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1、应用于数数控机床床方面的的传感器器物理0331班 0036110055 伍文文彬数控技技术是用用数字信信息对机机械运动动和工作作过程进进行控制制的技术术，数控控装备是是以数控控技术为为代表的的新技术术对传统统制造产产业和新新兴制造造业的渗渗透形成成的机电电一体化化产品，即即所谓的的数字化化装备，其其技术范范围覆盖盖很多领领域：(1)机械制制造技术术；(2)信息处处理、加加工、传传输技术术；(3)自动控控制技术术；(4)伺服驱驱动技术术；(5)传感器器技术；(6)软件技技术等。数控系统统和机床床的测量量系统是是现代数数控机床床的关键键部件,尤其是是机床的的测量系系统,它是保保证机床床高精度度的前
2、提提条件。一、时栅栅传感器器在数控控系统中中的应用用 时栅传感器在数控系统中的应用王彦刚,等自动化仪表第27卷第1期2006年1月新型的智智能位移移传感器器- 时栅栅传感器器,通过将将其信号号转化为为数控系系统的标标准测量量接口信信号,实现了了用时栅栅位移传传感器代代替数控控系统中中的光栅栅传感器器。由于于时栅传传感器的的性价比比远远高高于光栅栅传感器器(与同等等精度的的光栅位位移传感感器相比比,其价格格约为光光栅的11 /110,从从而显著著降低了了数控系系统的成成本。1时栅栅传感器器工作原原理及其其信号输输出时栅传感感器是按按照时空空坐标转转换思想想 :“它是由由建立相相对匀速速运动双双坐
3、标系系(即一个个坐标系系上的位位置之差差(位移)表现为为另一个个坐标系系统上观观查到的的时间之之差”)而研制制的一种种新型位位移传感感器。它它摆脱了了以往位位移传感感器采用用高精密密机械加加工和装装配来保保证精度度的传统统思路,而是采采用测量量时间的的方法,用微型型计算机机技术来来实现测测量的高高精度。最最近,中国测测试技术术研究院院参照JJJG9900“光电轴轴角编码码器检定定规程”检定时时栅传感感器的精精度为018。时栅栅的基本本工作原原理是通通过测量量动坐标标系上的的观察点点每次到到动测头头和定测测头时的的时间差差,来测量量位移量量(为时间差差与匀速速V 之积积) 。其其原理如如图1所示
4、。图1时时栅原理理图时栅设计计输出信信号为三三路信号号。分别别为方向向信号DD、增量量信号PP 和零零位脉冲冲信号ZZ。三信信号为标标准的TTTL电电平信号号,其体波波行如图图2 所示示。增量量信号为为离散的的脉冲信信号,即传感感器每880s (时栅旋旋转磁场场周期)输出一一组方波波信号;方向信信号为电电平信号号,正转时时为高电电平,反转时时为低电电平;零位信信号为脉脉冲信号号,传感器器每转3360输出一一个脉冲冲信号。在设计时时栅信号号转换接接口电路路时,考虑到到测量系系统的实实时性,采用了了全硬件件接口电电路。时时栅传感感器转换换接口电电路原理理图如图图3所示。图3电电路原理理图接口电路路
5、中74LLS744型D 触发发器电路路为二分分频电路路。将其其反相输输出端.Q接到其其D 输入入端,当输入入信号的的第一个个上升沿沿到来时时,触发器器都将翻翻转一次次,于是在在输出端端得到的的信号频频率只有有原信号号的一半半,这样就就得到一一个对CCLK端端输入的的信号进进行二分分频的电电路;接口电电路的其其余部分分为简单单的逻辑辑电路。如如图3所示,将时栅栅传感器器的方向向信号和和增量信信号接入入转换接接口电路路后,当方向向信号DD 为高高电平时时(正转) ,与门门4A关闭闭,与门5AA打开,增量信信号P通过与与门5AA和或门门6A,与增量量信号PP的二分分频电路路异或后后生成比比增量信信号
6、P 的二分分频信号号(A 相信信号)滞后900的同频信号号(B 相信信号) ,如图图4正转信信号所示示;当图4反转转信号分分析方向向信号DD 为低低电平时时(反转) ,与门门5A 关闭,与门4AA打开,增量信信号P取反后后通过与与门4AA和或门门6A,图4反反转信号号分析与增量信信号P 的二分分频电路路(A 相信信号)异或后后生成比比增量信信号P二分频频信号超超前900的同频频信号(B 相信信号) ,时栅栅传感器器转换接接口电路路输出反反转信号号如图所所示。从从接口输输出信号号分析可可以看出出,采用全全硬件设设计的时时栅信号号转换电电路能够够将时栅栅输出信信号转换换化数控控系统中中定义的的测量
7、输输入信号号,再根据据数控系系统中定定义的接接口标准准为5 V方波波差分信信号,将转换换接口输输出信号号设计为为差分输输出,与数控控系统的的测量接接口进行行匹配即即可实现现用性价价比高的的时栅传传感器替替换光栅栅传感器器。二、高精精度定位位传感器器及其在在混联切切削机器器人中的的应用 樊泽明等: 高精度定位传感器及其在混联切削机器人中的应用西安理工大学学报Journal of Xian U niversity of Techno logy (2002) Vo l. 18 No. 1普通数控控机床一一般通过过对刀来来确定工工件与刀刀具之间间精确的的位置关关系, 其零点点仅作为为停止参参考位置置,
8、 回零零的精度度并不作作为机床床性能的的一项重重要指标标, 而将将加工对对刀或更更换零件件时的刀刀具和工工作台所所在的位位置作为为零件加加工的精精确位置置。一般般用行程程开关及及伺服驱驱动电机机自带的的编码器器组成的的回零定定位系统统, 其定定位精度度取决于于下面两两点: 编码器器的精度度; 运动部部件的质质量、回回零运动动速度、驱驱动系统统刚度及及摩擦特特性等。而对由串、并联组成的混联自由度切削机器人 , 一则其结构由多个直线移动关节和回转关节组成, 特别对于由多分支组成的并联部分 , 不但有单个分支多关节的误差, 而且有分支之间的耦合误差; 二则加工复杂零件是其突出优点, 而此类零件一般具
9、有多品种、小批量、工艺复杂等特点。这样, 由于工件更换及品种变化原因, 或者同一工件由于加工过程中需要热处理、变换机床等工艺原因, 以及由于机床故障或换班等停机原因, 使机器人多次频繁对刀。因此若采用传统的回零定系统, 不仅影响加工精度, 而且降低加工效率。针对上述问题, 本文设计了一种简单的高精度定位传感器, 并将其用于混联切削机器人串联部分的单轴回零和并联部分的动平台回零定位。从而实现由并联驱动的动平台和串联驱动的工作台快速、精确回零及得到二者精确的位置关系, 实现其自动快速适应混联切削机器人的加工要求。自动定定位高精精度传感感器1. 11基本本结构及及定位原原理为了提高高切削机机器人的的
10、工作效效率, 一般要要求定位位精度高高, 定位位速度快快。但定定位速度度过大, 将会会使被定定位件产产生定位位动态误误差。对对此, 文献44 对对定位速速度做了了一定的的研究。本本定位传传感器由由减速信信号产生生单元、准准停信号号产生单单元、定定位失效效处理单单元组成成, 其示示意图如如图1 所示。其其中, 减速速信号产产生单元元由触发发球等组组成; 准停信信号产生生单元由由高精度度的准停停球等组组成;定位失失效处理理单元由由弹性铰铰等组成成。负极极电缆接接被定位位件, 正极电电缆接定定位传感感器。定定位原理理如下: 由被被定位件件上负极极与定位位传感器器的正极极形成电电开关。当当被定位位件与
11、触触发球接接触时, 将减减速信号号输入控控制器开开始以比比较大的的加速度度进行减减速(同时由由减速单单元磁性性元件将将触发球球经过压压缩弹簧簧拉回) , 减速到到设定的的速度后后由控制制器产生生二次减减速信号号, 并进进行平稳稳减速至至均匀运运动, 以保证证被定位位件以恒恒定低速速与准停停球接触触, 并且且采用电电路来消消除正负负极接触触时由于于抖动产产生的影影响, 从而实实现高精精度定位位的目的的。同时时考虑到到定位失失效后损损坏定位位传感器器及其它它机器人人部件, 加入入了失效效处理单单元。即即当定位位失效后后, 压缩缩弹性绞绞产生微微小变形形, 使弹弹性铰形形成的负负极与定定位座的的正极
12、接接触产生生失效处处理信号号并输入入计算机机进行失失效处理理, 运动动部件反反向运动动。右图1定位传传感器结结构示意意图定位过程程断开接触触器, 由弹簧簧将减速速信号产产生单元元的触发发球弹出出到图11 位置置, 使之之处于等等待接触触状态, 并同同时将负负极与被被定位件件接通,启动被被定位运运动部件件。当此此运动部部件接触触到触发发球时, 则以以被定位位运动件件为负极极和触发发球为正正极的电电开关信信号接通通, 产生生大的加加速度减减速信号号, 并将将此信号号接入计计算机的的IO 卡, 使计计算机控控制被定定位件以以比较大大的加速速度进行行减速。同同时接通通接触器器, 由接接触器将将触发球球
13、拉回来来, 则可可保证定定位时触触发球正正极与被被定位运运动件负负极断开开, 为定定位信号号的产生生提供可可能(因为触触发球和和准停球球同接正正极, 被定位位运动件件接负极极, 若不不断开, 即使使准停球球与被定定位件接接触, 也无法法产生定定位图22定位位实验数数据描述述图信号号)。当减减速到设设定的速速度后由由控制器器产生二二次减速速信号并并进行小小加速度度平稳减减速, 减速到设定定的恒定定低速后后以匀速速运动。一旦准停球与被定位运动件接触时, 定位电路立刻产生定位信号, 通过硬件电路锁定伺服驱动器, 同时将此信号接入IO 板, 从而实现精确定位。定位实实验定位传感感器安装装在切削削机器人
14、人直线移移动关节节上, 并接电电源正极极, 被定定位运动动件接电电源的负负极, 将被定定位件接接触到触触发球与与其接触触到准停停球之间间的距离离大约定定为5mmm 左左右。通通过计算算机自动动控制定定位,采用高高精度激激光干涉涉仪(英国MLL 100) 进进行测量量, 重复复进行11 5000 次次多阶段段定位实实验。为为便于描描述, 其中每每测1000 次次取其中中定位误误差E 最大值的1 次描述述在图22 上。由由实验知知, 此定定位传感感器的定定位误差差在110- 6mm 以下下, 作为为定位传传感器是是可行的的。串联轴和和并联动动平台的的自动回回零及定定位以三轴串串联(x 轴、y 轴、
15、C 轴) 和三三轴并联联(z 轴、A 轴、B 轴) 混联联切削机机器人为为例进行说说明。工作台的的回零定定位工作台由由串联部部分驱动动, 既有有直线移移动关节节x 轴和和y 轴, 又有有回转关关节C 轴。对对于直线线移动关关节x轴和y 轴可将将负极接接移动部部件上, 定位位传感器器装在相相对静止止的部件件上; 对于回回转关节节C 轴, 其精精度受半半径影响响, 半径径越大, 误差差越大。故而, 回转关节可将定位传感器安装在回转工作台的外边缘相对静止的零件上, 负极接回转工作台的回转件上。2. 22动平平台回零零定位并联部分分比较复复杂, 因为动动平台的的零位包包括z 轴零位位和A 、B 轴零零位。而而动平台台的零位位精度与与三个分分支的回回零精度度和运动动误差(含结构构参数误误差及变变形误差差) 有关关。本文文在并联联机构的的结构参参数已经经识别和和校准的的基础上上 66 , 进进行动平平台的回回零定位位。本系系统采用用粗定位位和精定位的的两级定定位方法法, 即将将定位传传感器分分别安装装在各分分支直线线移动关关节上以以实现动动平台的的粗定位位, 然后后用安装装在工作作台上的的校准定定位传感感器组来来进行动动平台的的回零精精定位。校准回零定位传感器组所用的传感器与2. 1 节所用的单轴回零定位传感器结构相同, 但定位过程不同。单轴回零定位用传感器被定位件
