数控技术6.ppt

第6章 位置检测装置,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一、概 述,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，将运动部件实际位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制，从而提高机床的定位精度和加工精度一、概 述,进给伺服系统对位置检测装置的要求 高可靠性和高抗干扰性： 能满足精度和速度的要求： 使用维护方便，适应机床工作环境； 成本低 位置检测装置的分类,按输出信号的形式分类：数字式和模拟式 按测量基点的类型分类：增量式和绝对式 按位置检测元件的运动形式分类：回转型和直线型,一、概 述,常用位置检测装置分类表,一、概 述,二、光栅 P200,可以测量长度、角度、速度等,——在真空镀膜的透明玻璃或金属镜面上用光刻出的一些平行、等距的密集线纹一）计量光栅的分类,按照不同的方法可分：直线光栅和圆形光栅； 透射光栅和反射光栅； 增量式光栅和绝对式光栅等1、直线光栅 （1）玻璃透射光栅 在玻璃表面刻有透明和不透明的间隔相等的线纹,特点：,光源可以采用垂直入射光，信号幅值比较大，光电转换元件结构简单 单位长度上所刻的条纹数比较多．分辨率一般可达0.01mm，使检测电子线路大大简化。

但其长度不能做得太长，容易破碎目前可达到2m左右2）金属反射光栅,在钢尺或不锈钢表面上用照相腐蚀工艺制作线纹，或用钻石刀刻制条纹线膨胀系数很容易做到与机床的床身材料一致，可补偿热变形的影响，可做成长光栅，不易破碎 标尺光栅安装在机床上所需的面积小，而且安装调整方便，可以直接用螺钉或压板固定在机床床身上 常用的反射光栅每毫米的线纹数为4、10、25、40、50,特点：,2、圆光栅——测量角位移,圆光栅是在玻璃盘的外环端面上做成黑白相间的线纹，线纹呈辐射状，线纹之间夹角相等 三种线纹数制 60进制，如10800、21600、32400、64800等 10进制，如1000、2500、5000等； 2进制，如512、1024、2048等二）直线透射光栅的工作原理,直线透射光栅实质上是一种增量式编码器，它是通过形成莫尔条纹、光电转换辨向和细化等环节实现数字计量的在真空镀膜的透明玻璃或金属镜面上用光刻出的一些平行、等距的密集线纹 光栅分标尺光栅和指示光栅，当两光栅保持一定间隙平行放置时，并使刻线倾斜一个微小的角度θ，就会产生明暗交替的干涉条纹——莫尔条纹,莫尔条纹的形成,,光栅栅距,莫尔条纹节距,暗亮暗亮,暗亮暗亮,,暗亮暗亮,（1）放大作用 莫尔条纹的节距为光栅栅距的1／θ 倍。

由于θ很小(小于10’)，因此节距W比栅距d放大了很多倍 若当d=0.01mm，θ=0.01弧度时，则 W=1mm即将光栅的栅距d放大100倍，转换成莫尔条纹的节距W莫尔条纹的特点：,注意：θ 单位为弧度,莫尔条纹的特点：,(2)平均效应 莫尔条纹是由若干线纹组成，例如每毫米100线的光栅，10mm长的莫尔条纹，等亮带由2000根刻线交叉形成 因而对个别栅线的间距误差(或缺陷)就平均化了，在很大程度上消除误差的影响 莫尔条纹的节距误差就取决于光栅刻线的平均误差莫尔条纹的特点：,(3)莫尔条纹的移动规律 莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例 移动方向： 若标尺光栅不动，将指示光栅顺时针方向转动一很小的角度θ后，当指示光栅向右移动，则莫尔条纹向下移动；反之，指示光栅向左移动，则莫尔条纹向上移动 若将指示光栅逆时针方向转一很小的角度θ后，并使指示光栅向右移动，则莫尔条纹便向上移动；反之若指示光栅向左移动时，则莫尔条纹向下移动为了辨别运动方向，需配置两个彼此错开1/4纹距的光电元件，使输出电信号彼此在相位上差90º，若以其中的一个作为参考信号，则另一个信号将超前或滞后参考信号90º为了进一步提高测量精度，广泛采用倍频电路。

三. 脉冲编码器（码盘）P204,是一种回转式数字测量元件，通常装在被检测轴上，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分类：增量式：光电式 绝对式：接触式、光电式和电磁式,. 增量脉冲编码器,结构及工作原理,玻璃圆盘→镀金属膜→感光材料→照相腐蚀,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,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； 被测轴的旋转圈数计数信号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 ； 选择：①根据伺服系统要求的分辨率； ②根据机械传动系统的参数（如传动比、丝杠导程）分辨率（分辨角）α 设增量式码盘的规格为 n 线/转：,增量式码盘的规格:,. 绝对式编码器,结构和工作原理 码盘基片上有多圈码道（同心圆环），及若干个等分扇区； 每个扇区的码道组成一个数码，透光 为“1”，不透光为“0”，内环码道为数码最高位； 输出信号的路数与码道圈数成正比； 检测信号按某种规律编码输出，故可测得被测轴的周向绝对位置。

4圈,——通过读取编码盘上的代码（图案）来表示轴的位置,,,二进制编码： 特点：编码顺序与位置顺序相一致，但相邻两个二进制数可能有多个码不同，切换时容易产生非单值性误差 误差分析：,,,,,0111 1000,绝对编码盘的编码方式及特点,格雷码（循环码、葛莱码） 特点：任何两个编码之间只有一位是变化的，因而可把误差控制到最小但编码与位置顺序无直接规律3.绝对式脉冲编码器,格雷码的编码方法 它是从二进制码转换而来的，转换规则为： 将二进制码与其本身右移一位后并舍去末位的数码作不进位加法，得出的结果即为格雷码(循环码)例： 将二进制码0101转换成对应的格雷码：,格雷码,二进制编码,绝对式脉冲编码器的规格及分辨率,规格 绝对式码盘的规格与码盘码道数 n 有关； 现在市场上提供从 4道 到 18道 ； 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 设绝对式码盘的规格 n 道：,位数越多→扇区越多→制造越困难 在实际应用间接测量直线位移时，可采用组合式绝对码盘 即精计数码盘转一圈→粗计数码盘转一格光电脉冲编码器的特点,非接触测量，无磨损，码盘寿命长，精度保持性好； 允许测量转速高，精度较高； 光电转换，抗干扰能力强； 体积小，便于安装，适合于机床运行环境；,结构复杂，价格高，光源寿命短； 码盘基片为玻璃，抗冲击和抗震动能力差。

四、旋转变压器P192,转角检测元件结构简单，工作可靠，对环境要求低，信号输出幅度大、抗干扰能力强 被广泛应用在半闭环控制的数控机床上常见的旋转变压器一般有两极绕组和四极绕组两种结构形式两极旋转变压器，定子和转子各有一对磁极四极绕组各有两对相互垂直的磁极，检测精度较高．在数控机床中应用普遍1、旋转变压器的结构,1、旋转变压器的结构,2、旋转变压器的工作原理,定子,转子,θ=0° E2=0,θ=90° E2=KE1,θ——转子绕组磁轴与定子绕组磁轴夹角的余角,sinθ,E2=KE1 sinθ,3、旋转变压器的应用,对于四极旋转变压器，如果在定子的两个正交绕组中通以满足不同条件的电压，则可以得到两种典型的工作方式：鉴相工作方式和鉴幅工作方式如果定子的两相正交绕组分别通以频率和幅值都相等、而相位相差90°的激磁交流电压，即,（1）、鉴相工作方式,转子绕组产生感应电动势,（2）鉴幅工作方式,如果定子的两相正交绕组，分别通以频率和相位都相等，而幅值不同（分别与电气角α的正弦和余弦成正比的激磁交流电压），即,α→E2的幅值→θ,不断地调整α值，让输出电压信号的幅恒等于0，则可由α确定θ幅值,,五. 感应同步器,利用电磁耦合原理，将位移或转角转变为电信号，借以进行位置检测和反馈控制。

感应同步器中有定尺和滑尺两部分，定尺与滑尺平行安装，且保持一定间隙定尺固定不动，当滑尺移动定尺上的绕组是连续分布的滑尺有两个激磁绕组，即正弦绕组A和余弦绕组B，它们在空间位置上相差1／4节距，节距用2τ表示，其值一般为2mm工作时，当滑尺的绕组上加上一定频率的交流电压后，根据电磁感应原理，定尺上将感应出相同频率的感应电压通过对感应电压的测量，可以精确地测量出位移量1、感应同步器的结构及分类,结构,sin,cos,,,节距2τ（2mm）,,,,,节距（0.5mm）,定尺,滑尺,分类,,(1)标准式 国内生产的标准式感应同步器，其基尺用优质碳素结构铜板制成 用绝缘粘结剂将导片粘在基尺上，根据设计要求用腐蚀方法将导片制成均匀分布的连续绕组标准式的精度高 (2)窄长式 其定尺的宽度是标准式的1／2，主要用于安装位置窄小的机床上 (3)带式 采用钢带作为基尺，绕组可用腐蚀法印制在钢带上，两端用固定块固定在机床的床身上滑尺通过导板夹持在带式定尺上，并与机床运动部件连接，属于普及型的感应同步器 它是组装式结构，安装简单，可做成几米长，测量长度较长，特别适用于通用机床数控化的改装上述三种感应同步器的节距为2mm，采用相对坐标系统进行测量。

若要测量绝对位置，就需建立一套绝对坐标系统圆感应同步器,感应同步器的特点：,(1)检测精度高 (2) 工作可靠、抗干扰能力强 (3)维修简单、寿命长 (4)测量距离长 (5)结构简单,2、感应同步器的工作原理,,U0,U0,θ1,,定尺,滑尺,3、感应同步器的应用,如果在滑尺的两个正余弦绕组中通以满足不同条件的电压，也可以得到两种典型的工作方式：鉴相工作方式和鉴幅工作方式鉴相工作方式,给滑尺的两个正余弦绕组分别供以频率和幅值相同，相位差为90°的励磁信号：,则滑尺二绕组在定尺绕组中分别产生的感应电动势为：,定尺上输出的感应电压为：,θ——滑尺相对定尺的空间相位角，与滑尺相对于定尺 位移x的关系为：,定尺上输出的感应电压为：,,只要测出定尺输出电压的相位，即可测出滑尺相对于定尺的位移鉴幅工作方式,滑尺的两个正余弦绕组分别供以频率和相位相同，幅值不同正弦电压：,在定尺绕组上输出的感应电动势：,,4、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,测量距离长：通过接长可满足大行程测量的要求。

5. 感应同步器使用注意事项,在安装方面： 保证安装精度（安装面的精度、定尺与滑尺的相对位置精度、接缝的调整精度） 加装防护装置（避免切屑、油污、灰尘的影响）,在电气方面： 要保证激磁电压波形的对称性和保真性六、磁栅,是用电磁方法计算磁波数目的一种位置检测元件．可用作直线和角位移的测量磁栅检测装置是将具有一定节距的磁化信号，用记录磁头记录在磁性标尺的磁膜上在检测过程中，用拾磁磁头读取磁性标尺上的磁化信号再转换成电信号，然后通过检测电路把磁头相对于磁尺的位置送给伺服控制系统磁栅检测装置由磁性标尺、拾磁磁头和检测电路三部分组成磁栅检测装置的组成及特点,制作简单、安装调整方便，对使用环境条件要求较低,1、磁性标尺,常采用不导磁材料做基体，在上面镀上一层10~30μm厚的均匀磁膜再用录磁磁头在磁尺上记录节距相等的周期性变化的磁信号，节距通常为0．05、0．1、0．2μm等最后磁尺表面涂上保护层磁性标尺按形状分类：,平面实体型磁尺,带状磁尺,线状磁尺,,(1)平面实体型磁尺 磁头和磁尺之间留有间隙，磁头固定在带有板弹簧的磁头架上磁尺的形状和加工精度要求较高，刚性要好，因而成本较高磁尺长度一般小于600mm，如要在较长的距离内进行测量，必需用几根磁尺接长使用。