項目4位置檢測傳感器及應(yīng)用要點說課材料

項目4位置檢測傳感器及應(yīng)用要點技能目標

具備識別檢測裝置的能力；具備依據(jù)功能需要選擇不同檢測裝置的能力。項目案例導(dǎo)入

無論是外螺紋還是內(nèi)螺紋，數(shù)控加工時都不能夠一次完成，需要重復(fù)切削才能完成加工。所以在整個加工過程中必須保證每次重復(fù)切削，進刀的起始位置必須相同，才能保證不會出現(xiàn)亂扣的現(xiàn)象發(fā)生，數(shù)控機床是如何檢測并保證螺紋車刀進刀點和退刀點的正確呢？下面我們通過本章的項目來一步步地揭開其中的奧秘。4.1檢測元件基礎(chǔ)知識4.2角編碼器4.3光柵測量裝置4.4旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)同步器4.5磁柵4.6內(nèi)容小結(jié)4.7思考與練習(xí)4.1檢測元件基礎(chǔ)知識

4.1.1概述4.1.2檢測元件分類4.1.1概述

數(shù)控機床對檢測元件的要求有：1）壽命長，可靠性高，抗干擾性強。2）滿足速度、精度和測量范圍的要求。3）使用維護方便，適合機床運行環(huán)境，成本低。4）易于實現(xiàn)高速動態(tài)測量和處理，易于實現(xiàn)自動化。不同類型的數(shù)控機床對檢測元件的精度與速度的要求不同。一般來說，對于大型數(shù)控機床以滿足速度要求為主，而對于中小型和高精度數(shù)控機床以滿足精度要求為主。一般要求測量元件的分辨率比加工精度高一個數(shù)量級。

4.1.2檢測元件分類

1．直接檢測和間接檢測：若位置檢測裝置所測量的對象就是被測量本身，即直線式測直線位移，旋轉(zhuǎn)式測角位移，則該測量方式稱為直接測量。典型的直線位置檢測裝置由光柵、感應(yīng)同步器和磁柵等，旋轉(zhuǎn)位置檢測裝置有光電編碼器及旋轉(zhuǎn)變壓器等。2．增量式測量和絕對式測量按照檢測裝置的編碼方式可分為增量式測量和絕對式測量。增量式測量的特點是只測位移增量，即工作臺每移動一個基本的長度單位，檢測裝置便發(fā)出一個測量信號，此信號通常是脈沖形式，這樣，一個脈沖所代表的基本長度就是分辨力，而通過脈沖計數(shù)可得到實際位移量。絕對式測量的特點是，被測的任一點的位置都是由同一個固定的零點算起，每一被測點都有一個對應(yīng)的測量值，常以數(shù)據(jù)形式表示。

3．接觸式測量和非接觸式測量接觸式測量在檢測中，檢測傳感器與被測對象間存在著機械聯(lián)系，因此機床本身的膨脹、振動等因素會對測量產(chǎn)生影響。非接觸式測量的檢測傳感器與被測對象間是分離的，不發(fā)生機械聯(lián)系。4．數(shù)字式測量和非數(shù)字式測量數(shù)字式測量是以量化后的數(shù)字形式表示被測量。數(shù)字式測量的特點是測量裝置簡單，信號抗干擾能力強，且便于顯示處理。模擬式測量是被測得量用連續(xù)的變量表示。4.2角編碼器

4.2.1分類和結(jié)構(gòu)

角編碼器又稱編碼器，是一種旋轉(zhuǎn)式的測量元件，通常裝在被測軸長，隨被測軸一起轉(zhuǎn)動，可以將被測的角位移轉(zhuǎn)化車觀念增量脈沖形式或絕對脈沖形式。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式不同可分為接觸式、光電式和電磁式三種。光電式碼盤按每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)的多少來分，又有多種型號。根據(jù)數(shù)控機床滾珠絲杠螺距來選用相應(yīng)的碼盤。光電編碼器的實物圖例4.2.2編碼器的工作原理

1．接觸式碼盤接觸式碼盤是一種絕對式的檢測裝置，可直接把被測轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來，且一個角度位置均有其對應(yīng)得測量代碼，一次這種測量方式即使斷電或切斷電源，也能讀出轉(zhuǎn)動角度。接觸式碼盤特點;體積小，輸出信號功率大。但易于磨損，壽命短且轉(zhuǎn)速不能太高。接觸式碼盤所能分辨的角度為

分辨率=（a）4位二進制碼盤（b）4位格雷碼盤接觸式碼盤（a）（c）（b）2．光電式碼盤光電式碼盤是一種光電式轉(zhuǎn)角檢測裝置。碼盤用透明及不透明的區(qū)域按一定編碼構(gòu)成。根據(jù)其編碼方式不同，可分為增量式和絕對式。增量式光電碼盤可通過光電轉(zhuǎn)換將被測軸的角位移增量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)得脈沖數(shù)字量，然后由微機數(shù)控系統(tǒng)或計數(shù)器計數(shù)得到角位移量和直線位移量。由于增量式光電碼盤每轉(zhuǎn)過一個分辨角就發(fā)出一個脈沖信號，由此得出結(jié)論：（1）根據(jù)脈沖的數(shù)目可得出工作軸的回轉(zhuǎn)角度，然后由傳動速比換算為直線位移距離。（2）根據(jù)脈沖的頻率可得工作軸的轉(zhuǎn)速。（3）根據(jù)光欄板上兩條狹縫中信號的先后順序（相位）可判斷光電碼盤的正反轉(zhuǎn)。光電碼盤的特點是沒有接觸磨損，碼盤壽命長，允許轉(zhuǎn)速高，精度較高。缺點為結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高，光源壽命短。而就碼盤材料來講，薄鋼板和鋁板所制成的光點碼盤要比玻璃制的抗震性能好，耐不潔環(huán)境，且造價低。但由于槽數(shù)受限，所以分辨力較后者低。4.2.3碼盤在數(shù)控機床中的應(yīng)用

1．位移測量

碼盤在數(shù)控機床中用于工作臺或刀架的直線位移測量有兩種安裝方式：一是和伺服電機同軸聯(lián)接在一起（稱為內(nèi)裝式碼盤），伺服電動機再和滾珠絲杠聯(lián)接，碼盤在進給傳動鏈的前端；二是碼盤聯(lián)接在滾珠絲杠末端（稱為外裝式碼盤）。由于后者包含的進給傳動鏈誤差比前者多，因此，在半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，后者的位置控制精度比前者高。

2．主軸控制

（1）主軸旋轉(zhuǎn)與坐標軸進給的同步控制

（2）恒線速切削控制

3．測速

光電碼盤輸出脈沖的頻率與其轉(zhuǎn)速成正比，因此光電碼盤可代替測速發(fā)電機的模擬測速而成為數(shù)字測速裝置。數(shù)字測速方法有：M法測速、T法測速和M/T法測速。

4．在交流伺服電動機中的應(yīng)用

4.2.4手搖脈沖發(fā)生器1．特點：工作原理同脈沖編碼器，每轉(zhuǎn)產(chǎn)生1000個脈沖，常常是每個脈沖移動1μm的距離，信號波幅為5伏。2．作用（1）慢速對刀用。（2）手動調(diào)整機床用。4.3光柵測量裝置

光柵是在玻璃或金屬基體上均勻地刻劃很多等節(jié)距的線紋而制成的。光柵的種類繁多。一般講，可分為物理光柵和計量光柵。計量光柵根據(jù)形狀可分為長光柵和圓光柵。長光柵用于直線位移測量，因而又稱直線光柵；圓光柵用于角位移測量。直線光柵尺實物圖4.3.1光柵的結(jié)構(gòu)

在光柵的測量中，通常由一長一短兩塊光柵尺配套使用，其中長的一塊稱為主光柵或標尺光柵，隨運動部件移動，要求與行程等長。短的一塊稱為指示光柵，固定在機床相應(yīng)部件上。4.3.2莫爾條紋的作用

橫向莫爾條紋參數(shù)間的關(guān)系因為BC=AB其中BC=τ/2，AB=W所以W=由于值很小，≈所以上式可簡化成

橫向莫爾條紋橫向莫爾條紋參數(shù)莫爾條紋有如下特點：1．起放大作用2．莫爾條紋的移動與柵距的移動成比例4.3.3光柵測量系統(tǒng)

1．光柵測量系統(tǒng)光柵測量的基本電路2．信號處理光柵尺輸出信號有兩種：一種是正弦波信號；另一種是方波信號。（1）倍頻處理（2）方向判別4.4旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)同步器

4.4.1旋轉(zhuǎn)變壓器1．工作原理

旋轉(zhuǎn)變壓器可分為單極和多極型式。所謂單極型就是旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子各有一對磁極，如果加到定子繞組的勵磁電壓為，則轉(zhuǎn)子通過電磁耦合，產(chǎn)生感應(yīng)電壓。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到使它的繞組磁軸和定子繞組磁軸垂直時轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電壓；當轉(zhuǎn)子繞組的磁軸自垂直位置轉(zhuǎn)過一定的角度時，轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為

2．工作方式在正、余弦變壓器中，定子上的兩個繞組分別為正弦繞組和余弦繞組，如果把轉(zhuǎn)子的一個繞組短接，而定子的兩個繞組中分別通以勵磁電壓，應(yīng)用疊加原理，可得兩種典型的工作方式。（1）相位工作方式

給定子的正、余弦繞組中分別通以同幅、同頻，但相位相差π/2的交流勵磁電壓

（2）幅值工作方式給定的兩個繞組分別通以同頻率、同相位但幅值不同的交流勵磁電壓

3．旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)從轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓的輸出方式來看，旋轉(zhuǎn)變壓器分為有刷和無刷兩種類型。無刷旋轉(zhuǎn)變壓器由兩部分組成：一部分稱分解器，由旋轉(zhuǎn)變壓器的定子和轉(zhuǎn)子組成；另一部分稱變壓器，用它取代電刷和磁環(huán)，其一繞組與分解器的轉(zhuǎn)子軸固定在一起，與轉(zhuǎn)子軸一起旋轉(zhuǎn)，分解器中的轉(zhuǎn)子輸出信號接在變壓器的一次繞組上，變壓器的二次繞組與分解器中的定子一樣固定在旋轉(zhuǎn)變壓器的殼體上。工作時，分解器的定子繞組外加勵磁電壓，轉(zhuǎn)子繞組即耦合出與偏轉(zhuǎn)角相關(guān)的感應(yīng)電壓，此信號接在變壓器的一次繞組上，經(jīng)耦合由變壓器的二次繞組輸出。

4.4.2感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器也是一種電磁式的位置檢測傳感器，用于直線位移測量。其特點及使用范圍和光柵相似，但和光柵比，它的抗干擾較強，對環(huán)境要求低，機械結(jié)構(gòu)簡單，大量程接長方便，加之成本較低，所以雖然精度上不如光柵，但在數(shù)控機床檢測系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

1．感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)感應(yīng)同步器按其結(jié)構(gòu)可分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種。2．感應(yīng)同步器的工作原理感應(yīng)同步器的工作原理為當勵磁繞組與感應(yīng)繞組發(fā)生相對位移時，即滑尺和定尺發(fā)生相對移動時，由于電磁耦合的變化使感應(yīng)繞組中的感應(yīng)電壓隨位移的變化而變化。3．工作方式根據(jù)勵磁繞組中勵磁供電方式的不同，感應(yīng)同步器又可分為相位工作方式和幅值工作方式。（1）相位工作方式（2）幅值工作方式4.5磁柵

磁柵是利用電磁特性來進行機械位移的檢測。主要用于大型機床和精密機床作為位置或位移量的檢測元件。磁柵和其他類型的位移傳感器相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、動態(tài)范圍大（1~20m）和磁信號可以重新錄制等特點。其缺點是需要屏蔽和防塵。磁柵是利用電磁特性來進行機械位移的檢測。主要用于大型機床和精密機床作為位置或位移量的檢測元件。磁柵和其他類型的位移傳感器相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、動態(tài)范圍大（1~20m）和磁信號可以重新錄制等特點。其缺點是需要屏蔽和防塵。4.5.1磁柵的結(jié)構(gòu)和工作原理

磁柵式位移傳感器的結(jié)構(gòu)原理如圖4.13所示。它由磁尺（磁柵）、磁頭和檢測電路等部分組成。磁尺是采用錄磁的方法，在一根基體表面涂有磁性膜的尺子上，記錄下一定波長的磁化信號，以此作為基準刻度標尺。磁頭把磁柵上的磁信號檢測出來并轉(zhuǎn)換成電信號。檢測電路主要用來供給磁頭激勵電壓和磁頭檢測到的信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號輸出。1—磁性膜8—基體3—磁尺4—磁頭5—鐵芯6—勵磁繞組7—拾磁繞組圖4.13磁柵工作原理4.5.2磁柵的測量方式磁柵的測量方式有鑒幅測量方式和鑒相測量方式。(1)鑒幅測量方式(2)鑒相測量方式4.6本章小結(jié)

在數(shù)控機床中，為了實現(xiàn)位置控制，必須有位置檢測裝置用于數(shù)控機床運動部件的位移檢測。數(shù)控機床中常用的位置檢測裝置有光柵、編碼器、感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器及測速發(fā)電機等。從測量方式上看有直接測量和間接測量；從測量裝置的原理和輸出信號看有絕對式測量和增量式測量及數(shù)字式測量和模擬式測量。

旋轉(zhuǎn)編碼器常見的形式有增量式的光電編碼器和絕對式的碼盤，前者輸出的“六脈沖”用于計數(shù)、辨向和零標志；后者輸出二進制數(shù)據(jù)，如BCD碼或格雷碼。光電編碼器除了用于位移測量外，還可用于數(shù)字式測速等場合。

光柵尺是一種高精度的直線位移檢測裝置。通過光電轉(zhuǎn)換，對莫爾條紋進行計數(shù)，得到移動部件的位移及