位置检测装置PPT课件

1、第四章位置检测装置,-,2,4.1位置检测装置概述,一、位置检测装置的要求,位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环、半闭环控制系统中，它的主要作用是检测位移和速度，并发出反馈信号，构成闭环或半闭环控制。,（1）工作可靠，抗干扰能力强；（2）满足精度和速度的要求；（3）易于安装，维护方便，适应机床工作环境；（4）成本低。,-,3,4.1位置检测装置概述,二、位置检测装置的分类,（一）直接测量和间接测量1.直接测量直接测量是将直线型检测装置安装在移动部件上，用来直接测量工作台的直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，而构成位置闭环控制。其优点是准确性高、可靠性好，缺点是测量装置要和工作台

2、行程等长，所以在大型数控机床上受到一定限制。2.间接测量它是将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。优点是测量方便、无长度限制。缺点是测量信号中增加了由回转运动转变为直线运动的传动链误差，从而影响了测量精度。,-,4,4.1位置检测装置概述,二、位置检测装置的分类,（二）增量式测量和绝对式测量1.增量式测量在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式，增量式测量只测相对位移量，如测量单位为0.001mm，则每移动0.001mm就发出一个脉冲信号，其优点是测量装置较简单，任何一个对中点都可以作为测量的起点，而移

3、距是由测量信号计数累加所得，但一旦计数有误，以后测量所得结果完全错误。2.绝对式测量绝对式测量装置对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标起，每一个被测点都有一个相应的测量值。测量装置的结构较增量式复杂，如编码盘中，对应于码盘的每一个角度位置便有一组二进制位数。显然，分辨精度要求愈高，量程愈大，则所要求的二进制位数也愈多，结构就愈复杂。,-,5,4.1位置检测装置概述,二、位置检测装置的分类,（三）数字式测量和模拟式测量1.数字式测量它是将被测的量以数字形式来表示，测量信号一般为脉冲，可以直接把它送到数控装置进行比较、处理。信号抗干扰能力强、处理简单。2.模拟量测量它是将被测的量用连续变量来表

4、示，如电压变化、相位变化等。它对信号处理的方法相对来说比较复杂。,-,6,4.2旋转变压器,旋转变压器是一种角位移测量装置，由定子和转子组成。旋转变压器的工作原理与普通变压器基本相似，其中定子绕组作为变压器的一次侧，接受励磁电压。转子绕组作为变压器的二次侧，通过电磁耦合得到感应电压，只是其输出电压大小与转子位置有关。旋转变压器通过测量电动机或被测轴的转角来间接测量工作台的位移。旋转变压器分为单极和多极形式。,一、结构与工作原理,-,7,旋转变压器工作原理,式中K变压比（即绕组匝数比）；Vm励磁信号的幅值；励磁信号角频率；旋转变压器转角。,4.2旋转变压器,一、结构与工作原理,-,8,实际使用时

5、通常采用多极形式，如正余弦旋转变压器，其定子和转子均由两个匝数相等，轴线相互垂直的绕组构成，如图4-2所示。一个转子绕组接高阻抗作为补偿，另一个转子绕组作为输出，应用叠加原理，其磁通为转子输出电压则为,4.2旋转变压器,一、结构与工作原理,定子,VS,VC,转子,V2,-,9,旋转变压器作为位置检测装置，有两种典型工作方式，鉴相式和鉴幅式。鉴相式是根据感应输出电压的相位来检测位移量；鉴幅式是根据感应输出电压的幅值来检测位移量。1.鉴相工作方式给定子两绕组分别通以幅值相同、频率相同、相位差900的交流励磁电压，即这两个励磁电压在转子绕组中都产生了感应电压，根据线性叠加原理，转子中的感应电压应为这

6、两个电压的代数和：（4-1）,二、工作方式,-,10,假如，转子逆向转动，可得(4-2)由式(4-1)和(4-2)可见，转子输出电压的相位角和转子的偏转角之间有严格的对应关系，这样，只要检测出转子输出电压的相位角，就可知道转子的转角。由于旋转变压器的转子和被测轴连接在一起，所以，被测轴的角位移就知道了。,二、工作方式,-,11,2.鉴幅工作方式给定子的两个绕组分别通以频率相同、相位相同、幅值分别按正弦和余弦变化的交流激磁电压，即式中激磁绕组中的电气角。则转子上的叠加电压为,-,12,同理，如果转子逆向转动，可得由上两式可见，转子感应电压的幅值随转子的偏转角而变化，测量出幅值即可求得转角。如果将

7、旋转变压器装在数控机床的滚珠丝杠上，当角从00到3600时，丝杠上的螺母带动工作台移动了一个导程，间接测量了执行部件的直线位移。测量所走过的行程时，可加一个计数器，累计所转的转数，折算成位移总长度。,二、工作方式,-,13,4.3感应同步器,一、结构及工作原理,感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置，属模拟式测量，二者工作原理相同，其输出电压随被测直线位移或角位移而改变。感应同步器按其结构特点一般分为直线式和旋转式两种：直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量。旋转式感应同步器由转子和定子组成，用于角位移测量。,-,14,4.3感应同步器,一、结构及工作原理,感应同步器和旋转变压器

8、均为电磁式检测装置，属模拟式测量，二者工作原理相同，其输出电压随被测直线位移或角位移而改变。感应同步器按其结构特点一般分为直线式和旋转式两种：直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量。旋转式感应同步器由转子和定子组成，用于角位移测量。,-,15,U2定尺滑尺正弦绕组UsUc余弦绕组直线感应同步器结构,-,16,直线感应同步器相当于一个展开的多极旋转变压器，其结构如图下图所示，定尺和滑尺的基板采用与机床热膨胀系数相近的钢板制成，钢板上用绝缘粘结剂贴有铜箔，并利用腐蚀的办法做成图示的印刷绕组。长尺叫定尺，安装在机床床身上，短尺为滑尺，安装于移动部件上，两者平行放置，保持0.250.05m

9、m间隙。感应同步器两个单元绕组之间的距离为节距，是衡量感应同步器精度的主要参数。标准感应同步器定尺长250mm，滑尺长100mm，节距为2mm。定尺上是单向、均匀、连续的感应绕组，滑尺有两组绕组，一组为正弦绕组，另一为余弦绕组。当正弦绕组与定尺绕组对齐时，余弦绕组与定尺绕组相差1/4节距。,-,17,当滑尺任意一绕组加交流激磁电压时，由于电磁感应作用，在定尺绕组中必然产生感应电压，该感应电压取决于滑尺和定尺的相对位置。当只给滑尺上正弦绕组加励磁电压时，定尺感应电压与定、滑尺的相对位置关系如下图所示。如果滑尺处于A位置，即滑尺绕组与定尺绕组完全对应重合，定尺绕组线圈中穿入的磁通最多，则定尺上的感

10、应电压最大。随着滑尺相对定尺做平行移动，穿入定尺的磁通逐渐减少，感应电压逐渐减小。当滑尺移到图中B点位置，与定尺绕组刚好错开1/4节距时，感应电压为零。再移动至1/2节距处，即图中C点位置时，定尺线圈中穿出的磁通最多，感应电压最大，但极性相反。再移至3/4节距，即图中D点位置时，感应电压又变为零，当移动一个节距位置如图中E点，又恢复到初始状态，与A点相同。显然，在定尺移动一个节距的过程中，感应电压近似于余弦函数变化了一个周期，如图中ABCDE。,-,18,感应电压幅值与定尺滑尺相对位置关系,-,19,若设定尺绕组节距为2，它对应的感应电压以余弦函数变化，当滑尺移动距离为x时，则对应感应电压以余

11、弦函数变化相位角。由比例关系可得设表示滑尺上一相绕组的激磁电压则定尺绕组感应电压为式中K耦合系数；激磁电压的幅值；激磁电压的角频率；与位移对应的角度。,-,20,感应电压的幅值变化规律就是一个周期性的余弦曲线。在一个周期内，感应电压的某一幅值对应两个位移点，如图2中M、N两点。为确定唯一位移，在滑尺上与正弦绕组错开1/4节距处，配置了余弦绕组。同样，若在滑尺的余弦绕组中通以交流励磁电压，也能得出定尺绕组感应电压与两尺相对位移的关系曲线，它们之间为正弦函数关系(图2中OP)。若滑尺上的正、余弦绕组同时励磁，就可以分辨出感应电压值所对应的唯一确定的位移。二、应用感应同步器作为位置测量装置安装在数控

12、机床上，它也有两种工作方式，鉴相式和鉴幅式。,-,21,1.鉴相型系统供给滑尺的正、余弦绕组的激磁信号是频率、幅值相同，相位相差900的交流励磁电压根据叠加原理，定尺上的总感应电压为通过鉴别定尺感应输出电压的相位，即可测量定尺和滑尺之间的相对位移。例如定尺感应输出电压与滑尺励磁电压之间的相位差为3.60，当节距为2mm情况下，表明滑尺移动了0.02mm。,-,22,滑尺定尺机床VsVc+x-x图3感应同步器鉴相测量系统框图,-,23,鉴相式伺服系统利用相位比较原理进行工作。当数控装置要求工作台沿一个方向位移时，产生一列进给脉冲，经脉冲调相器的调相分频通道转化为相位变化信号1，它作为指令信号送入

13、鉴相器；测量装置及信号处理电路的作用是将工作台的位移量检测出来，并表达成与基准信号之间的相位差2，也被送入鉴相器。这两路信号都用它们与基准信号之间的相位差表示，且同频率、同周期。因此，它们两者之间的相位差为12。鉴相器的作用就是鉴别出这两个信号的相位差，并以与此相位差信号成正比的电压信号输出。如果相位差不为零，说明工作台实际移动的距离不等于指令信号要求工作台移动的距离，鉴相器检测出的相位差，经放大后，送入速度控制单元，驱动电机带动工作台向减少误差的方向移动。若相位差为零，则表示感应同步器的实际位置与给定指令位置相同，鉴相器输出电压为零，工作台停止移动。,-,24,2.鉴幅式系统供给滑尺上正、余

14、弦绕组的励磁电压的频率相同、相位相同但幅值不同。式中1给定的电气角。则在定尺绕组产生的总感应电压为式中与位移对应的角度。,-,25,鉴幅式伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此作为位置反馈信号与指令信号进行比较构成闭环伺服系统。由上可知，若电气角1已知，只要测出U2的幅值，便能求出与位移对应的角度。实际测量时，不断调整，让幅值为零。设初始位置时，1=，U20，当滑尺相对定尺移动后，随着不断增加，1，U20。若逐渐改变值，直至1=，U20，此时1的变化量就代表了对应的位移量，就可测得机械位移。,-,26,光栅种类较多。根据光线在光栅中是透射还是反射分为透射光栅和反射光栅，

15、透射光栅分辨率较反射光栅高，其检测精度可达1m以上。从形状上看，又可分为圆光栅和直线光栅。圆光栅用于测量转角位移，直线光栅用于检测直线位移。直线光栅通常包括一长和一短两块配套使用，其中长的称为标尺光栅或长光栅，一般固定在机床移动部件上，要求与行程等长。短的为指示光栅或短光栅，装在机床固定部件上。两光栅尺是刻有均匀密集线纹的透明玻璃片，线纹密度为25、50、100、250条/mm等。线纹之间距离相等，该间距称为栅距，测量时它们相互平行放置，并保持0.050.1mm的间隙。,4.4光栅,一、结构及工作原理,-,27,当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一小角度放置时，两光栅尺上线纹互相交叉。在光

16、源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠，形成黑色条纹，其它部分为明亮条纹，这种明暗相间的条纹称为莫尔条纹。莫尔条纹与光栅线纹几乎成垂直方向排列。严格地说，是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。莫尔条纹具有如下特点：,-,28,1.放大作用用W（mm）表示莫尔条纹的宽度，(mm)表示栅距，(rad)为光栅线纹之间的夹角，则有莫尔条纹宽度W与角成反比，越小，放大倍数越大。2.莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例当光栅尺移动一个栅距时，莫尔条纹也刚好移动了一个条纹宽度W。只要通过光电元件测出莫尔条纹的数目，就可知道光栅移动了多少个栅距，工作台移动的距离可以计算出来。若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动方向

17、也相反。,-,29,若标尺光栅不动，将指示光栅转一很小的角度，两者移动方向及光栅夹角关系如表所示。因莫尔条纹移动方向与光栅移动方向垂直，可用检测垂直方向宽大的莫尔条纹代替光栅水平方向移动的微小距离。莫尔条纹移动方向与光栅移动方向及光栅夹角的关系,-,30,P,标尺光栅,莫尔条纹,-,31,图5-19光栅测量系统,-,32,分光读数头原理图,玻璃透射光栅示意图,反射射读数头工作原理图,在光栅测系统中，通常把光源、指示光栅和光电元件组合在一起，称为读数头。读数头的结构形式很多，但就其光路来看可以分为分光读数头、垂直入射读数头和反射读数头。,1、分光读数头光源Q发出的光，经过透镜L1变成平行光，照射

18、到标尺光栅G1和指示光栅G2上，由透镜L2把在指示光栅G2上形成的莫尔条纹聚焦，由安装在焦面上光电元件P来接收莫尔条纹的明暗变化。这种光学系统是莫尔条纹光学系统的基本型。这种分读数头，刻线截面为锯齿形，其倾角Q是根据光栅材料的折射率与入射光的波长确定。,2、垂直入射读数头从光源Q经透镜L使光束垂直照射到标尺光栅G1，然后通过指示光栅G2由光电元件P接收。两块光栅的距离t是根据有效光波的波长和栅距来选择，即t=2/。这种读数头主要应用于每毫米25125线的玻璃透射光栅系统。,3、反射读数头经透镜L1将光源Q变成平行光，并以对光栅法面为的入射角（一般为30）投影到指示光栅G1的反射面上。反射回来的

19、光束先通过指示光栅G2形成莫尔条纹，然后经透镜L2由光电元件P接收信号。这种读数头主要用于每毫米2550线以下的反射系统。,三光栅测量系统,-,33,磁性标尺装置是将具有一定节距的磁化信号用记录磁头记录在标尺上的磁膜上，用它作为测量基准。磁栅安装调整方便，对使用环境的条件要求较低，地周围电磁场的抗干扰能力较强，在油污、粉尘较多的场合下使用有较好的稳定性。磁栅测量装置由磁性标尺、读取磁头和检测电路等三部分构成。1.磁性标尺磁性标尺是在非导磁材料基体上涂敷或镀上一层很薄的磁膜之后录磁。2.磁头磁头是关键部件，作用是进行磁电转换的变换器。,磁性标尺,速度响应型磁头工作原理图,4.5磁栅,-,34,磁

20、通响应型磁头工作原理图,左图是磁通响应型磁头的构造原理图。,它相当于在速度响应磁头的铁心回路中，加入了带有激磁线圈的可饱和铁心，当激磁线圈上通入高频激磁电源后，在读取线圈上输出载波频率为高频激磁电流频率二倍频率的调制信号。其输出电压为：,由此可见，输出电压由磁头在磁性标尺上的位置所决定，而与磁头和磁性标尺之间的相对速度无关，所以在低速甚至在静止时也能检测出磁性标尺上的磁化信号。,由于输出信号电压很小（几毫伏至十几毫伏），如果用一个磁头读取磁性标尺上的磁化信号是很难实现的。所以采用将几个磁头到几十个磁头以一定方式串接起来组成多间隙磁头，则构成多间隙磁通响应型磁头。这种磁头具有高精度，高分辨力和大

21、的输出电压特点,多间隙磁通响应型磁头结构,-,35,脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转角变成电脉冲，是数控机床上使用很广泛的位置检测装置。脉冲编码器可分为增量式与绝对式两类。1.绝对式编码器绝对式编码器是一种旋转式检测装置，可直接把被测转角用数字代码表示出来，且每一个角度位置均有其对应的测量代码，它能表示绝对位置，没有累积误差，电源切除后，位置信息不丢失，仍能读出转动角度。绝对式编码器有光电式、接触式和电磁式三种，以接触式四位绝对编码器为例来说明其工作原理。,4.6脉冲编码器,-,36,a)b)四位二进制编码盘,-,37,上图所示为二进制码盘。它在一个不导电基体上作成许多金属区使其导

22、电，其中有剖面线部分为导电区，用“1”表示；其它部分为绝缘区，用“0”表示。每一径向，由若干同心圆组成的图案代表了某一绝对计数值，通常，我们把组成编码的各圈称为码道，码盘最里圈是公用的，它和各码道所有导电部分连在一起，经电刷和电阻接电源负极。在接触式码盘的每个码道上都装有电刷，电刷经电阻接到电源正极。当检测对象带动码盘一起转动时，电刷和码盘的相对位置发生变化，与电刷串联的电阻将会出现有电流通过或没有电流通过两种情况。若回路中的电阻上有电流通过，为“1”；反之，电刷接触的是绝缘区，电阻上无电流通过，为“0”。如果码盘顺时针转动，就可依次得到按规定编码的数字信号输出，图示为4位二进制码盘，根据电刷

23、位置得到由“1”和“0”组成的二进制码，输出为0000、0001、00101111。,-,38,由图可以看出，码道的圈数就是二进制的位数，且高位在内，低位在外。其分辨角360o/24=22.5o，若是n位二进制码盘，就有n圈码道，分辨角360o/2n，码盘位数越大，所能分辨的角度越小，测量精度越高。若要提高分辨力，就必须增多码道，即二进制位数增多。目前接触式码盘一般可以做到9位二进制，光电式码盘可以做到18位二进制。用二进制代码做的码盘，如果电刷安装不准，会使得个别电刷错位，而出现很大的数值误差。如下图，当电刷由位置0111向1000过渡时，可能会出现从8（1000）到15（1111）之间的读

24、数误差，一般称这种误差为非单值性误差。为消除这种误差，可采用葛莱码盘。,-,39,葛莱码盘,四位二进制码盘非单值性误差,-,40,葛莱码盘各码道的数码不同时改变，任何两个相邻数码间只有一位是变化的，每次只切换一位数，把误差控制在最小范围内。二进制码转换成葛莱码的法则是：将二进制码右移一位并舍去末位的数码，再与二进制数码作不进位加法，结果即为葛莱码。例如，二进制码1101对应的葛莱码为1011，其演算过程如下：1101（二进制码）1101（不进位相加，舍去末位）1011（葛莱码）,-,41,二、增量式脉冲编码器增量式脉冲编码器分光电式、接触式和电磁感应式三种。就精度和可靠性来讲，光电式脉冲编码器

25、优于其它两种，它的型号是用脉冲数/转（p/r）来区分，数控机床常用2000、2500、3000p/r等，现在已有每转发10万个脉冲的脉冲编码器。脉冲编码器除用于角度检测外，还可以用于速度检测。光电式脉冲编码器通常与电机做在一起，或者安装在电机非轴伸端，电动机可直接与滚珠丝杠相连，或通过减速比为i的减速齿轮，然后与滚珠丝杠相连，那么每个脉冲对应机床工作台移动的距离可用下式计算：式中脉冲当量（mm/脉冲）；S滚珠丝杠的导程（mm）；i减速齿轮的减速比；M脉冲编码器每转的脉冲数（p/r）。,-,42,光电式脉冲编码器结构示意图,-,43,光电式脉冲编码器，它由光源、聚光镜、光电盘、圆盘、光电元件和信

26、号处理电路等组成。光电盘是用玻璃材料研磨抛光制成，玻璃表面在真空中镀上一层不透光的铬，然后用照相腐蚀法在上面制成向心透光窄缝。透光窄缝在圆周上等分，其数量从几百条到几千条不等。圆盘也用玻璃材料研磨抛光制成，其透光窄缝为两条，每一条后面安装有一只光电元件。光电盘与工作轴连在一起，光电盘转动时，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化，光电元件把通过光电盘和圆盘射来的忽明忽暗的光信号转换为近似正弦波的电信号，经过整形、放大、和微分处理后，输出脉冲信号。通过记录脉冲的数目，就可以测出转角。测出脉冲的变化率，即单位时间脉冲的数目，就可以求出速度。,-,44,为了判断旋转方向，圆盘的两个窄缝距离彼此错开1/4节距，使两个光电元件输出信号相位差900。如图所示，A、B信号为