合工大数控课件05 位置检测装置

1,第四章第三节位置检测装置,POSITIONMEASURINGDEVICES,2,伺服驱动系统（ServoSystem),2,3,4.1概述,位置检测装置：检测位移（线位移或角位移）和速度，反馈至数控装置或伺服驱动器，构成伺服驱动系统闭环或半闭环控制，使工作台按指令路径精确地移动。（1）组成：检测元件（传感器）和信号处理装置。,（2）检测装置的分类,按检测信号分：数字式、模拟式按测量基准分：增量式、绝对式按安装位置关系分：直接测量、间接测量,常见检测装置,4,5,（3）精度：系统精度、分辨率,系统精度：一定范围内测量累积误差最大值。直线位测量精度：0.0020.02m；回转角测量精度：5360系统分辨率：能正确检测的最小位移量。直线位移分辨率：1m，高精度0.1m；回转分辨率：可达2。大型机床：速度为主；中小型机床、高精度机床：精度为主。,数控机床加工精度主要由检测系统精度决定。,6,（4）安装位置,半闭环控制的数控机床旋转变压器、编码器等。安装在电机或丝杠上，测量电机或丝杠的角位移间接测量工作台的直线位移。闭环控制系统的数控机床感应同步器、光栅、磁栅等，安装在工作台和导轨上，直接测量工作台的直线位移。,7,（5）数控机床对检测装置的要求,受温度、湿度影响小，工作可靠，抗干扰能力强在机床移动范围内满足精度和速度要求使用维护方便，适合机床运行环境成本低易于实现高速的动态测量。,8,（1）增量式与绝对式,增量式检测方式功能：测量增量，移动1个测量单位发出1个测量信号。如：测量单位为0.001mm，每移动0.001mm发出1个脉冲信号，对脉冲计数得到位移量。优点：装置较简单，任何一个对中点均可作测量起点；缺点：一旦计数有误，此后测量结果全错；发生故障（如断电、断刀等）时不能找到事故前的位置，须将工作台移至起点重新计数。,增量式检测装置：有脉冲编码器，旋转变压器，感应同步器，光栅，磁栅，激光干涉仪等,9,绝对式检测方式功能：被测量的任一点的位置都以一个固定的零点作基准，每一被测点都有一个相应的对零点的测量值。优点：避免了增量式检测方式的缺陷缺点：结构较复杂。绝对式检测装置：有绝对式脉冲编码器、多圈式绝对编码器等。,10,（2）数字式与模拟式,数字式测量方式以数字形式表示被测量，测量信号一般为脉冲，可直接把它送到数控装置进行比较、处理。特点：便于显示、处理；测量精度取决于测量单位，与量程基本无关（存在累加误差）检测装置简单，脉冲信号抗干扰能力强。,11,模拟式测量方式用连续的变量表示被测量，如用相位变化、电压变化表示。特点：直接对被测量进行检测；在小量程内可以实现高精度测量；可用于直接检测和间接检测。,6.1概述,12,（3）直接测量与间接测量,直接测量用直线式检测装置测直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，构成闭环控制。对机床的直线位移采用直线型检测装置测量。优点：测量精度取决于测量元件的精度，不受机床传动精度的影响。缺点：检测装置要与行程等长，对大型数控机床来说，是一个很大的限制。,13,间接测量检测装置测量只是中间值，再由它推算出与之关联的位移量，作为半闭环伺服系统的位置反馈。对机床的直线位移采用回转型检测装置测量，称为间接测量。优点：使用可靠方便，无长度限制，缺点：检测信号中加入了直线运动转变为旋转运动的传动链误差，影响检测精度。为提高定位精度，常需要对机床的传动误差进行补偿。,14,4.2编码器,编码器：将测量的角位移以编码的形式输出的位置检测装置，属于间接测量的数字式检测装置。输出信号的形式：绝对式、脉冲增量式内部结构和检测方式：接触式、光电式、电磁式。,15,安装方式1）与伺服电机同轴联接，编码器在进给传动链前端；安装方便；2）连在滚珠丝杠末端，包含的传动链误差比前者多，位置控制精度较高。,16,1.增量式光电编码器,（1）结构,17,鼠标中的红外接收管就是光传感器。鼠标移动时，滚球带动x、y方向两个码盘转动，红外管接收到一个个红外线脉冲。计算机分别统计x、y两个方向上的脉冲信号，就能确定鼠标位置。,17,18,（2）原理,将机械转角变成电脉冲,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。,A,B,90,21,输出信号的作用及其处理A、B两相的作用：,根据脉冲数目可测角位移根据脉冲频率可得轴的转速根据A、B两相的相位超前滞后关系可判断被测轴旋转方向,Z相的作用：,Z相为基准脉冲，或称零点脉冲。被测轴的旋转圈数记数信号。,22,后续电路可利用A、B两相的90相位差进行四倍频细分处理，提高分辨率。,23,（3）增量式码盘的规格及分辨率,规格,分辨率,增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数。市场上提供的规格从36线/转到10万线/转都有。最大达1600万线（禁运）。,选择原则,伺服系统要求的分辨率；,考虑机械传动系统的参数。整数原则。,24,2.绝对式光电编码器,每一位置均由唯一对应的编码输出电源切除后位置信息不会丢失数控机床无需执行回参考点操作就能直接提供当前的位置值，没有累积误差,特点：,25,（1）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,26,（2）绝对编码盘的编码方式及其特点,二进制编码：特点：编码循序与位置循序相一致缺点：当数码切换时有多个数位要进行切换，增大了误读的机率。如在1100和1011的交界处，可能会出现二义：11111000导致较大的误差。,27,格雷码（循环码）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优点：最大误差为一个分辨率。,28,格雷码的编码方法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：将二进制码0101转换成对应的格雷码,29,（3）绝对式编码器的规格及分辨率,规格,分辨率,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27道都有。（23道以上禁运）,选择原则伺服系统要求的分辨率；考虑机械传动系统的参数。,30,3.编码器的信号传输方式,（1）传输对象：伺服电机、数控装置（2）传输方式：并行或串行并行传输：每位数据需要一根数据电缆线。特点：仅适用于短距离传输和特殊要求的场合。串行传输：通过一根双绞线实现数据传送，分为单工、半双工和全双工，同步串行通信或异步串行通信。特点：用线少、成本低、传输距离远、数据安全可靠。应用于远距离传输和高精密的场合。,31,高分辨率的脉冲编码器,10万乃至几百万个脉冲的编码器已使用，该类脉冲编码器装置内部应用了微处理器。,数控机床常用编码器：根据丝杠螺距来选用。,32,6.6编码器,滚珠丝杠的导程,系统分辨率,齿轮系统的传动比,脉冲编码器每转的脉冲数（p/r）,33,例：编码器每转2000个脉冲，齿轮系统的传动比为1：4，丝杠导程为8mm，计算该进给伺服系统的分辨率？,34,4.编码器的选择,（1）电源。常用的编码器电源有5V、12V、24V几种类型。（2）机械允许转速。取决于编码器测量系统处理时间、分辨率和结构尺寸，处理时间越短，尺寸越小，机械允许转速越高。（3）分辨率。应根据测量精度要求选择编码器分辨率，综合考虑性价比。（4）输出信号类型。类型决定后续接收电路。（5）使用环境。,35,5.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。,36,根据测量对象分：直线光栅（测量直线位移）和圆光栅（测量角位移）根据用途和材质分：玻璃透射光栅、金属反射光栅。根据刻度方法及信号输出形式分：绝对式光栅和增量式光栅。,光栅：是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测装置，用于测量运动部件的直线位移和角位移。,4.3光栅,1.光栅的种类,37,（1）直线光栅,玻璃透射光栅：在玻璃表面上用真空镀膜法镀一层金属膜，再涂上一层均匀的感光材料，用照相腐蚀法制成透明与不透明间隔相等的线纹。特点：光源可采用垂直入射，光电元件直接接受光信号，因此信号幅度大，读数头结构较简单；一般为100、125、250条/mm，经过电路细分，可做到微米级的分辨率。,38,透射光栅检测装置的结构,39,光栅检测装置基本结构示意图,40,金属反射光栅：在钢尺或不锈钢的镜面上用照相腐蚀法或用钻石刀刻划制成光栅线纹；常用4、10、25、40、50条/mm，分辨率低。特点：标尺光栅的线膨胀系数易于与机床材料一致；标尺光栅的安装和调整较方便；安装面积较小；易于接长或制成整根的钢带长光栅；不易碰碎。,41,反射光栅检测装置的结构,42,直线光栅的结构由标尺光栅和光栅读数头（即指示光栅）两部分组成。光栅读数头中有光源、透镜、扫描光栅、光电池和信号处理电路等。,43,6.4光栅,44,（2）圆光栅在玻璃圆盘外环端面上，做成黑白相间、呈辐射状条纹，相互间夹角（栅距角）相等。圆光栅用来测量角位移。,根据不同使用要求，在圆周上的条纹数不同。一般有3种形式。六十进制，如10800、21600、32400、64800等；十进制，如1000、2500、5000等二进制，如512、1024、2048等,45,（3）绝对式直线光栅尺利用光电转换原理将运动部件位置值以编码形式输出，每个位置均有唯一对应代码输出。有两条刻线轨道增量轨和绝对轨。绝对轨用于确定运动部件位置值信息，条纹一般采用复杂的排列算法，如伪随机编码方式等，以提高数据容量和安全性。增量轨条纹为等距条纹，用于信号细分，提供更高分辨率的信号。精度可达3m/m。,46,（4）增量式直线光栅尺利用光电转换原理将位移的增量值以脉冲形式输出，通过对脉冲计数从而计算出位移值和位置值。有两条刻线轨道增量轨和参考点轨。增量轨条纹进行位移量的计算。参考点轨用于回零操作。,47,2.光栅的工作原理,（1）成像扫描。透射光生成位置测量信号。指示光栅和标尺光栅的光线投射到规则排列的光电池上。当指示光栅和标尺光栅相对运动时，光电池接收到的光强不断变化，产生近似正弦变化的周期电信号。,48,（2）干涉扫描。利用精密光栅的衍射和干涉形成位置测量信号。,49,数字控制及装备技术研究所InstituteofNumericalControlAndEquipmentTechnology,指示光栅与标尺光栅的节距同为w，两块光栅的刻线面平行放置，并将指示光栅在其自身平面内倾斜一个很小的角度，两块光栅的刻线将会相交，当光源照射时，会出现明暗交替相间的间距相等的条纹，称为“莫尔条纹”。,50,光栅尺横向莫尔条纹及其参数，相邻两线纹间的距离称为栅距w，相邻两条亮带或暗带之间的距离2B称为莫尔条纹的节距。,莫尔条纹的特点放大作用,莫尔条纹纹距2B与光栅节距w和倾角之间的关系：,光栅横向移动一个节距w，莫尔条纹正好沿刻线上下移动一个节距2B，用光电元件检测莫尔条纹信号的变化就可以测量光栅的位移。例：当w=0.01mm，=0.01red，则B=1mm，莫尔条纹宽度将栅距放大100倍。,均化误差作用莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，栅距之间的相邻误差被均化。短光栅的工作长度愈长,这一均化误差的作用愈显著。辨向为了辨别运动方向，需配置两个彼此错开1/4纹距的光电元件，使输出电信号彼此在相位上差90，若以其中一个作为参考信号，则另一个信号将超前或滞后参考信号90，由此来确定运动方向。,53,倍频倍频又称为细分，倍频数就是指在莫尔条纹一个周期的范围内，等距离安装的感光元件的数目，从而在一个周期内产生若干个脉冲，达到细分的目的。提高倍频数可以提高光栅的最小读数值，提高分辨率，精密机床的测量常采用高倍频。例：栅距w=0.01mm，4倍频后，最小读数值2.5um；除了4倍频电路外，还有8倍、10倍、20倍频等电路可用于提高光栅检测装置的分辨率。,54,4、特点优点：1）精度高测直线：精度0.5-3um，分辨率0.1um2）易实现动态测量和自动化测量3）较强的抗干扰能力缺点：1）对环境要求高，怕振动，怕油污2）高精度光栅制作成本高,55,4.4旋转变压器,旋转变压器是一种输出电压与角位移量成连续函数关系的感应式微电机检测装置，主要用于半闭环控制的数控机床。优点：结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境条件要求低（特别是高温、高粉尘地方）、输出信号幅度大、抗干扰能力强。缺点：信号处理比较复杂。分类：按有无电刷分：接触式和无接触式两种按极对数分：单对极和多对极,56,1.旋转变压器的结构,与两相绕线式异步电机相似，由定子和转子组成，是一种旋转式的小型交流电机。定子绕组通过固定在壳体上的接线柱直接引出。转子绕组有两种不同的引出方式。根据转子绕组两种不同的引出方式，旋转变压器分为有刷式和无刷式两种结构形式。,57,（1）有刷式旋转变压器转子绕组通过滑环和电刷直接引出。特点：结构简单，体积小缺点：电刷与滑环是机械滑动接触的，所以旋转变压器的可靠性差，寿命也较短。,58,无刷式旋转变压器避免了电刷与滑环之间的不良接触造成的影响，提高了旋转变压器的可靠性及使用寿命，但其体积、质量、成本均有所增加。,（2）无刷式旋转变压器,59,2.旋转变压器工作原理,旋转变压器利用绕组间的互感原理。当定子加上一定频率的激磁电压时，通过电磁耦合，转子绕组产生感应电势，其输出电压的大小取决于定子和转子两个绕组轴线在空间的相对位置。,U2nUmsintsin,60,Um激磁电压幅值n定子绕组与转子绕组匝数比转子偏转角,定子绕组励磁电压：,转子产生感应电势：,61,（1）鉴相工作方式定子的两个绕组通同幅值、频率，但相位差/2的交流激磁电压。U1sUmsintU1cUm（sint+/2）U