數(shù)控機床位置檢測裝置

數(shù)控機床位置檢測裝置第1頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)

對數(shù)控機床位置檢測裝置的要求數(shù)控裝置檢測裝置機床傳動裝置伺服系統(tǒng)第2頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五伺服系統(tǒng)是機床的驅動部分，計算機輸出的控制信息通過伺服系統(tǒng)和傳動裝置變成機床運動。位置檢測裝置是數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是檢測位移和速度，發(fā)送反饋信號，并與數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號比較，若有偏差，則經過放大后控制執(zhí)行部件向著消除偏差的方向運動，直至偏差為零。

第3頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五一開環(huán)系統(tǒng)、半閉環(huán)系統(tǒng)、閉環(huán)系統(tǒng)1開環(huán)系統(tǒng)步距角：對應每一個指令脈沖，步進電機轉過的角度。脈沖當量：對應每一個指令脈沖工作臺移動的距離。那么，工作臺相對刀具移動距離=脈沖當量*指令脈沖數(shù)具有結構簡單、工作穩(wěn)定、調試方便、維修簡單、價格低廉等優(yōu)點，沒有位置測量裝置，開環(huán)系統(tǒng)的加工精度不高。第4頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五一開環(huán)系統(tǒng)、半閉環(huán)系統(tǒng)、閉環(huán)系統(tǒng)2半閉環(huán)系統(tǒng)半閉環(huán)系統(tǒng)的檢測裝置安裝到驅動裝置(常用伺服電機)或絲杠的尾部。半閉環(huán)環(huán)路內不包括或只包括少量機械傳動環(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。伺服電機到工作臺之間傳動裝置這塊的誤差沒有得到補償，因此半閉環(huán)系統(tǒng)的精度不如閉環(huán)系統(tǒng)的高。它的優(yōu)點是結構簡單，造價低，安裝、調試與維修都很方便，精度也較高。第5頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五一開環(huán)系統(tǒng)、半閉環(huán)系統(tǒng)、閉環(huán)系統(tǒng)3閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)的檢測裝置安裝到帶動刀具或工件移動的部件上，如支撐導軌和移動導軌上，它直接檢測的是刀具相對于工件移動的距離，因此它的加工精度較高。由于位置環(huán)內的許多機械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設計、安裝和調試都有一定困難。且測量元件一般安裝到工作臺上，測量元件應與導軌等長，這造成測量元件造價較高，使用維護較困難。第6頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五二數(shù)控機床對檢測裝置的要求(1)滿足數(shù)控機床的精度和速度要求

從精度上講某些數(shù)控機床的定位精度已達到±0.0015mm／300m一般數(shù)控機床精度要求在±0.002~0.01mm／m之間測量系統(tǒng)的分辨率在0.001~0.0001mm之間從速度上講進給速度已從10~30m／min提高到60~120m／min主軸轉速也達到10000r／min，有些高達100000r/min因此要求檢測裝置必須滿足數(shù)控機床高精度和高速度的要求。第7頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五二數(shù)控機床對檢測裝置的要求

(2)工作可靠

有較強的抗干擾能力，外界溫濕度的變化對測量結果的影響要小。

(3)便于安裝和維護

測量裝置有一定的安裝精度要求，安裝精度要合理?？紤]到檢測裝置的使用環(huán)境，整個檢測裝置要求有較好的防塵、防油霧、防切屑等措施。第8頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五三檢測裝置的常用類型分類光電式電磁式增量式絕對式增量式絕對式回轉式光電編碼器圓光柵編碼盤旋轉變壓器圓盤感應同步器多極旋轉變壓器三速圓感應同步器直線式計量光柵編碼尺多通道透射光柵直線感應同步器三速感應同步器表常用測量裝置類型第9頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五三檢測裝置的常用類型（1）增量式原理：被測物體每移動一個測量單位，測量裝置發(fā)出一個脈沖信號，對脈沖計數(shù)并處理就可得到一個位移的增量值。任何一個對中點都可作為測量的起點。優(yōu)點：檢測裝置結構簡單，能做到較高精度缺點：由于測量裝置輸出的是脈沖，只能反應有沒有移動，不能表示移動方向，因此必須有方向判別電路判別移動方向一旦計數(shù)有誤，此后結果全錯若發(fā)生故障(如斷電、斷刀等)，事故排除后再也找不到正確位置第10頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五三檢測裝置的常用類型（2）絕對式原理：對于被測量的任意一點位置均由固定的零點標起，每一個被測點都有一個相應的測量值優(yōu)點：測量裝置的輸出能夠代表移動件當前的實際位置(坐標值)，移動的方向靠當前值和歷史記憶取得，后續(xù)處理方便缺點：結構復雜、制作精度沒有增量式的高第11頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五三檢測裝置的常用類型1．數(shù)字式測量和模擬式測量

數(shù)字式測量是將被測量單位量化以后用數(shù)字形式來表示的。數(shù)字測量的輸出信號一般是電脈沖，可以把它直接送到數(shù)控裝置(計算機)進行比較、處理。光柵位移測量裝置就是典型的檢測裝置。數(shù)字式測量的特點是：（1）被測量轉化成脈沖個數(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(當然也有積累誤差)；（3)測量裝置比較簡單，抗干擾能力強。第12頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五

模擬式測量是將被測量用連續(xù)的變量(如相位變化、電壓幅值變化)來表示的。在數(shù)控機床上，模擬式測量主要用于小量程的測量，例如感應同步器的一個線距內的信號相位變化等。模擬式測量的特點是：（1)直接測量被測量，無須變換；（2)在小量程內可以實現(xiàn)高精度測量，如旋轉變壓器、感應同步器等第13頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)增量式光電編碼器和絕對式編碼盤第14頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五一增量式編碼器1234576第15頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五第16頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五一增量式光電編碼器工作原理

增量式光電編碼器工作原理圖第17頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五光電脈沖編碼器的工作原理當圓光柵旋轉時，光線透過兩個光柵的線紋部分，形成明暗相間的條紋。光敏元件接收這些明暗相間的光信號，并轉換為交替變化的電信號。該信號為兩組近似于正弦波的電流信號A和B，A信號和B信號相位相差90°，經過放大和整形變成方波，如圖所示。通過兩個光柵的信號，還有一個“一轉脈沖”(一轉發(fā)出一個脈沖)，稱為Z相脈沖，該脈沖也是通過上述處理得來的。Z相脈沖用來產生機床的基準點，該脈沖以差動形式Z和(Z的反相)輸出。從圖可看出，根據(jù)信號A和信號B的發(fā)生順序，即可判斷光電編碼器軸的正反轉。若A相超前于B相，則為正轉；若B相超前于A相，則為反轉。數(shù)控系統(tǒng)正是利用這一相位關系來判斷方向的。

第18頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五在光電編碼器的里圈還有一條透光條紋Ｃ，每轉產生一個零位脈沖信號。在進給電動機所用的光電編碼器上，零位脈沖用于精確確定機床的參考點，而在主軸電動機上，則可用于主軸準停以及螺紋加工等。第19頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五第20頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五第21頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五一增量式光電編碼器光電輸出波形和信號處理線路的方塊圖第22頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五一增量式光電編碼器2位置和轉速測量（1）位置測量第23頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五增量式編碼器轉角

測量電路原理圖

第24頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五一增量式光電編碼器（2）轉速測量脈沖頻率法：在給定時間t內，對編碼器的脈沖進行計數(shù)，得一數(shù)值N1，設脈沖編碼器的每轉輸出脈沖為N，則轉速

n=（N1/N）*（60/t）r/min第25頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五一增量式光電編碼器脈沖周期法：在編碼器一個脈沖間隔內，對通過的標準時鐘脈沖進行計數(shù)，得一數(shù)值N2，設脈沖編碼器的每轉輸出脈沖為N，T為標準時鐘脈沖周期，則轉速

n=60/（2N2N

T）r/min第26頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五二編碼盤測量裝置碼盤角分辨率θ=360°/2nC4C3C2C1二進制碼盤葛萊碼盤第27頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五二編碼盤測量裝置工作原理：黑的部分為導電部分表示1，白的部分為絕緣部分表示0，四個碼道都裝有電刷，最里一圈是公共極。由于四個碼道產生四位二進制數(shù)，碼盤每轉一周產生0000~1111十六個二進制數(shù)，編碼代表實際角位移，知道了編碼就知道了角位移。圖6-7接觸式碼盤結構及工作原理第28頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)光柵測量裝置按光路分反射光柵和透射光柵反射光柵：優(yōu)點：膨脹系數(shù)與機床材料一致，安裝調整方便，可用鋼帶做成長達數(shù)米的長光柵，適于大位移測量的場合缺點：為了使反射后的莫爾條紋反差較大，每mm內線紋不宜過多，常用的有4、10、25、40、50線/mm透射光柵：優(yōu)點：光電元件直接接受光照，信號幅值大，信噪比好，光電轉換器結構簡單，如線性密度200線/mm缺點：玻璃易破裂，膨脹系數(shù)與機床材料不一致，影響測量精度，測量長度在2m以內

第29頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)光柵測量裝置按其結構形式分為長光柵和圓光柵長光柵：測量直線位移圓光柵：測量角位移按線紋密度分粗光柵和細光柵第30頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五一光柵測量的工作原理光柵測量1-標尺光柵2-指示光柵3-光電接收器4-光源莫爾條紋示意圖

W≈P/θ

第31頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五在光源的照射下，交叉點附近的區(qū)域內黑線重疊，透明區(qū)域變大，擋光效應最弱，透光的累積使該區(qū)域出現(xiàn)亮帶；而距交叉點越遠的區(qū)域，兩光柵不透明黑線的重疊部分越少，黑線的擋光效應增強，該區(qū)域出現(xiàn)暗帶。這種明暗相間與光柵線紋幾乎垂直的條紋稱為莫爾條紋。莫爾條紋具有以下特點：（1）放大作用。當兩光柵尺線紋之間的夾角θ很小時，莫爾條紋的節(jié)距W和柵距P之間的關系為第32頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五(2)平均效應。莫爾條紋由許多明暗相間的條紋組成，如100條／mm的光柵，10mm寬的莫爾條紋就由1000條線紋組成，這樣對個別線紋的間距誤差就不敏感，這在很大程度上消除了柵距刻制不均勻造成的誤差。

(3)信息變換作用。莫爾條紋的移動與柵距之間的移動成比例。當光柵向左或向右移動一個柵距P時，莫爾條紋也相應地向上或向下準確地移動一個節(jié)距W。根據(jù)光柵柵距的位移和莫爾條紋位移的對應關系，只要測量出莫爾條紋移過的距離，就可以得出光柵移動的微小距離。（4）光強分布規(guī)律。當用平行光束照射光柵時，就會形成明、暗相間的莫爾條紋。由亮紋到暗紋，再由暗紋到亮紋的光強分布近似余弦函數(shù)。第33頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五

3)信號處理光柵輸出的信號有兩種：一種是正弦波信號；另一種是方波信號。（1）倍頻處理。正弦波輸出有電流型和電壓型，對正弦波輸出信號需經過差動放大、整形及倍頻處理后得到脈沖信號。倍頻可提高光柵的分辨精度，如5倍頻、10倍頻等。如原光柵線紋為50條／mm，經5倍頻處理后，相當于將線紋密度提高到250條／mm。圖所示為HEIDENHAIN光柵電流型輸出信號經5倍頻處理后的信號波形。

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HEIDENHAIN光柵電流型輸出信號的波形(a)正弦信號;(b)整形后的信號;(c)5倍頻處理后的信號第35頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五

(2)方向判別。光柵輸出信號經差動放大和信號處理后，獲得PA、PB脈沖信號，PA和PB的超前或滯后經方向判別電路處理后，得到以高、低電平表示的方向信號，如圖所示。第36頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五二光柵測量裝置的數(shù)字變換線路光柵測量系統(tǒng)簡圖第37頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五二光柵測量裝置的數(shù)字變換線路

原理框圖波形圖光柵信號4倍頻電路第38頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五三讀數(shù)頭把光源、光柵、光電元件組合在一起，稱為讀數(shù)頭按光路分為分光式、直射式、反射式讀數(shù)頭a）分光式b）直射式c）反光式第39頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五四等倍透鏡系統(tǒng)兩光柵間距很小，如安裝不準確，就不能得到正確信號，因此在實際應用中采用了等倍透鏡系統(tǒng)。等倍透鏡系統(tǒng)第40頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)磁柵測量裝置磁柵位置檢測裝置是用磁性標尺代替光柵，用電磁方法計數(shù)磁波數(shù)目的一種測量方法。磁柵位置檢測裝置是由磁性標尺、磁頭和檢測電路組成。第41頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五一工作原理磁性標尺是在非導磁材料的基體上，涂敷或鍍上一層很薄的磁膜(導磁材料)，在磁膜上利用錄磁原理，用錄磁磁頭記錄一定波長的矩形波或正弦波，以此作為測量的基準刻度，磁化信號的節(jié)距(周期)一般有0.05、0.10、0.20、1mm等第42頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五二磁頭1讀取磁頭磁頭是進行磁電轉換的變換器，它把反映空間位置的磁信號輸送到檢測電路中去。速度響應型磁頭：只有在磁頭和磁帶之間有一定相對運動速度時，才能檢測出磁化信號，磁頭輸出電壓幅值與磁通變化率成比例，這種磁頭只能用于動態(tài)測量。如普通錄音機速度響應型磁頭第43頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五二磁頭磁通響應型磁頭：根據(jù)數(shù)控機床的要求，為了在低速運動和靜止時也能進行位置檢測，必須采用磁通響應型磁頭。磁通響應型磁頭第44頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五二磁頭勵磁繞組在一個周期內可使鐵芯飽和兩次，鐵芯材料飽和后，磁阻很大，磁路被阻斷；鐵芯材料非飽和時，磁阻減小，磁路開通。可見，勵磁繞組的作用相當于磁開關，只要有周期變化的勵磁電流存在，輸出繞組的磁路中磁通量產生周期變化，輸出繞組輸出電壓信號為E0輸出電壓幅值，λ磁化節(jié)距，ω0激磁頻率的2倍頻，x位移第45頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五二磁頭2多間隙磁通響應型磁頭用一個磁通響應型磁頭讀取磁柵的磁化信號，輸出信號往往很微弱，且由于磁膜的非線性，往往難以實現(xiàn)?？蓪讉€磁頭串聯(lián)起來組成多間隙響應型磁頭，以提高輸出信號幅度，提高測量分辨率及準確性。第46頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五三檢測電路鑒幅型檢測電路兩組磁頭通以同頻、同相、同幅值的勵磁電流，由于兩組磁頭的安裝位置相差(n+l／4)λ(n為正整數(shù))，因此檢波整形后的方波相差90。鑒幅檢測電路第47頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五三檢測電路鑒相型檢測電路兩磁頭的安裝距離相差(n+l／4)λ

。兩組磁頭通以同頻、等幅但相位相差π／4的勵磁交流電。兩組磁頭的輸出電壓為e1、e2在求和的線路中相加得第48頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五第49頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五三鑒相檢測電路在鑒相電路中，把它和基本方波的相位相比較，若相位不同，則在兩方波的上升沿之間插入頻率為2MHz的脈沖。兩波相位相差越大，插入脈沖越多，兩波相位差為零，無插入脈沖，這樣就可撿測位移量的值。第50頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五第五節(jié)旋轉變壓器測量裝置第51頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五一旋轉變壓器的結構定子繞組通過固定在殼體上的接線板直接引出。轉子繞組是通過滑環(huán)和電刷直接引出的。其特點是結構簡單，體積?。蝗秉c是可靠性差，壽命短。第52頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五一旋轉變壓器的結構定子繞組通過固定在殼體上的接線板直接引出。轉子繞組是通過附加變壓器二次繞組間接送出去的。其特點是提高了可靠性及使用壽命。但體積、重量、成本均有增加。第53頁，共62頁，2023年，2月20日，星期五二旋轉變壓器的組成及工作原理普通變壓器的工作原理是在一次繞組加上輸入電壓，則在二次繞組上輸出電壓為(n2/n1)U1。旋