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1、LOGOClick to add your text河北理工大学机械工程学院工程训练中心 张好强第六章 位置检测装置6-2常用典型位置检测装置6-1对位置检测装置的要求第六章 位置检测装置位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环系统中，它的主要作用是检测位移量，并发出反馈信号和数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件，使着向消除偏差的方向运动直至偏差等于零为止。6-1对位置检测装置的要求第六章 位置检测装置受温度、湿度影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗干扰能力强;在机床执行部件工作范围内，能满足精度和速度的要求；进给速度2030m/min，转速高达100000r/mi
2、n。使用维护方便，适应机床工作环境；成本低。一、数控机床对位置检测装置的要求：第六章 位置检测装置1、按测量对象不同分类位移检测装置:脉冲编码器、光栅 速度检测装置：测速发电机2、按安装位置不同分类直接测量:将检测装置安装在执行部件上 间接测量:将检测元件安装在滚珠丝杠或驱动电动机轴上二、检测装置的分类第六章 位置检测装置(1)直接测量将直线型检测装置安装在移动部件上，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，构成位 置闭环控制。优点是准确性高、可靠性好，缺点是测量装置 要和工作台行程等长，在大型数控机床上受到一定限制。 (2) 间接测量 将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或
3、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。第六章 位置检测装置3、按测量方法不同分类 增量式测量绝对式测量绝对式测量：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。特点：装置的结构较为复杂增量式测量：只测量位移量。测量单位为0.01mm每移动0.01mm发出一个脉冲信号。第六章 位置检测装置优点：装置简单，任何一个点都可作为测量的起点。在轮廓控制的数控机床上大都采用这种方式。缺点：在增量式检测
4、系统中，移距是由测量信号计数读出，一旦计数有误，以后的测量结果则完全错误。如出某种事故，无法恢复。第六章 位置检测装置第六章 位置检测装置4、按检测信号不同分类 数字式测量模拟式测量模拟式测量：模拟式测量是将被测量用连续变量来表示。如电压变化、相位变化等。数控机床所用模拟式测量主要用于小量程的测量，如感应同步器的一个线距（2mm）内的信号相位变化等。特点：直接测量被测的量，无需变换；在小量程内实现较高精度的测量，技术成熟。第六章 位置检测装置数字式测量：被测的量以数字的形式来表示。测量信号为电脉冲，可以直接把它们送入数控装置进行比较、处理。特点： 被测的量转换为脉冲个数，便于显示和处理； 测量
5、精度取决于测量单位，和量程基本无关； 测量装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力较强。第六章 位置检测装置6-2 常用典型位置检测装置一、旋转变压器（角位移检测元件）旋转变压器是一种角度测量元件，它是一种小型交流电机。在结构上与两相绕组式异步电动机相似，由定 子和转子组成，定子绕组为变压器的原边，转子绕组为 变压器的副边。激磁电压接到定子绕组上，激磁频率通 常为400H、500H、1000H、3000H、5000H，特点：其结构简单、动作灵敏，对环境无特殊要求，维 护方便，输出信号幅度大，抗干扰性强，工作可靠。第六章 位置检测装置工作原理： 定子绕组输入电压第六章 位置检测装置设加到定子绕组的励磁电
6、压为U1=Umsint，通过电磁耦合，将在转子绕组中产生的感应电压为U2 = K U1sin = K Um sint sin= K Um sin sint 式中 K变压比（K=N1/N2为定子、转子绕组的匝数）Um励磁最大电压励磁电压角频率转子与定子相对角位移，当转子磁轴与定子磁轴垂直时，=0；当转子磁轴与定子磁轴平行时，=90。第六章 位置检测装置二、感应同步器非接触电磁式测量元件，测角位移或直线位移1、分类：直线型感应同步器测量直线位移旋转型感应同步器测量角位移2、结构：直线型旋转型定尺安装在机床床身上滑尺安装在移动部件上 转子定子第六章 位置检测装置3、工作原理：（标准直线型感应同步器为
7、例）利用电磁耦合原理，将位移或转角变成电信号（极为普遍）。即使滑尺与定尺相互平行，并保持一定的间距。向 滑尺通以交流激磁电压，则在滑尺中产生激磁电流，绕组周 围产生按正弦规律变化的磁场，由电磁感应，在定尺上感出 感应电压，当滑尺与定尺间产生相对位移时，由于电磁耦合 的变化，使定尺上感应电压随位移的变化而变化（相同频率 ）。第六章 位置检测装置定尺定尺上制有单向均匀感应绕组，一般为250mm滑尺长100mm，绕有两个励磁绕组第六章 位置检测装置定尺绕组产生感应电动势原理图第六章 位置检测装置滑尺的正弦绕组加电压Us = Um sint 时，定尺绕组 Us = KUmsint cos滑尺的正弦绕组
8、加电压Uc = Um cost 时，定尺绕组 Uc = KUmcost sin= KUmcost cos(+/2)Ud = Us+ Uc = KUmsint cos + KUmcost cos(+/2)= KUmsin(t-)-滑尺绕组相对于定尺绕组的空间相位角当滑尺移动x距离则感应电压以余弦或正弦函数变化角第六章 位置检测装置三、脉冲编码器（角位移检测元件）v 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。v 1. 绝对式编码器v 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
9、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。 第六章 位置检测装置n位编码盘当码道为十八条 =0.0014第六章 位置检测装置2. 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。第六章 位置检测装置第六章 位置检测装置四、光栅光学测量元件分类：
10、透射光栅反射光栅透射光栅：采用经磨制的光学玻璃或在玻璃表面感光材料的涂 层上刻成光栅线纹。 特点：光源可以采用垂直入射光，光电元件直接接受光照。因 此信号幅值比较大，信噪比好。光电转换器结构简单， 如线 性密度200线/mm。 缺点：玻璃易破裂，热胀系数与金属部件不一致，影响测量精 度。第六章 位置检测装置反射光栅：光栅和机床金属部件的线膨胀系数一致，接长方便。也可用钢带做成长达数米的长光栅。缺点：为了使反射后的莫尔系数反差较大，每毫米内线纹不宜多，常用4、10、25、40、50线/mm。组成：标尺光栅：安装在机床的固定部件上指示光栅：安装在机床的移动部件上它们之间保持0.05mm或0.1mm
11、的间隙。相互平行第六章 位置检测装置工作原理：（透射光栅）标尺光栅指示光栅第六章 位置检测装置若标尺光栅和指示光栅的栅距相等，指示光栅在其自身平面内相对于标尺光栅倾斜一个很小的角度，两块光栅的刻线就会相交。当灯光通过聚光镜呈平行光线垂直照射在标尺光栅上，在两块光栅线相交的钝角平分线上，出现明暗交替、间隔相等的粗短条纹，称之为横向莫尔条纹。莫尔条纹的形成第六章 位置检测装置特点： 由于光栅的刻线可以制作十分精确，同时莫尔条纹对刻线局部误差有均化作用，因此，栅距误差对测量精度影响较小。 也可采用信号。 在检测过程中，标尺光栅与指示光栅不直接接触，没有磨损，因而精度可以长期保持。 光线刻线要求很精确
12、，两光栅之间的间隙及倾斜角都要求保持不变，制造调试比较困难。光学系统易受外界的影响产生 误差，同时又有灰尘、油、冷却液等污物的侵入，易使光学系 统变质。第六章 位置检测装置五、磁栅磁栅又称磁尺，是一种采用电磁方法记录磁波数目的位置检测装置。 组成： 磁性标尺、磁头和检测电路利用录磁的原理将一定周期变化的方法，正弦波或脉冲电信号，用录磁磁头记录在磁性标尺的磁膜上，作为测量的 基准。检测时，用拾磁磁头将磁性标尺上的磁信号转换成电 信号，经过检测电路处理后，用以计量磁头相对磁尺之间的 位移量。第六章 位置检测装置磁尺测量装置的组成和工作原理：磁性标尺是在非导磁材料如铜、不锈钢、玻璃或其他合金材料的基
13、体上，用涂敷、化学沉积或电镀的一层1020um的导磁材 料（Ni-Co或Fe-Co合金），在它的表面上录制相等节距周期变化 的磁信号。磁信号的节距一般为0.05、0.1、0.2、1mm。为了防 止磁头对磁性膜的磨损，通常在磁性膜上涂一层厚12mm的耐磨 塑料保护层。磁头是进行磁电转换的变换器，它把反映空间位置 的磁信号输送到检测电路中去。普通录音机上的磁头输出电压幅值与磁通变化率成比例，属于速度响应型磁头。根据数控机床的要求，为了在低速运动和静 止时也能进行位置检测，必须采用磁通响应型磁头。第六章 位置检测装置特点：对使用环境的条件要求较低，对周围磁场的抗干扰能力较强，在油污、粉尘较多的地方使用有较好的稳定性。第六章 位置检测装置LOGO
