数控机床的位置检测装置.doc

数控机床的位置检测装置学 号： 姓 名： 学 校： 院 系： 专 业： 班 级： 指导老师： 时 间： 目录一、 概述 3二、 数控机床对位置检测装置的要求 3三、 位置检测装置的分类 4四、 常见的位置检测装置 51、 旋转变压器52、 感应同步器73、 光栅84、 磁栅95、 编码器9五、 参考文献 10数控机床的位置检测装置 摘 要 数控系统的位置控制是将插补计算的指令位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制进给电机。而实际反馈位置的检测则是通过位置检测装置来实现的。位置检测装置不仅在闭环数控机床作位置检测反馈用，也可在普通机床上作坐标位置测量数码显示，取代了普通机床的刻度盘和标尺。因此，位置检测装置是保证数控系统位移精度的关键。本文主要介绍了数控机床对位置检测装置的要求及其位置检测装置的分类，常见的位置检测装置有旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅、编码器等。关键词 位置检测装置 旋转变压器 感应同步器 光栅 磁栅 编码器一、 概述位置检测装置是数控机床闭环和半闭环伺服系统的重要组成部分，其作用是检测位移（线位移或角位移）和速度，发送反馈信号至数控装置；构成伺服系统的闭环或半闭环控制，使工作台按指令的路径精确的移动。闭环或半闭环控制的数控机床的加工精度主要由检测系统的精度决定。对于采用半闭环的数控机床，其位置检测装置一般采用旋转变压器或编码器，安装在进给电机或丝杠上，旋转变压器或编码器每旋转一定角度，都严格地对应着工作台移动着一定距离。测量了电机或丝杠的角位移，也就间接地测量了工作台的直线位移。对于采用闭环系统的数控机床，可采用感应同步器、光栅、磁栅等测量装置，安装在工作台和导轨上，直接测量工作台的直线位移。在闭环伺服系统中，位置检测装置主要作用是检测位移量，并发出反馈信号与数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件，使其向着消除偏差的方向运动，直至偏差减小到零为止。二、 数控机床对位置检测装置的要求不同类型数控机床对检测装置的精度和适应的速度要求是不同的。对大型机床以满足速度要求为主，对中小型机床和高精度机床以满足精度要求为主。检测系统的分辨率要比加工精度高一个数量级。数控机床对检测装置主要有以下几点要求：1、在机床工作台移动范围内，能满足精度和速度的要求。不同类型的数控机床对检测装置的精度和速度要求不一样。通常要求检测元件的分辨度（即检测的最小位移量）在0.0010.01mm之内；从速度上讲，进给速度为030m/min。主轴转速也达到10000r/min，有些甚至更高，因此要求检测装置必须满足数控机床精度和高速度的要求。2、在机床的工作环境中，能可靠地工作，亦即受温度影响小，抗干扰能力强，并能长期保持精度。3、易于实现高速的动态测量和处理，易于实现测量自动化。4、易于与数控系统连接，使用、维护简单、方便。5、成本低、寿命长。三、位置检测装置的分类数控机床常用的位置检测装置的类型很多，由于工作条件和测量要求不同，数控机床常用以下几种测量方式：1、增量测量和绝对值测量增量测量检测的是相对位移量，有多个测量基准，任何一个点都可作为测量基准，每移动一个测量单位就发出一个测量信号。其优点是测量装置比较简单，任何一个对中点都可以作为测量起点。在轮廓控制的数控机床上都采用这种测量方式，典型的测量元件有感应同步器、光栅、磁栅等。缺点是在增量式测量系统中，移距是靠对测量信号计数后读出的，一旦计数有误，此后的测量结果将全错；另外在发生某种事故（如断电、刀具损坏等）时，事故排除后，不能再找到事故前执行部件的正确位置，这是由于这种测量方式没有一个特定的标志。绝对值测量是任一被测量点位置都由一个固定的零点（即坐标原点）作为基准，每一测量点都有一个相应的对零点的测量值。这样就避免了增量检测方式的缺陷。它的被测量的任何一点的位置都由一个固定的零点算起，每一个被测点都有一个相应的测量值。这种测量方式分辨率要求越高，结构也越复杂。2、数字式测量和模拟式测量数字式测量是将被测量以数字形式表示。数字测量输出信号一般是电脉冲，可以把它直接送到数控装置（计算机）进行比较、处理。其典型的检测装置如光栅位移测量装置。数字式测量的特点是：1） 被测量转化成脉冲个数，便于显示和处理。2） 测量精度取决于测量单位，与量程基本无关（当然也有积累误差）。3） 测量装置比较简单，抗干扰能力强。模拟式测量是将被测量用连续的变量（如相位变化、电压幅值变化）来表示的。在数控机床上模拟式测量主要用于小量程的测量，例如感应同步器的一个线距内信号相位变化等。模拟式测量的特点是：1） 直接测量被测量，无须变换。2） 在小量程内可以实现高精度测量，如旋转变压器、感应同步器等。3、直接测量和间接测量直接测量是将检测装置直接安装在执行部件上。测量直线位移量，常用光栅、感应同步器等检测装置。其优点是直接反映工作台的直线位移量，测量精度高。缺点是检测装置要和行程等长，这对大型数控机床是一个很大的限制。间接测量是通过测量测量与工作台直线运动相关联的回转运动间接地测量工作台的直线位移，检测装置常用旋转变压器等。间接测量使用可靠方便，无长度限制，其缺点是测量信号加入了直线运动转变为回转运动的传动链误差，从而影响测量精度。根据伺服系统位置检测的特点，把传感器分为回转型和直线型，回转型用于检测角位移，直线型用于检测直线位移。数控机床中常用的位置检测元器件见如下表。位置检测装置的分类类型数字式模拟式增量式绝对式增量式绝对式回转型 增量式光电脉冲编码器、圆光栅 绝对式光电脉冲编码器旋转变压器、圆形感应同步器、圆形磁尺多极旋转变压器、三速圆形感应同步器直线型计量光栅、激光干涉光栅多通道透射光栅直线型感应同步光栅三速直线型感应同步器、绝对值式磁尺四、常见的位置检测装置1、旋转变压器1）旋转变压器的结构与工作原理 旋转变压器是一种控制用的微电动机，它将机械转角变换成电信号输出。在结构上与两相式异步电动机相似，由定子和转子组成。定子绕组为变压器的初级，转子绕组为变压器的次级，励磁电压接到定子绕组上。旋转变压器结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，抗干扰性强，工作可靠，因此在数控机床上广泛应用。tUUmwsin1=tUUmwsin1=图5-1 旋转变压器工作原理tUUmwSin1=0E10tE1=nUmSintSint=90E1=nUmSint旋转变压器在结构上保证定子和转子之间空气隙内磁通分布符合正弦规律，当励磁电压加到定子绕组上时，通过电磁耦合，绕子、绕组产生感应电动势，如图所示。其输出电压的大小取决于转子的角向位置，即随着转子偏转的角度呈正弦变化。当转子绕组的磁轴与定子绕组的磁轴位置转到一定角度时，转子绕组中感应电动势为：E1=nU1Sin=nUm SintSin式中，n是变压比；U1是定子的输出电压；Um是定子最大瞬时电压。当转子转到两磁轴平行时，即=90时，转子绕组中感应电势最大，应为：E1=nUmSint 2）旋转变压器的应用 旋转变压器通过鉴相式工作方式和鉴幅式工作方式检测装置。a、鉴相式工作方式。旋转变压器定子两相正交绕组分别加上幅值相等、频率相同、相位相差90的正弦式交变电压，在转子绕组中会产生感应电势。转子绕组为两相正交绕组，其中一相作为补偿电枢反应。根据线性叠加原理，在转子工作绕组中感应电势为：Es=nUmSin（t+）式中，是定子正弦绕组轴线与转子工作绕组轴线间的夹角；是励磁角频率。 旋转变压器转子绕组中的感应电动势Es与定子绕组中的励磁电压同频率，但相位差为。测量转子绕组输出电压的相位角，就可测得转子相对于定子的空间转角位置。在实际中，把定子正弦绕组励磁的交流电压相位作为基准相位，确定转子转角的位置。b、鉴幅式工作方式。定子两相绕组电压频率相同，相位相同，幅值分别按正弦、余弦变化。定子励磁电压在转子中产生的感应电势不仅与转子和定子的相对位置机有关，还与励磁的幅值有关，即Es=nUmSin（机-电）式中，机为转子绕组轴线与垂直方向的夹角；电为电气夹角。若电气角电已知，只要测出Es的幅值，就可以间接地求出机值，即可知被测角位移的大小。特殊情况下，当幅值为0时，电气角电的大小就是被测角位移的大小。鉴幅工作方式时，不断调整电使幅值等于0，就可用电代替对机的测量，而电是可以通过电路测量得到的。2、感应同步器 1）感应同步器的结构和工作原理 感应同步器是利用电磁耦合原理，将直线位移或角位移转变为电信号的检测元件。它类似于旋转变压器，相当于一个展开的多极旋转变压器。感应同步器按其运动方式和结构形式的不同，可分为旋转式和直线式两种。感应同步器具有精度高，测量长度不受限制，环境适应性强等优点；其缺点是同步回路中阻抗不对称时对同步精度有影响、感应电势低、阻抗低，必须进行抗干扰设计等。 2）感应同步器的应用 感应同步器作为位置检测元件安装在数控机床上，有两种方式：鉴相检测方式和鉴幅检测方式。 a、鉴相检测方式。在鉴相检测方式下，将滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以幅值相等、频率相同、相位相差90的交流电压，励磁信号将在空间产生一个以为频率的行波。磁场切割定尺导片，并在其中感应出电势，该电势随着定尺与滑尺的位置不同而产生超前或滞后的相位差。根据叠加原理可以直接求出感应电势：Uo=KUmSin（t-）由上式可见，在一个节距内相位差与位移是一一对应的，通过测量定尺感应电势相位差，就可测量出定尺相对滑尺的位移。b、鉴幅检测方式。在鉴幅检测方式下，将滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以幅值相等、频率相同、当幅值不同的交流电压，若滑尺相对定尺移动一个距离X，其对应的相移为机，则在定尺上的感应电势为：Uo=KUmSintSin（机-电）若电气角电已知，只要测出Uo的幅值KUmSin（机-电），就可以求出相移机，相应地得到位移X。3） 感应同步器的特点 a、 精度高感应同步器的极对数多，由于平均效应测量精度要比制造精度高，且输出信号是又定尺和滑尺之间相对移动产生的，中间无机械转换环节，故其精度较高。b、 测量长度不受限制当测量长度大于250mm时，可以采用多块定尺接长。行程为几米到几十米的中大型机床，大多采用直线式感应同步器。c、 对环境的适应性较强因为感应同步器金属基板和铸铁床身的热胀系数相近，当温度变化时，能获得较高的重复精度。另外，它是利用电磁感应产生信号，对尺面防护要求低。d、 使用寿命长，维护简便感应同步器的定尺和滑尺互不接触，因此无任何摩擦、磨损，使用寿命长，不怕灰尘、油污及冲击振动。由于是电磁耦器件，不需要光源、光电元件，不存在元件老化及光学系统故障。e、 抗干扰能力强，工艺性好，成本较低，便于复制和成批生产。3、光栅 1）光栅的结构 光栅通常作为高精度数控机床的位置检测元件，它将机械位移或模拟量转变为数字脉冲，反馈给数控装置，实现闭环位置控制。光栅可以按光线在光栅中是反射还是透射分为反射光栅和透射光栅；还可以按形状分为圆光栅和长光栅。圆光栅用于测量转角位移，长光栅用于测量直线位移。目前，光栅制作精度通过激光技术达到微米级，通过细分电路可以做到0.1微米甚至更高的分辨率。光栅检测装置如上图所示，光栅检测装置主要由光源、聚光镜、标尺光栅（长光栅）、指示光栅（短光栅）、和光敏元件等组成。在实际应用中，常常把光源、指示光栅和光敏元件等组合在一起，将其称为读数头。光栅检测装置还可以看作由读数头和标尺光栅两部分组成。其中读数头是位置信息的检出装置，它与标尺光栅配合产生莫尔条纹，光敏元件通过测量莫尔条纹的变化给出位移的大小和方向。读数头又称为位移一光电变换器。2）光栅的工作原理 如下图所示，当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成小角度时，两光栅尺上线纹相互交叉。在光源的照射下，交叉点附近的区域内黑线重叠，透明区变大，挡光效应最弱，透光的累积使该区域出现在亮带；而距交叉点越远的区域，两光栅不透明，黑线的重叠部分越少，黑线的挡光效应增强，该区域出现暗带，这种明暗相同与光栅线纹几乎垂直的条纹称为莫尔条纹。莫尔条纹具有以下特点：a、 放大作用；b、 平均效应；c、 信息交换作用；d、 光强分布规律。光栅工作原理 4）光栅的应用 a、测量移动部件的位移；b、确定移动部件的方向；c、确定移动的速度。4、磁栅磁栅也叫磁尺，是一种高精度的位置检测装置，它由磁性标尺（简称磁尺）、拾磁磁头（简称磁头）和检测电路组成。磁栅采用拾磁原理工作，首先用拾磁磁头将一定波长的方波或正弦波信号录制在磁性标尺上，然后根据与磁性标尺相对位移的拾磁磁头所拾取的信号，对位移进行检测。磁栅按其结构可分为直线磁栅和圆形磁栅，分别用于直线位移和角度位移的测量。由于磁栅制作简单、安装调整方便、对使用环境的条件要求较低（对周围电磁场的抗干扰能力较强，在油污、粉尘较多的场合下使用有较好的稳定性），因此高精度的磁栅位置检测装置可用于各种测量机精密机床和数控机床。5、编码器光电脉冲编码器是一种常用角位移传感器，属于间接测量元件。它通常与驱动元件电动机同轴连接。光电编码器随着电动机轴旋转，可以连续发出脉冲信号。数控系统通过对该信号的接收、处理和计数，即可得到电动机的旋转角度，从而算出当前工作台的位移。目前，光电脉冲编码器每转可发出数百个至数万个脉冲信号，因此光电脉冲编码器可满足高精度位置检测的需要。脉冲编码器是一种光学式位置检测元件。这种检测元件的特点是检测方式为非接触式，无摩擦和磨损，使用寿命长，驱动力矩小。另外，光电变换器可得到快的响应速度，又由于照相腐蚀技术的提高，可以制造出高分辨率、高精度的光电盘，且成本低，因此得到了广泛的应用，成为数控机床上使用最多的传感器；其缺点是抗污染能力差，容易损坏。参考文献1、实用数控机床技术手册 李富生等 北京：北京出版社 19932、