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1、第6章 位置检测装置输入装置输出装置计算机数控装置PLC主轴控制单元 主轴机床伺服电机 速度控制单元工作台位置检测反馈装置数控机床的组成 6.1 概 述 组成：位置测量装置是由检测元件（传感器）和信号处理装置组成的。作用：实时测量执行部件的位移和速度信号，并变换成位置控制单元所要求的信号形式，将运动部件现实位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制。它是闭环、半闭环进给伺服系统的重要组成部分。闭环数控机床的加工精度在很大程度上是由位置检测装置的精度决定的，在设计数控机床进给伺服系统，尤其是高精度进给伺服系统时，必须精心选择位置检测装置。位置检测装置按工作条件和测量要求不同，有下面几种分类方法：6.
2、1 概 述 安装的位置及耦合方式直接测量和间接测量；测量方法 增量型和绝对型;检测信号的类型 模拟式和数字式；运动型式 回转型和直线型；信号转换的原理 光电效应、光栅效应、电磁感应原理、压电效应、压阻效应和磁阻效应等。6.1 概 述 直接测量和间接测量 将直线型检测装置安装在移动部件上，用来直接测量工作台的直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，而构成位置闭环控制。优点：准确性高、可靠性好 缺点：测量装置要和工作台行程等长，大型数控机床上受制。直接测量 将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。优点：
3、测量方便、无长度限制 缺点：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，影响测量精度。间接测量 数字式测量和模拟式测量 将被测的量以数字形式来表示，测量信号一般为脉冲，可以直接把它送到数控装置进行比较、处理。信号抗干扰能力强、处理简单。数字式测量 将被测的量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等。它对信号处理的方法相对来说比较复杂。模拟量测量 增量式测量 在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式，增量式测量只测相对位移量，如测量单位为0.001mm，则每移动0.001mm就发出一个脉冲信号，其优点是测量装置较简单，任何一个对中点都可以作为测量的起点，而移距是由测量信号计数累加所得，但
4、一旦计数有误，以后测量所得结果完全错误。增量式测量和绝对式测量绝对式测量 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，每一个被测点都有一个相应的测量值。测量装置的结构较增量式复杂，如编码盘中，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，结构就愈复杂。数控机床检测装置分类 分 类 增 量 式 绝 对 式 位移传感器 回转型脉冲编码器、自整角机、旋转变压器、圆感应同步器、光栅角度传感器、圆光栅、圆磁栅 多极旋转变压器、绝对脉冲编码器 绝对值式光栅、三速圆感应同步器、磁阻式多极旋转变压器 直线型直线应同步器、光栅尺、磁栅尺
5、、激光干涉仪 霍耳位置传感器 三速感应同步器、绝对值磁尺、光电编码尺、磁性编码器 速度传感器 交、直流测速发电机、数字脉编码式速度传感器、霍耳速度传感器 速度角度传感器（Tachsyn）、数字电磁、磁敏式速度传感器 电流传感器 霍耳电流传感器 6.1 概 述 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）易于安装，维护方便，适应机床工作环境；成本低。6.1 概 述 性能指标应包括静态特性和动态特性，主要如下。1.精度 符合输出量与输入量之间特定函数关系的准确程度称作精度。高精度和高速实时测量。2.分辨率 分辩率应适应机床精度和伺服系统的要求。
6、3.灵敏度 灵敏度高、一致。4.迟滞 对某一输入量，传感器的正行程的输出量与反行程的输出量的不一致，称为迟滞。迟滞小。5.测量范围和量程 6.零漂与温漂 其它：可靠，抗干扰性强、使用维护方便、成本低等。6.1 概 述 旋转变压器感应同步器光栅尺编码器磁栅6.3 感应同步器6.4 光栅6.5 编码盘6.2 旋转变压器6.6 磁栅6.7 激光干涉仪 6.2 旋转变压器 旋转变压器（resolver/transformer）是一种电磁式传感器，又称同步分解器。它是一种测量角度用的小型交流电动机，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度，由定子和转子组成。6.2 旋转变压器1.结构有刷旋转变压器结构上看，
7、旋转变压器相当于一台两相的绕线转子异步电动机。其一、二次侧绕组分别放在定、转子上，一次侧绕组与二次侧绕组之间的电磁耦合程度与转子的转角密切相关，输出电压与转子转角成一定函数关系。按照输出电压与转子转角间的函数关系，旋转变压器可以分为：（1）正余弦旋转变压器（2）线性旋转变压器（3）特种函数旋转变压器输出电压与转子转角成正余弦函数关系输出电压在一定转角范围内与转子转角成正比 可见，旋转变压器是将角度信号转换成与其成某种函数关系的电压信号，其主要用途就是进行三角函数计算、坐标变换和角度数据传输等。正余弦旋转变压器为例正弦绕组2.工作原理 6.2 旋转变压器1US1S2S 3S4R2R1q(a)(b
8、)旋转变压器的绕组结构定子绕组 转子绕组余弦绕组励磁绕组电压：输出绕组感应电压：任意夹角时：转子绕组输出电压的幅值严格按照转子偏转角的正弦规律变化3.应用 6.2 旋转变压器(b)转子绕组正弦绕组1US1S2S3S4(a)定子绕组余弦绕组R2R1q鉴相工作方式鉴幅工作方式（1）鉴相工作方式 给定子正交绕组分别输入的激磁信号是频率、幅值相同，相位相差900的交流励磁电压根据叠加原理，转子绕组上的总感应电压为 通过鉴别转子绕组输出电压的相位，即可测量转子相对定子的转角，从而可以求得执行部件的直线位移或角位移。（2）鉴幅工作方式 给定子正交绕组输入的激磁信号电压频率相同、相位相同但幅值不同。式中 给
9、定的电气角。则在转子绕组产生的总感应电压为 由式可知，若电气角 已知，只要测出U的幅值，便能求机械角位移。实际测量时，不断调整，让幅值为KUm，则 的变化量就代表了机械角位移。主要技术数据(1)额定电压。指励磁绕组应加的电压，有12、16、26、36、60、90、110、115、220V等几种。(2)额定频率。指励磁电压的频率，有50Hz、400Hz、500Hz等。选择时应根据自己的需要，一般工频50Hz的使用起来比较方便，但性能会差一些，而400Hz的性能较好，但成本较高，故应选择性价比比较适中的产品。4.选用 6.2 旋转变压器(3)变比。指在规定的励磁一方的励磁绕组上加上额定频率的额定电
10、压时，与励磁绕组轴线一致的处于零位的非励磁一方绕组的开路输出电压与励磁电压的比值，有0.15、0.56、0.65、0.78、1.0和2.0等几种。(4)输出相位移。指输出电压与输入电压的相位差。该值越小越好，一般约在3l2电角度左右。(5)开路输入阻抗（空载输入阻抗）。输出绕组开路时，从励磁绕组看进去的等效阻抗值。标准开路输入阻抗有200、400、600、1000、2000、3000、4000、6000和10000等几种。主要技术数据 6.3 感应同步器 感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置，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。6.3 感应同步器 感应同
11、步器按其结构特点一般分为：直线式 旋转式旋转式感应同步器由转子和定子组成，用于角位移测量。直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量。直线感应同步器结构 U2定尺滑尺余弦绕组 正弦绕组US Uc5.1.1 结构特点 直线感应同步器相当于一个展开的多极旋转变压器，其结构如图所示，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2，这是衡量感应同步器精度的主要参
12、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。U2定尺滑尺余弦绕组 正弦绕组US Uc2 当滑尺任意一绕组加交流激磁电压时，由于电磁感应作用，在定尺绕组中必然产生感应电压，该感应电压取决于滑尺和定尺的相对位置。当只给滑尺上正弦绕组加励磁电压时，定尺感应电压与定、滑尺的相对位置关系如图所示。定 尺 滑 A 尺 Bt241 位 Ct221 置 Dt243 E t2 E A V2 正弦绕组 B D C O P 移动距离定 尺 滑 A
13、尺 Bt241位 Ct221置 Dt243 E t2 如果滑尺处于A位置，即滑尺绕组与定尺绕组完全对应重合，定尺绕组线圈中穿入的磁通最多，则定尺上的感应电压最大。随着滑尺相对定尺做平行移动，穿入定尺的磁通逐渐减少，感应电压逐渐减小。当滑尺移到图中B点位置，与定尺绕组刚好错开1/4节距时，感应电压为零。再移动至1/2节距处，即图中C点位置时，定尺线圈中穿出的磁通最多，感应电压最大，但极性相反。再移至3/4节距，即图中D点位置时，感应电压又变为零，当移动一个节距位置如图中E点，又恢复到初始状态，与A点相同。显然，在定尺移动一个节距的过程中，感应电压近似于余弦函数变化了一个周期，如图中ABCDE。若
14、设定尺绕组节距为2，它对应的感应电压以余弦函数变化了，当滑尺移动距离为时，则对应感应电压以余弦函数变化相位角。由比例关系可得设表示滑尺上一相绕组的激磁电压则定尺绕组感应电压为 式中 K耦合系数；Um激磁电压的幅值；激磁电压的角频率；与位移对应的角度。感应电压的幅值变化规律就是一个周期性的余弦曲线。在一个周期内，感应电压的某一幅值对应两个位移点，如图中M、N两点。为确定唯一位移，在滑尺上与正弦绕组错开1/4节距处，配置了余弦绕组。同样，若在滑尺的余弦绕组中通以交流励磁电压，也能得出定尺绕组感应电压与两尺相对位移的关系曲线，它们之间为正弦函数关系(图中OP)。若滑尺上的正、余弦绕组同时励磁，就可以
15、分辨出感应电压值所对应的唯一确定的位移。E A V2 M N 正弦绕组 余弦绕组 B D C O P 1.鉴相工作方式 供给滑尺的正、余弦绕组的激磁信号是频率、幅值相同，相位相差900的交流励磁电压根据叠加原理，定尺上的总感应电压为 通过鉴别定尺感应输出电压的相位，即可测量定尺和滑尺之间的相对位移。例如定尺感应输出电压与滑尺励磁电压之间的相位差为3.60，当节距为2mm的情况下，表明滑尺移动了?有两种工作方式，鉴相式和鉴幅式。应用0.02mm2.鉴幅工作方式 供给滑尺上正、余弦绕组的励磁电压的频率相同、相位相同但幅值不同。式中 给定的电气角。则在定尺绕组产生的总感应电压为式中 与位移对应的角度
16、。鉴幅式伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此作为位置反馈信号与指令信号进行比较构成闭环伺服系统。由式可知，若电气角已知，只要测出U2的幅值，便能求出与位移对应的角度。实际测量时，不断调整，让幅值为零。设初始位置时，=，U20，当滑尺相对定尺移动后，随着不断增加，U2 0。若逐渐改变值，直至=，U20，此时的变化量就代表了对应的位移量，就可测得机械位移。6.4 光栅 光栅光学原理 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，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
17、。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。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，一般固定在机床床身上，要求与行程等长。短的为指示光栅或短光栅，装在机床工作台上。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。1.长光栅检测装置的结构 6.4 光栅 图 光栅的结构 1-防护垫 2-光栅读数头3-标尺光栅 4-防护罩 VS31243 1 2 4 5标尺光栅图 光栅读数头 1-光源 2-透镜 3-指示光栅4-光敏
18、元件 5-驱动线路 主要结构为标尺光栅和指示光栅栅距和栅距角（两个光栅错开的角度）6.4 光栅 40 当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一小角度放置时，两光栅尺上线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠，遮光面积最小，档光效应最弱，形成明亮条纹，其它部分为黑色条纹，这种明暗相间的条纹称为莫尔条纹。莫尔条纹与光栅线纹几乎成垂直方向排列。严格地说，是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。6.4 光栅 2.工作原理 6.4 光栅 莫尔条纹的特征：（1）莫尔条纹的变化规律 由于光的衍射与干涉作用，莫尔条纹的变化规律近似正（余）弦函数。6.4 光栅（2）放大作用 莫尔条纹宽度W和光栅栅
19、距d、栅线夹角之间关系：W=d/sin 又很小可认为 sin 故 W=d/莫尔条纹宽度W与角成反比，越小，放大倍数越大。例如 d=0.01,=0.01rad,得W=1mm,放大100倍标尺光栅W指示光栅（斜）d 6.4 光栅（3）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。6.4 光栅（4）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d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，
20、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标尺光栅W指示光栅（斜）d标尺方向指示尺转角方向莫尔条纹方向标尺方向指示尺转角方向莫尔条纹方向 6.4 光栅 图光栅测量系统 光栅测量系统，由光源、聚光镜、光栅尺、光电元件和驱动线路组成。读数头光源采用普通的灯泡，发出辐射光线，经过聚光镜后变为平行光束，照射光栅尺。光电元件（常使用硅光电池）接受透过光栅尺光强信号，并将其转换成相应的电压信号。由于此信号比较微弱，在长距离传递时，很容易被各种干扰信号淹没，造成传递失真，驱动线路的作用就是将电压信号进行电压和功率放大。除标尺光栅与工作台一起移动外，光源、聚光镜、指示光栅、光电
21、元件和驱动线路均装在一个壳体内，作成一个单独部件固定在机床上，这个部件称为光栅读数头，又叫光电转换器，其作用把光栅莫尔条纹的光信号变成电信号。采用一个光电元件即只开一个窗口观察，只能计数，却无法判断移动方向。因为无论莫尔条纹上移或下移，从一固定位置看其明暗变化是相同的。为了确定运动方向，至少要放置两个光电元件，两者相距1/4莫尔条纹宽度。当光栅移动时，莫尔条纹通过两个光电元件的时间不同，所以两个光电元件所获得的电信号虽然波形相同，但相位相差90o。根据两光电元件输出信号的超前和滞后，可以确定标尺光栅移动方向。（1）增加线纹密度，能提高光栅检测装置的精度，但制造较困难，成本高。应用光栅，如何提高
22、机床测量精度？（2）通常采用倍频或细分的方法来提高光栅的分辨精度，如果在莫尔条纹的宽度内，放置四个光电元件，每隔1/4光栅栅距产生一个脉冲，一个脉冲代表移动了1/4栅距那么大位移，分辨精度可提高四倍，这就是四倍频方案。Y6微分微分微分整形P1P2P4P3 差动放 大器 差动放 大器整形反相反相Y1Y2Y3Y4Y5Y7Y8微分 B A D C 原理电路图 sin cos A C B DABCDBCBCCDADABADH2H1sincosABCDABCD正向 相加AB+AD+CD+BC反向 相加BC+CD+AD+AB四倍频辨向电路波形 若光栅栅距0.01mm，则工作台每移动0.0025mm，就会送
23、出一个脉冲，即分辨率为0.0025mm。由此可见，光栅检测系统的分辨力不仅取决于光栅尺的栅距，还取决于鉴向倍频的倍数。除四倍频以外，还有十倍频、二十倍频等。6.5 编码盘 脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转角变成电脉冲。6.5 编码盘从输出信号形式分，脉冲编码器分为增量式与绝对式两类。从产生元件上分，脉冲编码器有光电式、接触式、电磁感应式三种，从精度和可靠性来看，光电式较好，数控机床上主要使用的是光电式脉冲编码器。型号用 脉冲数/转（p/r）分，常用的2000，2500，3000p/r,现在有10万p/r以上的产品。它可以用于角度检测，也可用于速度检测。内装式和外装式。6.5 编码盘
24、 接触式编码器是一种旋转式检测装置，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，它能表示绝对位置，没有累积误差，电源切除后，位置信息不丢失，仍能读出转动角度。6.5.1 接触式编码器 如图所示为二进制码盘。它在一个不导电基体上作成许多金属区使其导电，其中有剖面线部分为导电区，用“1”表示；其它部分为绝缘区，用“0”表示。每一径向，由若干同心圆组成的图案代表了某一绝对计数值.6.5.1 接触式编码器 通常，我们把组成编码的各圈称为码道，码盘最里圈是公用的，它和各码道所有导电部分连在一起，经电刷和电阻接电源正极。在接触式码盘的每个码道上都装有电刷，电刷经电阻接到地。当
25、检测对象带动码盘一起转动时，电刷和码盘的相对位置发生变化，与电刷串联的电阻将会出现有电流通过或没有电流通过两种情况。若回路中的电阻上有电流通过，为“1”；反之，电刷接触的是绝缘区，电阻上无电流通过，为“0”。如果码盘顺时针转动，就可依次得到按规定编码的数字信号输出，图示为4位二进制码盘，根据电刷位置得到由“1”和“0”组成的二进制码，输出为0000、0001、00101111。格雷码码盘（右）特点：二进制循环码目的：解决纯二进制码盘（左）数据读数易出现大偏差问题 由图可以看出，码道的圈数就是二进制的位数，且高位在内，低位在外。其分辨角360o/24=22.5o，若是n位二进制码盘，就有n圈码道
26、，分辨角360o/2n，码盘位数越大，所能分辨的角度越小，测量精度越高。若要提高分辨力，就必须增多码道，即二进制位数增多。目前接触式码盘一般可以做到9位二进制，光电式码盘可以做到18位二进制。6.5.1 接触式编码器 光电式脉冲编码器，它由光源、聚光镜、光电码盘、光栏板、光电元件和信号处理电路等组成。6.5.2 光电式编码器 光电码盘是用玻璃材料研磨抛光制成，玻璃表面在真空中镀上一层不透光的铬，然后用照相腐蚀法在上面制成向心透光窄缝。透光窄缝在圆周上等分，其数量从几百条到几千条不等。光栏板也用玻璃材料研磨抛光制成，其透光窄缝为两条，每一条后面安装有一只光电元件。光电码盘与工作轴连在一起，光电盘
27、转动时，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化，光电元件把通过光电盘和圆盘射来的忽明忽暗的光信号转换为近似正弦波的电信号，经过整形、放大、和微分处理后，输出脉冲信号。通过记录脉冲的数目，就可以测出转角。测出脉冲的变化率，即单位时间脉冲的数目，就可以求出速度。6.5.2 光电式编码器电流AB节距tA1B1900脉冲编码器输出波形 为了判断旋转方向，圆盘的两个窄缝距离彼此错开1/4节距，使两个光电元件输出信号相位差900。如右图所示，A、B信号为具有900相位差的正弦波，经放大和整形变为方波A1、B1。设A相比B相超前时为正方向旋转，则B相超前A相就是负方向旋转，利用A相与B相的相位关系可以判别旋
28、转方向。此外，在光电盘的里圈不透光圆环上还刻有一条透光条纹，用以产生每转一个的零位脉冲信号，它是轴旋转一周在固定位置上产生一个脉冲。光电脉冲编码器用于数字脉冲比较伺服系统放大环节 指令信号 比较器 伺服电机 反馈信号 工作台 图 数字比较伺服系统6.5.2 光电式编码器 光电式脉冲编码器通常与电机做在一起，或者安装在电机非轴伸端，电动机可直接与滚珠丝杠相连，或通过减速比为i的减速齿轮，然后与滚珠丝杠相连，那么每个脉冲对应机床工作台移动的距离可用下式计算：6.5.3 编码器的应用式中 脉冲当量（mm/脉冲）；S滚珠丝杠的导程（mm）；i减速齿轮的减速比；M脉冲编码器每转的脉冲数（p/r）。i1个
29、脉冲（）-mmM个脉冲(360，1转)M/i个脉冲（1/i转）-S1/i mm推导：式中 脉冲当量（mm/脉冲）；S滚珠丝杠的导程（mm）；i减速齿轮的减速比；M脉冲编码器每转的脉冲数（p/r）。6.5.2 编码器的应用位移测量 转过角度计量脉冲数目 速度计量脉冲频率 转向A组B组信号相位关系主轴控制l 主轴旋转与坐标轴进给的同步l 主轴定向准停控制l 恒线速切削控制测量速度回参考点控制零标志脉冲6.5.3 编码器的应用本章小结1.旋转变压器 感应同步器结构绕组、定尺、滑尺光栅结构编码器的结构编码方法编码器的工作原理光栅工作原理主光栅，指示光栅，光栅读数头莫尔条纹2.光栅3.脉冲编码器鉴相、鉴幅工作方式定子、转子/