1, 感應(yīng)同步器位置檢測(cè)裝置 旋轉(zhuǎn)變壓器位置檢測(cè)裝置 磁尺位置檢測(cè)裝置 光柵位置檢測(cè)裝置 激光干涉位置檢測(cè)裝置 脈沖編碼器,第3章 數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置,2,基本要求： 1）掌握數(shù)控系統(tǒng)中速度檢測(cè)裝置原理及應(yīng)用。 2）掌握數(shù)控系統(tǒng)中位置檢測(cè)裝置原理及應(yīng)用。 3）了解數(shù)控系統(tǒng)中電流檢測(cè)元件及應(yīng)用。 重點(diǎn): 1） 光電脈沖編碼器檢測(cè)邏輯電路原理及波形圖。 2） 光柵尺檢測(cè)邏輯電路原理及波形圖。 難點(diǎn): 對(duì)于帶有方向端計(jì)數(shù)器和可逆計(jì)數(shù)器時(shí)，檢測(cè)電路構(gòu)成的區(qū)別。,第3章 數(shù)控機(jī)床的位置檢測(cè)裝置,3,3.1 概述 位置檢測(cè)裝置是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。 作用: 檢測(cè)位移和速度，并發(fā)出反饋信號(hào)和數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號(hào)相比較，構(gòu)成半閉環(huán)、閉環(huán)控制。,4,3.1 概述 位置檢測(cè)裝置是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。 作用: 檢測(cè)位移和速度，并發(fā)出反饋信號(hào)和數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號(hào)相比較，構(gòu)成閉環(huán)、半閉環(huán)控制。,5,3.1.1 要求 受溫度、濕度影響小，工作可靠，能長(zhǎng)期保持精度，抗干擾能力強(qiáng); 在機(jī)床執(zhí)行部件工作范圍內(nèi)，能滿足精度和速度要求; 使用維護(hù)方便，適應(yīng)機(jī)床工作環(huán)境； 成本低。 檢測(cè)元件的精度指標(biāo)： 系統(tǒng)精度在一定長(zhǎng)度或轉(zhuǎn)角內(nèi)測(cè)量累積誤差的最大值 （0.0010.02mm/m， 10/360） 系統(tǒng)分辨率所能正確檢測(cè)的最小位移量 0.0010.01mm，2 （取1/31/10機(jī)床加工精度）,6,3.1.2 位置檢測(cè)裝置的分類 數(shù)字式測(cè)量 模擬量測(cè)量 數(shù)字式測(cè)量：被測(cè)的量以數(shù)字的形式來(lái)表示。測(cè)量信號(hào)為電脈沖，可以直接把它們送入數(shù)控裝置進(jìn)行比較、處理。 特點(diǎn)： 被測(cè)的量轉(zhuǎn)換為脈沖個(gè)數(shù)，便于顯示和處理； 測(cè)量精度取決于測(cè)量單位，和量程基本無(wú)關(guān)； 測(cè)量裝置比較簡(jiǎn)單，脈沖信號(hào)抗干擾能力較強(qiáng) 。,7,3.1.2 位置檢測(cè)裝置的分類 模擬式測(cè)量： 將被測(cè)量用連續(xù)變量來(lái)表示，如電壓變化、相位變化等。 主要用于小量程的測(cè)量，如感應(yīng)同步器的一個(gè)線距（2mm）內(nèi)的信號(hào)相位變化等。 特點(diǎn)： 直接測(cè)量被測(cè)的量，無(wú)需變換； 在小量程內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高精度的測(cè)量，技術(shù)成熟。,8,增量式 ：只測(cè)量位移量。 測(cè)量單位為0.01mm，每移動(dòng)0.01mm發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)。 優(yōu)點(diǎn)： 裝置簡(jiǎn)單，任何一個(gè)對(duì)中點(diǎn)都可作為測(cè)量的起點(diǎn)。在輪廓控制的數(shù)控機(jī)床上大都采用這種方式。 缺點(diǎn)： 在增量式檢測(cè)系統(tǒng)中，移距是由測(cè)量信號(hào)計(jì)數(shù)讀出，一旦計(jì)數(shù)有誤，以后的測(cè)量結(jié)果則完全錯(cuò)誤。如出某種事故，無(wú)法恢復(fù)。 絕對(duì)式： 對(duì)于被測(cè)量的任意一點(diǎn)位置均由固定的零點(diǎn)標(biāo)起。每一個(gè)被測(cè)點(diǎn)都有一個(gè)相應(yīng)的測(cè)量值。,9,位置檢測(cè)裝置工作原理的分析要點(diǎn) 1) 要檢測(cè)的位移反映在位置檢測(cè)元件的什么部分? 2) 如何將位移轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)的檢測(cè)量? 3) 用電的檢測(cè)信號(hào)的什么量(脈沖 幅值 相位 頻率)來(lái)標(biāo)定位移量的大小?,10,3.2 感應(yīng)同步器測(cè)量裝置 3.2.1 組成及工作原理 工作原理： 電磁耦合原理， 位移、轉(zhuǎn)角 電信號(hào) 滑尺與定尺相互平行，并保持一定的間距。 滑尺通以交流激磁電壓，按正弦規(guī)律變化的磁場(chǎng)，定尺上感應(yīng)電壓，定尺上感應(yīng)電壓隨位移的變化而變化（相同頻率）。,11,滑尺位置,感應(yīng)電壓,移動(dòng)距離,感應(yīng)電壓隨滑尺、定尺位置變化,12,規(guī)律： 滑尺移動(dòng)一個(gè)節(jié)距 感生電動(dòng)勢(shì)按余弦波形變化一個(gè)周期2， 在一個(gè)節(jié)距內(nèi)： 檢測(cè) 的變化， 即可檢測(cè)一個(gè)節(jié)距內(nèi)的位移量 。,13,工作方式： 相位工作方式（鑒相型系統(tǒng)） 幅值工作方式（鑒幅型系統(tǒng)） 相位工作方式： 供給滑尺的激磁信號(hào)為頻率、幅值相同，相位角相差90的交流電壓。 幅值工作方式： 給滑尺繞組通入相位相同、頻率相同，但幅值不同的勵(lì)磁電壓。,14,3.2.2 鑒相測(cè)量系統(tǒng),相位工作方式： 供給滑尺的激磁信號(hào)為頻率、幅值相同，相位角相差90的交流電壓。,15,兩繞組在定尺上的感生電壓：,據(jù)線性疊加原理，定尺上感應(yīng)的總電壓：,說(shuō)明： 上式建立了感生電壓U2與相位 間的關(guān)系。,16,3.2.2 鑒相測(cè)量系統(tǒng) 鑒別定尺上的感應(yīng)電壓的相位，可得位移值：,鑒相系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖,指令信號(hào),反饋信號(hào)（感應(yīng)電壓）,誤差信號(hào),17,3.2.3 鑒幅測(cè)量系統(tǒng) 幅值工作方式： 滑尺繞組通入相位 相同、頻率 相同，但幅值不同的勵(lì)磁電壓：（工作臺(tái)移動(dòng)指令 ）,18,幅值工作方式：,定尺上的感生電壓：,定尺上感應(yīng)的總電壓： （正、余弦繞組同時(shí)供電，線性疊加 ）,19,幅值工作方式：,結(jié)論： 感生電壓的幅值 隨指令給定的位移量 與工作臺(tái)實(shí)際位移量 的差值的正弦規(guī)律變化。,20,3.2.3 鑒幅測(cè)量系統(tǒng),鑒幅系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖,脈沖混合器將指令脈沖與反饋脈沖比較，得到跟隨誤差，經(jīng)DA變換后為模擬信號(hào)控制伺服機(jī)構(gòu)帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。,21,課堂作業(yè) 班級(jí)： 序號(hào)： 姓名：,1. 解釋： 對(duì)刀點(diǎn)；刀位點(diǎn)； 工件原點(diǎn)；機(jī)床原點(diǎn)；編程原點(diǎn) 2. 填空： 脈沖當(dāng)量的值取得越 ，加工精度越 。 銑削工件外部輪廓時(shí)，應(yīng)采用 向切入/切出。,22,3.3 旋轉(zhuǎn)變壓器位移檢測(cè)裝置（自學(xué)） 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種角度測(cè)量元件，它是一種小型交流電機(jī)。在結(jié)構(gòu)上與兩相繞組式異步電動(dòng)機(jī)相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子繞組為變壓器的原邊，轉(zhuǎn)子繞組為變壓器的副邊。激磁電壓接到定子繞組上，激磁頻率通常為400H、500H、1000H、3000H、5000H，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作靈敏，對(duì)環(huán)境無(wú)特殊要求，維護(hù)方便，輸出信號(hào)幅度大，抗干擾性強(qiáng)，工作可靠。 工作原理： 當(dāng)激磁電壓U1加到定子繞組時(shí)，通過(guò)電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組中將產(chǎn)生感生電壓，由于轉(zhuǎn)子是可以旋轉(zhuǎn)的，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組磁軸轉(zhuǎn)到與定子繞組磁軸垂直時(shí)，如圖（a）所示，激磁磁通不穿過(guò)轉(zhuǎn)子繞組的橫截面，因此，感應(yīng)電壓U2為0。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組磁軸自垂直位置轉(zhuǎn)過(guò)任意角度時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組的產(chǎn)生的感應(yīng)電壓U2為 ：,U1= Umsin t U2= k U1 sin = ksin t sin,23,旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理圖,24,3.4 磁尺測(cè)量裝 （自學(xué)） 磁尺位置檢測(cè)裝置是由磁性標(biāo)尺、磁頭和檢測(cè)電路組成。 利用錄磁的原理將一定周期變化的正弦波或脈沖電信號(hào)，用錄磁磁頭記錄在磁性標(biāo)尺的磁膜上，作為測(cè)量的基準(zhǔn)。檢測(cè)時(shí)，用拾磁磁頭將磁性標(biāo)尺上的磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)檢測(cè)電路處理后，用以計(jì)量磁頭相對(duì)磁尺之間的位移量。 特點(diǎn)： 對(duì)使用環(huán)境的條件要求較低，對(duì)周圍磁場(chǎng)的抗干擾能力較強(qiáng)，在油污、粉塵較多的地方使用有較好的穩(wěn)定性。,25,26,磁尺測(cè)量裝置的組成和工作原理： 磁性標(biāo)尺是在非導(dǎo)磁材料如銅、不銹鋼、玻璃或其他合金材料的基體上，用涂敷、化學(xué)沉積或電鍍的一層1020um的導(dǎo)磁材料（Ni-Co或Fe-Co合金），在它的表面上錄制相等節(jié)距周期變化的磁信號(hào)。磁信號(hào)的節(jié)距一般為0.05、0.1、0.2、1mm。為了防止磁頭對(duì)磁性膜的磨損，通常在磁性膜上涂一層厚12mm的耐磨塑料保護(hù)層。磁頭是進(jìn)行磁電轉(zhuǎn)換的變換器，它把反映空間位置的磁信號(hào)輸送到檢測(cè)電路中去。 普通錄音機(jī)上的磁頭輸出電壓幅值與磁通變化率成比例，屬于速度響應(yīng)型磁頭。根據(jù)數(shù)控機(jī)床的要求，為了在低速運(yùn)動(dòng)和靜止時(shí)也能進(jìn)行位置檢測(cè)，必須采用磁通響應(yīng)型磁頭。,27,3.5 光柵位置檢測(cè)裝置 光柵用于數(shù)控機(jī)床作為檢測(cè)裝置，已有幾十年的歷史，用以測(cè)量長(zhǎng)度、角度、速度、加速度、振動(dòng)和爬行等。它是數(shù)控機(jī)床閉環(huán)系統(tǒng)用得較多的一種檢測(cè)裝置。 物理光柵 刻線細(xì)密，柵距0.0020.005mm,光譜分析，波長(zhǎng)測(cè)定 計(jì)量光柵 柵距0.0040.25mm, 常用于數(shù)字測(cè)量系統(tǒng),計(jì)量光柵 : 玻璃透射光柵 光源可垂直入射，信號(hào)幅度大，讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單; 刻線密度大100條/mm, 細(xì)分后，分辨率達(dá)微米級(jí); 易碎，熱膨脹系數(shù)與機(jī)床不一致，影響測(cè)量精度. 金屬反射光柵 鋼尺、鋼帶 照相腐蝕、鉆石刀刻劃 熱膨脹系數(shù)與機(jī)床一致，安裝調(diào)整方便，易接長(zhǎng)，不易碎,28,3.5.1 光柵檢測(cè)的工作原理 組成： 1 光源 2 聚光鏡 3 標(biāo)尺光柵（長(zhǎng)光柵） 4 指示光柵（短光柵） 5 硅光電池,標(biāo)尺光柵長(zhǎng)度相當(dāng)于工作臺(tái)移動(dòng)的全行程; 長(zhǎng)短光柵保持0.050.1mm間隙.,29,3.5.2 莫爾條紋的產(chǎn)生 標(biāo)尺光柵和指示光柵的柵距 指示光柵在其自身平面內(nèi)相對(duì)于標(biāo)尺光柵傾斜一個(gè)很小的角度, 兩塊光柵的刻線就會(huì)相交。當(dāng)燈光通過(guò)聚光鏡呈平行光線垂直照射在標(biāo)尺光柵上，在與兩塊光柵線紋相交的鈍角平分線方向，出現(xiàn)明暗交替，間隔相等的粗短條紋，稱之為橫向莫爾條紋。,形成原因： 對(duì)于粗光柵主要是擋光積分效應(yīng)，對(duì)于細(xì)光柵則是光線通過(guò)線紋衍射后，產(chǎn)生干涉的結(jié)果。,30,莫爾條紋的特點(diǎn) 1）放大作用 2）平均效應(yīng) 莫爾條紋是由若干線紋組成，例如每毫米100線的光柵，10mm長(zhǎng)的莫爾條紋，等亮帶由2000根刻線交叉形成。因面對(duì)個(gè)別柵線的間距誤差(或缺陷)就平均化了，在很大程度上消除了短周期誤差的影響。因此莫爾條紋的節(jié)距誤差就取決于光柵刻線的平均誤差。,31,莫爾條紋的特點(diǎn) 1）放大作用 2）平均效應(yīng) 3）莫爾條紋的移動(dòng)規(guī)律 當(dāng)光柵向左或向有移動(dòng)一個(gè)柵距，莫爾條紋也相應(yīng)地向上或向下準(zhǔn)確地移動(dòng)一個(gè)節(jié)距W。而且莫爾條紋的移動(dòng)還具有以下規(guī)律：若標(biāo)尺光柵不動(dòng)，將指示光柵逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)一很小的角度后，并使標(biāo)尺光柵向石移動(dòng)，則莫爾條紋便向下移動(dòng)；反之，當(dāng)標(biāo)尺光柵向左移動(dòng)時(shí)，則莫爾條紋向上移動(dòng)。若將指示光柵順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)一很小的角度后，當(dāng)標(biāo)尺光柵向右移動(dòng)，則莫爾條紋向上移動(dòng)；反之，標(biāo)尺光柵向左移動(dòng)，則莫爾條紋向下移動(dòng)。,32,3.5.3 辨向 安裝兩個(gè)彼此錯(cuò)開1/4節(jié)距的光電元件，當(dāng)光柵移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋通過(guò)兩個(gè)隙縫的時(shí)間不同所以兩個(gè)光電元件所獲得的電信號(hào)雖然波形相同，但相相差90。若以其一為參考信號(hào)，則另一信號(hào)超前或滯后參考信號(hào)，由此可判定運(yùn)動(dòng)方向。,33,3.5.4 提高光柵分辨精度的措施 1）提高刻線精度和增加刻線密度 有限 2）倍頻 常用 四倍頒方案 光柵刻線密度為50線mm，采用4個(gè)光電元件和4個(gè)隙縫，每隔14光柵節(jié)距產(chǎn)生一個(gè)脈沖，分辨精度可提高四倍。,34,四倍頒方案,35,36,3.5.5 光柵位置檢測(cè)裝置的特點(diǎn) 測(cè)量精度高 可用于大量程測(cè)量 可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量 易于實(shí)現(xiàn)測(cè)量及數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化 抗干擾能力強(qiáng) 怕振動(dòng)、油污 高精度光柵制造成本高,37,脈沖編碼器又稱碼盤，是一種回轉(zhuǎn)式數(shù)字測(cè)量元件，通常裝在被檢測(cè)軸上，隨被測(cè)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，可將被測(cè)軸的角位移轉(zhuǎn)換為增量脈沖形式或絕對(duì)式的代碼形式。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測(cè)方式碼盤可分為接觸式、光電式和電磁式3種。其中，光電碼盤在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用較多，而由霍爾效應(yīng)構(gòu)成的電磁碼盤則可用作速度檢測(cè)元件。另外，它還可分為絕對(duì)式和增量式兩種。,3.7. 脈沖編碼器,38,. 增量脈沖編碼器,結(jié)構(gòu)及工作原理,信號(hào)處理裝置,a,b,z,碼盤基片,透鏡,光源,光敏元件,透光狹縫,光欄板,光源,39,光電碼盤隨被測(cè)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，在光源的照射下，透過(guò)光電碼盤和光欄板形成忽明忽暗的光信號(hào)，光敏元件把此光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)信號(hào)處理裝置的整形、放大等處理后輸出。輸出的波形有六路： 的取反信號(hào)。,A,B,90,Z,碼盤轉(zhuǎn)一圈,其中，,是,40, 輸出信號(hào)的作用及其處理, A、B兩相的作用 根據(jù)脈沖的數(shù)目可得出被測(cè)軸的角位移； 根據(jù)脈沖的頻率可得被測(cè)軸的轉(zhuǎn)速； 根據(jù)A、B兩相的相位超前、滯后關(guān)系可判斷被測(cè)軸旋轉(zhuǎn)方向。 后續(xù)電路可利用A、B兩相的90相位差進(jìn)行細(xì)分處理（四倍頻電路實(shí)現(xiàn)）。,A,B,CP,90O,41, Z相的作用 被測(cè)軸的周向定位基準(zhǔn)信號(hào)； 被測(cè)軸的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)記數(shù)信號(hào)。 的作用 后續(xù)電路可利用A、 兩相實(shí)現(xiàn)差分輸入，以消除遠(yuǎn)距離傳輸?shù)墓材８蓴_。,Z,碼盤轉(zhuǎn)一圈,42,增量式碼盤的規(guī)格及分辨率,規(guī)格 增量式碼盤的規(guī)格是指碼盤每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的脈沖數(shù)； 現(xiàn)在市場(chǎng)上提供的規(guī)格從 36線/ 轉(zhuǎn) 到 10萬(wàn)線 /轉(zhuǎn) 都有； 選擇：伺服系統(tǒng)要求的分辨率； 考慮機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)。 分辨率（分辨角） 設(shè)增量式碼盤的規(guī)格為 n 線/轉(zhuǎn)：,43,提高增量式光電編碼器分辨率的方法 提高圓周的等分狹縫的密度 增加光電盤的發(fā)訊通道 使盤上有若干大小不等的同心圓環(huán)狹縫（碼道），光電盤轉(zhuǎn)一周，發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)增多，分辨率提高。 增量式編碼器的缺點(diǎn) 有可能產(chǎn)生計(jì)數(shù)錯(cuò)誤（由于噪聲或其它外界干擾） 若因停電、刀具破損而停機(jī)，事故排除后不能找到事故前執(zhí)行部件的正確位置,44,. 絕對(duì)式編碼器,碼盤基片上有多圈碼道，且每碼道的刻線數(shù)相等； 對(duì)應(yīng)每圈都有光電傳感器； 輸出信號(hào)的路數(shù)與碼盤圈數(shù)成正比； 檢測(cè)信號(hào)按某種規(guī)律編碼輸出，故可測(cè)得被測(cè)軸的周向絕對(duì)位置。,45,絕對(duì)編碼盤的編碼方式 及特點(diǎn) 二進(jìn)制編碼： 特點(diǎn)：編碼循序與位置循序相一致，但可能產(chǎn)生非單值性誤差。 誤差分析：,1000,1111,46, 格雷碼 （循環(huán)碼、葛萊碼） 特點(diǎn)：任何兩個(gè)編碼之間只有一位是變化的，因而可把誤差控制在最小單位上。但編碼與位置循序無(wú)直接規(guī)律。,47,格雷碼的編碼方法 它是從二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換而來(lái)的，轉(zhuǎn)換規(guī)則為： 將二進(jìn)制碼與其本身右移一位后并舍去末位的數(shù)碼作不進(jìn)位加法，得出的結(jié)果即為格雷碼(循環(huán)碼)。 例題： 將二進(jìn)制碼0101轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的格雷碼：,48,絕對(duì)式碼盤的規(guī)格及分辨率,規(guī)格 絕對(duì)式碼盤的規(guī)格與碼盤碼道數(shù) n 有關(guān)； 現(xiàn)在市場(chǎng)上提供從 4道 到 18道 都有； 選擇：伺服系統(tǒng)要求的分辨率； 考慮機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)。 分辨率（分辨角） 設(shè)絕對(duì)式碼盤的規(guī)格 n 道：,49,. 光電編碼器的特點(diǎn)