机电一体化技术与系统项目2--位置检测技术

项目2位置检测技术任务1熟悉检测开关相关知识一、传感器特点与分类机电一体化控制系统是以微电子控制机械运动为主要特征的自动控制系统，所使用的传感器一般具有以下特点。①机电特征②输出量为电信号从用途上说，机电一体化传感器可以归纳为如下3类。①检测开关类②位置检测类③速度检测类二、接近开关1．检测开关的分类机电一体化控制系统常用的检测开关一般为图2-1.1所示的机械式或感应式开关，光电式由于成本较高，通常只在特殊场合使用。（a）行程开关与微动开关（b）接近开关图2-1.1检测开关2．工作原理从原理上说，常用的接近开关有高频振荡型（电感式）与静电电容型（电容式）两类。高频振荡型接近开关的内部集成有电子振荡线路、振荡线圈、检测线圈、信号放大电路等，其工作原理如图2-1.2所示。图2-1.2电感式接近开关原理静电电容型接近开关是利用静电感应原理设计的检测开关，其工作原理如图2-1.3所示。图2-1.3电容式接近开关原理3．输出特性接近开关的检测体可以从水平方向或垂直方向接近，检测体垂直接近时的动作位置称为开关的“动作距离”，其值与检测体的材料、体积等有关（但体积大到一定值后距离将不再变化，见图2-1.4）。图2-1.4接近开关的输出特性4．输出连接接近开关的输出线一般有2线、3线与4线3种，输出线路有晶体管集电极开路输出（分NPN与PNP输出两种）、电压输出、通断输出（交流或直流）等。3线式晶体管集电极开路输出和2线式直流通断输出为常用器件，其连接要求如图2-1.5所示。图2-1.5常用接近开关的连接三、霍尔开关图2-1.6霍尔开关实践指导一、接近开关产品简介接近开关是机电一体化系统最为常用的位置检测器件，出于可靠性等方面的考虑，目前国内市场常用的有日本OMRON、KOYO，德国BALLUFF、SIEMENS等公司的产品。根据产品生产时间的不同，KOYO接近开关产品有APS-*-和APS*-两大常用系列，不同系列产品的型号意义如下。APS-10-4TL类别APS:电感式CS:电容式序列号振荡频率L:低频M:标准H:高频输出连接T:电平输出N:NPN集电极开路输出P:PNP集电极开路输出S:2线交流开关输出动作距离二、接近开关主要参数常用的KOYO接近开关主要技术参数如表2-1.1所示。外形与结构动作距离/mm电源/V连接型号电感式M8金属屏蔽2DC10～302线APS2-8GMC-ZM8金属非屏蔽4DC10～302线APS4-8GMC-ZM12金属屏蔽2DC10～362线APS2-12GM-ZM12金属屏蔽2DC10～503线APS2-80A-2M12金属屏蔽3DC10～302线APS3-12GMC-ZM12金属屏蔽3DC10～303线APS3-12GMD-ZM12金属非屏蔽5DC10～362线APS5-12GM-ZM12金属非屏蔽8DC10～362线APS8-12GMC-Z电感式M12树脂非屏蔽2DC10～283线APS-30-2M12树脂非屏蔽4DC10～283线APS-30-4M12树脂非屏蔽5DC10～362线APS5-12GK-ZM12树脂非屏蔽5DC10～303线APS5-12GK电感式矩形上面检测树脂非屏蔽4DC10～302线APS4-12U-Z树脂非屏蔽4DC10～303线APS-11-4树脂非屏蔽4DC10～303线APS4-12M矩形前端检测树脂非屏蔽3DC10～302/3线APS3-16F树脂非屏蔽4DC10～302线APS4-12BF-Z树脂非屏蔽4DC10～303线APS-10-4树脂非屏蔽4DC10～303线APS4-12S树脂非屏蔽7DC10～303线APS4-13-7树脂非屏蔽10DC10～302/3线APS10-30F树脂非屏蔽15DC10～303线APS-14-15电容式M22树脂非屏蔽5DC10～303线CS-31-5M30金属非屏蔽15DC10～303线CS-85-15矩形树脂非屏蔽5DC10～303线CS-16-5表2-1.1KOYO接近开关主要技术参数任务2熟悉光栅与光电编码器相关知识一、光栅1．外形与结构光栅的外形与结构如图2-2.1所示。1—光源；2—透镜；3—标尺光栅；4—指示光栅；5—光敏元件；6—密封橡胶；7—读数头；8—放大电路图2-2.1光栅的外形与结构2．工作原理实际光栅需要利用莫尔条纹进行检测。利用光学原理，如果在布置时将指示光栅与标尺光栅的条纹相差一个很小的角度θ，这样就会产生图2-2.2所示的明暗相间的条纹，这一条纹称为莫尔条纹。图2-2.2莫尔条纹3．信号处理在进行光栅信号处理时要注意以下几点。①提高测量精度②检测运动方向与速度③确定绝对位置4．输出信号光栅常用的输出信号有如图2-2.3所示的正余弦输出、线驱动差分信号输出、TTL电平输出3种。输出接口电路如图2-2.4（a）所示。图2-2.3光栅的输出信号图2-2.4光栅的输出接口二、光电编码器1．结构与原理光电编码器的结构如图2-2.5所示。1—光源；2—透镜；3—标尺光栅；4—指示光栅；5—光敏元件；6—放大电路；7—回转轴图2-2.5光电编码器的外形与结构2．输出与处理使用正余弦输出的编码器多见于伺服电机内置型编码器（如SIEMENS1FT6/1FK7交流伺服电机），其Ua/Ub信号与光栅类似，但零位信号Uc一般为脉冲输出；在部分编码器中还带有图2-2.6（a）所示的每转1周期的绝对位置编码信号A/B。图2-2.6编码器的输出信号串行数据输出的编码器内部带有串行数据转换电路，其输出为图2-2.6（b）所示的、时钟频率为1MHz左右的串行数据，编码器的连接线一般只需要2根电源线与2根数据线。实践指导一、常用的光栅产品光栅产品以德国HEIDENHAIN公司最著名，此外，日本SONY、西班牙FAGOR等公司的产品在国内也有一定的销量。以HEIDENHAIN产品为例，常用产品的型号意义如下。HEIDENHAIN常用光栅产品的主要技术参数如表2-2.1所示。型号位置测量输出周期/μm测量精度/μm分辨率/μm测量范围/mm参考点形式LS183LS193F/M绝对位置；EnDat2.2标准接口，或FANUC、三菱接口20±50.005140～4240—±30.005140～3040—LF1831VP-P正余弦信号4±2/30.1140～3040距离编码或节距信号LS1871VP-P正余弦信号20±3/50.1140～3040距离编码或节距信号LS177TTL脉冲信号4/2±3/50.1140～3040距离编码或节距信号LS3821VP-P正余弦信号40±50.1440～3040距离编码或节距信号LS487LS493F/M绝对位置；EnDat2.2标准接口，或FANUC、三菱接口20±3/50.00570～2040—LF4811VP-P正余弦信号4±3/50.150～1220距离编码或节距信号表2-2.1HEIDENHAIN光栅主要技术参数二、常用的光电编码器光电编码器多用于高精度数控机床或其他精密加工等机电一体化产品的转角测量或直线位移的间接测量，德国HEIDENHAIN公司同样是全球最著名的光电编码器产品生产企业。以HEIDENHAIN产品为例，HEIDENHAIN常用光电编码器产品的主要技术参数如表2-2.2所示。型号类别结构测量精度备注ECN125绝对编码器φ50空心轴25bitEnDat2.2接口ECN113绝对编码器φ50空心轴13bitEnDat2.2接口或SSI接口ECN425绝对编码器φ12空心轴25bitEnDat2.2接口ECN413绝对编码器φ12空心轴13bitEnDat2.2接口或：SSI接口、PROFIBUS接口ECN1023绝对编码器φ6空心轴23bit3.6～14VEnDat2.2接口ECN1013绝对编码器φ6空心轴13bitEnDat2.2接口ROC425绝对编码器φ6或φ10实心轴25bitEnDat2.2接口ROC413绝对编码器φ6或φ10实心轴13bitEnDat2.2接口或：SSI接口、PROFIBUS接口ROC418绝对编码器φ6或φ10实心轴18bitEnDat2.1接口ROC1023绝对编码器φ4实心轴23bitEnDat2.2接口ROC1013绝对编码器φ4实心轴13bitEnDat2.2接口ERN120增量编码器φ50空心轴1000～5000P/rDC5V线驱动脉冲ERN130增量编码器φ50空心轴1000～5000P/r10～30VHTL脉冲ERN180增量编码器φ50空心轴1000～5000P/r1VP-P正余弦信号ERN420增量编码器φ12空心轴250～5000P/rDC5V线驱动脉冲ERN430增量编码器φ12空心轴250～5000P/r10～30VHTL脉冲表2-2.2HEIDENHAIN光电编码器主要技术参数型号类别结构测量精度备注ERN460增量编码器φ12空心轴250～5000P/r10～30V线驱动脉冲ERN480增量编码器φ12空心轴1000～5000P/r1VP-P正余弦信号ERN1020增量编码器φ6空心轴100～3600P/rDC5V线驱动脉冲ERN1030增量编码器φ6空心轴100～3600P/r10～30VHTL脉冲ERN1080增量编码器φ6空心轴100～3600P/r1VP-P正余弦信号ROD426增量编码器φ6实心轴1～5000P/rDC5V线驱动脉冲ROD436增量编码器φ6实心轴1～5000P/r10～30VHTL脉冲ROD466增量编码器φ6实心轴50～5000P/r10～30V线驱动脉冲ROD486增量编码器φ6实心轴1000～5000P/r1VP-P正余弦信号ROD420增量编码器φ10实心轴50～5000P/rDC5V线驱动脉冲ROD430增量编码器φ10实心轴50～5000P/r10～30VHTL脉冲ROD480增量编码器φ10实心轴1000～5000P/r1VP-P正余弦信号ROD1020增量编码器φ4实心轴100～3600P/rDC5V线驱动脉冲ROD1030增量编码器φ4实心轴100～3600P/r10～30VHTL脉冲ROD1080增量编码器φ4实心轴100～3600P/r1VPP正余弦信号续表任务3熟悉磁栅与磁编码器相关知识一、磁栅1．结构磁栅的结构原理如图2-3.1所示，它由磁性标尺、磁头和检测电路三部分组成。1—磁头；2—磁性标尺；3—磁场强度分布曲线图2-3.1磁栅的结构原理图2．工作原理磁栅的电磁感应原理检测原理如图2-3.2所示。图2-3.2双磁头磁栅的原理图二、磁编码器磁编码器与磁栅的区别主要在形状上，其结构如图2-3.3所示。图2-3.3磁编码器的原理实践指导一、常用的磁栅产品国内市场的磁栅以德国SIKO、日本SONY公司产品为常用。表2-3.1和表2-3.2分别为SIKO公司磁栅检测头和磁带（磁性标尺）的主要技术参数表。型号位置测量输出最高速度/（m/min）测量精度（系统）/μm分辨率/μm配套磁性标尺MSK1000线驱动脉冲（RS422规格）38.4±100.2MB100MSK1000线驱动脉冲（RS422规格）192±101MB100MSK1000线驱动脉冲（RS422规格）384±102MB100MSK1000线驱动脉冲（RS422规格）960±105MB100LE100/11VP-P正余弦信号1200±101MB100表2-3.1SIKO磁栅检测头主要技术参数型号位置测量输出最高速度/（m/min）测量精度（系统）/μm分辨率/μm配套磁性标尺MSA111CSSI接口1VP-P正余弦增量输出600±101MBA111串行绝对位置输出120±101MBA111ASA110HSSI接口（串行绝对位置输出+1VP-P正余弦增量输出）和线驱动增量脉冲（RS422规格）绝对位置输出最高速度为30m/min48250.5MBA110240251MBA1104802510MBA1104802512.5MBA110续表型号测量长度/mm类别测量精度/μm参考点节距MB10