位移检测幻灯片

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1、1, 本章学习的内容 数控系统的组成 数控系统中的位置检测装置,6-1 概 述,组成：,一、计算机数控系统的组成及各部分功能,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。 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）安装，维护方便，适合机床工作环境；（4）成本低。,6.2 位移 速度 位置检测装置,二、检测装置的类型,1)直线位移测量 它是将检测装置直接安装在机床拖板上，直接测量机床坐标的直线位移量，因此也称直接测量，作为全闭环伺服系统的位置反馈用。,缺

2、点: 是测量装置要和工作台行程等长，所以在大型数控机床上受到一定限制。,1按检测对象不同分类,2)转动角度测量 它是将检测装置安装在驱动电动机轴上或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床坐标的直线位移量，因此也称为间接测量，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。 优点:是测量方便可靠、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，从而影响其测量精度。,2按其检测信号的选取分类 1)数字式测量 它是将被测位移量转换为脉冲个数，即数字形式来表示，具有信号处理简单，抗干扰性强等优点。 2)模拟式测量 它是将被测位移量转换为连续变化的模拟电量来表示，如电压幅值变化、相

3、位的变化等。因此，它对信号处理的方法相对来说比较复杂，并且需增加滤波器等，来提高抗干扰性。,3按其测量的相对值不同分类 1)增量式测量 它只测相对位移量，其特点是测量装置较简单，对任何一个中间点都可作为测量的起点，而移动距离是由测量信号计数累加所得，一旦计数有误，以后测量所得结果则完全错误。因此，在增量式检测系统中基点特别重要。,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，每一个被检点都有一个相应的测量值。 装置的结构较增量式复杂，如编码盘，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，结构也就愈复杂

4、。,4按检测装置的名称分类 常用的有光电盘、编码盘、旋转变压器、感应同步器、光栅、磁尺等。,综合上述各种分类方法，可用下表表示。,1.旋转变压器,一、结构与工作原理 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，先分析一下单极工作情况。,如图所示，定子和转子各有一对磁极，设加到定子绕组励磁电压为 ，当转子绕组的磁轴自垂直

5、位置转过一定角度时，转子绕组中产生的感应电压为当转子转过900，两磁轴平行，此时转子绕组中感应电压最大，即 。,U1,U1,U1,定子,转子,U2,U2,U2,1,=00,= 1,=900,二、应用 旋转变压器典型工作方式，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，如上图所示，根据线性叠加原理，转子中的感应电压应为这两个电压的代数和：,由式可见，转子输出电压的相位角和转子的偏转角之间有严格的

6、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。,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,由式可见，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。,则转子上的叠加电压为,1）结构与工作原理 感应同步器和旋转变压器均为电

7、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。 以直线式感应同步器为例，介绍其结构和工作原理。,2. 感应同步器,结构：,直线感应同步器相当于一个展开的多极旋转变压器，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

8、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2mm ，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节距。,工作原理：,二、应用 感应同步器典型工作方式，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 给正、余弦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,在定尺的感应电压应为：,滑尺直线

9、位移量x与 之间的关系为：,2. 鉴幅工作方式 给滑尺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,2. 鉴幅工作方式 设,感应同步器的特点：1）精度高极对数多，平均效应产生的测量精度比制造精度高，定、滑尺间无机械转换环节，测量结果只受本身精度的影响。2）测量长度不受限制，可多块尺相接安装。3）对环境的适应性强金属基尺与安装部件材料的膨胀系数相近，温度变化时，热膨胀相同，不影响测量精度。4）维护简单，寿命长定、滑尺无接触，无磨损，安装简单。要装防护罩。,3. 光栅,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，透射光栅分辨率较反射光栅高

10、，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，本节着重介绍一种应用比较广泛的透射式直线光栅。光栅尺的结构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。,26,原理： 如果将指示光栅在其自身的平面内转过一个很小的角度，这样两

11、块光栅的刻线相交，当平行光线垂直照射标尺光栅时，则在相交区域出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为摩尔条纹。当两光栅尺沿与刻线垂直的方向相对移动时，莫尔条纹沿刻线方向移动，当光栅尺移动一个栅距，莫尔条纹正好移动一个节距。这样只要通过光电元件检测出莫尔条纹移动的数目和方向，就可以知道光栅移过了多少个栅距和移动的方向。,27,工作原理：,特点： 1. 放大作用 用W（mm）表示莫尔条纹的宽度，P(mm)表示栅距，为光栅线纹之间的夹角，如图所示则有 莫尔条纹宽度W与角成反比，越小，放大倍数越大。,2. 均化误差作用 莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同组成，例如，200条/mm的光栅，10mm宽的光栅就由

12、2000条线纹组成，这样栅距之间的固有相邻误差就被平均化了，消除了栅距之间不均匀造成的误差。3. 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P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也相反。,光栅测量系统：,圆光栅,32,编码器是一种旋转式测量元件，通常装在被检测轴上（或同步带联接）；随被测轴一起转,4. 编码器,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，编码器可分为接触式、光电式和电磁式3种。其中，光电编码

13、器在数控机床上应用较多，由霍尔效应构成的电磁编码器则可用作速度检测元件。,33,（一）接触式编码器 接触式编码器是一种绝对式的检测装置，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，因此这种测量方式即使断电或切断电源，也能读出转动角度。 接触式编码器体积小，输出信号功率大，但易磨损，寿命短且转速不能太高。,34,（二） 光电式编码器 光电式编码器是一种光电式转角检测装置。编码器用透明及不透明区域按一定编码构成，根据其编码方式不同，可分为增量式光电编码器和绝对式光电编码器。 增量式光电编码器可通过光电转换将被测轴的角位移增量转换成相应的脉冲数字量，然后由微机数控系统或

14、计数器计数得到角位移量和直线位移量。,35,增量式光电编码器,36,光电编码器需解决的两个问题： 1、正反向辨别 2、掉电位置记忆,为了测量出转向，光澜板的两个窄缝距离比编码器两个窄缝之间的距离小1/4节距，使两个光敏元件的输出信号相差/2相位。 如果将其输出的脉冲信号经频率电压变换后，得到与转轴转速成正比的电压信号，它就是速度反馈信号。,37,C相产生的脉冲叫基准脉冲,也叫零点脉冲,在数控车床主轴末端通常就使用增量式光栅编码器，来检测主轴的位置，以保证切削螺纹时不会乱扣。 例如，J1CJK6146型数控车床主轴编码器就采用增量式光栅编码器LF-90BM-CO5D；MJ-520数控车床主轴编码

15、器采用的是Y615-720型增量式圆光栅编码器。此外，增量式光栅编码器也可以用于高速旋转的转数计数或加工中心等数控机床上的主轴准停信号。,绝对式编码盘,它是一种直接编码式的测量元件。它把被测转角转换成相应的代码指示绝对位置，没有积累误差。 编码盘有光电式、接触式和电磁式三种。 接触式易磨损，不易高速；光电式和电磁式是非接触式，允许用于高速。因此，最常用的是光电式编码盘。,1结构及工作原理,四位编码盘，其分辨角360/2422.5。 如用n位编码盘，即分辨角360/2n，所以n越大，分辨角度就越小，精确度也就越高。 目前接触式码盘一般可以做到9位二进制，而光电式码盘可做到18位二进制。,2格雷码盘 在实际应用中，二进制码盘盘上图案变化较大，对码盘制作和电刷安装要求十分严格，否则就会产生非单值性误差，即容易产生读数错误。 例如，当电刷由位置0111向位置1000过渡时，若电刷安装位置不准或接触不良，可能会出现8到15之间的任一个十进制数。 为了消除这种非单值性误差，可采用二进制循环码盘(格雷码盘)。,