移动速度的检测工作台移动速度的检测根据光强的变化频率可推断出两光栅尺的相对位根据光强的变化频率可推断出两光栅尺的相对位移速度。移速度。3.工作台移动方向的检测工作台移动方向的检测测量通过测量通过A与与B的莫尔条纹相位超前滞后关系，的莫尔条纹相位超前滞后关系，可判断出移动方向。可判

36、断出移动方向。A AB B（五）光栅在数控机床中的应用（五）光栅在数控机床中的应用华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗27/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置b.b.敞开式光栅尺敞开式光栅尺c.c.长度计长度计 （六）光栅产品简介（六）光栅产品简介华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗28/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置休息一下哦！休息

37、一下哦！活动活动有利于身体健康提高您的听课效果。华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗29/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置 磁尺是一种精度较高的位置检测装置。它由磁尺是一种精度较高的位置检测装置。它由磁性标尺、磁头、和检测电路组成。磁性标尺、磁头、和检测电路组成。v 四、磁尺四、磁尺四、磁尺四、磁尺磁尺位置检测装置磁尺位置检测装置华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗30/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计

38、机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置（一）磁性标尺（一）磁性标尺磁磁尺尺按按基基本本形形状状分分为为平面实体形平面实体形 磁尺磁尺一般长度为一般长度为600mm带带 状状 磁磁 尺尺基体厚基体厚0.2mm，宽，宽70mm线线 状状 磁磁 尺尺 长度小于长度小于1.5m，套装在磁头内，套装在磁头内圆圆 形形 磁磁 尺尺 做成磁盘状，检测角位移做成磁盘状，检测角位移磁性标尺：表面录有相等节距（一般为，磁性标尺：表面录有相等节距（一般为，1mm）周期变化的磁信号。）周期变化的磁信号。华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗31/53

39、 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置N N N NN NN NS SS SS SS SN NN NS SS S N NN NS SS S磁尺磁尺N N磁头磁头U U华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗32/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置磁头磁头是进行是进行磁磁电电转换的转换的变换器变换器，它把反，它把反映空间位置的映空间位置的磁信号磁信号转换为转换为电信号电信号输送到输送到检测

40、电路检测电路中去。中去。使用使用单个磁头单个磁头的的输出信号输出信号很小，实际使用中常很小，实际使用中常将几个到几十个磁头以一定的方式联接起来，将几个到几十个磁头以一定的方式联接起来，组成组成多间隙磁头多间隙磁头。多间隙磁头中的每一个磁头。多间隙磁头中的每一个磁头都以相同的间距都以相同的间距m/2配置，相邻两个磁头的输配置，相邻两个磁头的输出绕组出绕组反向串接反向串接。如图（多间隙磁头）。如图（多间隙磁头）（二）磁头（二）磁头（二）磁头（二）磁头华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗33/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第

41、二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置 （三）（三）工作原理工作原理 磁尺检测是模拟测量，检出信号是一模拟信磁尺检测是模拟测量，检出信号是一模拟信号，必须经检测电路处理变换，才能获得表示位移号，必须经检测电路处理变换，才能获得表示位移量的脉冲信号。量的脉冲信号。华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗34/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗35/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺

42、服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置 两个磁头两个磁头I、II的激电流，由分频、滤波和的激电流，由分频、滤波和功放后获得，磁头移动距离功放后获得，磁头移动距离x后的输出电压为：后的输出电压为：在求和电路中相加，则得磁头总输出电压为：在求和电路中相加，则得磁头总输出电压为：华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗36/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置v 五、编码器（脉冲编码器）五、编码器（脉冲编码器）五、编码器（脉

43、冲编码器）五、编码器（脉冲编码器）脉冲编码器是一种旋转式角位移检测装置，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，是数空机床上使能将机械转角变换成电脉冲，是数空机床上使用最光的检测装置。用最光的检测装置。华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗37/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置 图图5-14 5-14 光电式脉冲编码器结构示意图光电式脉冲编码器结构示意图华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗38/53 第五

44、章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置 编码器的优点：编码器的优点：分辨率高分辨率高 响应快响应快 具有数据长期存储功能具有数据长期存储功能 串行输出，信号线少，可靠性高，便于长串行输出，信号线少，可靠性高，便于长距离传输距离传输华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗39/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置 （一）编码器（脉冲编码器）分类（一）编码器（脉冲编码器）分类（一）编码器（脉冲编码器

45、）分类（一）编码器（脉冲编码器）分类脉脉冲冲编编码码器器的的分分类类增量式脉冲编码器增量式脉冲编码器绝对式脉冲编码盘绝对式脉冲编码盘光电式光电式接触式接触式电磁感应式电磁感应式光电式光电式接触式接触式电磁感应式电磁感应式华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗40/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置(二）增量式脉冲编码器二）增量式脉冲编码器结结构构图图华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗41/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动

46、系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置 指示光栅指示光栅有两组线纹有两组线纹A和和B，每组线纹，每组线纹的的节距节距和和圆光栅圆光栅的节距相同，但的节距相同，但A、B两组两组线纹彼此错开线纹彼此错开1/4个节距，每组线纹与个节距，每组线纹与旋转旋转圆光栅圆光栅配合产生两路配合产生两路脉冲脉冲A和和B用于用于记数和记数和辩向。辩向。华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗42/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置工作原理工作原

47、理工作原理工作原理光源接通，圆光栅旋转，光源接通，圆光栅旋转，光线透过两个光栅的光线透过两个光栅的A,B两组线纹，每转过两组线纹，每转过一个光栅节距，便在光一个光栅节距，便在光电元件上形成明电元件上形成明暗暗明变化一个周期的光信明变化一个周期的光信号，并被转化为两组近号，并被转化为两组近乎于正弦波的电压信号，乎于正弦波的电压信号，连续旋转便得到连续旋转便得到A和和B两路正弦电压信号如右两路正弦电压信号如右图所示。图所示。脉冲编码的输出信号脉冲编码的输出信号华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗43/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电

48、数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置脉冲编码的输出信号脉冲编码的输出信号 经过放大、整形后经过放大、整形后得到所示的方波信号得到所示的方波信号A和和B，如光栅盘正转时，如光栅盘正转时A相超前相超前90o，反转时，反转时B相超前相超前90o。另外还产。另外还产生一脉冲生一脉冲Z，Z为基准为基准脉冲，或称零点脉冲，脉冲，或称零点脉冲，它是圆光栅盘，可以作它是圆光栅盘，可以作为坐标原点的信号，车为坐标原点的信号，车削螺纹时作为刀点的信削螺纹时作为刀点的信号。号。华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗44/53 第五章第五章 伺服驱动系

49、统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置 绝对式脉冲编码盘绝对式脉冲编码盘绝对式脉冲编码盘绝对式脉冲编码盘是一种绝对角度位置检测装是一种绝对角度位置检测装置，它的位置输出信号是某种制式的数码信号，它置，它的位置输出信号是某种制式的数码信号，它表示位移后所达到的绝对位置，要用起点和终点的表示位移后所达到的绝对位置，要用起点和终点的绝对位置的数码信号，经运算后才能得到位移量的绝对位置的数码信号，经运算后才能得到位移量的大小。大小。u特点特点 电源切除后位置信息不会丢失，只要通电就能显电源切除后位置信息不会丢失，只要通电就能显示出所在的绝对位置

50、信号，因此在事故停机检修后，示出所在的绝对位置信号，因此在事故停机检修后，可以根据加工程序章上标明的停机时的绝对位置，或可以根据加工程序章上标明的停机时的绝对位置，或停机时记录下来的绝对位置，用绝对位移指令直接找停机时记录下来的绝对位置，用绝对位移指令直接找回原机位置进行继续加工。回原机位置进行继续加工。（三）绝对式脉冲编码盘（三）绝对式脉冲编码盘（三）绝对式脉冲编码盘（三）绝对式脉冲编码盘华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗45/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置

51、 绝对式脉冲编码盘的编码方法有：绝对式脉冲编码盘的编码方法有：绝对式脉冲编码盘的编码方法有：绝对式脉冲编码盘的编码方法有：A图为二进制图为二进制数码，数码，B图为葛莱循环码图为葛莱循环码华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗46/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置 码盘上有许多同心圆环，称为码道，整个圆盘码盘上有许多同心圆环，称为码道，整个圆盘又分为若干个等分的扇形区段，每一相同的扇形区又分为若干个等分的扇形区段，每一相同的扇形区段的码道组成一个数码，着色的码道为段的

52、码道组成一个数码，着色的码道为“1”，未着，未着色的码道为色的码道为“0”，内环码道为数码的高位。，内环码道为数码的高位。在圆盘的同一半径方向的每个码道处，如图的在圆盘的同一半径方向的每个码道处，如图的圆点所示，安装一个光电元件，光源装在圆盘的另圆点所示，安装一个光电元件，光源装在圆盘的另一侧，码盘转动，每一扇形区段愉的光信号通过光一侧，码盘转动，每一扇形区段愉的光信号通过光电元件转换成数码脉冲信号。电元件转换成数码脉冲信号。1.二进制数码二进制数码华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗47/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设

53、计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置图中图中二进制二进制的数码的数码1100的位置就是从的位置就是从0位算起的第位算起的第12个角个角度度绝对坐标位置绝对坐标位置，换算成角度是换算成角度是（360/16）x12=270的位置（编码盘分的位置（编码盘分为为16个区段）。个区段）。绝对式脉冲编码盘绝对式脉冲编码盘绝对式脉冲编码盘绝对式脉冲编码盘华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗48/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置增加增加一位一位达到6位华东

54、理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗49/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置 葛莱码的特点是任意相邻的两个二进制数之葛莱码的特点是任意相邻的两个二进制数之间只有一位是不同的，最末一个数与第一个数也间只有一位是不同的，最末一个数与第一个数也是如此，这样，就形成了循环，使整个循环里的是如此，这样，就形成了循环，使整个循环里的相邻数之间都遵循这一规律。要生成葛莱码，可相邻数之间都遵循这一规律。要生成葛莱码，可参考下图所示的方法。其中的行和列分别为三位参考下图所示的方法。其中的

55、行和列分别为三位和二位葛莱码，结合可生成五位葛莱码。和二位葛莱码，结合可生成五位葛莱码。2.葛莱码葛莱码华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗50/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置 这些码盘结构看起来很复杂，而且位数越多显这些码盘结构看起来很复杂，而且位数越多显得越杂乱，如果根据每一个绝对计数值一个个编制，得越杂乱，如果根据每一个绝对计数值一个个编制，则计算及编制工作量十分大，特别是位数多时。但则计算及编制工作量十分大，特别是位数多时。但我们可以观察这两种编码方法下

56、的码盘结构特点，我们可以观察这两种编码方法下的码盘结构特点，找出其中规律。找出其中规律。华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗51/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置 纯二进制码有一个缺点：相邻两个二进制数纯二进制码有一个缺点：相邻两个二进制数可能有多位二进制码不同，当数码切换时有多个可能有多位二进制码不同，当数码切换时有多个数位要进行切换，增大了误读的机率。数位要进行切换，增大了误读的机率。葛莱码相邻两个二进制数码只有一个数位不同，因葛莱码相邻两个二进制数码只有一个

57、数位不同，因此两数切换时只在一位进行，提高了读数的可靠性。此两数切换时只在一位进行，提高了读数的可靠性。3.3.两种编码的可靠性的比较两种编码的可靠性的比较两种编码的可靠性的比较两种编码的可靠性的比较:华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗52/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置 多圈式绝对编码器，综合了各种编码多圈式绝对编码器，综合了各种编码器的长处。器的长处。（四）多圈式脉冲编码盘（四）多圈式脉冲编码盘（四）多圈式脉冲编码盘（四）多圈式脉冲编码盘 它有一个光电码盘

58、和一个磁码盘，两它有一个光电码盘和一个磁码盘，两条通道的信号经过检测装置内部的条通道的信号经过检测装置内部的CPUCPU、大规模集成电路及驱动电路串行地输出绝大规模集成电路及驱动电路串行地输出绝对位置信息。对位置信息。华东理工大学华东理工大学机械与动力工程学院机械与动力工程学院 林砺宗林砺宗53/53 第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统机电数控设计机电数控设计第二节第二节第二节第二节 检测装置检测装置检测装置检测装置谢谢听讲！谢谢听讲！谢谢听讲！谢谢听讲！欢迎提出宝贵意见欢迎提出宝贵意见欢迎提出宝贵意见欢迎提出宝贵意见和建议和建议和建议和建议本讲作业本讲作业本讲作业本讲作业 P235 2P235 2、3 3、6 6