常見的位置檢測元件

9.1常見的位置檢測元件

一、位置檢測裝置的要求

位置檢測裝置是數(shù)控機床的重要組成部分。在閉環(huán)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，它的主要作用是檢測位移和速度，并發(fā)出反饋信號，構(gòu)成閉環(huán)或半閉環(huán)控制。閉環(huán)控制的數(shù)控機床的加工精度主要取決于檢測系統(tǒng)的精度數(shù)控機床對位置檢測裝置的要求如下：（1）

工作可靠，抗干擾能力強；（2）

滿足精度和速度的要求；（3）易于安裝，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（一）數(shù)字式測量和模擬式測量

1.

數(shù)字式測量

它是將被測的量以數(shù)字形式來表示，測量信號一般為電脈沖，可以直接把它送到數(shù)控裝置進行比較、處理。如光柵位置檢測裝置。數(shù)字式測量特點：被測的量轉(zhuǎn)換為脈沖個數(shù)便與顯示和處理；測量精度取決于測量單位，與量程基本無關(guān)。測量裝置簡單，信號抗干擾能力強。

2.

模擬量測量

它是將被測的量用連續(xù)變量來表示，如電壓變化、相位變化等。它對信號處理的方法相對來說比較復雜。測量特點：直接測量被測的量，無需變換。在小量程內(nèi)實現(xiàn)較高精度的測量。如用旋轉(zhuǎn)變壓器和感應同步器（二）

增量式測量和絕對式測量

1.增量式測量

在輪廓控制數(shù)控機床上多采用這種測量方式，增量式測量只測相對位移量，如測量單位為0.001mm，則每移動0.001mm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以作為測量的起點，而移距是由測量信號計數(shù)累加所得，但一旦計數(shù)有誤，以后測量所得結(jié)果完全錯誤。

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。測量裝置的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)就愈復雜。（三）直接測量和間接測量1.直接測量直接測量是將直線型檢測裝置安裝在移動部件上，用來直接測量工作臺的直線位移，作為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋信號，從而構(gòu)成位置閉環(huán)控制。其優(yōu)點是準確性高、可靠性好，缺點是測量裝置要和工作臺行程等長，所以在大型數(shù)控機床上受到一定限制。2.間接測量它是將旋轉(zhuǎn)型檢測裝置安裝在驅(qū)動電機軸或滾珠絲杠上，通過檢測轉(zhuǎn)動件的角位移來間接測量機床工作臺的直線位移，作為半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋用。

優(yōu)點是測量方便、無長度限制。缺點是測量信號中增加了由回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動的傳動鏈誤差，從而影響了測量精度。

9.1.1

感應同步器

一、結(jié)構(gòu)與工作原理感應同步器為電磁式檢測裝置，屬模擬式測量，其輸出電壓隨被測直線位移或角位移而改變。感應同步器按其結(jié)構(gòu)特點一般分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種：直線式感應同步器由定尺和滑尺組成，用于直線位移測量。旋轉(zhuǎn)式感應同步器由轉(zhuǎn)子和定子組成，用于角位移測量。以直線式感應同步器為例，介紹其結(jié)構(gòu)和工作原理。

U0

定尺

滑尺正弦繞組UsUc余弦繞組

圖1-1直線感應同步器結(jié)構(gòu)

感應同步器三、感應同步器的特點及使用注意事項由于感應同步器具有一系列優(yōu)點，所以廣泛用于位置檢測（1）精度高。感應同步器系直接對機床位移進行測量，中間不經(jīng)過任何機械轉(zhuǎn)換裝置，測量精度只受本身精度的限制。（2）可拼接成各種需要的長度。根據(jù)測量長度的需要，采用多塊定尺接長，相鄰定尺間隔也可以調(diào)整。（3）對環(huán)境的適應性強。直線式感應同步器金屬基尺與安裝部件的材料的膨脹系數(shù)相近，當溫度變化時，二者的變化規(guī)律相同，而不影響測量精度。（4）使用壽命長。由于辦應同步器定尺和滑尺之間沒有直接接觸，因而沒有磨損，所以壽命長。（5）注意安裝間隙。9.1.2

光柵

光柵是數(shù)控機床和數(shù)顯系統(tǒng)常用的測量元件，可用作位移或轉(zhuǎn)角的檢測，且測量輸出的信號為數(shù)字脈沖，是數(shù)控閉環(huán)系統(tǒng)用得較多的一種檢測裝置

光柵位置檢測裝置的特點1、測量精度高。由于光柵的刻線可以制作十分精確，同時莫爾條紋對刻線局部誤差有均化作用，柵距誤差對測量精度影響較??；也可以采用倍頻的方法來提高分辨精度。2、精度保持時間長。因標尺光柵和指示光柵不直接接觸，沒有磨損，因而精度可以長時間保持。3、制造困難。光柵刻線要求很精確，兩光柵之間的間隙及傾角都要求保持不變，故制造困難。光學系統(tǒng)易受外界的影響產(chǎn)生誤差。對工作環(huán)境要求也較高。

圖1-2光柵測量系統(tǒng)光柵光柵檢測原理9.1.3

光電脈沖編碼器

脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，能把機械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，是數(shù)控機床上使用很廣泛的位置檢測裝置。脈沖編碼器可分為增量式與絕對式兩類。絕對式編碼器與增量式編碼器相比有哪些特點1、坐標值從絕對編碼盤中直接讀出，不會有累計誤差2、運轉(zhuǎn)速度可以提高。3、編碼器本身具有機械式存儲功能，因停電或其它原因造成坐標值清除，通電后仍能找到原絕對坐標。4、當進給轉(zhuǎn)速大于一轉(zhuǎn)，需要作特別處理。

圖1-3光電式脈沖編碼器（增量式）結(jié)構(gòu)示意圖增量型光電編碼器絕對式光電脈沖編碼器的編碼盤格雷碼讀數(shù)的觸點或光電元件誤碼率降低。經(jīng)轉(zhuǎn)換得到二進制數(shù)

數(shù)控機床由四個基本部分組成，即控制介質(zhì)、數(shù)控裝置(或計算機)、伺服系統(tǒng)和機床本體。其中伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部件，是數(shù)控機床的重要組成部分，產(chǎn)生進給脈沖的數(shù)控裝置是否能夠以足夠高的速度與精度進行計算，關(guān)鍵在于數(shù)控伺服系統(tǒng)能以多高的速度與精度去執(zhí)行。9.2伺服系統(tǒng)9.2.1伺服系統(tǒng)概述1.伺服系統(tǒng)概述伺服系統(tǒng)的可靠性很重要，因為隨著微機可靠性的提高，故障主要來自伺服系統(tǒng)。數(shù)控機床的驅(qū)動系統(tǒng)主要有兩種:進給驅(qū)動系統(tǒng)和主軸驅(qū)動系統(tǒng)。從作用看，前者是控制機床各坐標的進給運動，后者是控制機床主軸旋轉(zhuǎn)運動。伺服概念：這是英文servo的諧音，念起來與外文的伺服發(fā)音差不多。但伺服這個字就是“侍候”，就是非常聽話，讓走到哪，就走到哪。在數(shù)控機床中，由計算機發(fā)出指令脈沖，讓哪一個驅(qū)動電動機拖著工作臺動，這一臺電動機就動，而且這臺電動機的運動速度、運動的距離，完全按著計算機的指令行事，非常準確無誤地完成指令要求的任務。很顯然，伺服系統(tǒng)所以能作到這一點，也是非常不容易的。因為電動機拖著一個重量很重的工作臺，而且摩擦力隨著季節(jié)、新舊程度、潤滑狀態(tài)等因素而變化，控制了一個穩(wěn)定速度，精確定位，可以想象其難度之大。但是隨著科學技術(shù)的進步，人們不斷從生產(chǎn)實踐中總結(jié)經(jīng)驗，一步一步找到了好的控制辦法，這就是三環(huán)結(jié)構(gòu)。這三個環(huán)就是位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。（1）、位置環(huán)也稱為外環(huán)，其輸人信號是計算機給出的指令和位置檢側(cè)器反饋的位置信號。這個反饋是負反饋，也就是說與指令信號相位相反。指令信號是向位置環(huán)送去加數(shù)，而反饋信號是送去減數(shù)。位置環(huán)的輸出就是速度環(huán)的輸入。（2）、速度環(huán)也稱為中環(huán)，這個環(huán)是一個非常重要的環(huán)，它的輸人信號有兩個：一個是位置環(huán)的輸出，做為速度環(huán)的指令信號送給速度環(huán)；另一個由電動機帶動的測速發(fā)電機經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)處理后的信息，做為負反饋送給速度環(huán)。速度環(huán)的兩個輸人信號也是反相的。一個是加，一個是減。速度環(huán)的輸出就是電流環(huán)的指令輸入信號。（3）、電流環(huán)也叫做內(nèi)環(huán)，電流環(huán)也有兩個輸人信號，一個是速度環(huán)抽出的指令信號；另一個經(jīng)電流互感器，并經(jīng)處理后得到的電流信號，它代表電動機電樞回路的電流，它送人電流環(huán)也是負反饋。電流環(huán)的輸出是一個電壓模擬信號，用它來控制PWM電路，產(chǎn)生相應的占空比信號去觸發(fā)功率變換單元電路，使電動機獲得一個與計算機指令相關(guān)的，并與電動機位置、速度、電流相關(guān)的運行狀態(tài)。這個運行狀態(tài)滿足計算機指令的要求。關(guān)于位置反饋網(wǎng)絡(luò)、速度反饋網(wǎng)絡(luò)、電流反饋網(wǎng)絡(luò)到底是什么樣子可以這么說，有時是非常簡單的一個電位器，或者是一個濾波電路，但有時確實是一個復雜的邏輯關(guān)系。在這里不做詳細的敘述。通訊ASIC位置測量傳感器位置實際值速度實際值電流實際值電流測量傳感器Gatingunit通訊進給控制速度控制電流控制轉(zhuǎn)換器驅(qū)動總線驅(qū)動模塊EM1FT6電機編碼器2.數(shù)控機床對伺服驅(qū)動系統(tǒng)的要求數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)包括進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)和主軸伺服驅(qū)動系統(tǒng)兩部分。根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)(CNC)發(fā)出的動作指令，伺服系統(tǒng)準確、快速地完成各坐標軸的進給運動，與主軸驅(qū)動相配合，實現(xiàn)對工件的高精度加工。因此，伺服驅(qū)動系統(tǒng)是數(shù)控機床的一個重要的組成部分，其性能的優(yōu)劣，直接影響零件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。此外，它的價格，在整個數(shù)控機床的成本構(gòu)成中也占有相當大的份額。一個多功能的高性能數(shù)控系統(tǒng)必須配置與之相適應的高性能伺服驅(qū)動系統(tǒng)，才能充分發(fā)揮出整個數(shù)控機床的性能。不同類型的數(shù)控機床，對伺服系統(tǒng)的要求也不盡相同。同一數(shù)控機床的主軸驅(qū)動與進給驅(qū)動對伺服系統(tǒng)的要求也有很大差別。歸根到底，數(shù)控機床對伺服控制的要求，與任何系統(tǒng)對伺服控制的要求一樣，包括精度、快速性與穩(wěn)定性三個方面。數(shù)控機床的精度，除了受到機械傳動系統(tǒng)精度的影響之外，主要取決于伺服系統(tǒng)的調(diào)速范圍的大小和伺服系統(tǒng)最小分辨率精度。高精度的機床為了保證尺寸精度和表面粗糙度的水平。數(shù)控機床的進給系統(tǒng)，實際上是一個位置隨動系統(tǒng)。同任何一個位置隨動系統(tǒng)一樣，當指令位移以某一速度變化時，實際位移必須比指令位移滯后，這就是所謂跟隨誤差、，當數(shù)控機床的各坐標軸以不同的速度和不同的方向同時位移時，跟隨誤差就會造成加工尺寸和形狀的誤差。切削進給的速度越快，跟隨誤差對精度的影響就越大。提高伺服系統(tǒng)響應的快速性，是減小跟隨誤差，提高進給速度的根本措施。但伺服系統(tǒng)的響應速度并不是可以無限制提高的，并且任何的提高都要以成本的上升為代價。所以對伺服系統(tǒng)的響應速度的要求要限制在一個合理的范圍之內(nèi)。在一般情況下，數(shù)控機床的進給響應時間應該在2mS以內(nèi)。穩(wěn)定是對伺服系統(tǒng)的最基本的要求。數(shù)控機床的工作臺上，往往需要安裝卡具和工件，從面使伺服系統(tǒng)的負載慣量發(fā)生變化，為此要求伺服系統(tǒng)必須具有一定穩(wěn)定裕量，以保證當工件重在一定范圍內(nèi)變化時，不因發(fā)生振蕩而影響加工精度。1．精度高

伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復現(xiàn)輸入量的精確程度。包括定位精度和輪廓加工精度。2．穩(wěn)定性好穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后，達到新的或者恢復到原來的平衡狀態(tài)。直接影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度。3．快速響應

快速響應是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指標，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。4．調(diào)速范圍寬調(diào)速范圍是指生產(chǎn)機械要求電機能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。0～24m/min。5．低速大轉(zhuǎn)矩進給坐標的伺服控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制，在整個速度范圍內(nèi)都要保持這個轉(zhuǎn)矩；主軸坐標的伺服控制在低速時為恒轉(zhuǎn)矩控制，能提供較大轉(zhuǎn)矩。在高速時為恒功率控制，具有足夠大的輸出功率。（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)

（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)

（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)指令驅(qū)動電路步進電機工作臺脈沖伺服電機速度檢測速度控制位置控制位置檢測伺服電機速度控制位置控制工作臺脈沖編碼器指令3.伺服系統(tǒng)常見的控制方法開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)沒有位置測量裝置，信號流是單向的（數(shù)控裝置→進給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。電機機械執(zhí)行部件A相、B相C相、…f、nCNC插補指令脈沖頻率f脈沖個數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大

無位置反饋，精度相對閉環(huán)系統(tǒng)來講不高，其精度主要取決于伺服驅(qū)動系統(tǒng)和機械傳動機構(gòu)的性能和精度。一般以功率步進電機作為伺服驅(qū)動元件。這類系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡單、價格低廉等優(yōu)點，在精度和速度要求不高、驅(qū)動力矩不大的場合得到廣泛應用。一般用于經(jīng)濟型數(shù)控機床。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖所示，是從驅(qū)動裝置(常用伺服電機)或絲杠引出，采樣旋轉(zhuǎn)角度進行檢測，不是直接檢測運動部件的實際位置。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機械傳動環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難以消除。因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可對這類誤差進行補償，因而仍可獲得滿意的精度。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代CNC機床中得到了廣泛應用。全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的位置采樣點如圖的虛線所示，直接對運動部件的實際位置進行檢測。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋從理論上講，可以消除整個驅(qū)動和傳動環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動量。具有很高的位置控制精度。由于位置環(huán)內(nèi)的許多機械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計、安裝和調(diào)試都相當困難。該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機床等。9.2.2伺服系統(tǒng)的分類1.脈沖比較伺服系統(tǒng)：