位置检测装置

1、位置检测装置参考资料：驱动系统与位置检测装置构成位置伺服驱动系统。伺服驱动系统如果离开了高精度的位置检测装置，就满足不了数控机床的要求。位置精度要求不高的数控机床，开环系统即可满足要求，位置精度要求较高时，一般采用闭环系统。位置闭环控制系统采用一个或多个检测装置（常称传感器）测出工作机构的实际位置，并将实际位置输入 系统，和预先给定的理想位置相比较得到一个差值，根据差值， 系统向伺服驱动系统发出相应的控制指令。伺服电机带动工作机构向理想位置趋近，直到差值为零时，工作机构停止动作。可见，位置检测元件是闭环控制系统中的重要组成元件。数控机床全部采用电传感器性质的位置检测元件，即能将被测对象的位置变

2、化量转化成电信号，经数字化处理后再送入计算机。位置检测包括直线位置检测和旋转位置检测。常用的旋转位置检测元件有旋转变压器、光电盘和光电编码器等。常用的直线位置检测元件有光栅、磁尺和感应同步器等。一、旋转变压器工作原理旋转变压器是一种旋转式的交流电机，其工作原理如图所示。图 旋转变压器工作原理旋转变压器由定子和转子组成。定子绕组为变压器的一次侧，转子绕组为变压器的二次侧。旋转变压器二次侧的输出电压随转子转角的位置不同而变化。励磁电压接在变压器的二次侧，励磁频率通常为、或。当励磁电压加在定子绕组上时，通过电磁耦合，在转子绕组中产生感应电动势。转子的位置不同，产生的感应电动势值也不同。转子绕组与定子

3、绕组互相垂直，即转子的偏转角为零时，转子绕组感应电动势为零；转子绕组转到与定子绕组平行时，转子绕组中产生的感应电动势最大。工作特点旋转变压器的输出电压与转子的角位移有固定的正弦或余弦函数关系，只要检测出其输出电压的大小，即可测得转子转过的角度，因此旋转变压器是一种角位移检测装置。一般用于精度要求不高或大型机床的粗测及中测系统。二、光电盘工作原理光电盘结构如图所示，其工作原理如下：图 光电盘结构示意图在码盘的边缘上开有间距相等的透光窄缝隙，在码盘的两侧分别安装光源与光敏元件。当码盘随被测工作轴一起旋转时，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化，使光敏元件的电阻值改变，这样就把光线的明暗变化转变成

4、电信号的强弱变化。然后，经放大、整形处理后，光电盘输出脉冲信号。脉冲的个数等于转过的缝隙数。如果将脉冲信号送到计数器中计数，计数显示就反映了码盘转过的角度。为了判别旋转方向，可在码盘两侧再装一套光电转换装置。两套光电转换装置的相对位置应能保证两者所产生的电信号在相位上相差周期，经辨向逻辑电路处理，可判别旋转方向。工作特点光电盘是一种角位移检测装置，光电盘读数方法测得的角度值都是相对于上一次读数的增量值，而不能反映工作轴的绝对位置，所以还属于一种增量式角位移检测装置。三、光电编码器工作原理光电编码器的结构原理如图（）所示，图（）为其结构图。在图（）中，码盘上有条码道。所谓码道就是码盘上的同心圆。

5、按照二进制分布规律，把每条码道加工成透明和不透明相间的形式。码盘的一侧安装光源，另一侧安装一排径向排列的光电管，每个光电管对准一条码道。当光源照射码盘时，如果是透明区，则光线被光电管接收，并转变成电信号，输出信号为“”；如果是不透明区，光电管不能接收光线，输出信号为“”。被测工作轴带动码盘旋转时，光电管输出的信息即代表了轴的对应位置。工作特点光电编码器是目前使用最广泛的角位移检测装置，码盘采用绝对值编码。码道越多，能分辨的最小角度越小。位二进制码盘能分辨的最小角度为，目前，码盘码道可做到条，能图 光电编码器的结构原理图分辨的最小角度可达到左右。四、光栅尺工作原理光栅尺是利用光的透射、衍射现象制

6、成的光电检测元件，也称光电脉冲发生器。它主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。光栅读数头是由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和检测电路组成的。（） 标尺光栅和指示光栅标尺光栅和指示光栅是刻有均匀密集线纹的透明玻璃片或长条形金属镜面，通常，标尺光栅固定在机床活动部件上（如工作台或丝杠上）。同一光栅检测装置，其标尺光栅和指示光栅的线纹密度必须相等。这些线纹相互平行，线纹之间的距离相等，该间距称为栅距，栅距是决定光栅性质的基本参数。常用的透射光栅尺条纹密度有 条、条、条 和条 四种，某些特殊用途的光栅可达条。图 光栅读数头的组成原理图（） 光栅读数头光栅读数头装在机床的固定部件上（如机床底座上）。图

7、为光栅读数头的组成原理图。当工作台移动时，标尺光栅和光栅读数头产生相对移动。读数头光源采用白炽灯泡，白炽灯泡发出辐射光线，经过透镜后变为平行光束，照射光栅尺。光敏元件接收透过光栅尺的光强信号，并将其转换成相应的电压信号。由于光敏元件产生的电压信号比较微弱，在长距离传递时，很容易被各种干扰信号淹没，造成传递失真，所以，首先应将电压信号进行电压和功率放大。电子细分电路的作用就是对光敏元件输出的信号进行电压和功率放大。（）工作原理以西门子系列交流主轴驱动系统为例进行分析。西门子 系列交流主轴驱动装置由、系列交流主轴电动机与晶体管脉宽调制变频器组成数控机床的主轴驱动系统，可实现主轴自动变速、主轴定位控

8、制和主轴轴进给。图为西门子系列交流主轴驱动装置原理图。图所示为系列主轴驱动系统组成。图 西门子系列交流主轴驱动装置原理图） 电网端逆变器电网端逆变器是由六只晶闸管组成的三相桥式全控整流电路，通过对晶闸管导通角的控制，既可工作在整流方式，向中间电路直接供电，也可工作于逆变方式，完成能量反馈电网的任务。） 控制调节器控制调节器将整流电压从 上调到，并在变流器逆变工作方式时，完成电容器对整流电路的极性变换。） 负载端逆变器负载端逆变器由带反并联续流二极管的 只功率晶体管组成。通过磁场计算机的控制，负载端逆变器输出三相正弦脉宽调制（）电压，使电动机获得所需的转矩电流和励磁电流。输出的三相 电压幅值控制

9、范围为，频率控制范围为。在回馈制动时，电动机能量通过交流器的只续流二极管向电容器充电，当电容器上的电压超过 时，就通过控制调节器和电网端交流器把电容器上的电能经过逆变器回馈给电网。只功率晶体管有个互相独立的驱动级，通过对各功率晶体管的监控，可以防止电动机过载以及对电动机绕组匝间进行短路保护。） 编码器电动机的实际转速是通过装在电动机轴上的编码器进行测量的。） 闭环转速和扭矩控制闭环转速和扭矩控制以及磁场计算机是由两片 位分数处理器（）所组成的控制组件完成的。（） 组件对于大功率的至变频器（输出电流），其功率部件是安装在散热器上的；对于较小功率的系列交流主轴驱动变频器（输出电流），其功率部件是安

10、装在印制线路板上的，如图（）所示，主要组件如下：） 控制模块（） 控制模块（）包括两片，五片。完成电网端逆变器的触发脉冲控制、矢量变换计算以及对变频器进行 调制。） 模块（） 模块（）通过变换器为组件处理各种 模拟信号。） 电源模块（） 电源模块（）和中央控制模块（）除供给控制电路所需的各种电源外，在中央控制模块（）上还输出各种继电器信号至数控系统进行控制。） 选件（） 选件（）配置主轴定位电路板或轴进给控制电路板，通过内装轴端编码器图 系列主轴驱动系统组成用于测速的编码器及电动机温控插座； 风扇接线盒；用于定位的轴端编码器； 主轴电动机三相电源接线盒或外装轴端编码器对主轴进行定位或轴控制。（

11、） 工作特点西门子系列交流主轴驱动系统具备开关速度快、驱动电流小、控制驱动简单、效率高、噪声小、故障率低、有效控制干扰等优点。常用主轴驱动系统介绍（）公司主轴驱动系统从年开始，该公司已使用了交流主轴驱动系统，直流驱动系统已被交流驱动系统所取代。目前三个系列交流主轴电动机为：系列电动机，额定输出功率范围； 系列电动机，额定输出功率范围； 系列电动机，额定输出功率范围。该公司交流主轴驱动系统的特点为： 采用微处理器控制技术，进行矢量计算，从而实现最佳控制。 主电路采用晶体管 逆变器，使电动机电流非常接近正弦波形。 具有主轴定向控制、数字和模拟输入接口等功能。（）公司主轴驱动系统公司生产的直流主轴电

12、动机有、 和四个系列，与上述四个系列电动机配套的、系列驱动装置采用晶闸管控制。世纪年代初期，该公司又推出了和两个系列的交流主轴电动机，功率范围为。驱动装置为系列交流主轴驱动装置或 主轴驱动模块，主电路采用晶体管 变频控制的方式，具有能量再生制动功能。另外，采用微处理器可进行闭环转速、转矩控制及磁场计算，从而完成矢量控制。通过选件可实现 轴进给控制，在不需要 系统的帮助下，实现主轴的定位控制。二、进给驱动系统工作原理数控机床进给驱动系统由各坐标轴的进给驱动装置、位置检测装置及机床进给传动链等组成，进给驱动系统的任务就是要完成各坐标轴的位置控制。 系统根据输入的程序指令及数据，经插补运算后得到位置

13、控制指令，同时，位置检测装置将实际位置检测信号反馈至 系统，构成全闭环或半闭环的位置控制。经位置比较后，数控系统输出速度控制指令至各坐标轴的驱动装置，经速度控制单元伺服驱动电机带动滚珠丝杠传动实现进给运动。常用进给驱动系统介绍（）公司进给驱动系统从年开始， 公司陆续推出了小惯量系列、中惯量 系列和大惯量 系列直流伺服电动机。 公司在世纪年代中期推出了晶体管 控制的交流驱动单元和永磁式交流同步电动机，驱动装置有系列交流驱动单元等，电动机有 系列电动机、 系列电动机、系列电动机和 系列电动机。（）公司进给驱动系统公司在世纪年代推出了 系列永磁式直流伺服电动机，与其配套的速度控制单元有和两个系列，前

14、者采用晶体管 控制，后者采用晶闸管控制。之后，该公司又推出了交流驱动装置，由系列驱动装置和 系列驱动模块、和系列永磁式交流同步电动机组成。三、伺服驱动系统的常见故障分析当伺服驱动系统发生故障时，通常有三种表现形式：一是在 显示器或操作面板上显示报警内容或报警信息；二是在驱动装置上用报警灯或数码管显示驱动装置的故障；三是主轴工作不正常，但无任何报警信息。伺服驱动系统常见故障分析如下：主轴电动机不转（） 主轴电动机故障，需维修或更换；（） 主轴驱动装置故障，需维修或更换；（）系统无速度控制信号输出，需检查接口及系统排除故障；（） 润滑、冷却等主轴的起动条件不满足，需维修或更换油液。主轴驱动出现随机

15、和无规律性的波动（） 外界电磁干扰使主轴转速指令信号或反馈信号受到干扰，需消除电磁干扰源；（） 屏蔽和接地措施不良，需检查并调整；（） 零点漂移，需调整零速平衡和漂移补偿。主轴异常噪声及振动首先要区别异常噪声及振动发生在主轴机械部分还是在电气驱动部分。如为电气驱动部分故障，可能由以下原因导致：（） 交流驱动装置电路故障，需检查电路并维修；（） 主轴驱动装置未调整好，需重新调整；（） 测速装置故障，需维修或更换。主轴定位抖动主轴准停用于刀具交换、精镗退刀及齿轮换挡等场合，有机械准停控制、磁性传感器的电气准停控制及编码器型的准停控制三种实现方式。主轴定位抖动可能由以下原因导致：（） 减速或增益等参数设置不当，需重新设置参数；（） 定位液压缸活塞移动的限位开关失灵，需更换限位开关；（） 发磁体和磁传感器之间的间隙发生变化，需调整间隙；（） 磁传感器失灵，需更换磁传感器。进给运动停止，主轴仍继续运转当进行螺纹切削或用每转进给指令切削时，会出现这样的故障。可能由以下