开放式数控系统的检测元件介绍

1 开放式控制器与多种检测元件的匹配
检测元件是CNC系统中伺服控制单元的重要组成部分。它能检测执行机构或伺服电动机转子的位移和速度，并将检测到的信号反馈回伺服控制单元，构成闭环反馈。检测元件的好坏，直接关系到系统的控制精度。处理运动机构经检测元件反馈的各种不同信号是开放式控制器开放性的一个重要体现。PMAC可以接收各种检测元件的反馈，包括直接接收增量编码器反馈，选用相应附件可接收测速发电机、旋转变压器、激光干涉仪、绝对编码器、磁致伸缩传感器、感应同步器、磁栅、光栅尺(直光栅和圆光栅)和激光尺等元件的反馈。反馈类型包括正交码盘反馈、并行位置反馈、直线位移传感器反馈、模拟位置反馈、旋转变压器反馈及双反馈等。可见，PMAC的开放性是非常广泛的。
2 各种检测元件的特点与应用
常用于测量旋转运动的反馈元件有旋转编码器(主要是光电编码器)、圆光栅、旋转变压器及旋转式感应同步器等。用于测量直线运动的反馈元件有直光栅、激光尺、直线式感应同步器和激光干涉仪等。其中有些还可用于加速度、速度的反馈。这里把目前常用的检测元件用下表作一简单归纳，以便于实际应用中选用。
3 主要检测元件产品
下面介绍一下最常用的光电编码器和光栅尺产品，并简要介绍一种新型检测元件—激光尺。
a.光电编码器
光电编码器可以非常方便地测量电动机轴的角位移，还可以测量轴的转速。目前常将光电编码器直接通过十字连轴节与伺服电动机组装在一起用以构成闭环或半闭环伺服系统。如SANYO带码盘的直流和交流伺服系统，PANSONIC可选增量或绝对码盘的MINUS系列交流伺服系统。
光电编码器产品如日本NEMICON的各种类型码盘，广泛用于多关节机器人的控制、ATC工作母机的分度、半导体垫片移动机器人的控制及CT扫描仪的床身定位等方面。种类繁多，有手动编码器、绝对编码器、附增量型的多型绝对编码器，增量型编码器，中空型编码器以及手动脉冲发生器等，微小型编码器直径仅为12mm。分辨率 6位、8位、10位等，最高达25000脉冲/r，可覆盖绝大多数控制应用场合。
b.光栅尺
计量光栅作为测量元件已有多年的历史，特别在数控机床上作为闭环控制的反馈元件。英国RENISHAW公司首开开放式非接触钢带光栅系统的先河，一改光栅对安装和使用环境要求极高的状态，使光栅走出实验室，进入广泛的应用领域。
RENISHAW RG2直线光栅由RGS钢带光栅和读数头组成，RGS钢带厚0.2mm，宽6mm，长度从一米到数十米均可供应，栅距20μm或40μm，光栅精度±3μm/m，线性度±3μm/m或±1μm/60mm。双面镀金，保护标尺不被污物损伤，上下两面均匀变形。读数头分RGH22、RGH24及 RGH25三种外形尺寸，内置细分电路，有0.05μm、0.1μm、0.5μm、1μm和5μm分辨率可选。模拟头有标准电压输出和电流输出可选。体积小，重量轻，调整方便。内置多色发光指示灯来指示读数头的安装，不需示波器等工具。其特殊处理保证标尺部分划伤时精度不受影响。
RENISHAW还有RGH34裸头光栅系统，RGH42 X-Y网状光栅，RGR圆光栅，激光尺和激光干涉仪等产品。
c.激光尺
RENISHAW 最新开发的激光尺RLE由RLU激光发生器、RID测头组成，是专门为工厂单轴或双轴开发的高精度、高直线性位置反馈元件。同样利用激光干涉的原理，但是比激光干涉仪更适合于工业应用而不是标定。可测量轴长度最大100m，最大进给率5m/s，精度± 10nm，重复精度5～10nm。经过细分补偿后可得到0.077nm 的分辨率。适用于半导体、量规及机床等精度要求高的场合。

常用检测元件归纳表

	增量式编码器	绝对式编码器	光栅	旋转变压器	旋转式感应同步器
原理	利用光电原理把机械角位移变成电信号		利用光的衍射原理产生的明暗交替的莫尔条纹	利用电磁感应原理的模拟式测角器件，本质上是互感系数可变的变压器	利用电磁感应原理，两个平面形印制绕组的互感随位置不同而变化，工作原理与多极旋转变压器相似
分类	原理和结构 M9h<}mh\ (1)接触式 m\/>C\|f\ (2)光电式 {WIY8B'c (3)电磁式 $R8>u#K! 反馈形式 l&vm[3 (1)增量式编码器 Q +R3H, (2)绝对式编码器 lGl[^ 0 (3)混合式编码器		材料 7N!tp,? (1)玻璃光栅 G]1(X38[si (2)金属光栅 Ri9Kr 原理 7&=-a\|k~ (1)透射式 /*AJ+K._ (2)反射式	(1)正余弦旋转变压器 <g] ou YHZ (2)线性旋转变压器 4t,zHR6W (3)比例式旋转变压器	(1)直线式 %3ou^mcj (2)旋转式
基本组成	发光二极管，光电圆盘，遮光板，光敏元件，		(1)圆光栅 c6f\|y_2 金属圆环，标尺光栅，读数头 {qJHL;mP:8 (2)直线光栅 j!6elzg 标尺光栅，读数头	分有刷和无刷两种，定子铁心与线圈，转子铁心与线圈，转子输出变压器	定尺和滑尺，绕组
特点	每产生一个输出脉冲信号就对应一个增量角位移	通过读取编码盘上的图案来表示绝对角位移	通过光敏元件测量莫尔条纹移动的数量来测量角位移	输出为模拟量	感应输出电动势为幅值不变，相位随定尺和滑尺相对变化的交流电压。
优点	(1)没有触点磨损 pCz@(:0 (2)允许转速高、精度高		分辨率高 &b5T&-C< 易于实现数字化测量和 /A%om\|+Gq 自动控制	结构简单、坚固、耐热、耐冲击、抗干扰、信号输出幅度大、成本低	(1)高精度高分辨率的线位移和转角测量 nXv 7OEpTx (2)抗干扰能力强，受外界干扰电场和空间磁场变化的影响很小，基本不受电源波动的影响 +Gk! t]dy (3)结构简单、工作可靠、使用寿命长 y{@P1{ (4)可以长距离位移测量 A Z]P+v (5)工艺性好、成本较底、便于复制和成批生产
优点	(3)最常用，易安装 w906aV*s (4)价格较绝对式便宜	(3)可以直接读取角度坐标的绝对值，不必“寻零” aJEbAs} (4)位置信息不容易丢失 %~][?Y >< (5)没有累积误差 JZWgr&O< (6)允许的最高旋转速度比增量式高	分辨率高 &b5T&-C< 易于实现数字化测量和 /A%om\|+Gq 自动控制	结构简单、坚固、耐热、耐冲击、抗干扰、信号输出幅度大、成本低
缺点	(1)结构复杂 zJz82jMm (2)价格贵		对使用环境要求较高，使用时要求密封，须防油污、灰尘、铁屑等污染	(1)精度低，适合中低精度角位移的测量 3Ne9%" (2)输出为模拟量，不能实现直接数字控制	(1)输出信号弱 HyZVr2 (2)信号处理麻烦 aQ32p4C (3)配套的用于信号处理的电子设备(数显表)比较复杂，价格高
缺点	(3)掉电后会丢失位置信息 z0\;m{TH (4)允许的最高旋转速度不如绝对式高	(3)单转式所能测量的轴角范围0～360°，不适于用多转数运动控制中，多转式已有开发，但成本较高 4 *Bp (4)采样处理时存在时间延迟，不适应高速控制的需要	对使用环境要求较高，使用时要求密封，须防油污、灰尘、铁屑等污染	(1)精度低，适合中低精度角位移的测量 3Ne9%" (2)输出为模拟量，不能实现直接数字控制
精度范围	以分辨率表示，与码盘转一周所产生的脉冲数和倍频数有关。一般为500～5000个脉冲/r。高精度达2¹⁷脉冲数。倍频数一般为1，2，4，8倍频。	以分辨率表示，与码盘的码道数目有关。高精度绝对码盘一般为19位，更高精度达21位	10nm～10μm	测量精度3～5’	(1)直线式 `Ev A\f 精度±1μm，分辨率0.05μm，重复精度0.2μm I{`KKui<M (2)旋转式(直径300mm) )j{WeG7L 精度±1"，分辨率0.05"，重复精度0.1 "
应用场合	非常广泛。角度、速度、加速度、线位移量、角度量测量的各种场合	非常广泛。角度测量的各种场合	应用广泛。计量和检测、装配和测试、直线电动机、印刷和影象、科学仪器、半导体制造中	在高精度的随动系统中做测量元件，在模拟解算装置中做解算元件	很广。 Y1$#KC 旋转式应用如:陀螺平台、伺服转台、火炮控制、雷达天线定位、精密机床等设备中。 t-.2+6"\ 直线式应用如:坐标镗床、坐标铣床以及其它精密机床的定位、显示、和数控机床的闭环控制系统中
主要特征参数	电源，输出信号，输出形式，脉冲数，最高响应频率，启动力矩，轴上额定负载，最高转速，轴径/轴形状，使用环境	电源，输出形式，输出码，分辨率(码道数目)，最高响应频率，启动力矩，轴上额定负载，最高转速，轴径/轴形状，使用环境	分辨率，输出波形，量程或直径，测量周期，环境要求，直流电源，防护等级，最小时钟频率，最大移动速度，尺寸	普通: (eCF>Wh^m 激磁方式，激磁方额定电压，额定频率，开路输入阻抗，变压比(输出/激磁)，多极和双通道型及极对数，最大空载输出电压	结构类型，检测周期，精度，重复精度，滑尺阻抗，滑尺输入电压，定尺阻抗，定尺输入电压，电压传递系数

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