数显表原理与应用PPT课件.ppt

v机床数控改造的方法？机床数控改造的方法？2024/8/23数显表原理与应用数显表原理与应用一、数显表概念二、数显表在机床改造中的应用三、NEWALL数显与球删尺介绍四、GS9000 数显表介绍四川工程职业技术学院四川工程职业技术学院2024/8/23一、数显表概念v数显表是一种用于显示的电子仪表，目前在各行各业均有数显表是一种用于显示的电子仪表，目前在各行各业均有应用，因为其显示数据精确而且一目了然，所以在很多场应用，因为其显示数据精确而且一目了然，所以在很多场合下已经代替了合下已经代替了指针式仪表从我们指针式仪表从我们家中的电子钟表到工家中的电子钟表到工厂用的显示数据牌，厂用的显示数据牌，无论是对时间的把握无论是对时间的把握还是对产量的控制都还是对产量的控制都提供了精准的数字显提供了精准的数字显示，用数字量替换了示，用数字量替换了模拟量v广义和狭义之分广义和狭义之分2024/8/232024/8/232024/8/232024/8/23二、数显表在机床改造中的应用二、数显表在机床改造中的应用v数显表的选用原则数显表的选用原则§机床类型与控制轴数机床类型与控制轴数§检测元件类型检测元件类型§控制精度控制精度§可靠性可靠性§价格价格v数显表安装方式：数显表安装方式：2024/8/232024/8/232024/8/23四川工程职业技术学院四川工程职业技术学院2024/8/23v如何安装球栅尺如何安装球栅尺 v球栅尺的安装是十分简单的，一般是将球栅尺两端用专用支球栅尺的安装是十分简单的，一般是将球栅尺两端用专用支架固定在机床上。

读数头固定在机床的走刀架上，与球栅尺架固定在机床上读数头固定在机床的走刀架上，与球栅尺做相对运动有时小机床把读数头固定、球栅尺做运动做相对运动有时小机床把读数头固定、球栅尺做运动v3米以上的球栅尺（含米以上的球栅尺（含3米），要在尺的中间加装弹性支架米），要在尺的中间加装弹性支架一般一般1.5米距离装一个弹性支架米距离装一个弹性支架v8米以下的（含米以下的（含8米）球栅尺不用接，米）球栅尺不用接，8米以上的尺需要接长米以上的尺需要接长如如10米的球栅尺要取两根米的球栅尺要取两根4.9米的钢管、各在一端内径车米的钢管、各在一端内径车扣再取0.2米的钢管一根米的钢管一根,两端都在外径上车扣然后它们两端都在外径上车扣然后它们都装上等量的钢球拧上即可都装上等量的钢球拧上即可v安装数显表时要注意尽可能远离机床的电动机以避免产生安装数显表时要注意尽可能远离机床的电动机以避免产生不必要干扰信号不必要干扰信号2024/8/23三、三、NEWALLNEWALL数显与球删尺介绍数显与球删尺介绍vNewall公司于公司于1968年成立于英国年成立于英国Peterborough，现，现已发展成为施奈德电器集团的一份子，隶属于施奈德已发展成为施奈德电器集团的一份子，隶属于施奈德CST事业部（传感器技术事业部）。

自成立以来，事业部（传感器技术事业部）自成立以来，Newall公公司一直致力于为机械及自动化领域提供定位准确的高可靠司一直致力于为机械及自动化领域提供定位准确的高可靠产品，旨在帮助客户不断提高生产力和制造效率产品，旨在帮助客户不断提高生产力和制造效率Newall作为球栅尺及数显表的生产商，其专业产品广受作为球栅尺及数显表的生产商，其专业产品广受客户推崇客户推崇Newall品牌的数显表，采用领先技术与制造品牌的数显表，采用领先技术与制造工艺，专为提高机床生产效率而设计主要与工艺，专为提高机床生产效率而设计主要与Newall Spherosyn和和Microsyn系列球栅尺配套使用，是非常系列球栅尺配套使用，是非常可靠的数显系统可靠的数显系统2024/8/23NEWALL数显表型号数显表型号vA50vB60vC80vE70vE90vSA100vTOPAZ-DvDP-9002024/8/232024/8/23vNewall球栅尺优势球栅尺优势◆◆ 防护等级防护等级IP67(6 灰尘难以进入，完全防尘灰尘难以进入，完全防尘7 浸在深度不超过浸在深度不超过1米的水下可防止水进入米的水下可防止水进入。

)◆◆ 防尘、防油、防铁屑，能在恶劣环境下工作防尘、防油、防铁屑，能在恶劣环境下工作◆◆ 无机械磨损无机械磨损◆◆ 无需日常清理与维护无需日常清理与维护◆◆ 抗冲击、耐震动抗冲击、耐震动◆◆ 可靠性高可靠性高2024/8/23vNewall球栅尺优势球栅尺优势v位置传感器可粗略地被分为两大类，直流型和交流型光电位置传感器可粗略地被分为两大类，直流型和交流型光电式和磁力式传感器就属于直流型，这两类传感器均包含线性式和磁力式传感器就属于直流型，这两类传感器均包含线性传感器和旋转编码器交流型传感器要么是电感型，要么是传感器和旋转编码器交流型传感器要么是电感型，要么是电容型旋转器属于电感型角度传感器，而电容型旋转器属于电感型角度传感器，而LVDT、感应同、感应同步器和步器和Newall球栅则属于电感型线性传感器球栅则属于电感型线性传感器v交流传感器的信号为含基波分量的交流调制信号，直流传感交流传感器的信号为含基波分量的交流调制信号，直流传感器的信号则为直流调制信号在存在偏置误差、信号漂移和器的信号则为直流调制信号在存在偏置误差、信号漂移和低频干扰的情况下，直流信号有其致命弱点低频干扰的情况下，直流信号有其致命弱点。

v偏置误差可通过专门的运算放大器消除，实际上就是将直流偏置误差可通过专门的运算放大器消除，实际上就是将直流信号先转化为交流信号，消除误差偏置后再转换回直流信号信号先转化为交流信号，消除误差偏置后再转换回直流信号而交流传感器内的耦合电路本身就能消除大部分偏置误差而交流传感器内的耦合电路本身就能消除大部分偏置误差2024/8/23v信号漂移也是让直流传感器头疼的一个问题，尤其是对于光信号漂移也是让直流传感器头疼的一个问题，尤其是对于光栅来说，栅来说，LED光源和太阳电池会不断老化，更容易引起输出光源和太阳电池会不断老化，更容易引起输出信号的漂移像信号的漂移像Newall球栅这样的传感器，采用电磁感应球栅这样的传感器，采用电磁感应的测量方式，是基于系统某些稳定的物理特性，如：线圈圈的测量方式，是基于系统某些稳定的物理特性，如：线圈圈数比、磁导率等，这些是不会随时间而改变特性的数比、磁导率等，这些是不会随时间而改变特性的v低频干扰，尤其是低频电源的干扰，会作用于直流信号，除低频干扰，尤其是低频电源的干扰，会作用于直流信号，除非延长系统响应时间，否则很难被排除交流传感器，是在非延长系统响应时间，否则很难被排除。

交流传感器，是在某一精确稳定的频率下工作，故可以采用高频和低频滤波器某一精确稳定的频率下工作，故可以采用高频和低频滤波器消除干扰，且不影响系统响应速度消除干扰，且不影响系统响应速度vNewall球栅曾因其原始球栅距大于光栅距而遭人置疑但球栅曾因其原始球栅距大于光栅距而遭人置疑但事实上，对于交流信号而言，通过电细分插补实现高分辨率，事实上，对于交流信号而言，通过电细分插补实现高分辨率，比直流信号更容易实现就像旋转编码器能够实现同光电编比直流信号更容易实现就像旋转编码器能够实现同光电编码器一样的精度和分辨率，码器一样的精度和分辨率，Newall球栅也可以达到与直线球栅也可以达到与直线光栅和磁栅一样的高性能光栅和磁栅一样的高性能2024/8/23v球栅尺与微栅尺性能比较球栅尺与微栅尺性能比较技术参数技术参数球栅尺球栅尺SPHEROSYN微栅尺微栅尺MICROSYN测量分辨率测量分辨率0.005mm/0.001mm0.001mm/0.0005mm测量准确度测量准确度±(0.01+0.005/m)mm±0.005mm最大运行速度最大运行速度2m/sec0.75m/sec有效行程有效行程50～～11684mm(>30m)50～～1050mm信号输出信号输出Sin/Cos或或RS422-TTLSin/Cos或或RS422-TTL读数头尺寸读数头尺寸54mm×131mm×28mm 35mm×75mm×25mm防护等级防护等级IP67(IEC529)IP67(IEC529)抗冲击抗冲击100g(IEC69-2-6)100g(IEC69-2-6)耐振动耐振动30g(IEC-2-27)30g(IEC-2-27)热膨胀系数热膨胀系数12×10-6/°K12×10-6/°K2024/8/23v球栅尺原理球栅尺原理v球栅采用电磁感应技术，含读数头和尺身两部分。

球栅采用电磁感应技术，含读数头和尺身两部分v尺身是一根不锈钢管，内装精密的镍镉合金球构成生产调试时，会对尺身是一根不锈钢管，内装精密的镍镉合金球构成生产调试时，会对合金球加载一定的预紧力，使其紧密排列读数头内封装有线圈组及电合金球加载一定的预紧力，使其紧密排列读数头内封装有线圈组及电路，测量时，读数头沿尺身滑动路，测量时，读数头沿尺身滑动2024/8/23v上图显示了读数头内线圈的排列情况采集线圈共有上图显示了读数头内线圈的排列情况采集线圈共有6组，在一个球栅距内，组，在一个球栅距内，相同绕向的相同绕向的ABCD四个线圈组成一组，鉴于合金球是紧密排列的，相邻的两四个线圈组成一组，鉴于合金球是紧密排列的，相邻的两个个A线圈间距是一定的，即为一个球距采集线圈之外是激磁线圈线圈间距是一定的，即为一个球距采集线圈之外是激磁线圈v在一个球栅距内，不同位置的合金球切割磁力线的截面积不同，因而磁导率在一个球栅距内，不同位置的合金球切割磁力线的截面积不同，因而磁导率会成周期性变化线圈采集到的感应电压，亦随之变化会成周期性变化线圈采集到的感应电压，亦随之变化2024/8/23v如图，一个球栅距内，不同位置如图，一个球栅距内，不同位置的线圈，采集到的的线圈，采集到的ABCD四向感四向感应信号幅值的变化。

同组的四个应信号幅值的变化同组的四个线圈，位置需满足一定要求，例线圈，位置需满足一定要求，例如，当一个感应信号（如如，当一个感应信号（如A）在）在波峰位置时，对应的另一个感应波峰位置时，对应的另一个感应信号（如信号（如C）应在波谷位置这）应在波谷位置这对信号经过差分混合产生如图对信号经过差分混合产生如图2b所示的信号（如所示的信号（如A-C），这），这一中间信号与原始感应信号有一一中间信号与原始感应信号有一定相位差如定相位差如A-C信号相位超强信号相位超强45度，而度，而D-B信号的相位则滞信号的相位则滞后后45度中间信号再进行滤波度中间信号再进行滤波整合，才得到最终输出信号读整合，才得到最终输出信号读数头沿着尺身滑动时，输出信号数头沿着尺身滑动时，输出信号的相位将随其在的相位将随其在0度至度至360度之度之间变化2024/8/23v输出信号基波频率为输出信号基波频率为10KHz，峰峰值约为，峰峰值约为5伏，直流输出电位约为伏，直流输出电位约为5伏在一个球栅距（如每伏在一个球栅距（如每12.7毫米）内，测量出的位置值都是绝毫米）内，测量出的位置值都是绝对值如图就说明了：对值如图就说明了：90度相位差对应的是度相位差对应的是3.175mm的位移。

的位移2024/8/23v光栅尺原理与应用光栅尺原理与应用v光栅分为物理光栅和计量光栅两大类检测直线光栅分为物理光栅和计量光栅两大类检测直线位移的称为直线光栅，检测角度位移的称为圆光位移的称为直线光栅，检测角度位移的称为圆光栅；根据光电元件感光方式不同，可将光栅分为栅；根据光电元件感光方式不同，可将光栅分为玻璃透射式光栅和金属反射式光栅玻璃透射式光栅和金属反射式光栅直线玻璃透射式光栅和金属反射式光栅检测装置分直线玻璃透射式光栅和金属反射式光栅检测装置分别如图所示别如图所示 透射式光栅检测装置透射式光栅检测装置反射式光栅检测装置反射式光栅检测装置v玻璃透射式光栅是在透明的光学玻璃表面制成感光涂层或玻璃透射式光栅是在透明的光学玻璃表面制成感光涂层或金属镀膜，经过涂敷，蚀刻等工艺制成间隔相等的透明与金属镀膜，经过涂敷，蚀刻等工艺制成间隔相等的透明与不透明线纹，线纹的间距和宽度相等并与运动方向垂直，不透明线纹，线纹的间距和宽度相等并与运动方向垂直，线纹之间的间距称为栅距常用的线纹密度为线纹之间的间距称为栅距常用的线纹密度为25条条/㎜㎜、、50条条/㎜㎜、、100条条/㎜㎜、、250条条/㎜㎜。

条数越多，光栅的条数越多，光栅的分辨率越高分辨率越高v圆光栅是在玻璃圆盘的圆环端面上，制成透光与不透光相圆光栅是在玻璃圆盘的圆环端面上，制成透光与不透光相间的条纹，条纹呈辐射状，相互间的夹角相等间的条纹，条纹呈辐射状，相互间的夹角相等v直线透射式光栅直线透射式光栅v1. 组成组成v由标尺光栅和光栅读数头两部分组成，光栅读数头包括光由标尺光栅和光栅读数头两部分组成，光栅读数头包括光源、透镜、光电元件、指示光栅等如图源、透镜、光电元件、指示光栅等如图9-14所示v标尺光栅和指示光栅也可称为长光栅和短光栅，它们的线标尺光栅和指示光栅也可称为长光栅和短光栅，它们的线纹密度相等长光栅可安装在机床的固定部件上（如机床纹密度相等长光栅可安装在机床的固定部件上（如机床床身），其长度应等于工作台的全行程；短光栅长度较短，床身），其长度应等于工作台的全行程；短光栅长度较短，随光栅读数头安装在机床的移动部件上随光栅读数头安装在机床的移动部件上光栅位置检测装置的组成光栅位置检测装置的组成1—光源光源 2—透镜透镜 3—标尺光栅标尺光栅4—指示光栅指示光栅 5—光电元件光电元件v2. 工作原理工作原理v在测量时，长短两光栅尺面相互平行地重叠在一起，并保在测量时，长短两光栅尺面相互平行地重叠在一起，并保持持0.01至至0.1mm的间隙，指示光栅相对标尺光栅在自的间隙，指示光栅相对标尺光栅在自身平面内旋转一个微小的角度身平面内旋转一个微小的角度θ。

当光线平行照射光栅时，当光线平行照射光栅时，由于光的透射和衍射效应，在与两光栅线纹夹角由于光的透射和衍射效应，在与两光栅线纹夹角θ的平分的平分线相垂直的方向上，会出现明暗交替、间隔相等的粗条纹线相垂直的方向上，会出现明暗交替、间隔相等的粗条纹——莫尔条纹，如图所示莫尔条纹，如图所示莫尔条纹形成原理莫尔条纹形成原理v两条暗带或明带之间的距离称为莫尔条纹的间距两条暗带或明带之间的距离称为莫尔条纹的间距B，若光，若光栅的栅距为栅的栅距为W，则，则 因为因为θ很小，则很小，则由此可见，莫尔条纹的间距与光栅的栅距成正比由此可见，莫尔条纹的间距与光栅的栅距成正比 莫尔条纹具有如下特点：莫尔条纹具有如下特点： v由上式可知，莫尔条纹的间距由上式可知，莫尔条纹的间距B是光栅栅距是光栅栅距W的的1/θ，由，由于于θ很小（小于很小（小于10′），故），故B＞＞＞＞W，即莫尔条纹具有放，即莫尔条纹具有放大作用例如，当栅距为大作用例如，当栅距为W=0.01㎜㎜，，θ=0.001rad时，莫尔条纹的间距时，莫尔条纹的间距B=10㎜㎜因此，不需要经过复杂因此，不需要经过复杂的光学系统，就能把光栅的栅距转换成放大了的光学系统，就能把光栅的栅距转换成放大了1000倍的倍的莫尔条纹的宽度，从而大大简化了电子放大线路，这是光莫尔条纹的宽度，从而大大简化了电子放大线路，这是光栅技术独有的特点。

栅技术独有的特点v（（2）起均化误差作用）起均化误差作用 v莫尔条纹由若干线纹组成，若光电元件接受长度为莫尔条纹由若干线纹组成，若光电元件接受长度为10㎜㎜，，当当W=0.01㎜㎜时，时， 10㎜㎜宽的莫尔条纹就由宽的莫尔条纹就由1000条线条线纹组成，因此，制造上的间距误差（或缺陷），只会影响纹组成，因此，制造上的间距误差（或缺陷），只会影响千分之几的光电效果所以，莫尔条纹测量长度时，决定千分之几的光电效果所以，莫尔条纹测量长度时，决定其精度的不是一条线纹，而是一组线纹的平均效应其精度的不是一条线纹，而是一组线纹的平均效应v（（3）莫尔条纹的变化规律）莫尔条纹的变化规律v长短两光栅相对移动一个栅距长短两光栅相对移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个条，莫尔条纹移动一个条纹间距纹间距B，即光栅某一固定点的光强按明，即光栅某一固定点的光强按明→→暗暗→→明规律交明规律交替变化一次光电元件只要读出移动的莫尔条纹条纹数，替变化一次光电元件只要读出移动的莫尔条纹条纹数，就知道光栅移动了多少栅距，从而也就知道了运动部件的就知道光栅移动了多少栅距，从而也就知道了运动部件的准确位移量准确位移量3. 光栅的辨向与信号处理光栅的辨向与信号处理v在移动过程中，经过光栅的光线，其光强呈正（余）弦函在移动过程中，经过光栅的光线，其光强呈正（余）弦函数变化，反映莫尔条纹的移动的光信号由光电元件接收转数变化，反映莫尔条纹的移动的光信号由光电元件接收转换成近似正（余）弦函数的电压信号，然后经信号处理装换成近似正（余）弦函数的电压信号，然后经信号处理装置整形、放大及微分处理后，即可输出与检测位移成比例置整形、放大及微分处理后，即可输出与检测位移成比例的脉冲信号。

为了既能计数，又能判别工作台移动的方向，的脉冲信号为了既能计数，又能判别工作台移动的方向，如图所示的光栅用了如图所示的光栅用了4个光电元件每个光电元件相距四个光电元件每个光电元件相距四分之一栅距（分之一栅距（W/4）当指示光栅相对标尺光栅移动时，）当指示光栅相对标尺光栅移动时，莫尔条纹通过各个光电元件的时间不一样，光电元件的电莫尔条纹通过各个光电元件的时间不一样，光电元件的电信号虽然波形一样，但相位相差信号虽然波形一样，但相位相差1/4周期根据各光电周期根据各光电元件输出信号的相位关系，就可确定指示光栅移动的方向元件输出信号的相位关系，就可确定指示光栅移动的方向v光栅的光栅的特点特点v1. 有很高的检测精度现在光栅的精度可达微米级，再有很高的检测精度现在光栅的精度可达微米级，再经细分电路可以达到经细分电路可以达到0.1微米v2. 响应速度较快，可实现动态测量，易于实现检测及数响应速度较快，可实现动态测量，易于实现检测及数据处理的自动化控制据处理的自动化控制v3. 对使用环境要求高，怕油污、灰尘及振动对使用环境要求高，怕油污、灰尘及振动v4. 由于标尺光栅一般较长，故安装、维护困难，成本高。

由于标尺光栅一般较长，故安装、维护困难，成本高球栅尺与光栅尺各自优势与特点球栅尺与光栅尺各自优势与特点（（1）光栅尺与球栅尺有什么区别？）光栅尺与球栅尺有什么区别？v光栅尺是上世纪光栅尺是上世纪70年代的日本产品，它是利用光栅的莫尔条纹和光电年代的日本产品，它是利用光栅的莫尔条纹和光电转换技术，在转换技术，在3mm的附法玻璃上镀铬刻的附法玻璃上镀铬刻1μ为一道的透明长度尺，然为一道的透明长度尺，然后把它粘在铝尺上靠光折射或透射反馈到感应器中进行计量而铝和后把它粘在铝尺上靠光折射或透射反馈到感应器中进行计量而铝和玻璃的膨胀系数不一样，冷热温差大时极易折断光栅尺的传感器与尺玻璃的膨胀系数不一样，冷热温差大时极易折断光栅尺的传感器与尺的连接是敞开式的，极易进水、油、灰尘等一旦进去这些油、水、灰的连接是敞开式的，极易进水、油、灰尘等一旦进去这些油、水、灰尘等光栅尺就基本报废了整体尺只能为尘等光栅尺就基本报废了整体尺只能为3米，接长较难、精度难保证米，接长较难、精度难保证所以光栅尺对环境要求相对较高，安装较复杂、使用寿命短，而且必须所以光栅尺对环境要求相对较高，安装较复杂、使用寿命短，而且必须要由专业人员安装才行。

要由专业人员安装才行v球栅尺是国际九十年代产品，原产地为英国它是利用导磁介质量的变球栅尺是国际九十年代产品，原产地为英国它是利用导磁介质量的变化实现电磁化实现电磁/磁电转换球栅尺的尺身是由高等级的进口无缝钢管和若磁电转换球栅尺的尺身是由高等级的进口无缝钢管和若干个精密钢球密闭组合而成它由感应器产生的电磁切割钢管中的精密干个精密钢球密闭组合而成它由感应器产生的电磁切割钢管中的精密球，把它分割成球，把它分割成2450份而每份为份而每份为5μ由于球栅尺是密闭结构，所以由于球栅尺是密闭结构，所以它最大优点是不怕油、水、灰尘，整体尺可做到它最大优点是不怕油、水、灰尘，整体尺可做到8米、拼接可做米、拼接可做30米而且使用寿命长、安装简单、环境要求低而且使用寿命长、安装简单、环境要求低2024/8/23v（（2）光栅尺的分辨率同球栅尺的分辨率为什么不同？）光栅尺的分辨率同球栅尺的分辨率为什么不同？v一般光栅分辩率是一般光栅分辩率是1μ，球栅的分辩率是，球栅的分辩率是5μ但分辩率不等同于精确但分辩率不等同于精确度，光栅只是度，光栅只是1μ一显示、而球栅有一显示、而球栅有1μ一显示的、也有一显示的、也有5μ一显示的，一显示的，它们都采用以它们都采用以mm单位的十进制。

由于光栅是累计误差，而球栅是单位的十进制由于光栅是累计误差，而球栅是周期性误差所以短的光栅尺精度较高，长的球栅尺精度要高于光栅周期性误差所以短的光栅尺精度较高，长的球栅尺精度要高于光栅尺的精度尺的精度v（（3）安装光栅尺或球栅尺效益比较）安装光栅尺或球栅尺效益比较v光栅尺在光栅尺在3米以下的价格一般是球栅尺价格的米以下的价格一般是球栅尺价格的50%，，3米以上的至米以上的至8米的光栅同球栅价格基本一样米的光栅同球栅价格基本一样8米至米至10米的光栅尺价格要高出球米的光栅尺价格要高出球栅尺价格栅尺价格20%，，10米至米至12米的光栅尺价格要高出球栅尺价格米的光栅尺价格要高出球栅尺价格50%从短尺价格比较光栅尺要便宜，但光栅的使用寿命一般是从短尺价格比较光栅尺要便宜，但光栅的使用寿命一般是3年，而球栅的使用寿命在年，而球栅的使用寿命在10年以上从长尺比较球栅的优势就更多年以上从长尺比较球栅的优势就更多了所以总体说安装球栅尺的效益要好于光栅尺所以总体说安装球栅尺的效益要好于光栅尺2024/8/23。