第六章 位置檢測裝置

1、LOGOClick to add your text第六章第六章 位置檢測裝置位置檢測裝置6-26-2常用典型位置檢測裝置常用典型位置檢測裝置6-16-1對位置檢測裝置的要求對位置檢測裝置的要求第六章第六章 位置檢測裝置位置檢測裝置 位置檢測裝置是數控機床的重要組成部分。位置檢測裝置是數控機床的重要組成部分。在閉環(huán)系統(tǒng)中，它的主要作用是檢測位移量，并在閉環(huán)系統(tǒng)中，它的主要作用是檢測位移量，并發(fā)出反饋信號和數控裝置發(fā)出的指令信號相比較，發(fā)出反饋信號和數控裝置發(fā)出的指令信號相比較，若有偏差，經放大后控制執(zhí)行部件，使著向消除若有偏差，經放大后控制執(zhí)行部件，使著向消除偏差的方向運動直至偏差等于零為止。

2、偏差的方向運動直至偏差等于零為止。6-16-1對位置檢測裝置的要求對位置檢測裝置的要求第六章第六章 位置檢測裝置位置檢測裝置受溫度、濕度影響小，工作可靠，能長期保持精度，受溫度、濕度影響小，工作可靠，能長期保持精度，抗干擾能力強抗干擾能力強; ;在機床執(zhí)行部件工作范圍內，能滿足精度和速度的要在機床執(zhí)行部件工作范圍內，能滿足精度和速度的要求；進給速度求；進給速度2030m/min2030m/min，轉速高達，轉速高達100000r/min100000r/min。使用維護方便，適應機床工作環(huán)境；使用維護方便，適應機床工作環(huán)境；成本低。成本低。一、數控機床對位置檢測裝置的要求：一、數控機床對位置檢測

3、裝置的要求：第六章第六章 位置檢測裝置位置檢測裝置1 1、按測量對象不同分類、按測量對象不同分類位移檢測裝置位移檢測裝置: :脈沖編碼器、光柵脈沖編碼器、光柵 速度檢測裝置：測速發(fā)電機速度檢測裝置：測速發(fā)電機2 2、按安裝位置不同分類、按安裝位置不同分類直接測量直接測量: :將檢測裝置安裝在執(zhí)行部件上將檢測裝置安裝在執(zhí)行部件上 間接測量間接測量: :將檢測元件安裝在滾珠絲杠或驅動電動機軸上將檢測元件安裝在滾珠絲杠或驅動電動機軸上二、檢測裝置的分類二、檢測裝置的分類第六章第六章 位置檢測裝置位置檢測裝置(1)(1)直接測量直接測量 將直線型檢測裝置安裝在移動部件上，直接測量工作臺將直線型檢測裝置

4、安裝在移動部件上，直接測量工作臺的直線位移，作為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋信號，構成位的直線位移，作為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋信號，構成位置閉環(huán)控制。優(yōu)點是準確性高、可靠性好，缺點是測量裝置置閉環(huán)控制。優(yōu)點是準確性高、可靠性好，缺點是測量裝置要和工作臺行程等長，在大型數控機床上受到一定限制。要和工作臺行程等長，在大型數控機床上受到一定限制。(2)(2)間接測量間接測量 將旋轉型檢測裝置安裝在驅動電機軸或滾珠絲杠上，通將旋轉型檢測裝置安裝在驅動電機軸或滾珠絲杠上，通過檢測轉動件的角位移來間接測量機床工作臺的直線位移，過檢測轉動件的角位移來間接測量機床工作臺的直線位移，作為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋用

5、。作為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋用。 優(yōu)點是測量方便、無長度限制。缺點是測量信號中增加優(yōu)點是測量方便、無長度限制。缺點是測量信號中增加了由回轉運動轉變?yōu)橹本€運動的傳動鏈誤差，從而影響了測了由回轉運動轉變?yōu)橹本€運動的傳動鏈誤差，從而影響了測量精度。量精度。第六章第六章 位置檢測裝置位置檢測裝置3 3、按測量方法不同分類、按測量方法不同分類增量式測量增量式測量絕對式測量絕對式測量 絕對式測量：對于被測量的任意一點位置均由固定的零絕對式測量：對于被測量的任意一點位置均由固定的零點標起。每一個被測點都有一個相應的測量值。點標起。每一個被測點都有一個相應的測量值。特點：裝置的結構較為復雜特點：裝置的結構較

6、為復雜 增量式測量：只測量位移量。測量單位為增量式測量：只測量位移量。測量單位為0.01mm0.01mm每移動每移動0.01mm0.01mm發(fā)出一個脈沖信號。發(fā)出一個脈沖信號。第六章第六章 位置檢測裝置位置檢測裝置優(yōu)點優(yōu)點： 裝置簡單，任何一個點都可作為測量的起點。在輪廓裝置簡單，任何一個點都可作為測量的起點。在輪廓控制的數控機床上大都采用這種方式?？刂频臄悼貦C床上大都采用這種方式。缺點缺點： 在增量式檢測系統(tǒng)中，移距是由測量信號計數讀出，在增量式檢測系統(tǒng)中，移距是由測量信號計數讀出，一旦計數有誤，以后的測量結果則完全錯誤。如出某種事一旦計數有誤，以后的測量結果則完全錯誤。如出某種事故，無法恢

7、復。故，無法恢復。第六章第六章 位置檢測裝置位置檢測裝置第六章第六章 位置檢測裝置位置檢測裝置4 4、按檢測信號不同分類、按檢測信號不同分類數字式測量數字式測量模擬式測量模擬式測量 模擬式測量：模擬式測量是將被測量用連續(xù)變量來表示。模擬式測量：模擬式測量是將被測量用連續(xù)變量來表示。 如電壓變化、相位變化等。數控機床所用模擬式測量如電壓變化、相位變化等。數控機床所用模擬式測量主要用于小量程的測量，如感應同步器的一個線距（主要用于小量程的測量，如感應同步器的一個線距（2mm2mm）內的信號相位變化等。內的信號相位變化等。特點特點： 直接測量被測的量，無需變換；直接測量被測的量，無需變換； 在小量程

8、內實現較高精度的測量，技術成熟。在小量程內實現較高精度的測量，技術成熟。第六章第六章 位置檢測裝置位置檢測裝置 數字式測量：被測的量以數字的形式來表示。數字式測量：被測的量以數字的形式來表示。 測量信號為電脈沖，可以直接把它們送入數控裝置測量信號為電脈沖，可以直接把它們送入數控裝置進行比較、處理。進行比較、處理。特點：特點： 被測的量轉換為脈沖個數，便于顯示和處理；被測的量轉換為脈沖個數，便于顯示和處理； 測量精度取決于測量單位，和量程基本無關；測量精度取決于測量單位，和量程基本無關； 測量裝置比較簡單，脈沖信號抗干擾能力較強。測量裝置比較簡單，脈沖信號抗干擾能力較強。第六章第六章 位置檢測裝

9、置位置檢測裝置6-2 6-2 常用典型位置檢測裝置常用典型位置檢測裝置一、旋轉變壓器（角位移檢測元件）一、旋轉變壓器（角位移檢測元件） 旋轉變壓器是一種角度測量元件，它是一種小型交旋轉變壓器是一種角度測量元件，它是一種小型交流電機。流電機。在結構上與兩相繞組式異步電動機相似，由定在結構上與兩相繞組式異步電動機相似，由定子和轉子組成，定子繞組為變壓器的原邊，轉子繞組為子和轉子組成，定子繞組為變壓器的原邊，轉子繞組為變壓器的副邊。激磁電壓接到定子繞組上，激磁頻率通變壓器的副邊。激磁電壓接到定子繞組上，激磁頻率通常為常為400H400H、500H500H、1000H1000H、3000H3000H、

10、5000H5000H，特點：特點：其結構簡單、動作靈敏，對環(huán)境無特殊要求，維其結構簡單、動作靈敏，對環(huán)境無特殊要求，維護方便，輸出信號幅度大，抗干擾性強，工作可靠。護方便，輸出信號幅度大，抗干擾性強，工作可靠。第六章第六章 位置檢測裝置位置檢測裝置工作原理：工作原理：u1=Umsin tu2u2u2 1 =0 = 1 =90 u1=Umsin tu1=Umsin t定子繞組定子繞組輸入電壓輸入電壓第六章第六章 位置檢測裝置位置檢測裝置 設加到定子繞組的勵磁電壓為設加到定子繞組的勵磁電壓為U1=UmsinU1=Umsin t t，通過電磁耦，通過電磁耦合，將在轉子繞組中產生的感應電壓為合，將在轉

11、子繞組中產生的感應電壓為 U2 = K U1sinU2 = K U1sin = K Um sin= K Um sin t sint sin = = K Um sinK Um sin sinsin t t 式中式中 KK變壓比（變壓比（K=N1/N2K=N1/N2為定子、轉子繞組的匝數）為定子、轉子繞組的匝數） UmUm勵磁最大電壓勵磁最大電壓 勵磁電壓角頻率勵磁電壓角頻率 轉子與定子相對角位移，當轉子磁軸與定子磁軸轉子與定子相對角位移，當轉子磁軸與定子磁軸垂直時，垂直時， =0=0 ；當轉子磁軸與定子磁軸平行時，；當轉子磁軸與定子磁軸平行時， =90=90 。第六章第六章 位置檢測裝置位置檢測

12、裝置二、感應同步器二、感應同步器 非接觸電磁式測量元件，測角位移或直線位移非接觸電磁式測量元件，測角位移或直線位移1 1、分類：、分類：直線型感應同步器直線型感應同步器測量直線位移測量直線位移旋轉型感應同步器旋轉型感應同步器測量角位移測量角位移2 2、結構：、結構：直線型直線型旋轉型旋轉型定尺定尺安裝在機床床身上安裝在機床床身上滑尺滑尺安裝在移動部件上安裝在移動部件上轉子轉子定子定子第六章第六章 位置檢測裝置位置檢測裝置3 3、工作原理：（標準直線型感應同步器為例）、工作原理：（標準直線型感應同步器為例） 利用電磁耦合原理，將位移或轉角變成電信號（極為利用電磁耦合原理，將位移或轉角變成電信號（

13、極為普遍）。即使滑尺與定尺相互平行，并保持一定的間距。向普遍）。即使滑尺與定尺相互平行，并保持一定的間距。向滑尺通以交流激磁電壓，則在滑尺中產生激磁電流，繞組周滑尺通以交流激磁電壓，則在滑尺中產生激磁電流，繞組周圍產生按正弦規(guī)律變化的磁場，由電磁感應，在定尺上感出圍產生按正弦規(guī)律變化的磁場，由電磁感應，在定尺上感出感應電壓，當滑尺與定尺間產生相對位移時，由于電磁耦合感應電壓，當滑尺與定尺間產生相對位移時，由于電磁耦合的變化，使定尺上感應電壓隨位移的變化而變化（相同頻的變化，使定尺上感應電壓隨位移的變化而變化（相同頻率）。率）。第六章第六章 位置檢測裝置位置檢測裝置定尺定尺定尺上制有單向均勻感應

14、繞組，一般為定尺上制有單向均勻感應繞組，一般為250mm250mm滑尺滑尺長長100mm100mm，繞有兩個勵磁繞組，繞有兩個勵磁繞組第六章第六章 位置檢測裝置位置檢測裝置定尺繞組產生感應電動勢原理圖定尺繞組產生感應電動勢原理圖第六章第六章 位置檢測裝置位置檢測裝置滑尺的正弦繞組加電壓滑尺的正弦繞組加電壓Us = Um sinUs = Um sin t t 時時， 定尺繞組定尺繞組 Us = KUmsinUs = KUmsin t t cos cos 滑尺的正弦繞組加電壓滑尺的正弦繞組加電壓Uc = Um cosUc = Um cos t t 時，時， 定尺繞組定尺繞組 Uc = KUmcos

15、Uc = KUmcos t t sin sin = KUmcos= KUmcos t t cos( cos( + + /2)/2) Ud = Us+ Ud = Us+ Uc Uc = KUmsin = KUmsin t t cos cos + KUmcos+ KUmcos t t cos( cos( + + /2)/2) = KUmsin(= KUmsin( t t- - ) ) - -滑尺繞組相對于定尺繞組的空間相位角滑尺繞組相對于定尺繞組的空間相位角xx22當滑尺移動當滑尺移動x x距離則感應電壓以余弦或正弦函數變化距離則感應電壓以余弦或正弦函數變化 角角第六章第六章 位置檢測裝置位置檢測

16、裝置三、脈沖編碼器（角位移檢測元件）三、脈沖編碼器（角位移檢測元件）v 脈沖編碼器是一種旋轉式脈沖發(fā)生器，能把機械轉角變脈沖編碼器是一種旋轉式脈沖發(fā)生器，能把機械轉角變成電脈沖，是數控機床上使用很廣泛的位置檢測裝置。脈沖成電脈沖，是數控機床上使用很廣泛的位置檢測裝置。脈沖編碼器可分為增量式與絕對式兩類。編碼器可分為增量式與絕對式兩類。v 1. 1. 絕對式編碼器絕對式編碼器v 絕對式編碼器是一種旋轉式檢測裝置，可直接把被測轉絕對式編碼器是一種旋轉式檢測裝置，可直接把被測轉角用數字代碼表示出來，且每一個角度位置均有其對應的測角用數字代碼表示出來，且每一個角度位置均有其對應的測量代碼，它能表示絕對

17、位置，沒有累積誤差，電源切除后，量代碼，它能表示絕對位置，沒有累積誤差，電源切除后，位置信息不丟失，仍能讀出轉動角度。絕對式編碼器有光電位置信息不丟失，仍能讀出轉動角度。絕對式編碼器有光電式、接觸式和電磁式三種。式、接觸式和電磁式三種。 第六章第六章 位置檢測裝置位置檢測裝置12360nn n位編碼盤位編碼盤當碼道為十八條當碼道為十八條 =0.0014=0.0014 第六章第六章 位置檢測裝置位置檢測裝置2. 2. 增量式脈沖編碼器增量式脈沖編碼器 增量式脈沖編碼器分光電式、接觸式和電磁感應式增量式脈沖編碼器分光電式、接觸式和電磁感應式三種。就精度和可靠性來講，光電式脈沖編碼器優(yōu)于其三種。就精

18、度和可靠性來講，光電式脈沖編碼器優(yōu)于其它兩種，它的型號是用脈沖數它兩種，它的型號是用脈沖數/ /轉（轉（p/rp/r）來區(qū)分，數控）來區(qū)分，數控機床常用機床常用20002000、25002500、3000p/r3000p/r等，現在已有每轉發(fā)等，現在已有每轉發(fā)1010萬萬個脈沖的脈沖編碼器。脈沖編碼器除用于角度檢測外，個脈沖的脈沖編碼器。脈沖編碼器除用于角度檢測外，還可以用于速度檢測。還可以用于速度檢測。第六章第六章 位置檢測裝置位置檢測裝置 第六章第六章 位置檢測裝置位置檢測裝置四、光柵四、光柵光學測量元件光學測量元件分類：分類：透射光柵透射光柵反射光柵反射光柵透射光柵：透射光柵：采用經磨制

19、的光學玻璃或在玻璃表面感光材料的涂采用經磨制的光學玻璃或在玻璃表面感光材料的涂層上刻成光柵線紋。層上刻成光柵線紋。特點：特點：光源可以采用垂直入射光，光電元件直接接受光照。因光源可以采用垂直入射光，光電元件直接接受光照。因此信號幅值比較大，信噪比好。光電轉換器結構簡單，此信號幅值比較大，信噪比好。光電轉換器結構簡單， 如線如線性密度性密度200200線線/mm/mm。缺點：缺點：玻璃易破裂，熱脹系數與金屬部件不一致，影響測量精玻璃易破裂，熱脹系數與金屬部件不一致，影響測量精度。度。第六章第六章 位置檢測裝置位置檢測裝置反射光柵：反射光柵：光柵和機床金屬部件的線膨脹系數一致，接長方光柵和機床金屬

20、部件的線膨脹系數一致，接長方便。也可用鋼帶做成長達數米的長光柵。便。也可用鋼帶做成長達數米的長光柵。缺點：缺點：為了使反射后的莫爾系數反差較大，每毫米內線紋不為了使反射后的莫爾系數反差較大，每毫米內線紋不宜多，常用宜多，常用4 4、1010、2525、4040、5050線線/mm/mm。組成：組成：標尺光柵：安裝在機床的固定部件上標尺光柵：安裝在機床的固定部件上指示光柵：安裝在機床的移動部件上指示光柵：安裝在機床的移動部件上它們之間保持它們之間保持0.05mm0.05mm或或0.1mm0.1mm的間隙。的間隙。相互平行相互平行第六章第六章 位置檢測裝置位置檢測裝置工作原理：（透射光柵）工作原理

21、：（透射光柵）標尺光柵標尺光柵指示光柵指示光柵第六章第六章 位置檢測裝置位置檢測裝置 若標尺光柵和指示光柵的柵距相等，指示光柵在其自身平面若標尺光柵和指示光柵的柵距相等，指示光柵在其自身平面內相對于標尺光柵傾斜一個很小的角度，兩塊光柵的刻線就會相內相對于標尺光柵傾斜一個很小的角度，兩塊光柵的刻線就會相交。當燈光通過聚光鏡呈平行光線垂直照射在標尺光柵上，在兩交。當燈光通過聚光鏡呈平行光線垂直照射在標尺光柵上，在兩塊光柵線相交的鈍角平分線上，出現明暗交替、間隔相等的粗短塊光柵線相交的鈍角平分線上，出現明暗交替、間隔相等的粗短條紋，條紋，稱之為橫向莫爾條紋。稱之為橫向莫爾條紋。莫爾條紋的形成莫爾條紋

22、的形成第六章第六章 位置檢測裝置位置檢測裝置特點特點： 由于光柵的刻線可以制作十分精確，同時莫爾條紋對刻由于光柵的刻線可以制作十分精確，同時莫爾條紋對刻線局部誤差有均化作用，因此，柵距誤差對測量精度影響較小。線局部誤差有均化作用，因此，柵距誤差對測量精度影響較小。也可采用信號。也可采用信號。 在檢測過程中，標尺光柵與指示光柵不直接接觸，沒有在檢測過程中，標尺光柵與指示光柵不直接接觸，沒有磨損，因而精度可以長期保持。磨損，因而精度可以長期保持。 光線刻線要求很精確，兩光柵之間的間隙及傾斜角都要光線刻線要求很精確，兩光柵之間的間隙及傾斜角都要求保持不變，制造調試比較困難。光學系統(tǒng)易受外界的影響產求

23、保持不變，制造調試比較困難。光學系統(tǒng)易受外界的影響產生誤差，同時又有灰塵、油、冷卻液等污物的侵入，易使光學生誤差，同時又有灰塵、油、冷卻液等污物的侵入，易使光學系統(tǒng)變質。系統(tǒng)變質。第六章第六章 位置檢測裝置位置檢測裝置五、磁柵五、磁柵 磁柵又稱磁尺，是一種采用電磁方法記錄磁波數目的位磁柵又稱磁尺，是一種采用電磁方法記錄磁波數目的位置檢測裝置。置檢測裝置。 組成：組成： 磁性標尺、磁頭和檢測電路磁性標尺、磁頭和檢測電路 利用錄磁的原理將一定周期變化的方法，正弦波或脈沖利用錄磁的原理將一定周期變化的方法，正弦波或脈沖電信號，用錄磁磁頭記錄在磁性標尺的磁膜上，作為測量的電信號，用錄磁磁頭記錄在磁性標尺的磁膜上，作為測量的基準。檢測時，用拾磁磁頭將磁性標尺上的磁信號轉換成電基準。檢測時，用拾磁磁頭將磁性標尺上的磁信號轉換成電信號，經過檢測電路處理后，用以計量磁頭相對磁尺之間的信號，經