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第5章 数控机床的位置传感器件 传感器件是将一种物理量转换为另一种物理量的装置。在数控机床中，出于以下一些目的而使用各种不同工作原理的传感器件，包括： 检测工作台位置 测量主轴转速 测量刀尖温度 检测轴的传输功率(力矩测量) 测量油或切削液的流量 测量液压系统的压力 5.1 数控机床位置传感器件的类型 数控机床的位置传感器件用于将位移量转换成电信号输出。这些输出信号一般比较弱，要由信号处理单元对其进行进一步变换和放大，成为较强的、并且利于输入数控机床控制单元(数控系统)的信号。输入数控机床控制单元的信号一般是电流或电脉冲信号，在闭环系统中，这些信号作为反馈信号与参考输入信号相减，就得到闭环控制的偏差信号。 1. 直线位移传感器 2. 角位移传感器 3. 模拟或数字位移传感器 4. 绝对、半绝对或增量位移传感器 5.2 光栅位移检测装置 早在19世纪，光栅的衍射效应就被人们用来进行光谱分析和光波波长的测定等工作，但是将光栅实际用作长度计量和数控机床的位置传感器件还是近四、五十年的事。到20世纪70年代以后，由于微电子技术的飞速发展和日臻成熟，应用在工业计量领域的光栅不断完善，并在数控机床上获得了广泛的应用。 5.2.1 光栅位移检测装置的组成 光栅位移传感器基于莫尔条纹和光电效应将位移信号转变为电信号，通过适当的结构设计，可以制成直线光栅和圆光栅，分别用于测量直线位移和角位移。作为一个独立的、完整的测量装置，按其功能光栅位移检测装置包括以下三大部分。 (1) 光栅传感器 (2) 光栅倍频器 (3) 光栅数显表 5.2.2 光栅传感器的结构和工作原理 1. 光栅传感器的结构 光栅传感器由主光栅和光栅读数头构成，其中光栅读数由光源、指示光栅及光学系统、光电元件等组成。图5.3和图5.4给出了两种光栅传感器的内部结构，主要元件如下。 2. 莫尔条纹的形成及其特点 (1)莫尔条纹的形成 (2)莫尔条纹的特点 ① 莫尔条纹的移动量、移动方向与光栅尺的位移量、位移方向具有对应关系。 ② 莫尔条纹的间距对光栅栅距有放大作用。 (3) 莫尔条纹测量位移的原理 5.2.3 光栅传感器的信号处理技术 光栅传感器实现了位移量由非电量到电量的转换，但为了辨别位移的方向，提高测量精度，以及实现数字显示等要求，必须把传感器的输出信号送入数显表做进一步处理。 1. 辨向原理 由于位移量是有方向性的，因此希望当物体正向移动时，将得到的脉冲数累加；反向移动时就从已累加的脉冲数中减去反向移动所得到的脉冲数。为了实现这一设想，在相距1/4B的位置上设置两个光栅元件1和2。 2. 细分技术 所谓细分技术，就是在莫尔条纹变化一周期时，不只是输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，以提高分辨率。 5.3 脉冲发生器 5.3.1 概述 脉冲发生器又称角度数字编码器或码盘，具有精度高、结构紧凑、工作可靠等优点，是精密数字控制和伺服系统中常用的角位移数字式检测元器件。 脉冲发生器有两种类型：增量式和绝对式。增量式脉冲发生器需要一个计数系统和一个辨向系统：旋转的码盘通过敏感元件给出一系列脉冲；在计数中对每个基数进行加或减，从而记录了旋转的方向和角位移。绝对式脉冲发生器不需要基数，它在任意位置都能给出一个对应于固定点的数字码输出。脉冲发生器的敏感元件可以是非接触式的(如光电式和电磁式)，也可以是接触式的。 5.3.2 增量式脉冲发生器 增量式脉冲发生器的结构最为简单，应用也很广泛。直接使用增量式角度脉冲发生器进行测量，其转换精度并不高；通常可采用电子细分来提高它的分辨率。 增量式脉冲发生器的结构简图如图5.9所示。 在一个码盘的边缘上开有相等角度的缝隙(或小孔)，在码盘两边分别安装光源及光敏元件，当码盘随工作轴一起转动时，每转过一个缝隙就产生一次光线的明暗变化，经整形放大，便可得到一定幅值和功率的电脉冲输出信号，其脉冲数就等于转过的缝隙(或小孔)数。如果将上述脉冲信号送到计数器中计数，从测得的脉冲数就能知道码盘转过的角度。 5.3.3 绝对脉冲发生器 1. 接触式码盘 接触式码盘的特点是敏感元件电刷与码盘上导电区直接接触，以检出码盘的位置。接触式脉冲发生器的码盘基体是绝缘体，码道是一组同心圆，码道的数目根据分辨率来决定。同心圆的径向距离就是码道宽。 2. 光电式和电磁式脉冲发生器 光电式脉冲发生器是目前用得较多的一种非接触绝对脉冲发生器，码盘由透明区和不透明区按一定编码规律构成。 3. 绝对式脉冲发生器的选用 绝对式脉冲发生器的分辨率取决于码道的多少，目前已能生产出有21条码道的脉冲发生器，其绝对位置分辨率优于1.3，对于光电脉冲发生器还可使用电子细分技术，获得23条码道，分辨率达0.15。 5.4 感应同步器 感应同步器可测量直线位