第6章位置检测装置.

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1、第 6 章 位置检测装置,输 入 装 置,输 出 装 置,计 算 机 数 控 装 置,PLC,主轴控制单元,主轴,机床,伺服电机,速度控制单元,工 作 台,位置检测反馈装置,数控机床的组成,6.1 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。,位置

2、检测装置按工作条件和测量要求不同，有下面几种分类方法：,6.1 概 述,安装的位置及耦合方式直接测量和间接测量； 测量方法 增量型和绝对型; 检测信号的类型 模拟式和数字式； 运动型式 回转型和直线型； 信号转换的原理 光电效应、光栅效应、 电磁感应原理、压电效应、 压阻效应和磁阻效应等。,6.1 概 述,直接测量和间接测量,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。 优点：准确性高、可靠性好 缺点：测量装置要和工作台行程等长，大型数控机床上受制。,直接测量,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

3、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：测量方便、无长度限制 缺点：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，影响测量精度。,间接测量,数字式测量和模拟式测量,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。,数字式测量,将被测的量用连续变量来表示，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。,模拟量测量,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

4、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。,增量式测量和绝对式测量,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。,数控机床检测装置分类,6.1 概 述,数控机床对位置检测装置的要求如下： （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

5、环境； 成本低。,6.1 概 述,性能指标应包括静态特性和动态特性，主要如下。 1.精度 符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度称作精度。高精度和高速实时测量。 2.分辨率 分辩率应适应机床精度和伺服系统的要求。 3.灵敏度 灵敏度高、一致。 4.迟滞 对某一输入量，传感器的正行程的输出量与反行程的输出量的不一致，称为迟滞。迟滞小。 5.测量范围和量程 6.零漂与温漂 其它：可靠，抗干扰性强、使用维护方便、成本低等。,6.1 概 述,旋转变压器,感应同步器,光栅尺,编码器,磁栅,6.3 感应同步器,6.4 光栅,6.5 编码盘,6.2 旋转变压器,6.6 磁栅,6.7 激光干涉仪,6.2

6、 旋转变压器,旋转变压器（resolver/transformer）是一种电磁式传感器，又称同步分解器。它是一种测量角度用的小型交流电动机，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度，由定子和转子组成。,6.2 旋转变压器,1.结构,有刷旋转变压器,结构上看，旋转变压器相当于一台两相的绕线转子异步电动机。其一、二次侧绕组分别放在定、转子上，一次侧绕组与二次侧绕组之间的电磁耦合程度与转子的转角密切相关，输出电压与转子转角成一定函数关系。,按照输出电压与转子转角间的函数关系，旋转变压器可以分为： （1）正余弦旋转变压器 （2）线性旋转变压器 （3）特种函数旋转变压器,输出电压与转子转角成正余弦函数关系,

7、输出电压在一定转角范围内与转子转角 成正比,可见，旋转变压器是将角度信号转换成与其成某种函数关系的电压信号，其主要用途就是进行三角函数计算、坐标变换和角度数据传输等。,正余弦旋转变压器为例,正弦绕组,2.工作原理,6.2 旋转变压器,S,1,S,2,S,3,S,4,R,2,R,1,q,(,a,),(,b,),旋转变压器的绕组结构,定子绕组,转子绕组,余弦绕组,励磁绕组电压：,输出绕组感应电压：,任意夹角时：,转子绕组输出电压的幅值严格按照转子偏转角的正弦规律变化,3.应用,6.2 旋转变压器,(,b,),转子绕组,正弦绕组,S,1,S,2,S,3,S,4,(,a,),定子绕组,余弦绕组,R,2

8、,R,1,q,鉴相工作方式 鉴幅工作方式,（1）鉴相工作方式 给定子正交绕组分别输入的激磁信号是频率、幅值相同，相位相差900的交流励磁电压,根据叠加原理，转子绕组上的总感应电压为,通过鉴别转子绕组输出电压的相位，即可测量转子相对定子的转角，从而可以求得执行部件的直线位移或角位移。,（2）鉴幅工作方式,给定子正交绕组输入的激磁信号电压频率相同、相位相同但幅值不同。,式中 给定的电气角。 则在转子绕组产生的总感应电压为,由式可知，若电气角 已知，只要测出U的幅值，便能求机械角位移 。实际测量时，不断调整 ，让幅值为KUm，则 的变化量就代表了机械角位移 。,主要技术数据 (1) 额定电压。 指励

9、磁绕组应加的电压，有12、16、26、36、60、90、110、115、220V等几种。 (2) 额定频率。 指励磁电压的频率，有50Hz、400Hz、500Hz等。选择时应根据自己的需要，一般工频50Hz的使用起来比较方便，但性能会差一些，而400Hz的性能较好，但成本较高，故应选择性价比比较适中的产品。,4.选用,6.2 旋转变压器,(3) 变比。指在规定的励磁一方的励磁绕组上加上额定频率的额定电压时，与励磁绕组轴线一致的处于零位的非励磁一方绕组的开路输出电压与励磁电压的比值，有0.15、0.56、0.65、0.78、1.0和2.0等几种。 (4) 输出相位移。 指输出电压与输入电压的相位

10、差。该值越小越好，一般约在3l2电角度左右。 (5) 开路输入阻抗（空载输入阻抗）。 输出绕组开路时，从励磁绕组看进去的等效阻抗值。标准开路输入阻抗有200、400、600、1000、2000、3000、4000、6000和10000等几种。,主要技术数据,6.3 感应同步器,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。,6.3 感应同步器,感应同步器按其结构特点一般分为：,直线式 旋转式,旋转式感应同步器由转子和定子组成，用于角位移测量。,直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量。,直线感应同步器结构,5.1.1

11、 结构特点,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0.250.05mm间隙。,感应同步器两个单元绕组之间的距离为节距，滑尺和定尺的节距均为2，这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

12、距。,2,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图所示。,定,尺,滑,A,尺,B,位,C,置,D,E,E,A,V,2,正弦绕组,B,D,C,O,P,移动距离,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，

13、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。,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了，当滑尺移动距离为时，则对应感应电压以余弦函数变化相位角。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； Um激磁电压的幅值； 激磁电压的角频率； 与位移对应的角度。,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

14、幅值对应两个位移点，如图中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。,E,A,V,2,M,N,正弦绕组,B,D,C,O,P,1. 鉴相工作方式 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

15、磁电压之间的相位差为3.60，当节距为2mm的情况下，表明滑尺移动了?,有两种工作方式，鉴相式和鉴幅式。,应用,0.02mm,2. 鉴幅工作方式,供给滑尺上正、余弦绕组的励磁电压的频率相同、相位相同但幅值不同。,式中 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。,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。 由式可知，若电气角已知，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，=，U20，当滑尺相对定尺移动后，随着不断增加，U2 0 。若逐渐改变值，直至=，U20，此时的变化量就代表了对应的位移量，就可测得机械位移。,6.4 光栅,光栅,光学原理,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，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。两者工作原理基本相似，本节着重介绍一种