23/23HYPERLINK"/"應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床方面的傳感器物理031班0361005伍文彬

數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機(jī)械運(yùn)動和工作過程進(jìn)行操縱的技術(shù)，數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術(shù)范圍覆蓋專門多領(lǐng)域：(1)機(jī)械制造技術(shù)；(2)信息處理、加工、傳輸技術(shù)；(3)自動操縱技術(shù)；(4)伺服驅(qū)動技術(shù)；(5)傳感器技術(shù)；(6)軟件技術(shù)等。數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床的測量系統(tǒng)是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件,尤其是機(jī)床的測量系統(tǒng),它是保證機(jī)床高精度的前提條件。一、時柵傳感器在數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用時柵傳感器在數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用王彥剛,等《自動化儀表》第27卷第1期2006年1月新型的智能位移傳感器-時柵傳感器,通過將其信號轉(zhuǎn)化為數(shù)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)測量接口信號,實(shí)現(xiàn)了用時柵位移傳感器代替數(shù)控系統(tǒng)中的光柵傳感器。由于時柵傳感器的性價比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于光柵傳感器(與同等精度的光柵位移傳感器相比,其價格約為光柵的1/10,從而顯著降低了數(shù)控系統(tǒng)的成本。1時柵傳感器工作原理及其信號輸出時柵傳感器是按照時空坐標(biāo)轉(zhuǎn)換思想:“它是由建立相對勻速運(yùn)動雙坐標(biāo)系(即一個坐標(biāo)系上的位置之差(位移)表現(xiàn)為另一個坐標(biāo)系統(tǒng)上觀查到的時刻之差”)而研制的一種新型位移傳感器。它擺脫了以往位移傳感器采納高周密機(jī)械加工和裝配來保證精度的傳統(tǒng)思路,而是采納測量時刻的方法,用微型計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)測量的高精度。最近,中國測試技術(shù)研究院參照J(rèn)JG900“光電軸角編碼器檢定規(guī)程”檢定時柵傳感器的精度為±018″。時柵的差不多工作原理是通過測量動坐標(biāo)系上的觀看點(diǎn)每次到動測頭和定測頭時的時刻差,來測量位移量(為時刻差與勻速V之積)。其原理如圖1所示。圖1時柵原理圖時柵設(shè)計(jì)輸出信號為三路信號。分不為方向信號D、增量信號P和零位脈沖信號Z。三信號為標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平信號,其體波行如圖2所示。增量信號為離散的脈沖信號,即傳感器每80μs(時柵旋轉(zhuǎn)磁場周期)輸出一組方波信號;方向信號為電平信號,正轉(zhuǎn)時為高電平,反轉(zhuǎn)時為低電平;零位信號為脈沖信號,傳感器每轉(zhuǎn)360°輸出一個脈沖信號。在設(shè)計(jì)時柵信號轉(zhuǎn)換接口電路時,考慮到測量系統(tǒng)的實(shí)時性,采納了全硬件接口電路。時柵傳感器轉(zhuǎn)換接口電路原理圖如圖3所示。圖3電路原理圖接口電路中74LS74型D觸發(fā)器電路為二分頻電路。將其反相輸出端.Q接到其D輸入端,當(dāng)輸入信號的第一個上升沿到來時,觸發(fā)器都將翻轉(zhuǎn)一次,因此在輸出端得到的信號頻率只有原信號的一半,如此就得到一個對CLK端輸入的信號進(jìn)行二分頻的電路;接口電路的其余部分為簡單的邏輯電路。如圖3所示,將時柵傳感器的方向信號和增量信號接入轉(zhuǎn)換接口電路后,當(dāng)方向信號D為高電平常(正轉(zhuǎn)),與門4A關(guān)閉,與門5A打開,增量信號P通過與門5A和或門6A,與增量信號P的二分頻電路異或后生成比增量信號P的二分頻信號(A相信號)滯后90°的同頻信號(B相信號),如圖4正轉(zhuǎn)信號所示;當(dāng)圖4反轉(zhuǎn)信號分析方向信號D為低電平常(反轉(zhuǎn)),與門5A關(guān)閉,與門4A打開,增量信號P取反后通過與門4A和或門6A,圖4反轉(zhuǎn)信號分析與增量信號P的二分頻電路(A相信號)異或后生成比增量信號P二分頻信號超前90°的同頻信號(B相信號),時柵傳感器轉(zhuǎn)換接口電路輸出反轉(zhuǎn)信號如圖所示。從接口輸出信號分析能夠看出,采納全硬件設(shè)計(jì)的時柵信號轉(zhuǎn)換電路能夠?qū)r柵輸出信號轉(zhuǎn)換化數(shù)控系統(tǒng)中定義的測量輸入信號,再依照數(shù)控系統(tǒng)中定義的接口標(biāo)準(zhǔn)為5V方波差分信號,將轉(zhuǎn)換接口輸出信號設(shè)計(jì)為差分輸出,與數(shù)控系統(tǒng)的測量接口進(jìn)行匹配即可實(shí)現(xiàn)用性價比高的時柵傳感器替換光柵傳感器。二、高精度定位傳感器及其在混聯(lián)切削機(jī)器人中的應(yīng)用樊澤明等:高精度定位傳感器及其在混聯(lián)切削機(jī)器人中的應(yīng)用西安理工大學(xué)學(xué)報JournalofXi’anUniversityofTechnology(2002)Vol.18No.1一般數(shù)控機(jī)床一般通過對刀來確定工件與刀具之間精確的位置關(guān)系,其零點(diǎn)僅作為停止參考位置,回零的精度并不作為機(jī)床性能的一項(xiàng)重要指標(biāo),而將加工對刀或更換零件時的刀具和工作臺所在的位置作為零件加工的精確位置。一般用行程開關(guān)及伺服驅(qū)動電機(jī)自帶的編碼器組成的回零定位系統(tǒng),其定位精度取決于下面兩點(diǎn):①編碼器的精度;②運(yùn)動部件的質(zhì)量、回零運(yùn)動速度、驅(qū)動系統(tǒng)剛度及摩擦特性等。而對由串、并聯(lián)組成的混聯(lián)自由度切削機(jī)器人,一則其結(jié)構(gòu)由多個直線移動關(guān)節(jié)和回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成,特不關(guān)于由多分支組成的并聯(lián)部分,不但有單個分支多關(guān)節(jié)的誤差,而且有分支之間的耦合誤差;二則加工復(fù)雜零件是其突出優(yōu)點(diǎn),而此類零件一般具有多品種、小批量、工藝復(fù)雜等特點(diǎn)。如此,由于工件更換及品種變化緣故,或者同一工件由于加工過程中需要熱處理、變換機(jī)床等工藝緣故,以及由于機(jī)床故障或換班等停機(jī)緣故,使機(jī)器人多次頻繁對刀。因此若采納傳統(tǒng)的回零定系統(tǒng),不僅阻礙加工精度,而且降低加工效率。針對上述問題,本文設(shè)計(jì)了一種簡單的高精度定位傳感器,并將其用于混聯(lián)切削機(jī)器人串聯(lián)部分的單軸回零和并聯(lián)部分的動平臺回零定位。從而實(shí)現(xiàn)由并聯(lián)驅(qū)動的動平臺和串聯(lián)驅(qū)動的工作臺快速、精確回零及得到二者精確的位置關(guān)系,實(shí)現(xiàn)其自動快速適應(yīng)混聯(lián)切削機(jī)器人的加工要求。自動定位高精度傳感器1.1差不多結(jié)構(gòu)及定位原理為了提高切削機(jī)器人的工作效率,一般要求定位精度高,定位速度快。但定位速度過大,將會使被定位件產(chǎn)生定位動態(tài)誤差。對此,文獻(xiàn)[4]對定位速度做了一定的研究。本定位傳感器由減速信號產(chǎn)生單元、準(zhǔn)停信號產(chǎn)生單元、定位失效處理單元組成,其示意圖如圖1所示。其中,減速信號產(chǎn)生單元由觸發(fā)球等組成;準(zhǔn)停信號產(chǎn)生單元由高精度的準(zhǔn)停球等組成;定位失效處理單元由彈性鉸等組成。負(fù)極電纜接被定位件,正極電纜接定位傳感器。定位原理如下:由被定位件上負(fù)極與定位傳感器的正極形成電開關(guān)。當(dāng)被定位件與觸發(fā)球接觸時,將減速信號輸入操縱器開始以比較大的加速度進(jìn)行減速(同時由減速單元磁性元件將觸發(fā)球通過壓縮彈簧拉回),減速到設(shè)定的速度后由操縱器產(chǎn)生二次減速信號,并進(jìn)行平穩(wěn)減速至均勻運(yùn)動,以保證被定位件以恒定低速與準(zhǔn)停球接觸,同時采納電路來消除正負(fù)極接觸時由于抖動產(chǎn)生的阻礙,從而實(shí)現(xiàn)高精度定位的目的。同時考慮到定位失效后損壞定位傳感器及其它機(jī)器人部件,加入了失效處理單元。即當(dāng)定位失效后,壓縮彈性絞產(chǎn)生微小變形,使彈性鉸形成的負(fù)極與定位座的正極接觸產(chǎn)生失效處理信號并輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行失效處理,運(yùn)動部件反向運(yùn)動。右圖1定位傳感器結(jié)構(gòu)示意圖定位過程斷開接觸器,由彈簧將減速信號產(chǎn)生單元的觸發(fā)球彈出到圖1位置,使之處于等待接觸狀態(tài),并同時將負(fù)極與被定位件接通,啟動被定位運(yùn)動部件。當(dāng)此運(yùn)動部件接觸到觸發(fā)球時,則以被定位運(yùn)動件為負(fù)極和觸發(fā)球?yàn)檎龢O的電開關(guān)信號接通,產(chǎn)生大的加速度減速信號,并將此信號接入計(jì)算機(jī)的I?O卡,使計(jì)算機(jī)操縱被定位件以比較大的加速度進(jìn)行減速。同時接通接觸器,由接觸器將觸發(fā)球拉回來,則可保證定位時觸發(fā)球正極與被定位運(yùn)動件負(fù)極斷開,為定位信號的產(chǎn)生提供可能(因?yàn)橛|發(fā)球和準(zhǔn)停球同接正極,被定位運(yùn)動件接負(fù)極,若不斷開,即使準(zhǔn)停球與被定位件接觸,也無法產(chǎn)生定位圖2定位實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描述圖信號)。當(dāng)減速到設(shè)定的速度后由操縱器產(chǎn)生二次減速信號并進(jìn)行小加速度平穩(wěn)減速,減速到設(shè)定的恒定低速后以勻速運(yùn)動。一旦準(zhǔn)停球與被定位運(yùn)動件接觸時,定位電路趕忙產(chǎn)生定位信號,通過硬件電路鎖定伺服驅(qū)動器,同時將此信號接入I?O板,從而實(shí)現(xiàn)精確定位。定位實(shí)驗(yàn)定位傳感器安裝在切削機(jī)器人直線移動關(guān)節(jié)上,并接電源正極,被定位運(yùn)動件接電源的負(fù)極,將被定位件接觸到觸發(fā)球與其接觸到準(zhǔn)停球之間的距離大約定為5mm左右。通過計(jì)算機(jī)自動操縱定位,采納高精度激光干涉儀(英國ML10)進(jìn)行測量,重復(fù)進(jìn)行1500次多時期定位實(shí)驗(yàn)。為便于描述,其中每測100次取其中定位誤差E最大值的1次描述在圖2上。由實(shí)驗(yàn)知,此定位傳感器的定位誤差在1×10-6m以下,作為定位傳感器是可行的。串聯(lián)軸和并聯(lián)動平臺的自動回零及定位以三軸串聯(lián)(x軸、y軸、C軸)和三軸并聯(lián)(z軸、A軸、B軸)混聯(lián)切削機(jī)器人為例進(jìn)行講明。工作臺的回零定位工作臺由串聯(lián)部分驅(qū)動,既有直線移動關(guān)節(jié)x軸和y軸,又有回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)C軸。關(guān)于直線移動關(guān)節(jié)x軸和y軸可將負(fù)極接移動部件上,定位傳感器裝在相對靜止的部件上;關(guān)于回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)C軸,其精度受半徑阻礙,半徑越大,誤差越大。故而,回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可將定位傳感器安裝在回轉(zhuǎn)工作臺的外邊緣相對靜止的零件上,負(fù)極接回轉(zhuǎn)工作臺的回轉(zhuǎn)件上。2.2動平臺回零定位并聯(lián)部分比較復(fù)雜,因?yàn)閯悠脚_的零位包括z軸零位和A、B軸零位。而動平臺的零位精度與三個分支的回零精度和運(yùn)動誤差(含結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差及變形誤差)有關(guān)。本文在并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)差不多識不和校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上[6],進(jìn)行動平臺的回零定位。本系統(tǒng)采納粗定位和精定位的兩級定位方法,立即定位傳感器分不安裝在各分支直線移動關(guān)節(jié)上以實(shí)現(xiàn)動平臺的粗定位,然后用安裝在工作臺上的校準(zhǔn)定位傳感器組來進(jìn)行動平臺的回零精定位。校準(zhǔn)回零定位傳感器組所用的傳感器與2.1節(jié)所用的單軸回零定位傳感器結(jié)構(gòu)相同,但定位過程不同。單軸回零定位用傳感器被定位件與準(zhǔn)停球一接觸即定位;而傳感器組所用的傳感器在彈性鉸同意的范圍內(nèi),按動平臺指令進(jìn)行定位。此精定位傳感器組的位置及安裝精度預(yù)先在三坐標(biāo)測量機(jī)上校準(zhǔn)。基準(zhǔn)規(guī)安裝在動平臺上,亦預(yù)先用三坐標(biāo)測量機(jī)校準(zhǔn),使其基準(zhǔn)面與動平臺上三鉸所決定的動平臺虛擬平面平行。具體定位過程如下(圖3):三、線切割加工檢測斷絲的傳感器樊琳陳齊漢線切割加工檢測斷絲的傳感器蘇州大學(xué)江蘇省蘇州市215021數(shù)控電火花線切割機(jī)床是使用一根移動著的細(xì)金屬絲(Φ0.10～Φ0.30mm銅絲或鉬絲)作工具電極,并在工具電極與工件之間通以脈沖電流,使工件產(chǎn)生電腐蝕而加工成一定形狀和尺寸的機(jī)床。在線切割加工中,工具電極由于自身電腐蝕損耗或使用不當(dāng)?shù)纫蛩?經(jīng)常會發(fā)生斷絲現(xiàn)象。國內(nèi)生產(chǎn)的普及型數(shù)控高速走絲線切割機(jī)床一般不能做到斷絲自動停機(jī),自動化功能比較低,操縱方式不完善,阻礙工件加工質(zhì)量。隨著數(shù)控機(jī)床加工自動化的深入進(jìn)展,利用傳感器技術(shù)檢測斷絲狀況,將傳感器檢測到的信號送入操縱系統(tǒng)處理,通過判不,操縱加工過程,已成為數(shù)控線切割機(jī)床自動化加工的趨勢。本文介紹的一種傳感器可用于線切割機(jī)床加工時工具電極斷絲狀況的檢測。傳感器的原理和使用方法實(shí)現(xiàn)線切割加工斷絲的自動操縱,信號源的確定與傳感器的選擇是關(guān)鍵。在線切割機(jī)床上直接用機(jī)械式傳感器檢測工具電極是否斷絲比較困難,也不現(xiàn)實(shí)。通過多種方案的試驗(yàn)比較,最后選擇工件和工具電極之間的高頻脈沖電流作為信號源,機(jī)床正常加工高頻信號存在(見圖1),當(dāng)工具電極斷絲信號隨之消逝。為了使高頻信號檢測不阻礙電火花線切割放電性能,檢測方式采納電磁感應(yīng)技術(shù),依照法拉第電磁感應(yīng)定律,在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小,跟穿過這一回路的磁通量的變化率成正比。公式為:以上公式表明,感應(yīng)電動勢ε除了和磁通量的變化率成正比外,還和線圈匝數(shù)n有關(guān)。在研制過程中,我們選用了CJ10-10中間繼電器的空心線圈作為傳感器,該空心線圈約8750±10匝,線圈電壓為380V,銅絲直徑Φ0109mm.線切割機(jī)床采納正極性加工,即脈沖電源的正極接工件,負(fù)極接工具,脈沖電源的作用是將工頻的交流電流轉(zhuǎn)換成一定頻率的單向脈沖電流,以供給電極放電間隙所需要的能量來蝕除金屬。當(dāng)工具和工件之間有脈沖電流通過時,脈沖電源和工件之間的導(dǎo)線周圍存在著高頻直流的磁場,該磁場的磁感應(yīng)線是以導(dǎo)線上各點(diǎn)為同心圓,同時都在跟導(dǎo)線垂直的平面上。從理論上,將導(dǎo)線從傳感器中穿過,傳感器受到磁感應(yīng)線的作用,產(chǎn)生感應(yīng)電流。實(shí)際上,由于線圈中間有12×18(mm)的空心,感應(yīng)的信號專門弱專門弱,一般測量方法檢測困難。為了增加感應(yīng)電流的強(qiáng)度,實(shí)際使用將導(dǎo)線在空心線圈表面繞一圈,讓導(dǎo)線和線圈緊貼,增強(qiáng)感應(yīng)效果。傳感器使用方法如圖2所示。實(shí)驗(yàn)證明,選擇最小電規(guī)準(zhǔn),用約0.2A的高頻電流切割3mm左右的金屬片,用萬用表測量空心線圈的兩端點(diǎn),線圈感應(yīng)電壓約為1～2V.假如用示波器看波形,檢測的信號和高頻電源的波形一致。傳感器的配用電路測斷絲傳感器和配用電路的原理框圖見圖3,依據(jù)原理框圖研制的電路圖如圖4所示。圖4中L為傳感器。機(jī)床正常工作,在傳感器L的兩端會感應(yīng)出一個高頻信號。該信號經(jīng)D1整流后,加R1上。電路中由RP1產(chǎn)生一個標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值,輸入信號和標(biāo)準(zhǔn)值信號連接N1成比較放大器。標(biāo)準(zhǔn)值的確定,要緊依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,傳感器的感應(yīng)信號的強(qiáng)弱和加工電流的大小有直接關(guān)系,機(jī)床正常加工感應(yīng)信號可不能低于1V,考慮到切割機(jī)床加工中的其它因素,標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)定為1V.為了能滿足不同型號的線切割機(jī)床的應(yīng)用,標(biāo)準(zhǔn)值的大小能夠通過RP1進(jìn)行調(diào)節(jié)。信號處理由延遲和信號放大二部分電路組成。設(shè)計(jì)延遲電路要緊是為了防止執(zhí)行元件誤動作,由D2、R2、DW1、C、RP2與R4串聯(lián)組成,RP2可依照機(jī)床加工實(shí)際情況調(diào)節(jié)延遲時刻。普及型高速走絲線切割機(jī)床工作時,運(yùn)絲電機(jī)帶動貯絲筒一起連續(xù)不斷地正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子正反轉(zhuǎn)交換瞬間,工具電極速度瞬時為零。為防止高頻電流燒斷工具電極,高頻電流會自動中斷1～2s.采納延遲電路,使檢測到的高頻信號保持2s左右,以免執(zhí)行元件J誤動作。若無延遲電路,感應(yīng)信號瞬間消逝,執(zhí)行元件J會立即動作,使機(jī)床不能正常工作。信號放大電路由兩個運(yùn)算放大器組成,設(shè)計(jì)信號放大電路是為了將信號放大來推動執(zhí)行元件。N1接成比較放大器,N2接成比較器,LED1上的電壓既是N2的基準(zhǔn)電壓,還可作為電源正常工作的指示信號(綠色)。經(jīng)N1放大的檢測信號由延遲電路保持?jǐn)?shù)秒后送到N2的反相端,與R3產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓比較后送到BG的基極,BG的集電極操縱執(zhí)行元件,即一個中間繼電器。當(dāng)檢測到高頻信號時,N2輸出“0”電平,執(zhí)行元件不動作;當(dāng)高頻信號消逝時,N2輸出“1”電平,執(zhí)行元件切斷有關(guān)電源。LED2為機(jī)床斷絲狀況的指示信號(紅色)。電路板所需要的電源可配備一個穩(wěn)壓電源或直接從線切割機(jī)床內(nèi)部配備的穩(wěn)壓電源中引出。該電路板的工作電源耗電專門少,約3W左右,假如從機(jī)床內(nèi)部配備的穩(wěn)壓電源中引出,可不能阻礙機(jī)床電氣性能。四、物體速度傳感器圖1光電檢測運(yùn)動物體的速度（長度）示意圖1—光源A2—光敏元件VDA3—運(yùn)動物體4—光源B5—光敏元件VDB6—RS觸發(fā)器7—高頻脈沖信號源8—計(jì)數(shù)器9—顯示器當(dāng)物體自左向右運(yùn)動時，首先遮斷光源A的光線，光敏元件VDA輸出低電平，觸發(fā)RS觸發(fā)器，使其置“1”，與非門打開，高頻脈沖能夠通過，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。當(dāng)物體通過設(shè)定的S0距離而遮擋光源B時，光敏元件VDB輸出低電平，RS觸發(fā)器置“0”，與非門關(guān)閉，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。設(shè)高頻脈沖的頻率f=1MHz，周期T=1μs，計(jì)數(shù)器所計(jì)脈沖數(shù)為n，則可推斷出物體通過已知距離S0所經(jīng)歷的時刻為（單位為μs），則運(yùn)動物體的平均速度為應(yīng)用上述原理，還能夠測量出運(yùn)動物體的長度L五、旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和工作原理定子轉(zhuǎn)子S1定子轉(zhuǎn)子S1R1S2S3S4R2R3R4分類：有電刷、集電環(huán)結(jié)構(gòu)和無刷結(jié)構(gòu)單對極元件、多對極元件（或稱多極元件）工作原理：電磁感應(yīng)