数控机床的位置检测系统

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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0.00010.01,mm,之内，测量精度为0.00100.02,mm/m，,运动速度为024,m/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(2,mm),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0.01,mm，,则每移动0.01,mm,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,u,1,u,16,状态的三态门。便于,CPU,读入,u,1,u,16,，377为重置518所用的输出锁存器。设,u,1,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,u,1,u,16,的状态发现,u,2,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,u,1,u,16,的读取。,求出可逆计数的增量（+1为：01,H，-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,u,1,u,16,次序号的不同定义了,OOOFH,十六个状态值。事实上,u,1,u,16,的变化都是按次序改变的。正转时从：,u,1,u,16,方向依次变化。反转时，按,u,16,u,1,方向依次变化。正转时，增量总是为01,H，,反转时，增量总是为0,FFH。,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250,mm，,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2,mm,的单相连续绕组。滑尺比定尺短一些，它有两个节距为2,mm,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0.05,0.25,mm，,定子与半径的平面绕组也平行。其间隙为0.05,0.25,mm。,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,u,A,，,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,e,A,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,e,A,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,u,A,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