项目15数控机床光栅位移传感器的安装与调试.ppt

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项目项目15数控机床光栅位移传感器的安数控机床光栅位移传感器的安装与调试装与调试本项目要求在机床上安装和调试光栅位移传感器。

光栅位移传感器以其优越的性能，目前已经得到了较为广泛的应用。

它不仅完善了加工精度，更重要的是提高了加工的工作效率。

现在我国加工业、制造业越来越成熟，当对加工的精度要求越来越高的时候，例如在铣床、磨床、车床、线切割、电火花等机床上都可以安装光栅尺来解决。

光栅位移传感器对工作环境的要求相对来说不是很苛刻，对操作者来说也非常简单、方便。

知识和能力目标；熟悉常用的数字式传感器基本结构。

了解数字式传感器的基本工作原理。

掌握数字式传感器的特性，正确选用、安装、调试、操作和维护数字式传感器。

知识准备知识准备一、一、栅式数字传感器

（一）光栅的类型和结构光栅主要由光栅尺（光栅副）和光栅读数头两部分构成。

光栅尺包括主光栅（标尺光栅）和指示光栅，主光栅和指示光栅的栅线的刻线宽度和间距完全一样。

将指示光栅与主光栅重叠在一起，两者之间保持很小的间隙。

主光栅和指示光栅中一个固定不动，另一个安装在运动部件上，两者之间可以形成相对运动；光栅读数头包括光源、透镜、指示光栅、光电接收元件、驱动电路等。

（a）光栅尺实物图（b）光栅尺结构示意图（c）光栅放大图（a）对称形（b）非对称形（a）圆光栅实物图（b）径向光栅（c）切向光栅

（二）

（二）光栅的工作原理光栅的工作原理1莫尔条纹图15-5光栅与莫尔条纹示意图（0）2莫尔条纹的特点

（1）放大作用由式15-1可知，越小，B越大，这相当于把栅距W放大大了1/倍。

例如=0.1，则1/573，即莫尔条纹宽度B是栅距W的573倍，相当于把栅距放大了573倍

（2）平均效应莫尔条纹由大量的光栅栅线共同形成，所以对光栅栅线的刻划误差有平均作用。

通过莫尔条纹所获得的精度可以比光栅本身栅线的刻划精度还要高。

（3）运动方向当两光栅沿与栅线垂直的方向作相对运动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者运动方向垂直）；光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。

（4）对应关系两块光栅沿栅线垂直方向作相对移动时，莫尔条纹的亮带与暗带将顺序自上而下不断掠过光敏元件。

光敏元件接受到的光强变化近似于正弦波变化。

光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期，如图15-6所示。

（5）莫尔条纹移过的条纹数等于光栅移过的栅线数例如采用100线/mm光栅时，若光栅移动了xmm（即移过了100x条光栅栅线），则从光电元件前掠过的莫尔条纹数也为100x条。

由于莫尔条纹间距比栅距宽得多，所以能够被光敏元件识别。

将此莫尔条纹产生的电脉冲信号计数，就可知道移动的实际位移。

（三）（三）光栅式传感器的测量电路1光电转换图15-7光栅读数头结构示意图1光源2透镜3主光栅图15-8光电元件输出波形4指示光栅5光电元件2辨向原理（a）辨向电路（b）正向运动的波形图（c）反向运动的波形图图15-9辨向逻辑电路原理图3细分技术由前面分析可知当两光栅相对移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个间距B，光电元件输出变化一个电周期2，经信号转换电路输出一个脉冲，若按此进行计数，则它的分辨力为一个光栅栅距W。

为了提高分辨力，可以采用增加刻线密度的方法来减少栅距，但这种方法受到制造工艺或成本的限制。

另一种方法是采用细分技术，可以在不增加刻线数的情况下提高光栅的分辨力，在光栅每移动一个栅距，莫尔条纹变化一周时，不只输出一个脉冲，而是输出均匀分布的n个脉冲，从而使分辨力提高到W/n。

由于细分后计数脉冲的频率提高了，因此细分又叫倍频。

细分的方法有很多种，常用的细分方法是直接细分，细分数为4，所以又称四倍频细分。

实现的方法有两种：

一种是在莫尔条纹宽度内依次放置四个光电元件采集不同相位的信号，从而获得相位依次相差90o的四个正弦信号，再通过细分电路，分别输出四个脉冲。

另一种方法是采用在相距B/4的位置上，放置两个光电元件，首先得到相位差90o的两路正弦信号s和c，然后将此两路信号送入图15-10（a）所示的细分辨向电路。

这两路信号经过放大器放大，再由整形电路整形为两路方波信号。

并把这两路信号各反向一次，就可以得到四路相位依次为90o、180o、270o、360o方波信号，它们经过RC微分电路，就可以得到四个尖脉冲信号。

（a）逻辑电路（b）波形（正向运动）图15-10四倍频细分原理二、光电数字编码器二、光电数字编码器（一一）绝对式编码器绝对式编码器绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上的图案信息直接转换成相应代码的检测元件。

编码盘有光电式、接触式和电磁式三种。

光电式码盘是目前应用较多的一种。

它是在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。

图15-11所示为四位二进制的码盘，图15-11四位二进制的码盘图15-12四位二进制循环码盘为了消除非单值性误差，可采用以下的方法。

1.循环码盘（或称格雷码盘）循环码习惯上又称格雷码，它也是一种二进制编码，只有“0”和“1”两个数。

图15-12所示为四位二进制循环码。

这种编码的特点是任意相邻的两个代码间只有一位代码有变化，即“0”变为“1”或“1”变为“0”。

2.带判位光电装置的二进制循环码盘这种码盘是在四位二进制循环码盘的最外圈再增加一圈信号位。

图15-13所示就是带判位光电装置的二进制循环码盘。

该码盘最外圈上的信号位的位置正好与状态交线错开，只有当信号位处的光电元件有信号时才读数，这样就不会产生非单值性误差。

（二二）增量式编码器增量式编码器1.增量式光电编码器的结构2.增量式编码器的工作原理增量式编码器的工作原理如图15-15所示。

它由主码盘、鉴向盘、光学系统和光电变换器组成。

在图形的主码盘（光电盘）周边上刻有节距相等的辐射状窄缝，形成均匀分布的透明区和不透明区。

鉴向盘与主码盘平行，并刻有a、b两组透明检测窄缝，它们彼此错开1/4节距，以使A、B两个光电变换器的输出信号在相位上相差90。

图15-15增量式编码器工作原理图15-16光电编码器的输出波形3.旋转方向的判别三、感应同步器三、感应同步器

（一）直线式感应同步器的结构和工作原理

（一）直线式感应同步器的结构和工作原理1载流线圈所产生的磁场2直线式感应同步器的基本结构（c）定尺绕组（d）滑尺绕组3线式感应同步器的工作原理4直线感应同步器输出信号的检测鉴相型根据感应电动势的相位来鉴别位移量当正弦绕组单独励磁时，设励磁电压定尺绕组中的感应电动势（15-3）当余弦绕组单独励磁时，励磁电压uc=Umcost定尺绕组中的感应电动势为：

（15-4）式中k电磁耦合系数；机械位移相位角（机械角），单位为rad。

当正向运动时，定尺输出的总感应电动势为（15-5）当反向运动时，定尺输出的总感应电动势为（15-6）鉴幅型根据感应电动势的幅值来鉴别位移量它们分别在定尺绕组上感应出的电动势为定尺绕组总的感应电动势为

（二）

（二）旋转式感应同步器（圆感应同步器）（三）（三）感应同步器位移测量系统四、频率式数字传感器四、频率式数字传感器频率式传感器基本上有三种类型：

（1）利用力学系统固有频率的变化反映被测参数的值。

（2）利用电子振荡器的原理,使被测量的变化转化为振荡器的振荡频率的改变。

（3）将被测非电量先转换为电压量,然后再用此电压去控制振荡器的振荡频率,称压控振荡器。

（一）

（一）改变力学系统固有频率的频率传感器（a）基本结构（b）激励电路图15-22振弦张力传感器

（二）

（二）RC振荡器式频率传感器（三）压控振荡器式频率传感器（四）频率式传感器的基本测量电路项目实施项目实施五、数控机床光栅位移传感器的安装与调试五、数控机床光栅位移传感器的安装与调试1.实训目标通过本实训要求学生能正确选用光栅位移传感器；能进行光栅位移传感器的安装；能调试光栅位移传感器的应用电路、进行简单的故障处理。

熟悉光栅位移传感器应用电路的组成、实现方法，会分析简单的故障。

2.实训分析光栅式位移传感器具有测量精度高、测量范围大、信号抗干扰能力强等优点，在对传统机床进行数字化改造及现代数控机床中，得到广泛的应用，如图15-28所示。

图15-28BG1型线位移传感器3.光栅位移传感器安装方式

（1）安装基面安装光栅线位移传感器时，不能直接将传感器安装在粗糙不平的机床身上，更不能安装在打底涂漆的机床身上。

光栅主尺及读数头分别安装在机床相对运动的两个部件上。

千分表固定在床身上，移动工作台，要求达到平行度为0.1mm/1000mm以内。

如果不能达到这个要求，则需设计加工一件光栅尺基座。

（2）主尺安装将光栅主尺用M4螺钉上在机床安装的工作台安装面上，但不要上紧，把千分表固定在床身上，移动工作台（主尺与工作台同时移动）。

用千分表测量主尺平面与机床导轨运动方向的平行度，调整主尺M4螺钉位置，使主尺平行度满足0.1mm/1000mm以内时，把M2螺钉彻底上紧。

（3）读数头的安装在安装读数头时，首先应保证读数头的基面达到安装要求，然后再安装读数头，其安装方法与主尺相似。

最后调整读数头，使读数头与光栅主尺平行度保证在0.1mm之内，其读数头与主尺的间隙控制在11.5mm以内。

（4）限位装置光栅线位移传感器全部安装完以后，一定要在机床导轨上安装限位装置，以免机床加工产品移动时读数头冲撞到主尺两端，从而损坏光栅尺。

另外，用户在选购光栅线位移传感器时，应尽量选用超出机床加工尺寸100mm左右的光栅尺，以留有余量。

（5）检查光栅线位移传感器安装完毕后，可接通数显表，移动工作台，观察数显表计数是否正常。

在机床上选取一个参考位置，来回移动工作点至该选取的位置。

数显表读数应相同（或回零）。

另外也可使用千分表（或百分表），使千分表与数显表同时调至零（或记忆起始数据），往返多次后回到初始位置，观察数显表与千分表的数据是否一致。

通过以上工作，光栅传感器的安装就完成了。

但对于一般的机床加工环境来讲，铁屑、切削液及油污较多。

因此，光栅传感器应附带加装护罩，护罩的设计是按照光栅传感器的外形截面放大留一定的空间尺寸确定，护罩通常采用橡皮密封，使其具备一定的防水防油能力。

项目拓展项目拓展六、六、数字式传感器的应用数字式传感器的应用1.光姗位移传感器的应用（a）数控机床（b）光栅数显表图15-31安装直线光栅数控机床2.光电编码器测角位移3.感应同步器在数控机床闭环系统中的应用项目小结项目小结常用的数字式传感器有四大类：

栅式数字传感器、光电编码器式数字传感器、频率/数字输出式数字传感器和感应同步器式数字传感器，本项目主要介绍了他们的结构、特性及工作原理。

1.计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。

它利用光栅莫尔条纹现象，把光栅作为测量元件，具有结构原理简单、测量精度高等优点。

2.光电编码器分为绝对式和增量式两种类型。

增量式光电编码器具有结构简单、体积小、价格低、精度高、响应速度快、性能稳定等优点，应用更为广泛。

在高分辨率和大量程角速率位移测量系统中，增量式光电编码器更具优越性。

绝对式编码器能直接给出对应于每个转角的数字信息，便于计算机处理，但当进给数大于一转时，须作特别处理，而且必须用减速齿轮将两个以上的编码器连接起来，组成多级检测装置，使其结构复杂、成本高。

3.感应同步器是应用电磁感应定律把位移量转换成电量的传感器。

按其用途可分为两大类：

（1）测量直线位移的线位移感应同步器；

（2）测量角位移的圆盘感应同步器。

直线式感应同步器广泛应用于坐标镗床、坐标铣床及其它机床的定位、数控和数显。

旋转式感应同步器常用于精密机床或测量仪器的分度装置等，也用于雷达天线定位跟踪。

4.频率式传感器是将被测非电量转换为频率量，即转换为一列频率与被测量有关的脉冲，然后在给定的时间内，通过电子电路累计这些脉冲数，从而测得被测量；或者用测量与被测量有关的脉冲周期的方法来测得被测量。

频率式传感器体积小、重量轻、分辨率高，由于传输的信号是一列脉冲信号，所以具有数字化技术的许多优点，是传感器技术发展的方向之一。