數(shù)控機床數(shù)控機床的位置檢測系統(tǒng)PPT課件

1、求，允許的最高移動速度各不相同。一般要求檢檢測元件的分辨度(檢測元件能檢測的最小位移量)在0.00010.01mm之內(nèi)，測量精度為0.00100.02mm/m，運動速度為024m/min。 數(shù)控機床對位置檢測裝置的要求如下： 1)受溫度、濕度的影響小，工作可靠，能長期保持精度，抗干擾能力強： 2)在機床執(zhí)行部件移動范圍內(nèi)，能滿足精度相速度的要求； 3)使用維護方便，適應機床工作環(huán)境； 4)成本低。 二、位置檢測裝置的分類 按工作條件和測量要求不同、可采用不同的測量方式。 (一)數(shù)字式測量和模擬式測量 1數(shù)字式測量 數(shù)字式測量是將被測的量以數(shù)字的形式來表示。測量信號一般為電脈沖，可以直接把它送到

2、數(shù)控裝置進行比較、處理。如光柵位置檢測裝置。數(shù)字式測量裝置的特點是： 1)被測的量轉換為脈沖個數(shù)，便于顯示和處理， 2)測量精度取決于測量單位，和量程基本上無關(但存在累積誤差)； 3)切量裝置比較簡單，脈沖信號抗干擾能力較強。 第1頁/共27頁 2模擬式測量 模擬式測量是特鉸測的量用連續(xù)變量來表示，如電壓變化、相位變化等，數(shù)控機床所用模擬式測量主要用于小量程的測量，如感應同步器的一個線距(2mm)內(nèi)的信號相位變化等。在大量程內(nèi)作精確的模擬式測量時，對技術要求較高。模擬式測量的特點是： 1)直接測量被測的量，無需變換， 2)在小量程內(nèi)實現(xiàn)較高精度的測量，技術上較為成熟。如用旋轉變壓器、感應同步

3、器等。 (二)增量式測量和絕對式測量 1增量式測量 增量式測量的持點是：只測位移量，如測量單位為0.01mm，則每移動0.01mm就發(fā)出一個脈沖信號。其優(yōu)點是測量裝置較簡單，任何一個對中點都可作為測量的起點。在輪廓控制的數(shù)控機床上大都采用這種測量方式。典型的測量元件有感應同步器、光柵、磁尺等。在增量式檢測系統(tǒng)中，移距是由測量信號計數(shù)讀出的，一旦計數(shù)有誤，以后的測量結果則完全錯誤。因此，在增量式檢測系統(tǒng)中，基點特別重要。此外，由于某種事故(如停電、刀具損的而停機，當事故排除后不能再找到事故前執(zhí)行部件的正確位置，這是由于這種測量方式?jīng)]有一個特定的標記，必須將執(zhí)行部件移至起始點重新計數(shù)才能找到事故前

4、的正確位置。下面介紹的絕對式測量裝置可以克服以上缺點。 2絕對式測量 絕對式測量裝置對于被測量的任意一點位置均由固定的零點標起，每一個被測點都有一個相應的測量值。裝置的結構較增量式復雜，如編碼盤中對應于碼盤的每一個角度位置便有一組二進制位數(shù)。顯然，分辨精度要求愈高，量程愈大，則所要求的二進制位數(shù)也愈多，結構也就愈復雜。 第2頁/共27頁(三)直接測量和間接測量l直接測量 直接測量是將檢測裝置直接安裝在執(zhí)行部件上，如光柵、感應同步器等用來直接測量工作臺的直線位移，其缺點是測量裝置要和工作臺行程等長，因此，不便于在大型數(shù)控機床上使用。2間接測量 間接測量裝置是將檢測裝置安裝在滾珠絲杠或驅(qū)動電機抽上

5、，通過檢測轉動件的角位移來間接測量執(zhí)行部件的直線位移。間接測量方便可靠，無長度限制。其缺點是測量信號中增加了由回轉運動轉變?yōu)橹本€運動的傳動鏈誤差，從而影響了測量精度。 第二節(jié) 正交、正弦信號的細分及判向電路一、細分電路 所謂正交正弦信號即 )sin( luumA)90sin(luumB(v)(v)其中為 位移量 l第3頁/共27頁 寫成相量式： ouuA90uuB(v)(v) 我們以十六細分為例把這兩個信號接到一個電阻網(wǎng)絡上。如圖6-2所示： 我們根據(jù)相量運算的方法可以求得 的值。如圖6-3所示： 可以理解，當精確調(diào)整好 ，完全可以把 的16個正弦波的相位差間隔調(diào)到 ,得到16個正弦波。先不管

6、這16個正弦波的幅度。我只須將這16路信號經(jīng)過個自的過零比較器，即可得到間隔 的16個方波。再經(jīng)后面的微分，判向，可逆計數(shù)等電路完成位移檢測。 161uu 161161uu 5 .225 .22二、判向及可逆計數(shù) 現(xiàn)代數(shù)控裝置中軟件的作用越來越大，在很多問題的處理方面。軟硬件結合的作法越來越多。概述中提及的整形判向，可逆計數(shù)器現(xiàn)在很少有人采取獨立硬件環(huán)節(jié)來組合。這里我們介紹一種軟硬結合的方法實現(xiàn)判向可逆計數(shù)的方法。 1.硬件原理圖如圖6-4 518為8位數(shù)據(jù)比較器， 分別為 經(jīng)過零比較器后的方波， 為兩個377的輸出，均為CPU控制。工作時若 未發(fā)生變化時OUT1或OUT2中必有一個為“0”產(chǎn)

7、生中斷請求信號。CPU在中斷服務程序中完成對 的采樣，并重置 使OUT1、OUT2重變?yōu)椤?”，最后根據(jù) 的狀態(tài)與前一狀態(tài)比較后作軟件式可逆計數(shù)器的加或減，完成可逆計數(shù)。 1u16u1u16u1p16p1u16u1u16u1p16p1u16u第4頁/共27頁第5頁/共27頁第6頁/共27頁第7頁/共27頁 2.數(shù)據(jù)比較及重置位的邏輯關系 根據(jù)數(shù)據(jù)比較器的邏輯關系得： OUT1= 882211pupupu OUT2= 1616101099pupupu TNI= OUT1 OUT2 由于518為8位數(shù)據(jù)比較器，故對于16位采用了兩個518芯片，245作為CPU采樣u1u16狀態(tài)的三態(tài)門。便于CPU

8、讀入u1u16，377為重置518所用的輸出鎖存器。設u1從0變?yōu)?時，此時 必為0，OUT1也變?yōu)?。 當然也跳至0申請中斷。CPU根據(jù)u1u16的狀態(tài)發(fā)現(xiàn)u2變化了，那么就置 ，并輸出至377。使 重新變?yōu)?，OUT1也重新變?yōu)?。CPU在中斷服務程序中立即作可逆計數(shù)的工作，完成后中斷返回。 22puTNI22pp 22pu 3、軟件工作過程 這里的軟件工作過程主要是指中斷服務程序。其任務為： 完成u1u16的讀取。 求出可逆計數(shù)的增量（+1為：01H，-1為OFFH）。 可逆計數(shù)。 重置518后中斷返回。軟件板圖如圖6-5第8頁/共27頁圖6-5 判向可逆計數(shù)軟件框圖 第9頁/共27頁軟

9、件板圖中，查表得狀態(tài)序號就是根據(jù)u1u16次序號的不同定義了OOOFH十六個狀態(tài)值。事實上u1u16的變化都是按次序改變的。正轉時從： u1u16方向依次變化。反轉時，按 u16u1方向依次變化。正轉時，增量總是為01H，反轉時，增量總是為0FFH。只要把此增量與可逆計數(shù)器的當前值相加并進行多位操作，便可完成可逆計數(shù)器的操作。 對于版圖中其它操作都不難理解，讀者在編程時可以展開。 第三節(jié) 感應同步器測位移 感應同步器是根據(jù)電磁耦合原理將位移信號轉換成電信號的。一般分為直線式和旋轉式兩種。 直線式感應同步器由定尺1和滑尺2兩部分組成，定尺和滑尺均用鋼板作基本，用絕緣粘結劑將銅箔粘貼在基體上。用照

10、相腐蝕的方法制成矩齒形平面繞組。示意圖如圖6-6。 在滑尺的銅箔繞組上面用絕緣的粘結劑貼一層鋁箔，以防止靜電感應。標準式直線式感應同步器的定尺長為250mm，當被測位移移較長時，可用多個定尺連接起來。定尺上的繞組是節(jié)距為2mm的單相連續(xù)繞組?；弑榷ǔ叨桃恍?，它有兩個節(jié)距為2mm的繞組A和B。繞組A稱為正弦繞組，繞組B稱為余弦繞組。它們相對于定尺繞組錯開1/4節(jié)距。 旋轉式感應同步器由轉子1和定子2組成。用于直線式感應同步器相同的方法制成轉子繞組和定子繞組。所不同的是繞組排列成輻射狀，如圖6-7所示。轉子繞組是單向均勻連續(xù)的。定子繞組亦分為A和B，相對于定子繞組錯開1/4節(jié)距。 第10頁/共2

11、7頁第11頁/共27頁 使用時，對于直線式感應同步器，定尺固定在不動的部件上，滑尺固定在移動的部件上。對于旋轉式感應同步器定子固定在不動的部件上，轉子固定在移動的部件上。定尺與滑尺的兩個繞組表面平行其間隙為0.050.25mm，定子與半徑的平面繞組也平行。其間隙為0.050.25mm。 測量時，滑子（或定子）的兩個繞組A、B各供給一個交流勵磁電壓、，則定尺（或轉子）上的繞組由于電磁感應作用而產(chǎn)生與勵磁電壓同頻率的交變感應電勢。當消尺相對于定尺或轉子相對于定子運動時，因它們的繞組位置改變，使定子繞組（或轉子繞組）的磁鏈改變，感應電勢也就隨著發(fā)生變化。 為了說明定尺的感應電勢是隨著定尺的相對位置的

12、改變而變化。下面闡述直線式感應同步器定尺與滑尺的四個不同位置（圖6-8）。如果只對A繞組供給交變的勵磁電壓uA，在繞組中產(chǎn)生電流，因而繞組周圍產(chǎn)生磁場，設如圖所示。當滑尺右行至圖中1的位置時，定尺繞組與滑尺繞組完全重合，定尺繞組磁鏈最大，感應電勢eA最大。當滑尺繼續(xù)右行，由于定尺繞組磁鏈減小，感應電勢也下降。當滑尺右行1/4節(jié)距，即圖中2的位置時，定尺繞組磁鏈的磁通正負摻半相互抵消，因而感應電勢為零?；呃^續(xù)右行，反向感應電動勢逐漸增大，當滑尺滑行1/2節(jié)距，即圖中3的位置時，定尺繞組磁鏈的磁通反向，因而產(chǎn)生負向最大感應電動勢。繼續(xù)右行至圖中4的位置，即滑行3/4節(jié)距時，感應電動勢又為零。當滑

13、行一個節(jié)距是，即圖中的5位置時，又與1相同，由此可見，滑尺在定尺上滑動一個節(jié)距，定尺繞組感應電動勢eA的變化就經(jīng)歷一個周期，其波形是一個余弦函數(shù)。即 Al=cosAKu(6.3.1)式中 uA滑尺繞組A的勵磁電壓k定尺和滑尺的電磁偶合電壓系數(shù)； 相對于滑尺和定尺相對位移的折算角 第12頁/共27頁 在僅對滑尺的繞組B供給勵磁電壓的情況下，當滑尺右行時，定子繞組相差1/4節(jié)距，所以感應電勢的波形滯后，其數(shù)學表達式為： = (6.3.2)BlsinBKu 當對兩個繞組同時供給勵磁電壓，滑尺移動時，定磁繞組的總感應電勢為上述兩個感應電勢的代數(shù)和，即 （6.3.3） sincosBABAKuKulll

14、 實際使用時，繞組A和B上分別加頻率與幅值均相同的正弦變化與余弦變化的勵磁電壓 （6.3.4） (6.3.5)tuumAsintuumBcos 將式（6.3.4）和式(6.3.5)代入式(6.3.3)得 （6.3.6） 由于電磁耦合系數(shù)K以及勵磁電壓的幅值和頻率均不變，定尺的感應電勢e只與角度 有關。如果繞組的節(jié)距為L，滑尺和定尺相對移動S距離時，則 （6.3.7） 說明節(jié)距一定時角度與位移有嚴格的對應關系。因此，只要測得感應電勢的相對，就可推算滑尺和定尺相對移動的距離，進而測得運動部件的距離。 )sin(sincoscossintKutKutKulmmmsl2第13頁/共27頁 感應同步器的

15、測量電路通常分鑒相式測量電路和鑒幅式測量電路。圖6-9是數(shù)字式感應同步器鑒相式測量電路的方框圖。信號源產(chǎn)生兩個振幅相同而相位差的正弦信號電壓和余弦信號電壓，供給感應同步器滑尺的A、B繞組。定尺上產(chǎn)生感應電勢e，經(jīng)前置放大整形后變?yōu)榉讲?，并和參考信號方波送入鑒相器。鑒相器的輸出是感應電勢信號與參考信號的相位差，且反映出其正負。相位信號經(jīng)相位/脈沖變換電路后產(chǎn)生計數(shù)脈沖及方向信號。該計數(shù)脈沖及方向信號用來控制可逆計數(shù)器計數(shù)，正方移動時加，反方移動時減，最后完成位移的測量。 用感應同步器測量位移，其特點是量程范圍較寬，若用多個定尺連接起來，量程可達數(shù)米，分辨率也較高，可達1um。 第四節(jié) 光柵測位移

16、 光柵是一種在基體上刻有等間距均勻分布的條紋的光學元件。用于位移測量的光柵稱為計量光柵，按照光路可分為透射光柵和反射光柵。按結構形式則有長光柵和圓光柵之分。圖6-10為透射光柵的示意圖，圖中a為刻線寬度，b為縫隙寬度，ab=w稱為光柵的柵距，通常情況下a=b.線紋密度一般為每毫米100、50、25和10線。 光柵分標尺光柵和指示光柵。標尺光柵的有效長度即為測量范圍（標尺光柵還可接長來擴大測量范圍）。指示光柵比標尺光柵短得多，但兩者刻有同樣密度的線紋。使用時兩片光柵相互重疊，兩者相距一個微小的距離d，使其中一片固定，另一片隨著被測物體移動，即可實現(xiàn)位移測量。 光柵用于測量的基本原理是利用莫爾條紋

17、。當指示光柵和標尺光柵的線紋相交一個微小夾角時，由于擋光效應（對線紋密度50條/mm的光柵）或光的衍射作用（對線紋密度100條/mm的光柵），在光柵線紋大致垂直的方向上，產(chǎn)生明暗相間的條紋，這些條紋稱為“莫爾條紋”，如圖6-11所示。 第14頁/共27頁第15頁/共27頁第16頁/共27頁 第17頁/共27頁 光柵用于測量的基本原理是利用莫爾條紋。當指示光柵和標尺光柵的線紋相交一個微小夾角時，由于擋光效應（對線紋密度50條/mm的光柵）或光的衍射作用（對線紋密度100條/mm的光柵），在光柵線紋大致垂直的方向上，產(chǎn)生明暗相間的條紋，這些條紋稱為“莫爾條紋”，如圖6-11所示。 莫爾條紋有如下特

18、點： 1、當光柵在橫向沿刻線的垂直方向移動時，莫爾條紋在刻線方向移動。兩光柵相對移動一個柵距W時，莫爾條紋也同步移動一個間距BH，固定點上的光強則變化一周，而且在光柵反向移動時，莫爾條紋的移動方向也隨之反向。 第18頁/共27頁2、莫爾條紋的間距與兩光柵線紋夾角之間的關系為 2sin2HB式中，BH莫爾條紋間距； 光柵柵距； 兩光柵刻線間的夾角（rad）。 3、莫爾條紋由光柵的大量刻線共同形成，對線紋的刻劃誤差有平均抵消作用。能 在很大程度上消除刻線的不均勻誤差的影響。 若用光電元件接收莫爾條紋移動時光強的變化，則將光信號轉換為相應的電信號（電壓或電流）輸出，輸出的幅值可用光柵位移量X的余弦函

19、數(shù)表示。以電壓輸出而言： (6.4.2)式中 u 光電元件的電壓信號 uav輸出信號中的平均直流分量 um輸出信號的幅值 x兩光柵瞬時相對唯一)2cos(xuuumav第19頁/共27頁 將此電壓信號放大，整形變?yōu)榉讲?，?jīng)微分電路轉換成脈沖信號，再經(jīng)辯向電路的可逆計數(shù)器，則可以顯示出位移量，位移量為脈沖與柵距的乘積。對整形、判向、可逆計數(shù)器在第一節(jié)、第二節(jié)中已敘述過。 隨著細分的路數(shù)增加，光柵位移的分辨力就提高，但受調(diào)試難度及電路元件參數(shù)的限制細分路數(shù)不能無限增大，一般分辨力在0.1-0.2就屬高精度了。光柵的測量范圍大（幾乎不受限制），動態(tài)范圍寬且易于實現(xiàn)數(shù)字化測量和自動控制。光柵測量是精密

20、測量中應用較多的一種檢測方法。其缺點是對使用環(huán)境要求較高，在現(xiàn)場使用要求密封，以防止油污、灰塵、鐵屑等的污染。 第五節(jié) 旋轉變壓器測量角位移 旋轉變壓器是用來測量角位移的測量裝置。當以一定頻率（一般為400HZ或更高）的交流電壓加于勵磁繞組時，輸出線阻的電壓幅值與轉子的轉角成正弦、余弦函數(shù)關系，或在一定轉角范圍內(nèi)與轉角成正比關系。前一種稱為正余弦旋轉變壓器，適用于大角位移的絕對測量；后一種稱為線形旋轉變壓器，適用于小角位移的相對測量。 旋轉變壓器的結構與繞線式異步電動機相似，一般做成兩極電機的形式。在定子上有勵磁繞組與輔助繞組，他們的軸線互成。在轉子上有兩個輸出繞組正弦輸出繞組和余弦輸出繞組，

21、這兩個繞組的軸線也互成（圖6-12）。 當給定子的勵磁組加上等幅的交流電壓us1時，在轉子的兩個繞組上將分別產(chǎn)生輸出電壓uR1和uR2，其大小與轉子偏離零位的轉角 有如下關系： 第20頁/共27頁第21頁/共27頁cos11seRukusin12seRuku(6.5.1)(6.5.2)式中， 旋轉變壓器的變壓比； 轉子、定子繞組的匝數(shù)； 加于勵磁繞組的交流電壓（V） 21/ek21,1su 當輸出繞組接有負載時，就有電流通過輸出繞組并產(chǎn)生電樞反應磁通，使氣隙中磁場發(fā)生畸變。這時，輸出電壓就有一定的變化。為了減少這種變化，旋轉變壓器在工作時，應將輔助繞組D3D4短接，或在Z1Z2、Z3Z4 兩輸

22、出繞組上接對稱負載，為提高旋轉變壓器的工作精確度，其負載阻抗應盡量的大。 線形旋轉變壓器實際上也是正、余弦旋轉變壓器，不同的是線形旋轉變壓器采用了特定的變壓比Ke 和接線方式（圖6.3.3），這樣使得在一定轉角范圍內(nèi)（一般為 ），其輸出電壓和轉子轉角 成線形關系。此時輸出電壓 為 601Rucos1sin11eseRkuku(6.5.3)第22頁/共27頁根據(jù)此公式，選定變比Ke 及允許的非線性，就可推斷出滿足線性關系的轉角范圍。如取 Ke=0.54，非線性不超過 ，則轉子的轉角范圍可達 ，在此范圍內(nèi)，輸出電壓與轉角呈線性關系（圖6-13）。 001 . 0 60第23頁/共27頁第六節(jié) 編碼

23、器測角位移 編碼盤又稱為角度編碼器。按不同的讀數(shù)方法，可分為絕對碼盤和增量碼盤兩種；按其不同的工作原理，又可分為接觸式、光電式和電磁式等幾種。但在現(xiàn)代數(shù)控中，增量碼盤用得最多，分析如下： 圖6-14是一種增量型光電編碼器的結構圖。被測軸插入編碼器的轉子3的孔中，并用 第24頁/共27頁法蘭5將編碼器固定到軸4的端蓋上，旋緊轉子11中的螺釘后，轉子即帶動固定在它上面的玻璃刻線盤1一起旋轉。玻璃制成的掃描刻板9固定在定子2上，并和刻線盤1相隔一很小的間隙?？叹€盤上均勻地刻有許多徑向直線，刻線的寬度和兩根刻線之間的間隔寬度基本相同。經(jīng)過蒸汽處理后，使刻線不透光，向刻線間的間隙透光。掃描刻線板9上沿徑向有4個小的刻線區(qū)，每個小的刻線區(qū)刻線情況與刻線盤1相同。每個小刻線之間錯開1/2刻線寬度，即1/4刻線周期。燈泡6發(fā)出的光線經(jīng)透鏡8投射到掃描刻線板和刻線盤上，當刻線盤上的刻線正好轉到與掃描