位置检测元件是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成的，是数控机床闭环伺服系统的重要组成部分。它的作用是检测工作台的位置和速度的实际值，并向数控装置或伺服装置发送反馈信号，从而构成闭环控制。检测元件一般利用光或磁的原理完成对位置或速度的检测。

位置检测元件按照检测方式分为直接测量元件和间接测量元件。对机床进行直线移动测量时一般采用直线型检测元件，称为直接测量，所构成的位置闭环控制称为全闭环控制。其测量精度主要取决于测量元件的精度，不受机床传动精度的影响。由于机床工作台的直线位移与驱动电动机的旋转角度有精确的比例关系，因此可以采用驱动检测电动机或丝杠旋转角度的方法间接测量工作台的移动距离，这种方法称为间接测量，所构成的位置闭环控制称为半闭环控制。其测量精度取决于检测元件和机床进给传动链的精度。闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测装置的精度决定的，数控机床对位置检测元件有十分严格的要求，其分辨率通常在0.001～0.01mm之间或者更小。

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1、进给伺服系统对位置测量装置的要求

进给伺服系统对位置测量装置有很高的要求：

1）受温度、湿度的影响小，工作可靠，精度保持性好，抗干扰能力强。

2）能满足精度、速度和测量范围的要求。

3）使用维护方便，适应机床工作环境。

4）成本低。

5）易于实现高速的动态测量和处理，易于实现自动化。

位置检测装置按照不同的分类方法可分成不同的种类。按输出信号的形式分类可分为数字式和模拟式；按测量基点的类型可分类为增量式和绝对式；按位置测量元件的运动形式分类可分为回转型和直线型。

2、检测装置故障的诊断与排除

检测元件出现故障的概率与数控装置相比还是比较高的，常常会岀现线缆损坏、元件污损，碰撞变形的现象。如果怀疑是检测元件的故障要首先检查有无线缆折断、污损、变形等，还可以通过测量其输出来确定检测元件的好坏，这就要求必须熟练掌握检测元件的工作原理及输出信号。下面以SIEMENS系统为例进行说明。

（1）输岀信号。SIEMENS数控系统位置控制模块与位置检测装置的连接关系。

增量式旋转测量装置或直线装置的输出信号有两种形式：第一种是电压或电流正弦信号，其中EXE为脉冲整形插值器；第二种是TTL电平信号。以HEIDENHA1N公司正弦电流输出型的光栅尺为例，该光栅由光栅尺、脉冲整形插值器（EXE）、电缆及接插件等部件组成。

机床在运动过程中，从扫描单元输出三组信号：两组增量信号由四个光电池产生，把两个相差180°的光电池接在一起，它们的推挽就形成了相位差90°、幅值为11μA左右的Ie1和Ie2两组近似正弦波，一组基准信号也由两个相差180°的光电池接成推挽形式，输岀为一尖峰信号Ie0，其有效分量约为5.5μA，此信号只有经过基准标志时才产生。所谓基准标志，是在光栅尺身外壳上装有一块磁铁，在扫描单元上装有一只干簧管，在接近磁铁时，干簧管接通，基准信号才能输出。

两组增量信号Ie1和Ie2经传输电缆和插接件进入EXE，经放大、整形后，输出两路相位差90°的方波信号Ua1、Ua2及参考信号Ua0，这些信号经适当组合处理，即可在一个信号周期内产生五个脉冲，即5倍频处理，经连接器送至CNC位控模块。

（2）EXE信号处理。脉冲整形插值器（EXE）的作用是将光栅尺或编码器输出的增量信号进行放大、整形、倍频和报警处理，输出至CNC进行位置控制。EXE由基本电路和细分电路组成。

基本电路印制电路板内含通道放大器、整形电路、驱动和报警电路等，细分电路作为一种任选功能单独制成一块电路板，两板之间通过J3连接器连接。

1）通道放大器。当光栅检测产生正弦波电流信号Ie1、Ie2和Ie0，经通道放大器，输出一定幅值的正弦电流电压。

2）整形电路。在对Ie1、Ie2和Ie0放大的基础上，经整形电路转换成与之相对应的三路方波信号Ua1、Ua2和Ua0，其TTL高电平大于等于2.5V，低电平小于等于0.5V。

3）报警电路。当光栅由于输入电缆断裂、光栅污染或灯泡损坏等原因，造成通道放大器输出信号为零，这时报警信号经驱动电路驱动后，由连接器J2输出至CNC系统。

4）细分电路。在某些精度很高的数控机床（如数控磨床）的位置控制中，要求位置测量有较高的分辨率，如仅靠光栅尺本身的精度不能满足，为此必须采用细分电路来提高分辨率，以适应高进度机床的需求。基本电路通道放大器的输出信号经连接器J3接入细分电路，经细分电路处理后，又通过连接器J3输出在一个周期内两路相位差90°、占空比为1:1的五细分方波信号。这两路方波位号经基本电路中的驱动电路驱动后，即为对应的Ua1和Ua2通道信号，由连接器J2输出至CMC系统。

另外，同步电路的目的是为了获得Ua1和Ua2两路方波信号前后沿精确对应的方波参考脉冲。

3、检测装置故障的常见形式

（1）机械振荡（加/减速时）

1）脉冲编码器出现故障。此时检查速度单元上的反馈线端子电压是否在某几点电压下降，如有下降表明脉冲编码器不良，应更换编码器。

2）脉冲编码器十字联轴节可能损坏，导致轴转速与检测到的速度不同步，应更换联轴节。

3）测速发电机出现故障，应修复、更换测速机。

（2）机械暴走（飞车）。在检查位置控制单元和速度控制单元的情况下，应检查以下几点：

1）检查脉冲编码器接线是否错误，检查编码器接线是否为正反馈，A相和B相是否接反。

2）检查脉冲编码器联轴节是否损坏，若损坏应更换联轴节。

3）检查测速发电机端子是否接反和励磁信号线是否接错。

（3）主轴不能定向或定向不到位。检查定向控制电路设置和调整，检查定向板，主轴控制印制电路板调整。同时，应检查位置检测器（编码器）是否不良。

（4）坐标轴振动进给。在检查电动机线圈是否短路，机械进给丝杠同电动机的连接是否良好，整个伺服系统是否稳定后，应检查脉冲编码是否良好、联轴节连接是否平稳可靠、测速机是否可靠。

（5）NC报警中因程序错误，操作错误引起的报警。如FAUNUC—6ME系统的NC报瞀090#、091#。出现NC报警，有可能是主电路故障和进给速度太低引起的。同时，还有可能是：脉冲编码器不良；脉冲编码器电源电压太低，此时调整电源电压的15V，使主电路板的+5V端子上的电压值在4.95～5.10V内；没有输入脉冲编码器的一转信号而不能正常执行参考点返回。

（6）伺服系统的报警。如FAUNUC-6ME系统的伺服报警416#、426#、436#、446#、456#，SINUMERIK 880系统的伺服报警I364#，SINUMERIK 8系统的伺服报警114#、104#等。当出现如上报警号时，有可能是：轴脉冲编码器反馈信号断线，短路和信号丢失，用示波器测A相、B相一转信号；编码器内部受到污染、太脏，信号无法正确接收。

总之，在数控设备的故障中，检测元件的故障比例是比较高的，只要正确地使用并加强维护保养，对出现的问题进行深入分析，就一定能降低故障率，并能迅速解决故障，保证设备的正常运行。

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