數(shù)控技術(shù)課件：位置檢測 -

《數(shù)控技術(shù)》FANUC數(shù)控系統(tǒng)（顯示器及操作面板）FANUC數(shù)控系統(tǒng)（顯示器及操作面板）按ESC退出滾珠絲杠按ESC退出光柵尺按ESC退出位置檢測知識要點掌握程度相關(guān)知識旋轉(zhuǎn)變壓器了解旋轉(zhuǎn)變壓器的基本結(jié)構(gòu)；熟悉旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理；掌握旋轉(zhuǎn)變壓器的工作方式。旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)；旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理；監(jiān)相型與監(jiān)幅型工作方式。脈沖編碼器了解編碼器的分類及用途；掌握增量式脈沖編碼器的工作原理；掌握絕對式脈沖編碼器的工作原理。編碼器的分類及用途增量式脈沖編碼器的工作原理；絕對式脈沖編碼器的工作原理。感應(yīng)同步器了解感應(yīng)同步器的基本結(jié)構(gòu)；熟悉感應(yīng)同步器的工作原理；掌握感應(yīng)同步器的工作方式。感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)；感應(yīng)同步器的工作原理；監(jiān)相型與監(jiān)幅型工作方式。磁柵了解磁柵的基本結(jié)構(gòu)；熟悉磁柵的工作原理；了解磁柵的測量電路。磁性標(biāo)尺、磁頭；磁柵的工作原理；測量電路。光柵了解光柵的基本結(jié)構(gòu)；熟悉光柵的工作原理；了解光柵的測量電路。光柵尺、讀數(shù)頭；莫爾條紋及其特點；測量系統(tǒng)。

位置伺服控制是以直線位移或轉(zhuǎn)角位移為控制對象的自動控制。檢測裝置將機床的位移值反饋至數(shù)控系統(tǒng)，使伺服系統(tǒng)控制機床向減小偏差方向移動?！緦?dǎo)入案例】

位置檢測裝置是數(shù)控機床的重要組成部分。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。數(shù)控機床對位置檢測裝置的要求如下：（1）

工作可靠，抗干擾能力強；（2）

滿足精度和速度的要求；（3）易于安裝，維護(hù)方便，適應(yīng)機床工作環(huán)境；（4）

成本低。位置檢測裝置按工作條件和測量要求不同，有下面幾種分類方法：8.1概述間接測量

將旋轉(zhuǎn)型檢測裝置安裝在驅(qū)動電機軸或滾珠絲杠上，通過檢測轉(zhuǎn)動件的角位移來間接測量機床工作臺的直線位移。優(yōu)點是測量方便、無長度限制。缺點是測量信號中增加了由回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動的傳動鏈誤差，從而影響了測量精度。1.

直接測量和間接測量

直接測量

直接測量是將直線型檢測裝置安裝在移動部件上，用來直接測量工作臺的直線位移，作為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋信號。準(zhǔn)確性高、可靠性好，缺點是測量裝置要和工作臺行程等長。2.數(shù)字式測量和模擬式測量

數(shù)字式測量

它是將被測的量以數(shù)字形式來表示，測量信號一般為脈沖，可以直接把它送到數(shù)控裝置進(jìn)行比較、處理。信號抗干擾能力強、處理簡單。

模擬量測量

它是將被測的量用連續(xù)變量來表示，如電壓變化、相位變化等。它對信號處理的方法相對來說比較復(fù)雜。3.增量式測量和絕對式測量

增量式測量

增量式測量只測相對位移量，如測量單位為0.001mm，則每移動0.001mm就發(fā)出一個脈沖信號，其優(yōu)點是測量裝置較簡單，但一旦計數(shù)有誤，以后測量所得結(jié)果完全錯誤。絕對式測量

絕對式測量裝置對于被測量的任意一點位置都有一個相應(yīng)的測量值。測量裝置的結(jié)構(gòu)較增量式復(fù)雜，如編碼盤中，對應(yīng)于碼盤的每一個角度位置便有一組二進(jìn)制位數(shù)。顯然，分辨精度要求愈高，量程愈大，則所要求的二進(jìn)制位數(shù)也愈多，結(jié)構(gòu)就愈復(fù)雜。1.旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)8.2旋轉(zhuǎn)變壓器2.工作原理：

ΦssinθΦccosθΦcΦsθ定子轉(zhuǎn)子U2UsUc2.旋轉(zhuǎn)變壓器的工作方式

正弦繞組和余弦繞組分別加上幅值相同、頻率相同、相位相差90o的正弦交流電壓：1）鑒相方式2）鑒幅方式正弦繞組和余弦繞組分別加上頻率相同、相位相等、幅值分別按正弦、余弦規(guī)律變化的交變電壓：

旋轉(zhuǎn)編碼器通常有增量式和絕對式兩種類型。它通常安裝在被測軸上了，隨被測軸一起轉(zhuǎn)動，將被測軸的位移轉(zhuǎn)換成增量脈沖形式或絕對式的代碼形式。1．增量式旋轉(zhuǎn)編碼器1—轉(zhuǎn)軸2—發(fā)光二極管3—光欄板4—零標(biāo)志5—光敏元件6—碼盤7印制電路板8電源及信號連接座8.3旋轉(zhuǎn)編碼器

光電碼盤里還有一條透光條紋Z，光電碼盤每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一個脈沖，該脈沖稱為一轉(zhuǎn)信號或零標(biāo)志脈沖，作為測量基準(zhǔn)。

指示光柵狹縫群中做出兩個相鄰的狹縫并錯開1/4節(jié)距，這兩個狹縫同光電元件相對應(yīng)，得到兩組不同的光電脈沖，分別稱之為A與B相脈沖。它們在相位上相差1/4周期，即900電角度。正轉(zhuǎn)時，A相超前于B相900；反轉(zhuǎn)時，B相超前于A相900。絕對式接觸式旋轉(zhuǎn)編碼器測量原理2．絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器010111100110011110001001101010111100110111110000000100100011010020212223組成及原理：編碼盤、信號產(chǎn)生元件、信號接收元件

若是n位二進(jìn)制碼盤，就有n圈碼道，且圓周均為2n等分，即共有2n個數(shù)就來表示其不同位置，所能分辨的角度為

分辨力=顯然，位數(shù)n越大，所能分辨的角度越小，測量精度就越大。4位格雷碼盤的特點是任意兩個相鄰數(shù)碼間只有一位是變化的，可消除非單值性誤差。脈沖編碼器

脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，能把機械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，使用很廣泛的位置檢測裝置。增量式與絕對式兩類。絕對式編碼器可直接把被測轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來，且每一個角度位置均有其對應(yīng)的測量代碼，它能表示絕對位置，沒有累積誤差，電源切除后，位置信息不丟失，仍能讀出轉(zhuǎn)動角度。絕對式編碼器有光電式、接觸式和電磁式三種，以接觸式四位絕對編碼器為例來說明其工作原理。（1）位移測量（2）主軸控制（3）測速（4）編碼器應(yīng)用于交流伺服電動機控制中，用于轉(zhuǎn)子位置檢測；提供速度反饋信號；提供位置反饋信號。（5）零標(biāo)志脈沖用于回參考點控制。3．編碼器在數(shù)控機床中的應(yīng)用光電編碼器在數(shù)控機床中的應(yīng)用測量位移

光電編碼器是一種光學(xué)式位置檢測元件，編碼盤直接裝在電機的旋轉(zhuǎn)軸上，通過測量旋轉(zhuǎn)角度間接測量位移量。圖1為安裝圖，圖2為示意圖2.回參考點檢測

編碼器隨電動機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生Z零脈沖信號。圖3和圖4分別為零脈沖和參考點位置示意圖。3.車削螺紋和C軸控制

圖5和圖6分別為安裝于車床主軸上的編碼器在C軸和螺紋車削車中的應(yīng)用示意圖。8.4感應(yīng)同步器5.4.1感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)和原理

感應(yīng)同步器也是一種電磁式的位置檢測傳感器，主要部件由定尺和滑尺組成。結(jié)構(gòu)型式有圓盤式和直線式兩種。旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成，用于角位移測量。

給滑尺的正弦勵磁繞組和余弦勵磁繞組分別通以頻率相同、幅值相同，但相位差π/2的勵磁電壓，即

（1）相位工作方式

當(dāng)滑尺移動

X距離時，定尺繞組中的感應(yīng)電壓為式中：k—電磁耦合系數(shù)；

Um—勵磁電壓幅值；

τ—節(jié)距；

X—滑尺移動距離；

θ—電氣相位角。

定尺的感應(yīng)電壓與滑尺的位移量有嚴(yán)格對應(yīng)關(guān)系。通過測量定尺感應(yīng)電壓的相位，即可測得滑尺的位移量。

給滑尺的正弦勵磁繞組和余弦勵磁繞組分別通以相位相同、頻率相同，但幅值不同的勵磁電壓，即其中，Usm、Ucm幅值分別為式中：θ1—電氣給定角（2）幅值工作方式當(dāng)滑尺移動時，定尺繞組中的感應(yīng)電壓為當(dāng)△θ很小時，定尺繞組中的感應(yīng)電壓可近似表示為2．感應(yīng)同步器的特點（1）精度高（2）測量長度不受限制（3）對環(huán)境的適應(yīng)性較強（4）維修簡單、壽命長（5）工藝性好、成本較低、便于成批生產(chǎn)3．感應(yīng)同步器安裝和使用應(yīng)注意的事項（1）感應(yīng)同步器在安裝時必須保持兩尺平行、兩平面的間隙約為0.25mm，傾斜度小于0.5°，裝配面波紋度在0.01mm/250mm以內(nèi)。滑尺移動時，晃動的間隙及不平行度誤差的變化小于0.1mm。基準(zhǔn)信號鑒相器數(shù)控裝置脈沖相位變換激磁供電線路直流放大器伺服驅(qū)動機構(gòu)放大器反饋信號感應(yīng)同步器機床±

xsintuT±

2U2UsUc鑒相系統(tǒng)測量的原理圖指令信號參考信號誤差信號相位角

1由數(shù)控裝置發(fā)出。1.鑒相測量系統(tǒng)數(shù)控裝置數(shù)模轉(zhuǎn)換器相位補償相敏放大伺服驅(qū)動機構(gòu)感應(yīng)同步器機床±

xU2UsUc鑒幅系統(tǒng)測量的原理圖檢波放大余弦正弦振蕩器控制工作臺的移動方向標(biāo)準(zhǔn)正弦信號控制移動位移2.鑒幅測量系統(tǒng)8.5磁尺位置檢測裝置

磁尺又叫磁柵,是一種采用計算磁波數(shù)目來測量位置的元件。其優(yōu)點是精度高，復(fù)制簡單，安裝方便等。在油污、粉塵較多的場合使用有較好的穩(wěn)定性。8.5.1組成和原理

該裝置由磁性尺、讀取磁頭和檢測電路組成。磁尺位置檢測的框圖將磁信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栍涗洿蓬^轉(zhuǎn)化的一定節(jié)距的磁化信號

磁尺的照片

磁性標(biāo)尺是在非導(dǎo)磁材料上用涂敷、化學(xué)沉積或電鍍上一層10~20μm厚的硬磁材料，并在他們表面上錄制相等節(jié)距周期變化的磁信號，有平面實體型磁尺、帶狀磁尺、線狀磁尺、圓型磁尺。1.磁性標(biāo)尺框架磁頭帶狀磁尺磁尺磁頭磁頭磁盤/4(a)帶狀磁尺(b)線狀磁尺(c)圓型磁尺

常用的磁尺2.磁頭

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轉(zhuǎn)換為電信號。

磁頭的結(jié)構(gòu)原理圖磁性膜輸出信號U拾磁繞組激磁繞組激磁電源磁頭鐵芯基體磁尺

0X

U—拾磁線圈的感應(yīng)電壓；U0—感應(yīng)電壓系數(shù)；

—磁尺變化信號節(jié)距；x—磁頭相對磁尺的位移；

—激磁電流的角頻率。

為了辨別磁頭在磁標(biāo)尺上的移動方向，常采用兩組磁頭。A磁頭B磁頭

雙磁頭測量的原理圖i1i2U2U1磁尺

使用單個磁頭的輸出信號很小，實際使用中，將幾十個磁頭都以相同的間距λm/2配置，相鄰兩磁頭的輸出繞組反向串接。因此輸出信號為各磁頭輸出的疊加。多間隙磁頭具有高精度、高分辨率、輸出電壓大等優(yōu)點。磁尺磁頭U(a)(b)輸出電壓Un=3

m/2O

m/2

多間隙磁頭測量的原理圖8.5.2磁柵測量電路的工作方式

磁尺檢測是模擬測量，必須和檢測電路配合才能檢測，檢測方法有鑒相式和鑒幅式兩種。1.鑒相式測量檢測電路振蕩器2MC分頻器

400低通濾波器功放功放90o移向器限幅放大整形可逆計數(shù)器檢相內(nèi)插電路求和電路帶通濾波器SSNNSSSSSSNNNN

磁頭1磁頭2

鑒相檢測電路U1U2(m+1)

兩磁頭通以等頻、等幅但相位相差90o的激磁電流

兩磁頭的輸出電壓U1、U2為：

由上式可知，根據(jù)輸出電壓的相位變化，可以測量出磁尺的位移量。采用雙磁頭可以識別磁尺的運動方向。2.鑒幅式測量檢測電路

鑒幅式測量檢測電路與鑒相式檢測電路一樣，對兩組磁頭的激磁繞組通以同頻率、同相位的激磁電流，則兩組磁頭繞組輸出的感應(yīng)電壓為：

用檢波器將其中的高頻載波sint濾掉，可得到相位相差/2的兩個交流信號，即

對U'1和U'2進(jìn)行放大、整形，轉(zhuǎn)換成方波信號，該方波信號與被測位移有確定的關(guān)系。

8.6光柵8.6.1結(jié)構(gòu)

光柵種類較多。根據(jù)光線在光柵中是透射還是反射分為透射光柵和反射光柵。從形狀上看，又可分為圓光柵和直線光柵。圓光柵用于測量轉(zhuǎn)角位移，直線光柵用于檢測直線位移。

直線光柵通常包括一長和一短兩塊配套使用，其中長的稱為標(biāo)尺光柵或長光柵，一般固定在機床移動部件上，要求與行程等長。短的為指示光柵或短光柵，裝在機床固定部件上。1.光柵尺

兩個光柵尺上均勻刻有很多條紋，從其局部放大部分來看，白的部分b為透光寬度，黑的部分a為不透光寬度，設(shè)τ為柵距，則τ=a+b

光柵讀數(shù)頭又叫光電轉(zhuǎn)換器，它把光柵莫爾條紋變成電信號。下圖為直射式光柵讀數(shù)頭。讀數(shù)頭都是由光源、透鏡、指示光柵、光敏元件和驅(qū)動電路組成。圖中的標(biāo)尺光柵不屬于光柵讀數(shù)頭，但它要穿過光柵讀數(shù)頭。讀數(shù)頭還有分光式和反射式等幾種。2.光柵讀數(shù)頭1-光柵尺2-光柵3-光電二極管4-指示光柵θ標(biāo)尺光柵指示光柵W標(biāo)尺光柵標(biāo)尺光柵條紋條紋?

當(dāng)指示光柵上的線紋與標(biāo)尺光柵上的線紋成一小角度交叉放置時，在光源的照射下，形成黑色條紋和明亮條紋，這種明暗相間的條紋稱為莫爾條紋。8.6.2光柵測量的基本原理1.莫爾條紋

當(dāng)兩光柵相對移動時，莫爾條紋也移動，但兩者的移動方向垂直。光柵移動一柵距P時，莫爾條紋移動一個節(jié)距W。因此通過測定莫爾條紋移動的數(shù)目，可以測出光柵移動的距離。τ

W

莫爾條紋指示光柵標(biāo)尺光柵τ２、莫爾條紋具有如下特點：（１）放大作用用W（mm）表示莫爾條紋的寬度，τ(mm)表示柵距，(rad)為光柵線紋之間的夾角，則有

莫爾條紋寬度W與角成反比，越小，放大倍數(shù)越大。

（2）均化誤差作用莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同組成，例如，200條/mm的光柵，10mm寬的光