數(shù)控機(jī)床位置檢測(cè)裝置課件

第四部分

數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置第一節(jié)

對(duì)數(shù)控機(jī)床位置檢測(cè)裝置的要求數(shù)控裝置檢測(cè)裝置機(jī)床傳動(dòng)裝置伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)是機(jī)床的驅(qū)動(dòng)部分，計(jì)算機(jī)輸出的控制信息通過(guò)伺服系統(tǒng)和傳動(dòng)裝置變成機(jī)床運(yùn)動(dòng)。位置檢測(cè)裝置是數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是檢測(cè)位移和速度，發(fā)送反饋信號(hào)，并與數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號(hào)比較，若有偏差，則經(jīng)過(guò)放大后控制執(zhí)行部件向著消除偏差的方向運(yùn)動(dòng)，直至偏差為零。

一開環(huán)系統(tǒng)、半閉環(huán)系統(tǒng)、閉環(huán)系統(tǒng)2半閉環(huán)系統(tǒng)半閉環(huán)系統(tǒng)的檢測(cè)裝置安裝到驅(qū)動(dòng)裝置(常用伺服電機(jī))或絲杠的尾部。半閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括或只包括少量機(jī)械傳動(dòng)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。伺服電機(jī)到工作臺(tái)之間傳動(dòng)裝置這塊的誤差沒(méi)有得到補(bǔ)償，因此半閉環(huán)系統(tǒng)的精度不如閉環(huán)系統(tǒng)的高。它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，安裝、調(diào)試與維修都很方便，精度也較高。一開環(huán)系統(tǒng)、半閉環(huán)系統(tǒng)、閉環(huán)系統(tǒng)3閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)的檢測(cè)裝置安裝到帶動(dòng)刀具或工件移動(dòng)的部件上，如支撐導(dǎo)軌和移動(dòng)導(dǎo)軌上，它直接檢測(cè)的是刀具相對(duì)于工件移動(dòng)的距離，因此它的加工精度較高。由于位置環(huán)內(nèi)的許多機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試都有一定困難。且測(cè)量元件一般安裝到工作臺(tái)上，測(cè)量元件應(yīng)與導(dǎo)軌等長(zhǎng)，這造成測(cè)量元件造價(jià)較高，使用維護(hù)較困難。二數(shù)控機(jī)床對(duì)檢測(cè)裝置的要求(1)滿足數(shù)控機(jī)床的精度和速度要求

從精度上講某些數(shù)控機(jī)床的定位精度已達(dá)到±0.0015mm／300m一般數(shù)控機(jī)床精度要求在±0.002~0.01mm／m之間測(cè)量系統(tǒng)的分辨率在0.001~0.0001mm之間從速度上講進(jìn)給速度已從10~30m／min提高到60~120m／min主軸轉(zhuǎn)速也達(dá)到10000r／min，有些高達(dá)100000r/min因此要求檢測(cè)裝置必須滿足數(shù)控機(jī)床高精度和高速度的要求。三檢測(cè)裝置的常用類型分類光電式電磁式增量式絕對(duì)式增量式絕對(duì)式回轉(zhuǎn)式光電編碼器圓光柵編碼盤旋轉(zhuǎn)變壓器圓盤感應(yīng)同步器多極旋轉(zhuǎn)變壓器三速圓感應(yīng)同步器直線式計(jì)量光柵編碼尺多通道透射光柵直線感應(yīng)同步器三速感應(yīng)同步器表常用測(cè)量裝置類型三檢測(cè)裝置的常用類型（1）增量式原理：被測(cè)物體每移動(dòng)一個(gè)測(cè)量單位，測(cè)量裝置發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，對(duì)脈沖計(jì)數(shù)并處理就可得到一個(gè)位移的增量值。任何一個(gè)對(duì)中點(diǎn)都可作為測(cè)量的起點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能做到較高精度缺點(diǎn)：由于測(cè)量裝置輸出的是脈沖，只能反應(yīng)有沒(méi)有移動(dòng)，不能表示移動(dòng)方向，因此必須有方向判別電路判別移動(dòng)方向一旦計(jì)數(shù)有誤，此后結(jié)果全錯(cuò)若發(fā)生故障(如斷電、斷刀等)，事故排除后再也找不到正確位置三檢測(cè)裝置的常用類型（2）絕對(duì)式原理：對(duì)于被測(cè)量的任意一點(diǎn)位置均由固定的零點(diǎn)標(biāo)起，每一個(gè)被測(cè)點(diǎn)都有一個(gè)相應(yīng)的測(cè)量值優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量裝置的輸出能夠代表移動(dòng)件當(dāng)前的實(shí)際位置(坐標(biāo)值)，移動(dòng)的方向靠當(dāng)前值和歷史記憶取得，后續(xù)處理方便缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制作精度沒(méi)有增量式的高模擬式測(cè)量是將被測(cè)量用連續(xù)的變量(如相位變化、電壓幅值變化)來(lái)表示的。在數(shù)控機(jī)床上，模擬式測(cè)量主要用于小量程的測(cè)量，例如感應(yīng)同步器的一個(gè)線距內(nèi)的信號(hào)相位變化等。模擬式測(cè)量的特點(diǎn)是：（1)直接測(cè)量被測(cè)量，無(wú)須變換；（2)在小量程內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，如旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器等第二節(jié)增量式光電編碼器和絕對(duì)式編碼盤一增量式編碼器1234576一增量式光電編碼器工作原理

增量式光電編碼器工作原理圖光電脈沖編碼器的工作原理當(dāng)圓光柵旋轉(zhuǎn)時(shí)，光線透過(guò)兩個(gè)光柵的線紋部分，形成明暗相間的條紋。光敏元件接收這些明暗相間的光信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為交替變化的電信號(hào)。該信號(hào)為兩組近似于正弦波的電流信號(hào)A和B，A信號(hào)和B信號(hào)相位相差90°，經(jīng)過(guò)放大和整形變成方波，如圖所示。通過(guò)兩個(gè)光柵的信號(hào)，還有一個(gè)“一轉(zhuǎn)脈沖”(一轉(zhuǎn)發(fā)出一個(gè)脈沖)，稱為Z相脈沖，該脈沖也是通過(guò)上述處理得來(lái)的。Z相脈沖用來(lái)產(chǎn)生機(jī)床的基準(zhǔn)點(diǎn)，該脈沖以差動(dòng)形式Z和(Z的反相)輸出。從圖可看出，根據(jù)信號(hào)A和信號(hào)B的發(fā)生順序，即可判斷光電編碼器軸的正反轉(zhuǎn)。若A相超前于B相，則為正轉(zhuǎn)；若B相超前于A相，則為反轉(zhuǎn)。數(shù)控系統(tǒng)正是利用這一相位關(guān)系來(lái)判斷方向的。

在光電編碼器的里圈還有一條透光條紋Ｃ，每轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個(gè)零位脈沖信號(hào)。在進(jìn)給電動(dòng)機(jī)所用的光電編碼器上，零位脈沖用于精確確定機(jī)床的參考點(diǎn)，而在主軸電動(dòng)機(jī)上，則可用于主軸準(zhǔn)停以及螺紋加工等。一增量式光電編碼器光電輸出波形和信號(hào)處理線路的方塊圖一增量式光電編碼器2位置和轉(zhuǎn)速測(cè)量（1）位置測(cè)量一增量式光電編碼器（2）轉(zhuǎn)速測(cè)量脈沖頻率法：在給定時(shí)間t內(nèi)，對(duì)編碼器的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，得一數(shù)值N1，設(shè)脈沖編碼器的每轉(zhuǎn)輸出脈沖為N，則轉(zhuǎn)速

n=（N1/N）*（60/t）r/min一增量式光電編碼器脈沖周期法：在編碼器一個(gè)脈沖間隔內(nèi)，對(duì)通過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，得一數(shù)值N2，設(shè)脈沖編碼器的每轉(zhuǎn)輸出脈沖為N，T為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖周期，則轉(zhuǎn)速

n=60/（2N2N

T）r/min第三節(jié)光柵測(cè)量裝置按光路分反射光柵和透射光柵反射光柵：優(yōu)點(diǎn)：膨脹系數(shù)與機(jī)床材料一致，安裝調(diào)整方便，可用鋼帶做成長(zhǎng)達(dá)數(shù)米的長(zhǎng)光柵，適于大位移測(cè)量的場(chǎng)合缺點(diǎn)：為了使反射后的莫爾條紋反差較大，每mm內(nèi)線紋不宜過(guò)多，常用的有4、10、25、40、50線/mm透射光柵：優(yōu)點(diǎn)：光電元件直接接受光照，信號(hào)幅值大，信噪比好，光電轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，如線性密度200線/mm缺點(diǎn)：玻璃易破裂，膨脹系數(shù)與機(jī)床材料不一致，影響測(cè)量精度，測(cè)量長(zhǎng)度在2m以內(nèi)

第三節(jié)光柵測(cè)量裝置按其結(jié)構(gòu)形式分為長(zhǎng)光柵和圓光柵長(zhǎng)光柵：測(cè)量直線位移圓光柵：測(cè)量角位移按線紋密度分粗光柵和細(xì)光柵一光柵測(cè)量的工作原理光柵測(cè)量1-標(biāo)尺光柵2-指示光柵3-光電接收器4-光源莫爾條紋示意圖

W≈P/θ

在光源的照射下，交叉點(diǎn)附近的區(qū)域內(nèi)黑線重疊，透明區(qū)域變大，擋光效應(yīng)最弱，透光的累積使該區(qū)域出現(xiàn)亮帶；而距交叉點(diǎn)越遠(yuǎn)的區(qū)域，兩光柵不透明黑線的重疊部分越少，黑線的擋光效應(yīng)增強(qiáng)，該區(qū)域出現(xiàn)暗帶。這種明暗相間與光柵線紋幾乎垂直的條紋稱為莫爾條紋。莫爾條紋具有以下特點(diǎn)：（1）放大作用。當(dāng)兩光柵尺線紋之間的夾角θ很小時(shí)，莫爾條紋的節(jié)距W和柵距P之間的關(guān)系為(2)平均效應(yīng)。莫爾條紋由許多明暗相間的條紋組成，如100條／mm的光柵，10mm寬的莫爾條紋就由1000條線紋組成，這樣對(duì)個(gè)別線紋的間距誤差就不敏感，這在很大程度上消除了柵距刻制不均勻造成的誤差。(3)信息變換作用。莫爾條紋的移動(dòng)與柵距之間的移動(dòng)成比例。當(dāng)光柵向左或向右移動(dòng)一個(gè)柵距P時(shí)，莫爾條紋也相應(yīng)地向上或向下準(zhǔn)確地移動(dòng)一個(gè)節(jié)距W。根據(jù)光柵柵距的位移和莫爾條紋位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系，只要測(cè)量出莫爾條紋移過(guò)的距離，就可以得出光柵移動(dòng)的微小距離。（4）光強(qiáng)分布規(guī)律。當(dāng)用平行光束照射光柵時(shí)，就會(huì)形成明、暗相間的莫爾條紋。由亮紋到暗紋，再由暗紋到亮紋的光強(qiáng)分布近似余弦函數(shù)。3)信號(hào)處理光柵輸出的信號(hào)有兩種：一種是正弦波信號(hào)；另一種是方波信號(hào)。（1）倍頻處理。正弦波輸出有電流型和電壓型，對(duì)正弦波輸出信號(hào)需經(jīng)過(guò)差動(dòng)放大、整形及倍頻處理后得到脈沖信號(hào)。倍頻可提高光柵的分辨精度，如5倍頻、10倍頻等。如原光柵線紋為50條／mm，經(jīng)5倍頻處理后，相當(dāng)于將線紋密度提高到250條／mm。圖所示為HEIDENHAIN光柵電流型輸出信號(hào)經(jīng)5倍頻處理后的信號(hào)波形。

HEIDENHAIN光柵電流型輸出信號(hào)的波形(a)正弦信號(hào);(b)整形后的信號(hào);(c)5倍頻處理后的信號(hào)(2)方向判別。光柵輸出信號(hào)經(jīng)差動(dòng)放大和信號(hào)處理后，獲得PA、PB脈沖信號(hào)，PA和PB的超前或滯后經(jīng)方向判別電路處理后，得到以高、低電平表示的方向信號(hào)，如圖所示。二光柵測(cè)量裝置的數(shù)字變換線路光柵測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)圖二光柵測(cè)量裝置的數(shù)字變換線路原理框圖波形圖光柵信號(hào)4倍頻電路三讀數(shù)頭把光源、光柵、光電元件組合在一起，稱為讀數(shù)頭按光路分為分光式、直射式、反射式讀數(shù)頭a）分光式b）直射式c）反光式四等倍透鏡系統(tǒng)兩光柵間距很小，如安裝不準(zhǔn)確，就不能得到正確信號(hào)，因此在實(shí)際應(yīng)用中采用了等倍透鏡系統(tǒng)。等倍透鏡系統(tǒng)第四節(jié)磁柵測(cè)量裝置磁柵位置檢測(cè)裝置是用磁性標(biāo)尺代替光柵，用電磁方法計(jì)數(shù)磁波數(shù)目的一種測(cè)量方法。磁柵位置檢測(cè)裝置是由磁性標(biāo)尺、磁頭和檢測(cè)電路組成。一工作原理磁性標(biāo)尺是在非導(dǎo)磁材料的基體上，涂敷或鍍上一層很薄的磁膜(導(dǎo)磁材料)，在磁膜上利用錄磁原理，用錄磁磁頭記錄一定波長(zhǎng)的矩形波或正弦波，以此作為測(cè)量的基準(zhǔn)刻度，磁化信號(hào)的節(jié)距(周期)一般有0.05、0.10、0.20、1mm等二磁頭1讀取磁頭磁頭是進(jìn)行磁電轉(zhuǎn)換的變換器，它把反映空間位置的磁信號(hào)輸送到檢測(cè)電路中去。速度響應(yīng)型磁頭：只有在磁頭和磁帶之間有一定相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，才能檢測(cè)出磁化信號(hào)，磁頭輸出電壓幅值與磁通變化率成比例，這種磁頭只能用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。如普通錄音機(jī)速度響應(yīng)型磁頭二磁頭磁通響應(yīng)型磁頭：根據(jù)數(shù)控機(jī)床的要求，為了在低速運(yùn)動(dòng)和靜止時(shí)也能進(jìn)行位置檢測(cè)，必須采用磁通響應(yīng)型磁頭。磁通響應(yīng)型磁頭二磁頭勵(lì)磁繞組在一個(gè)周期內(nèi)可使鐵芯飽和兩次，鐵芯材料飽和后，磁阻很大，磁路被阻斷；鐵芯材料非飽和時(shí)，磁阻減小，磁路開通?？梢?jiàn)，勵(lì)磁繞組的作用相當(dāng)于磁開關(guān)，只要有周期變化的勵(lì)磁電流存在，輸出繞組的磁路中磁通量產(chǎn)生周期變化，輸出繞組輸出電壓信號(hào)為E0輸出電壓幅值，λ磁化節(jié)距，ω0激磁頻率的2倍頻，x位移二磁頭2多間隙磁通響應(yīng)型磁頭用一個(gè)磁通響應(yīng)型磁頭讀取磁柵的磁化信號(hào)，輸出信號(hào)往往很微弱，且由于磁膜的非線性，往往難以實(shí)現(xiàn)?？蓪讉€(gè)磁頭串聯(lián)起來(lái)組成多間隙響應(yīng)型磁頭，以提高輸出信號(hào)幅度，提高測(cè)量分辨率及準(zhǔn)確性。三檢測(cè)電路鑒幅型檢測(cè)電路兩組磁頭通以同頻、同相、同幅值的勵(lì)磁電流，由于兩組磁頭的安裝位置相差(n+l／4)λ(n為正整數(shù))，因此檢波整形后的方波相差90。鑒幅檢測(cè)電路三檢測(cè)電路鑒相型檢測(cè)電路兩磁頭的安裝距離相差(n+l／4)λ。兩組磁頭通以同頻、等幅但相位相差π／4的勵(lì)磁交流電。兩組磁頭的輸出電壓為e1、e2在求和的線路中相加得三鑒相檢測(cè)電路在鑒相電路中，把它和基本方波的相位相比較，若相位不同，則在兩方波的上升沿之間插入頻率為2MHz的脈沖。兩波相位相差越大，插入脈沖越多，兩波相位差為零，無(wú)插入脈沖，這樣就可撿測(cè)位移量的值。第五節(jié)旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)量裝置一旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)定子繞組通過(guò)固定在殼體上的接線板直接引出。轉(zhuǎn)子繞組是通過(guò)滑環(huán)和電刷直接引出的。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積??；缺點(diǎn)是可靠性差，壽命短。一旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)定子繞組通過(guò)固定在殼體上的接線板直接引出。轉(zhuǎn)子繞組是通過(guò)附加變壓器二次繞組間接送出去的。其特點(diǎn)是提高了可靠性及使用壽命。但體積、重量、成本均有增加。二旋轉(zhuǎn)變壓器的組成及工作原理普通變壓器的工作原理是在一次繞組加上輸入電壓，則在二次繞組上輸出電壓為(n2/n1)U1。旋轉(zhuǎn)變壓器原理與之類似，只不過(guò)二次側(cè)繞組是旋轉(zhuǎn)的，則其輸出電壓就會(huì)隨其轉(zhuǎn)角的變化而變化，因而輸出電壓的大小是隨著轉(zhuǎn)角的變化而變化的。二旋轉(zhuǎn)變壓器的組成及工作原理通常使用正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器，其定子和轉(zhuǎn)子各有相互垂直的兩個(gè)繞組。定子繞組接受勵(lì)磁電壓，勵(lì)磁頻率400、500、1000、3000、5000Hz。在兩個(gè)定子繞組分別施加EA和EB，其中一個(gè)轉(zhuǎn)子繞組短接，由于電磁感應(yīng)，轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電壓E=kEA

sinθ+kEB

cosθk為旋轉(zhuǎn)變壓器電壓之比。圖6-19旋轉(zhuǎn)變壓器三相位工作方式兩個(gè)定子繞組通以同頻、同幅但相位相差π/2的交流電壓，即則轉(zhuǎn)子繞組上的感應(yīng)電壓為轉(zhuǎn)子輸出電壓的相位角和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。四幅值工作方式兩個(gè)定子繞組通以同頻、同相位但幅值不同的交流電壓，即幅值分別為um

cosθ0和-um

sinθ0則轉(zhuǎn)子繞組上的感應(yīng)電壓為可見(jiàn)轉(zhuǎn)子輸出電壓的幅值隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角而變化。第六節(jié)感應(yīng)同步器測(cè)量裝置工作原理及組成感應(yīng)同步器測(cè)量裝置分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩種。圖6