数控机床的位置检测装置课件

数控机床的位置检测装置*1第一节概述、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。*数字控制机床2一、概述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。*数字控制机床3.位置检测装置的分类按输出信号的形式分类：数字式和模拟式数字式测量信号一般为电脉冲（是一个频率量）；模拟式测量信号为连续变化的物理量。按测量基点的类型分类：增量式和绝对式相对测量：其参考基点是变化的,只测量位移的增量；绝对式测量其被测量的任一点位置均由固定的零点标起。按位置检测元件的运动形式分类：回转型和直线型一、概述*数字控制机床4常用位置检测装置分类表一、概述*数字控制机床5第二节感应同步器位置检测装置感应同步器的结构及分类结构sincos节距2τ（2mm）节距（0.5mm）绝缘粘胶铜箔铝箔耐切削液涂层基板(钢、铜)定尺滑尺*数字控制机床6分类第二节感应同步器位置检测装置*数字控制机床7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。第二节感应同步器位置检测装置*数字控制机床8感应同步器的工作原理第二节感应同步器位置检测装置*数字控制机床9第二节感应同步器位置检测装置感应同步器的工作原理

感应同步器的工作原理与旋转变压器的工作原理相似。当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，感应同步器和旋转变压器就是利用这个特点进行测量的。所不同的是，旋转变压器是定子、转子间的旋转位移，而感应同步器是滑尺和定尺间的直线位移。上图中若向滑尺上的正弦绕组通以交流励磁电压，则在绕组中产生励磁电流，因而绕组周围产生了旋转磁场。这时，如果滑尺处干图中A点位置，即滑尺绕组与定尺绕组完全对应重合，则定尺上的感应电压最大。随着滑尺相对定尺做平行移动．感应电压逐渐减小。当滑尺移动至图中B点位置，与定尺绕组刚好错开1／4行距时，感应电压为零。再继续移至1／2节距处，即A点相同但极性相反)。再移至3／4节距．即图中D点位置时，感应电压有变为零。当移动到一个节距位置即图中E点，又恢复初始状态。*数字控制机床10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=KUScosθ1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（θ1+π/2）=－KUcsinθ1第二节感应同步器位置检测装置*数字控制机床11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=KUScosθ1－KUcsinθ1K—

电磁感应系数

θ1—定尺绕组上的感应电压的相位角第二节感应同步器位置检测装置*数字控制机床12滑尺与定尺相对位移量x的求取：∵2τ:2π=x:θ1∴x=τθ1／π结论：相对位移量x与相位角θ1呈线性关系，只要能测出相位角θ1，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。第二节感应同步器位置检测装置*数字控制机床13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π/2的交变电压：

US=UmsinωtUC=Umcosωt则：Uo

=Uos+Uos=KUScosθ1－KUcsinθ1

=KUmsinωtcosθ1－KUmcosωt

sinθ1

=KUmsin（ωt－θ1）结论：只要能测出Uo与US相位差θ1，就可求得滑尺与定尺相对位移量x。第二节感应同步器位置检测装置*数字控制机床14*数字控制机床15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=Umsinθ2sinωtUC=Umcosθ2sinωt

θ2=πx2／τ（x2是指令位移值）

Uo

=Uos+Uos=KUScosθ1－KUcsinθ1

=KUmsinθ2

cosθ1sinωt－KUmcosθ2sinωtsinθ1=KUmsin（θ2－θ1）sinωt结论：只要能测出Uo与UC相位差θ1，就可求得滑尺与定尺相对位移量x。第二节感应同步器位置检测装置*数字控制机床16几点说明感应同步器的测量周期为其绕组的节距2τ（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感应同步器位置检测装置*数字控制机床17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。第二节感应同步器位置检测装置*数字控制机床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n<10串并联方式n≥10第二节感应同步器位置检测装置*数字控制机床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Umsinθ2、Umcosθ2调制的精确性当失真度大于2%时，将严重影响测量精度。第二节感应同步器位置检测装置*数字控制机床20第三节光栅位置检测装置光栅是一种最常见的测量装置。它的制作工艺是在一块长形玻璃上用真空镀膜的方法镀上一层不透光的金属膜，再涂上一层均匀的感光材料，然后用照相腐蚀法制成等节距的透光和不远光相间的线纹，这些线纹与运动方向垂直，线纹间的距离为栅距，而单位长度上的线纹数目叫线纹密度。光栅种类繁多，一般来讲，可分为物理光栅和计量光栅。物理光栅刻线细且密，节距很小(200一500条/mm)，主要是利用光的衍射现象，物理光栅常用于光谱分析和光波波长测定。而计量光栅较物理光栅刻线稍粗（25、50、100、250条／mm)，主要是利用光的透射和反射现象。由于计量光栅应用了莫尔条纹原理，因而所测的位置精度相当高，有很高的份辨串，很易作到0.1um的分辩率，最高分辨率可达0.025um。另外，计量光栅的读数速率从每秒零到数十万次之高，非常适用于动态测量，因而目前在数控检测系统中得到了广泛的应用。*数字控制机床21第三节光栅位置检测装置一、光栅的结构长光栅G1在机床的移动部件上，称之为标尺光栅，短光栅G2装在机床的固定部件上，称之为指示光栅．两块光栅互相干行并保持一定的间隙，通常为0.05mm或0.1mm。而且两块光栅的刻线密度必须相同。

在实际使用中，大多把光源、指示光栅(短光栅)和光电元件等组合在一起称之为读数头。因此光栅检测装置也可以看成是由读数头和标尺光栅(长光栅)两部分组成。

*数字控制机床22第三节光栅位置检测装置二、光栅原理*数字控制机床23第三节光栅位置检测装置常见光栅的工作原理都是基于物理上的莫尔条纹形成原理。莫尔条纹的形成原因对粗光栅来说，主要是挡光积分效应；对细光栅来说，则是光线通过线纹衍射后，发生干涉的结果。上图是光栅工作的原理图。当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一角度放置两光栅尺时，必然会造成两光栅尺上线纹相互交叉。在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠，透明区域变大，而挡光面积最小，挡光效应最弱，透光的累积使这个区域出现亮带。相反，距交点越远的区域，两光栅不透明的黑线的重叠部分越少，黑线所占据的空间增多．因而挡光面积增大，挡光效应增强，只有较少的光线透过光栅而使这个区域出现暗带。这些与光栅线纹几乎垂直的交替出现的亮、暗极大条纹就是莫尔条纹，莫尔条纹具有以下几个特性：*数字控制机床24第三节光栅位置检测装置1．放大作用若用W表示莫尔条纹的宽度，d表示光栅刻线的栅距，表示两光栅尺线纹的夹角则它们之间的关系为：W=d/sin

由于角很小，则上式可写为W=d/。若取栅距d＝0.01mm，

＝0.01弧度，则上式可得W＝1mm。挡光效应就能把光栅的栅距转换成放大100倍的莫尔条纹的宽度。2．平均效应莫尔条纹是由若干线纹组成的，例如每毫米100条线纹的光栅，10mm宽的莫尔条纹就由1000根线纹组成。这样一来，节距之间所固有的相邻误差就平均化了。3.信息变换作用莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例。当两个光栅相对移动一个栅距d时，莫尔条纹相应地移动一个莫尔条纹宽度W。若光栅往相反方向移动，莫尔条纹也往相反方向移动。4．光强分布规律当用平行光束照射光栅时，就形成明暗相间的莫尔条纹。其由亮纹到暗纹、再由暗纹到亮纹的光强分布近似余弦函数。*数字控制机床25第三节光栅位置检测装置光栅测量系统光栅测量系统由光源、透镜、光栅尺、光敏元件和一系列信号处理电路组成。信号处理电路又包括放大、整形和鉴向倍频。通常情况下，除标尺光栅与工作台装在一起随工作台移动外，光源、透镜、指尔光栅、光敏元件和信号处理电路均装在一个整体内，做成一个单独部件固定在机床上，这个部件称为光栅读数头，其作用是将莫尔条纹的光信号转换成所需的电脉种信号。*数字控制机床26第三节光栅位置检测装置*数字控制机床27第四节脉冲编码器

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。*数字控制机床28.增量脉冲编码器结构及工作原理信号处理装置abz码盘基片透镜光源光敏元件透光狭缝光欄板节距τm+τ/4第四节脉冲编码器*数字控制机床29信号处理装置abz节距τm+τ/4第四节脉冲编码器AaBbZ……z……*数字控制机床30

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。AB90°Z……码盘转一圈第四节脉冲编码器*数字控制机床31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）。ABCP90O第第四节脉冲编码器*数字控制机床32

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。Z……码盘转一圈第四节脉冲编码器*数字控制机床33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：①伺服系统要求的分辨率；②考虑机械传动系统的参数。分辨率（分辨角）α设增量式码盘的规格为n线/转：第四节脉冲编码器*数字控制机床34.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。010111100110011110001001101010111100110111110000000100100011010023222120第四节脉冲编码器*数字控制机床35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：01011110011001111000100110101011110011011111000000010010001101