位置檢測裝置950課件

第四節(jié)位置檢測裝置位置檢測裝置是數(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。7/3/2023§4-1對位置檢測裝置的要求7/3/2023

位置檢測裝置是數(shù)控機(jī)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，并發(fā)出反饋信號和數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號相比較，若有偏差，經(jīng)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?！?-1對位置檢測裝置的要求7/3/2023●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(qiáng);●在機(jī)床執(zhí)行部件工作范圍內(nèi)，能滿足精度和速度的要求；進(jìn)給速度20—30m/min，轉(zhuǎn)速高達(dá)100000r/min?！袷褂镁S護(hù)方便，適應(yīng)機(jī)床工作環(huán)境；●成本低。一、數(shù)控機(jī)床對位置檢測裝置的要求：7/3/2023二、檢測裝置的分類1、按測量對象不同分類位移檢測裝置:脈沖編碼器、光柵

速度檢測裝置：測速發(fā)電機(jī)2、按安裝位置不同分類直接測量:將檢測裝置安裝在執(zhí)行部件上

間接測量:將檢測元件安裝在滾珠絲杠或驅(qū)動電動機(jī)軸上§4-1對位置檢測裝置的要求7/3/20233、按測量方法不同分類增量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點標(biāo)起。每一個被測點都有一個相應(yīng)的測量值。特點：裝置的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜增量式測量：只測量位移量。測量單位為0.01mm每移動0.01mm發(fā)出一個脈沖信號?！?-1對位置檢測裝置的要求7/3/2023優(yōu)點：

裝置簡單，任何一個對中點都可作為測量的起點。在輪廓控制的數(shù)控機(jī)床上大都采用這種方式。

缺點：在增量式檢測系統(tǒng)中，移距是由測量信號計數(shù)讀出，一旦計數(shù)有誤，以后的測量結(jié)果則完全錯誤。如出某種事故，無法恢復(fù)。

§4-1對位置檢測裝置的要求7/3/2023§4-1對位置檢測裝置的要求7/3/20234、按檢測信號不同分類數(shù)字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。

如電壓變化、相位變化等。數(shù)控機(jī)床所用模擬式測量主要用于小量程的測量，如感應(yīng)同步器的一個線距（2mm）內(nèi)的信號相位變化等。特點：

●直接測量被測的量，無需變換；

●在小量程內(nèi)實現(xiàn)較高精度的測量，技術(shù)成熟?！?-1對位置檢測裝置的要求7/3/2023數(shù)字式測量：被測的量以數(shù)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(shù)控裝置進(jìn)行比較、處理。特點：

●被測的量轉(zhuǎn)換為脈沖個數(shù)，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(guān)；

●測量裝置比較簡單，脈沖信號抗干擾能力較強(qiáng)?！?-1對位置檢測裝置的要求7/3/2023檢測裝置的分類

數(shù)控系統(tǒng)中的檢測裝置分為位移、速度和電流三種類型。

☆運動型式—回轉(zhuǎn)型和直線型；

☆信號轉(zhuǎn)換的原理—光電效應(yīng)、光柵效應(yīng)、電磁感應(yīng)原理、壓電效應(yīng)、壓阻效應(yīng)和磁阻效應(yīng)等。

7/3/2023數(shù)控機(jī)床檢測裝置分類

分

類

增

量

式

絕

對

式

位移傳感器

回轉(zhuǎn)型——脈沖編碼器、自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、圓感應(yīng)同步器、光柵角度傳感器、圓光柵、圓磁柵

多極旋轉(zhuǎn)變壓器、絕對脈沖編碼器

絕對值式光柵、三速圓感應(yīng)同步器、磁阻式多極旋轉(zhuǎn)變壓器

直線型——直線應(yīng)同步器、光柵尺、磁柵尺、激光干涉儀

霍耳位置傳感器

三速感應(yīng)同步器、絕對值磁尺、光電編碼尺、磁性編碼器

速度傳感器

交、直流測速發(fā)電機(jī)、數(shù)字脈編碼式速度傳感器、霍耳速度傳感器

速度—角度傳感器（Tachsyn）、數(shù)字電磁、磁敏式速度傳感器

電流傳感器

霍耳電流傳感器

7/3/2023

傳感器的性能指標(biāo)應(yīng)包括靜態(tài)特性和動態(tài)特性，主要如下。

1.精度

符合輸出量與輸入量之間特定函數(shù)關(guān)系的準(zhǔn)確程度稱作精度。高精度和高速實時測量。

2.分辨率

分辯率應(yīng)適應(yīng)機(jī)床精度和伺服系統(tǒng)的要求。

3.靈敏度靈敏度高、一致。三數(shù)控測量裝置的性能指標(biāo)及要求

7/3/20234.遲滯對某一輸入量，傳感器的正行程的輸出量與反行程的輸出量的不一致，稱為遲滯。遲滯小。

5.測量范圍和量程

6.零漂與溫漂其它可靠，抗干擾性強(qiáng)、使用維護(hù)方便、成本低等。7/3/2023§4-2常用典型位置檢測裝置7/3/2023§4-2常用典型位置檢測裝置一、旋轉(zhuǎn)變壓器（角位移檢測元件）

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種角度測量元件，它是一種小型交流電機(jī)。在結(jié)構(gòu)上與兩相繞組式異步電動機(jī)相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子繞組為變壓器的原邊，轉(zhuǎn)子繞組為變壓器的副邊。激磁電壓接到定子繞組上，激磁頻率通常為400H、500H、1000H、3000H、5000H，其結(jié)構(gòu)簡單、動作靈敏，對環(huán)境無特殊要求，維護(hù)方便，輸出信號幅度大，抗干擾性強(qiáng)，工作可靠。7/3/20237/3/2023

旋轉(zhuǎn)變壓器

54318762

圖

旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意

1-轉(zhuǎn)軸2-軸承3-機(jī)殼4-轉(zhuǎn)子鐵心5-定子鐵心

6-端蓋7-電刷8-集電環(huán)

7/3/20237/3/2023工作原理：定子繞組輸入電壓§4-2常用典型位置檢測裝置7/3/2023

設(shè)加到定子繞組的勵磁電壓為U1=Umsint，通過電磁耦合，將在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為U2=KU1sin=KUmsintsin式中K—變壓比（K=N1/N2為定子、轉(zhuǎn)子繞組的匝數(shù)）Um—勵磁最大電壓—勵磁電壓角頻率—轉(zhuǎn)子與定子相對角位移，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁軸與定子磁軸垂直時，=0；當(dāng)轉(zhuǎn)子磁軸與定子磁軸平行時，=90?！?-2常用典型位置檢測裝置7/3/2023連接電路圖:7/3/2023應(yīng)用：旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置檢測裝置，有兩種典型工作方式，鑒相式和鑒幅式。鑒相式是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的相位來檢測位移量；鑒幅式是根據(jù)感應(yīng)輸出電壓的幅值來檢測位移量。

1.鑒相工作方式給定子兩繞組分別通以幅值相同、頻率相同、相位差900的交流勵磁電壓，即

這兩個勵磁電壓在轉(zhuǎn)子繞組中都產(chǎn)生了感應(yīng)電壓，如圖5-2所示，根據(jù)線性疊加原理，轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電壓應(yīng)為這兩個電壓的代數(shù)和：

(S-1)7/3/2023假如，轉(zhuǎn)子逆向轉(zhuǎn)動，可得

(S-2)

由式(S-1)和(S-2)可見，轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角和轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角之間有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，這樣，只要檢測出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角，就可知道轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角。由于旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子和被測軸連接在一起，所以，被測軸的角位移就知道了。

7/3/2023

2.鑒幅工作方式給定子的兩個繞組分別通以頻率相同、相位相同、幅值分別按正弦和余弦變化的交流激磁電壓，即

式中—激磁繞組中的電氣角。則轉(zhuǎn)子上的疊加電壓為7/3/2023同理，如果轉(zhuǎn)子逆向轉(zhuǎn)動，可得

(S-4)偏轉(zhuǎn)角而變化，測量出幅值即可求得轉(zhuǎn)角。如果將旋轉(zhuǎn)變壓器裝在數(shù)控機(jī)床的滾珠絲杠上，當(dāng)角從00到3600時，絲杠上的螺母帶動工作臺移動了一個導(dǎo)程，間接測量了執(zhí)行部件的直線位移。測量所走過的行程時，可加一個計數(shù)器，累計所轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)，折算成位移總長度。7/3/20237/3/2023二、感應(yīng)同步器工作原理：

利用電磁耦合原理，將位移或轉(zhuǎn)角變成電信號（極為普遍）。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(chǎn)生激磁電流，繞組周圍產(chǎn)生按正弦規(guī)律變化的磁場，由電磁感應(yīng)，在定尺上感出感應(yīng)電壓，當(dāng)滑尺與定尺間產(chǎn)生相對位移時，由于電磁耦合的變化，使定尺上感應(yīng)電壓隨位移的變化而變化（相同頻率）?！?-2常用典型位置檢測裝置7/3/2023§4-2常用典型位置檢測裝置7/3/2023定尺繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動勢原理圖§4-2常用典型位置檢測裝置7/3/2023

滑尺定尺機(jī)床

Vs

Vc

+x-x

感應(yīng)同步器鑒相測量系統(tǒng)框圖放大濾波基準(zhǔn)信號發(fā)生器脈沖調(diào)相器鑒相器放大器激磁供電線路伺服電機(jī)速度控制單元7/3/2023三、脈沖編碼器（角位移檢測元件）1、增量式脈沖編碼器§4-2常用典型位置檢測裝置7/3/20237/3/20232、絕對式脈沖編碼器§4-2常用典型位置檢測裝置7/3/20237/3/20231、光電式脈沖編碼器通常與電機(jī)做在一起，或者安裝在電機(jī)非軸伸端，電動機(jī)可直接與滾珠絲杠相連，或通過減速比為i的減速齒輪，然后與滾珠絲杠相連，那么每個脈沖對應(yīng)機(jī)床工作臺移動的距離可用下式計算：7/3/2023式中

—脈沖當(dāng)量（mm/脈沖）；S—滾珠絲杠的導(dǎo)程（mm）；i—減速齒輪的減速比；M—脈沖編碼器每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)（p/r）。7/3/2023

7/3/2023光電式脈沖編碼器，它由光源、聚光鏡、光電盤、圓盤、光電元件和信號處理電路等組成（下圖）。光電盤是用玻璃材料研磨拋光制成，玻璃表面在真空中鍍上一層不透光的鉻，然后用照相腐蝕法在上面制成向心透光窄縫。透光窄縫在圓周上等分，其數(shù)量從幾百條到幾千條不等。圓盤也用玻璃材料研磨拋光制成，其透光窄縫為兩條，每一條后面安裝有一只光電元件。光電盤與工作軸連在一起，光電盤轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)過一個縫隙就發(fā)生一次光線的明暗變化，光電元件把通過光電盤和圓盤射來的忽明忽暗的光信號轉(zhuǎn)換為近似正弦波的電信號，經(jīng)過整形、放大、和微分處理后，輸出脈沖信號。通過記錄脈沖的數(shù)目，就可以測出轉(zhuǎn)角。測出脈沖的變化率，即單位時間脈沖的數(shù)目，就可以求出速度。

7/3/2023

電流

AB

節(jié)距

ωt

A1

B1

900

圖5-15脈沖編碼器輸出波形7/3/2023

為了判斷旋轉(zhuǎn)方向，圓盤的兩個窄縫距離彼此錯開1/4節(jié)距，使兩個光電元件輸出信號相位差900。如圖5-15所示，A、B信號為具有900相位差的正弦波，經(jīng)放大和整形變?yōu)榉讲ˋ1、B1。設(shè)A相比B相超前時為正方向旋轉(zhuǎn)，則B相超前A相就是負(fù)方向旋轉(zhuǎn)，利用A相與B相的相位關(guān)系可以判別旋轉(zhuǎn)方向。此外，在光電盤的里圈不透光圓環(huán)上還刻有一條透光條紋，用以產(chǎn)生每轉(zhuǎn)一個的零位脈沖信號，它是軸旋轉(zhuǎn)一周在固定位置上產(chǎn)生一個脈沖。

7/3/2023光電脈沖編碼器用于數(shù)字脈沖比較伺服系統(tǒng)（下圖）的工作原理如下：光電脈沖編碼器與伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)軸連接，隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生脈沖序列，其脈沖的頻率將隨著轉(zhuǎn)速的快慢而升降。若工作臺靜止，指令脈沖和反饋脈沖都為零，兩路脈沖送入數(shù)字脈沖比較器中進(jìn)行比較，結(jié)果輸出也為零。因伺服電機(jī)的速度給定為零，工作臺依然不動。隨著指令脈沖的輸出，指令脈沖不為零，7/3/2023在工作臺尚未移動之前，反饋脈沖仍為零，比較器輸出指令信號與反饋信號的差值，經(jīng)放大后，驅(qū)動電機(jī)帶動工作臺移動。電機(jī)運轉(zhuǎn)后，光電脈沖編碼器將輸出反饋脈沖送入比較器，與指令脈沖進(jìn)行比較，如果偏差不為零，工作臺繼續(xù)移動，不斷反饋，直到偏差為零，即反饋脈沖數(shù)等于指令脈沖數(shù)時，工作臺停在指令規(guī)定的位置上。7/3/2023

減計數(shù)

加計數(shù)

圖5-16辨向環(huán)節(jié)框圖和波形圖差分整形放大Y1微分差分整形放大Y21微分7/3/2023四、光柵組成：標(biāo)尺光柵：安裝在機(jī)床的移動部件上指示光柵：安裝在機(jī)床的固定部件上它們之間保持0.05mm或0.1mm的間隙。相互平行§4-2常用典型位置檢測裝置7/3/2023光柵尺7/3/2023圓光柵7/3/2023分類：透射光柵反射光柵透射光柵：采用經(jīng)磨制的光學(xué)玻璃或在玻璃表面感光材料的涂層上刻成光柵線紋。

特點：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(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡單，如線性密度

200線/mm。缺點：玻璃易破裂，熱脹系數(shù)與金屬部件不一致，影響測量精度。§4-2常用典型位置檢測裝置7/3/2023反射光柵：光柵和機(jī)床金屬部件的線膨脹系數(shù)一致，接長方便。也可用鋼帶做成長達(dá)數(shù)米的長光柵。缺點：為了使反射后的莫爾系數(shù)反差較大，每毫米內(nèi)線紋不宜多，常用4、10、25、40、50線/mm?！?-2常用典型位置檢測裝置7/3/2023光柵尺7/3/20237/3/2023工作原理：§4-2常用典型位置檢測裝置7/3/2023

若標(biāo)尺光柵和指示光柵的柵距相等，指示光柵在其自身平面內(nèi)相對于標(biāo)尺光柵傾斜一個很小的角度，兩塊光柵的刻線就會相交。當(dāng)燈光通過聚光鏡呈平行光線垂直照射在標(biāo)尺光柵上，在兩塊光柵線相交的鈍角平分線上，出現(xiàn)明暗交替、間隔相等的粗短條紋，稱之為橫向莫爾條紋。§4-2常用典型位置檢測裝置7/3/2023莫爾條紋的形成§4-2常用典型位置檢測裝置7/3/20237/3/2023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。

●在檢測過程中，標(biāo)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。

●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(diào)試比較困難。光學(xué)系統(tǒng)易受外界的影響產(chǎn)生誤差，同時又有灰塵、油、冷卻液等污物的侵入，易使光學(xué)系統(tǒng)變質(zhì)。§4-2常用典型位置檢測裝置7/3/2023五、磁柵磁柵又稱磁尺，是一種采用電磁方法記錄磁波數(shù)目的位置檢測裝置?？捎糜陂L度角度的測量。組成：磁性標(biāo)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，正弦波或脈沖電信號，用錄磁磁頭記錄在磁性標(biāo)尺的磁膜上，作為測量的基準(zhǔn)。檢測時，用拾磁磁頭將磁性標(biāo)尺上的磁信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過檢測電路處理后，用以計量磁頭相對磁尺之間的位移量?！?-2常用典型位置檢測裝置7/3/2023特點:精度高，安裝方便,大型機(jī)床和精密機(jī)床作為位置或位移量的檢測對使用環(huán)境的條件要求較低，對周圍磁場的抗干擾能力較強(qiáng)，在油污、粉塵較多的地方使用有較好的穩(wěn)定性。其缺點是需要屏蔽和防塵。7/3/2023磁尺測量裝置的組成和工作原理：

磁性標(biāo)尺是在非導(dǎo)磁材料如銅、不銹鋼、玻璃或其他合金材料的基體上，用涂敷、化學(xué)沉積或電鍍的一層10～20um的導(dǎo)磁材料（Ni-Co或Fe-Co合金），在它的表面上錄制相等節(jié)距周期變化的磁信號。磁信號的節(jié)距一般為0.05、0.1、0.2、1mm。為了防止磁頭對磁性膜的磨損，通常在磁性膜上涂一層厚1～2mm的耐磨塑料保護(hù)層。磁頭是進(jìn)行磁電轉(zhuǎn)換的變換器，它把反映空間位置的磁信號輸送到檢測電路中去。

普通錄音機(jī)上的磁頭輸出電壓幅值與磁通變化率成比例，屬于速度響應(yīng)型磁頭。根據(jù)數(shù)控機(jī)床的要求，為了在低速運動和靜止時也能進(jìn)行位置檢測，必須采用磁通響應(yīng)型磁頭。

§4-2常用典型位置檢測裝置7/3/20237/3/2023§4-2常用典型位置檢測裝置7/3/20237/3/2023為了辨別磁頭在磁尺上的移動方向，通常采用了間距為（m±1/4）的兩組磁頭（其中m為任意正整數(shù)）。如下圖所示，i1、i2為勵磁電流，其輸出電壓分別為

7/3/20237/3/2023U1和U2是相位相差90°的兩列脈沖。至于哪個導(dǎo)前，則取決于磁尺的移動方向。根據(jù)兩個磁頭輸出信號的超前或滯后，可確定其移動方向。7/3/2023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.鑒幅測量方式如前所述，磁頭有兩組信號輸出，將高頻載波濾掉后則得到相位差為π/2的兩組信號

7/3/2023兩組磁頭相對于磁尺每移動一個節(jié)距發(fā)出一個正（余）弦信號，