數(shù)控機床的位置檢測裝置

1、在這一講，我們將主要學習： 位置檢測裝置是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分，在第二講中我們知道：在閉環(huán)或半閉環(huán)控制的數(shù)控機床中，必須利用位置檢測裝置把機床運動部件的實際位移量隨時檢測出來，與給定的控制值(指令信號)進行比較，從而控制驅動元件正確運轉，使工作臺(或刀具)按規(guī)定的軌跡和坐標移動。 1. 。數(shù)控機床的工作環(huán)境存在油污、潮濕、灰塵、沖擊振動等，檢測裝置要能夠在這樣的惡劣環(huán)境下工作穩(wěn)定，并且受環(huán)境溫度影響小，能夠抵抗較強的電磁干擾。 為保證數(shù)控機床的精度和效率，檢測裝置必須具有足夠的精度和檢測速度，位置檢測裝置分辨率應高于數(shù)控機床的分辨率一個數(shù)量級。 受機床結構和應用環(huán)境的限制，要求位置檢測裝置體

2、積小巧，便于安裝調(diào)試。盡量選用價格低廉，性能價格比高的檢測裝置。 數(shù)控機床加工精度，在很大程度上取決于數(shù)控機床位置檢測裝置的精度，因此，位置檢測裝置是數(shù)控機床的關鍵部件之一，它對于提高數(shù)控機床的加工精度有決定性的作用。 2.位置檢測裝置的分類1）按輸出信號的形式分類：數(shù)字式:模擬式:將被測量以數(shù)字形式表示，測量信號一般為電脈沖。將被測量以連續(xù)變化的物理量來表示（電壓相位 / 電壓幅值變化）2）按測量基點的類型分類:：絕對式：只測量位移增量，并用數(shù)字脈沖的個數(shù)表示單位位移的數(shù)量。測量的是被測部件在某一絕對坐標系中的絕對坐標位置。3）按位置檢測元件的運動形式分類：回轉型:直線型:測量直線位移測量角

3、位移 符合輸出量與輸入量之間特定函數(shù)關系的準確程度稱作精度，數(shù)控機床用傳感器要滿足高精度和高速實時測量的要求。 位置檢測裝置能檢測的最小位置變化量稱作分辨率。分辨率應適應機床精度和伺服系統(tǒng)的要求。分辨率的高低，對系統(tǒng)的性能和運行平穩(wěn)性具有很大的影響。檢測裝置的分辨率一般按機床加工精度的13110選?。ㄒ簿褪钦f，位置檢測裝置的分辨率要高于機床加工精度）。 輸出信號的變化量相對于輸入信號變化量的比值為靈敏度。實時測量裝置不但要靈敏度高，而且輸出、輸入關系中各點的靈敏度應該是一致的。 對某一輸入量，傳感器的正行程的輸出量與反行程的輸出量的不一致，稱為遲滯。數(shù)控伺服系統(tǒng)的傳感器要求遲滯小。 傳感器的測

4、量范圍要滿足系統(tǒng)的要求，并留有余地。 零漂與溫漂是在輸入量沒有變化時，隨時間和溫度的變化，位置檢測裝置的輸出量發(fā)生了變化。傳感器的漂移量是其重要性能標志，零漂和溫漂反映了隨時間和溫度的改變，傳感器測量精度的微小變化。，在數(shù)控機床中得到了廣泛的使用。旋轉編碼器通常安裝在被測軸上，隨被測軸一起轉動，直接將被測角位移轉換成數(shù)字(脈沖)信號，所以也稱為旋轉脈沖編碼器，這種測量方式?jīng)]有累積誤差。旋轉編碼器也可用來檢測轉速。n常用的增量式旋轉編碼器為增量式光電編碼器，其原理如圖5.1所示。圖5.1 增量式光電編碼器示意原理n增量式光電編碼器檢測裝置由光源、聚光鏡、光柵盤、光柵板、光電管、信號處理電路等組成

5、。光柵盤和光柵板用玻璃研磨拋光制成，玻璃的表面在真空中鍍一層不透明的鉻，然后用照相腐蝕法，在光柵盤的邊緣上開有間距相等的透光狹縫。在光柵板上制成兩條狹縫，每條狹縫的后面對應安裝一個光電管。n當光柵盤隨被測工作軸一起轉動時，每轉過一個縫隙，光電管就會感受到一次光線的明暗變化，使光電管的電阻值改變，這樣就把光線的明暗變化轉變成電信號的強弱變化，而這個電信號的強弱變化近似于正弦波的信號，經(jīng)過整形和放大等處理，變換成脈沖信號。通過計數(shù)器計量脈沖的數(shù)目，即可測定旋轉運動的角位移；通過計量脈沖的頻率，即可測定旋轉運動的轉速，測量結果可以通過數(shù)字顯示裝置進行顯示或直接輸入到數(shù)控系統(tǒng)中圖5.2增量式光電編碼器

6、外形結構圖n增量式光電編碼器外形結構見圖5.2。實際應用的光電編碼器的光柵板上有兩組條紋a、a和b、b，a組與b組的條紋彼此錯開14節(jié)距，兩組條紋相對應的光敏元件所產(chǎn)生的信號彼此相差90相位，用于辨向。此外，在光電碼盤的里圈里還有一條透光條紋c(零標志刻線)，用以每轉產(chǎn)生一個脈沖，該脈沖信號又稱零標志脈沖，作為測量基準。圖5.3 光電編碼器的輸出波形 n光電編碼器的輸出波形如圖5.3所示。通過光欄板兩條狹縫的光信號a和b，相位角相差90，通過光電管轉換并經(jīng)過信號的放大整形后，成為兩相方波信號。 n為了判斷光柵盤轉動的方向，可采用圖5.4a)的邏輯控制電路,將光電管a、b信號（也就是中的0及90

7、 信號）放大整形后變成a、b兩組方波。a組分成兩路，一路直接微分產(chǎn)生脈沖d，另一組經(jīng)反相后再微分得到脈沖e。d、e兩路脈沖進入與門電路后分別輸出正轉脈沖f和反轉脈沖g。 （運用我們學過的數(shù)字電子技術知識同學們從時序圖可以分析出） b組方波作為與門的控制信號，使光電盤正轉時f有脈沖輸出，反轉時g有脈沖輸出，這樣就可判別光電編碼器的旋轉方向。n光電編碼器的測量精度取決于它所能分辨的最小角度，而這與光柵盤圓周的條紋數(shù)有關，即分辨角 圖5.4光電盤辨向環(huán)節(jié)邏輯圖及波形n光柵是一種高精度的位移傳感器，按結構可分為直線光柵和圓光柵，直線光柵用于測量直線位移，園光柵用來測量角位移。光柵裝置在數(shù)控設備、坐標鏜

8、床、工具顯微鏡x-y工作臺上廣泛使用的位置檢測裝置，光柵主要用于測量運動位移，確定工作臺運動方向及確定工作臺運動的速度。圖5.8是光柵尺在車床上的安裝示意圖。n 與其他位置檢測裝置相比，如下：n 直線光柵的精度可達3m，分辨率可達01m。n ，可實現(xiàn)動態(tài)測量，易于實現(xiàn)檢測及數(shù)據(jù)處理的自動化。n n光柵是一種在透明玻璃上或金屬的反光平面上刻上平行、等距的密集刻線，制成的光學元件。數(shù)控機床上用的光柵尺，是利用兩個光柵相互重疊時形成的莫爾條紋現(xiàn)象，制成的光電式位移測量裝置。透射光柵是在透明的玻璃表面刻上間隔相等的不透明的線紋制成的，線紋密度可達到每毫米100條以上；反射光柵一般是在金屬的反光平面上刻

9、上平行、等距的密集刻線，利用反射光進行測量，其刻線密度一般為每毫米450條。n直線透射光柵尺的結構如圖5.9所示，由光源、長光柵(標尺光柵)、短光柵(指示光柵)、光電元件等組成，一般移動的光柵為短光柵，長光柵裝在機床的固定部件上。短光柵隨工作臺一起移動，長光柵的有效長度即為測量范圍。兩塊光柵的刻線密度(即柵距)相等，其相互平行并保持一定的間隙(0.050.1 mm)，并且使兩塊光柵的刻線相互傾斜一個微小的角度。圖5.9光柵尺結構原理n當光線平行照射光柵時，由于光的透射及衍射效應，在與線紋垂直的方向上，準確地說，在與兩光柵線紋夾角的平分線相垂直的方向上，會出現(xiàn)明暗交替、間隔相等的粗條紋，這就是“

10、莫爾干涉條紋”，簡稱莫爾條紋。圖5.10是莫爾條紋形成的原理圖。 圖5.10 莫爾條紋形成的原理n當光柵移動一個柵距形時，莫爾條紋也相應移動一莫爾條紋的間距b，即光柵某一固定點的光強按明一暗一明規(guī)律交替變化一次。因此，光電元件只要讀出移動的莫爾條紋數(shù)目，就知道光柵移動了多少柵距，從而也就知道了運動部件的準確位移量。n為了對莫爾條紋的移動計數(shù)，并判別工作臺移動的方向，在光柵尺的一側安裝上光源，另一側安裝上4個光敏元件，每個光敏元件相距為四分之一光柵刻線間距( 4)，如圖5.11所示。當標尺光柵隨機床運動部件移動時n1）照射到光敏元件上的光線也隨著莫爾條紋移動而產(chǎn)生明暗相間的變化，經(jīng)過光敏元件的“

11、光一電”變換，得到與刻線移動，相對應的正弦波信號，經(jīng)過放大、整形等處理后，變成測量脈沖輸出，波形如圖5.11所示。脈沖數(shù)等于移動過的刻線數(shù)，將該脈沖信號送到計數(shù)器中計數(shù)，則計數(shù)值就反映了光柵尺移動的距離。 2）每個光敏元件相距為四分之一光柵刻線間距( 4)，使輸出信號的相位差為90，通過過鑒相電路可判別其運動方向。 圖5.11輸出信號波形圖圖5.12 四倍頻辨向計數(shù)電路 此外，為了提出高測量精度，常用倍頻細分法對輸出信號進行處理。圖5.12所示為四倍頻電路，4個光敏元件的安裝位置彼此相差14柵距，（也就是在一個變化周期內(nèi)，將光電管由一個增加到四個）這樣，產(chǎn)生4列彼此相差90的信號，為了在0，9

12、0，180，270的位置上都能得到脈沖，必須把兩路相差90 的方波各自反相一次，然后再微分，就可得到4個脈沖，從而使分辨率提高4倍。n為了辨別方向，正向運動時，用“與或”門yhl（圖5.12所示）得到ab+ad+cd+bc的4個正向輸出脈沖；反向運動時，用“與或”門yh2得到ab+bc+cd+ad的4 個反向輸出脈沖。其波形如圖5.13所示。 圖5.13四倍頻波形圖在結構上與二相線繞式異步電動機相似，由定子和轉子組成。勵磁電壓接到定子繞組上，轉子繞組輸出感應電壓，輸出電壓隨被測角位移的變化而變化。n旋轉變壓器分為有刷和無刷兩種，無刷旋轉變壓器的結構如圖5.14所示。 n旋轉變壓器在結構上保證定

13、子和轉子之間空氣隙內(nèi)磁通分布符合正弦規(guī)律，因此當勵磁電壓加到定子繞組上時，通過電磁耦合，轉子繞組產(chǎn)生感應電動勢，如圖5.15a)所示。其輸出電壓的大小取決于轉子的角度位置，即隨著轉子偏轉的角度呈正弦變化。當轉子繞組的磁軸與定子繞組的磁軸位置轉動角度為時，繞組中產(chǎn)生的感應電動勢應為 圖5.15 旋轉變壓器的工作原理 a)線圈位置圖 圖5.15 旋轉變壓器的工作原理 b)波形圖 當轉子轉到兩磁軸平行時，如圖5.15a)，即=90時，轉子繞組中感應電動勢最大，即elnumsintn因此，旋轉變壓器轉子繞組輸出電壓的幅值是嚴格地按轉子偏轉角的正弦規(guī)律變化的，由此可知，只要測量出旋轉變壓器轉子繞組輸出電

14、壓的幅值，就能測量出轉子偏轉角。n旋轉變壓器可單獨和滾珠絲杠相連，也可與伺服電動機組成一體。旋轉變壓器結構簡單，動作靈敏，對環(huán)境無特殊要求，維護方便，輸出信號幅度大，抗干擾性強，并且工作可靠，因此，在數(shù)控機床上廣泛應用。按結構和用途可分為直線感應同步器和圓盤旋轉式感應同步器兩類，直線感應同步器用于測量直線位移，圓盤旋轉式感應同步器用于測量角位移，兩者的工作原理基本相同。n感應同步器具有較高的測量精度和分辨率，工作可靠，抗干擾能力強，使用壽命長。目前，直線式感應同步器的測量精度可達1.5m，測量分辨率可0.05m，并可測量較大位移。因此，感應同步器廣泛應用于坐標鏜床、坐標銑床及其他機床的定位；旋

15、轉式感應同步器常用于雷達天線定位跟蹤、精密機床或測量儀器的分度裝置等。n ，圖5.17是感應同步器結構示意圖。定尺和滑尺分別安裝在機床床身和移動部件上，定尺或滑尺隨工作臺一起移動，兩者平行放置，保持0.20.3mm間隙。標準的感應同步器定尺250mm，尺上有一組感應繞組；滑尺長100mm，尺上有兩組勵磁繞組，一組為正弦勵磁繞組us，一組為余弦勵磁繞組uc。繞組的節(jié)距與定尺繞組節(jié)距相同，均為2mm，用表示。當正弦勵磁繞組與定尺繞組對齊時，余弦勵磁繞組與定尺繞組相差14節(jié)距。由于定尺繞組是均勻的，因此，滑尺上的兩個繞組在空間位置上相差14節(jié)距，即 /2相位角。圖5.17 感應同步器結構示意圖 a)

16、外觀及安裝形式 b)繞組n感應同步器在實際應用時，如果被測量的位移長度比定尺長，怎樣解決呢？我們可以采用多塊定尺接長，相鄰定尺間隔通過調(diào)整，使總長度上的累積誤差不大于單塊定尺的最大偏差。在行程為幾米到幾十米的中型或大型機床中，工作臺位移的直線測量大多數(shù)采用感應同步器來實現(xiàn)。n2.感應同步器的工作原理n感應同步器一般當在滑尺的正弦繞組加一組交流電壓，產(chǎn)生勵磁，繞組中產(chǎn)生勵磁電流，并產(chǎn)生交變磁通，這個交變磁通與定尺繞組耦合，在定尺繞組上分別感應出同頻率的交流電壓。圖5.18 定尺繞組感應電動勢產(chǎn)生原理 n圖5.18所示為滑尺在不同位置時定尺上的感應電壓。如果滑尺處于圖中a點位置，就是，滑尺繞組與定

17、尺繞組完全對應重合，那么，由電工學知識我們知道：定尺上的感應電壓最大。隨著滑尺相對定尺做平行移動，感應電壓逐漸減小。當滑尺移動至圖中b點位置，與定尺繞組剛好錯開14節(jié)距時，感應電壓為零。再繼續(xù)移至12節(jié)距處，即圖中c點位置時，為最大的負值電壓(即感應電壓的幅值與a點相同但極性相反)。再移至34節(jié)距，即圖中d點位置時，感應電壓又變?yōu)榱?。當移動到一個節(jié)距位置即圖中e點，又恢復初始狀態(tài)，即與a點情況相同。同學們看看圖5.18所示的感應電壓，從我們剛才的分析可以看出：顯然在定尺和滑尺的相對位移中，感應電壓呈周期性變化，其波形為余弦函數(shù)。在滑尺移動一個節(jié)距的過程中，感應電壓變化了一個余弦周期。n 同樣，

18、若在滑尺的余弦繞組中通以交流勵磁電壓，也能得出定尺繞組中感應電壓與兩尺相對位移的關系曲線，它們之間為正弦函數(shù)關系。n感應同步器作為位置測量裝置在數(shù)控機床上有兩種工作方式：鑒相式和鑒幅式。n以鑒相式為例 在該工作方式下，給滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別通上幅值、頻率相同，而相位角相差 /2的交流電壓：n 激磁信號將在空間產(chǎn)生一個以為頻率移動的電磁波。磁場切割定尺導線，并在其中感應出電動勢，該電動勢隨著定尺與滑尺位置的不同而產(chǎn)生超前或滯后的相位差。根據(jù)滑尺在定尺上的感應電壓關系，分別在定尺繞組上得到感應電勢為n式中，um為勵磁電壓幅值(v)；為勵磁電壓角頻率(rads)；k為比例常數(shù)，其值與繞組間最大互感系數(shù)有關；為滑尺相對定尺在空間的相位角。n n 由此可知，在一個節(jié)距內(nèi)與x是一一對應的，通過測量定尺感應電動勢的相位差，即可測量出滑尺相對于定尺的位移x。n 例如，定尺感應電動勢與滑尺勵磁電動勢之間的相位角=18，在節(jié)距=2mm的情況下，表明滑尺移動了0.1mm。2n數(shù)控機床閉環(huán)系統(tǒng)采用鑒相型系統(tǒng)時，其結構