位置检测装置

上午6时48分 1 第五章位置检测装置 内容提要本章将详细讨论进给伺服系统的各种位置反馈元件 位置检测装置 上午6时48分 2 第五章位置检测装置 进给伺服系统是数控系统主要的子系统 如果说CNC装置是数控系统的 大脑 是发布 命令 的 指挥所 那么进给伺服系统则是数控系统的 四肢 是一种 执行机构 它忠实地执行由CNC装置发来的运动命令 精确控制执行部件的运动方向 进给速度与位移量 而位置检测装置则是CNC系统的 五官 上午6时48分 3 第一节概述 进给伺服系统 定义 进给伺服系统 FeedServoSystem 以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统 上午6时48分 4 组成 进给伺服系统主要由以下几个部分组成 位置控制单元 速度控制单元 驱动元件 电机 检测与反馈单元 机械执行部件 一 进给伺服系统 上午6时48分 5 二 组成及作用组成 位置测量装置是由检测元件 传感器 和信号处理装置组成的 作用 实时测量执行部件的位移和速度信号 并变换成位置控制单元所要求的信号形式 将运动部件现实位置反馈到位置控制单元 以实施闭环控制 它是闭环 半闭环进给伺服系统的重要组成部分 闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测装置的精度决定的 在设计数控机床进给伺服系统 尤其是高精度进给伺服系统时 必须精心选择位置检测装置 上午6时48分 6 三 进给伺服系统对位置测量装置的要求高可靠性和高抗干扰性 受温度 湿度的影响小 工作可靠 精度保持性好 抗干扰能力强 能满足精度和速度的要求 位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率 一个数量级 位置检测装置最高允许的检测速度应数控机床的最高运行速度 使用维护方便 适应机床工作环境 成本低 上午6时48分 7 四 位置检测装置的分类 按输出信号的形式分类 数字式和模拟式按测量基点的类型分类 增量式和绝对式按位置检测元件的运动形式分类 回转型和直线型 上午6时48分 8 常用位置检测装置分类表 上午6时48分 9 第二节 感应同步器 感应同步器的结构及分类结构 二尺与导轨平行 sin cos 节距2 2mm 节距 0 5mm 定尺 连续感应绕组 固定在机床的固定部件 滑尺 分段励磁绕组 正弦 余弦 固定在移动部件 0 15 0 35mm 上午6时48分 10 分类 上午6时48分 11 感应同步器的工作原理 感应同步器是利用励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时 由于电磁耦合的变化 感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化 借以进行位移量的检测 感应同步器滑尺上的绕组是励磁绕组 定尺上的绕组是感应绕组 上午6时48分 12 感应同步器的工作原理 U0 U0 1 定尺 滑尺 上午6时48分 13 感应同步器的信号处理原理 滑尺正旋绕组上加激磁电压Us后 与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为 Uos KUScos 1滑尺余旋绕组上加激磁电压Uc后 与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为 Uoc KUccos 1 2 KUcsin 1 上午6时48分 14 滑尺正 余旋绕组上同时加激磁电压Us Uc时 感应同步器的磁路可是为线性的 根据叠加原理 则与之相耦合的定尺绕组上的总感应电压为 Uo Uos Uos KUScos 1 KUcsin 1K 电磁感应系数 1 定尺绕组上的感应电压的相位角 上午6时48分 15 滑尺与定尺相对位移量x的求取 2 2 x 1 x 1 结论 相对位移量x与相位角 1呈线性关系 只要能测出相位角 1 就可求得位移量x 根据滑尺正 余旋绕组上激磁电压Us Uc供电方式的不同可构成不同检测系统 鉴相型系统和鉴幅型系统 上午6时48分 16 鉴相型系统的工作原理 在鉴相型系统中 激磁电压是频率 幅值相同 相位差为 2的交变电压 US Umsin tUC Umcos t则 Uo Uos Uos KUScos 1 KUcsin 1 KUmsin tcos 1 KUmcos tsin 1 KUmsin t 1 结论 只要能测出Uo与US相位差 1 就可求得滑尺与定尺相对位移量x 上午6时48分 17 鉴幅型系统的工作原理 在鉴幅型系统中 激磁电压是频率 相位相同 幅值不同的交变电压 US Umsin 2sin tUC Umcos 2sin t 2 x2 x2是指令位移值 Uo Uos Uos KUScos 1 KUcsin 1 KUmsin 2cos 1sin t KUmcos 2sin tsin 1 KUmsin 2 1 sin t结论 只要能测出Uo与UC相位差 1 就可求得滑尺与定尺相对位移量x 上午6时48分 18 几点说明 感应同步器的测量周期为其绕组的节距2 2mm 感应同步器的测量精度取决于测量电路对输出感应电压的细分精度 现在商品化的感应同步器的输出大多是脉冲量 使其能方便地采用现代的数字处理技术 上午6时48分 19 6 感应同步器的特点及使用注意事项 特点精度高 平均自补偿特性 对环境的适应能力强 抗湿 温度 热变形影响的能力强 维护简单 寿命长 非接触测量 无磨损 精度保持性好 上午6时48分 20 测量距离长 通过接长可满足大行程测量的要求 串联方式n 10 串并联方式n 10 上午6时48分 21 使用注意事项在安装方面 保证安装精度 安装面的精度 定尺与滑尺的相对位置精度 接缝的调整精度 加装防护装置 避免切屑 油污 灰尘的影响 在电气方面 要保证激磁电压波形的对称性和保真性 对鉴相系统 激磁电压的幅值 频率相等 相位差900对鉴幅系统 对Umsin 2 Umcos 2调制的精确性当失真度大于2 时 将严重影响测量精度 上午6时48分 22 第三节 编码器 脉冲编码器又称码盘 是一种回转式数字测量元件 通常装在被检测轴上 随被测轴一起转动 可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式 根据内部结构和检测方式码盘可分为接触式 光电式和电磁式3种 其中 光电码盘在数控机床上应用较多 而由霍尔效应构成的电磁码盘则可用作速度检测元件 另外 它还可分为绝对式和增量式两种 上午6时48分 23 增量脉冲编码器 结构及工作原理 上午6时48分 24 光电码盘随被测轴一起转动 在光源的照射下 透过光电码盘和光欄板形成忽明忽暗的光信号 光敏元件把此光信号转换成电信号 通过信号处理装置的整形 放大等处理后输出 输出的波形有六路 其中 是的取反信号 上午6时48分 25 输出信号的作用及其处理 A B两相的作用根据脉冲的数目可得出被测轴的角位移 根据脉冲的频率可得被测轴的转速 根据A B两相的相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方向 后续电路可利用A B两相的90 相位差进行细分处理 四倍频电路实现 上午6时48分 26 Z相的作用被测轴的周向定位基准信号 被测轴的旋转圈数记数信号 的作用后续电路可利用A 两相实现差分输入 以消除远距离传输的共模干扰 共模干扰 一般指在两根信号线上产生的幅度相等 相位相同的噪声 差模干扰 则是幅度想等 相位相反的的噪声 常用的差分线对共模干扰的抗干扰能力就非常强 上午6时48分 27 增量式码盘的规格及分辨率 规格增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数 现在市场上提供的规格从36线 转到10万线 转都有 选择 伺服系统要求的分辨率 考虑机械传动系统的参数 分辨率 分辨角 设增量式码盘的规格为n线 转 上午6时48分 28 绝对式编码器 结构和工作原理码盘基片上有多圈码道 且每码道的刻线数相等 对应每圈都有光电传感器 输出信号的路数与码盘圈数成正比 检测信号按某种规律编码输出 故可测得被测轴的周向绝对位置 上午6时48分 29 绝对编码盘的编码方式及特点二进制编码 特点 编码循序与位置循序相一致 但可能产生非单值性误差 误差分析 扇区边界读数时会出现两个以上不同数字输出 读数模糊现象 1111 0000 上午6时48分 30 格雷码 循环码 葛莱码 特点 任何两个编码之间只有一位是变化的 因而可把误差控制在最小单位上 但编码与位置循序无直接规律 上午6时48分 31 格雷码的编码方法它是从二进制码转换而来的 转换规则为 将二进制码与其本身右移一位后并舍去末位的数码作不进位加法 得出的结果即为格雷码 循环码 例题 将二进制码0101转换成对应的格雷码 第二节位置检测装置 脉冲编码器 上午6时48分 32 绝对式码盘的规格及分辨率 规格绝对式码盘的规格与码盘码道数n有关 现在市场上提供从4道到18道都有 选择 伺服系统要求的分辨率 考虑机械传动系统的参数 分辨率 分辨角 设绝对式码盘的规格n道 上午6时48分 33 光电编码器的特点 非接触测量 无接触磨损 码盘寿命长 精度保证性好 允许测量转速高 精度较高 光电转换 抗干扰能力强 体积小 便于安装 适合于机床运行环境 结构复杂 价格高 光源寿命短 码盘基片为玻璃 抗冲击和抗震动能力差 上午6时48分 34 4 磁性编码器 近年发展起来的新型编码器 输出形式与光学编码器一样 都是数字脉冲信号 特点 抗环境能力强 响应速度快 寿命长 结构简单 价格低廉 将在很大程度上代替光学编码器 类型 增量式绝对式 磁敏电阻式励磁环式 强磁金属半导体 上午6时48分 35 第四节直线光栅 光栅的分类 物理光栅和计量光栅光栅的运动方式 长光栅和圆光栅光线的走向 透射光栅和反射光栅 上午6时48分 36 1 长光栅检测装置的结构 一 长光栅检测装置的结构 光栅的结构1 防护垫2 光栅读数头3 标尺光栅4 防护罩 标尺光栅 光栅读数头1 光源2 准直镜3 指示光栅4 光敏元件5 驱动线路 主要结构为标尺光栅 长光栅 固定光栅 和指示光栅 短光栅 移动光栅 栅距和栅距角 两个光栅错开的角度 上午6时48分 37 2 工作原理 以透射投影为例 摩尔条文宽度B的理论公式莫尔条纹 d放大2倍 严格来说 横向莫尔条纹排列的方向是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直 上午6时48分 38 莫尔条纹的特征 1 莫尔条纹的变化规律 两片两光栅相对移过一个栅距 莫尔条纹移过一个条纹近似正 余 弦函数 变化周期数与两光栅相对移过的栅距数同步 2 放大作用莫尔条纹宽度W和光栅栅距d 栅线夹角 之间关系 间距 由于光的衍射与干涉作用 莫尔条纹的变化规律由图可知W dsin 又 很小可认为sin 故W d 例如d 0 01 0 01rad 得W 1mm 放大100 3 均化栅距误差作用 上午6时48分 39 莫尔条纹的细分技术 光学细分 机械细分和电子细分 二 光栅位移 数字变换电路 上午6时48分 40 第5节磁尺测量装置磁尺位置检测装置是由磁性标尺 磁头和检测电路组成 利用录磁的原理将一定周期变化的方波 正弦波或脉冲电信号 用录磁磁头记录在磁性标尺的磁膜上 作为测量的基准 检测时 用拾磁磁头将磁性标尺上的磁信号转换成电信号 经过检测电路处理后 用以计量磁头相对磁尺之间的位移量 特点 对使用环境的条件要求较低 对周围磁场的抗干扰能力较强 在油污 粉尘较多的地方使用有较好的稳定性 上午6时48分 41 速度响应型磁头 磁通响应型磁头 上午6时48分 42 磁尺测量装置的组成和工作原理 磁性标尺是在非导磁材料如铜 不锈钢 玻璃或其他合金材料的基体上 用涂敷 化学沉积或电镀的一层10 20um的导磁材料 Ni Co或Fe Co合金 在它的表面上录制相等节距周期变化的磁信号 磁信号的节距一般为0 05 0 1 0 2 1mm 为了防止磁头对磁性膜的磨损 通常在磁性膜上涂一层厚1 2mm的耐磨塑料保护层 磁头是进行磁电转换的变换器 它把反映空间位置的磁信号输送到检测电路中去 普通录音机上的磁头输出电压幅值与磁通变化率成比例 属于速度响应型磁头 根据数控机床的要求 为了在低速运动和静止时也能进行位置检测 必须采用磁通响应型磁头 上午6时48分 43 第6节旋转变压器位移检测装置旋转变压器是一种角度测量元件 它是一种小型交流电机 在结构上与两相绕组式异步电动机相似 由定子和转子组成 定子绕组为变压器的原边 转子绕组为变压器的副边 激磁电压接到定子绕组上 激磁频率通常为400H 500H 1000H 3000H 5000H 其结构简单 动作灵敏 对环境无特殊要求 维护方便 输出信号幅度大 抗干扰性强 工作可靠 工作原理 当激磁电压U1加到定子绕组时 通过电磁耦合 转子绕组中将产生感生电压 由于转子是可以旋转的 当转子绕组磁轴转到与定子绕组磁轴垂直时 如图 a 所示 激磁磁通不穿过转子绕组的横截面 因此 感应电压U2为0 当转子绕组磁轴自垂直位置转过任意角度时 转子绕组的产生的感应电压U2为 U1 UmsintU2 kU1sin ksintsin 上午6时48分 44 上午6时48分 45 讨论题1 数控机床对位置检测装置有何要求 2 从指令控制的角度看 开环伺服系统控制精度的基本原因是什么 半闭环控制系统中 位置反馈信号不能包含哪一部分的位置误差 3 试述感应同步器的工作原理 并说明相位工作方