数控位置检测装置PPT课件

2020/4/26,.,1,第五章位置检测装置,内容提要：本章将讨论位置检测装置的基本原理及特点。,第五章位置检测装置,2020/4/26,.,2,第一节位置检测装置概述,、概述组成：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。,第五章位置检测装置,2020/4/26,.,3,对检测装置的要求,检测装置（或称检测元器件）是闭环伺服系统的重要组成部分。它的作用是检测位移和速度，发送反馈信号，构成闭环控制。闭环系统的数控机床的加工精度主要取决于检测系统的精度。位移检测系统能够测量出的最小位移量称为分辨率。分辨率不仅取决于检测装置本身，也取决于测量线路。,第一节位置检测装置概述,第五章位置检测装置,2020/4/26,.,4,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。,第五章位置检测装置,第一节位置检测装置概述,2020/4/26,.,5,.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,第五章位置检测装置,第一节位置检测装置概述,2020/4/26,.,6,常用位置检测装置分类表,第五章位置检测装置,第一节位置检测装置概述,2020/4/26,.,7,第二节感应同步器,1、感应同步器的结构及分类结构,sin,cos,节距2（2mm）,节距（0.5mm）,定尺,滑尺,第五章位置检测装置,2020/4/26,.,8,分类,第五章位置检测装置,第二节感应同步器,2020/4/26,.,9,2、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。,第五章位置检测装置,第二节感应同步器,2020/4/26,.,10,感应同步器的工作原理,第五章位置检测装置,U0,U0,1,定尺,滑尺,第二节感应同步器,2020/4/26,.,11,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=KUScos1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）=KUcsin1,第五章位置检测装置,第二节感应同步器,2020/4/26,.,12,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=KUScos1KUcsin1K电磁感应系数1定尺绕组上的感应电压的相位角,第二节感应同步器,第五章位置检测装置,2020/4/26,.,13,滑尺与定尺相对位移量x的求取：2:2=x:1x=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。,第五章位置检测装置,第二节感应同步器,2020/4/26,.,14,3、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=UmsintUC=Umcost则：Uo=Uos+Uos=KUScos1KUcsin1=KUmsintcos1KUmcostsin1=KUmsin（t1）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。,第五章位置检测装置,第二节感应同步器,2020/4/26,.,15,4、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=Umsin2sintUC=Umcos2sint2=x2（x2是指令位移值）Uo=Uos+Uos=KUScos1KUcsin1=KUmsin2cos1sintKUmcos2sintsin1=KUmsin（21）sint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。,第五章位置检测装置,第二节感应同步器,2020/4/26,.,16,5、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。,第五章位置检测装置,第二节感应同步器,2020/4/26,.,17,6、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。,第五章位置检测装置,第二节感应同步器,2020/4/26,.,18,测量距离长：通过接长可满足大行程测量的要求。,串联方式n10,串并联方式n10,第五章位置检测装置,第二节感应同步器,2020/4/26,.,19,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Umsin2、Umcos2调制的精确性当失真度大于2%时，将严重影响测量精度。,第五章位置检测装置,第二节感应同步器,2020/4/26,.,20,第三节脉冲编码器,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。,第五章位置检测装置,2020/4/26,.,21,脉冲编码器的外形,2020/4/26,.,22,.增量脉冲编码器,结构及工作原理,第五章位置检测装置,第三节脉冲编码器,2020/4/26,.,23,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。,第五章位置检测装置,第三节脉冲编码器,2020/4/26,.,24,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）。,第五章位置检测装置,第三节脉冲编码器,2020/4/26,.,25,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。,第五章位置检测装置,第三节脉冲编码器,2020/4/26,.,26,2020/4/26,.,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：,第五章位置检测装置,第三节脉冲编码器,2020/4/26,.,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。,第五章位置检测装置,第三节脉冲编码器,2020/4/26,.,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：,1111,1000,第五章位置检测装置,第三节脉冲编码器,2020/4/26,.,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。,第五章位置检测装置,第三节脉冲编码器,2020/4/26,.,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：,第五章位置检测装置,第三节脉冲编码器,2020/4/26,.,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：,第五章位置检测装置,第三节脉冲编码器,2020/4/26,.,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。,第五章位置检测装置,第三节脉冲编码器,2020/4/26,.,34,第四节旋转变压器,旋转变压器又称同步分解器(Resolver)，它是通过检测电动机旋转角度间接地测量工作台的直线移动。旋转变压器的测量精度较低。,第五章位置检测装置,2020/4/26,.,35,1、结构旋转变压器的结构与绕线式异步电动机相似，由定子和转子组成，可分为有刷和无刷两种。有刷结构中，定子和转子均为两组交流绕组，绕组轴线相互垂直，转子绕组的端点通过电刷和滑环引出。无刷旋转变压器没有电刷和滑环，由两部分组成：一部分称其为分解器，其结构与有刷旋转变压器相同；另一部分称为变压器，用于取代电刷与滑环，其一次绕组与分解器的转子轴固定一起，与转子一起旋转，分解器转子输出信号即接在一次绕组上，其二次绕组与分解器的定子一样固定在旋转变压器的外壳体上。,第四节旋转变压器,一、旋转变压器的结构与工作原理,第五章位置检测装置,2020/4/26,.,36,无刷旋转变压器结构1一壳体；2一转子轴；3一旋转变压器定子；4一旋转变压器转子；5一变压器定子；6一变压器转子；7一变压器一次绕组；8一变压器二次绕组,第五章位置检测装置,2020/4/26,.,37,2020/4/26,.,38,工作时，分解器的定子线圈外加交流励磁电压（如3kHZ），转子线圈即耦合出与转角相关的交流电压信号，此信号接在变压器的一次绕组上，经耦合由变压器的二次绕组输出。无刷旋转变压器具有可靠性高，寿命长，无需维修等特点。,第四节旋转变压器,1、旋转变压器的结构与工作原理,第五章位置检测装置,2020/4/26,.,39,正余弦旋转变压器如果在旋转变压器的定子上设置两组互相垂直的绕组，见图，当励磁线圈用两个相位差为90度的电压供电时，应用叠加原理，在转子绕组（通常为两组互相垂直的绕组，其中一个用于补偿电枢反应）中产生的感应电动势e1为定子两绕组在其中的感应电动势和，这种旋转变压器称为正余弦旋转变压器。例:10KHZ、10KHZ；COS-、COS+；SIN0-、SIN+,第四节旋转变压器,第五章位置检测装置,2020/4/26,.,40,第四节旋转变压器,第五章位置检测装置,2020/4/26,.,41,旋转变压器定子、转子典型位置的感应电动势,2020/4/26,.,42,2020/4/26,.,43,Specifications:Encodersvs.Resolvers,2020/4/26,.,44,2020/4/26,.,45,2020/4/26,.,46,第五节光栅尺,光栅尺是一种直线位移传感器，在数控机床上属直接测量，用于直接测量工作台的移动。采用光栅尺构成的全闭环位置控制可以补偿传动链上的误差。光栅分透射光栅与反射光栅两类，透射光栅是在透明的光学玻璃板上，刻制平行且等距的密集线纹，利用光的透射现象形成光栅。反射光栅一般是在不透明的金属材料（如不锈钢板或铝板）上刻制平行等距的密集线纹，利用光的全反射或漫反射形成光栅。,第五章位置检测装置,2020/4/26,.,47,第五节光栅尺,透射光栅采用光线垂直入射，光电元件直接接受光信号，因此信号幅度大，结构简单，可达每毫米100或更多条纹线数