数控机床位置检测装置.ppt

第四部分 数控机床的位置检测装置,第一节 对数控机床位置检测装置的要求,伺服系统是机床的驱动部分，计算机输出的控制信息通过伺服系统和传动装置变成机床运动。位置检测装置是数控机床伺服系统的重要组成部分，其作用是检测位移和速度，发送反馈信号，并与数控装置发出的指令信号比较，若有偏差，则经过放大后控制执行部件向着消除偏差的方向运动，直至偏差为零。,一 开环系统、半闭环系统、闭环系统,1 开环系统 步距角：对应每一个指令脉冲，步进电机转过的角度。 脉冲当量：对应每一个指令脉冲工作台移动的距离。那么， 工作台相对刀具移动距离 = 脉冲当量 * 指令脉冲数 具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，没有位置测量装置，开环系统的加工精度不高。,一 开环系统、半闭环系统、闭环系统,2 半闭环系统 半闭环系统的检测装置安装到驱动装置(常用伺服电机)或丝杠的尾部。 半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。 伺服电机到工作台之间传动装置这块的误差没有得到补偿，因此半闭环系统的精度不如闭环系统的高。 它的优点是结构简单，造价低，安装、调试与维修都很方便，精度也较高。,一 开环系统、半闭环系统、闭环系统,3 闭环系统 闭环系统的检测装置安装到带动刀具或工件移动的部件上，如支撑导轨和移动导轨上，它直接检测的是刀具相对于工件移动的距离，因此它的加工精度较高。 由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都有一定困难。且测量元件一般安装到工作台上，测量元件应与导轨等长，这造成测量元件造价较高，使用维护较困难。,二 数控机床对检测装置的要求,(1)满足数控机床的精度和速度要求 从精度上讲 某些数控机床的定位精度已达到0.0015mm300m 一般数控机床精度要求在 0.0020.01mmm之间 测量系统的分辨率在0.0010.0001mm之间 从速度上讲 进给速度已从1030mmin提高到60120mmin 主轴转速也达到10000rmin，有些高达100000r/min 因此要求检测装置必须满足数控机床高精度和高速度的要求。,二 数控机床对检测装置的要求,(2)工作可靠 有较强的抗干扰能力，外界温湿度的变化对测量结果的影响要小。 (3)便于安装和维护 测量装置有一定的安装精度要求，安装精度要合理。考虑到检测装置的使用环境，整个检测装置要求有较好的防尘、防油雾、防切屑等措施。,三 检测装置的常用类型,表 常用测量装置类型,三 检测装置的常用类型,（1）增量式 原理：被测物体每移动一个测量单位，测量装置发出一个脉冲信号，对脉冲计数并处理就可得到一个位移的增量值。任何一个对中点都可作为测量的起点。 优点：检测装置结构简单，能做到较高精度 缺点： 由于测量装置输出的是脉冲，只能反应有没有移动，不能表示移动方向，因此必须有方向判别电路判别移动方向 一旦计数有误，此后结果全错 若发生故障(如断电、断刀等)，事故排除后再也找不到正确位置,三 检测装置的常用类型,（2）绝对式 原理：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 优点：测量装置的输出能够代表移动件当前的实际位置(坐标值)，移动的方向靠当前值和历史记忆取得，后续处理方便 缺点：结构复杂、制作精度没有增量式的高,三 检测装置的常用类型,1数字式测量和模拟式测量 数字式测量是将被测量单位量化以后用数字形式来表示的。数字测量的输出信号一般是电脉冲，可以把它直接送到数控装置(计算机)进行比较、处理。光栅位移测量装置就是典型的检测装置。数字式测量的特点是： （1）被测量转化成脉冲个数，便于显示和处理； （2)测量精度取决于测量单位，与量程基本无关(当然也有积累误差)； （3)测量装置比较简单，抗干扰能力强。,模拟式测量是将被测量用连续的变量(如相位变化、电压幅值变化)来表示的。在数控机床上，模拟式测量主要用于小量程的测量，例如感应同步器的一个线距内的信号相位变化等。 模拟式测量的特点是： （1)直接测量被测量，无须变换； （2)在小量程内可以实现高精度测量，如旋转变压器、感应同步器等,第二节 增量式光电编码器和绝对式编码盘,一 增量式编码器,1 2 3 4 5,7 6,一 增量式光电编码器工作原理,增量式光电编码器工作原理图,光电脉冲编码器的工作原理 当圆光栅旋转时，光线透过两个光栅的线纹部分，形成明暗相间的条纹。光敏元件接收这些明暗相间的光信号，并转换为交替变化的电信号。该信号为两组近似于正弦波的电流信号A和B，A信号和B信号相位相差90，经过放大和整形变成方波，如图所示。通过两个光栅的信号，还有一个“一转脉冲”(一转发出一个脉冲)，称为Z相脉冲，该脉冲也是通过上述处理得来的。Z相脉冲用来产生机床的基准点，该脉冲以差动形式Z和 (Z的反相)输出。 从图可看出，根据信号A和信号B的发生顺序，即可判断光电编码器轴的正反转。若A相超前于B相，则为正转；若B相超前于A相，则为反转。数控系统正是利用这一相位关系来判断方向的。,在光电编码器的里圈还有一条透光条纹，每转产生一个零位脉冲信号。在进给电动机所用的光电编码器上，零位脉冲用于精确确定机床的参考点，而在主轴电动机上，则可用于主轴准停以及螺纹加工等。,一 增量式光电编码器,光电输出波形和信号处理线路的方块图,一 增量式光电编码器,2 位置和转速测量 （1）位置测量,增量式编码器转角 测量电路原理图,一 增量式光电编码器,（2）转速测量 脉冲频率法：在给定时间t内，对编码器的脉冲进行计数，得一数值N1，设脉冲编码器的每转输出脉冲为N，则转速 n=（N1/N）*（60/t）r/min,一 增量式光电编码器,脉冲周期法：在编码器一个脉冲间隔内，对通过的标准时钟脉冲进行计数，得一数值N2，设脉冲编码器的每转输出脉冲为N，T为标准时钟脉冲周期，则转速 n=60/（2 N2N T）r/min,二 编码盘测量装置,码盘角分辨率 = 360/ 2n,二进制码盘,葛莱码盘,二 编码盘测量装置,工作原理：黑的部分为导电部分表示1，白的部分为绝缘部分表示0，四个码道都装有电刷，最里一圈是公共极。由于四个码道产生四位二进制数，码盘每转一周产生00001111十六个二进制数，编码代表实际角位移，知道了编码就知道了角位移。,图6-7 接触式码盘结构及工作原理,第三节 光栅测量装置,按光路分反射光栅和透射光栅 反射光栅： 优点：膨胀系数与机床材料一致，安装调整方便，可用钢带做成长达数米的长光栅，适于大位移测量的场合 缺点：为了使反射后的莫尔条纹反差较大，每mm内线纹不宜过多，常用的有4、10、25、40、50线/mm 透射光栅： 优点：光电元件直接接受光照，信号幅值大， 信噪比好，光电转换器结构简单，如线性密度200线/mm 缺点：玻璃易破裂，膨胀系数与机床材料不一致，影响测量精度，测量长度在2m以内,第三节 光栅测量装置,按其结构形式分为长光栅和圆光栅 长光栅：测量直线位移 圆光栅：测量角位移 按线纹密度分粗光栅和细光栅,一 光栅测量的工作原理,光栅测量 1-标尺光栅 2-指示光栅 3-光电接收器 4-光源,莫尔条纹示意图,W P /,在光源的照射下，交叉点附近的区域内黑线重叠，透明区域变大，挡光效应最弱，透光的累积使该区域出现亮带；而距交叉点越远的区域，两光栅不透明黑线的重叠部分越少，黑线的挡光效应增强，该区域出现暗带。 这种明暗相间与光栅线纹几乎垂直的条纹称为莫尔条纹。莫尔条纹具有以下特点： （1）放大作用。当两光栅尺线纹之间的夹角很小时，莫尔条纹的节距W和栅距P之间的关系为,(2)平均效应。莫尔条纹由许多明暗相间的条纹组成，如100条mm的光栅，10mm宽的莫尔条纹就由1000条线纹组成，这样对个别线纹的间距误差就不敏感，这在很大程度上消除了栅距刻制不均匀造成的误差。 (3)信息变换作用。莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例。当光栅向左或向右移动一个栅距P时，莫尔条纹也相应地向上或向下准确地移动一个节距W。根据光栅栅距的位移和莫尔条纹位移的对应关系，只要测量出莫尔条纹移过的距离，就可以得出光栅移动的微小距离。 （4）光强分布规律。当用平行光束照射光栅时，就会形成明、暗相间的莫尔条纹。由亮纹到暗纹，再由暗纹到亮纹的光强分布近似余弦函数。,3)信号处理 光栅输出的信号有两种：一种是正弦波信号；另一种是方波信号。 （1）倍频处理。正弦波输出有电流型和电压型，对正弦波输出信号需经过差动放大、整形及倍频处理后得到脉冲信号。倍频可提高光栅的分辨精度，如5倍频、10倍频等。如原光栅线纹为50条mm，经5倍频处理后，相当于将线纹密度提高到250条mm。图所示为HEIDENHAIN光栅电流型输出信号经5倍频处理后的信号波形。,HEIDENHAIN光栅电流型输出信号的波形 (a)正弦信号;(b)整形后的信号;(c)5倍频处理后的信号,(2)方向判别。光栅输出信号经差动放大和信号处理后，获得PA、PB脉冲信号，PA和PB的超前或滞后经方向判别电路处理后，得到以高、低电平表示的方向信号，如图所示。,二 光栅测量装置的数字变换线路,光栅测量系统简图,二 光栅测量装置的数字变换线路,原理框图 波形图 光栅信号4倍频电路,三 读数头,把光源、光栅、光电元件组合在一起，称为读数头 按光路分为分光式、直射式、反射式,读数头 a）分光式 b）直射式 c）反光式,四 等倍透镜系统,两光栅间距很小，如安装不准确，就不能得到正确信号，因此在实际应用中采用了等倍透镜系统。,等倍透镜系统,第四节 磁栅测量装置,磁栅位置检测装置是用磁性标尺代替光栅，用电磁方法计数磁波数目的一种测量方法。磁栅位置检测装置是由磁性标尺、磁头和检测电路组成。,一 工作原理,磁性标尺是在非导磁材料的基体上，涂敷或镀上一层很薄的磁膜(导磁材料)，在磁膜上利用录磁原理，用录磁磁头记录一定波长的矩形波或正弦波，以此作为测量的基准刻度，磁化信号的节距(周期)一般有0.05、0.10、0.20、1mm等,二 磁头,1 读取磁头 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。 速度响应型磁头：只有在磁头和磁带之间有一定相对运动速度时，才能检测出磁化信号，磁头输出电压幅值与磁通变化率成比例，这种磁头只能用于动态测量。如普通录音机,速度响应型磁头,二 磁头,磁通响应型磁头：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，必须采用磁通响应型磁头。,磁通响应型磁头,二 磁头,励磁绕组在一个周期内可使铁芯饱和两次，铁芯材料饱和后，磁阻很大，磁路被阻断；铁芯材料非饱和时，磁阻减小，磁路开通。可见，励磁绕组的作用相当于磁开关，只要有周期变化的励磁电流存在，输出绕组的磁路中磁通量产生周期变化，输出绕组输出电压信号为,E0输出电压幅值，磁化节距，0激磁频率的2倍频，x位移,二 磁头,2 多间隙磁通响应型磁头 用一个磁通响应型磁头读取磁栅的磁化信号，输出信号往往很微弱，且由于磁膜的非线性，往往难以实现。可将几个磁头串联起来组成多间隙响应型磁头，以提高输出信号幅度，提高测量分辨率及准确性。,三 检测电路,鉴幅型检测电路 两组磁头通以同频、同相、同幅值的励磁电流，由于两组磁头的安装位置相差(n+l4)(n为正整数)，因此检波整形后的方波相差90。,鉴幅检测电路,三 检测电路,鉴相型检测电路 两磁头的安装距离相差(n+l4) 。两组磁头通以同频、等幅但相位相差4的励磁交流电。两组磁头的输出电压为,e1、e2在求和的线路中相加得,三 鉴相检测电路,在鉴相电路中，把它和基本方波的相位相比较，若相位不同，则在两方波的上升沿之间插入频率为2MHz的脉冲。两波相位相差越大，插入脉冲越多，两波相位差为零，无插入脉冲，这样就可捡测位移量的值。,第五节 旋转变压器测量装置,一 旋转变压器的结构,定子绕组通过固定在壳体上的接线板直接引出。转子绕组是通过滑环和电刷直接引出的。 其特点是结构简单，体积小；缺点是可靠性差，寿命短。,一 旋转变压器的结构,定子绕组通过固定在壳体上的接线板直接引出。转子绕组是通过附加变压器二次绕组间接送出去的。 其特点是提高了可靠性及使用寿命。但体积、重量、成本均有增加。,二 旋转变压器的组成及工作原理,普通变压器的工作原理是在一次绕组加上输入电压，则在二次绕组上输出电压为(n2/n1)U1。旋转变压器原理与之类似，只不过二次侧绕组是旋转的，则其输出电压就会随其转角的变化而变化，因而输出电压的大小是随着转角的变化而变化的。,二 旋转变压器的组成及工作原理,通常使用正余弦旋转变压器，其定子和转子各有相互垂直的两个绕组。定子绕组接受励磁电压，励磁频率400、500、1000、3000、5000Hz。在两个定子绕组分别施加EA和EB，其中一个转子绕组短接，由于电磁感应，转子中感应电压 E=k EA sin+ k EB cos k为旋转变压器电压之比。,图6-19 旋转变压器,三 相位工作方式,两个定子绕组通以同频、同幅但相位相差/2的交流电压，即 则转子绕组上的感应电压为,转子输出电