第四章位置检测装置1.ppt

第四章 位置检测装置,,位置检测装置是数控机床的重要组成部分在闭环和半闭环伺服系统中，必须有位置检测装置作为移动部件的实际位置检测主要作用：是检测位移量，并发出反馈信号和数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件，使着向消除偏差的方向运动直至偏差等于零为止数控机床的检测装置的作用与要求,• 检测装置组成：,由 检测元件（传感器） 信号处理装置(测量线路)组成• 检测装置作用：,实时测量机床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，从而将运动部件实际位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由检测装置的精度决定的，在设计数控机床进给伺服系统，尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择检测装置分辨率：,位移检测装置能够正确检测的最小位移量 例：0.001mm、2″,• 位移检测装置的精度指标：,测量精度：,,在一定的测量长度或测量转角范围内，测量的累积误差最大值例：±0.001mm/m ,,,,,• 进给伺服系统对位置测量装置的要求:,,1.高可靠性和高抗干扰性：,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.能满足精度和速度的要求:,进给速度20—30m/min，转速高达100000r/min。

位置检测装置最高允许的检测速度应高于数控机床的最高运行速度3.使用维护方便，适应机床工作环境；,4.成本低数控机床的检测装置的作用与要求,,位置检测装置的分类,1.按输出信号的形式分类：,数字式:,它是将被测的量以数字形式来表示，测量信号一般为脉冲，可以直接把它送到数控装置进行比较、处理特点： ● 被测的量转换为脉冲个数，便于显示和处理； ● 测量精度取决于测量单位，和量程基本无关； ● 测量装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力较强 位置检测装置的分类,1.按输出信号的形式分类：,模拟式:,它是将被测的量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等它对信号处理的方法相对来说比较复杂应用： 数控机床所用模拟式测量主要用于小量程的测 量，如感应同步器的一个线距（2mm）内的信号相位变化等 特点： ●直接测量被测的量，无需变换； ●在小量程内实现较高精度的测量，技术成熟位置检测装置的分类,2.测量基点的类型分类:,增量式：,绝对式：,在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式，增量式测量只测相对位移量，如测量单位为0.001mm，则每移动0.001mm就发出一个脉冲信号。

优点：是测量装置较简单，任何一个对中点都可以作为测量的起点，而移距是由测量信号计数累加所得；缺点：一旦计数有误，以后测量所得结果完全错误绝对式测量装置对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标起，每一个被测点都有一个相应的测量值测量装置的结构较增量式复杂，如编码盘中，对应于码盘的每一个角度位置便有一组二进制位数显然，分辨精度要求愈高，量程愈大，则所要求的二进制位数也愈多，结构就愈复杂位置检测装置的分类,3.从测量方式分为：,直接测量:,间接测量:,,直接测量是将直线型检测装置安装在移动部件上，用来直接测量工作台的直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，而构成位置闭环控制它是将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用优点：是准确性高、可靠性好，缺点：是测量装置要和工作台行程等长，所以在大型数控机床上受到一定限制优点：是测量方便、无长度限制缺点：是测量信号中增加了由回转运动转变为直线运动的传动链误差，从而影响了测量精度直接测量示例,直接测量,间接测量,,位置检测装置的分类,4. 按位置检测元件的运动形式分类：,回转型:,直线型:,,测量直线位移,测量角位移,,,常用位置检测装置分类表,,,§4.2 光电编码器,光电编码器,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。

根据内部结构和检测方式，光电编码器可分为:,接触式光电式电磁式,: 在数控机床上应用较多,: 由霍尔效应构成,可用作速度检测元件,,,,,编码器,,,. 增量式旋转编码器,• 结构及工作原理,信号处理装置,,,,,,信号处理装置,. 增量式旋转编码器,光电码盘随被测轴一起转动，在光源的照射下，透过光电码盘和光栏板形成忽明忽暗的光信号，光敏元件把此光信号转换成电信号，通过信号处理装置的整形、放大等处理后输出输出的波形有六路：,其中， 是 的取反信号输出信号的作用及其处理:,码盘每转过一个狭缝就发出一个脉冲信号,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）信号处理装置,. 增量式旋转编码器,,,,,Z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,,,的作用:,后续电路可利用A、 两相实现差分输入，以消除远距离传输的共模干扰信号处理装置,. 增量式旋转编码器,,,增量式码盘的规格及分辨率,规格增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数；现在市场上提供的规格从 36线/ 转 到 10万线 /转 都有；选择：①伺服系统要求的分辨率； ②考虑机械传动系统的参数。

分辨率（分辨角）α,. 增量式旋转编码器,绝对式编码器原理 绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上的图案信息直接转换成相应代码的检测元件编码盘有光电式、接触式和电磁式三种 光电式码盘是目前应用较多的一种，它是在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码如图所示为四位二进制的码盘，码盘上各圈圆环分别代表一位二进制的数字码道，在同一个码道上印制黑白等间隔图案，形成一套编码,,绝对式旋转编码器,黑色不透光区和白色透光区分别代表二进制的“0”和“1”在一个四位光电码盘上，有四圈数字码道，每一个码道表示二进制的一位，里侧是高位，外侧是低位，在360°范围内可编数码数为24=16个绝对式旋转编码器,工作时，码盘的一侧放置电源，另一边放置光电接受装置，每个码道都对应有一个光电管及放大、整形电路码盘转到不同位置，光电元件接受光信号，并转成相应的电信号，经放大整形后，成为相应数码电信号绝对式旋转编码器,,,分辨率（分辨角）α,2. 绝对式旋转编码器,接触式码盘,,2. 绝对式旋转编码器,接触式码盘,,,,,,,,,3. 编码器在数控机床中的应用,1、位移测量：内装式：编码器和伺服电动机同轴联接在一起外装式：编码器连接在滚珠丝杠末端2、主轴控制1）主轴旋转与坐标轴进给的同步控制；2）恒线速切削控制3）主轴定向准停控制3、测速4、零标志脉冲用于回参考点控制,,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。

光电编码器——在伺服电机中的应用,光电编码器——刀库选刀控制中的应用,编码器的输出为当前刀具号,第三节 光栅尺,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2、透射光栅的结构 光栅传感器是由光源、透镜、标尺光栅、指示光栅和光电接收元件组成,标尺光栅，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3、光栅组成,光栅位置检测装置,光栅位移传感器,,1、光栅的构造：,,光栅,透射直线式光栅原理图,,莫尔条纹式光栅,莫尔条纹的产生,,莫尔条纹的产生,,☆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 → 均化误差（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。

莫尔条纹的特性,,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光栅尺的输出信号与测量电路,光栅尺的输出信号与测量电路——信号转变过程,,光栅尺的输出信号与测量电路——信号转变过程,,光栅尺的输出信号与测量电路——辨向,W,,光栅尺的输出信号与测量电路——辨向,,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,细分后,,光栅尺的输出信号与测量电路——脉冲细分,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,,光栅在数控镗铣床上的安装位置,,知识点,,1、位置检测装置的要求？2、位置检测装置的分类？3、光电编码器的组成？4、光栅的组成、分类？5、莫尔条纹的作用？6、编码器在数控机床中的应用？,。