位置檢測(cè)裝置課件

位置檢測(cè)裝置*1

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(shuō)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(jī)構(gòu)”。它忠實(shí)地執(zhí)行由CNC裝置發(fā)來(lái)的運(yùn)動(dòng)命令，精確控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)方向，進(jìn)給速度與位移量。而位置檢測(cè)裝置則是CNC系統(tǒng)的“五官”。*2第一節(jié)概述.進(jìn)給伺服系統(tǒng).定義：

進(jìn)給伺服系統(tǒng)(FeedServoSystem)——以移動(dòng)部件的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)。*3組成：進(jìn)給伺服系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：位置控制單元；速度控制單元；驅(qū)動(dòng)元件(電機(jī))；檢測(cè)與反饋單元；機(jī)械執(zhí)行部件。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋一、進(jìn)給伺服系統(tǒng)*4二、組成及作用

組成：位置測(cè)量裝置是由檢測(cè)元件（傳感器）和信號(hào)處理裝置組成的。

作用：實(shí)時(shí)測(cè)量執(zhí)行部件的位移和速度信號(hào)，并變換成位置控制單元所要求的信號(hào)形式，將運(yùn)動(dòng)部件現(xiàn)實(shí)位置反饋到位置控制單元，以實(shí)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(jī)床的加工精度在很大程度上是由位置檢測(cè)裝置的精度決定的，在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)，尤其是高精度進(jìn)給伺服系統(tǒng)時(shí)，必須精心選擇位置檢測(cè)裝置。*5三、進(jìn)給伺服系統(tǒng)對(duì)位置測(cè)量裝置的要求高可靠性和高抗干擾性：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(qiáng)；能滿足精度和速度的要求：位置檢測(cè)裝置分辨率應(yīng)高于數(shù)控機(jī)床的分辨率（一個(gè)數(shù)量級(jí)）；位置檢測(cè)裝置最高允許的檢測(cè)速度應(yīng)數(shù)控機(jī)床的最高運(yùn)行速度。使用維護(hù)方便，適應(yīng)機(jī)床工作環(huán)境；成本低。*6四、位置檢測(cè)裝置的分類按輸出信號(hào)的形式分類：數(shù)字式和模擬式按測(cè)量基點(diǎn)的類型分類：增量式和絕對(duì)式按位置檢測(cè)元件的運(yùn)動(dòng)形式分類：回轉(zhuǎn)型和直線型*7常用位置檢測(cè)裝置分類表*8第二節(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）絕緣粘膠銅箔鋁箔耐切削液涂層基板(鋼、銅)定尺（連續(xù)感應(yīng)繞組）：固定在機(jī)床的固定部件滑尺（分段勵(lì)磁繞組：正弦+余弦）：固定在移動(dòng)部件0.15~0.35mm*9分類*10感應(yīng)同步器的工作原理.

感應(yīng)同步器是利用勵(lì)磁繞組與感應(yīng)繞組間發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，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(cè)。感應(yīng)同步器滑尺上的繞組是勵(lì)磁繞組，定尺上的繞組是感應(yīng)繞組。*11感應(yīng)同步器的工作原理U0U0θ1USUSUSUSUS定尺滑尺*12感應(yīng)同步器的信號(hào)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=KUScosθ1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（θ1+π/2）=－KUcsinθ1*13滑尺正、余旋繞組上同時(shí)加激磁電壓Us、Uc時(shí)，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=KUScosθ1－KUcsinθ1K—

電磁感應(yīng)系數(shù)

θ1—定尺繞組上的感應(yīng)電壓的相位角*14滑尺與定尺相對(duì)位移量x的求?。骸?τ:2π=x:θ1∴x=τθ1／π結(jié)論：相對(duì)位移量x與相位角θ1呈線性關(guān)系，只要能測(cè)出相位角θ1，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(cè)系統(tǒng)——-鑒相型系統(tǒng)和鑒幅型系統(tǒng)。*15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=KUScosθ1－KUcsinθ1

=KUmsinωtcosθ1－KUmcosωt

sinθ1

=KUmsin（ωt－θ1）結(jié)論：只要能測(cè)出Uo與US相位差θ1，就可求得滑尺與定尺相對(duì)位移量x。*16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=KUScosθ1－KUcsinθ1

=KUmsinθ2cosθ1sinωt－KUmcosθ2sinωtsinθ1=KUmsin（θ2－θ1）sinωt結(jié)論：只要能測(cè)出Uo與UC相位差θ1，就可求得滑尺與定尺相對(duì)位移量x。*17幾點(diǎn)說(shuō)明感應(yīng)同步器的測(cè)量周期為其繞組的節(jié)距2τ（2mm）感應(yīng)同步器的測(cè)量精度取決于測(cè)量電路對(duì)輸出感應(yīng)電壓的細(xì)分精度?，F(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)*186.感應(yīng)同步器的特點(diǎn)及使用注意事項(xiàng)

特點(diǎn)精度高：平均自補(bǔ)償特性；對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)：抗?jié)瘛囟?、熱變形影響的能力?qiáng)；維護(hù)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)：非接觸測(cè)量，無(wú)磨損，精度保持性好。*19測(cè)量距離長(zhǎng)：通過(guò)接長(zhǎng)可滿足大行程測(cè)量的要求?！?lián)方式n<10串并聯(lián)方式n≥10*20使用注意事項(xiàng)

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(duì)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(duì)稱性和保真性。對(duì)鑒相系統(tǒng)：激磁電壓的幅值、頻率相等；相位差900對(duì)鑒幅系統(tǒng)：對(duì)Umsinθ2、Umcosθ2調(diào)制的精確性當(dāng)失真度大于2%時(shí)，將嚴(yán)重影響測(cè)量精度。*21第三節(jié).編碼器

脈沖編碼器又稱碼盤，是一種回轉(zhuǎn)式數(shù)字測(cè)量元件，通常裝在被檢測(cè)軸上，隨被測(cè)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，可將被測(cè)軸的角位移轉(zhuǎn)換為增量脈沖形式或絕對(duì)式的代碼形式。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測(cè)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(jī)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(cè)元件。另外，它還可分為絕對(duì)式和增量式兩種。*22.增量脈沖編碼器結(jié)構(gòu)及工作原理信號(hào)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*23

光電碼盤隨被測(cè)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，在光源的照射下，透過(guò)光電碼盤和光欄板形成忽明忽暗的光信號(hào)，光敏元件把此光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)信號(hào)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(hào)。AB90°Z……碼盤轉(zhuǎn)一圈*24輸出信號(hào)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(cè)軸的角位移；根據(jù)脈沖的頻率可得被測(cè)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(cè)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(shí)現(xiàn)）。ABCP90O*25

Z相的作用被測(cè)軸的周向定位基準(zhǔn)信號(hào)；被測(cè)軸的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)記數(shù)信號(hào)。的作用后續(xù)電路可利用A、兩相實(shí)現(xiàn)差分輸入，以消除遠(yuǎn)距離傳輸?shù)墓材８蓴_。Z……碼盤轉(zhuǎn)一圈共模干擾：一般指在兩根信號(hào)線上產(chǎn)生的幅度相等，相位相同的噪聲。

差模干擾：則是幅度想等，相位相反的的噪聲。

常用的差分線對(duì)共模干擾的抗干擾能力就非常強(qiáng)。*26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(chǎng)上提供的規(guī)格從36線/轉(zhuǎn)到10萬(wàn)線

/轉(zhuǎn)都有；選擇：①伺服系統(tǒng)要求的分辨率；②考慮機(jī)械傳動(dòng)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)：*27.絕對(duì)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(duì)應(yīng)每圈都有光電傳感器；輸出信號(hào)的路數(shù)與碼盤圈數(shù)成正比；檢測(cè)信號(hào)按某種規(guī)律編碼輸出，故可測(cè)得被測(cè)軸的周向絕對(duì)位置。01011110011001111000100110101011110011110000000100100011010023222120*28絕對(duì)編碼盤的編碼方式及特點(diǎn)二進(jìn)制編碼：特點(diǎn)：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(shí)會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)以上不同數(shù)字輸出——讀數(shù)模糊現(xiàn)象。01011110011001111000100110101011110011011111000000010010001101001111000023222120*29格雷碼（循環(huán)碼、葛萊碼）特點(diǎn)：任何兩個(gè)編碼之間只有一位是變化的，因而可把誤差控制在最小單位上。但編碼與位置循序無(wú)直接規(guī)律。111100011101110001000101011101100010001100001000100110111010111023222120*30格雷碼的編碼方法它是從二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換而來(lái)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)。例題：將二進(jìn)制碼0101轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的格雷碼：第二節(jié)位置檢測(cè)裝置.脈沖編碼器*31絕對(duì)式碼盤的規(guī)格及分辨率規(guī)格絕對(duì)式碼盤的規(guī)格與碼盤碼道數(shù)n有關(guān)；現(xiàn)在市場(chǎng)上提供從4道到18道都有；選擇：①伺服系統(tǒng)要求的分辨率；②考慮機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)。分辨率（分辨角）α設(shè)絕對(duì)式碼盤的規(guī)格n道：

*32.光電編碼器的特點(diǎn)非接觸測(cè)量，無(wú)接觸磨損，碼盤壽命長(zhǎng)，精度保證性好；允許測(cè)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(jià)格高，光源壽命短；碼盤基片為玻璃，抗沖擊和抗震動(dòng)能力差。*334、磁性編碼器近年發(fā)展起來(lái)的新型編碼器，輸出形式與光學(xué)編碼器一樣，都是數(shù)字脈沖信號(hào)。特點(diǎn)：抗環(huán)境能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，將在很大程度上代替光學(xué)編碼器。類型：增量式絕對(duì)式磁敏電阻式勵(lì)磁環(huán)式強(qiáng)磁金屬半導(dǎo)體*34第四節(jié)直線光柵

光柵的分類：物理光柵和計(jì)量光柵光柵的運(yùn)動(dòng)方式：長(zhǎng)光柵和圓光柵光線的走向：透射光柵和反射光柵*351.長(zhǎng)光柵檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)

一、長(zhǎng)光柵檢測(cè)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(dòng)線路

主要結(jié)構(gòu)為標(biāo)尺光柵（長(zhǎng)光柵、固定光柵）和指示光柵（短光柵、移動(dòng)光柵）柵距和柵距角（兩個(gè)光柵錯(cuò)開的角度）*362.工作原理（以透射投影為例）摩爾條文寬度B的理論公式莫爾條紋：d放大2倍

VSθ

d

WW

Θ嚴(yán)格來(lái)說(shuō)：橫向莫爾條紋排列的方向是與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直*37

莫爾條紋的特征：（1）莫爾條紋的變化規(guī)律：兩片兩光柵相對(duì)移過(guò)一個(gè)柵距，莫爾條紋移過(guò)一個(gè)條紋近似正（余）弦函數(shù)，變化周期數(shù)與兩光柵相對(duì)移過(guò)的柵距數(shù)同步。（2）放大作用

莫爾條紋寬度W和光柵柵距d、柵線夾角θ之間關(guān)系：間距。由于光的衍射與干涉作用，莫爾條紋的變化規(guī)律由圖可知W=dsinθ

又θ很小可認(rèn)為sinθ≈θ

故

W=d/θ

例如d=0.01,θ=0.01rad,得W=1mm,放大100（3）均化柵距誤差作用*38

莫爾條紋的細(xì)分技術(shù)：光學(xué)細(xì)分、機(jī)械細(xì)分和電子細(xì)分

二、光柵位移-數(shù)字變換電路

abcd插動(dòng)放大插動(dòng)放大整形整形方向辨別門電路可逆計(jì)數(shù)正脈沖反脈沖abcd插動(dòng)放大插動(dòng)放大(sin)(cos)整形整形反向反向微分微分微分微分ABCDA’C’B’D’Y1Y2Y3Y4Y8Y5Y6Y7H1H2正向脈沖反向脈沖sincosABCDA’B’C’D’相加A’B’C’D’相加正走反走*39第5節(jié)磁尺測(cè)量裝置

磁尺位置檢測(cè)裝置是由磁性標(biāo)尺、磁頭和檢測(cè)電路組成。

利用錄磁的原理將一定周期變化的方波、正弦波或脈沖電信號(hào)，用錄磁磁頭記錄在磁性標(biāo)尺的磁膜上，作為測(cè)量的基準(zhǔn)。檢測(cè)時(shí)，用拾磁磁頭將磁性標(biāo)尺上的磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)檢測(cè)電路處理后，用以計(jì)量磁頭相對(duì)磁尺之間的位移量。

特點(diǎn)：對(duì)使用環(huán)境的條件要求較低，對(duì)周圍磁場(chǎng)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。*40速度響應(yīng)型磁頭磁通響應(yīng)型磁頭*41磁尺測(cè)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(hào)。磁信號(hào)的節(jié)距一般為0.05、0.1、0.2、1mm。為了防止磁頭對(duì)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(hào)輸送到檢測(cè)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(yùn)動(dòng)和靜止時(shí)也能進(jìn)行位置檢測(cè)，必須采用磁通響應(yīng)型磁頭。

*42第6節(jié)旋轉(zhuǎn)變壓器位移檢測(cè)裝置

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種角度測(cè)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(dòng)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(jiǎn)單、動(dòng)作靈敏，對(duì)環(huán)境無(wú)特殊要求，維護(hù)方便，輸出信號(hào)幅度大，抗干擾性強(qiáng)，工作可靠。

工作原理：

當(dāng)激磁電壓U