第六章位置檢測(cè)裝置

第六章位置檢測(cè)裝置第1頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三§6-2常用典型位置檢測(cè)裝置§6-1對(duì)位置檢測(cè)裝置的要求第六章位置檢測(cè)裝置第2頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

位置檢測(cè)裝置是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。在閉環(huán)系統(tǒng)中，它的主要作用是檢測(cè)位移量，并發(fā)出反饋信號(hào)和數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號(hào)相比較，若有偏差，經(jīng)放大后控制執(zhí)行部件，使著向消除偏差的方向運(yùn)動(dòng)直至偏差等于零為止?！?-1對(duì)位置檢測(cè)裝置的要求第六章位置檢測(cè)裝置第3頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三●受溫度、濕度影響小，工作可靠，能長(zhǎng)期保持精度，抗干擾能力強(qiáng);●在機(jī)床執(zhí)行部件工作范圍內(nèi)，能滿足精度和速度的要求；進(jìn)給速度20—30m/min，轉(zhuǎn)速高達(dá)100000r/min?！袷褂镁S護(hù)方便，適應(yīng)機(jī)床工作環(huán)境；●成本低。一、數(shù)控機(jī)床對(duì)位置檢測(cè)裝置的要求：第六章位置檢測(cè)裝置第4頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1、按測(cè)量對(duì)象不同分類位移檢測(cè)裝置:脈沖編碼器、光柵速度檢測(cè)裝置：測(cè)速發(fā)電機(jī)2、按安裝位置不同分類直接測(cè)量:將檢測(cè)裝置安裝在執(zhí)行部件上間接測(cè)量:將檢測(cè)元件安裝在滾珠絲杠或驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)軸上二、檢測(cè)裝置的分類第六章位置檢測(cè)裝置第5頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(1)直接測(cè)量將直線型檢測(cè)裝置安裝在移動(dòng)部件上，直接測(cè)量工作臺(tái)的直線位移，作為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置反饋信號(hào)，構(gòu)成位置閉環(huán)控制。優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確性高、可靠性好，缺點(diǎn)是測(cè)量裝置要和工作臺(tái)行程等長(zhǎng)，在大型數(shù)控機(jī)床上受到一定限制。(2)

間接測(cè)量

將旋轉(zhuǎn)型檢測(cè)裝置安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸或滾珠絲杠上，通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)件的角位移來(lái)間接測(cè)量機(jī)床工作臺(tái)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(diǎn)是測(cè)量方便、無(wú)長(zhǎng)度限制。缺點(diǎn)是測(cè)量信號(hào)中增加了由回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)鏈誤差，從而影響了測(cè)量精度。第六章位置檢測(cè)裝置第6頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3、按測(cè)量方法不同分類增量式測(cè)量絕對(duì)式測(cè)量絕對(duì)式測(cè)量：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。特點(diǎn)：裝置的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜增量式測(cè)量：只測(cè)量位移量。測(cè)量單位為0.01mm每移動(dòng)0.01mm發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)。第六章位置檢測(cè)裝置第7頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三優(yōu)點(diǎn)：

裝置簡(jiǎn)單，任何一個(gè)點(diǎn)都可作為測(cè)量的起點(diǎn)。在輪廓控制的數(shù)控機(jī)床上大都采用這種方式。

缺點(diǎn)：在增量式檢測(cè)系統(tǒng)中，移距是由測(cè)量信號(hào)計(jì)數(shù)讀出，一旦計(jì)數(shù)有誤，以后的測(cè)量結(jié)果則完全錯(cuò)誤。如出某種事故，無(wú)法恢復(fù)。

第六章位置檢測(cè)裝置第8頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第六章位置檢測(cè)裝置第9頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4、按檢測(cè)信號(hào)不同分類數(shù)字式測(cè)量模擬式測(cè)量模擬式測(cè)量：模擬式測(cè)量是將被測(cè)量用連續(xù)變量來(lái)表示。如電壓變化、相位變化等。數(shù)控機(jī)床所用模擬式測(cè)量主要用于小量程的測(cè)量，如感應(yīng)同步器的一個(gè)線距（2mm）內(nèi)的信號(hào)相位變化等。特點(diǎn)：

●直接測(cè)量被測(cè)的量，無(wú)需變換；

●在小量程內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高精度的測(cè)量，技術(shù)成熟。第六章位置檢測(cè)裝置第10頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三數(shù)字式測(cè)量：被測(cè)的量以數(shù)字的形式來(lái)表示。測(cè)量信號(hào)為電脈沖，可以直接把它們送入數(shù)控裝置進(jìn)行比較、處理。特點(diǎn)：

●被測(cè)的量轉(zhuǎn)換為脈沖個(gè)數(shù)，便于顯示和處理；

●測(cè)量精度取決于測(cè)量單位，和量程基本無(wú)關(guān)；

●測(cè)量裝置比較簡(jiǎn)單，脈沖信號(hào)抗干擾能力較強(qiáng)。第六章位置檢測(cè)裝置第11頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三§6-2常用典型位置檢測(cè)裝置一、旋轉(zhuǎn)變壓器（角位移檢測(cè)元件）

旋轉(zhuǎn)變壓器是一種角度測(cè)量元件，它是一種小型交流電機(jī)。在結(jié)構(gòu)上與兩相繞組式異步電動(dòng)機(jī)相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子繞組為變壓器的原邊，轉(zhuǎn)子繞組為變壓器的副邊。激磁電壓接到定子繞組上，激磁頻率通常為400H、500H、1000H、3000H、5000H，特點(diǎn)：其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作靈敏，對(duì)環(huán)境無(wú)特殊要求，維護(hù)方便，輸出信號(hào)幅度大，抗干擾性強(qiáng)，工作可靠。第六章位置檢測(cè)裝置第12頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三工作原理：定子繞組輸入電壓第六章位置檢測(cè)裝置第13頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三設(shè)加到定子繞組的勵(lì)磁電壓為U1=Umsint，通過(guò)電磁耦合，將在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為

U2=KU1sin=KUmsintsin

=KUmsin

sint

式中K—變壓比（K=N1/N2為定子、轉(zhuǎn)子繞組的匝數(shù)）

Um—?jiǎng)?lì)磁最大電壓—?jiǎng)?lì)磁電壓角頻率—轉(zhuǎn)子與定子相對(duì)角位移，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁軸與定子磁軸垂直時(shí)，=0；當(dāng)轉(zhuǎn)子磁軸與定子磁軸平行時(shí)，=90。第六章位置檢測(cè)裝置第14頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、感應(yīng)同步器——非接觸電磁式測(cè)量元件，測(cè)角位移或直線位移1、分類：直線型感應(yīng)同步器—測(cè)量直線位移旋轉(zhuǎn)型感應(yīng)同步器—測(cè)量角位移2、結(jié)構(gòu)：直線型旋轉(zhuǎn)型定尺—安裝在機(jī)床床身上滑尺—安裝在移動(dòng)部件上轉(zhuǎn)子定子第六章位置檢測(cè)裝置第15頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3、工作原理：（標(biāo)準(zhǔn)直線型感應(yīng)同步器為例）

利用電磁耦合原理，將位移或轉(zhuǎn)角變成電信號(hào)（極為普遍）。即使滑尺與定尺相互平行，并保持一定的間距。向滑尺通以交流激磁電壓，則在滑尺中產(chǎn)生激磁電流，繞組周圍產(chǎn)生按正弦規(guī)律變化的磁場(chǎng)，由電磁感應(yīng)，在定尺上感出感應(yīng)電壓，當(dāng)滑尺與定尺間產(chǎn)生相對(duì)位移時(shí)，由于電磁耦合的變化，使定尺上感應(yīng)電壓隨位移的變化而變化（相同頻率）。第六章位置檢測(cè)裝置第16頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三定尺—定尺上制有單向均勻感應(yīng)繞組，一般為250mm滑尺—長(zhǎng)100mm，繞有兩個(gè)勵(lì)磁繞組第六章位置檢測(cè)裝置第17頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三定尺繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)原理圖第六章位置檢測(cè)裝置第18頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三滑尺的正弦繞組加電壓Us=Umsint時(shí)，定尺繞組

Us'=KUmsintcos滑尺的正弦繞組加電壓Uc=Umcost時(shí)，定尺繞組

Uc'=KUmcostsin

=KUmcostcos(+/2)Ud=Us'+

Uc'=KUmsintcos

+KUmcostcos(+/2)

=KUmsin(t-)-滑尺繞組相對(duì)于定尺繞組的空間相位角當(dāng)滑尺移動(dòng)x距離則感應(yīng)電壓以余弦或正弦函數(shù)變化角第六章位置檢測(cè)裝置第19頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、脈沖編碼器（角位移檢測(cè)元件）脈沖編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，能把機(jī)械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，是數(shù)控機(jī)床上使用很廣泛的位置檢測(cè)裝置。脈沖編碼器可分為增量式與絕對(duì)式兩類。1.絕對(duì)式編碼器絕對(duì)式編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式檢測(cè)裝置，可直接把被測(cè)轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來(lái)，且每一個(gè)角度位置均有其對(duì)應(yīng)的測(cè)量代碼，它能表示絕對(duì)位置，沒(méi)有累積誤差，電源切除后，位置信息不丟失，仍能讀出轉(zhuǎn)動(dòng)角度。絕對(duì)式編碼器有光電式、接觸式和電磁式三種。第六章位置檢測(cè)裝置第20頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三n位編碼盤當(dāng)碼道為十八條=0.0014第六章位置檢測(cè)裝置第21頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.增量式脈沖編碼器增量式脈沖編碼器分光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式三種。就精度和可靠性來(lái)講，光電式脈沖編碼器優(yōu)于其它兩種，它的型號(hào)是用脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)（p/r）來(lái)區(qū)分，數(shù)控機(jī)床常用2000、2500、3000p/r等，現(xiàn)在已有每轉(zhuǎn)發(fā)10萬(wàn)個(gè)脈沖的脈沖編碼器。脈沖編碼器除用于角度檢測(cè)外，還可以用于速度檢測(cè)。第六章位置檢測(cè)裝置第22頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

第六章位置檢測(cè)裝置第23頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三四、光柵—光學(xué)測(cè)量元件分類：透射光柵反射光柵透射光柵：采用經(jīng)磨制的光學(xué)玻璃或在玻璃表面感光材料的涂層上刻成光柵線紋。

特點(diǎn)：光源可以采用垂直入射光，光電元件直接接受光照。因此信號(hào)幅值比較大，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，熱脹系數(shù)與金屬部件不一致，影響測(cè)量精度。第六章位置檢測(cè)裝置第24頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三反射光柵：光柵和機(jī)床金屬部件的線膨脹系數(shù)一致，接長(zhǎng)方便。也可用鋼帶做成長(zhǎng)達(dá)數(shù)米的長(zhǎng)光柵。缺點(diǎn)：為了使反射后的莫爾系數(shù)反差較大，每毫米內(nèi)線紋不宜多，常用4、10、25、40、50線/mm。組成：標(biāo)尺光柵：安裝在機(jī)床的固定部件上指示光柵：安裝在機(jī)床的移動(dòng)部件上它們之間保持0.05mm或0.1mm的間隙。相互平行第六章位置檢測(cè)裝置第25頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三工作原理：（透射光柵）標(biāo)尺光柵指示光柵第六章位置檢測(cè)裝置第26頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三若標(biāo)尺光柵和指示光柵的柵距相等，指示光柵在其自身平面內(nèi)相對(duì)于標(biāo)尺光柵傾斜一個(gè)很小的角度，兩塊光柵的刻線就會(huì)相交。當(dāng)燈光通過(guò)聚光鏡呈平行光線垂直照射在標(biāo)尺光柵上，在兩塊光柵線相交的鈍角平分線上，出現(xiàn)明暗交替、間隔相等的粗短條紋，稱之為橫向莫爾條紋。莫爾條紋的形成第六章位置檢測(cè)裝置第27頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三特點(diǎn)：

●由于光柵的刻線可以制作十分精確，同時(shí)莫爾條紋對(duì)刻線局部誤差有均化作用，因此，柵距誤差對(duì)測(cè)量精度影響較小。也可采用信號(hào)。

●在檢測(cè)過(guò)程中，標(biāo)尺光柵與指示光柵不直接接觸，沒(méi)有磨損，因而精度可以長(zhǎng)期保持。

●光線刻線要求很精確，兩光柵之間的間隙及傾斜角都要求保持不變，制造調(diào)試比較困難。光學(xué)系統(tǒng)易受外界的影響產(chǎn)生誤差，同時(shí)又有灰塵、油、冷卻液等污物的侵入，易使光學(xué)系統(tǒng)變質(zhì)。第六章位置檢測(cè)裝置第28頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三五、磁柵磁柵又稱磁尺，是一種采用電磁方法記錄磁波數(shù)目的位置檢測(cè)裝置。組成：磁性標(biāo)尺、磁頭和檢測(cè)電路利用錄磁的原理將一定周期變化的方法，正弦波或脈沖電信號(hào)，用錄磁磁頭記錄在磁性標(biāo)尺的磁膜上，作為測(cè)量的基準(zhǔn)。檢測(cè)時(shí)，用拾磁磁頭將磁性標(biāo)尺上的磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)檢測(cè)電路處理后，用以計(jì)量磁頭相對(duì)磁尺之間的位移量。第六章位置檢測(cè)裝置第29頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三磁尺測(cè)量裝置的組成和工作原理：

磁性標(biāo)尺是在非導(dǎo)磁材料如銅、不銹鋼、玻璃或其他合金材料的基體上，用涂敷、化學(xué)沉積或電鍍的一層10～20um的導(dǎo)磁材料（Ni-Co或Fe-Co合金），在它的表面上錄制相等節(jié)距周期變化的磁信號(hào)。磁信號(hào)的節(jié)距一般為0.05、0.1、0.2、1mm。為了防止磁頭對(duì)磁性膜的磨損，通常在磁性膜上涂一層厚1～2mm的耐磨塑料保護(hù)層。磁頭是進(jìn)行磁電轉(zhuǎn)換的變換器，它把反映空