第五章位置檢測裝置

機械工程學(xué)院第五章位置檢測裝置內(nèi)容提要本章將詳細(xì)討論進(jìn)給伺服系統(tǒng)的各種位置反饋元件——位置檢測裝置。機械工程學(xué)院

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)行機構(gòu)”。它忠實地執(zhí)行由CNC裝置發(fā)來的運動命令，精確控制執(zhí)行部件的運動方向，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”。機械工程學(xué)院第6章位置檢測裝置一、檢測概述

位置檢測裝置的作用是接受CNC裝置發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號，由伺服驅(qū)動電路(如速度控制單元)作一定的轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服驅(qū)動裝置，驅(qū)動工作臺運動，同時由位移傳感器檢測執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，并反饋給CNC裝置，實現(xiàn)閉環(huán)驅(qū)動，使機床進(jìn)給部件的位置速度得到準(zhǔn)確控制。第一節(jié)概述機械工程學(xué)院實際速度反饋位置控制調(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+-機械執(zhí)行部件CNC插補指令+-電機驅(qū)動元件(電機)檢測與反饋單元位置檢測裝置機械工程學(xué)院二、檢測元件的作用與分類1、作用：

實時測量執(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，將運動部件現(xiàn)實位置反饋到位置控制單元，以實施閉環(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。機械工程學(xué)院

數(shù)控機床對檢測元件的要求：①高可靠性和高抗干擾性：②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；③能滿足精度和速度的要求：④檢測元件分辨率應(yīng)高于數(shù)控機床的分辨率（一個數(shù)量級）；⑤檢測元件最高允許的檢測速度應(yīng)高于數(shù)控機床的最高運行速度。⑥使用維護(hù)方便，適應(yīng)機床工作環(huán)境；⑦成本低。通常，檢測裝置的檢測精度為分辨率為能滿足機床工作臺以的速度移動。

數(shù)控機床對檢測元件的要求機械工程學(xué)院四、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的類型分類：增量式和絕對式按位置檢測元件的運動形式分類：回轉(zhuǎn)型和直線型機械工程學(xué)院常用位置檢測裝置分類表機械工程學(xué)院第二節(jié)旋轉(zhuǎn)變壓器

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圖5﹒1旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意

1-轉(zhuǎn)軸2-軸承3-機殼4-轉(zhuǎn)子鐵心5-定子鐵心

6-端蓋7-電刷8-集電環(huán)

機械工程學(xué)院旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)定子轉(zhuǎn)子S1R1S2S3S4R2R3R4機械工程學(xué)院工作原理：

當(dāng)激磁電壓U1加到定子繞組時，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組中將產(chǎn)生感生電壓，由于轉(zhuǎn)子是可以旋轉(zhuǎn)的，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組磁軸轉(zhuǎn)到與定子繞組磁軸垂直時，如圖（a）所示，激磁磁通不穿過轉(zhuǎn)子繞組的橫截面，因此，感應(yīng)電壓U2為0。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組磁軸自垂直位置轉(zhuǎn)過任意角度時，轉(zhuǎn)子繞組的產(chǎn)生的感應(yīng)電壓U2為：

機械工程學(xué)院機械工程學(xué)院第三節(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）定尺（連續(xù)感應(yīng)繞組）：固定在機床的固定部件滑尺（分段勵磁繞組：正弦+余弦）：固定在移動部件0.15~0.35mm定尺和滑尺的基板采用與機床床身材料熱膨脹系數(shù)相近的鋼板制成。經(jīng)精密的照相腐蝕工藝制成印刷繞組。再在尺子的表面上涂一層保護(hù)層?；叩谋砻嬗袝r還貼上一層帶絕緣的鋁箔，以防靜電感應(yīng)。機械工程學(xué)院機械工程學(xué)院感應(yīng)同步器特點（1）精度高。感應(yīng)同步器直接對機床工作臺的位移進(jìn)行測量，其測量精度只受本身精度限制。另外，定尺的節(jié)距誤差有平均補償作用，定尺本身的精度能做得很高，其精度可以達(dá)到±0.001mm，重復(fù)精度可達(dá)0.002mm。（2）工作可靠，抗干擾能力強。在感應(yīng)同步器繞組的每個周期內(nèi)，測量信號與絕對位置有一一對應(yīng)的單值關(guān)系，不受干擾的影響。（3）維護(hù)簡單，壽命長。定尺和滑尺之間無接觸磨損，在機床上安裝簡單。使用時需要加防護(hù)罩，防止切屑進(jìn)入定尺和滑尺之間劃傷導(dǎo)片以及灰塵、油霧的影響。（4）測量距離長?？梢愿鶕?jù)測量長度需要，將多塊定尺拼接成所需要的長度，就可測量長距離位移，機床移動基本上不受限制。適合于大、中型數(shù)控機床。（5）成本低，易于生產(chǎn)。（6）與旋轉(zhuǎn)變壓器相比，感應(yīng)同步器的輸出信號比較微弱，需要一個放大倍數(shù)很高的前置放大器。機械工程學(xué)院

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。精度高可達(dá)1um，分辨率可達(dá)0.05um，重復(fù)精度0.2um。測量位移范圍大，廣泛用于數(shù)控機床、雷達(dá)天線定位跟蹤等。機械工程學(xué)院感應(yīng)同步器的工作原理機械工程學(xué)院

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=KUScosθ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（θ+π/2）

=－KUcsinθ機械工程學(xué)院滑尺正、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=KUScosθ－KUcsinθK—電磁感應(yīng)系數(shù)

θ1—定尺繞組上的感應(yīng)電壓的相位角機械工程學(xué)院

滑尺與定尺相對位移量x的求?。骸?τ:2π=x:θ∴x=τθ／π結(jié)論：相對位移量x與相位角θ

呈線性關(guān)系，只要能測出相位角θ

，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)。機械工程學(xué)院

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=KUScosθ－KUcsinθ

=KUmsinωtcosθ－KUmcosωt

sinθ

=KUmsin（ωt－θ）結(jié)論：只要能測出Uo與US相位差θ就可求得滑尺與定尺相對位移量x

。

數(shù)控機床的閉環(huán)系統(tǒng)采用鑒相系統(tǒng)時，指令信號的相位角θ1由數(shù)控裝置發(fā)出，由θ和θ1的差值控制數(shù)控機床的伺服驅(qū)動機構(gòu)。當(dāng)定尺和滑尺之間產(chǎn)生了相對運動，則定尺上的感應(yīng)電壓的相位發(fā)生了變化，其值為θ。當(dāng)θ≠θ1時，使機床伺服系統(tǒng)帶動機床工作臺移動。當(dāng)滑尺與定尺的相對位置達(dá)到指令要求值時，即θ=θ1，工作臺停止移動。機械工程學(xué)院

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=KUScosθ－KUcsinθ

=KUmsinθ2cosθsinωt－KUmcosθ2sinωtsinθ=KUmsin（θ2－θ）sinωt結(jié)論：只要能測出Uo與UC相位差θ

，就可求得滑尺與定尺相對位移量x。機械工程學(xué)院幾點說明感應(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。現(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)。機械工程學(xué)院6.感應(yīng)同步器的特點及使用注意事項

特點精度高：平均自補償特性；對環(huán)境的適應(yīng)能力強：抗?jié)?、溫度、熱變形影響的能力強；維護(hù)簡單、壽命長：非接觸測量，無磨損，精度保持性好。機械工程學(xué)院測量距離長：通過接長可滿足大行程測量的要求。…………………………串聯(lián)方式n<10串并聯(lián)方式n≥10機械工程學(xué)院

使用注意事項

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。機械工程學(xué)院第四節(jié)光柵

光柵的分類：物理光柵和計量光柵光柵的運動方式：長光柵和圓光柵光線的走向：透射光柵和反射光柵機械工程學(xué)院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、移動光柵）和指示光柵（短光柵、固定光柵）柵距和柵距角（兩個光柵錯開的角度）機械工程學(xué)院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)與光柵夾角決定機械工程學(xué)院莫爾條紋性質(zhì)：在平行光照射下，透過莫爾條紋的光強度分布近似于余弦函數(shù)；放大作用：B=W/sinθ

當(dāng)θ很小時,B=W/θ平均效應(yīng)：莫爾條紋是由若干條線紋共同干涉形成的，對個別光柵線紋之間的誤差具有平均效應(yīng)，能消除柵距不均勻所造成的影響；移動規(guī)律：光柵相對移動一個W，莫爾條紋移動一個B，當(dāng)光柵移動方向變化時，莫爾條紋的移動方向也變化。機械工程學(xué)院根據(jù)上述莫爾條紋的特性，假設(shè)在莫爾條紋移動的方向上開4個觀察窗口A，B，C，D，且使這4個窗口兩兩相距1／4莫爾條紋寬度，即B／4。由上述討論可知，當(dāng)兩光柵尺相對移動時，莫爾條紋隨之移動，從4個觀察窗口A，B，C，D可以得到4個在相位上依次超前或滯后(取決于兩光柵尺相對移動的方向)1／4周期(即π／2)的近似于余弦函數(shù)的光強度變化過程。若采用光敏元件來檢測，光敏元件把透過觀察窗口的光強度變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號設(shè)為根據(jù)這4個電壓信號，可以檢測出光柵尺的相對移動。機械工程學(xué)院光柵的工作原理1.位移大小的檢測

W→B，當(dāng)x<d時，可由VA

、VB

、VC

、VD余弦函數(shù)，計算出x。2.位移方向的檢測

VA

、VB的相位關(guān)系可判斷出x的移動方向。3.速度的檢測

VA

、VB

、VC

、VD的變化頻率可以推斷出兩光柵尺的相對位移速度。機械工程學(xué)院第五節(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。機械工程學(xué)院.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機械工程學(xué)院機械工程學(xué)院檢測光柵上刻有A、B兩組與碼盤相對應(yīng)的透光縫隙，用以通過或阻擋光源和光電檢測器件之間的光線。它們的節(jié)距和碼盤上的節(jié)距相等，并且兩組透光縫隙錯開1/4節(jié)距，使得光電檢測器件輸出的信號在相位上相差90°電度角?！耙晦D(zhuǎn)脈沖”，稱為Z相脈沖，每轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個，用來產(chǎn)生機床的基準(zhǔn)點。機械工程學(xué)院

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)一圈機械工程學(xué)院

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（四倍頻電路實現(xiàn)）。ABCP90O機械工程學(xué)院

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；數(shù)控機床上常用的脈沖編碼器每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)有：2000p/r、2500p/r和3000p/r等。在高速、高精度的數(shù)字伺服系統(tǒng)中，應(yīng)用高分辨率的脈沖編碼器，如：20000p/r、25000p/r和30000p/r等。選擇：①伺服系統(tǒng)要求的分辨率；②考慮機械傳動系統(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)：機械工程學(xué)院.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機械工程學(xué)院

絕對編碼盤的編碼方式及特點二進(jìn)制編碼：特點：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。0101