第六章-位置檢測裝置

新世紀(jì)應(yīng)用型高等教育機(jī)械類課程規(guī)劃教材機(jī)床數(shù)控技術(shù)JICHUANGSHUKONGJISHU主編魏斯亮黎旭初主審林厚波第六章位置檢測裝置機(jī)械數(shù)控技術(shù)6.1概述6.1概述組成：位置檢測裝置由檢測元件（傳感器）和信號處理裝置組成。

作用：用于構(gòu)成閉環(huán)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)，從而提高數(shù)控機(jī)床的定位精度和加工精度。位置檢測裝置的精度在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的加工精度。一、位置檢測裝置的要求高可靠性和高抗干擾性；能滿足精度和速度的要求；使用維護(hù)方便，適應(yīng)機(jī)床工作環(huán)境；成本低。二、位置檢測裝置的分類按檢測對象的形式分類：速度反饋和位置反饋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：增量式和絕對式按檢測元件的運(yùn)動形式分類：回轉(zhuǎn)型和直線型二、位置檢測裝置的分類（1）數(shù)字式測量數(shù)字式測量是將被測量的量用數(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)控系統(tǒng)進(jìn)行比較、處理。數(shù)字式測量裝置具有如下特點(diǎn)：①將被測量轉(zhuǎn)換為脈沖個數(shù)，便于顯示和處理；②測量精度取決于測量單位，與量程基本無關(guān)。但存在積累誤差；③測量裝置比較簡單，脈沖信號抗干擾能力較強(qiáng)。二、位置檢測裝置的分類（2）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、電流變化等。數(shù)控機(jī)床所用的模擬測量主要用于小量程的測量，在大量程內(nèi)作精確的模擬式測量時，對技術(shù)要求較高。模擬式測量具有如下特點(diǎn)：①被測量無需變換；②量程內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高精度的測量，技術(shù)上較為成熟。二、位置檢測裝置的分類（3）增量式測量增量式測量是指測量到的位置以增量方式計(jì)數(shù)。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較簡單，任何一個隨機(jī)點(diǎn)都可以作為測量的起點(diǎn)。輪廓控制的數(shù)控機(jī)床上大都采用這種測量方式。在增量式檢測系統(tǒng)中，移距是由測量信號計(jì)數(shù)讀出的，一旦計(jì)數(shù)有誤，以后的測量結(jié)果則完全錯誤。因此，在增量式檢測系統(tǒng)中，基點(diǎn)尤為重要。此外，一旦發(fā)生某種事故（如停電、刀具損壞而停機(jī)等），當(dāng)事故排除后不能再找到事故前執(zhí)行部件的正確位置，必須將執(zhí)行部件移至起始點(diǎn)重新計(jì)數(shù)才能找到事故前的正確位置。二、位置檢測裝置的分類（4）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)記，每個被測點(diǎn)都有一個絕對的測量值。該裝置的結(jié)構(gòu)較增量式復(fù)雜，且分辨精度要求越高，量程越大時，結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。二、位置檢測裝置的分類常用位置檢測裝置分類表6.2脈沖編碼器一、脈沖編碼器的分類脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，通常裝在被檢測軸上，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。同時也可用作速度檢測裝置。分類：

增量式：光電式

絕對式：接觸式、光電式和電磁式從精度和可靠性方面來看，光電式優(yōu)于其他兩種。數(shù)控機(jī)床上主要使用光電式。二、光電式脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)1、增量脈沖編碼器信號處理裝置baz碼盤基片透鏡光源光敏元件透光狹縫光欄板節(jié)距ττ/4玻璃圓盤→鍍金屬膜→感光材料→照相腐蝕二、光電式脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)1、增量脈沖編碼器二、光電式脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)AB90°Z……碼盤轉(zhuǎn)一圈信號處理裝置baz碼盤基片透鏡光源光敏元件透光狹縫光欄板節(jié)距ττ/4輸出的波形有六路：其中是的取反信號。二、光電式脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)AB90OZ……碼盤轉(zhuǎn)一圈

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。

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。二、光電式脈沖編碼器的結(jié)構(gòu).絕對式脈沖編碼器

每個扇區(qū)的碼道組成一個數(shù)碼，透光為“1”，不透光為“0”，內(nèi)環(huán)碼道為數(shù)碼最高位；輸出信號的路數(shù)與碼道圈數(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。010111100110011110001001101010111100110111110000000100100011010023222120

——通過讀取編碼盤上的代碼（圖案）來表示軸的位置。（1）結(jié)構(gòu)和工作原理碼盤基片上有多圈碼道（同心圓環(huán)），及若干個等分扇區(qū)；二、光電式脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)接觸式絕對脈沖編碼盤是在印刷電路基板上采用腐蝕的方法做成“絕緣區(qū)”與“導(dǎo)電區(qū)”。當(dāng)編碼盤旋轉(zhuǎn)時，由電刷獲得相應(yīng)信號，達(dá)到高精度角位移量測量目的。這種接觸式絕對脈沖編碼盤的優(yōu)點(diǎn)是簡單，體積小，輸出信號強(qiáng)；缺點(diǎn)是電刷易磨損，轉(zhuǎn)速不能太高。由于采用的碼制不同，出現(xiàn)誤碼的概率也有不同。二、光電式脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)二進(jìn)制編碼：特點(diǎn)：編碼順序與位置順序相一致，但相鄰兩個二進(jìn)制數(shù)可能有多個碼不同，切換時容易產(chǎn)生非單值性誤差。誤差分析：01111000010111100110011110001001101010111100110111110000000100100011010023222120二、光電式脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)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，因而可把誤差控制到最小。但編碼與位置循序無直接規(guī)律。111100011101110001000101011101100010001100001000100110111010111023222120二、光電式脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)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：將二進(jìn)制碼0101轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的格雷碼：二、光電式脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)11110001110111000100010101110110001000110000100010011011101011100101111001100111100010011010101111001101111100000001001000110100格雷碼二進(jìn)制編碼二、光電式脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)

絕對式脈沖編碼器的規(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；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：

二、光電式脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)位數(shù)越多→扇區(qū)越多→制造越困難。在實(shí)際應(yīng)用間接測量直線位移時，可采用組合式絕對碼盤。即：精計(jì)數(shù)碼盤轉(zhuǎn)一圈→粗計(jì)數(shù)碼盤轉(zhuǎn)一格。二、光電式脈沖編碼器的結(jié)構(gòu)

脈沖編碼器的特點(diǎn)非接觸測量，無磨損，碼盤壽命長，精度保持性好；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。6.3旋轉(zhuǎn)變壓器6.3旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種角位移檢測元件，是一種控制用的微電機(jī)，它將機(jī)械轉(zhuǎn)角變換成與該轉(zhuǎn)角呈某一函數(shù)關(guān)系的電信號。在結(jié)構(gòu)上與二相線繞式異步電動機(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，其頻率通常為400HZ、500HZ、1000HZ和5000HZ。旋轉(zhuǎn)變壓器結(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。因此，在半閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床上廣泛應(yīng)用。一、旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)常見的旋轉(zhuǎn)變壓器一般有兩極繞組和四極繞組兩種結(jié)構(gòu)形式。兩極旋轉(zhuǎn)變壓器，定子和轉(zhuǎn)子各有一對磁極。四極繞組各有兩對相互垂直的磁極，檢測精度較高。在數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用普遍。二、旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理二、旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理

如圖所示,當(dāng)激磁電壓加到定子繞組上時，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組的磁軸與定子繞組的磁軸位置轉(zhuǎn)動一角度θ時，繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢應(yīng)為：因此，旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓的幅值，是嚴(yán)格按轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)角的正弦規(guī)律變化的。數(shù)控機(jī)床正是利用這個原理來檢驗(yàn)伺服電動機(jī)軸或絲杠的角位移的。三、旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用通常應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)變壓器為二極旋轉(zhuǎn)變壓器，其定子和轉(zhuǎn)子繞組中各有互相垂直的兩個繞組，它的控制系統(tǒng)通常兩種工作方式：

鑒相工作方式鑒幅工作方式三、旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用（1）鑒相工作方式如果定子的兩相正交繞組分別通以頻率和幅值都相等、而相位相差90°的激磁交流電壓，即轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動勢

定子輸入電壓信號與轉(zhuǎn)子繞組輸出電壓信號的相位差即是轉(zhuǎn)子的偏角θ。三、旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用（2）鑒幅工作方式如果定子的兩相正交繞組，分別通以頻率和相位都相等，而幅值不同（分別與電氣角α的正弦和余弦成正比的激磁交流電壓），即幅值α→E2的幅值→θ不斷地調(diào)整α值，讓輸出電壓信號的幅恒等于0，則可由α確定θ。幅值6.4感應(yīng)同步器6.4感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器與旋轉(zhuǎn)變壓器一樣，是一種精密位移測量元件，它是根據(jù)電磁耦合原理將位移或轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成電信號，借以進(jìn)行位置檢測和反饋控制。根據(jù)用途、運(yùn)動方式和結(jié)構(gòu)形式，可分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩類，分別用于測量直線位移和測量旋轉(zhuǎn)角度。一、感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)及分類（1）感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)（以直線式感應(yīng)同步器為例）直線式感應(yīng)同步器中有定尺和滑尺兩部分，定尺與滑尺平行安裝，且保持一定間隙。定尺固定不動，滑尺移動。定尺上的繞組是連續(xù)分布的?；哂袃蓚€激磁繞組，即正弦繞組A和余弦繞組B，它們在空間位置上相差1／4節(jié)距，節(jié)距用2τ表示，其值一般為2mm。一、感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)及分類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)定尺滑尺滑尺定尺一、感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)及分類一、感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)及分類（2）感應(yīng)同步器的分類一、感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)及分類

(1)標(biāo)準(zhǔn)式國內(nèi)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)式感應(yīng)同步器，其基尺用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)銅板制成。用絕緣粘結(jié)劑將導(dǎo)片粘在基尺上，根據(jù)設(shè)計(jì)要求用腐蝕方法將導(dǎo)片制成均勻分布的連續(xù)繞組。標(biāo)準(zhǔn)式的精度高。

(2)窄長式其定尺的寬度是標(biāo)準(zhǔn)式的1／2，主要用于安裝位置窄小的機(jī)床上。一、感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)及分類

(3)帶式采用鋼帶作為基尺，繞組可用腐蝕法印制在鋼帶上，兩端用固定塊固定在機(jī)床的床身上。滑尺通過導(dǎo)板夾持在帶式定尺上，并與機(jī)床運(yùn)動部件連接，屬于普及型的感應(yīng)同步器。它是組裝式結(jié)構(gòu)，安裝簡單，可做成幾米長，測量長度較長，特別適用于通用機(jī)床數(shù)控化的改裝。上述三種感應(yīng)同步器的節(jié)距為2mm，采用相對坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行測量。若要測量絕對位置，就需建立一套絕對坐標(biāo)系統(tǒng)。

一、感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)及分類一、感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)及分類圓盤型感應(yīng)同步器二、感應(yīng)同步器的特點(diǎn)：

(1)檢測精度高；

(2)工作可靠、抗干擾能力強(qiáng)；

(3)維修簡單、壽命長；

(4)測量距離長；

(5)結(jié)構(gòu)簡單；

(6)受環(huán)境溫度變化影響小。三、感應(yīng)同步器的工作原理（以直線式感應(yīng)同步器為例）直線式感應(yīng)同步器中有定尺和滑尺兩部分，定尺與滑尺平行安裝，且保持一定間隙。定尺固定不動，當(dāng)滑尺移動。定尺上的繞組是連續(xù)分布的。滑尺有兩個激磁繞組，即正弦繞組A和余弦繞組B，它們在空間位置上相差1／4節(jié)距，節(jié)距用2τ表示，其值一般為2mm。使用時，定尺安裝在機(jī)床固定件上，滑尺安裝在移動件上，兩者的間隙在全行程上通常應(yīng)保持2.25mm的距離。

工作時，當(dāng)滑尺的繞組上加上一定頻率的交流電壓后，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，定尺上將感應(yīng)出相同頻率的感應(yīng)電壓。通過對感應(yīng)電壓的測量，可以精確地測量出位移量。三、感應(yīng)同步器的工作原理四、感應(yīng)同步器的應(yīng)用方式如果在滑尺的兩個正余弦繞組中通以滿足不同條件的電壓，感應(yīng)同步器作為位置測量裝置在數(shù)控機(jī)床上有兩種工作方式：鑒相式和鑒幅式。鑒相式鑒幅式五、感應(yīng)同步器使用注意事項(xiàng)（1）可通過接長感應(yīng)同步器來滿足大行程測量的要求；（2）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；（3）在安裝方面，應(yīng)保證安裝面的精度、定尺與滑尺的相對位置精度、接縫的調(diào)整精度等，并應(yīng)加裝防護(hù)裝置以避免切屑、油污、灰塵的不良影響；（4）在電氣方面，要保證激磁電壓波形的對稱性和保真性。6.5光柵位移檢測裝置一、光柵的種類光柵由許多等節(jié)距的透光縫隙和不透光的刻線均勻相間排列而構(gòu)成。在高精度數(shù)控機(jī)床中，利用計(jì)量光柵將機(jī)械位移或模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖，反饋給數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。按應(yīng)用需要，計(jì)量光柵又有透射和反射之分。據(jù)用途不同，有用于測量直線位移的直光柵和測量角位移的圓光柵。二、直線透射光柵的組成光柵——在真空鍍膜的透明玻璃或金屬鏡面上用光刻出的一些平行、等距的密集線紋。如圖所示，光柵檢測裝置主要由光源、聚光鏡、標(biāo)尺光柵（長光柵）、指示光柵（短光柵）和光敏元件等組成。三、直線透射光柵的工作原理直線透射光柵是通過形成莫爾條紋、光電轉(zhuǎn)換辨向和細(xì)化等環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字計(jì)量的。在真空鍍膜的透明玻璃或金屬鏡面上用光刻出的一些平行、等距的密集線紋。光柵分標(biāo)尺光柵和指示光柵。當(dāng)兩光柵保持一定間隙平行放置時，并使刻線傾斜一個極其微小的角度θ，就會產(chǎn)生明暗交替的干涉條紋——莫爾條紋。莫爾條紋的形成標(biāo)尺光柵固定指示光柵移動光柵柵距莫爾條紋節(jié)距暗亮暗亮暗亮暗亮暗亮暗亮（1）放大作用：莫爾條紋的節(jié)距為光柵柵距的1／θ倍。由于θ很小(小于10’)，因此節(jié)距W比柵距d放大了很多倍。若當(dāng)d=0.01mm，θ=0.01弧度時，則W=1mm。即將光柵的柵距d放大100倍，轉(zhuǎn)換成莫爾條紋的節(jié)距W。四、莫爾條紋的特點(diǎn)：注意：θ單位為弧度(2)平均效應(yīng)：莫爾條紋是由若干線紋組成，例如每毫米100線的光柵，10mm長的莫爾條紋，等亮帶由2000根刻線交叉形成。因而對個別柵線的間距誤差(或缺陷)就平均化了，在很大程度上消除誤差的影響。莫爾條紋的節(jié)距誤差就取決于光柵刻線的平均誤差。四、莫爾條紋的特點(diǎn)：(3)對應(yīng)關(guān)系：莫爾條紋的移動與柵距之間的移動成比例。若標(biāo)尺光柵不動，將指示光柵順時針方向轉(zhuǎn)動一很小的角度θ后，當(dāng)指示光柵向右移動，則莫爾條紋向下移動；反之，指示光柵向左移動，則莫爾條紋向上移動。若將指示光柵逆時針方向轉(zhuǎn)一很小的角度θ后，并使指示光柵向右移動，則莫爾條紋便向上移動；反之若指示光柵向左移動時，則莫爾條紋向下移動。四、莫爾條紋的特點(diǎn)：五、辨向方法

為了辨別運(yùn)動方向，需配置兩個彼此錯開1/4紋距的光電元件，使輸出電信號彼此在相位上差90o，若以其中的一個作為參考信號，則另一個信號將超前或滯后參考信號90o。六、圓光柵——測量角位移圓光柵是在玻璃盤的外環(huán)端面上做成黑白相間的線紋，線紋呈輻射狀，線紋之間夾角相等。三種線紋數(shù)制

60進(jìn)制，如10800、21600、32400、64800等

10進(jìn)制，如1000、2500、5000等；

2進(jìn)制，如512、1024、2048等。6.6磁柵位置檢測裝置6.6磁柵位置檢測裝置磁尺（磁柵）是用電磁方法計(jì)算磁波數(shù)目的一種高精度的位置檢測裝置，可用于長度和角度的測量。特點(diǎn)：精度高、制作簡單、安裝調(diào)試方便，以及對使用條件要求較低等一系列優(yōu)點(diǎn)。在油污、粉塵較多的工作條件下使用具有較好的穩(wěn)定性。磁柵檢測裝置是將具有一定節(jié)距的磁化信號，用記錄磁頭記錄在磁性標(biāo)尺的磁膜上。在檢測過程中，用拾磁磁頭讀取磁性標(biāo)尺上的磁化信號再轉(zhuǎn)換成電信號，然后通過檢測電路把磁頭相對于磁尺的位置送給伺服控制系統(tǒng)。一．磁柵的組成它是利用錄磁原理工作的。先用錄磁磁頭將按一定周期變化的方波、正弦波或電脈沖信號錄制在磁性標(biāo)尺上，作為測量基準(zhǔn)。檢測時，用拾磁磁頭將磁性標(biāo)尺上的