教学用机床位置传感器PPT课件

2020/5/14,.,1,第四章机床位置传感器,内容提要5.1概述5.2光栅位移传感器5.3脉冲发生器5.4感应同步器5.5其他位置检测元件,第五章机床位置传感器,2020/5/14,.,2,5.1.1常用位置检测装置分类表,第二节位置检测装置,5.1概述,2020/5/14,.,3,5.1.2检测系统的基本要求,精度、灵敏度、分辨率高；线性、稳定性和重复性好；抗干扰能力强；静、动态特性好。此外，要求体积小、质量轻、价格便宜、便于安装与维修，耐环境性能好等。,2020/5/14,.,4,5.1.3传感器特性,静态特性：线性度：传感器实际特性曲线与拟合直线之间的偏差；灵敏度：输出变化对输入变化的比值；迟滞性：在正反行程期间输入输出特性曲线不重合程度；重复性：输入量按同一方向多次测试时所得特性曲线的不重合程度；动态特性：传递函数、时间响应函数、频率响应函数、脉冲响应函数。,2020/5/14,.,5,5.2.1光栅位移传感器的组成,5.2光栅位移传感器,圆光栅的结构: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和指示光栅栅距和栅距角（两个光栅错开的角度）,2020/5/14,.,6,5.2.1光栅位移传感器的组成,2020/5/14,.,7,5.2.1光栅位移传感器的组成,2020/5/14,.,8,5.2.1光栅位移传感器的工作原理,2.工作原理（以透射投影为例）,当光栅移动一个栅距，莫尔条纹经历了一个周期。硅光电池输出电压u的变化规律:,2020/5/14,.,9,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间距。由于光的衍射与干涉作用，莫尔条纹的变化规律近似正（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P、栅线夹角之间关系：由图可知W=P/sin又很小可认为sin故W=P/例如P=0.01,=0.01rad,得W=1mm,放大100（3）均化栅距误差作用:莫尔条纹是由若干光栅线纹干涉形成的，这样栅距之间的相邻误差被平均化了，消除了栅距不均匀造成的误差。,长光栅检测装置的结构,2020/5/14,.,10,莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例。当干涉条纹移动一个栅距时，莫尔条纹也移动一个莫尔条纹宽度W，若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动的方向也相反。莫尔条纹的移动方向与光栅移动方向相垂直。这样测量光栅水平方向移动的微小距离就用检测垂直方向的宽大的莫尔条纹的变化代替。,2020/5/14,.,11,直线光栅尺检测装置的辩向原理用一个光电传感器只能进行计数，不能辩向。要进行辩向，至少用两个光电传感器。如图所示为光栅传感器的安装示意图。通过两个狭缝S1和S2的光束分别被两个光电传感器P1、P2接受。当光栅移动时，莫尔条纹通过两个狭缝的时间不同，波形相同，相位差90。至于哪个超前，决定于标尺光栅移动的方向。,2020/5/14,.,12,2020/5/14,.,13,2020/5/14,.,14,提高光栅检测分辨精度的细分电路为了提高精度和降低成本，通常采用倍频的方法来提高光栅的分辨精度，如图所示为采用四倍频方案的光栅检测电路的工作原理。光栅刻线密度为50线/mm，采用4个光电元件和4个狭缝，每隔1/4光栅节距产生一个脉冲，分辨精度可以提高四倍，并且可以辩向。,2020/5/14,.,15,2020/5/14,.,16,2020/5/14,.,17,莫尔条纹的细分技术：光学细分、机械细分和电子细分,光栅位移-数字变换电路,2020/5/14,.,18,光栅位移传感器的安装,安装时可以将主尺安装在工作台上，读数头安装在机床座上；也可以将读数头安装在工作台上，主尺安装在机床座上,安装时要考虑铁霄和润滑油的飞溅方向，尽可能用主尺挡住之。,2020/5/14,.,19,安装时要保证主尺与读数头的平行度0.2mm,主尺与读数头之间的间距1.5mm,2020/5/14,.,20,编码器（脉冲发生器）,它是一种直接用数字代码表示角位移及线位移的检测器；分为回转型和直线型。,2020/5/14,.,21,2020/5/14,.,22,2020/5/14,.,23,2020/5/14,.,24,2020/5/14,.,25,葛莱二进制码盘,N表示码盘的码道数，即二进制的位数，则分辨率为,2020/5/14,.,26,2020/5/14,.,27,.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。,第二节位置检测装置,2020/5/14,.,28,.增量脉冲编码器,结构及工作原理,第二节位置检测装置,.脉冲编码器,2020/5/14,.,29,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。,第二节位置检测装置,.脉冲编码器,2020/5/14,.,30,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）。,第二节位置检测装置,.脉冲编码器,2020/5/14,.,31,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。,.脉冲编码器,第二节位置检测装置,2020/5/14,.,32,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：,第二节位置检测装置,.脉冲编码器,2020/5/14,.,33,.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。,.脉冲编码器,第二节位置检测装置,2020/5/14,.,34,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,第二节位置检测装置,.脉冲编码器,2020/5/14,.,35,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。,第二节位置检测装置,.脉冲编码器,2020/5/14,.,36,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,2020/5/14,.,37,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：,.脉冲编码器,第二节位置检测装置,2020/5/14,.,38,.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。,第二节位置检测装置,.脉冲编码器,2020/5/14,.,39,.感应同步器,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,第二节位置检测装置,2020/5/14,.,40,分类,第二节位置检测装置,5.4感应同步器,2020/5/14,.,41,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。,第二节位置检测装置,.感应同步器,2020/5/14,.,42,感应同步器的工作原理,第二节位置检测装置,U0,U0,1,定尺,滑尺,.感应同步器,2020/5/14,.,43,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,第二节位置检测装置,.感应同步器,2020/5/14,.,44,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,第二节位置检测装置,.感应同步器,2020/5/14,.,45,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。,第二节位置检测装置,.感应同步器,2020/5/14,.,46,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。,第二节位置检测装置,.感应同步器,2020/5/14,.,47,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。,第二节位置检测装置,.感应同步器,x=1,2020/5/14,.,48,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,第二节位置检测装置,.感应同步器,2020/5/14,.,49,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。,.感应同步器,第二节位置检测装置,2020/5/14,.,50,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,第二节位置检测装置,.感应同步器,2020/5/14,.,51,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。,第二节位置检测装置,.感应同步器,2020/5/14,.,52,2020/5/14,.,53,旋转变压器,（1）旋转变压器的结构,2020/5/14,.,54,旋转变压器（Resolver）简称旋变，又称作解算器或分解器。分类：有电刷、集电环结构和无刷结构单对极元件、多对极元件（或称多极元件）工作原理：电磁感应,旋转变压器的结构和工作原理,2020/5/14,.,55,E2=KV1cos=KVmsintcos=90E2=0=0E2=KVmSINt式中:E2转子绕组感应电势；V1定子绕组励磁电压V1=Vmsint；Vm电压信号幅值；定、转子绕组轴线间夹角；K变压比（即绕组匝数比）,旋转变压器的结构和工作原理,2020/5/14,.,56,1.鉴相方式Vs=VmsintVc=VmcostE2=KVmcos-KVcsin=KVm(sintcos-costsin)=KVmsin(t-),旋转变压器的应用,VS,VS,Vs,转子输出信号的相位角(t-)与转子的偏转角之间有着严格的对应关系。,2020/5/14,.,57,2.鉴幅方式Vs=Vmsin电sintVc=Vmcos电sintE2=KVmcos机-KVcsin机=KVmsint(sin电cos机-cos电sin机=KVmsin(电-机)sint,旋转变压器的应用,VS,VS,Vs,Vc,E2,图2.3定子两相绕组励磁,感应电势（E2）是以为角频率、以Vmsin(电-机)为幅值的交