《第三章 数控机床的位置检测 (PPTminimizer)(精品).ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章 数控机床的位置检测 (PPTminimizer)(精品).ppt（50页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、感应同步器位置检测装置感应同步器位置检测装置旋转变压器位置检测装置旋转变压器位置检测装置磁尺位置检测装置磁尺位置检测装置光栅位置检测装置光栅位置检测装置激光干涉位置检测装置激光干涉位置检测装置脉冲编码器脉冲编码器第第3章章数控机床的位置检测装置数控机床的位置检测装置1基本要求基本要求：1）掌握数控系统中速度检测装置原理及应用。）掌握数控系统中速度检测装置原理及应用。2）掌握数控系统中位置检测装置原理及应用。）掌握数控系统中位置检测装置原理及应用。3）了解数控系统中电流检测元件及应用。）了解数控系统中电流检测元件及应用。重点重点:1）光电脉冲编码器检测逻辑电路原理及波形图。光电脉冲编码器检测逻辑
2、电路原理及波形图。2）光栅尺检测逻辑电路原理及波形图。光栅尺检测逻辑电路原理及波形图。难点难点:对于带有方向端计数器和可逆计数器时，检测电路构对于带有方向端计数器和可逆计数器时，检测电路构成的区别。成的区别。第第3 3章章 数控机床的位置检测装置数控机床的位置检测装置23.1概述概述位置检测装置是数控机床的重要组成部分。作用作用:检测位移位移和速度速度，并发出反馈信号和数控装置发出的指令信号相比较，构成半闭环、闭环控制。33.1概述概述位置检测装置是数控机床的重要组成部分。作用作用:检测位移和速度，并发出反馈信号和数控装置发出的指令信号相比较，构成闭环、半闭环半闭环控制控制。43.1.1要求要
3、求受温度、湿度影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗干扰能力强;在机床执行部件工作范围内，能满足精度和速度要求;使用维护方便，适应机床工作环境；成本低。检测元件的精度指标检测元件的精度指标：系统精度系统精度在一定长度或转角内测量累积误差的最大值 （0.0010.02mm/m，10/360）系统分辨率系统分辨率所能正确检测的最小位移量 0.0010.01mm，2 （取1/31/10机床加工精度）53.1.2位置检测装置的分类位置检测装置的分类数字式测量数字式测量模拟量测量模拟量测量数字式测量数字式测量：被测的量以数字的形式来表示。：被测的量以数字的形式来表示。测量信号为电脉冲，可以直接把它们送入数
4、控装置测量信号为电脉冲，可以直接把它们送入数控装置进行比较、处理。进行比较、处理。特点特点：被测的量转换为脉冲个数，便于显示和处理；被测的量转换为脉冲个数，便于显示和处理；测量精度取决于测量单位，和量程基本无关；测量精度取决于测量单位，和量程基本无关；测量装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力较强测量装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力较强。63.1.2位置检测装置的分类位置检测装置的分类模拟式测量模拟式测量：将被测量用连续变量来表示，如电压变化、相将被测量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等。位变化等。主要用于小量程的测量，如感应同步器的一个主要用于小量程的测量，如感应同步器的一个线距（线距（2m
5、m）内的信号相位变化等。内的信号相位变化等。特点特点：直接测量被测的量，无需变换；直接测量被测的量，无需变换；在小量程内实现较高精度的测量，技术成熟在小量程内实现较高精度的测量，技术成熟。7增量式增量式：只测量位移量。：只测量位移量。测量单位为测量单位为0.01mm，每移动，每移动0.01mm发出一个脉冲信号。发出一个脉冲信号。优点优点：装置简单，任何一个对中点都可作为测量的起点。在装置简单，任何一个对中点都可作为测量的起点。在轮廓控制的数控机床上大都采用这种方式。轮廓控制的数控机床上大都采用这种方式。缺点缺点：在增量式检测系统中，移距是由测量信号计数读出，在增量式检测系统中，移距是由测量信号
6、计数读出，一旦计数有误，以后的测量结果则完全错误。如出某种一旦计数有误，以后的测量结果则完全错误。如出某种事故，无法恢复。事故，无法恢复。绝对式绝对式：对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标起。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。每一个被测点都有一个相应的测量值。8位置检测装置工作原理的分析要点位置检测装置工作原理的分析要点1)要检测的位移反映在要检测的位移反映在位置检测元件位置检测元件的什么的什么部分部分?2)如何将位移转换成相应的如何将位移转换成相应的电信号电信号的检测量的检测量?3)用电的检测信号的用电的检测信号的什么量什么量(脉冲脉冲幅值幅值
7、相位相位频率频率)来标定位移量的大小来标定位移量的大小?93.2感应同步器测量装置感应同步器测量装置3.2.1组成及工作原理组成及工作原理工作原理：工作原理：电磁耦合原理，电磁耦合原理，位移、转角位移、转角电信号电信号滑尺与定尺相互平行，并保持一定的间距。滑尺与定尺相互平行，并保持一定的间距。滑尺通以交流激磁电压，按正弦规律变化的磁场，定尺上滑尺通以交流激磁电压，按正弦规律变化的磁场，定尺上感应电压，定尺上感应电压随位移的变化而变化（相同频率）。感应电压，定尺上感应电压随位移的变化而变化（相同频率）。10滑尺位置感应电压 移动距离 感应电压随滑尺、定尺位置变化感应电压随滑尺、定尺位置变化11规
8、律规律：滑尺移动一个节距 感生电动势按余弦波形变化一个周期2，在一个节距内：检测 的变化，即可检测一个节距内的位移量 。12工作方式工作方式：相位相位工作方式工作方式（鉴相型系统）（鉴相型系统）幅值幅值工作方式工作方式（鉴幅型系统）（鉴幅型系统）相位工作方式相位工作方式：供给滑尺的激磁信号为频率、幅值相同，供给滑尺的激磁信号为频率、幅值相同，相位角相差相位角相差90的交流电压。的交流电压。幅值工作方式幅值工作方式：给滑尺绕组通入相位相同、频率相同，给滑尺绕组通入相位相同、频率相同，但但幅值不同幅值不同的励磁电压。的励磁电压。133.2.2鉴相测量系统鉴相测量系统相位工作方式相位工作方式：供给滑
9、尺的激磁信号为频率、幅值相同，供给滑尺的激磁信号为频率、幅值相同，相位相位角相差角相差90的交流电压。的交流电压。14两绕组在定尺上的两绕组在定尺上的感生电压：感生电压：据线性叠加原理，定尺上感应的据线性叠加原理，定尺上感应的总电压总电压：说明说明：上式建立了感生电压U2与相位 间的关系。153.2.2鉴相测量系统鉴相测量系统鉴别定尺上的感应电压的鉴别定尺上的感应电压的相位相位，可得，可得位移值位移值：鉴相系统结构方框图鉴相系统结构方框图指令信号指令信号 反馈信号反馈信号（感应电压）误差信号误差信号163.2.3鉴幅测量系统鉴幅测量系统幅值工作方式幅值工作方式：滑尺绕组通入相位滑尺绕组通入相位
10、 相同、频率相同、频率 相同，相同，但幅值不同的但幅值不同的励磁电压：励磁电压：（工作台（工作台移动指令移动指令 ）17 幅值工作方式幅值工作方式：定尺上的定尺上的感生电压：感生电压：定尺上感应的定尺上感应的总电压总电压：（正、余弦绕组同时供电，线性叠加）18幅值工作方式幅值工作方式：结论结论：感生电压的幅值 随指令给定的位移量与工作台实际位移量 的差值的正弦规律变化。193.2.3鉴幅测量系统鉴幅测量系统 鉴幅系统结构方框图 脉冲混合器将指令脉冲与反馈脉冲比较，得到跟随误差，经DA变换后为模拟信号控制伺服机构带动工作台移动。20课堂作业班级：序号：姓名：1.解释：解释：对刀点；刀位点；对刀点
11、；刀位点；工件原点；机床原点；编程原点工件原点；机床原点；编程原点2.填空：填空：脉冲当量的值取得越脉冲当量的值取得越，加工精度，加工精度越越。铣削工件外部轮廓时，应采用铣削工件外部轮廓时，应采用向切向切入入/切出。切出。213.3 3.3 旋转变压器位移检测装置（自学）旋转变压器位移检测装置（自学）旋转变压器是一种角度测量元件，它是一种小型交流电机。在旋转变压器是一种角度测量元件，它是一种小型交流电机。在结构上与两相绕组式异步电动机相似，由定子和转子组成，定子绕结构上与两相绕组式异步电动机相似，由定子和转子组成，定子绕组为变压器的原边，转子绕组为变压器的副边。激磁电压接到定子组为变压器的原边
12、，转子绕组为变压器的副边。激磁电压接到定子绕组上，激磁频率通常为绕组上，激磁频率通常为400H400H、500H500H、1000H1000H、3000H3000H、5000H5000H，其结其结构简单、动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度构简单、动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号幅度大，抗干扰性强，工作可靠。大，抗干扰性强，工作可靠。工作原理：工作原理：当激磁电压当激磁电压U U1 1加到定子绕组时，通过电磁耦合，转子绕组中将加到定子绕组时，通过电磁耦合，转子绕组中将产生感生电压，由于转子是可以旋转的，当转子绕组磁轴转到与定产生感生电压，由于转子是可以旋转的，当转子
13、绕组磁轴转到与定子绕组磁轴垂直时，如图（子绕组磁轴垂直时，如图（a a）所示，激磁磁通不穿过转子绕组的横所示，激磁磁通不穿过转子绕组的横截面，因此，感应电压截面，因此，感应电压U U2 2为为0 0。当转子绕组磁轴自垂直位置转过任意。当转子绕组磁轴自垂直位置转过任意角度时，转子绕组的产生的感应电压角度时，转子绕组的产生的感应电压U U2 2为为：U1=Umsin tU2=k U1 sin =ksin t sin 22旋转变压器工作原理图旋转变压器工作原理图233 3.4.4 磁尺测量装磁尺测量装（自学）（自学）磁尺位置检测装置是由磁性标尺、磁头和检测磁尺位置检测装置是由磁性标尺、磁头和检测电路
14、组成。电路组成。利用录磁的原理将一定周期变化的正弦波或脉冲利用录磁的原理将一定周期变化的正弦波或脉冲电信号，用电信号，用录磁磁头录磁磁头记录在磁性标尺的磁膜上，作为记录在磁性标尺的磁膜上，作为测量的基准。检测时，用测量的基准。检测时，用拾磁磁头拾磁磁头将磁性标尺上的磁将磁性标尺上的磁信号转换成电信号，经过检测电路处理后，用以计量信号转换成电信号，经过检测电路处理后，用以计量磁头相对磁尺之间的位移量。磁头相对磁尺之间的位移量。特点：特点：对使用环境的条件要求较低，对周围磁场的抗对使用环境的条件要求较低，对周围磁场的抗干扰能力较强，在油污、粉尘较多的地方使用有较好干扰能力较强，在油污、粉尘较多的地
15、方使用有较好的稳定性。的稳定性。2425磁尺测量装置的磁尺测量装置的组成组成和和工作原理工作原理：磁性标尺是在非导磁材料如铜、不锈钢、玻璃或其磁性标尺是在非导磁材料如铜、不锈钢、玻璃或其他合金材料的基体上，用涂敷、化学沉积或电镀的一层他合金材料的基体上，用涂敷、化学沉积或电镀的一层1020um的导磁材料（的导磁材料（Ni-Co或或Fe-Co合金），在它的表合金），在它的表面上录制相等节距周期变化的磁信号。磁信号的节距一面上录制相等节距周期变化的磁信号。磁信号的节距一般为般为0.05、0.1、0.2、1mm。为了防止磁头对磁性膜的磨为了防止磁头对磁性膜的磨损，通常在磁性膜上涂一层厚损，通常在磁性
16、膜上涂一层厚12mm的耐磨塑料保护层。的耐磨塑料保护层。磁头是进行磁电转换的变换器，它把反映空间位置的磁磁头是进行磁电转换的变换器，它把反映空间位置的磁信号输送到检测电路中去。信号输送到检测电路中去。普通录音机上的磁头输出电压幅值与磁通变化率成普通录音机上的磁头输出电压幅值与磁通变化率成比例，属于速度响应型磁头。根据数控机床的要求，为比例，属于速度响应型磁头。根据数控机床的要求，为了在低速运动和静止时也能进行位置检测，必须采用了在低速运动和静止时也能进行位置检测，必须采用磁磁通响应型磁头。通响应型磁头。263.5光栅位置检测装置光栅位置检测装置光栅用于数控机床作为检测装置，已有光栅用于数控机床
17、作为检测装置，已有几十年几十年的历史，的历史，用以测量用以测量长度、角度、速度、加速度、振动和爬行长度、角度、速度、加速度、振动和爬行等。它等。它是数控机床是数控机床闭环闭环系统用得较多的一种检测装置。系统用得较多的一种检测装置。物理光栅物理光栅刻线细密，栅距刻线细密，栅距0.0020.005mm,光谱分析，波长测定光谱分析，波长测定计量光栅计量光栅栅距栅距0.0040.25mm,常用于数字测量系统常用于数字测量系统计量光栅计量光栅:玻璃玻璃透射光栅透射光栅光源可垂直入射，信号幅度大，读数头结构简单;刻线密度大100条/mm,细分后，分辨率达微米级;易碎，热膨胀系数与机床不一致，影响测量精度.
18、金属金属反射光栅反射光栅钢尺、钢带钢尺、钢带照相腐蚀、钻石刀刻划照相腐蚀、钻石刀刻划热膨胀系数与机床一致，安装调整方便，易接长，不易碎热膨胀系数与机床一致，安装调整方便，易接长，不易碎273.5.1光栅检测的工作原理光栅检测的工作原理组成：组成：1光源光源2聚光镜聚光镜3标尺光栅（长光栅）标尺光栅（长光栅）4指示光栅（短光栅）指示光栅（短光栅）5硅光电池硅光电池标尺光栅长度相当于工作台移动的全行程标尺光栅长度相当于工作台移动的全行程;长短光栅保持长短光栅保持0.050.1mm间隙间隙.283.5.2 3.5.2 莫尔条纹的产生莫尔条纹的产生 标尺光栅和指示光栅的栅距标尺光栅和指示光栅的栅距指示
19、光栅在其自身平面内相对于标尺光栅倾斜一个很小指示光栅在其自身平面内相对于标尺光栅倾斜一个很小的角度的角度,两块光栅的刻线就会相交。当灯光通过聚光镜呈平两块光栅的刻线就会相交。当灯光通过聚光镜呈平行光线垂直照射在标尺光栅上，在与两块光栅线纹相交的钝行光线垂直照射在标尺光栅上，在与两块光栅线纹相交的钝角平分线方向，出现角平分线方向，出现明暗交替明暗交替，间隔相等间隔相等的粗短条纹，称之的粗短条纹，称之为为横向莫尔条纹横向莫尔条纹。形成原因形成原因：对于粗光栅主要是挡光积分效应，对于细光栅则是光线通过线纹衍射后，产生干涉的结果。29 莫尔条纹的特点莫尔条纹的特点 1）放大作用 2）平均效应 莫尔条纹
20、是由若干线纹组成，例如每毫米100线的光栅，10mm长的莫尔条纹，等亮带由2000根刻线交叉形成。因面对个别栅线的间距误差(或缺陷)就平均化了，在很大程度上消除了短周期误差的影响。因此莫尔条纹的节距误差就取决于光栅刻线的平均误差。30 莫尔条纹的特点莫尔条纹的特点 1）放大作用 2）平均效应 3 3）莫尔条纹的移动规律莫尔条纹的移动规律 当光栅向左或向有移动一个栅距，莫尔条纹也当光栅向左或向有移动一个栅距，莫尔条纹也相应地向上或向下准确地移动一个节距相应地向上或向下准确地移动一个节距W。而且莫。而且莫尔条纹的移动还具有以下规律：若标尺光栅不动，尔条纹的移动还具有以下规律：若标尺光栅不动，将指示
21、光栅逆时针方向转一很小的角度后，并使标将指示光栅逆时针方向转一很小的角度后，并使标尺光栅向石移动，则莫尔条纹便向下移动；反之，尺光栅向石移动，则莫尔条纹便向下移动；反之，当标尺光栅向左移动时，则莫尔条纹向上移动。若当标尺光栅向左移动时，则莫尔条纹向上移动。若将指示光栅顺时针方向转动一很小的角度后，当标将指示光栅顺时针方向转动一很小的角度后，当标尺光栅向右移动，则莫尔条纹向上移动；反之，标尺光栅向右移动，则莫尔条纹向上移动；反之，标尺光栅向左移动，则莫尔条纹向下移动。尺光栅向左移动，则莫尔条纹向下移动。313.5.3 3.5.3 辨向辨向 安装两个彼此安装两个彼此错开错开1/4节距节距的的光电元
22、件光电元件，当光栅，当光栅移动时，莫尔条纹通过两个隙缝的移动时，莫尔条纹通过两个隙缝的时间不同时间不同所以所以两个光电元件所获得的电信号虽然波形相同，但两个光电元件所获得的电信号虽然波形相同，但相相相差相差90。若以其一为参考信号，则另一信号超前或。若以其一为参考信号，则另一信号超前或滞后参考信号，由此可判定运动方向。滞后参考信号，由此可判定运动方向。323.5.4 3.5.4 提高光栅分辨精度的措施提高光栅分辨精度的措施 1）提高刻线精度和增加刻线密度）提高刻线精度和增加刻线密度有限有限2）倍频）倍频常用常用四倍颁方案四倍颁方案光栅刻线密度为光栅刻线密度为50线线mm，采用，采用4个光电元件
23、和个光电元件和4个隙缝，每隔个隙缝，每隔14光栅节距产生一个光栅节距产生一个脉冲，分辨精度可提高四倍。脉冲，分辨精度可提高四倍。33四倍颁方案四倍颁方案34353.5.5 3.5.5 光栅位置检测装置的特点光栅位置检测装置的特点 测量精度高测量精度高 可用于大量程测量可用于大量程测量 可实现动态测量可实现动态测量 易于实现测量及数据处理自动化易于实现测量及数据处理自动化 抗干扰能力强抗干扰能力强 怕振动、油污怕振动、油污 高精度光栅制造成本高高精度光栅制造成本高36 脉脉冲冲编编码码器器又称码码盘盘，是一种回转式数字测量元件，通常装装在在被被检检测测轴轴上上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角角
24、位位移移转转换换为为增增量量脉脉冲冲形形式式或或绝绝对对式式的的代代码码形形式式。根据内部结构和检测方式码盘可分为接接触触式式、光光电电式式和电电磁磁式式3 3种种。其中，光光电电码码盘盘在在数数控控机机床床上上应应用用较较多多，而由霍尔效应构成的电磁码盘则可用作速度检测元件。另外，它还可分为绝对式绝对式和增量式增量式两种。3.7.脉冲编码器脉冲编码器371.增量脉冲编码器增量脉冲编码器 结构及工作原理结构及工作原理信号处理装置信号处理装置abz码盘基片透镜光源光敏元件透光狭缝光欄板节距m+/4光源38 光电码盘随被测轴一起转动，在光源的照射下，透过光电码盘和光欄板形成忽忽明明忽忽暗暗的的光光
25、信信号号，光敏元件把此光信号转换成电信号，通过信号处理装置的整形、放大等处理后输出。输出的波形有六路：输出的波形有六路：的取反信号。AB90Z码盘转一圈其中，其中，是39 输出信号的作用及其处理输出信号的作用及其处理 A、B两相的作用两相的作用根据脉冲的数目脉冲的数目可得出被测轴的角位移；根据脉冲的频率脉冲的频率可得被测轴的转速；根据A、B两相的相位超前、滞后关系可判断被测轴旋转方向。后续电路可利用A、B两相的90相位差进行细分处理（四倍频电路实现）。ABCP90O40 Z相的作用相的作用 被测轴的周向定位基准信号；被测轴的旋转圈数记数信号。的作用的作用后续电路可利用A、两相实现差分输入，以消
26、除远距离传输的共模干扰。Z码盘转一圈41q增量式码盘的规格及分辨率增量式码盘的规格及分辨率 规格规格增量式增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数；现在市场上提供的规格从 36线线/转转 到 10万线万线/转转 都有；选择：伺服系统要求的分辨率；考虑机械传动系统的参数。分辨率（分辨角）分辨率（分辨角）设增量式码盘的规格为 n 线/转：42提高增量式光电编码器分辨率的方法提高增量式光电编码器分辨率的方法提高圆周的等分狭缝的密度提高圆周的等分狭缝的密度 增加光电盘的发讯通道增加光电盘的发讯通道 使盘上有若干大小使盘上有若干大小不等的同心圆环狭缝（码道），光电盘转一不等的同心圆环狭缝（码道），光
27、电盘转一周，发出的脉冲个数增多，分辨率提高。周，发出的脉冲个数增多，分辨率提高。增量式编码器的缺点增量式编码器的缺点 有可能产生计数错误（由于噪声或其它外界干有可能产生计数错误（由于噪声或其它外界干扰）扰）若因停电、刀具破损而停机，事故排除后不能若因停电、刀具破损而停机，事故排除后不能找到事故前执行部件的正确位置找到事故前执行部件的正确位置432.绝对式编码绝对式编码器器码盘基片上有多圈码道，且每码道的刻线数相等；对应每圈都有光电传感器；输出信号的路数与码盘圈数成正比；检测信号按某种规律编码输出，故可测得被测轴的周向绝对位置。2322212044绝对编码盘的编码方式绝对编码盘的编码方式及特点及
28、特点 二进制编码：二进制编码：特点：编码循序与位置循序相一致，但可能产生非单值性误差。误差分析：100023222120 111145 格雷码格雷码（循环码、葛莱码）特点：任何两个编码之间只有一位是变化的，因而可把误差控制在最小单位上。但编码与位置循序无直接规律。2322212046格雷码的编码方法格雷码的编码方法 它是从二进制码转换而来的，转换规则为：转换规则为：将二进制码与其本身右移一位后并舍去末位的数码作不进位加法，得出的结果即为格格雷雷码码(循环码循环码)。例题：例题：将二进制码0101转换成对应的格雷码：47q绝对式码盘的规格及分辨率绝对式码盘的规格及分辨率规格规格绝对式码盘的规格与
29、码盘码道数 n 有关；现在市场上提供从 4道道 到 18道道 都有；选择：伺服系统要求的分辨率；考虑机械传动系统的参数。分辨率分辨率（分辨角）设绝对式码盘的规格 n 道：483.光电编码器的特点光电编码器的特点非接触测量，无接触磨损，码盘寿命长，精度保证性好；允许测量转速高，精度较高；光电转换，抗干扰能力强；体积小，便于安装，适合于机床运行环境；结构复杂，价格高，光源寿命短；码盘基片为玻璃，抗冲击和抗震动能力差。49思考与习题思考与习题:1.试述位置检测装置在数控机床中的作用？对它试述位置检测装置在数控机床中的作用？对它有何要求？有何要求？2.试述感应同步器的工作原理，并说明相位工作试述感应同步器的工作原理，并说明相位工作方式。方式。3.通常感应同步器的节距为通常感应同步器的节距为2mm，为什么它可，为什么它可以测到以测到0.01mm或更小的位移量？或更小的位移量？4.透射式光栅的检测原理如何？如何提高其分透射式光栅的检测原理如何？如何提高其分辨率？辨率？5.编码器为何常用循环码？如何对其辨向？编码器为何常用循环码？如何对其辨向？6.如何选用位置检测元件？如何选用位置检测元件？（3 3、6 6为课堂作业为课堂作业）50