第五章位置檢測(cè)裝置

機(jī)械工程學(xué)院第五章位置檢測(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。機(jī)械工程學(xué)院

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(shuō)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(lái)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”。機(jī)械工程學(xué)院第6章位置檢測(cè)裝置一、檢測(cè)概述

位置檢測(cè)裝置的作用是接受CNC裝置發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號(hào)，由伺服驅(qū)動(dòng)電路(如速度控制單元)作一定的轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)由位移傳感器檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，并反饋給CNC裝置，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)，使機(jī)床進(jìn)給部件的位置速度得到準(zhǔn)確控制。第一節(jié)概述機(jī)械工程學(xué)院實(shí)際速度反饋位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)與反饋單元位置控制單元速度控制單元+-機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令+-電機(jī)驅(qū)動(dòng)元件(電機(jī))檢測(cè)與反饋單元位置檢測(cè)裝置機(jī)械工程學(xué)院二、檢測(cè)元件的作用與分類1、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。機(jī)械工程學(xué)院

數(shù)控機(jī)床對(duì)檢測(cè)元件的要求：①高可靠性和高抗干擾性：②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)；③能滿足精度和速度的要求：④檢測(cè)元件分辨率應(yīng)高于數(shù)控機(jī)床的分辨率（一個(gè)數(shù)量級(jí)）；⑤檢測(cè)元件最高允許的檢測(cè)速度應(yīng)高于數(shù)控機(jī)床的最高運(yùn)行速度。⑥使用維護(hù)方便，適應(yīng)機(jī)床工作環(huán)境；⑦成本低。通常，檢測(cè)裝置的檢測(cè)精度為分辨率為能滿足機(jī)床工作臺(tái)以的速度移動(dòng)。

數(shù)控機(jī)床對(duì)檢測(cè)元件的要求機(jī)械工程學(xué)院四、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)型和直線型機(jī)械工程學(xué)院常用位置檢測(cè)裝置分類表機(jī)械工程學(xué)院第二節(jié)旋轉(zhuǎn)變壓器

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圖5﹒1旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意

1-轉(zhuǎn)軸2-軸承3-機(jī)殼4-轉(zhuǎn)子鐵心5-定子鐵心

6-端蓋7-電刷8-集電環(huán)

機(jī)械工程學(xué)院旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)定子轉(zhuǎn)子S1R1S2S3S4R2R3R4機(jī)械工程學(xué)院工作原理：

當(dāng)激磁電壓U1加到定子繞組時(shí)，通過(guò)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(guò)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(guò)任意角度時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組的產(chǎn)生的感應(yīng)電壓U2為：

機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院第三節(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sincos節(jié)距2τ（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定尺和滑尺的基板采用與機(jī)床床身材料熱膨脹系數(shù)相近的鋼板制成。經(jīng)精密的照相腐蝕工藝制成印刷繞組。再在尺子的表面上涂一層保護(hù)層。滑尺的表面有時(shí)還貼上一層帶絕緣的鋁箔，以防靜電感應(yīng)。機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院感應(yīng)同步器特點(diǎn)（1）精度高。感應(yīng)同步器直接對(duì)機(jī)床工作臺(tái)的位移進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量精度只受本身精度限制。另外，定尺的節(jié)距誤差有平均補(bǔ)償作用，定尺本身的精度能做得很高，其精度可以達(dá)到±0.001mm，重復(fù)精度可達(dá)0.002mm。（2）工作可靠，抗干擾能力強(qiáng)。在感應(yīng)同步器繞組的每個(gè)周期內(nèi)，測(cè)量信號(hào)與絕對(duì)位置有一一對(duì)應(yīng)的單值關(guān)系，不受干擾的影響。（3）維護(hù)簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)。定尺和滑尺之間無(wú)接觸磨損，在機(jī)床上安裝簡(jiǎn)單。使用時(shí)需要加防護(hù)罩，防止切屑進(jìn)入定尺和滑尺之間劃傷導(dǎo)片以及灰塵、油霧的影響。（4）測(cè)量距離長(zhǎng)?？梢愿鶕?jù)測(cè)量長(zhǎng)度需要，將多塊定尺拼接成所需要的長(zhǎng)度，就可測(cè)量長(zhǎng)距離位移，機(jī)床移動(dòng)基本上不受限制。適合于大、中型數(shù)控機(jī)床。（5）成本低，易于生產(chǎn)。（6）與旋轉(zhuǎn)變壓器相比，感應(yīng)同步器的輸出信號(hào)比較微弱，需要一個(gè)放大倍數(shù)很高的前置放大器。機(jī)械工程學(xué)院

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。精度高可達(dá)1um，分辨率可達(dá)0.05um，重復(fù)精度0.2um。測(cè)量位移范圍大，廣泛用于數(shù)控機(jī)床、雷達(dá)天線定位跟蹤等。機(jī)械工程學(xué)院感應(yīng)同步器的工作原理機(jī)械工程學(xué)院

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=KUScosθ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（θ+π/2）

=－KUcsinθ機(jī)械工程學(xué)院滑尺正、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=KUScosθ－KUcsinθK—電磁感應(yīng)系數(shù)

θ1—定尺繞組上的感應(yīng)電壓的相位角機(jī)械工程學(xué)院

滑尺與定尺相對(duì)位移量x的求?。骸?τ:2π=x:θ∴x=τθ／π結(jié)論：相對(duì)位移量x與相位角θ

呈線性關(guān)系，只要能測(cè)出相位角θ

，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)。機(jī)械工程學(xué)院

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π/2的交變電壓：

US=UmsinωtUC=Umcosωt則：Uo=Uos+Uos=KUScosθ－KUcsinθ

=KUmsinωtcosθ－KUmcosωt

sinθ

=KUmsin（ωt－θ）結(jié)論：只要能測(cè)出Uo與US相位差θ就可求得滑尺與定尺相對(duì)位移量x

。

數(shù)控機(jī)床的閉環(huán)系統(tǒng)采用鑒相系統(tǒng)時(shí)，指令信號(hào)的相位角θ1由數(shù)控裝置發(fā)出，由θ和θ1的差值控制數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。當(dāng)定尺和滑尺之間產(chǎn)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則定尺上的感應(yīng)電壓的相位發(fā)生了變化，其值為θ。當(dāng)θ≠θ1時(shí)，使機(jī)床伺服系統(tǒng)帶動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)。當(dāng)滑尺與定尺的相對(duì)位置達(dá)到指令要求值時(shí)，即θ=θ1，工作臺(tái)停止移動(dòng)。機(jī)械工程學(xué)院

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=Umsinθ2sinωtUC=Umcosθ2sinωt

θ2=πx2

／τ（x2是指令位移值）

Uo=Uos+Uos=KUScosθ－KUcsinθ

=KUmsinθ2cosθsinωt－KUmcosθ2sinωtsinθ=KUmsin（θ2－θ）sinωt結(jié)論：只要能測(cè)出Uo與UC相位差θ

，就可求得滑尺與定尺相對(duì)位移量x。機(jī)械工程學(xué)院幾點(diǎn)說(shuō)明感應(yīng)同步器的測(cè)量周期為其繞組的節(jié)距2τ（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)。機(jī)械工程學(xué)院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)瘛囟?、熱變形影響的能力?qiáng)；維護(hù)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)：非接觸測(cè)量，無(wú)磨損，精度保持性好。機(jī)械工程學(xué)院測(cè)量距離長(zhǎng)：通過(guò)接長(zhǎng)可滿足大行程測(cè)量的要求?！?lián)方式n<10串并聯(lián)方式n≥10機(jī)械工程學(xué)院

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)Umsinθ2、Umcosθ2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。機(jī)械工程學(xué)院第四節(jié)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機(jī)械工程學(xué)院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

VS312431245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、移動(dòng)光柵）和指示光柵（短光柵、固定光柵）柵距和柵距角（兩個(gè)光柵錯(cuò)開(kāi)的角度）機(jī)械工程學(xué)院2.工作原理（以透射投影為例）

——莫爾條紋形成的原理橫向莫爾條紋的斜率莫爾條紋間距莫爾條紋的寬度BH由光柵常數(shù)與光柵夾角決定機(jī)械工程學(xué)院莫爾條紋性質(zhì)：在平行光照射下，透過(guò)莫爾條紋的光強(qiáng)度分布近似于余弦函數(shù)；放大作用：B=W/sinθ

當(dāng)θ很小時(shí),B=W/θ平均效應(yīng)：莫爾條紋是由若干條線紋共同干涉形成的，對(duì)個(gè)別光柵線紋之間的誤差具有平均效應(yīng)，能消除柵距不均勻所造成的影響；移動(dòng)規(guī)律：光柵相對(duì)移動(dòng)一個(gè)W，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)B，當(dāng)光柵移動(dòng)方向變化時(shí)，莫爾條紋的移動(dòng)方向也變化。機(jī)械工程學(xué)院根據(jù)上述莫爾條紋的特性，假設(shè)在莫爾條紋移動(dòng)的方向上開(kāi)4個(gè)觀察窗口A，B，C，D，且使這4個(gè)窗口兩兩相距1／4莫爾條紋寬度，即B／4。由上述討論可知，當(dāng)兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋隨之移動(dòng)，從4個(gè)觀察窗口A，B，C，D可以得到4個(gè)在相位上依次超前或滯后(取決于兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)的方向)1／4周期(即π／2)的近似于余弦函數(shù)的光強(qiáng)度變化過(guò)程。若采用光敏元件來(lái)檢測(cè)，光敏元件把透過(guò)觀察窗口的光強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)設(shè)為根據(jù)這4個(gè)電壓信號(hào)，可以檢測(cè)出光柵尺的相對(duì)移動(dòng)。機(jī)械工程學(xué)院光柵的工作原理1.位移大小的檢測(cè)

W→B，當(dāng)x<d時(shí)，可由VA

、VB

、VC

、VD余弦函數(shù)，計(jì)算出x。2.位移方向的檢測(cè)

VA

、VB的相位關(guān)系可判斷出x的移動(dòng)方向。3.速度的檢測(cè)

VA

、VB

、VC

、VD的變化頻率可以推斷出兩光柵尺的相對(duì)位移速度。機(jī)械工程學(xué)院第五節(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。機(jī)械工程學(xué)院.增量脈沖編碼器

結(jié)構(gòu)及工作原理信號(hào)處理裝置abz碼盤基片透鏡光源光敏元件透光狹縫光欄板節(jié)距τm+τ/4機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院檢測(cè)光柵上刻有A、B兩組與碼盤相對(duì)應(yīng)的透光縫隙，用以通過(guò)或阻擋光源和光電檢測(cè)器件之間的光線。它們的節(jié)距和碼盤上的節(jié)距相等，并且兩組透光縫隙錯(cuò)開(kāi)1/4節(jié)距，使得光電檢測(cè)器件輸出的信號(hào)在相位上相差90°電度角。“一轉(zhuǎn)脈沖”，稱為Z相脈沖，每轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個(gè)，用來(lái)產(chǎn)生機(jī)床的基準(zhǔn)點(diǎn)。機(jī)械工程學(xué)院

光電碼盤隨被測(cè)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，在光源的照射下，透過(guò)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(guò)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)。AB90°Z……碼盤轉(zhuǎn)一圈機(jī)械工程學(xué)院

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)）。ABCP90O機(jī)械工程學(xué)院

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(wàn)線

/轉(zhuǎn)都有；數(shù)控機(jī)床上常用的脈沖編碼器每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)有：2000p/r、2500p/r和3000p/r等。在高速、高精度的數(shù)字伺服系統(tǒng)中，應(yīng)用高分辨率的脈沖編碼器，如：20000p/r、25000p/r和30000p/r等。選擇：①伺服系統(tǒng)要求的分辨率；②考慮機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)。分辨率（分辨角）α設(shè)增量式碼盤的規(guī)格為n線/轉(zhuǎn)：機(jī)械工程學(xué)院.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。01011110011001111000100110101011110011110000000100100011010023222120機(jī)械工程學(xué)院

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。0101