数控机床6数控机床的位置检测系统

第六章 数控机床的位置检测系统,第一节 概述,一、位置检测装置概述及其要求,对位置精度要求不高的数控机械，开环系统即可满足要求。而对位置精度要求高的，一般均应是闭环系统。位置闭环系统是用位移传感器测出工作机构的实际位置，并输入计算机和预先给定的理想位置比较，得到差值，再根据此差值向伺服机构发出相应的控制指令。伺服机构带动工作机构向理想位置趋近，直到差值为零为止。在闭环系统中，位置传感器是位置控制闭环系统中的重要组成元件，在此系统的反馈通道中，它是一个重要环节。,位置检测系统是CNC系统中较重要的一个环节，它与控制部分一样决定了机床的精度。因此无论是从事CNC的开发或是CNC的应用都必须掌握位置检测系统的基本原理。 对于现代CNC的位置检测系统，它的基本组成可以分以下几部分如图6-1示：,基本传感器一般采用光栅，同步传感器，磁栅，光电编码器，旋转变压器等基本元件。 正交信号由基本传感器产生，再做后续处理一般都要经过前置放大，这方面可以结合模拟电子技术自行分析。细分电路是一个专用的电路，对于正交正弦信号的细分一般由一套电阻网络组成。 对于整形判向电路也是电子技术的一般应用。对于交流信号的整形往往采用过需比较加史密特触发器即可。而对判向电路一般都为逻辑电路实现。难度不大，形式多样。 可逆计数分为硬件式和软件式两种，若是硬件式则完全由硬件电路实现。CNC不断地读取可逆计数的值用作求给定反馈的差值。若是软件式可逆记数器则要求每个计数脉冲申请中断，在中断服务程序中作加或减的计数，最后完成可逆计数。 位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环系统中，它的主要作用是检测位移量，并发出反馈信号与数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件，使其向着消除偏差的方向运动，直至偏差等于零为止。为了提高数控机床的加工精度，必须提高检测元件和检测系统的精度，不同类型的数控机床，对元件和检测系统的精度要,求，允许的最高移动速度各不相同。一般要求检检测元件的分辨度(检测元件能检测的最小位移量)在0.00010.01mm之内，测量精度为0.00100.02mm/m，运动速度为024m/min。 数控机床对位置检测装置的要求如下： 1)受温度、湿度的影响小，工作可靠，能长期保持精度，抗干扰能力强： 2)在机床执行部件移动范围内，能满足精度相速度的要求； 3)使用维护方便，适应机床工作环境； 4)成本低。,二、位置检测装置的分类,按工作条件和测量要求不同、可采用不同的测量方式。 (一)数字式测量和模拟式测量 1数字式测量 数字式测量是将被测的量以数字的形式来表示。测量信号一般为电脉冲，可以直接把它送到数控装置进行比较、处理。如光栅位置检测装置。数字式测量装置的特点是： 1)被测的量转换为脉冲个数，便于显示和处理， 2)测量精度取决于测量单位，和量程基本上无关(但存在累积误差)； 3)切量装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力较强。,2模拟式测量 模拟式测量是特铰测的量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等，数控机床所用模拟式测量主要用于小量程的测量，如感应同步器的一个线距(2mm)内的信号相位变化等。在大量程内作精确的模拟式测量时，对技术要求较高。模拟式测量的特点是： 1)直接测量被测的量，无需变换， 2)在小量程内实现较高精度的测量，技术上较为成熟。如用旋转变压器、感应同步器等。,(二)增量式测量和绝对式测量 1增量式测量 增量式测量的持点是：只测位移量，如测量单位为0.01mm，则每移动0.01mm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作为测量的起点。在轮廓控制的数控机床上大都采用这种测量方式。典型的测量元件有感应同步器、光栅、磁尺等。在增量式检测系统中，移距是由测量信号计数读出的，一旦计数有误，以后的测量结果则完全错误。因此，在增量式检测系统中，基点特别重要。此外，由于某种事故(如停电、刀具损的而停机，当事故排除后不能再找到事故前执行部件的正确位置，这是由于这种测量方式没有一个特定的标记，必须将执行部件移至起始点重新计数才能找到事故前的正确位置。下面介绍的绝对式测量装置可以克服以上缺点。 2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。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，结构也就愈复杂。,(三)直接测量和间接测量 l直接测量 直接测量是将检测装置直接安装在执行部件上，如光栅、感应同步器等用来直接测量工作台的直线位移，其缺点是测量装置要和工作台行程等长，因此，不便于在大型数控机床上使用。 2间接测量 间接测量装置是将检测装置安装在滚珠丝杠或驱动电机抽上，通过检测转动件的角位移来间接测量执行部件的直线位移。间接测量方便可靠，无长度限制。其缺点是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，从而影响了测量精度。,第二节 正交、正弦信号的细分及判向电路,一、细分电路,所谓正交正弦信号即,(v),(v),其中为 位移量,写成相量式：,(v),(v),我们以十六细分为例把这两个信号接到一个电阻网络上。如图6-2所示： 我们根据相量运算的方法可以求得 的值。如图6-3所示： 可以理解，当精确调整好 ，完全可以把 的16个正弦波的相位差间隔调到 ,得到16个正弦波。先不管这16个正弦波的幅度。我只须将这16路信号经过个自的过零比较器，即可得到间隔 的16个方波。再经后面的微分，判向，可逆计数等电路完成位移检测。,二、判向及可逆计数 现代数控装置中软件的作用越来越大，在很多问题的处理方面。软硬件结合的作法越来越多。概述中提及的整形判向，可逆计数器现在很少有人采取独立硬件环节来组合。这里我们介绍一种软硬结合的方法实现判向可逆计数的方法。 1.硬件原理图如图6-4 518为8位数据比较器， 分别为 经过零比较器后的方波， 为两个377的输出，均为CPU控制。工作时若 未发生变化时OUT1或OUT2中必有一个为“0”产生中断请求信号。CPU在中断服务程序中完成对 的采样，并重置 使OUT1、OUT2重变为“1”，最后根据 的状态与前一状态比较后作软件式可逆计数器的加或减，完成可逆计数。,2.数据比较及重置位的逻辑关系 根据数据比较器的逻辑关系得：,OUT1=,OUT2=,= OUT1 OUT2,由于518为8位数据比较器，故对于16位采用了两个518芯片，245作为CPU采样u1u16状态的三态门。便于CPU读入u1u16，377为重置518所用的输出锁存器。设u1从0变为1时，此时 必为0，OUT1也变为0。 当然也跳至0申请中断。CPU根据u1u16的状态发现u2变化了，那么就置 ，并输出至377。使 重新变为1，OUT1也重新变为1。CPU在中断服务程序中立即作可逆计数的工作，完成后中断返回。,3、软件工作过程 这里的软件工作过程主要是指中断服务程序。其任务为： 完成u1u16的读取。 求出可逆计数的增量（+1为：01H，-1为OFFH）。 可逆计数。 重置518后中断返回。 软件板图如图6-5,图6-5 判向可逆计数软件框图,软件板图中，查表得状态序号就是根据u1u16次序号的不同定义了OOOFH十六个状态值。事实上u1u16的变化都是按次序改变的。正转时从： u1u16方向依次变化。反转时，按 u16u1方向依次变化。正转时，增量总是为01H，反转时，增量总是为0FFH。只要把此增量与可逆计数器的当前值相加并进行多位操作，便可完成可逆计数器的操作。 对于版图中其它操作都不难理解，读者在编程时可以展开。,第三节 感应同步器测位移,感应同步器是根据电磁耦合原理将位移信号转换成电信号的。一般分为直线式和旋转式两种。 直线式感应同步器由定尺1和滑尺2两部分组成，定尺和滑尺均用钢板作基本，用绝缘粘结剂将铜箔粘贴在基体上。用照相腐蚀的方法制成矩齿形平面绕组。示意图如图6-6。 在滑尺的铜箔绕组上面用绝缘的粘结剂贴一层铝箔，以防止静电感应。标准式直线式感应同步器的定尺长为250mm，当被测位移移较长时，可用多个定尺连接起来。定尺上的绕组是节距为2mm的单相连续绕组。滑尺比定尺短一些，它有两个节距为2mm的绕组A和B。绕组A称为正弦绕组，绕组B称为余弦绕组。它们相对于定尺绕组错开1/4节距。 旋转式感应同步器由转子1和定子2组成。用于直线式感应同步器相同的方法制成转子绕组和定子绕组。所不同的是绕组排列成辐射状，如图6-7所示。转子绕组是单向均匀连续的。定子绕组亦分为A和B，相对于定子绕组错开1/4节距。,使用时，对于直线式感应同步器，定尺固定在不动的部件上，滑尺固定在移动的部件上。对于旋转式感应同步器定子固定在不动的部件上，转子固定在移动的部件上。定尺与滑尺的两个绕组表面平行其间隙为0.050.25mm，定子与半径的平面绕组也平行。其间隙为0.050.25mm。 测量时，滑子（或定子）的两个绕组A、B各供给一个交流励磁电压、，则定尺（或转子）上的绕组由于电磁感应作用而产生与励磁电压同频率的交变感应电势。当消尺相对于定尺或转子相对于定子运动时，因它们的绕组位置改变，使定子绕组（或转子绕组）的磁链改变，感应电势也就随着发生变化。 为了说明定尺的感应电势是随着定尺的相对位置的改变而变化。下面阐述直线式感应同步器定尺与滑尺的四个不同位置（图6-8）。如果只对A绕组供给交变的励磁电压uA，在 绕组中产生电流，因而绕组周围产生磁场，设如图所示。当滑尺右行至图中1的位置时，定尺绕组与滑尺绕组完全重合，定尺绕组磁链最大，感应电势eA最大。当滑尺继续右行，由于定尺绕组磁链减小，感应电势也下降。当滑尺右行1/4节距，即图中2的位置时，定尺绕组磁链的磁通正负掺半相互抵消，因而感应电势为零。滑尺继续右行，反向感应电动势逐渐增大，当滑尺滑行1/2节距，即图中3的位置时，定尺绕组磁链的磁通反向，因而产生负向最大感应电动势。继续右行至图中4的位置，即滑行3/4节距时，感应电动势又为零。当滑行一个节距是，即图中的5位置时，又与1相同，由此可见，滑尺在定尺上滑动一个节距，定尺绕组感应电动势eA的变化就经历一个周期，其波形是一个余弦函数。即,=,(6.3.1),式中 uA滑尺绕组A的励磁电压 k定尺和滑尺的电磁偶合电压系数；,相对于滑尺和定尺相对位移的折算角,在仅对滑尺的绕组B供给励磁电压的情况下，当滑尺右行时，定子绕组相差1/4节距，所以感应电势的波形滞后，其数学表达式为： = (6.3.2),当对两个绕组同时供给励磁电压，滑尺移动时，定磁绕组的总感应电势为上述两个感应电势的代数和，即 （6.3.3）,实际使用时，绕组A和B上分别加频率与幅值均相同的正弦变化与余弦变化的励磁电压 （6.3.4） (6.3.5),将式（6.3.4）和式(6.3.5)代入式(6.3.3)得 （6.3.6） 由于电磁耦合系数K以及励磁电压的幅值和频率均不变，定尺的感应电势e只与角度 有关。如果绕组的节距为L，滑尺和定尺相对移动S距离时，则 （6.3.7） 说明节距一定时角度与位移有严格的对应关系。因此，只要测得感应电势的相对，就可推算滑尺和定尺相对移动的距离，进而测得运动部件的距离。,感应同步器的测量电路通常分鉴相式测量电路和鉴幅式测量电路。图6-9是数字式感 应同步器鉴相式测量电路的方框图。信号源产生两个振幅相同而相位差的正弦信号电压和余弦信号电压，供给感应同步器滑尺的A、B绕组。定尺上产生感应电势e，经前置放大整形后变为方波，并和参考信号方波送入鉴相器。鉴相器的输出是感应电势信号与参考信号的相位差，且反映出其正负。相位信号经相位/脉冲变换电路后产生计数脉冲及方向信号。该计数脉冲及方向信号用来控制可逆计数器计数，正方移动时加，反方移动时减，最后完成位移的测量。 用感应同步器测量位移，其特点是量程范围较宽，若用多个定尺连接起来，量程可达数米，分辨率也较高，可达1um。,第四节 光栅测位移,光栅是一种在基体上刻有等间距均匀分布的条纹的光学元件。用于位移测量的光栅称为计量光栅，按照光路可分为透射光栅和反射光栅。按结构形式则有长光栅和圆光栅之分。图6-10为透射光栅的示意图，图中a为刻线宽度，b为缝隙宽度，ab=w称为光栅的栅距，通常情况下a=b.线纹密度一般为每毫米100、50、25和10线。 光栅分标尺光栅和指示光栅。标尺光栅的有效长度即为测量范围（标尺光栅还可接长来扩大测量范围）。指示光栅比标尺光栅短得多，但两者刻有同样密度的线纹。使用时两片光栅相互重叠，两者相距一个微小的距离d，使其中一片固定，另一片随着被测物体移动，即可实现位移测量。 光栅用于测量的基本原理是利用莫尔条纹。当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微小夹角时，由于挡光效应（对线纹密度50条/mm的光栅）或光的衍射作用（对线纹密度100条/mm的光栅），在光栅线纹大致垂直的方向上，产生明暗相间的条纹，这些条纹称为“莫尔条纹”，如图6-11所示。,光栅用于测量的基本原理是利用莫尔条纹。当指示光栅和标尺光栅的线纹相交一个微小夹角时，由于挡光效应（对线纹密度50条/mm的光栅）或光的衍射作用（对线纹密度100条/mm的光栅），在光栅线纹大致垂直的方向上，产生明暗相间的条纹，这些条纹称为“莫尔条纹”，如图6-11所示。 莫尔条纹有如下特点： 1、当光栅在横向沿刻线的垂直方向移动时，莫尔条纹在刻线方向移动。两光栅相对移动一个栅距W时，莫尔条纹也同步移动一个间距BH，固定点上的光强则变化一周，而且在光栅反向移动时，莫尔条纹的移动方向也随之反向。,2、莫尔条纹的间距与两光栅线纹夹角之间的关系为,式中，BH莫尔条纹间距；,光栅栅距； 两光栅刻线间的夹角（rad）。,3、莫尔条纹由光栅的大量刻线共同形成，对线纹的刻划误差有平均抵消作用。能 在很大程度上消除刻线的不均匀误差的影响。 若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则将光信号转换为相应的电信号（电压或电流）输出，输出的幅值可用光栅位移量X的余弦函数表示。以电压输出而言： (6.4.2) 式中 u 光电元件的电压信号 uav输出信号中的平均直流分量 um输出信号的幅值 x两光栅瞬时相对唯一,将此电压信号放大，整形变为方波，经微分电路转换成脉冲信号，再经辩向电路的可逆计数器，则可以显示出位移量，位移量为脉冲与栅距的乘积。对整形、判向、可逆计数器在第一节、第二节中已叙述过。 随着细分的路数增加，光栅位移的分辨力就提高，但受调试难度及电路元件参数的限制细分路数不能无限增大，一般分辨力在0.1-0.2就属高精度了。光栅的测量范围大（几乎不受限制），动态范围宽且易于实现数字化测量和自动控制。光栅测量是精密测量中应用较多的一种检测方法。其缺点是对使用环境要求较高，在现场使用要求密封，以防止油污、灰尘、铁屑等的污染。,第五节 旋转变压器测量角位移,旋转变压器是用来测量角位移的测量装置。当以一定频率（一般为400HZ或更高）的交流电压加于励磁绕组时，输出线阻的电压幅值与转子的转角成正弦、余弦函数关系，或在一定转角范围内与转角成正比关系。前一种称为正余弦旋转变压器，适用于大角位移的绝对测量；后一种称为线形旋转变压器，适用于小角位移的相对测量。 旋转变压器的结构与绕线式异步电动机相似，一般做成两极电机的形式。在定子上有励磁绕组与辅助绕组，他们的轴线互成。在转子上有两个输出绕组正弦输出绕组和余弦输出绕组，这两个绕组的轴线也互成（图6-12）。 当给定子的励磁组加上等幅的交流电压us1时，在转子的两个绕组上将分别产生输出电压uR1和uR2，其大小与转子偏离零位的转角 有如下关系：,(6.5.1),(6.5.2),式中， 旋转变压器的变压比； 转子、定子绕组的匝数； 加于励磁绕组的交流电压（V）,当输出绕组接有负载时，就有电流通过输出绕组并产生电枢反应磁通，使气隙中磁场发生畸变。这时，输出电压就有一定的变化。为了减少这种变化，旋转变压器在工作时，应将辅助绕组D3D4短接，或在Z1Z2、Z3Z4 两输出绕组上接对称负载，为提高旋转变压器的工作精确度，其负载阻抗应尽量的大。 线形旋转变压器实际上也是正、余弦旋转变压器，不同的是线形旋转变压器采用了特定的变压比Ke 和接线方式（图6.3.3），这样使得在一定转角范围内（一般为 ），其输出电压和转子转角 成线形关系。此时输出电压 为,(6.5.3),根据此公式，选定变比Ke 及允许的非线性，就可推断出满足线性关系的转角范围。如取 Ke=0.54，非线性不超过 ，则转子的转角范围可达 ，在此范围内，输出电压与 转角呈线性关系（图6-13）。,第六节 编码器测角位移,编码盘又称为角度编码器。按不同的读数方法，可分为绝对码盘和增量码盘两种；按其不同的工作原理，又可分为接触式、光电式和电磁式等几种。但在现代数控中，增量码盘用得最多，分析如下： 图6-14是一种增量型光电编码器的结构图。被测轴插入编码器的转子3的孔中，并用,法兰5将编码器固定到轴4的端盖上，旋紧转子11中的螺钉后，转子即带动固定在它上面的玻璃刻线盘1一起旋转。玻璃制成的扫描刻板9固定在定子2上，并和刻线盘1相隔一很小的间隙。刻线盘上均匀地刻有许多径向直线，刻线的宽度和两根刻线之间的间隔宽度基本相同。经过蒸汽处理后，使刻线不透光，向刻线间的间隙透光。扫描刻线板9上沿径向有4个小的刻线区，每个小的刻线区刻线情况与刻线盘1相同。每个小刻线之间错开1/2刻线宽度，即1/4刻线周期。灯泡6发出的光线经透镜8投射到扫描刻线板和刻线盘上，当刻线盘上的刻线正好转到与扫描刻线板上的间隙相对时，光线被全部遮蔽，如果在刻线盘的背后放一个光屏，光屏上出现一个暗区。从此位置，刻线盘再转过半个刻线周期，则刻线盘上的刻线正好与扫描刻线板上的刻线对齐。投射光线可通过两个间隙区到达光屏上，形成明区。在扫描刻线板背后与扫描刻线板上4个刻线区相对应的位置安放4个光电元件，则当刻线盘转动时，投射到光电元件的光线将产生明暗交替的变化，相应地光电元件的输出信号也将产生强、弱交替的变化。刻线盘每旋转一个刻线周期，光电元件的输出信号强、弱交替一次。由于4个刻线小区顺序错开1/4刻线周期，所以4个光电元件的输出信号也顺序滞后1/4周期。其变化规律与前述光栅输出信号相同。将4个输出信号进行与光栅输出信号同样的方法处理，即把输出信号中的交流分量相差 的两个信号相减，就可得到相位相差 的两个正弦信号 、 ，再将此两个正弦信号经过放大、整形，就可得到相位相差 的两个方波系列 与 （图6-15）。为了得到转轴的转数，在扫描刻线板和刻线盘上再加刻一个刻线情况相同的参考标志刻线区。此刻线区可以是一根粗线，也可以是一组细线。转轴旋转一圈，它发出一个脉冲信号，可用来计数轴的转数。 将上述码盘称为增量码盘是因为它的输出不能反映转轴的绝对位置，只能反映两次读数之间转轴角位移的增量。不难理解这种编码的最小可分辨角度（又称为测量步幅），是两个方波系列相邻的两个前沿或后沿之间所对应的角度，即1/4刻线周期。例如，设刻线盘的刻线数是900 ，配合电子器等分电路，则其测量步幅 360/（4*900）= ，如果刻,线数再提高，组分程度再增加，则测量步幅可进一步减少，现径向刻线可达36000根，组分可达二百分之一。所以测量步幅可达 。,