应用于数控机床方面的传感器

1、应用于数控机床方面的传感器应用于数控机床方面的传感器物理0310361005伍文彬 应用于数控机床方面的传感器应用于数控机床方面的传感器 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：(1)机械制造技术；(2)信息处理、加工、传输技术；(3)自动控制技术；(4)伺服驱动技术；(5)传感器技术；(6)软件技术等。 数控系统和机床的测量系统是现代数控机床的关键部件,尤其是机床的测量系统,它是保证机床高精度的前提条件。而传感器则是测量系统的重要组成部分一、时栅

2、传感器一、时栅传感器 它是由建立相对匀速运动双坐标系(即一个坐标系上的位置之差(位移)表现为另一个坐标系统上观查到的时间之差”)而研制的一种新型位移传感器 新型的智能位移传感器- 时栅传感器,通过将其信号转化为数控系统的标准测量接口信号,实现了用时栅位移传感器代替数控系统中的光栅传感器。由于时栅传感器的性价比远远高于光栅传感器(与同等精度的光栅位移传感器相比,其价格约为光栅的1 /10,从而显著降低了数控系统的成本 它摆脱了以往位移传感器采用高精密机械加工和装配来保证精度的传统思路,而是采用测量时间的方法,用微型计算机技术来实现测量的高精度。最近,中国测试技术研究院参照JJG900“光电轴角编

3、码器检定规程”检定时栅传感器的精度为018。时栅的基本工作原理是通过测量动坐标系上的观察点每次到动测头和定测头时的时间差,来测量位移量(为时间差与匀速V 之积) 。其原理如图1所示。时栅传感器原理图时栅传感器输出信号时栅设计输出信号为三路信号。分别为方向信号D、增量信号P 和零位脉冲信号Z。三信号为标准的TTL电平信号,其体波行如图2 所示。增量信号为离散的脉冲信号,即传感器每80s (时栅旋转磁场周期)输出一组方波信号;方向信号为电平信号,正转时为高电平,反转时为低电平;零位信号为脉冲信号,传感器每转360输出一个脉冲信号。时栅传感器转换接口电路原理图 接口电路中74LS74型D 触发器电路

4、为二分频电路。将其反相输出端.Q接到其D 输入端,当输入信号的第一个上升沿到来时,触发器都将翻转一次,于是在输出端得到的信号频率只有原信号的一半,这样就得到一个对CLK端输入的信号进行二分频的电路;接口电路的其余部分为简单的逻辑电路。 将时栅传感器的方向信号和增量信号接入转换接口电路后,当方向信号D 为高电平时(正转) ,与门4A关闭,与门5A打开,增量信号P通过与门5A和或门6A,与增量信号P的二分频电路异或后生成比增量信号P 的二分频信号(A 相信号)滞后90的同频信号(B 相信号) ,如图4 正转信号所示;当图4反转信号分析方向信号D 为低电平时(反转) ,与门5A 关闭,与门4A打开,

5、增量信号P取反后通过与门4A和或门6A,与增量信号P 的二分频电路(A 相信号)异或后生成比增量信号P二分频信号超前90的同频信号(B 相信号) ,时栅传感器转换接口电路输出反转信号如图所示。从接口输出信号分析可以看出,采用全硬件设计的时栅信号转换电路能够将时栅输出信号采用全硬件设计的时栅信号转换电路能够将时栅输出信号转换化数控系统中定义的测量输入信号转换化数控系统中定义的测量输入信号,再根据数控系统中定义的接口标准为再根据数控系统中定义的接口标准为5 V方波差分信号方波差分信号,将转换接口输出信号设计为差分输出将转换接口输出信号设计为差分输出,与数控系统的测量接口进行与数控系统的测量接口进行

6、匹配即可实现用性价比高的时栅传感器替换光栅传感器匹配即可实现用性价比高的时栅传感器替换光栅传感器。二、高精度定位传感器及其在混联切削二、高精度定位传感器及其在混联切削机器人中的应用机器人中的应用 自动定位高精度传感器自动定位高精度传感器 为了提高切削机器人的工作效率, 一般要求定位精度高, 定位速度快。但定位速度过大, 将会使被定位件产生定位动态误差。对此,本定位传感器本定位传感器由减速信号产生单元、准停信号产生单元、定位由减速信号产生单元、准停信号产生单元、定位失效处理单元组成失效处理单元组成，将其用于混联切削机器人串将其用于混联切削机器人串联部分的单轴回零和并联部分的动平台回零定位。联部分

7、的单轴回零和并联部分的动平台回零定位。从而实现由并联驱动的动平台和串联驱动的工作台快速、精确回零及得到二者精确的位置关系, 实现其自动快速适应混联切削机器人的加工要求。定位传感器结构示意图定位传感器结构示意图减速信号产生单元由触发球等组成; 准停信号产生单元由高精度的准停球等组成;定位失效处理单元由弹性铰等组成。负极电缆接被定位件, 正极电缆接定位传感器 定位原理:计算机进行失效处理, 运动部件反向运动。如下: 由被定位件上负极与定位传感器的正极形成电由被定位件上负极与定位传感器的正极形成电开关开关。当被定位件与触发球接触时当被定位件与触发球接触时, 将减速信号输入将减速信号输入控制器开始以比

8、较大的加速度进行减速控制器开始以比较大的加速度进行减速(同时由减速同时由减速单元磁性元件将触发球经过压缩弹簧拉回单元磁性元件将触发球经过压缩弹簧拉回) , 减速到减速到设定的速度后由控制器产生二次减速信号设定的速度后由控制器产生二次减速信号, 并进行平并进行平稳减速至均匀运动稳减速至均匀运动, 以保证被定位件以恒定低速与准以保证被定位件以恒定低速与准停球接触停球接触, 并且采用电路来消除正负极接触时由于抖并且采用电路来消除正负极接触时由于抖动产生的影响动产生的影响, 从而实现高精度定位的目的从而实现高精度定位的目的。同时考虑到定位失效后损坏定位传感器及其它机器人部件, 加入了失效处理单元。即当

9、定位失效后, 压缩弹性绞产生微小变形, 使弹性铰形成的负极与定位座的正极接触产生失效处理信号并输入定位过程定位过程断开接触器, 由弹簧将减速信号产生单元的触发球弹出到图1 位置, 使之处于等待接触状态, 并同时将负极与被定位件接通, 启动被定位运动部件。当此运动部件接触到触发球时, 则以被定位运动件为负极和触发球为正极的电开关信号接通, 产生大的加速度减速信号, 并将此信号接入计算机的IO 卡, 使计算机控制被定位件以比较大的加速度进行减速。同时接通接触器, 由接触器将触发球拉回来, 则可保证定位时触发球正极与则可保证定位时触发球正极与被定位运动件负极断开被定位运动件负极断开, 为定位信号的产

10、生提供可能为定位信号的产生提供可能(因为触因为触发球和准停球同接正极发球和准停球同接正极, 被定位运动件接负极被定位运动件接负极, 若不断开若不断开, 即即使准停球与被定位件接触使准停球与被定位件接触, 也无法产生定位图也无法产生定位图2定位实验数定位实验数据描述图信号据描述图信号)。当减速到设定的速度后由控制器产生二次减速信号并进行小加速度平稳减速, 减速到设定的恒定低速后以匀速运动。一旦准停球与被定位运动件接触时一旦准停球与被定位运动件接触时, 定位电路立定位电路立刻产生定位信号刻产生定位信号, 通过硬件电路锁定伺服驱动器通过硬件电路锁定伺服驱动器, 同时将此信同时将此信号接入号接入IO板

11、板, 从而实现精确定位。从而实现精确定位。定位实验定位实验定位传感器安装在切削机器人直线定位传感器安装在切削机器人直线移动关节上移动关节上, 并接电源正极并接电源正极, 被定位被定位运动件接电源的负极运动件接电源的负极, 将被定位件接将被定位件接触到触发球与其接触到准停球之间触到触发球与其接触到准停球之间的距离大约定为的距离大约定为5mm 左右。左右。通过计通过计算机自动控制定位算机自动控制定位,采用高精度激光采用高精度激光干涉仪干涉仪(英国英国ML 10) 进行测量进行测量, 重复重复进行进行1 500 次多阶段定位实验次多阶段定位实验。为便于描述, 其中每测100 次取其中定位误差E 最大

12、值的1 次描述在图2 上。由实验知, 此定位传感器的定位误差定位误差在 以下, 作为定位传感器是可行的。m1016串联轴和并联动平台的自动回零及定位串联轴和并联动平台的自动回零及定位以三轴串联(x 轴、y 轴、C 轴) 和三轴并联(z 轴、A 轴、B 轴) 混联切削机器人为例进行说明。工作台的回零定位工作台的回零定位工作台由串联部分驱动, 既有直线移动关节x 轴和y 轴, 又有回转关节C 轴。对于直线移动关节x轴和y 轴可将负极接移动部件移动部件上, 定位传感器定位传感器装在相对静止的部件上; 对于对于回转关节回转关节C 轴轴, 其精度受半径影响其精度受半径影响, 半径越大半径越大, 误差越大

13、。误差越大。故而, 回转关节可将定位传感器安装在回转工作台的外边缘相对静止的零件上, 负极接回转工作台的回转件上 动平台回零定位动平台回零定位并联部分比较复杂, 因为动平台的零位包括z 轴零位和A 、B 轴零位。而动平台的零位精度与三个分支的回零精度和运动误差(含结构参数误差及变形误差) 有关。本文在并联机构的结构参数已经识别和校准的基础上 , 进行动平台的回零定位。 旋转变压器的结构和工作原理 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：电磁感应工作原理：电磁感应 位移传感器位移传感器-

14、旋转变压器定子定子转子转子S S1R1S S2S S3S S4R2R3R4 E2= KV 1 cos = KV m sintcos =90 E 2 = 0 =0 E 2 = KV m SINt式中: E 2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 V1=VmsintV1V1E E 2 2= =0 0（= 90 90） E E 2 2=KV=KVm mSINSINttcoscos E E 2 2= = KVKVm msinsintt（= = 0 0） 1. 鉴相方式传感器

15、Vs=VmsintVc=Vmcost E2= KV m cos- KV csin = KV m (sintcos- costsin) = KV m sin(t-) 旋转变压器的应用 VSVSVsVcE2 图图5.35.3 定子两相绕组励磁定子两相绕组励磁 转子输出信号的相位角转子输出信号的相位角(t-)与转子与转子的偏转角之间有着严格的对应关系。的偏转角之间有着严格的对应关系。2.鉴幅方式传感器Vs=Vmsin电sintVc=Vmcos电sint E2 = KV m cos机- KV csin机 = KV m sint(sin电cos机- cos电sin机) = KV m sin(电-机) s

16、int 旋转变压器的应用 VSVSVsVcE2 图图5.35.3 定子两相绕组励磁定子两相绕组励磁 感应电势（感应电势（E2）是以）是以为角频率、为角频率、以以V Vm m sin(sin(电电 - -机机 ) )为幅值的交变电为幅值的交变电压信号。若电气角压信号。若电气角电电已知，只要测出已知，只要测出E2 幅值幅值( (利用利用E E2 2 = =0)0)，便可间接的求出，便可间接的求出机械角机械角机机 ，从而得出被测角位移。，从而得出被测角位移。 四、物体速度传感器四、物体速度传感器 用光电检测运动物体的速度的传感器用光电检测运动物体的速度的传感器光电检测运动物体的速度（长度）示意图1光

17、源 A 2光敏元件 VDA3运动物体 4光源 B 5光敏元件 VDB6RS触发器 7高频脉冲信号源 8计数器 9显示器 速度传感器原理及过程 当物体自左向右运动时，首先遮断光源 A 的光线，光敏元件 VDA输出低电平，触发 RS触发器，使其置 “1”，与非门打开，高频脉冲可以通过，计数器开始计数。当物体经过设定的 S0距离而遮挡光源 B 时，光敏元件 VDB输出低电平，RS触发器置 “0”，与非门关闭，计数器停止计数。设高频脉冲的频率 f=1MHz，周期 T =1s，计数器所计脉冲数为 n，则可判断出物体通过已知距离 S0所经历的时间为（单位为s），则运动物体的平均速度为： 应用上述原理，还可

18、以测量出运动物体的长度 L五、线切割加工检测断丝的传感器五、线切割加工检测断丝的传感器 在线切割加工中,工具电极由于自身电腐蚀损耗或使用不当等因素,经常会发生断丝现象。 线切割加工检测断丝的传感器：线切割加工检测断丝的传感器：用于线切割机床加工时工具电极断丝状况的检测 国内生产的普及型数控高速走丝线切割机床一般不能做到断丝自动停机,自动化功能比较低,控制方式不完善,影响工件加工质量。随着数控机床加工自动化的深入发展,利用传感器技术检测断丝状况,将传感器检测到的信号送入控制系统处理,经过判别,控制加工过程,已成为数控线切割机床自动化加工的趋势 传感器的原理和使用方法传感器的原理和使用方法 为了使高频信号检测不影响电火花线切割放电性能,检测方式采用电磁感应技术,根据法拉第电磁感应定律,在电磁感应现象中产生的感应电动势大小,跟穿过这一回路的磁通量的变化率 成正比。公式为: 线切割机床采用正极性加工,即脉冲电源的正极接工件,负极接工具,脉冲电源的作用是将工频的交流电流转换成一定频率的单向脉冲电流,以供给电