位置檢測裝置

位置檢測裝置第一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五

進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)主要的子系統(tǒng)。如果說CNC裝置是數(shù)控系統(tǒng)的“大腦”，是發(fā)布“命令”的“指揮所”，那么進(jìn)給伺服系統(tǒng)則是數(shù)控系統(tǒng)的“四肢”，是一種“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”。它忠實(shí)地執(zhí)行由CNC裝置發(fā)來的運(yùn)動命令，精確控制執(zhí)行部件的運(yùn)動方向，進(jìn)給速度與位移量。而位置檢測裝置則是CNC系統(tǒng)的“五官”。第二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五第一節(jié)概述.進(jìn)給伺服系統(tǒng).定義：

進(jìn)給伺服系統(tǒng)(FeedServoSystem)——以移動部件的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)。第三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五

組成：進(jìn)給伺服系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：位置控制單元；速度控制單元；驅(qū)動元件(電機(jī))；檢測與反饋單元；機(jī)械執(zhí)行部件。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動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)際速度反饋第四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五二、組成及作用

組成：位置測量裝置是由檢測元件（傳感器）和信號處理裝置組成的。

作用：實(shí)時測量執(zhí)行部件的位移和速度信號，并變換成位置控制單元所要求的信號形式，將運(yùn)動部件現(xiàn)實(shí)位置反饋到位置控制單元，以實(shí)施閉環(huán)控制。它是閉環(huán)、半閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的重要組成部分。閉環(huán)數(shù)控機(jī)床的加工精度在很大程度上是由位置檢測裝置的精度決定的，在設(shè)計數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)，尤其是高精度進(jìn)給伺服系統(tǒng)時，必須精心選擇位置檢測裝置。第五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五三、進(jìn)給伺服系統(tǒng)對位置測量裝置的要求高可靠性和高抗干擾性：受溫度、濕度的影響小，工作可靠，精度保持性好，抗干擾能力強(qiáng)；能滿足精度和速度的要求：位置檢測裝置分辨率應(yīng)高于數(shù)控機(jī)床的分辨率（一個數(shù)量級）；位置檢測裝置最高允許的檢測速度應(yīng)數(shù)控機(jī)床的最高運(yùn)行速度。使用維護(hù)方便，適應(yīng)機(jī)床工作環(huán)境；成本低。第六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五四、位置檢測裝置的分類按輸出信號的形式分類：數(shù)字式和模擬式按測量基點(diǎn)的類型分類：增量式和絕對式按位置檢測元件的運(yùn)動形式分類：回轉(zhuǎn)型和直線型第七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五常用位置檢測裝置分類表第八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié).感應(yīng)同步器

感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)及分類結(jié)構(gòu)：二尺與導(dǎo)軌平行sincos節(jié)距2τ（2mm）節(jié)距（0.5mm）絕緣粘膠銅箔鋁箔耐切削液涂層基板(鋼、銅)定尺（連續(xù)感應(yīng)繞組）：固定在機(jī)床的固定部件滑尺（分段勵磁繞組：正弦+余弦）：固定在移動部件0.15~0.35mm第九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五

分類第十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五

感應(yīng)同步器的工作原理.

感應(yīng)同步器是利用勵磁繞組與感應(yīng)繞組間發(fā)生相對位移時，由于電磁耦合的變化，感應(yīng)繞組中的感應(yīng)電壓隨位移的變化而變化，借以進(jìn)行位移量的檢測。感應(yīng)同步器滑尺上的繞組是勵磁繞組，定尺上的繞組是感應(yīng)繞組。第十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五感應(yīng)同步器的工作原理U0U0θ1USUSUSUSUS定尺滑尺第十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五

感應(yīng)同步器的信號處理原理滑尺正旋繞組上加激磁電壓Us后，與之相耦合的定尺繞組上的感應(yīng)電壓為：

Uos=KUScosθ1滑尺余旋繞組上加激磁電壓Uc后，與之相耦合的定尺繞組上的感應(yīng)電壓為：

Uoc=KUccos（θ1+π/2）

=－KUcsinθ1第十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五滑尺正、余旋繞組上同時加激磁電壓Us、Uc時，感應(yīng)同步器的磁路可是為線性的，根據(jù)疊加原理，則與之相耦合的定尺繞組上的總感應(yīng)電壓為：

Uo=Uos+Uos=KUScosθ1－KUcsinθ1K—電磁感應(yīng)系數(shù)

θ1—定尺繞組上的感應(yīng)電壓的相位角第十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五

滑尺與定尺相對位移量x的求?。骸?τ:2π=x:θ1∴x=τθ1

／π結(jié)論：相對位移量x與相位角θ1呈線性關(guān)系，只要能測出相位角θ1，就可求得位移量x。根據(jù)滑尺正、余旋繞組上激磁電壓Us、Uc供電方式的不同可構(gòu)成不同檢測系統(tǒng)——-鑒相型系統(tǒng)和鑒幅型系統(tǒng)。第十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五

鑒相型系統(tǒng)的工作原理

在鑒相型系統(tǒng)中，激磁電壓是頻率、幅值相同，相位差為π/2的交變電壓：

US=UmsinωtUC=Umcosωt則：Uo=Uos+Uos=KUScosθ1－KUcsinθ1

=KUmsinωtcosθ1－KUmcosωt

sinθ1

=KUmsin（ωt－θ1）結(jié)論：只要能測出Uo與US相位差θ1，就可求得滑尺與定尺相對位移量x。第十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五

鑒幅型系統(tǒng)的工作原理

在鑒幅型系統(tǒng)中，激磁電壓是頻率、相位相同，幅值不同的交變電壓：

US=Umsinθ2sinωtUC=Umcosθ2sinωt

θ2=πx2

／τ（x2是指令位移值）

Uo=Uos+Uos=KUScosθ1－KUcsinθ1

=KUmsinθ2cosθ1sinωt－KUmcosθ2sinωtsinθ1=KUmsin（θ2－θ1）sinωt結(jié)論：只要能測出Uo與UC相位差θ1，就可求得滑尺與定尺相對位移量x。第十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五幾點(diǎn)說明感應(yīng)同步器的測量周期為其繞組的節(jié)距2τ（2mm）感應(yīng)同步器的測量精度取決于測量電路對輸出感應(yīng)電壓的細(xì)分精度?，F(xiàn)在商品化的感應(yīng)同步器的輸出大多是脈沖量，使其能方便地采用現(xiàn)代的數(shù)字處理技術(shù)第十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五6.感應(yīng)同步器的特點(diǎn)及使用注意事項(xiàng)

特點(diǎn)精度高：平均自補(bǔ)償特性；對環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)：抗?jié)瘛囟?、熱變形影響的能力?qiáng)；維護(hù)簡單、壽命長：非接觸測量，無磨損，精度保持性好。第十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五測量距離長：通過接長可滿足大行程測量的要求?！?lián)方式n<10串并聯(lián)方式n≥10第二十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五

使用注意事項(xiàng)

在安裝方面：保證安裝精度（安裝面的精度、定尺與滑尺的相對位置精度、接縫的調(diào)整精度）加裝防護(hù)裝置（避免切屑、油污、灰塵的影響）在電氣方面：要保證激磁電壓波形的對稱性和保真性。對鑒相系統(tǒng)：激磁電壓的幅值、頻率相等；相位差900對鑒幅系統(tǒng)：對Umsinθ2、Umcosθ2調(diào)制的精確性當(dāng)失真度大于2%時，將嚴(yán)重影響測量精度。第二十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五第三節(jié).編碼器

脈沖編碼器又稱碼盤，是一種回轉(zhuǎn)式數(shù)字測量元件，通常裝在被檢測軸上，隨被測軸一起轉(zhuǎn)動，可將被測軸的角位移轉(zhuǎn)換為增量脈沖形式或絕對式的代碼形式。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式碼盤可分為接觸式、光電式和電磁式3種。其中，光電碼盤在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用較多，而由霍爾效應(yīng)構(gòu)成的電磁碼盤則可用作速度檢測元件。另外，它還可分為絕對式和增量式兩種。第二十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五.增量脈沖編碼器

結(jié)構(gòu)及工作原理信號處理裝置abz碼盤基片透鏡光源光敏元件透光狹縫光欄板節(jié)距τm+τ/4第二十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五

光電碼盤隨被測軸一起轉(zhuǎn)動，在光源的照射下，透過光電碼盤和光欄板形成忽明忽暗的光信號，光敏元件把此光信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過信號處理裝置的整形、放大等處理后輸出。輸出的波形有六路：

其中，是的取反信號。AB90°Z……碼盤轉(zhuǎn)一圈第二十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五

輸出信號的作用及其處理A、B兩相的作用根據(jù)脈沖的數(shù)目可得出被測軸的角位移；根據(jù)脈沖的頻率可得被測軸的轉(zhuǎn)速；根據(jù)A、B兩相的相位超前滯后關(guān)系可判斷被測軸旋轉(zhuǎn)方向。后續(xù)電路可利用A、B兩相的90°相位差進(jìn)行細(xì)分處理（四倍頻電路實(shí)現(xiàn)）。ABCP90O第二十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五Z相的作用被測軸的周向定位基準(zhǔn)信號；被測軸的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)記數(shù)信號。的作用后續(xù)電路可利用A、兩相實(shí)現(xiàn)差分輸入，以消除遠(yuǎn)距離傳輸?shù)墓材８蓴_。Z……碼盤轉(zhuǎn)一圈共模干擾：一般指在兩根信號線上產(chǎn)生的幅度相等，相位相同的噪聲。

差模干擾：則是幅度相等，相位相反的的噪聲。

常用的差分線對共模干擾的抗干擾能力就非常強(qiáng)。第二十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五

增量式碼盤的規(guī)格及分辨率

規(guī)格增量式碼盤的規(guī)格是指碼盤每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的脈沖數(shù)；現(xiàn)在市場上提供的規(guī)格從36線/轉(zhuǎn)到10萬線

/轉(zhuǎn)都有；選擇：①伺服系統(tǒng)要求的分辨率；②考慮機(jī)械傳動系統(tǒng)的參數(shù)。分辨率（分辨角）α設(shè)增量式碼盤的規(guī)格為n線/轉(zhuǎn)：第二十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五.絕對式編碼器

結(jié)構(gòu)和工作原理碼盤基片上有多圈碼道，且每碼道的刻線數(shù)相等；對應(yīng)每圈都有光電傳感器；輸出信號的路數(shù)與碼盤圈數(shù)成正比；檢測信號按某種規(guī)律編碼輸出，故可測得被測軸的周向絕對位置。01011110011001111000100110101011110011110000000100100011010023222120第二十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五

絕對編碼盤的編碼方式及特點(diǎn)二進(jìn)制編碼：特點(diǎn)：編碼循序與位置循序相一致，但可能產(chǎn)生非單值性誤差。誤差分析：扇區(qū)邊界讀數(shù)時會出現(xiàn)兩個以上不同數(shù)字輸出——讀數(shù)模糊現(xiàn)象。01011110011001111000100110101011110011011111000000010010001101001111000023222120第二十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五

格雷碼（循環(huán)碼、葛萊碼）特點(diǎn)：任何兩個編碼之間只有一位是變化的，因而可把誤差控制在最小單位上。但編碼與位置循序無直接規(guī)律。111100011101110001000101011101100010001100001000100110111010111023222120第三十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五格雷碼的編碼方法它是從二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換而來的，轉(zhuǎn)換規(guī)則為：將二進(jìn)制碼與其本身右移一位后并舍去末位的數(shù)碼作不進(jìn)位加法，得出的結(jié)果即為格雷碼(循環(huán)碼)。例題：將二進(jìn)制碼0101轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的格雷碼：第三十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五

絕對式碼盤的規(guī)格及分辨率規(guī)格絕對式碼盤的規(guī)格與碼盤碼道數(shù)n有關(guān)；現(xiàn)在市場上提供從4道到18道都有；選擇：①伺服系統(tǒng)要求的分辨率；②考慮機(jī)械傳動系統(tǒng)的參數(shù)。分辨率（分辨角）α設(shè)絕對式碼盤的規(guī)格n道：

第三十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五.光電編碼器的特點(diǎn)非接觸測量，無接觸磨損，碼盤壽命長，精度保證性好；允許測量轉(zhuǎn)速高，精度較高；。光電轉(zhuǎn)換，抗干擾能力強(qiáng)；體積小，便于安裝，適合于機(jī)床運(yùn)行環(huán)境；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高，光源壽命短；碼盤基片為玻璃，抗沖擊和抗震動能力差。第三十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五4、磁性編碼器近年發(fā)展起來的新型編碼器，輸出形式與光學(xué)編碼器一樣，都是數(shù)字脈沖信號。特點(diǎn)：抗環(huán)境能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，壽命長，結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，將在很大程度上代替光學(xué)編碼器。類型：增量式絕對式磁敏電阻式勵磁環(huán)式強(qiáng)磁金屬半導(dǎo)體第三十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五第四節(jié)直線光柵

光柵的分類：物理光柵和計量光柵光柵的運(yùn)動方式：長光柵和圓光柵光線的走向：透射光柵和反射光柵第三十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五1.長光柵檢測裝置的結(jié)構(gòu)

一、長光柵檢測裝置的結(jié)構(gòu)

光柵的結(jié)構(gòu)

1-防護(hù)墊2-光柵讀數(shù)頭

3-標(biāo)尺光柵

4-防護(hù)罩

VS312431245標(biāo)尺光柵光柵讀數(shù)頭

1-光源

2-準(zhǔn)直鏡

3-指示光柵

4-光敏元件5-驅(qū)動線路

主要結(jié)構(gòu)為標(biāo)尺光柵（長光柵、固定光柵）和指示光柵（短光柵、移動光柵）柵距和柵距角（兩個光柵錯開的角度）第三十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五2.工作原理（以透射投影為例）

——莫爾條紋形成的原理橫向莫爾條紋的斜率莫爾條紋間距莫爾條紋的寬度BH由光柵常數(shù)與光柵夾角決定第三十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期五

莫爾條紋的特征：（1）莫爾條紋的變化規(guī)律：兩片兩光柵相對移過一個柵距，莫爾條紋移過一個條紋近似正（余）弦函數(shù)，變化周期數(shù)與兩光柵相對移過的柵距數(shù)同步。（2）放大作用

莫爾條紋寬度W和光柵柵距d、柵線夾角θ之間關(guān)系：間距。由于光的衍射與干涉作用，莫爾條紋的變化規(guī)律由圖可知W=dsinθ

又θ很小可認(rèn)為sinθ≈θ

故