位置檢測(cè)裝置

上午6時(shí)48分 1 第五章位置檢測(cè)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(cè)裝置 上午6時(shí)48分 2 第五章位置檢測(cè)裝置 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(jī)構(gòu) 它忠實(shí)地執(zhí)行由CNC裝置發(fā)來的運(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 上午6時(shí)48分 3 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) 上午6時(shí)48分 4 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 一 進(jìn)給伺服系統(tǒng) 上午6時(shí)48分 5 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 上午6時(shí)48分 6 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 上午6時(shí)48分 7 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 上午6時(shí)48分 8 常用位置檢測(cè)裝置分類表 上午6時(shí)48分 9 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 sin cos 節(jié)距2 2mm 節(jié)距 0 5mm 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 上午6時(shí)48分 10 分類 上午6時(shí)48分 11 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 上午6時(shí)48分 12 感應(yīng)同步器的工作原理 U0 U0 1 定尺 滑尺 上午6時(shí)48分 13 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 KUScos 1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 1 2 KUcsin 1 上午6時(shí)48分 14 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 KUScos 1 KUcsin 1K 電磁感應(yīng)系數(shù) 1 定尺繞組上的感應(yīng)電壓的相位角 上午6時(shí)48分 15 滑尺與定尺相對(duì)位移量x的求取 2 2 x 1 x 1 結(jié)論 相對(duì)位移量x與相位角 1呈線性關(guān)系 只要能測(cè)出相位角 1 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) 上午6時(shí)48分 16 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 2的交變電壓 US Umsin tUC Umcos t則 Uo Uos Uos KUScos 1 KUcsin 1 KUmsin tcos 1 KUmcos tsin 1 KUmsin t 1 結(jié)論 只要能測(cè)出Uo與US相位差 1 就可求得滑尺與定尺相對(duì)位移量x 上午6時(shí)48分 17 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 Umsin 2sin tUC Umcos 2sin t 2 x2 x2是指令位移值 Uo Uos Uos KUScos 1 KUcsin 1 KUmsin 2cos 1sin t KUmcos 2sin tsin 1 KUmsin 2 1 sin t結(jié)論 只要能測(cè)出Uo與UC相位差 1 就可求得滑尺與定尺相對(duì)位移量x 上午6時(shí)48分 18 幾點(diǎn)說明 感應(yīng)同步器的測(cè)量周期為其繞組的節(jié)距2 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 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) 上午6時(shí)48分 19 6 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)?溫度 熱變形影響的能力強(qiáng) 維護(hù)簡(jiǎn)單 壽命長(zhǎng) 非接觸測(cè)量 無磨損 精度保持性好 上午6時(shí)48分 20 測(cè)量距離長(zhǎng) 通過接長(zhǎng)可滿足大行程測(cè)量的要求 串聯(lián)方式n 10 串并聯(lián)方式n 10 上午6時(shí)48分 21 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)Umsin 2 Umcos 2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 上午6時(shí)48分 22 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 上午6時(shí)48分 23 增量脈沖編碼器 結(jié)構(gòu)及工作原理 上午6時(shí)48分 24 光電碼盤隨被測(cè)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng) 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(hào) 光敏元件把此光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào) 通過信號(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) 上午6時(shí)48分 25 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) 上午6時(shí)48分 26 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_ 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) 上午6時(shí)48分 27 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10萬線 轉(zhuǎn)都有 選擇 伺服系統(tǒng)要求的分辨率 考慮機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù) 分辨率 分辨角 設(shè)增量式碼盤的規(guī)格為n線 轉(zhuǎn) 上午6時(shí)48分 28 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 上午6時(shí)48分 29 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 1111 0000 上午6時(shí)48分 30 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直接規(guī)律 上午6時(shí)48分 31 格雷碼的編碼方法它是從二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換而來的 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 上午6時(shí)48分 32 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 伺服系統(tǒng)要求的分辨率 考慮機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù) 分辨率 分辨角 設(shè)絕對(duì)式碼盤的規(guī)格n道 上午6時(shí)48分 33 光電編碼器的特點(diǎn) 非接觸測(cè)量 無接觸磨損 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 上午6時(shí)48分 34 4 磁性編碼器 近年發(fā)展起來的新型編碼器 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 上午6時(shí)48分 35 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 上午6時(shí)48分 36 1 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 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 上午6時(shí)48分 37 2 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 嚴(yán)格來說 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 上午6時(shí)48分 38 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)移過一個(gè)柵距 莫爾條紋移過一個(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 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 dsin 又 很小可認(rèn)為sin 故W d 例如d 0 01 0 01rad 得W 1mm 放大100 3 均化柵距誤差作用 上午6時(shí)48分 39 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 上午6時(shí)48分 40 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 上午6時(shí)48分 41 速度響應(yīng)型磁頭 磁通響應(yīng)型磁頭 上午6時(shí)48分 42 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 上午6時(shí)48分 43 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U1加到定子繞組時(shí) 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(shí) 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(shí) 轉(zhuǎn)子繞組的產(chǎn)生的感應(yīng)電壓U2為 U1 UmsintU2 kU1sin ksintsin 上午6時(shí)48分 44 上午6時(shí)48分 45 討論題1 數(shù)控機(jī)床對(duì)位置檢測(cè)裝置有何要求 2 從指令控制的角度看 開環(huán)伺服系統(tǒng)控制精度的基本原因是什么 半閉環(huán)控制系統(tǒng)中 位置反饋信號(hào)不能包含哪一部分的位置誤差 3 試述感應(yīng)同步器的工作原理 并說明相位工作方