常見的位置檢測元件

9.1常見的位置檢測元件

一、位置檢測裝置的要求

位置檢測裝置是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。在閉環(huán)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，它的主要作用是檢測位移和速度，并發(fā)出反饋信號，構(gòu)成閉環(huán)或半閉環(huán)控制。閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床的加工精度主要取決于檢測系統(tǒng)的精度數(shù)控機(jī)床對位置檢測裝置的要求如下：（1）

工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)；（2）

滿足精度和速度的要求；（3）易于安裝，維護(hù)方便，適應(yīng)機(jī)床工作環(huán)境；（4）

成本低。二、位置檢測裝置的分類（一）數(shù)字式測量和模擬式測量

1.

數(shù)字式測量

它是將被測的量以數(shù)字形式來表示，測量信號一般為電脈沖，可以直接把它送到數(shù)控裝置進(jìn)行比較、處理。如光柵位置檢測裝置。數(shù)字式測量特點(diǎn)：被測的量轉(zhuǎn)換為脈沖個(gè)數(shù)便與顯示和處理；測量精度取決于測量單位，與量程基本無關(guān)。測量裝置簡單，信號抗干擾能力強(qiáng)。

2.

模擬量測量

它是將被測的量用連續(xù)變量來表示，如電壓變化、相位變化等。它對信號處理的方法相對來說比較復(fù)雜。測量特點(diǎn)：直接測量被測的量，無需變換。在小量程內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高精度的測量。如用旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)同步器（二）

增量式測量和絕對式測量

1.增量式測量

在輪廓控制數(shù)控機(jī)床上多采用這種測量方式，增量式測量只測相對位移量，如測量單位為0.001mm，則每移動(dòng)0.001mm就發(fā)出一個(gè)脈沖信號，其優(yōu)點(diǎn)是測量裝置較簡單，任何一個(gè)對中點(diǎn)都可以作為測量的起點(diǎn)，而移距是由測量信號計(jì)數(shù)累加所得，但一旦計(jì)數(shù)有誤，以后測量所得結(jié)果完全錯(cuò)誤。

2.絕對式測量

絕對式測量裝置對于被測量的任意一點(diǎn)位置均由固定的零點(diǎn)標(biāo)起，每一個(gè)被測點(diǎn)都有一個(gè)相應(yīng)的測量值。測量裝置的結(jié)構(gòu)較增量式復(fù)雜，如編碼盤中，對應(yīng)于碼盤的每一個(gè)角度位置便有一組二進(jìn)制位數(shù)。顯然，分辨精度要求愈高，量程愈大，則所要求的二進(jìn)制位數(shù)也愈多，結(jié)構(gòu)就愈復(fù)雜。（三）直接測量和間接測量1.直接測量直接測量是將直線型檢測裝置安裝在移動(dòng)部件上，用來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，從而構(gòu)成位置閉環(huán)控制。其優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確性高、可靠性好，缺點(diǎn)是測量裝置要和工作臺行程等長，所以在大型數(shù)控機(jī)床上受到一定限制。2.間接測量它是將旋轉(zhuǎn)型檢測裝置安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸或滾珠絲杠上，通過檢測轉(zhuǎn)動(dòng)件的角位移來間接測量機(jī)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。

優(yōu)點(diǎn)是測量方便、無長度限制。缺點(diǎn)是測量信號中增加了由回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)鏈誤差，從而影響了測量精度。

9.1.1

感應(yīng)同步器

一、結(jié)構(gòu)與工作原理感應(yīng)同步器為電磁式檢測裝置，屬模擬式測量，其輸出電壓隨被測直線位移或角位移而改變。感應(yīng)同步器按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一般分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種：直線式感應(yīng)同步器由定尺和滑尺組成，用于直線位移測量。旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成，用于角位移測量。以直線式感應(yīng)同步器為例，介紹其結(jié)構(gòu)和工作原理。

U0

定尺

滑尺正弦繞組UsUc余弦繞組

圖1-1直線感應(yīng)同步器結(jié)構(gòu)

感應(yīng)同步器三、感應(yīng)同步器的特點(diǎn)及使用注意事項(xiàng)由于感應(yīng)同步器具有一系列優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛用于位置檢測（1）精度高。感應(yīng)同步器系直接對機(jī)床位移進(jìn)行測量，中間不經(jīng)過任何機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置，測量精度只受本身精度的限制。（2）可拼接成各種需要的長度。根據(jù)測量長度的需要，采用多塊定尺接長，相鄰定尺間隔也可以調(diào)整。（3）對環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)。直線式感應(yīng)同步器金屬基尺與安裝部件的材料的膨脹系數(shù)相近，當(dāng)溫度變化時(shí)，二者的變化規(guī)律相同，而不影響測量精度。（4）使用壽命長。由于辦應(yīng)同步器定尺和滑尺之間沒有直接接觸，因而沒有磨損，所以壽命長。（5）注意安裝間隙。9.1.2

光柵

光柵是數(shù)控機(jī)床和數(shù)顯系統(tǒng)常用的測量元件，可用作位移或轉(zhuǎn)角的檢測，且測量輸出的信號為數(shù)字脈沖，是數(shù)控閉環(huán)系統(tǒng)用得較多的一種檢測裝置

光柵位置檢測裝置的特點(diǎn)1、測量精度高。由于光柵的刻線可以制作十分精確，同時(shí)莫爾條紋對刻線局部誤差有均化作用，柵距誤差對測量精度影響較?。灰部梢圆捎帽额l的方法來提高分辨精度。2、精度保持時(shí)間長。因標(biāo)尺光柵和指示光柵不直接接觸，沒有磨損，因而精度可以長時(shí)間保持。3、制造困難。光柵刻線要求很精確，兩光柵之間的間隙及傾角都要求保持不變，故制造困難。光學(xué)系統(tǒng)易受外界的影響產(chǎn)生誤差。對工作環(huán)境要求也較高。

圖1-2光柵測量系統(tǒng)光柵光柵檢測原理9.1.3

光電脈沖編碼器

脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，能把機(jī)械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，是數(shù)控機(jī)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。絕對式編碼器與增量式編碼器相比有哪些特點(diǎn)1、坐標(biāo)值從絕對編碼盤中直接讀出，不會有累計(jì)誤差2、運(yùn)轉(zhuǎn)速度可以提高。3、編碼器本身具有機(jī)械式存儲功能，因停電或其它原因造成坐標(biāo)值清除，通電后仍能找到原絕對坐標(biāo)。4、當(dāng)進(jìn)給轉(zhuǎn)速大于一轉(zhuǎn)，需要作特別處理。

圖1-3光電式脈沖編碼器（增量式）結(jié)構(gòu)示意圖增量型光電編碼器絕對式光電脈沖編碼器的編碼盤格雷碼讀數(shù)的觸點(diǎn)或光電元件誤碼率降低。經(jīng)轉(zhuǎn)換得到二進(jìn)制數(shù)

數(shù)控機(jī)床由四個(gè)基本部分組成，即控制介質(zhì)、數(shù)控裝置(或計(jì)算機(jī))、伺服系統(tǒng)和機(jī)床本體。其中伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部件，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，產(chǎn)生進(jìn)給脈沖的數(shù)控裝置是否能夠以足夠高的速度與精度進(jìn)行計(jì)算，關(guān)鍵在于數(shù)控伺服系統(tǒng)能以多高的速度與精度去執(zhí)行。9.2伺服系統(tǒng)9.2.1伺服系統(tǒng)概述1.伺服系統(tǒng)概述伺服系統(tǒng)的可靠性很重要，因?yàn)殡S著微機(jī)可靠性的提高，故障主要來自伺服系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要有兩種:進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。從作用看，前者是控制機(jī)床各坐標(biāo)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，后者是控制機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。伺服概念：這是英文servo的諧音，念起來與外文的伺服發(fā)音差不多。但伺服這個(gè)字就是“侍候”，就是非常聽話，讓走到哪，就走到哪。在數(shù)控機(jī)床中，由計(jì)算機(jī)發(fā)出指令脈沖，讓哪一個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)拖著工作臺動(dòng)，這一臺電動(dòng)機(jī)就動(dòng)，而且這臺電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)的距離，完全按著計(jì)算機(jī)的指令行事，非常準(zhǔn)確無誤地完成指令要求的任務(wù)。很顯然，伺服系統(tǒng)所以能作到這一點(diǎn)，也是非常不容易的。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)拖著一個(gè)重量很重的工作臺，而且摩擦力隨著季節(jié)、新舊程度、潤滑狀態(tài)等因素而變化，控制了一個(gè)穩(wěn)定速度，精確定位，可以想象其難度之大。但是隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們不斷從生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，一步一步找到了好的控制辦法，這就是三環(huán)結(jié)構(gòu)。這三個(gè)環(huán)就是位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。（1）、位置環(huán)也稱為外環(huán)，其輸人信號是計(jì)算機(jī)給出的指令和位置檢側(cè)器反饋的位置信號。這個(gè)反饋是負(fù)反饋，也就是說與指令信號相位相反。指令信號是向位置環(huán)送去加數(shù)，而反饋信號是送去減數(shù)。位置環(huán)的輸出就是速度環(huán)的輸入。（2）、速度環(huán)也稱為中環(huán)，這個(gè)環(huán)是一個(gè)非常重要的環(huán)，它的輸人信號有兩個(gè)：一個(gè)是位置環(huán)的輸出，做為速度環(huán)的指令信號送給速度環(huán)；另一個(gè)由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的測速發(fā)電機(jī)經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)處理后的信息，做為負(fù)反饋送給速度環(huán)。速度環(huán)的兩個(gè)輸人信號也是反相的。一個(gè)是加，一個(gè)是減。速度環(huán)的輸出就是電流環(huán)的指令輸入信號。（3）、電流環(huán)也叫做內(nèi)環(huán)，電流環(huán)也有兩個(gè)輸人信號，一個(gè)是速度環(huán)抽出的指令信號；另一個(gè)經(jīng)電流互感器，并經(jīng)處理后得到的電流信號，它代表電動(dòng)機(jī)電樞回路的電流，它送人電流環(huán)也是負(fù)反饋。電流環(huán)的輸出是一個(gè)電壓模擬信號，用它來控制PWM電路，產(chǎn)生相應(yīng)的占空比信號去觸發(fā)功率變換單元電路，使電動(dòng)機(jī)獲得一個(gè)與計(jì)算機(jī)指令相關(guān)的，并與電動(dòng)機(jī)位置、速度、電流相關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)。這個(gè)運(yùn)行狀態(tài)滿足計(jì)算機(jī)指令的要求。關(guān)于位置反饋網(wǎng)絡(luò)、速度反饋網(wǎng)絡(luò)、電流反饋網(wǎng)絡(luò)到底是什么樣子可以這么說，有時(shí)是非常簡單的一個(gè)電位器，或者是一個(gè)濾波電路，但有時(shí)確實(shí)是一個(gè)復(fù)雜的邏輯關(guān)系。在這里不做詳細(xì)的敘述。通訊ASIC位置測量傳感器位置實(shí)際值速度實(shí)際值電流實(shí)際值電流測量傳感器Gatingunit通訊進(jìn)給控制速度控制電流控制轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)總線驅(qū)動(dòng)模塊EM1FT6電機(jī)編碼器2.數(shù)控機(jī)床對伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)包括進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和主軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)兩部分。根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)(CNC)發(fā)出的動(dòng)作指令，伺服系統(tǒng)準(zhǔn)確、快速地完成各坐標(biāo)軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，與主軸驅(qū)動(dòng)相配合，實(shí)現(xiàn)對工件的高精度加工。因此，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的一個(gè)重要的組成部分，其性能的優(yōu)劣，直接影響零件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。此外，它的價(jià)格，在整個(gè)數(shù)控機(jī)床的成本構(gòu)成中也占有相當(dāng)大的份額。一個(gè)多功能的高性能數(shù)控系統(tǒng)必須配置與之相適應(yīng)的高性能伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，才能充分發(fā)揮出整個(gè)數(shù)控機(jī)床的性能。不同類型的數(shù)控機(jī)床，對伺服系統(tǒng)的要求也不盡相同。同一數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)對伺服系統(tǒng)的要求也有很大差別。歸根到底，數(shù)控機(jī)床對伺服控制的要求，與任何系統(tǒng)對伺服控制的要求一樣，包括精度、快速性與穩(wěn)定性三個(gè)方面。數(shù)控機(jī)床的精度，除了受到機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)精度的影響之外，主要取決于伺服系統(tǒng)的調(diào)速范圍的大小和伺服系統(tǒng)最小分辨率精度。高精度的機(jī)床為了保證尺寸精度和表面粗糙度的水平。數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)，實(shí)際上是一個(gè)位置隨動(dòng)系統(tǒng)。同任何一個(gè)位置隨動(dòng)系統(tǒng)一樣，當(dāng)指令位移以某一速度變化時(shí)，實(shí)際位移必須比指令位移滯后，這就是所謂跟隨誤差、，當(dāng)數(shù)控機(jī)床的各坐標(biāo)軸以不同的速度和不同的方向同時(shí)位移時(shí)，跟隨誤差就會造成加工尺寸和形狀的誤差。切削進(jìn)給的速度越快，跟隨誤差對精度的影響就越大。提高伺服系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，是減小跟隨誤差，提高進(jìn)給速度的根本措施。但伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度并不是可以無限制提高的，并且任何的提高都要以成本的上升為代價(jià)。所以對伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度的要求要限制在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)。在一般情況下，數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給響應(yīng)時(shí)間應(yīng)該在2mS以內(nèi)。穩(wěn)定是對伺服系統(tǒng)的最基本的要求。數(shù)控機(jī)床的工作臺上，往往需要安裝卡具和工件，從面使伺服系統(tǒng)的負(fù)載慣量發(fā)生變化，為此要求伺服系統(tǒng)必須具有一定穩(wěn)定裕量，以保證當(dāng)工件重在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，不因發(fā)生振蕩而影響加工精度。1．精度高

伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。包括定位精度和輪廓加工精度。2．穩(wěn)定性好穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。直接影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度。3．快速響應(yīng)

快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。4．調(diào)速范圍寬調(diào)速范圍是指生產(chǎn)機(jī)械要求電機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。0～24m/min。5．低速大轉(zhuǎn)矩進(jìn)給坐標(biāo)的伺服控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制，在整個(gè)速度范圍內(nèi)都要保持這個(gè)轉(zhuǎn)矩；主軸坐標(biāo)的伺服控制在低速時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩控制，能提供較大轉(zhuǎn)矩。在高速時(shí)為恒功率控制，具有足夠大的輸出功率。（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)

（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)

（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)指令驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)工作臺脈沖伺服電機(jī)速度檢測速度控制位置控制位置檢測伺服電機(jī)速度控制位置控制工作臺脈沖編碼器指令3.伺服系統(tǒng)常見的控制方法開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)沒有位置測量裝置，信號流是單向的（數(shù)控裝置→進(jìn)給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件A相、B相C相、…f、nCNC插補(bǔ)指令脈沖頻率f脈沖個(gè)數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大

無位置反饋，精度相對閉環(huán)系統(tǒng)來講不高，其精度主要取決于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能和精度。一般以功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動(dòng)元件。這類系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在精度和速度要求不高、驅(qū)動(dòng)力矩不大的場合得到廣泛應(yīng)用。一般用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖所示，是從驅(qū)動(dòng)裝置(常用伺服電機(jī))或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測，不是直接檢測運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可對這類誤差進(jìn)行補(bǔ)償，因而仍可獲得滿意的精度。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代CNC機(jī)床中得到了廣泛應(yīng)用。全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點(diǎn)如圖的虛線所示，直接對運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置進(jìn)行檢測。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋從理論上講，可以消除整個(gè)驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動(dòng)量。具有很高的位置控制精度。由于位置環(huán)內(nèi)的許多機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試都相當(dāng)困難。該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機(jī)床等。9.2.2伺服系統(tǒng)的分類1.脈沖比較伺服系統(tǒng)：