數(shù)控機(jī)床控制技術(shù)基礎(chǔ)第6章

第6章位置檢測裝置

一、概述

（一）位置檢測裝置的作用

位置檢測裝置是數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的重要組成部分。它的作用是檢測位移和速度，發(fā)送反饋信號(hào)，構(gòu)成閉環(huán)或半閉環(huán)控制。這些檢測裝置包括旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、脈沖編碼器、光柵、磁柵等。

（二）伺服系統(tǒng)對(duì)位置檢測裝置的要求

數(shù)控機(jī)床的加工精度主要由檢測系統(tǒng)的精度保證。位移檢測系統(tǒng)能夠測量的最小位移量稱做分辨力。分辨力不僅取決于檢測元件本身，也取決于測量線路。數(shù)控機(jī)床對(duì)檢測元件的主要要求有：

1、高的可靠性和高抗干擾性。

2、滿足精度與速度的要求。

3、使用維護(hù)方便，適合機(jī)床運(yùn)行環(huán)境。

4、成本低根據(jù)位置檢測裝置安裝形式和測量方式，有直接測量和間接測量、增量式測量和絕對(duì)式測量等方式。1、直接測量和間接測量在數(shù)控機(jī)床中，位置檢測的對(duì)象有工作臺(tái)的直線位移及回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的角位移等，與此相對(duì)應(yīng)的有直線式和旋轉(zhuǎn)式檢測裝置。直接測量是指所測量對(duì)象就是所需被測量對(duì)象本身的測量方法。典型的直線位置測量裝置有光柵、感應(yīng)同步器和磁柵等，旋轉(zhuǎn)位置檢測裝置有旋轉(zhuǎn)編碼器等。用直線式檢測裝置可直接反映工作臺(tái)的直線位移量，但檢測裝置要和行程等長。直接測量組成位置閉環(huán)伺服系統(tǒng)，位置精度由檢測裝置精度決定。間接測量是指測量某個(gè)物理量后再換算出所需物理量的測量方法。如可測量機(jī)床絲杠的轉(zhuǎn)角，然后計(jì)算出工作臺(tái)的位移。間接測量組成位置半閉環(huán)伺服系統(tǒng)，位置精度取決于檢測裝置和機(jī)床傳動(dòng)鏈兩者的精度，但間接測量無長度限制。（三）位置檢測裝置的測量方式2、增量式測量和絕對(duì)式測量增量式測量是指測量位移增量的測量方法，即工作臺(tái)每移動(dòng)一個(gè)基本單位長度，檢測裝置便發(fā)出一個(gè)測量信號(hào)，此信號(hào)通常是脈沖形式，這樣，一個(gè)脈沖所產(chǎn)生的位移量就是分辨力，而通過對(duì)脈沖計(jì)數(shù)便得到位移量。絕對(duì)式測量是指被測的任一點(diǎn)的位置都從一個(gè)固定的零點(diǎn)算起的測量方法，每一被測點(diǎn)都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的編碼，常以二進(jìn)制數(shù)據(jù)形式表示。3、數(shù)字式測量和模擬式測量數(shù)字式測量是指以量化后的數(shù)字形式表示被測量的測量方法，得到的測量信號(hào)是脈沖形式，以計(jì)數(shù)后得到的脈沖個(gè)數(shù)表示位移量。數(shù)字式測量的信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)、且便于顯示處理。模擬式測量是將被測量用連續(xù)的變量來表示的測量方法，如電壓變化、相位變化等。二、光柵

1、直線光柵（也叫長光柵）（1）玻璃透射光柵透射光柵的特點(diǎn)是：①光源可以采用垂直入射，光電元件可直接接受光信號(hào)，因此信號(hào)幅度大，讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)比較簡單；②每毫米上的線紋數(shù)多，一般常用的光柵可做到每毫米100條線，再經(jīng)過電路細(xì)分，可做到微米級(jí)的分辨力。(2)金屬反射光柵金屬放射光柵的特點(diǎn)是：①標(biāo)尺光柵的線膨脹系數(shù)很容易做到與機(jī)床材料一致；②標(biāo)尺光柵的安裝和調(diào)整比較方便；③安裝面積較??；④易于接長或制成整根的鋼帶長光柵；⑤不易碰碎。2、圓光柵它是在玻璃圓盤的外環(huán)端面上制作出黑白間隔條紋，根據(jù)不同的使用要求在圓周內(nèi)線紋數(shù)也不相同。

（一）光柵的分類以下以透射光柵為例介紹光柵的組成工作原理。光柵通常兩塊光柵尺組成，其中長的一塊稱為主光柵或標(biāo)尺光柵，要求與行程等長，短的一塊稱為指示光柵。光柵尺上相鄰的兩條光柵線紋間的距離稱為柵距或節(jié)距ω，每毫米長度上的線紋數(shù)稱為線密度K，柵距與線密度互為倒數(shù)，即ω=1/K。安裝時(shí)，標(biāo)尺光柵與指示光柵間留有很小的間隙（約為0.05~0.1mm），并且其線紋相互偏斜一個(gè)很小的角度θ，兩光柵線紋相交處，由于不透光，就會(huì)出現(xiàn)黑色條紋，稱為莫爾條紋。莫爾條紋間的距離稱為紋距W，如果柵距為ω，則有近似公式W=ω/θ，當(dāng)工作臺(tái)正向或反向移動(dòng)一個(gè)柵距ω時(shí)，莫爾條紋向上或向下移動(dòng)一個(gè)紋距，如圖所示，然后由光電元件接受經(jīng)狹縫和透鏡產(chǎn)生的莫爾條紋，從而產(chǎn)生電信號(hào)。（二）光柵的組成和工作原理光柵的莫爾條紋具有如下特點(diǎn)：1、起放大作作用從公式W=ω/θ可以看出，由于θ角度非常小，因此莫爾條紋的紋距W要比柵距ω大得多，這樣，雖然光柵柵距很小，但莫爾條紋卻清晰可見，便于測量。2、莫爾條紋的移動(dòng)與柵距成比例當(dāng)標(biāo)尺光柵移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋就沿著垂直于光柵運(yùn)動(dòng)的方向移動(dòng)，并且光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距ω，莫爾條紋就準(zhǔn)確地移動(dòng)一個(gè)紋距，只要測量出莫爾條紋的數(shù)目，就可以知道光柵移動(dòng)了多少個(gè)柵距，從而可計(jì)算出工作臺(tái)的移動(dòng)距離。莫爾條紋的移動(dòng)方向反映了標(biāo)尺光柵（工作臺(tái)）的運(yùn)動(dòng)方向。圖6.2分光讀數(shù)頭原理圖

圖6.4玻璃透射光柵示意圖圖6.6反射射讀數(shù)頭工作原理圖

在光柵測系統(tǒng)中，通常把光源、指示光柵和光電元件組合在一起，稱為讀數(shù)頭。讀數(shù)頭的結(jié)構(gòu)形式很多，但就其光路來看可以分為分光讀數(shù)頭、垂直入射讀數(shù)頭和反射讀數(shù)頭。

1、分光讀數(shù)頭它的原理如圖6.2所示，光源Q發(fā)出的光，經(jīng)過透鏡L1變成平行光，照射到標(biāo)尺光柵G1和指示光柵G2上，由透鏡L2把在指示光柵G2上形成的莫爾條紋聚焦，由安裝在焦面上光電元件P來接收莫爾條紋的明暗變化。這種光學(xué)系統(tǒng)是莫爾條紋光學(xué)系統(tǒng)的基本型。這種分讀數(shù)頭，刻線截面為鋸齒形，其傾角Q是根據(jù)光柵材料的折射率與入射光的波長確定。

2、垂直入射讀數(shù)頭它的原理如圖6.4所示。從光源Q經(jīng)透鏡L使光束垂直照射到標(biāo)尺光柵G1，然后通過指示光柵G2由光電元件P接收。兩塊光柵的距離t是根據(jù)有效光波的波長λ和柵距ω來選擇，即t=ω2/λ。這種讀數(shù)頭主要應(yīng)用于每毫米25~125線的玻璃透射光柵系統(tǒng)。

3、反射讀數(shù)頭它的原理如圖6.6所示。經(jīng)透鏡L1將光源Q變成平行光，并以對(duì)光柵法面為β的入射角（一般為30°）投影到指示光柵G1的反射面上。反射回來的光束先通過指示光柵G2形成莫爾條紋，然后經(jīng)透鏡L2由光電元件P接收信號(hào)。這種讀數(shù)頭主要用于每毫米25~50線以下的反射系統(tǒng)。

（三）光柵測量系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床上可以用直線光柵測量工作臺(tái)的位移，并組成位置閉環(huán)伺服系統(tǒng)。圖6.7為數(shù)控車床上的安裝示意圖。1、安裝基面安裝光柵線位移傳感器時(shí)，不能直接將傳感器安裝在粗糙不平的機(jī)床身上，更不能安裝在打底涂漆的機(jī)床身上。2、主尺安裝將光柵主尺用螺釘上在機(jī)床安裝的工作臺(tái)安裝面上

4、限位裝置

光柵線位移傳感器全部安裝完以后，一定要在機(jī)床導(dǎo)軌上安裝限位裝置，以免機(jī)床加工產(chǎn)品移動(dòng)時(shí)讀數(shù)頭沖撞到主尺兩端，從而損壞光柵尺。3、讀數(shù)頭的安裝

在安裝讀數(shù)頭時(shí)，首先應(yīng)保證讀數(shù)頭的基面達(dá)到安裝要求，然后再安裝讀數(shù)頭，其安裝方法與主尺相似。

5、檢查光柵傳感器應(yīng)附帶加裝護(hù)罩，護(hù)罩的設(shè)計(jì)是按照光柵傳感器的外形截面放大留一定的空間尺寸確定，護(hù)罩通常采用橡皮密封，使其具備一定的防水防油能力。圖6.7安裝示意圖（卸掉防護(hù)罩后）1-床身2-標(biāo)尺光柵3-讀數(shù)頭4-滾珠絲杠螺母副5-床鞍

（四）光柵的安裝三、脈沖編碼器旋轉(zhuǎn)編碼器是一種用來測量轉(zhuǎn)角的測量裝置，有增量式和絕對(duì)式兩種類型。常用的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器為增量式光電編碼器。光電編碼器由LED（帶聚光鏡的發(fā)光二極管）、光欄板、光敏碼盤、光敏元件及信號(hào)處理電路組成。其中，光電碼盤是通常把一塊玻璃圓盤制成圓周等距的透光與不透光相間的條紋，光欄板上具有和光碼盤上相同的透光與不透光條紋。碼盤也可以由不銹鋼薄片制成。當(dāng)光電碼盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，光線通過光欄板和光碼盤產(chǎn)生明暗相間的變化，由光敏元件接收。光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)。光電編碼器的測量精度取決于它所能分辨的最小角度（分辨角α），很顯然這與碼盤圓周的條紋數(shù)有關(guān)。（一）增量式編碼器絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器每一個(gè)角度位置均有對(duì)應(yīng)的測量代碼，因此這種測量方式具有斷電記憶能力。它有接觸式和光電式兩種形式。

1、接觸式碼盤

圖6.9所示為接觸式碼盤示意圖。圖6.9接觸式碼盤（a）結(jié)構(gòu)簡圖（b）4位BCD碼盤(c)4位格雷碼盤圖6.10絕對(duì)式光電碼盤它在一個(gè)不導(dǎo)電基體上做成許多金屬區(qū)導(dǎo)電區(qū)（圖中涂黑部分），用“1”表示，其他部分為絕緣區(qū)，用“0”表示。最里面一個(gè)圈是公用的，它和各碼道所有導(dǎo)電部分連在一起，經(jīng)電刷和電阻接電源正極。若是n位二進(jìn)制碼盤，就有n圈碼道，且圓周均為等份，即共有個(gè)數(shù)據(jù)來分別表示其不同位置，所能分辨的角度為。2、絕對(duì)式光電碼盤絕對(duì)式光電碼盤和接觸式碼盤不同，黑白區(qū)域不再表示導(dǎo)電區(qū)和絕緣區(qū)，而是表示透光區(qū)或不透光區(qū)。其中黑的區(qū)域指不透光區(qū)，用“0”表示；白的區(qū)域指透光區(qū)，用“1”表示。在每一碼道上裝的不是電刷，而是一組光電元件，這樣，光電元件受光時(shí)輸出為“1”電平，不受光時(shí)輸出為“0”電平，由此組成n位二進(jìn)制編碼。圖6.10為8碼道光電碼盤示意圖。（二）絕對(duì)值式編碼器四、感應(yīng)同步器

感應(yīng)同步器種類較多，但大體可分為直線類與旋轉(zhuǎn)類兩種類別。其中直線類又可分為標(biāo)準(zhǔn)型、窄型、帶型和三速式等多種型式。旋轉(zhuǎn)式類按其直徑與極對(duì)數(shù)的不同，又可分為多種型號(hào)。旋轉(zhuǎn)式用于角度測量，直線式用于長度測量。感應(yīng)同步器是一種電磁式的位置檢測傳感器。主要部件包括定尺和滑尺。定尺和滑尺做相對(duì)移動(dòng)的兩個(gè)部件上，兩者平行放置，保持0.2~0.3mm間隙。定尺和滑尺的基板采用與機(jī)床床身的熱脹系數(shù)相近的材料，上面有用光學(xué)腐蝕方法制成的銅箔電路繞組，銅箔與基板之間有一層極薄的絕緣層。在定尺的銅繞組上面涂一層耐腐蝕的絕緣層，以保護(hù)尺面。在滑尺的繞組上面用絕緣粘接劑粘貼一層鋁箔，以防靜電感應(yīng)。（一）感應(yīng)同步器的結(jié)構(gòu)、分類圖6.13感應(yīng)同步器工作原理簡圖二

圖6.12感應(yīng)同步器工作原理簡圖一

如圖6.12所示。定尺上是單向均勻連續(xù)感應(yīng)繞組，尺長一般為250mm，繞組的節(jié)距為通常為2mm（亦即極距）?；呱嫌卸M激磁繞組，正弦勵(lì)磁繞組和余弦勵(lì)磁繞組。當(dāng)正弦勵(lì)磁繞組的線圈和定尺對(duì)準(zhǔn)時(shí)，余弦勵(lì)磁繞組的線圈與定尺相差2τ距離。由于定尺繞組是均勻的，故滑尺上的兩個(gè)繞組在空間位置上相差1/4節(jié)距，即90°相位角?；吲c定尺互相平行，并保持一定的距離，當(dāng)向滑尺上的繞組通以交流激磁電壓時(shí)，激磁信號(hào)在空間將產(chǎn)生一個(gè)和電壓同角頻率的磁場。磁場切割定尺導(dǎo)片，由于電磁感應(yīng)，在定尺繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，當(dāng)定尺與滑尺的繞組重合時(shí)，如圖6.13中A點(diǎn)所示，這時(shí)感應(yīng)電壓最大。B點(diǎn)感應(yīng)電壓為零，C點(diǎn)感應(yīng)電壓值與A點(diǎn)位置相同但極性相反，D點(diǎn)感應(yīng)電壓又變?yōu)榱?，?dāng)移動(dòng)到一個(gè)極距時(shí)即圖中E點(diǎn)位置時(shí)，情況和A點(diǎn)位置相同，這樣在滑尺移動(dòng)一個(gè)節(jié)距的過程中感應(yīng)電壓變化了一個(gè)余弦波形。感應(yīng)同步器就是利用這個(gè)感應(yīng)電壓的變化進(jìn)行位置檢測的。根據(jù)不同的激磁供電方式，感應(yīng)同步器的工作狀態(tài)可分為相位工作狀態(tài)和幅值工作狀態(tài)。（二）感應(yīng)同步器的工作原理和信號(hào)處理方式1、相位工作狀態(tài)

當(dāng)感應(yīng)同步器工作在相位工作狀態(tài)時(shí)，給滑尺的兩個(gè)繞組供給的交流電是頻率和幅值相同，但相位差為90°交流電，即：（正弦繞組）（余弦繞組）其中Um為勵(lì)磁電壓幅值。若起始時(shí)，正弦繞組與定尺的感應(yīng)繞組重合。首先考慮單獨(dú)給正弦繞組供電的情況。當(dāng)滑尺移動(dòng)時(shí)，則在定尺上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為式中K—耦合系數(shù)；θ—滑尺繞組相對(duì)于定尺繞組的空間相位角。同理再考慮單獨(dú)給余弦繞組供電的情況，由于它和定尺繞組相差1/4節(jié)距，在定尺上的感應(yīng)電壓為：可以應(yīng)用迭加原理，定尺上感應(yīng)總電壓為：從上式可見，定尺感應(yīng)總電壓的相位值和滑尺的位移值有嚴(yán)格的關(guān)系，所以可以通過鑒別定尺感應(yīng)電勢(shì)的相位即可測得滑尺和定尺的相對(duì)移動(dòng)。2、幅值工作狀態(tài)

當(dāng)感應(yīng)同步器工作在幅值工作狀態(tài)下時(shí)，給滑尺的兩個(gè)繞組供給的交流電是相位和頻率都一致，但幅值不同的交流電，即：

其中θ1——電氣設(shè)定角與相位工作狀態(tài)的情況相同，在定尺上感應(yīng)電壓為：令，當(dāng)很小時(shí)，則因?yàn)樗?/p>

由此可見，當(dāng)很小時(shí)的幅值與成正比，故可通過測量的幅值即可測定的大小。

1、感應(yīng)同步器的特點(diǎn)

（1）精度高（2）測量長度不受限制（3）對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)（4）維護(hù)簡單、壽命長（5）抗擾能力強(qiáng)、工藝性好、成本較低，便于復(fù)制和成批生產(chǎn)。

2、感應(yīng)同步器安裝是使用的注意事項(xiàng)（1）感應(yīng)同步器在安裝時(shí)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(nèi)?；咭苿?dòng)時(shí)，晃動(dòng)的間隙及不平行度誤差的變化小于0.1mm。（2）感應(yīng)同步器大多數(shù)在容易被切屑及切屑液浸入的地方，所以必須加以防護(hù)，否則切屑夾在間隙內(nèi)，會(huì)使滑尺和定尺的繞組刮傷或短路，使裝置發(fā)生誤動(dòng)作及損壞。（3）同步回路中的阻抗和激磁電壓不對(duì)稱以及激磁電流失真度超過2%，將對(duì)檢測精度產(chǎn)生很大的影響，因此在調(diào)整系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)加以注意。（4）由于感應(yīng)同步器感應(yīng)電勢(shì)低，阻抗低，所以應(yīng)加強(qiáng)屏蔽以防干擾。（三）感應(yīng)同步器的使用五、旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器也是數(shù)控機(jī)床常用的檢測元件。它屬于旋轉(zhuǎn)類型檢測元件。旋轉(zhuǎn)變壓器分為有刷和無刷兩種。無刷旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)如圖6.14所示。它由兩大部分組成：一部分叫做分解器，由定子和轉(zhuǎn)子組成；另一部分稱為變壓器，用它取代電刷和滑環(huán)，其一次繞組繞與分解器轉(zhuǎn)子軸固定在一起，二次繞組固定在旋轉(zhuǎn)變壓器的殼體上。圖6.14無刷旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)圖圖6.15旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理圖旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)同步器的工作原理是一樣的。是根據(jù)互感原理工作的（見圖6.15所示）。當(dāng)定子繞組加上交流激磁電壓時(shí)，通過互感在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其輸出電壓的大小取決于定子與轉(zhuǎn)子兩個(gè)繞組軸線在空間的相對(duì)位置。（一）旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理同感應(yīng)同步器一樣，定子繞組通入不同的勵(lì)磁電壓，可得到兩種工作方式。

1、相位工作方式在轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電壓可以看出，轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角和轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角之間有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子是和被測軸聯(lián)接在一起，因此只要檢測出轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角，就可知道被測軸的角位移。

2、幅值工作方式

給定子的正、余弦繞組分別通以同頻率、同相位，但幅值不同的交流勵(lì)磁電壓。在轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電壓可以看出，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓的幅值隨轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角而變化，測量出幅值即可要求得偏轉(zhuǎn)角，從而獲得被測軸的角位移。給定子的正、余弦繞組分別通