第3章数控位置检测装置3.1概述3.1.2位置检测装置的分类3.1.2位置检测装置的分类3.1.3位置检测装置的性能指标3.2旋转变压器3.2旋转变压器3.2.1旋转变压器的工作原理旋转变压器是一种输出电压随转子转角变化的信号元件。当给励磁绕组加上一定频率的交流励磁电压时，通过定子与转子之间的电磁耦合，转子绕组就会产生感应电动势，感动电动势的幅值大小与转子位置有关。如图3.2所示，当转子绕组的磁轴与定子绕组的磁轴垂直时，电磁耦合度为零，感应电动势也为零；二者的磁轴平行时，电磁耦合度最大，感应电动势幅值也最大。由于旋转变压器的定子和转子之间的磁通分布符合正弦规律，因此在转子转动过程中，感应电动势随转子偏转角度呈正弦规律变化，当转子转动角度为θ时，空载时转子绕组输出电压为3.2.2旋转变压器的应用在实际应用中，通常采用的是正弦、余弦旋转变压器,它有两个互相垂直的转子绕组。给定子绕组加正弦交流励磁电压，一个转子绕组输出与转子转角成正弦函数关系的电压，另一个转子绕组输出与转子转角成余弦函数关系的电压，即将励磁信号和转子绕组输出信号送至解码电路输入端，即可得到转子转角代码。日本多摩川公司推出的解码电路集成芯片原理如图3.3所示，如果图中usr=0，那么θ=θrd，即可解码出转子转角。由于正弦余弦型旋转变压器采用无刷设计，所以维护方便，使用寿命长，稳定可靠，对机械和电气噪声不敏感，因此被广泛应用在航空、航天、雷达以及数控机床的伺服系统中。3.3光栅尺光栅是一种通过在透明玻璃或金属的反光平面上刻平行、等距的密集刻线而制成的光学元件。数控机床上用的光栅尺是利用两个光栅相互重叠时形成的莫尔条纹现象制成的光电式位移测量装置。按制造工艺不同，光栅尺可分为透射光栅和反射光栅。透射光栅是在透明的玻璃表面刻上间隔相等的不透明的线纹制成的，线纹密度可达到每毫米100条以上；反射光栅一般是在金属的反光平面上刻上平行、等距的密集刻线，利用反射光进行测量，其刻线密度一般在每毫米4～50条范围内。按结构用途不同又可分为直线光栅和圆光栅。直线光栅用于测量直线位移，原光栅用来测量角位移。3.3.1光栅的组成接构和检测原理1、组成结构直线透射光栅尺的结构如图3.4所示，由光源、长光栅（标尺光栅）、短光栅（指示光栅）、光电元件等组成。一般移动的光栅为长光栅，短光栅装在机床的固定部件上。长光栅随工作台一起移动，其有效长度即为测量范围。两块光栅的刻线密度（即栅距）相等，相互平行并保持一定的间隙（0.05～0.1mm），并且使刻线相互倾斜一个微小的角度θ。图3.4直线透射光栅尺结构原理2、莫尔条纹的形成原理当用光源的平行光照射光栅时，由于刻线的挡光作用和光的衍射作用，在与刻线垂直的方向上就会产生明暗交替、间隔相等的干涉条纹，称为莫尔条纹，如图3.5所示。图3.5莫尔条纹形成原理当标尺光栅沿与刻线垂直的方向移动时，莫尔条纹也跟着移动，且移动的方向与标尺光栅移动的方向垂直；光栅移动一个刻线，莫尔条纹也正好移动一个条纹。通过测定莫尔条纹移动的数目，就可以测量出标尺光栅的相对位移距离。3、莫尔条纹的特点莫尔条纹具有如下特点。（1）放大作用。莫尔条纹的宽度B将随条纹的夹角θ的变化而变化，其关系为上式表明，可以通过改变θ的大小来调整莫尔条纹的宽度，θ越小，B越大，这相当于把栅距放大了1／θ倍。例如，对于刻线密度为100/mm的光栅，其ω=0.01mm，如果通过调整，使θ=0.001rad(0.057°)，则，其放大倍数为1000倍。而且无需复杂的光学系统，这是莫尔条纹独有的一个重要特性。②平均效应莫尔条纹是指示光栅覆盖了许多条纹后而形成的，例如，250线／毫米的光栅，10mm长的一条莫尔条纹是由2500条刻线组成的。因此对光栅条纹间距的误差有平均作用，因而能消除周期误差的影响。③信号变换标尺光栅每移动一个栅距，莫尔条纹相应地移动一个宽度，同时光线强度按近似正弦规律变化一个周期，从而把机械位移信号变换成了光学信号。④莫尔条纹的移动与刻线的移动成正比例当光栅尺移动一个栅距时，莫尔条纹也恰好移动一个节距。若光栅尺朝向反的方向移动，莫尔条纹也往相反的方向移动。从而根据莫尔条纹移动的数目，可以计算出光栅尺移动的距离，并根据莫尔条纹移动的方向来判断移动部件的运动方向。3.3.2测量电路工作原理在光栅尺的一侧安装上光源，另一侧安装上光敏元件。当标尺光栅随运动部件移动时，照射到光敏元件上的光线也随着莫尔条纹移动而产生明暗相间的变化，经过光敏元件的“光-电”变换，得到与刻线移动相对应的正弦波信号，经过放大、整形等处理后，变成测量脉冲输出，波形如图3.6所示。脉冲数等于移过的刻线数，将该脉冲信号送到计数器中计数，则计数值就反映了光栅尺移动的距离。图3.6输出信号波