伺服系統(tǒng)中的常用檢測裝置

1、5 伺服系統(tǒng)中的常用檢測裝置 5.1 概述組成：位置測量裝置是由檢測元件和信號處理裝置組成的作用：實時測量執(zhí)行部件的位移和速度信號，并變換成位置控制單元所要求的信號形式，將運動部件現(xiàn)實位置反饋到位置控制單元，以實施閉環(huán)控制。閉環(huán)數(shù)控機床的加工精度在很大程度上是由位置檢測裝置的精度決定的，在設計數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)，須精心選擇位置檢測裝置。9/8/20221檢測系統(tǒng)的基本特性(1)系統(tǒng)精度是指在一定長度或轉角范圍內測量積累誤差的最大值長度位置檢測精度均已達到0.002-0.02mm/m以內，回轉角測量精度達到10/360；(2)系統(tǒng)分辨率是測量元件所能正確檢測的最小位移量，目前長度位移的分辨率多

2、數(shù)為1m，高精度系統(tǒng)分辨率可達0.1m，回轉分辨率為2。不同類型數(shù)控機床對檢測裝置的精度和適應速度要求是不同的。9/8/20222（3）線性度是用實測的I/O曲線與擬合直線之間最大偏差和滿量程輸出的百分比來表示的。（4）靈敏度是指傳感器或檢測系統(tǒng)輸出的變化量和引起此變化的輸入變化量的比值。（5）遲滯系統(tǒng)的加載和卸載曲線不重合的程度叫做遲滯。9/8/20223對于大型機床以滿足速度要求為主對于中小型機床和高精度機床以滿足精度要求為主。系統(tǒng)分辨率的提高，對加工精度有一定的影響，但也不宜過小分辨率的選取通常和脈沖當量的選取方法一樣，數(shù)值也相同，均按機床加工精度的1/3-1/10選取。機床進給伺服系統(tǒng)

3、所用的檢測部件主要有:旋轉變壓器和脈沖編碼器兩種，在全閉環(huán)時用作位置檢測的還有光柵等。9/8/202249/8/202255.1.1 對位移檢測裝置的要求 （1）除了對電磁感應有較強的抗干擾能力外，還要求不怕油、水的污染，也要求檢測元件被環(huán)境溫度影響較小。（2）在機床執(zhí)行部件移動范圍內，滿足精度和速度響應時間要求直線位移檢測裝置的分辨率一般在0.0001-0.01mm之間，其測量精度可達0.001-0.02mm/m。（3）使用維護方便，使用機床工作環(huán)境。由于機床在實際加工中有鐵屑和切削液的存在，所以檢測元件在拖板上安裝時也必須有一定的防護罩。（4）成本低9/8/20226對轉角測量裝置的分辨率

4、在2時其測量精度可達10/360。（5）對所檢測位移信號處理方便指從檢測元件中取出的與位移有關的電信號，通過有關電路進行放大、整形、細分、記數(shù)等信號處理。一般來說，數(shù)字式測量裝置的信號處理較方便，而模擬式測量裝置的信號處理就較復雜。（6）使用經(jīng)濟。成本低、壽命長。9/8/202275.1.2 分類 9/8/202281）按照測量手段將其分為直接測量和間接測量（1）直接測量用實現(xiàn)標定好的測量儀表直接讀取被測量結果的方法。（2）間接測量一般在無法進行直接測量時采用，其方法是先對與被測量有確定函數(shù)關系的幾個參數(shù)進行測量，并將結果代入函數(shù)關系經(jīng)過計算得到所需被測量的值。2）偏差式測量、零位式測量和微差

5、式測量 9/8/202295.2 旋轉變壓器旋轉變壓器是一種輸出電壓與角位移量成連續(xù)函數(shù)關系的感應式微電機。從物理本質上看，旋轉變壓器是一種可以轉動的變壓器,它由定子和轉子組成其原、副繞組分別放置在定、轉子上，原、副繞組之間的電磁耦合程度與轉子的轉角有關。當它的原繞組施加單相交流電壓勵磁時，副繞組輸出電壓的幅值將與轉子轉角有關。 9/8/202210分類方法:(1)若按有無電刷來分，可分為接觸式和無接觸式兩種；(2)若按極對數(shù)來分，可分為單對極和多對極；(3)若按用途來分，可分為計算用旋轉變壓器和數(shù)據(jù)傳輸用變壓器；(4)若按輸出電壓與轉子轉角間的函數(shù)關系來分，可分為正余弦旋轉變壓器、線性旋轉變

6、壓器、比例式旋轉變壓器以及特殊函數(shù)旋轉變壓器等四類。9/8/2022115.2.1 旋轉變壓器的結構和工作原理9/8/202212工作原理定子繞組和轉子繞組之間產(chǎn)生感應電壓。一般定子繞組通激磁電壓，轉子繞組的感應信號作為輸出，有：E2=KEMsinwt旋轉變壓器在結構上保證其定子和轉子之間氣隙內磁通分布符合正弦規(guī)律，當激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，其工作原理如圖所示。9/8/202213旋轉變壓器工作原理9/8/202214旋轉變壓器原理說明設加到定子繞組的激磁電壓為U1=UMsinwt，通過電磁耦合，轉子繞組將產(chǎn)生感應電動式為E2。(1)當轉子繞組的磁軸與定

7、子繞組的磁軸相互垂直時，轉子繞組的感應電動勢E2=0；(2)當轉子繞組的磁軸自垂直位置轉過90時，此時轉子繞組的感應電壓為最大E2=KUMsinwt。(3)當轉子繞組的磁軸自垂直位置轉過一定角時，定子磁通在轉子繞組平面的投影，則轉子繞組因定子磁通變化而產(chǎn)生的感應電動勢為：9/8/202215正余弦旋轉變壓器9/8/2022165.2.2 工作方式 于四極旋轉變壓器，可以得到兩種工作方法：鑒相工作法和鑒幅工作法1）鑒相工作法如果定子的兩相正交繞組，分別通以頻率和幅值都相等，而相位差為90的激磁交流電壓，即轉子繞組產(chǎn)生感應電動勢為定子兩相磁通所產(chǎn)生的感應電動勢之和，即9/8/202217轉子繞組輸

8、出電壓信號與定子輸入電壓信號的相位差，與轉子的偏角相等。通過檢測這個相位差值，就可以測量出與轉子軸相連的機械軸的轉角。9/8/202218 2）鑒幅工作法定子兩相正交繞組分別通以頻率和相位都相等，而幅值分別與電氣角的正弦和余弦成正比的激磁交流電壓，即此時轉子繞組產(chǎn)生感應電動勢 9/8/2022199/8/2022209/8/2022215.3 感應同步器 感應同步器也是一種電磁式檢測傳感器，按其結構可分為：直線感應同步器和圓形感應同步器兩種。直線式由定尺和滑尺兩部分組成；而圓形感應同步器由定子和轉子組成。感應同步器的這兩部分繞組相當于旋轉變壓器的初級和次級線圈，它們都是利用交變磁場和互感原理工

9、作的。為了辨向和細分，在滑尺上制作兩個彼此相差/2的繞組，這兩個繞組分別為正弦繞組和余弦繞組。9/8/2022229/8/202223感應同步器作為檢測元件有如下的優(yōu)點：(1)精度高因為定尺的節(jié)距誤差有平均自補償作用，所以尺子本身的精度能做得較高。直線感應同步器對機床位移的測量是直接測量，不經(jīng)過任何機械傳動裝置，測量精度主要取決于尺子的精度(2)測量長度不受限制當測量長度大于250mm時，可以采用多塊定尺接長，相鄰定尺間隔可用塊規(guī)或激光測長儀進行調整，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)采用直線式感應同步器來實現(xiàn)。9

10、/8/202224(3)對環(huán)境的適應性較強因為感應同步器金屬基板和床身鑄鐵的熱脹系數(shù)相近，因此當溫度變化時，還能獲得較高的重復精度感應同步器是非接觸式的空間耦合器件，所以對尺面防護要求低，而且可選擇耐溫性能良好的非導磁性涂料作保護層，加強感應同步器的抗溫、防濕能力。(4)維護簡單、壽命長感應同步器的定尺和滑尺互不接觸，因此無任何摩擦、磨損，使用壽命很長，不怕灰塵、油污及沖擊振動。同時由于是電磁耦合器件，所以不需要光源、光電元件，不存在元件老化及光學系統(tǒng)故障等問題。(5)抗干擾能力強、工藝性好、成本低，便于復制和成批生產(chǎn)。 9/8/202225標準感應同步器的外形尺寸9/8/202226圓型感應

11、同步器的繞組 9/8/2022275.3.1 感應同步器的工作原理 直線感應同步器的結構9/8/202228感應同步器工作原理9/8/202229 當滑尺的兩個繞組中的任一繞組中通過激磁交變電壓時：1）當定尺繞組與滑尺繞組之一相重合時A點，這時定尺輸出的感應電壓最大；2）當滑尺繞組相對于定尺繞組平行移動時，感應電壓逐漸減小，到達1/4節(jié)距的位置B時，由于各滑尺線圈磁場在定尺各線圈中產(chǎn)生的電壓方向相反，所以定尺線圈輸出電壓為零；3）如果滑尺繼續(xù)向C點移動，則滑尺磁場在定尺中產(chǎn)生的電壓在負方向上逐漸增大，C點達到最大；4）當滑尺再向D點移動時，定尺電壓又逐漸變?yōu)榱恪?）當移動一個節(jié)距，到達E點時，

12、又與A點的情況相同。9/8/2022305.3.2 感應同步器測量系統(tǒng) 感應同步器也有：鑒相測量系統(tǒng)和鑒幅測量系統(tǒng)。1）鑒相測量系統(tǒng)給感應同步器滑尺的兩個正余弦繞組分別供以頻率和幅值相同，相位差為90的勵磁信號： 則滑尺二繞組在定尺繞組中分別產(chǎn)生的感應電動勢為： 9/8/202231鑒相型感應同步器用于位置控制時，指令信號由數(shù)控裝置(插補器)發(fā)出，經(jīng)脈沖-相位變換器變成相位信號輸入鑒相器，同時把反饋實際位移量的反饋相位角，也反饋到鑒相器進行比較，當兩者相位一致時，表示實際位置和給定的指令位置一致;當不一致時時鑒相器輸出相位差，并將它變換成模擬電壓，經(jīng)放大后驅動伺服系統(tǒng)，使部件作相應的位移，直至

13、到達相位的位置，停止運動。9/8/202232感應同步器鑒相測量系統(tǒng)9/8/2022332）鑒幅測控系統(tǒng)鑒幅工作方式是根據(jù)感應輸出電壓的幅值變化來檢測位移的。在這種工作方式下，滑尺的兩個正余弦繞組分別供以頻率和相位相同，幅值不同正弦電壓，即 9/8/2022349/8/2022355.3.3 感應同步器安裝使用注意事項 （1）感應同步器在安裝時必須保持兩尺平行、兩平面間的間隙約為0.25mm，傾斜度小于0.5，裝配面波紋度在0.01mm/250mm以內?；咭苿訒r，晃動間隙及不平行度誤差的變化小于0.1mm。（2）感應同步器必須加以防護，否則切屑夾在間隙內，會使滑尺和定尺的繞組刮傷或短路，使裝

14、置發(fā)生誤動作及損壞。（3）同步回路中的阻抗和激磁電壓不對稱以及激磁電流失真超過2%，將對測精度產(chǎn)生很大的影響，因此在調整系統(tǒng)時，應加以注意。（4）由于感應同步器感應電勢低，阻抗低，所以應加強屏蔽以防止干擾。9/8/2022365.4 光柵 光柵是利用光的反射、透射和干涉現(xiàn)象制成，有物理光柵和計量光柵。物理光柵兩刻線之間距離在0.002-0.005 mm之間，常用于光譜分析和光波波長的測定；計量光柵柵距在0.004-0.025mm之間，常用于高精度位移的檢測，是數(shù)控系統(tǒng)中應用較多的一種檢測裝置5.4.1 計量光柵的種類按照不同的分類方法，計量光柵可分為：直線光柵和圓形光柵；逶射光柵和反射光柵；增

15、量式光柵和絕對式光柵等。1）直線光柵 （1）玻璃透射光柵 （2）金屬光柵 2）圓光柵 9/8/2022379/8/2022389/8/2022399/8/2022409/8/2022411）長光柵檢測裝置的結構 主要結構為標尺光柵和指示光柵柵距和柵距角（兩個光柵錯開的角度）長光柵檢測裝置的結構 圖 光柵的結構 1-防護墊 2-光柵讀數(shù)頭 3-標尺光柵 4-防護罩 VS312431245標尺光柵圖 光柵讀數(shù)頭 1-光源 2-準直鏡 3-指示光柵 4-光敏元件 5-驅動線路 9/8/2022422）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：嚴格來說： 橫向莫爾條紋排列的方向是與

16、兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直長光柵檢測裝置的結構 VS d WW 9/8/202243莫爾條紋的特征：（1）莫爾條紋的變化規(guī)律：兩片兩光柵相對移過一個柵距，莫爾條紋移過一個條紋間距。由于光的衍射與干涉作用，莫爾條紋的變化規(guī)律近似正（余）弦函數(shù)，變化周期數(shù)與兩光柵相對移過的柵距數(shù)同步。 （2）放大作用莫爾條紋寬度W 和光柵柵距 d、柵線夾角之間關系： 由圖可知: W=d/sin 又很小可認為: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 長光柵檢測裝置的結構 9/8/202244玻璃透射光柵的特點是：光源可以采用垂直入射，光

17、電元件可直接接受光信號，因此信號幅度大，讀數(shù)頭結構比較簡單；每毫米上的線紋數(shù)多，一般常用的黑白光柵可做到每毫米100條線，再經(jīng)過電路細分，可做到微米級的分辨率。(2)金屬反射光柵在鋼尺或不銹鋼帶的鏡面上用照相腐蝕工藝制作光柵或用鉆石刀直接刻劃制作光柵條紋。金屬反射光柵的特點是：標尺光柵的線膨脹系數(shù)很容易做到與機床材料一致；標尺光柵的安裝和調整比較方便；安裝面積較??；易于接長或制成整根的鋼帶長光柵；不易碰碎。目前常用的每毫米線紋數(shù)為4、10、25、40、509/8/202245 2圓光柵在玻璃圓盤的外環(huán)端面上，做成黑白間隔條紋，根據(jù)不同的使用要求在圓周內線紋數(shù)也不相同。圓光柵般有3種形式：(1)

18、六十進制，如10800，21600，32400，64800等；(2)十進制，如i000，2500，5000等；(3)二進制，如512，1024，2048等。9/8/202246（a）結構圖 （b）輸出波形透射直線式光柵原理圖 9/8/2022479/8/202248為了辨別運動方向，需要配置兩個彼此錯開1/4紋距的光電元件，使輸出的電信號彼此在相位上差90度，若以其中的一個為參考信號，則另一個信號將超前或滯后參考信號90度，由此來確定運動方向。辨向的另一種方法，將指示光柵的線紋部分分成兩相，每一部分的柵距和長光柵的柵距完全一致。當兩相的指示（短）光柵線紋彼此錯開1/4柵距，再配置兩相物鏡和光電

19、元件，使輸出的電信號彼此在相位上差90度，采用參考信號法即可辨向。在光柵位移的數(shù)字轉換系統(tǒng)中，還有八倍頻、十倍頻、二十倍頻等。例如，刻線密度為100線/mm的光柵尺，其最小讀數(shù)為0.1微米，可用于精密機床的測量。9/8/202249 計量光柵的特點： 1）精度高。測量直線位移，精度可以達到0.5-3微米（300mm范圍內），分辨率可以達到0.1微米；測角位移，精度可以達到0.15秒，分辨率可以達到0.1秒，甚至更高。 2）可以實現(xiàn)動態(tài)測量，易于實現(xiàn)測量及數(shù)據(jù) 處理的自動化。 3）具有較強的抗干擾能力。 4）怕振動和怕油污。 5）高精度光柵尺制作成本高。9/8/2022505.6 脈沖編碼器 脈

20、沖編碼器是一種旋轉脈沖編碼器，它把機械轉角變成電脈沖，是一種常用的角位移傳感器。脈沖編碼器通常裝在被檢測的軸上，隨被測軸一起旋轉，可將被測軸的角位移轉換成增量式脈沖或絕對式代碼的形式。脈沖編碼器根據(jù)輸出信號的方式不同，可分為絕對值式編碼器和脈沖增量式編碼器；根據(jù)內部結構和檢測方式不同，可分為接觸式、光電式和電磁式三種。 9/8/2022515.6.1 絕對式脈沖編碼器可直接把檢測轉角用數(shù)字代碼表示出來，每一個角度均有其對應的代碼，它把被測轉角轉換成相應的代碼指示絕對位置，沒有積累誤差。9/8/202252在一個不導電的基體上，用同心圓形碼道和周向等分扇區(qū)進行分割。圖中涂黑的部分為導電區(qū)；沒涂黑

21、的部分為不導電區(qū)。這樣在每個扇區(qū)，都可由一四位二進制數(shù)表示。最里面一圈是公共區(qū)，它和各碼道所有導電部分連接在一起，經(jīng)電刷和電阻接到電源的正極。除公共區(qū)外，4位二進制碼盤的四圈碼道上裝有電刷，電刷經(jīng)由電阻接地。由于碼盤與被檢測軸連接在一起，而電刷位置是固定的，則當碼盤隨被測軸一起旋轉時，電刷和碼盤的位置發(fā)生相對變化。若電刷接觸的是導電區(qū)，則經(jīng)電刷、碼盤、電阻和電源形成回路，此回路中的電阻上有電流流過；反之，如果電刷接觸的是絕緣區(qū)，則不能形成導電回路，電阻中沒有電流流過。9/8/202253碼道的圈數(shù)就是二進制的位數(shù)，且高位在內，低位在外。顯然，數(shù)位n越大，所能分辨的角度越小，測量精度就越高。若要

22、求的測量精度越高，碼盤的道數(shù)就越多，即提高二進制的位數(shù)。目前常用光電式編碼盤的道數(shù)為8-14。若要求更高精度的碼盤，則采用組合碼盤，即一個粗計碼盤，一個精計碼盤，精計碼盤轉一圈，粗計碼盤依次轉一格,結構卻比較復雜。對碼盤制作和電刷安裝的要求十分嚴格。特別是二進制碼盤，會產(chǎn)生非單值性誤差。若電刷恰好位于兩位碼的中間，或電刷接觸不良，則電刷的檢測讀數(shù)可能會是任意的數(shù)字。為了消除這種誤差一般采用循環(huán)碼，即雷格碼。9/8/202254采用雷格碼的4位碼盤與圖二進制碼盤對比可以看出，其任何兩個相鄰數(shù)碼間只有一位是變化的，所以每次只切換一位數(shù)，把誤差控制在最小的范圍內。雷格碼碼盤在使用過程中，需要將其轉換

23、成二進制后，再進行位置計算。將二進制碼右移一位并將末位舍去，然后將其與原碼進行不進位加法，則會得到與之相對應的雷格碼。接觸式碼盤體積小，輸出功率大，但易磨損，其使用壽命短，轉速也不能太高。光電式碼盤即是將接觸式碼盤的導電與不導電式區(qū)域用透明和不透明區(qū)域代替；電磁式碼盤則是用有磁和無磁替換接觸式碼盤的導電和不導電區(qū)域。9/8/202255光電絕對值編碼器 9/8/2022565.6.2 脈沖增量式碼盤 （1）結構及其特點增量式脈沖編碼器最初就是一種光電盤，它由光源、聚光鏡、光電盤、分度狹縫、光電元件、模數(shù)轉換線路及數(shù)字顯示裝置組成。光電盤可以用玻璃研磨拋光制成。玻璃表面在真空中鍍一層不透明的鉻，

24、然后用照像腐蝕法在上面制成狹縫作透光用。狹縫的數(shù)量可以為幾百條或幾千條。也可以用精制的金屬圓盤，在圓周上開出一定數(shù)量的等分槽縫，或在一定半徑的圓周上鉆出一定數(shù)量的孔，使圓盤形成相等數(shù)量的透明或不透明的區(qū)域。 9/8/202257（2）增量式脈沖編碼器工作原理光電盤裝在回轉軸上，當光電盤隨工作軸一起轉動時，每轉過一個縫隙就發(fā)生一次光線的明暗變化。經(jīng)過光敏元件變成一次電信號的明暗變化，對它進行整形、放大和微分處理后，得到脈沖輸出信號。脈沖數(shù)就等于轉過的縫隙數(shù)。 9/8/202258為了辨別旋轉方向，需采用兩套光電轉換裝置，使他們的相對位置能保證兩者產(chǎn)生的電信號在相位上相差90度。通過整形，成為兩個

25、方波信號，光電編碼器的輸出波形如圖。根據(jù)A和B的先后順序，即可判斷光電盤的正反轉。若A相超前于B相，對應轉軸正轉；若B相超前于A相就對應于軸反轉。若以該方波的前沿或后沿產(chǎn)生記數(shù)脈沖，可以形成代表正向位移或反向位移的脈沖序列。除此之外，光電脈沖編碼器每轉一轉還輸出一個零位脈沖的信號，這個信號可用作加工螺紋時的同步信號。9/8/2022599/8/2022609/8/2022615.7 磁柵磁柵是用電磁方法計算磁波數(shù)目的一種位置檢測元件，可用作直線和角位移的測量。磁柵與同步感應器、光柵相比，測量精度略低。但具有復制簡單以及安裝方便等一系列優(yōu)點，特別是在油污、粉塵較多的環(huán)境中應用，具有較好的穩(wěn)定性。因此，磁柵較廣泛地應用在數(shù)控機床、精密機床和各種測量機上。 9/8/202262磁柵檢測裝置是將具有一定節(jié)距的磁化信號用記錄磁頭記錄在磁性標尺的磁膜上，用來作測量基準。在檢測過程中，用拾磁磁頭讀取磁性標尺上的磁化信號轉換成電信號，然后通過檢測電路把磁頭相動于磁尺的位置送給伺服控制系統(tǒng)或數(shù)字顯示裝置。磁柵檢測裝置由磁性標尺、拾磁磁頭和檢測電路三部分組成。9/8/2022635.7.1 磁性標尺 磁性標尺常采用不導磁材料做