機(jī)電一體伺服驅(qū)動(dòng)PPT教學(xué)課件（圖文豐富） .ppt

教 師 課 時(shí) 授 課 計(jì) 劃 教師姓名 林礪宗 課程名稱 機(jī)電數(shù)控設(shè)計(jì) 授課時(shí)數(shù) 2h 累計(jì) 天,上一講內(nèi)容復(fù)習(xí)（誘導(dǎo)回憶、啟發(fā)、提問(wèn)）,（1）絕對(duì)值測(cè)量方式和增量測(cè)量方式 絕對(duì)值測(cè)量方式 增量測(cè)量方式,（2）數(shù)字式測(cè)量和模擬式測(cè)量 數(shù)字式測(cè)量 模擬式測(cè)量,(3)直接測(cè)量和間接測(cè)量 a. 直接測(cè)量 b. 間接測(cè)量,1 .位置檢測(cè)裝置的分類,本講內(nèi)容,第五章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 第二節(jié) 檢測(cè)裝置,三、光柵尺 四、磁尺,之,光柵通常作為高精度數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)元件，將機(jī)械位移或模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖，反饋給數(shù)控裝置，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)位置控制。 光柵分類為：,三、光柵尺,（一）光柵的結(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，透射光柵分辨率較反射光柵高，其檢測(cè)精度可達(dá)1m以上。 從形狀上看，又可分為圓光柵和直線光柵。圓光柵用于測(cè)量轉(zhuǎn)角位移，直線光柵用于檢測(cè)直線位移。兩者工作原理基本相似，本節(jié)著重介紹一種應(yīng)用比較廣泛的透射式直線光柵。,透射光柵是在玻璃表面上制成一系列平行等距的透光縫隙和不透光的柵線，反射光柵是在金屬的鏡面上制成全反射和漫反射間隔相等的條紋。條紋之間的距離稱為柵距。 光柵檢測(cè)裝置主要由光源、聚光鏡、標(biāo)尺光柵、指示光柵和光敏元件。,圖5.9 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,圖5.10 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,直線光柵通常包括一長(zhǎng)和一短兩塊配套使用，其中長(zhǎng)的稱為標(biāo)尺光柵或長(zhǎng)光柵，一般固定在機(jī)床移動(dòng)部件上，要求與行程等長(zhǎng)。短的為指示光柵或短光柵，裝在機(jī)床固定部件上。兩尺上刻有均勻密集線紋的透明玻璃片，線紋密度為25、50、100、250條/mm等。線紋之間距離相等，該間距稱為柵距，測(cè)量時(shí)它們相互平行放置，并保持0.050.1mm的間隙。,（二）直線光柵的工作原理 1. 莫爾條紋的產(chǎn)生和特點(diǎn) 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放置時(shí)，兩光柵尺上線紋互相交叉。在光源的照射下，交叉點(diǎn)附近的小區(qū)域內(nèi)黑線重疊，形成黑色條紋，其它部分為明亮條紋，這種明暗相間的條紋稱為莫爾條紋。莫爾條紋與光柵線紋幾乎成垂直方向排列。嚴(yán)格地說(shuō)，是與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直。,光柵檢測(cè)裝置的組成,（1） 放大作用 用w（mm）表示莫爾條紋的寬度，p(mm)表示柵距，(rad)為光柵線紋之間的夾角，如下圖（圖5-18）所示則有 (5-8) 莫爾條紋寬度w與角成反比，越小，放大倍數(shù)越大。,莫爾條紋具有如下特點(diǎn)：,p,標(biāo)尺光柵,圖5-18 放大的莫爾條紋,（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寬的光柵就由2000條線紋組成，這樣?xùn)啪嘀g的固有相鄰誤差就被平均化了，消除了柵距之間不均勻造成的誤差。,（3）莫爾條紋的移動(dòng)與柵距的移動(dòng)成比例 當(dāng)光柵尺移動(dòng)一個(gè)柵距p時(shí)，莫爾條紋也剛好移動(dòng)了一個(gè)條紋寬度w。只要通過(guò)光電元件測(cè)出莫爾條紋的數(shù)目，就可知道光柵移動(dòng)了多少個(gè)柵距，工作臺(tái)移動(dòng)的距離可以計(jì)算出來(lái)。若光柵移動(dòng)方向相反，則莫爾條紋移動(dòng)方向也相反（見(jiàn)圖5-18）。,2. 辯向 若標(biāo)尺光柵不動(dòng)，將指示光柵轉(zhuǎn)一很小的角度，兩者移動(dòng)方向及光柵夾角關(guān)系如表5-1所示。因莫爾條紋移動(dòng)方向與光柵移動(dòng)方向垂直，可用檢測(cè)垂直方向?qū)挻蟮哪獱枟l紋代替光柵水平方向移動(dòng)的微小距離。,表5-1莫爾條紋移動(dòng)方向與光柵移動(dòng)方向及光柵夾角的關(guān)系,光柵測(cè)量系統(tǒng)如下圖（圖5-19）所示，由光源、聚光鏡、光柵尺、光電元件和驅(qū)動(dòng)線路組成。讀數(shù)頭光源采用普通的燈泡，發(fā)出輻射光線，經(jīng)過(guò)聚光鏡后變?yōu)槠叫泄馐?，照射光柵尺。光電元件（常使用硅光電池）接受透過(guò)光柵尺光強(qiáng)信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)。,（三）光柵位移數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng),圖5-19 光柵測(cè)量系統(tǒng),當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)柵距，莫爾條紋便移動(dòng)一個(gè)條紋寬度，假定我們開(kāi)辟一個(gè)小窗口來(lái)觀察莫爾條紋的變化情況，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它在移動(dòng)一個(gè)柵距期間明暗變化了一個(gè)周期，理論上光柵亮度變化是一個(gè)三角波形，但由于漏光和不能達(dá)到最大亮度，被削頂削底后而近似一個(gè)正弦波（見(jiàn)圖5-20）。,硅光電池將近似正弦波的光強(qiáng)信號(hào)變?yōu)橥l率的電壓信號(hào)（見(jiàn)圖5-21），經(jīng)光柵位移數(shù)字變換電路放大、整形、微分輸出脈沖。每產(chǎn)生一個(gè)脈沖，就代表移動(dòng)了一個(gè)柵距那么大的位移，通過(guò)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)便可得到工作臺(tái)的移動(dòng)距離。,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,由于此信號(hào)比較微弱，在長(zhǎng)距離傳遞時(shí)，很容易被各種干擾信號(hào)淹沒(méi)，造成傳遞失真，驅(qū)動(dòng)線路的作用就是將電壓信號(hào)進(jìn)行電壓和功率放大。,除標(biāo)尺光柵與工作臺(tái)一起移動(dòng)外，光源、聚光鏡、指示光柵、光電元件和驅(qū)動(dòng)線路均裝在一個(gè)殼體內(nèi)，作成一個(gè)單獨(dú)部件固定在機(jī)床上，這個(gè)部件稱為光柵讀數(shù)頭，又叫光電轉(zhuǎn)換器，其作用把光柵莫爾條紋的光信號(hào)變成電信號(hào)。,(1) 在機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)范圍內(nèi)，能滿足精度和速度的要求。不同類型的數(shù)控機(jī)床對(duì)檢測(cè)裝置的精度和速度要求不一樣。通常要求檢測(cè)元件的分辨度（即檢測(cè)的最小位移量）在0.00010.01mm之內(nèi)，測(cè)量精度在0.010.02mm以內(nèi)。運(yùn)動(dòng)速度為024m/min。,（四）光柵的優(yōu)點(diǎn),(2) 在機(jī)床的工作環(huán)境下，能可靠地工作，亦即受溫度影響小，抗干擾能力強(qiáng)，并能長(zhǎng)期保持精度。 (3) 使用、維護(hù)簡(jiǎn)單方便，成本高,1. 工作臺(tái)移動(dòng)位移的檢測(cè) bw，可計(jì)算出位移x。 2.工作臺(tái)移動(dòng)速度的檢測(cè) 根據(jù)光強(qiáng)的變化頻率可推斷出兩光柵尺的相對(duì)位移速度。 3.工作臺(tái)移動(dòng)方向的檢測(cè) 測(cè)量通過(guò)a與b的莫爾條紋相位超前滯后關(guān)系，可判斷出移動(dòng)方向。,（五）光柵在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用,b.敞開(kāi)式光柵尺,a.封閉式光柵尺,c.長(zhǎng)度計(jì),（六）光柵產(chǎn)品簡(jiǎn)介,休息一下哦！,活動(dòng)活動(dòng)有利于身體健康,提高您的聽(tīng)課效果。,磁尺是一種精度較高的位置檢測(cè)裝置。它由磁性標(biāo)尺、磁頭、和檢測(cè)電路組成。,四、磁尺,磁尺位置檢測(cè)裝置,（一）磁性標(biāo)尺,磁性標(biāo)尺：表面錄有相等節(jié)距（一般為0.05，0.1，0.2，1mm）周期變化的磁信號(hào)。,（二）磁頭,（三） 工作原理,磁尺檢測(cè)是模擬測(cè)量，檢出信號(hào)是一模擬信號(hào)，必須經(jīng)檢測(cè)電路處理變換，才能獲得表示位移量的脈沖信號(hào)。,兩個(gè)磁頭i、ii的激電流，由分頻、濾波和功放后獲得，磁頭移動(dòng)距離x后的輸出電壓為：,在求和電路中相加，則得磁頭總輸出電壓為：,五、編碼器（脈沖編碼器）,脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式角位移檢測(cè)裝置，能將機(jī)械轉(zhuǎn)角變換成電脈沖，是數(shù)空機(jī)床上使用最光的檢測(cè)裝置。,圖5-14 光電式脈沖編碼器結(jié)構(gòu)示意圖,編碼器的優(yōu)點(diǎn)： 分辨率高 響應(yīng)快 具有數(shù)據(jù)長(zhǎng)期存儲(chǔ)功能 串行輸出，信號(hào)線少，可靠性高，便于長(zhǎng)距離傳輸,（一）編碼器（脈沖編碼器）分類,脈沖編碼器的分類,(二）增量式脈沖編碼器,結(jié)構(gòu)圖,指示光柵有兩組線紋a和b，每組線紋的節(jié)距和圓光柵的節(jié)距相同，但a、b兩組線紋彼此錯(cuò)開(kāi)1/4個(gè)節(jié)距，每組線紋與旋轉(zhuǎn)圓光柵配合產(chǎn)生兩路脈沖a和b用于記數(shù)和辯向。,工作原理,光源接通，圓光柵旋轉(zhuǎn)，光線透過(guò)兩個(gè)光柵的a,b兩組線紋，每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)光柵節(jié)距，便在光電元件上形成明暗明變化一個(gè)周期的光信號(hào)，并被轉(zhuǎn)化為兩組近乎于正弦波的電壓信號(hào)，連續(xù)旋轉(zhuǎn)便得到a和b兩路正弦電壓信號(hào)如右圖所示。,脈沖編碼的輸出信號(hào),脈沖編碼的輸出信號(hào),經(jīng)過(guò)放大、整形后得到所示的方波信號(hào)a和b，如光柵盤正轉(zhuǎn)時(shí)a相超前90o，反轉(zhuǎn)時(shí)b相超前90o。另外還產(chǎn)生一脈沖z，z為基準(zhǔn)脈沖，或稱零點(diǎn)脈沖，它是圓光柵盤，可以作為坐標(biāo)原點(diǎn)的信號(hào)，車削螺紋時(shí)作為刀點(diǎn)的信號(hào)。,絕對(duì)式脈沖編碼盤是一種絕對(duì)角度位置檢測(cè)裝置，它的位置輸出信號(hào)是某種制式的數(shù)碼信號(hào)，它表示位移后所達(dá)到的絕對(duì)位置，要用起點(diǎn)和終點(diǎn)的絕對(duì)位置的數(shù)碼信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算后才能得到位移量的大小。,特點(diǎn),電源切除后位置信息不會(huì)丟失，只要通電就能顯示出所在的絕對(duì)位置信號(hào)，因此在事故停機(jī)檢修后，可以根據(jù)加工程序章上標(biāo)明的停機(jī)時(shí)的絕對(duì)位置，或停機(jī)時(shí)記錄下來(lái)的絕對(duì)位置，用絕對(duì)位移指令直接找回原機(jī)位置進(jìn)行繼續(xù)加工。,（三）絕對(duì)式脈沖編碼盤,絕對(duì)式脈沖編碼盤的編碼方法有：a圖為二進(jìn)制數(shù)碼，b圖為葛萊循環(huán)碼,碼盤上有許多同心圓環(huán)，稱為碼道，整個(gè)圓盤又分為若干個(gè)等分的扇形區(qū)段，每一相同的扇形區(qū)段的碼道組成一個(gè)數(shù)碼，著色的碼道為“1”，未著色的碼道為“0”，內(nèi)環(huán)碼道為數(shù)碼的高位。,在圓盤的同一半徑方向的每個(gè)碼道處，如圖的圓點(diǎn)所示，安裝一個(gè)光電元件，光源裝在圓盤的另一側(cè)，碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)，每一扇形區(qū)段愉的光信號(hào)通過(guò)光電元件轉(zhuǎn)換成數(shù)碼脈沖信號(hào)。,1. 二進(jìn)制數(shù)碼,絕對(duì)式脈沖編碼盤,增加一位,達(dá)到6位,葛萊碼的特點(diǎn)是任意相鄰的兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)之間只有一位是不同的，最末一個(gè)數(shù)與第一個(gè)數(shù)也是如此，這樣，就形成了循環(huán)，使整個(gè)循環(huán)里的相鄰數(shù)之間都遵循這一規(guī)律。要生成葛萊碼，可參考下圖所示的方法。其中的行和列分別為三位和二位葛萊碼，結(jié)合可生成五位葛萊碼。,2. 葛萊碼,這些碼盤結(jié)構(gòu)看起來(lái)很復(fù)雜，而且位數(shù)越多顯得越雜亂，如果根據(jù)每一個(gè)絕對(duì)計(jì)數(shù)值一個(gè)個(gè)編制，則計(jì)算及編制工作量十分大，特別是位數(shù)多時(shí)。但我們可以觀察這兩種編碼方法下的碼盤結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，找出其中規(guī)律。,純二進(jìn)制碼有一個(gè)缺點(diǎn)：相鄰兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)可能有多位二進(jìn)制碼不同，當(dāng)數(shù)碼切換時(shí)有多個(gè)數(shù)位要進(jìn)行切換