第6章位置检测装置

第6章位置检测装置6.1位置检测装置概述6.2脉冲编码器6.3光栅6.1位置检测装置概述组成：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：检测各种位移和速度，发送反馈信号，构成伺服系统的闭环控制。检测装置是闭环伺服系统的重要组成部分。闭环控制的数控机床加工精度主要取决于检测系统的精度。位移检测系统能够测量出的最小位移量称为分辨率。分辨率不仅取决于检测装置本身，也取决于检测电路。数控机床上的检测装置应满足以下要求：（1）满足数控机床的精度和速度要求。位置检测装置分辨率应高于数控机床的分辨率一个数量级；位置检测装置最高允许的检测速度应高于数控机床的最高运行速度。（2）高可靠性和高抗干扰性。受温度、湿度的影响小，工作可靠，精度保持性好，抗干扰能力强；（3）使用维护方便，适合机床运行环境。（4）成本低。6.1位置检测装置概述数控机床上检测装置的分类•根据测量装置的安装及与机床运动部件的耦合方式来分可分为直接测量和间接测量检测装置;•按测量基点的类型来分可分为增量型和绝对型检测装置;•按所获信号的不同可分为数字式和模拟式;•按位置检测元件的运动类型不同可分为回转型和直线型。6.1位置检测装置概述数控机床检测装置的分类6.1位置检测装置概述数字式模拟式增量式绝对式增量式绝对式回转式脉冲编码盘圆光栅绝对式脉冲编码盘旋转变压器圆感应同步器圆磁尺三速圆感应同步器直线式直线光栅激光干涉仪多通道透射光栅直线感应同步器磁尺三速感应同步器绝对磁尺(1)数字式和模拟式①数字式测量将被测量单位量化为数字形式表示，测量信号量化后转换成电脉冲，便于比较和显示处理。数字式检测装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力强，其测量精度与量程基本无关。②模拟式测量将被测量单位用连续的变量来表示。在大量程内作精确的模拟式检测，在技术上有较高的要求，数控机床中模拟式检测主要用于小量程测量。6.1位置检测装置概述（2）增量式和绝对式①增量式测量只测量位移增量，移动一个测量单位即发出一个测量信号，位移的距离由增量值累计求得。优点：检测装置比较简单，能做到高精度，任何一个对中点均可作为测量起点。缺点：一旦计数有误，此后结果全错。发生故障时（如断电，断刀等），事故排除后，很难找到正确位置。②绝对式测量被测量的任一点都以一个固定的零点作基准，每一被测点都有一个相应的测量值。这样就避免了增量式检测方式的缺陷，但其结构较为复杂，而且测量的分辨率与位移量均受到一定的限制。6.1位置检测装置概述6.2脉冲编码器脉冲编码器又称编码盘或码盘，是一种回转式数字测量元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，它把机械转角转换成电脉冲，以测出轴的旋转角度、位置和速度的变化，是一种常用的角位移测量装置。编码器分类：光电式，接触式和电磁感应式三种，其中光电式编码器有一定的缺点，但其优点突出，特别是精度高和可靠性好，因而广泛应用于数控机床上。脉冲编码器6.2脉冲编码器1、光电式光电式编码器的特点：（1）非接触测量，无接触磨损，码盘寿命长，精度保证性好；（2）允许测量转速高，精度较高；（3）光电转换，抗干扰能力强；（4）体积小，便于安装，适合于机床运行环境；（5）结构复杂，价格高，光源寿命短；（6）码盘基片为玻璃，抗冲击和抗震动能力差。6.2脉冲编码器光电式编码器可分为增量式光电脉冲编码器和绝对式光电脉冲编码器两种。•增量式脉冲编码器能够把回转件的旋转方向、旋转角度和旋转速度准确测量出来。•绝对式光电脉冲编码器可将被测转角换成相应的代码来指示绝对位置而没有累计误差，是一种直接编码式的测量装置。6.2脉冲编码器6.2.1增量式脉冲编码器增量式脉冲编码器的型号是由每转发出的脉冲数来区分的。现在市场上提供的规格从36线/转到10万线/转都有；如何选择：①满足伺服系统要求的分辨率；②考虑机械传动系统的参数。脉冲编码器的分辨率（分辨角）α为：α=360°/N其中增量式码盘的规格为N线/转（P/r）。增量式光电脉冲编码器的结构abz码盘基片透镜光源光敏元件透光狭缝光欄板节距τAABBZZm+τ/4信息处理装置6.2.1增量式脉冲编码器当圆光栅旋转时，光线透过两个光栅的线纹部分，形成明暗相间的条纹。光电元件接收时断时续的光信号，并转换为交替变化的近似于正弦波的电流信号A和B，A信号和B信号相差90°，经过放大和整形后变成方波，如图所示。6.2.1增量式脉冲编码器增量式光电脉冲编码器的工作原理根据信号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，则对应正转；若B相超前于A相，则对应反转。数控系统正是利用这一相位关系来判断方向的。还有一个“一转脉冲”，称为Z脉冲，该脉冲也是通过上述处理得来的。脉冲编码器输出信号有六相，分别为、。AA、ZZBB、、、6.2.1增量式脉冲编码器输出信号的作用：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出被测轴的转速；•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）。Z相的作用：•被测轴的周向定位基准信号；•被测轴的旋转圈数记数信号。6.2.1增量式脉冲编码器的作用：•后续电路可利用A、两相实现差分输入，以消除远距离传输的共模干扰。增量式光电脉冲编码器在数控机床中的应用光电脉冲编码器在数控机床上，作为位置检测装置，将检测信号反馈给数控装置。光电脉冲编码器将位置检测信号反馈给CNC装置有两种方式：一是使用带加减计数要求的可逆计数器，形成加计数脉冲和减计数脉冲；二是使用有计数控制和计数要求的计数器，形成方向控制信号和计数脉冲。ZBA、、A6.2.1增量式脉冲编码器第一种工作方式6.2.1增量式脉冲编码器第二种工作方式6.2.1增量式脉冲编码器（4）增量式光电脉冲编码器的缺点①数据容易丢失。增量式编码器获得的所有计数都是相对于某一任意指定的基数（清零位置）而言。一旦停电或操作失误，把基数丢失，就难以寻回来。为了解决此问题，在新型的数字化伺服驱动器中，通过安装锂电池维持断电后编码器的位置。②会产生误差累积现象。针对以上问题，开发出了绝对式编码器，它可以在任意处给出一个确定的与该位置唯一对应的读数值，无论停电还是长时间不用，其数据都不会丢失，并且其误差只与码盘的精度有关，误差不会因多次计数而累积。6.2.1增量式脉冲编码器6.2.2绝对式脉冲编码器（1）绝对式脉冲编码器的种类绝对式编码器是一种直接编码和直接测量的检测装置。它能指示绝对位置，没有累积误差,电源切断后，位置信息不丢失。常用的编码器有编码盘和编码尺，通称为码盘。•从编码器使用的计数制来分类二进制编码、二进制循环码（葛莱码）、二-十进制码等•从结构原理来分类接触式、光电式和电磁式等几种。最常用的是光电式二进制循环码编码器。6.2.2绝对式脉冲编码器各种码盘的特点：接触式码盘•优点：简单、体积小、输出信号强、不需要放大；•缺点：电刷摩擦、寿命低、转速不能太高(几十转每分钟)，而且精度受到最低位（最外圆上）分段宽度的限制。光电式码盘•优点：没有接触磨损、寿命长、转速快，最外层每片宽度可以做得更小，因而精度高。•缺点：结构复杂、价格高。6.2.2绝对式脉冲编码器6.2.2绝对式脉冲编码器电磁式码盘•优点：无接触码盘，寿命长、转速高等。•原理：在导磁性好的软铁和坡莫合金圆盘上，用腐蚀的方法做成相应码制的凸凹图形，当磁通通过码盘时，由于磁导大小不一样，其感应电势也不同，因而可区分“0”和“1”，达到测量的目的。结构和工作原理–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。6.2.2绝对式脉冲编码器23222120（3）混合式绝对值编码器结构：在圆盘的的最外圈是高密度的增量条纹，中间有四个码道组成绝对式的四位葛莱码，每1/4个同心圆被葛莱码分割为16个等分段。圆盘最里面有一转信号狭缝。工作原理：三级计数，粗、中、精计数。码盘转的转数由对“一转脉冲”的计数表示。在一转以内的角度位置由葛莱码的4×16不同数值表示。每1/4圆葛莱码的细分由最外圈增量制码完成。所以采用混合式轴编码器可以同时测量转子的空间位置与转速。6.2.2绝对式脉冲编码器6.3光栅作用：用作直线位移或角位移的检测。特点：测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，测量精度高，响应速度快等特点，被广泛应用于数控机床伺服测量系统中。6.3光栅光栅的分类：•按其用途分为物理光栅和计量光栅。物理光栅的刻线细而密，栅距在0.002～0.005mm之间，通常用于光谱分析和光波波长测定。计量光栅相对来说刻线较粗，栅距为0.004～0.25mm之间，通常用于数字检测系统。•按其制造方法和光学原理分透射光栅和反射光栅。在一块透明玻璃片上刻一系列平行等间隔集线纹的光栅，为透射光栅；在长条形金属镜面上制成全反射和漫反射间隔相等的密集线纹的光栅，为反射光栅。•按其形状可分为圆光栅和长光栅两种。圆光栅用于角度测量；长光栅用于直线位移检测。光栅6.3光栅6.3.1光栅的结构光栅是由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。标尺光栅一般固定在机床活动部件上（如工作台上），光栅读数头装在机床固定部件上。指示光栅装在光栅读数头中。当光栅读数头相对于标尺光栅移动时，指示光栅便在标尺光栅上相对移动。标尺光栅和指示光栅的平行度以及两者之间的间隙（0.05～0.1mm之间）要严格保证。（1）光栅尺光栅尺是指标尺光栅和指示光栅，如图所示，它们是用真空镀膜的方法光刻上均匀密集线纹在透明玻璃片或长条形金属镜面。光栅的线纹相互平行，线纹之间的距离（栅距）相等。对于圆光栅，这些线纹是等栅距角的向心条纹。栅距和栅距角是光栅的重要参数。6.3.1光栅的结构（2）光栅读数头光栅读数头又叫光电转换器，它把光栅莫尔条纹变成电信号。光栅读数头都是由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动电路组成。光栅读数头还有分光读数头、反射读数头和镜像读数头等几种。6.3.1光栅的结构莫尔条纹演示当指示光栅上的线纹和标尺光栅上的线纹成一小角度θ放置两个光栅尺时，造成两光栅尺上线纹相互交叉。在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠，形成黑色条纹，其它部分为明亮条纹，这种明、暗相间的条纹称为莫尔条纹。6.3.2光栅的工作原理由光学理论可以得到长光栅的斜率为：式中：W1—主光栅的光栅常数W2—指示光栅的光栅常数；θ—两光栅栅线的交角。21tan1cotcosWW6.3.2光栅的工作原理W≈P/θ•用W表示莫尔条纹的宽度，P表示栅距，θ表示光栅线纹间的夹角莫尔条纹特性：（1）用平行光束照射光栅时，莫尔条纹由亮带到暗带，再由暗带到亮带，透过的光强度分布近似于余弦函数。（2）起放大作用用W表示莫尔条纹的宽度，P表示栅距，θ表示光栅线纹间的夹角，则有W=P/sinθ由于θ角很小，sinθ≈θ，则W≈P/θ若P=0.01mm，θ=0.01弧度，则由上式可得W=1mm，即把光栅距转换成放大100倍的莫尔条纹宽度。6.3.2光栅的工作原理（3）起平均误差作用。莫尔条纹是由若干光栅线纹干涉形成，例如100线/mm的光栅，10mm宽的莫尔条纹就由1000条线纹组成，这样栅距之间的相邻误差就被平均化了，消除了栅距不均匀造成的误差。（4）莫尔条纹的移动与栅距之间的移动成比例。当光栅移动一个栅距时，莫尔条纹也相应移动一个莫尔条纹宽度W；若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动方向也相反。莫尔条纹移动方向与光栅移动方向垂直。这样测量光栅水平方向移动的微小距离就用检测垂直方向的宽大的莫尔条纹的变化代替。6.3.2光栅的工作原理6.3.3光栅在数控机床中的应用•在数控机床中的光栅测量系统的组成如图所示，光栅移动时产生的莫尔条纹由光电元件接受，然后经过位移-数字变换电路形成正走时的正向脉冲或反走时的反向脉冲，由可逆计数器接收。位移-数字变换电路也叫光栅测量电路或叫四倍频细分电路。•上图