教学课件PPT位置检测装置数字传感器.ppt

第三节第三节 位置检测装置位置检测装置一、概述一、概述1、组成： 位置测量装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成的 2、作用： 实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换成位置控制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制 分辨率：所能测量的最小位移量3、数控系统中的检测装置分为位移、速度和电流三种类型一、概述一、概述4、直接测量和间接测量 位置传感器有直线式和旋转式两大类若位置传感器所测量的对象就是被测量本身，即用直线式传感器测直线位移，用旋转式传感器测角位移，则该测量方式为直接测量 若旋转式位置传感器测量的回转运动只是中间值，再由它推算出与之关联的移动部件的直线位移，则该测量方式为间接测量5、要求 在机床工作台移动范围内，能满足精度和速度的要求 可靠，抗干扰性强、使用维护方便、成本低等 间接测量示例 工作台丝杠编码器步进电机一、概述一、概述直接测量示例 一、概述一、概述光栅二、光电编码器二、光电编码器1、简介： 光电编码器是一种回转式数字测量元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。

转轴码盘及狭缝光敏元件批示光栅及辨向用的A、B狭缝光源ABC零位标志二、光电编码器二、光电编码器2、工作原理 光电编码器的指示光栅上有A组与B组两组狭缝，彼此错开1/4节距，两组狭缝相对应的光敏元件所产生的信号A、 B彼此相差90相位，用于辩向二、光电编码器二、光电编码器——工作原理A、B两相的作用 ☆根据脉冲的数目可得出被测轴的角位移；　☆根据脉冲的频率可得被测轴的转速；　☆根据A、B两相的相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方向 　☆后续电路可利用A、B两相的90°相位差进行细分处理（四倍频电路实现） 二、光电编码器二、光电编码器 码盘里圈，还有一根狭缝C，每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信号”或零标志脉冲，作为测量的起始基准 C相的作用 ☆被测轴的周向定位基准信号；　 ☆被测轴的旋转圈数记数信号C 利用编码器测量伺服电机的转速、转角，并通过伺服控制系统控制其各种运行参数二、光电编码器二、光电编码器——在伺服电机中的应用二、光电编码器二、光电编码器——刀库选刀控制中的应用角编码器的输出为当前刀具号三、光栅三、光栅1、光栅的种类 数控机床上用计量光栅。

计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成计量光栅按形状又可分为长光栅和圆光栅尺身尺身安装孔 扫描头 （与移动部件固定）可移动电缆三、光栅三、光栅2、透射光栅的结构 光栅传感器是由光源、透镜、主光栅、指示光栅和光电接收元件组成 主光栅，是测量的基准，另一块光栅为指示光栅，在使用长光栅尺的数控机床中，标尺光栅往往固定在床身上不动，而指示光栅随拖板一起移动标尺光栅的尺寸常由测量范围确定，指示光栅则为一小块，只要能满足测量所需的莫尔条纹数量即可2、透射光栅的结构 在直光栅中，若a为刻线宽度，b为缝隙宽度，则ω＝a+b称为光栅的栅距(也称光栅常数)通常a＝b，或a:b＝1.1:0.9线纹密度一般为每毫米100、50、25和10线三、光栅三、光栅3、莫尔条纹的产生三、光栅三、光栅3、莫尔条纹的产生三、光栅三、光栅均匀刻线主光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动条纹宽度： Wω三、光栅三、光栅4、莫尔条纹的特性 ☆放大性： W=ω/θ，夹角θ很小 → W>>ω → 光学放大 → 提高灵敏度 ☆莫尔条纹移动与栅距成比例： 光栅移动一个栅距ω → 莫尔条纹沿垂直方向移动一个间距W ☆准确性： 大量刻线 → 误差平均效应 → 克服个别/局部误差 → 提高精度 ☆在一个栅距内，光电元件所检测的光强变化为正弦（或余弦）变化。

三、光栅三、光栅5、光栅尺的输出信号与测量电路 光栅读数头组成：光源、聚光透镜、指示光栅、光敏元件、信号处理电路（包括放大、整形和鉴向倍频） 光栅读数头作用：将莫尔条纹的光信号转换成电脉冲信号三、光栅三、光栅5、光栅尺的输出信号与测量电路——信号转变过程光栅位移W光强度三、光栅三、光栅5、光栅尺的输出信号与测量电路——信号转变过程光栅位移输出电压光栅位移放大后的输出电压光栅位移整形后的输出电压光栅位移微分后的输出电压三、光栅三、光栅5、光栅尺的输出信号与测量电路——辨向W5、光栅尺的输出信号与测量电路——辨向三、光栅三、光栅5、光栅尺的输出信号与测量电路——脉冲细分 细分技术能在不增加光栅刻线数及价格的情况下提高光栅的分辨力细分前，光栅的分辨力只有一个栅距的大小采用4细分技术后，计数脉冲的频率提高了4倍，相当于原光栅的分辨力提高了3倍，测量步距是原来的1/4，较大地提高了测量精度细分前细分前细分后细分后三、光栅三、光栅三、光栅三、光栅- -5、光栅尺的输出信号与测量电路——脉冲细分光栅在数控车床上的安装位置三、光栅三、光栅三、光栅三、光栅光栅在数控镗铣床上的安装位置四、直线感应同步器四、直线感应同步器1、直线感应同步器的结构 sin cos 节距2τ（2mm） 节距（0.5mm）定尺滑尺直线感应同步器2、感应同步器的工作原理. 感应同步器是利用励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化，借以进行位移量的检测。

感应同步器滑尺上的绕组是励磁绕组，定尺上的绕组是感应绕组 定尺固定在床身上，滑尺则安装在机床的移动部件上通过对感应电压的测量，可以精确地测量出位移量四、直线感应同步器四、直线感应同步器感应电动势移动距离U0USUS定尺滑尺WW/4正弦绕组A余弦绕组B四、直线感应同步器四、直线感应同步器2、感应同步器的工作原理.在励磁绕组上加上一定的交变励磁电压，定尺绕组中就产生相同频率的感应电动势，其幅值大小随滑尺移动呈余弦规律变化滑尺移动一个节距，感应电动势变化一个周期四、直线感应同步器四、直线感应同步器3、感应同步器的信号处理原理 鉴幅型：通过检测感应电动势的幅值测量位移 鉴相型：通过检测感应电动势的相位测量位移四、直线感应同步器四、直线感应同步器1）鉴相方式： 滑尺正旋绕组上加激磁电压Us后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为： es=KUsCosθ=KUmSinωtCosθ 滑尺余旋绕组上加激磁电压Uc后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为： ec=KUccos（θ+π/2） =－KUmSinθCosωt 滑尺正、余旋绕组上同时加激磁电压Us、 Uc时，感应同步器的磁路可是为线性的，根据叠加原理，则与之相耦合的定尺 绕组上的总感应电压为： e =es+ ec=Kumsin（ωt －θ） K— 电磁感应系数 θ —定尺绕组上的感应电压的相位角1）鉴相方式：滑尺与定尺相对位移量 x 的求取： ∵ W: 2π= x : θ ∴ x = Wθ ／2π 结论：相对位移量 x 与 相位角θ 呈线性关系，只要能测出相位角θ ，就可求得位移量 x 。

四、直线感应同步器四、直线感应同步器2）鉴幅型 在鉴幅型系统中，激磁电压是频率、相位相同，幅值不同的交变电压： Us= Um sinθ1sinωt Uc = Um cosθ1sinωt θ1= π x2 ／τ（ x2是指令位移值） 则定尺绕组上总输出的感应电动势为 e = Us+ Uc=KUscosθ1－KUcsinθ1 =KUm sin（θ1－θ）sinωt结论：只要能测出Us与Uc相位差θ1 ，就可求得滑尺与定尺 相对位移量 x 四、直线感应同步器四、直线感应同步器几点说明： 感应同步器的测量周期为其绕组的节距2τ（2mm） 感应同步器的测量精度取决于测量电路对输出感应电压的细分精度 现在商品化的感应同步器的输出大多是脉冲量，使其能方便 地采用现代的数字处理技术用途： 长感应同步器目前被广泛地应用于大位移静态与动态测量中，例如用于三坐标测量机、程控数控机床及高精度重型机床及加工中测量装置等圆感应同步器则被广泛地用于机床和仪器的转台以及各种回转伺服控制系统中四、直线感应同步器四、直线感应同步器感应同步器的优点是：①具有较高的精度与分辨力。

其测量精度首先取决于印制电路绕组的加工精度，温度变化对其测量精度影响不大感应同步器是由许多节距同时参加工作，多节距的误差平均效应减小了局部误差的影响②抗干扰能力强感应同步器在一个节距内是一个绝对测量装置，在任何时间内都可以给出仅与位置相对应的单值电压信号，因而瞬时作用的偶然干扰信号在其消失后不再有影响平面绕组的阻抗很小，受外界干扰电场的影响很小四、直线感应同步器四、直线感应同步器感应同步器的优点（续）③使用寿命长，维护简单定尺和滑尺，定子和转子互不接触，没有摩擦、磨损，所以使用寿命很长它不怕油污、灰尘和冲击振动的影响，不需要经常清扫但需装设防护罩，防止铁屑进入其气隙④可以作长距离位移测量可以根据测量长度的需要，将若干根定尺拼接拼接后总长度的精度可保持（或稍低于）单个定尺的精度目前几米到几十米的大型机床工作台位移的直线测量，大多采用感应同步器来实现⑤工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产四、直线感应同步器四、直线感应同步器二. . 感应同步器感应同步器1. 感应同步器的结构及分类感应同步器的结构及分类q 结构定尺定尺 sin cos 节距2τ（2mm） 节距（0.5mm） 绝缘粘胶 铜箔 铝箔 耐切削液涂层 基板(钢、铜)滑尺滑尺第二节第二节 进给伺服系统的位置检测装置进给伺服系统的位置检测装置第第第第四四四四章章章章 进进进进给给给给伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统。