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1、第6章 位置检测装置,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。,一、概 述,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，将运动部件实际位置反馈到位置控制单元，以实施闭环控制，从而提高机床的定位精度和加工精度。,一、概 述,进给伺服系统对位置检测装置的要求高可靠性和高抗干扰性：能满足精度和速度的要求：使用维护方便，适应机床工作环境；成本低。,.位置检测装置的分类,按输出信号的形式分类：数字式和模拟式按测量基点的类型分类：增量式和绝对式按位置检测元件的运动形式分类：回转型和直线型,一、概 述,常用位置检测装置分类表,一、概 述,二、光栅 P2
2、00,可以测量长度、角度、速度等,在真空镀膜的透明玻璃或金属镜面上用光刻出的一些平行、等距的密集线纹。,（一）计量光栅的分类,按照不同的方法可分：直线光栅和圆形光栅；透射光栅和反射光栅；增量式光栅和绝对式光栅等。,1、直线光栅（1）玻璃透射光栅 在玻璃表面刻有透明和不透明的间隔相等的线纹,特点：,光源可以采用垂直入射光，信号幅值比较大，光电转换元件结构简单。单位长度上所刻的条纹数比较多分辨率一般可达0.01mm，使检测电子线路大大简化。但其长度不能做得太长，容易破碎。目前可达到2m左右。,（2）金属反射光栅,在钢尺或不锈钢表面上用照相腐蚀工艺制作线纹，或用钻石刀刻制条纹。,线膨胀系数很容易做到
3、与机床的床身材料一致，可补偿热变形的影响，可做成长光栅，不易破碎。标尺光栅安装在机床上所需的面积小，而且安装调整方便，可以直接用螺钉或压板固定在机床床身上。常用的反射光栅每毫米的线纹数为4、10、25、40、50,特点：,2、圆光栅测量角位移,圆光栅是在玻璃盘的外环端面上做成黑白相间的线纹，线纹呈辐射状，线纹之间夹角相等。三种线纹数制 60进制，如10800、21600、32400、64800等 10进制，如1000、2500、5000等；2进制，如512、1024、2048等。,（二）直线透射光栅的工作原理,直线透射光栅实质上是一种增量式编码器，它是通过形成莫尔条纹、光电转换辨向和细化等环节
4、实现数字计量的。,在真空镀膜的透明玻璃或金属镜面上用光刻出的一些平行、等距的密集线纹。光栅分标尺光栅和指示光栅，当两光栅保持一定间隙平行放置时，并使刻线倾斜一个微小的角度，就会产生明暗交替的干涉条纹莫尔条纹,莫尔条纹的形成,光栅栅距,莫尔条纹节距,暗亮暗亮,暗亮暗亮,暗亮暗亮,（1）放大作用 莫尔条纹的节距为光栅栅距的1 倍。由于很小(小于10)，因此节距W比栅距d放大了很多倍。若当d=0.01mm，=0.01弧度时，则 W=1mm。即将光栅的栅距d放大100倍，转换成莫尔条纹的节距W。,莫尔条纹的特点：,注意：单位为弧度,莫尔条纹的特点：,(2)平均效应 莫尔条纹是由若干线纹组成，例如每毫米
5、100线的光栅，10mm长的莫尔条纹，等亮带由2000根刻线交叉形成。因而对个别栅线的间距误差(或缺陷)就平均化了，在很大程度上消除误差的影响。莫尔条纹的节距误差就取决于光栅刻线的平均误差。,莫尔条纹的特点：,(3)莫尔条纹的移动规律莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例。移动方向：若标尺光栅不动，将指示光栅顺时针方向转动一很小的角度后，当指示光栅向右移动，则莫尔条纹向下移动；反之，指示光栅向左移动，则莫尔条纹向上移动。若将指示光栅逆时针方向转一很小的角度后，并使指示光栅向右移动，则莫尔条纹便向上移动；反之若指示光栅向左移动时，则莫尔条纹向下移动。,为了辨别运动方向，需配置两个彼此错开1/4纹距
6、的光电元件，使输出电信号彼此在相位上差90，若以其中的一个作为参考信号，则另一个信号将超前或滞后参考信号90。,为了进一步提高测量精度，广泛采用倍频电路。,三.脉冲编码器（码盘）P204,是一种回转式数字测量元件，通常装在被检测轴上，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。,分类：增量式：光电式 绝对式：接触式、光电式和电磁式,.增量脉冲编码器,结构及工作原理,玻璃圆盘镀金属膜感光材料照相腐蚀,输出的波形有六路：其中，是 的取反信号。,输出信号的作用及其处理,A、B两相的作用根据脉冲的数目可得出被测轴的角位移；根据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
7、断被测轴旋转方向。,Z相的作用 被测轴的周向定位基准信号；被测轴的旋转圈数计数信号。,增量式码盘的规格及分辨率,规格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/转 到 10万线/转；选择：根据伺服系统要求的分辨率；根据机械传动系统的参数（如传动比、丝杠导程）。,分辨率（分辨角）设增量式码盘的规格为 n 线/转：,增量式码盘的规格:,.绝对式编码器,结构和工作原理 码盘基片上有多圈码道（同心圆环），及若干个等分扇区；每个扇区的码道组成一个数码，透光 为“1”，不透光为“0”，内环码道为数码最高位；输出信号的路数与码道圈数成正比；检测信号按某种规律编码输出，故可测
8、得被测轴的周向绝对位置。,4圈,通过读取编码盘上的代码（图案）来表示轴的位置,二进制编码：特点：编码顺序与位置顺序相一致，但相邻两个二进制数可能有多个码不同，切换时容易产生非单值性误差。误差分析：,0111 1000,绝对编码盘的编码方式及特点,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，因而可把误差控制到最小。但编码与位置顺序无直接规律。,3.绝对式脉冲编码器,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：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，得出的结果即为格雷码(循环码)。,例：将二进制码0101转换成对应的格雷码：,格雷码,二进制编码,绝
9、对式脉冲编码器的规格及分辨率,规格绝对式码盘的规格与码盘码道数 n 有关；现在市场上提供从 4道 到 18道；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）设绝对式码盘的规格 n 道：,位数越多扇区越多制造越困难 在实际应用间接测量直线位移时，可采用组合式绝对码盘。即精计数码盘转一圈粗计数码盘转一格。,光电脉冲编码器的特点,非接触测量，无磨损，码盘寿命长，精度保持性好；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。,四、旋转变压器P192,转角检测元件。结构简
10、单，工作可靠，对环境要求低，信号输出幅度大、抗干扰能力强。被广泛应用在半闭环控制的数控机床上。,常见的旋转变压器一般有两极绕组和四极绕组两种结构形式。两极旋转变压器，定子和转子各有一对磁极。四极绕组各有两对相互垂直的磁极，检测精度较高在数控机床中应用普遍。,1、旋转变压器的结构,1、旋转变压器的结构,2、旋转变压器的工作原理,定子,转子,=0E2=0,=90E2=KE1,转子绕组磁轴与定子绕组磁轴夹角的余角,sin,E2=KE1 sin,3、旋转变压器的应用,对于四极旋转变压器，如果在定子的两个正交绕组中通以满足不同条件的电压，则可以得到两种典型的工作方式：鉴相工作方式和鉴幅工作方式。,如果定
11、子的两相正交绕组分别通以频率和幅值都相等、而相位相差90的激磁交流电压，即,（1）、鉴相工作方式,转子绕组产生感应电动势,（2）鉴幅工作方式,如果定子的两相正交绕组，分别通以频率和相位都相等，而幅值不同（分别与电气角的正弦和余弦成正比的激磁交流电压），即,E2的幅值,不断地调整值，让输出电压信号的幅恒等于0，则可由确定。,幅值,五.感应同步器,利用电磁耦合原理，将位移或转角转变为电信号，借以进行位置检测和反馈控制。感应同步器中有定尺和滑尺两部分，定尺与滑尺平行安装，且保持一定间隙。定尺固定不动，当滑尺移动。定尺上的绕组是连续分布的。滑尺有两个激磁绕组，即正弦绕组A和余弦绕组B，它们在空间位置上
12、相差14节距，节距用2表示，其值一般为2mm。,工作时，当滑尺的绕组上加上一定频率的交流电压后，根据电磁感应原理，定尺上将感应出相同频率的感应电压。通过对感应电压的测量，可以精确地测量出位移量。,1、感应同步器的结构及分类,结构,sin,cos,节距2（2mm）,节距（0.5mm）,定尺,滑尺,分类,(1)标准式 国内生产的标准式感应同步器，其基尺用优质碳素结构铜板制成。用绝缘粘结剂将导片粘在基尺上，根据设计要求用腐蚀方法将导片制成均匀分布的连续绕组。标准式的精度高。(2)窄长式 其定尺的宽度是标准式的12，主要用于安装位置窄小的机床上。(3)带式 采用钢带作为基尺，绕组可用腐蚀法印制在钢带上
13、，两端用固定块固定在机床的床身上。滑尺通过导板夹持在带式定尺上，并与机床运动部件连接，属于普及型的感应同步器。它是组装式结构，安装简单，可做成几米长，测量长度较长，特别适用于通用机床数控化的改装。,上述三种感应同步器的节距为2mm，采用相对坐标系统进行测量。若要测量绝对位置，就需建立一套绝对坐标系统。,圆感应同步器,感应同步器的特点：,(1)检测精度高(2)工作可靠、抗干扰能力强(3)维修简单、寿命长(4)测量距离长(5)结构简单,2、感应同步器的工作原理,U0,U0,1,定尺,滑尺,3、感应同步器的应用,如果在滑尺的两个正余弦绕组中通以满足不同条件的电压，也可以得到两种典型的工作方式：鉴相工
14、作方式和鉴幅工作方式。,鉴相工作方式,给滑尺的两个正余弦绕组分别供以频率和幅值相同，相位差为90的励磁信号：,则滑尺二绕组在定尺绕组中分别产生的感应电动势为：,定尺上输出的感应电压为：,滑尺相对定尺的空间相位角，与滑尺相对于定尺 位移x的关系为：,定尺上输出的感应电压为：,只要测出定尺输出电压的相位，即可测出滑尺相对于定尺的位移。,鉴幅工作方式,滑尺的两个正余弦绕组分别供以频率和相位相同，幅值不同正弦电压：,在定尺绕组上输出的感应电动势：,4、几点说明,感应同步器的测量周期为其绕组的节距2（2mm）感应同步器的测量精度取决于测量电路对输出感应电压的细分精度。现在商品化的感应同步器的输出大多是脉
15、冲量，使其能方便地采用现代的数字处理技术,测量距离长：通过接长可满足大行程测量的要求。,5.感应同步器使用注意事项,在安装方面：保证安装精度（安装面的精度、定尺与滑尺的相对位置精度、接缝的调整精度）加装防护装置（避免切屑、油污、灰尘的影响）,在电气方面：要保证激磁电压波形的对称性和保真性。,六、磁栅,是用电磁方法计算磁波数目的一种位置检测元件可用作直线和角位移的测量。,磁栅检测装置是将具有一定节距的磁化信号，用记录磁头记录在磁性标尺的磁膜上。在检测过程中，用拾磁磁头读取磁性标尺上的磁化信号再转换成电信号，然后通过检测电路把磁头相对于磁尺的位置送给伺服控制系统。,磁栅检测装置由磁性标尺、拾磁磁头
16、和检测电路三部分组成。,磁栅检测装置的组成及特点,制作简单、安装调整方便，对使用环境条件要求较低,1、磁性标尺,常采用不导磁材料做基体，在上面镀上一层1030m厚的均匀磁膜。再用录磁磁头在磁尺上记录节距相等的周期性变化的磁信号，节距通常为005、01、02m等。最后磁尺表面涂上保护层。,磁性标尺按形状分类：,平面实体型磁尺,带状磁尺,线状磁尺,(1)平面实体型磁尺 磁头和磁尺之间留有间隙，磁头固定在带有板弹簧的磁头架上。磁尺的形状和加工精度要求较高，刚性要好，因而成本较高。磁尺长度一般小于600mm，如要在较长的距离内进行测量，必需用几根磁尺接长使用。,(2)带状磁尺,在材料为磷青铜带上镀一层
17、NiCoP合金磁膜，带宽为70mm，厚02mm，最大长度可达15m。工作时磁头与磁尺接触，因而有磨损。由于磁带是弹性件，允许有一定的变形，因此对机械部件的安装精度要求不高。,(3)线状磁尺,在直径为2mm的青铜丝上镀以镍-钴合金或用永磁材料制成。线膨胀系数大，所以不宜做得过长，一般小于1.5m。机械结构可做得很小，通常用于小型精密数控机床、微型量仪或测量机上，其系统精度可达0002300mm。,2、读数磁头,是进行磁电转换的器件。它将反映位置变化的磁化信号检测出来，并转换成电信号输送给检测电路。,为了在低速运动和静止时也能进行位置检测，必须采用一种磁通响应型磁头，而不能采用普通录音机上的速度响
18、应型磁头。,磁通响应型磁头,磁头的输出信号：,在,3、磁栅的工作原理,设置两个或两组间距相差(n1/4)的拾磁磁头，可实现鉴相工作方式和鉴幅工作方式。,将e A移相/2后,幅值恒定、相位与磁头相对于磁性标尺的位移成正比。,（1）鉴相工作方式,（2）鉴幅工作方式,磁头相对于磁尺每移动一个节距发出一个正(余)弦信号，经信号处理后可进行位置检测。,在实际应用过程中，一般选用多个磁通响应型磁头，以一定的方式串联起来，做成一体，称为多间隙磁通响应式磁头。不仅可以提高灵敏度，而且能均化节距误差，并使输出幅值均匀。,本章重点：,位置检测装置的作用增量式脉冲编码器、绝对式脉冲编码器的工作原理；二进制码盘和格雷码码盘的区别莫尔条纹的形成及特点感应同步器、磁栅的工作原理 鉴幅工作方式、鉴相工作方式,
