位置测量装置的要求和分类毕业论文.doc

5.1位置测量装置的要求和分类在闭环系统中，输出信号被返回与输入信号相比较。因此，位置测量装置需要闭环循环。位置测量装置通常是旋转或线性设备，并提供位置和速度信号。5.1.1位置测量装置的要求为了确定一个机器零件在机床中的位置，位置反馈装置是必须的，它每时每刻都对轴的当前位置和命令位置进行比较和控制。要选择一个合适的测量系统机床建造者必须考虑各种标准。如：准确度和精确度，可靠性，导轨的长度，最大切削速度的要求，以及这样一个系统的维修费用。这些都是选择数控机床位置测量装置的要求。（1）应最高的可靠性和最低测量次数。（2）满足最高的精度要求和速度范围。（3）方便测量装置的安装和维修。设备适应工作环境。（4）成本应该尽可能的低。5.1.2位置测量装置的分类测量设备可以按以下几种方式分类：直接和间接测量。增量式测量和绝对测量。数字与模拟测量5.1.2.1直接和间接测量直接测量系统位置测量系统直接连接在机床的导轨上或嵌入机床的入口处。它相对丝杠或驱动元件是独立的（因此避免了和丝杠或驱动元件误差的联系）,但缺点是相对成本较高，因为必须保持整个测量长度。它还有一个更大的缺点就是在反馈环节中会引起机床内部的共振。直接测量可以由线性测量设备机床提供,但是他们作为更高质量产品的高精度测量装置趋势的要求正越来越受到顾客的欢迎。间接测量系统一个带位置测量装置的系统安装在丝杠或机床的一部分驱动元件上。间接测量的优点是成本低，在机床上的安装更简单，更容易维护。精度的要求可被丝杠和优良设备上的反弹螺距误差降低。间接系统通常配有旋转位置测量装置，例如分解器和编码器。5.1.2.2增量式和绝对测量增量式测量系统在一个增量系统中，每个位移取决于其偏离基准的大小即当前位置的增加。增量系统的缺点是只能确定相对位置，所以以前的测量误差会对以后所有的测量产生影响（累积误差）。绝对测量系统在绝对坐标系统的所有测量数据都以一个固定的位置或中心的坐标为基准没有提及之前坐标。电源故障（中段开始）后重新启动更容易，积累误差少。数字绝对测量装置因其高分辨率而非常非常昂贵。5.1.2.3数字与模拟测量数字测量系统在数字系统中，位置或位移测量使用离散值。数字测量系统可以是增量（例如，光栅和增量编码器）或绝对的（例如，绝对式编码器）。数字信号更容易储存，更可靠的传输和无差错复制。数字测量系统无需单独的模拟/数字转换器。模拟测试系统在这个体系中，位移转被换成另一种可以很容易地测量物理模拟。物理性质类似的物体可能有着极为不同的本质。模拟位置测量装置可能是感应传感器，其输出连续位移的比例（如解析器和感应同步器）。模拟系统意味着一个信号，如电压幅度表示一个轴的位置，换种方式说，我们用距离这个物理变量来表示电压。一个特定的轨道将被一个电压来模拟。模拟装置通常更简单，更稳定并且更便宜。但是，这种测量提供移动物体的直观显示。模拟位移测量装置，适合中小型数控机床。5.2编码器编码器可以测量角位置或角位移。它们可分为两个主要类型：绝对式编码器产生的代码的价值是直接表示出绝对位置。增量编码器产生同步变化的增加或减少的测量值。5.2.1绝对式编码器绝对编码器是一种旋转测量装置。在绝对式编码器中，当系统被接通就可以立即对实际位置进行测量。绝对式编码器有三种：电刷式，光学式和磁场式。用电刷式结构作为一个例子。见例5.1。在灌木丛型编码器中移动磁盘包含连接到一个共同的终端的导电部分和绝缘部分。当挑选电刷与导电部分发生接触，就会产生一个关闭连接。带有一个额外电刷的数字输出的独立部分被看作是带电导轨上的一个普通连接。当刷正与绝缘部分连接会产生一个开放的连接。图5.1显示了一个四个轨道的圆盘。这是一个只利用0和1两个数字的数字系统。编码盘有四个轨道，对应四位二进制数，并且16片段最多提供16个数字号码。位置由右至左的数字相当于2的幂，代表环数。例如，1011相当于。昏暗的地区磁盘上昏暗的地区，当被认为沿圆圈的任意半径，代表独特的二进制数字。四点分割的计算方法如下：111008212120210123。商业元件采用多达12轨道。一般情况下，对于一个n轨道磁盘的最大数量的上限，可以用402/360=05.22来表示；因此，对于一个n轨道圆盘，结果可被n2分解为：402/360。这些刷轴编码器没有内部电路，并且可以工作的信号范围很广。但是，不可避免的，由于刷子或轨道磨损会导致相对较高的轴扭矩和使用寿命的减少。简单二进制输出的一个主要问题可能引起的是，由于刷子的轻微错位改变从一个部分到另一个部分，一个跟踪可能发生了变化，或者稍微领先或落后的其他轨道。一个简单的二进制编码的角编码器会由于输出状态的变化而给出错误的读数。作为一个例子，假设在图5.2四轨道编码器的编码是从0111到1000。所有刷同时变化是不太可能，所以输出可以0111-0000-1000或0111-1111-1000，或任何其他四位数字的组合。这意味着，一个短的时间内错误的号码将会被显示出来。使用格雷码光盘这个问题是可以克服的。在这个编码，一个时间内只有一个变化量，所以结果很明确。因为只有一个位的变化，距离码作为单位经常使用。图5.3中了描述4位格雷码的结构和二进制转换。例如二进制编码1110相应的格雷码是1001，其计算过程如下：100110101111。5.2.2增量编码器增量式编码器就是脉冲计数器。增量式编码器是最简单的位置测量装置，但没有像绝对编码器那样给出明确的位置。仅提供相对的信息。输入脉冲必须清点编码器包含一个安装在轴上透明圆盘和带有密集精确、明确的交替循环模式和以及圆盘周边地区的不透明部分，这是图5.4显示的。光盘的一边提供一个固定的光源。当磁盘旋转，光周期性的打在光电管上，因而当盘缓慢沿边缘上升和下降会产生一种在毫伏范围内的正弦输出信号。这一信号被放大和反馈给一个可把其转换为方波的整形电路。方波通过微分元件被改为短期脉冲。每一次光电管被遮挡都会产生一个脉冲信号。在每一次旋转中所产生的脉冲数量是在磁盘上铭刻的行数的函数，并被称为解析器。典型的磁盘可能含有200至18000环。增量式编码器的轴驱动装置在输出端提供电脉冲。脉冲的数量决定于距离。脉冲计数可以用来确定在丝杠螺距可行的分解中线性轴和编码器轴和丝杠之间的减速齿轮的位置。因而MISnx这里N是编码器所发出的连续脉冲；S是丝杠螺距；M是每转脉冲数量；I是编码和丝杠之间的减速齿轮。脉冲频率和轴速度成正比。工作台的速度，这通常指加工操作的进给速度，用如下方式得到脉冲频率：MISf60这里V是工作台速度；F是编码器所发出的脉冲频率。单脉冲输出列作为方向不携带任何信息。旋转的方向可能是使用有两个相同的光电管的电编码器同时读取磁盘来确定的，使他们的输出信号相对有一个90度的便宜，就像如图5.5所示。第二光电管的输出表示第一光电管输出的正弦波的余弦。在实践中一对光电管常被用来生产两个信号。让我们呼吁这两个信号A和B。他们可以被整形为方波A1和B1。为顺时针旋转，让我们说输出格A1超前B190度。如果方向被扭转，输出B1将超前A190度。旋转的方向可以由这两个波反馈的外部逻辑电路确定。图5.6显示了一个方向鉴别器。其运作如下：信号A和A是两个彼此相差180度的正弦波。信号B和B是两个彼此相差180度的正弦波。这些波可以通过分整形器和放大器提供方波A和B。然后方波a和B就被与信号的B区别开了。如果原始的A1等于B1则与门Y2有输出；因此，可能在一个时间只有一个输出信号通过Y1或Y2输出。顺时针方向旋转所显示的“B1高和A1低”，与门Y1被用于反向减去。通过方向差别电路脉冲增加或减少的在计算中是可逆的。除了额外的索引脉冲可以利用，磁盘上还提供一个只包含一个明确的部分的单独区域。索引脉冲可以提供一个明确的起点作为参考零，这数控机床是非常有益的。在许多应用中它可能被用于构造一个增量编码器作为装置的一部分。增量编码器，虽然价格低廉且简单易行的，但确实有一些缺点。首先在电力供应中断后位置测量通常会丢失（与以往正确装置不同，并且不明确，当电力恢复后不能给出正确位置）。系统使用增量编码器必须用某种方式建立一个计数可以重新开始的基准面。图5.6方向鉴别器5.3光栅5.3.1光栅的原理光学光栅由两个玻璃制成的透明尺构成的。他们需要巧妙的交叉，或影象蚀刻或水气沉积为间隔均匀、排列紧密一系列平行线。透明和黑线在宽度上可以相等。其中有个长的而其他都是短的。一般来说，长尺被叫做光栅尺并被安装在可以动部分。短的被称为指示光栅并被安装在固定的部分。实际上，同时在指示光栅和光栅尺上出现的相同线条的间隔有20，50，100，250厘米等。图5.7光学光栅测量系统如图5.7光纤光栅测量系统包括一个光源，一个准直透镜，光栅和光电管。固定的长光栅扩展至超过机床滑动导轨的长度，带有一个指示光栅覆盖在上面。除了光栅尺，其他单位被放在阅读头上。光学光栅的原理是著名的“莫尔条纹效应”。两个尺按照一个非常小的角度Q彼此倾斜。这导致了它们之间的交叉点上的干涉效应。这种模式被称为莫尔条纹（图5.8）。图5.8光学测量的原理莫尔条纹在实践中，当导轨移动，两尺上的线条就会发生移动，因此，条纹图会垂直的穿过它们，与他们的移动方向取决于导轨的右（加）或左（减号）移动方向，如表5.1。一种深（轻）条纹产生在光栅的宽度上并且按照插图所示的顺序运动。表5.1莫尔条纹的移动方向和光栅的移动方向及的关系。莫尔条纹有以下特点:（1）成倍放大光栅间距。光的相互作用和指示光栅产生莫尔条纹的宽度W取决于和光栅间距P，如图5.9所示。图5.9W取决于P和W是莫尔条文宽度；是指示光栅斜角；P是光栅间距；一个主要问题，尽管为了解决斜度问题，因此，光电管头需要变得非常小。莫尔条纹不需要非常小的光电管所以为这一问题提供了良好的解决方案。因此斜度通常被莫尔条纹所取代参，考图5.8最好理