传感器在数控机床中的应用

,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,*,*,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,*,*,传感器在数控机床中的应用,1 工程描述,2相关知识,3数字传感器的应用实例,4传感器在数控机床中的综合应用实例,1 工程描述,数字式传感器是能把被测模拟量直接转换成数字量输出的传感器，数字式传感器具有以下特点：,1.具有高的测量精度和分辨率，测量范围大；,2.抗干扰能力强，稳定性好；,3.信号易于处理、传送和自动控制；,4.便于动态及多路测量，读数直观；,5.安装方便，维护简单，工作可靠性高。,数字式传感器在数控机床中的应用很广泛，在数控机床中常用传感器主要应用于机械量和热工量的自动检测和控制，而对机械量的自动检测与控制是数控机床的主要任务。,1.2,任务要求,主要任务是了解传感器在数控机床中广泛的应用：,1,了解常用数字式传感器结构、原理、应用；,2,传感器实现位置及转速测量的方法；,3,机械加工能中位移的测量方法；,4,常用位移传感器的主要特点和使用性能；,5,了解传感器在数控机床中的应用实例。,1.2,相关知识点分析,1,了解绝对式码器的分类及其特点；,2,掌握角编码器的应用；,3,熟悉光栅的类型、结构和工作原理；,4,掌握光栅传感器的应用；,5.,了解磁栅传感器、感应同步器类型、结构和工作原理；,6,了解常用传感器在数控机床中的应用。,2,相关知识,2.1数字式编码器,数字式编码器又称码盘,是一种旋转式的位置传感器,通常装在被测装置的轴上，随被测轴一起转动，它能将被测轴的角位移转换成增量脉冲或二进制编码。角编码器有两个根本类型：绝对式编码器和增量式编码器。根据内部结构和检测方式有接触式、光电式和电磁式等形式。,1,数字式编码器结构,1接触式码盘,码盘是最简单的一种数字编码器，在绝缘材料圆盘上粘贴导电铜箔，利用电刷与铜箔接触与否代表逻辑“0和“l。,接触式编码器的测量精度决定于码盘的精度，分辨率取决于码盘的码道数目。假设采用n位码盘(有n条码道)，那么能分辨的角度为：,显然，位数n越大，能分辨的角度就越小，测量精度越高。为了得到高的分辨率和精度，可增加码盘的码道数目。,图10.1四位二进制接触式盘。,图,10.1,四位二进制接触式盘,2光电式码盘,接触式码盘的电刷和铜箔靠接触导电不够可靠。采用光电原理，将码盘上按同样规律分成透光和不透光局部，组成光电式码盘，可实现同样功能，是一种用得较普遍的码盘。,3电磁式码盘,它是在导磁体(软铁)圆盘上用腐蚀的方法做成一定的编码图形,使导磁性有的地方高，有的地方低。再用一个很小的马蹄形磁铁作磁头,上面绕有两组线圈,一个为通有正弦电流励磁线圈,另一个为读出线圈。由于读出线圈电动势与整个电路的磁导率有关，因而一样可区分出码盘随被测物体所转动的角度。,图,10.2,光电式码盘,1,光源，,2,透镜，,3,码盘，,4,狭缝，,5,光电,元件,2绝对型码盘和增量型码盘,绝对型码盘,在被测转角不超过360情况下，所提供的是转角的绝对值，即从起始位置(对应于输出各位皆为零的位置)所转动的角度。在应用中如遇停电，恢复供电后的显示值仍然能正确地反映当时角度，这叫做绝对型码盘。,如果将码盘改为只有一个数据环，且由等宽度的黑白径向条纹构成，那么码盘转动时可产生串行光脉冲，用脉冲计数器将脉冲数累加起来也能反映转过的角度大小。但一遇停电就会把累加脉冲数丧失，必须有停电记忆措施，这叫做增量型码盘。,如图10.3所示。当转盘上某一工位转到加工点时，该工位对应的编码由编码器输出。如要使处于工位5上的工件转到加工点等待钻孔加工，计算机就控制电动机通过传动机构带动转盘旋转。,与此同时，绝对式编码器输出的编码不断变化。当输出某个特定码，如0101BCD码时，表示转盘以将工位5转到加工点，电动机停转。,图,10.3,转盘工位编码,1,绝对编码器，,2,电动机,3,转轴，,4,转盘，,5,工件，,6,刀具,2.2,光栅传感器,1,光栅传感器的结构,光栅传感器是由主光栅,(,也称标尺光栅，通常随被测物体移动,),、指示光栅和光路系统所组成。,c),图,10.4,黑白透射直线光栅示意图,a),标尺光栅,b),指示光栅,c),光栅外型,2,莫尔条纹的测量原理,莫尔条纹有如下特征：,1莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误差。,2当两光栅沿与栅线垂直的方向作相对移动时,莫尔条纹那么沿光栅刻线方向作相对移动(两者的运动方向相互垂直)，光栅反向移动,莫尔条纹亦反向移动。,3莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距,它随着光栅刻线夹角而改变。由于很小,所以其关系可用下式表示为,式中，L莫尔条纹间距,W光栅栅距,两光栅刻线夹角，单位为弧度(rad),图,10.5,莫尔条纹,3.细分和辨向技术,细分技术：为了提高测量精度，需要在莫尔条纹信号变化的一个周期内输出假设干个脉冲，以减小脉冲当量即单位脉冲的位移量。,辨向原理：前述光电元件或细分电路输出的计数脉冲不能区分移动方向，为区分位移的方向，在莫尔条纹移动的方向上相距1/4条纹间距的位置安放两个光电元件，从两个光电元件上得到两个相差为 的莫尔条纹信号，经辨向逻辑电路，根据物体运动方向给出加计数脉冲或减计数脉冲。,图,10.6,光电元件输出与光栅位移的关系,4.光栅传感器安装方式光栅线位移传感的安装比较灵活，可安装在机床的不同部位，一般将主尺安装在机床的工作台(滑板)上，随机床走刀而动，读数头固定在床身上，尽可能使读数头安装在主尺的下方。其安装方式的选择必须注意切屑、切削液及油液的溅落方向。如果由于安装位置限制必须采用读数头朝上的方式安装时，那么必须增加辅助密封装置。另外，一般情况下，读数头应尽量安装在相对机床静止部件上，此时输出导线不移动易固定，而尺身那么应安装在相对机床运动的部件上(如滑板)。,2.3,磁栅传感器,1磁栅传感器结构与类型,磁栅是一种录有磁化信息的标尺，它是在非磁性体的平整外表上镀一层约0.02mm厚的NiCoP磁性薄膜，并用录音磁头沿长度方向按一定的波长录上磁性刻度线而构成的，因此又把磁栅称为磁尺。,图,10.7,磁尺的基本结构,2,磁栅式位移传感器工作原理,磁栅式位移传感器的结构原理，如图10.8所示。它由磁尺磁栅、磁头和检测电路等组成。,当磁尺与磁头之间的相对位置发生变化时，磁头的铁芯使磁尺的磁通有效地通过绕组，在电磁感应作用下，信号输出绕组中将产生感应电动势，该电动势将随磁尺磁场强度周期变化而变化，将位移量转换成电信号输出，输出信号波形如图10.8所示。,图,10.8,磁栅的结构原理示意图,1,磁头,2,磁尺,3,磁头输出信号的波形,2.4,感应同步器,感应同步器是应用电磁感应原理来测量直线位移和角位移的一种精密传感器。测量直线位移的称为直线感应同步器，测量角位移的称为圆感应同步器。,图,10.9,标准式直线感应同步器外型及结构,1.感应同步器的结构特点,直线式感应同步器的结构它由定尺和滑尺两局部组成，长尺为定尺，短尺为滑尺。感应同步器的定尺被安装在固定部件上如机床的台座，而滑尺那么与运动部件或被定位装置如机床刀架一起沿定尺移动。,图,10.10,定尺、滑尺绕组结构,a),定尺绕组,b),滑尺绕组,2.感应同步器的工作原理,感应同步器利用定尺和滑尺两个平面印刷电路绕组的互感随其相对位置变化而变化的原理，将位移量转换为电信号。感应同步器工作时，定尺和滑尺相互平行相对放置，它们之间保持一定的气隙0.250.005，定尺固定，滑尺可动。当滑尺和绕组分别通过一定的正、余弦电压鼓励时，定尺绕组中就会有感应电动势产生，其值是定、滑尺相对位置的函数。,图,10.11,感应电动势与两相绕组相对位置的关系,3.感应同步器的信号处理方式,1鉴相型,2鉴幅型,3脉冲调宽型,为了实现位移量的数字显示，必须把感应同步器检测到的位移电信号，经电子电路处理后，将模拟量变为数字量，然后再由显示电路显示出来。数显表就是完成这一任务的一种仪表。,图,10.12,直线感应同步器数显装置系统连接示意图,3,数字传感器的应用实例,3.1,位置及转速测量,应用实例一：角位移测量仪,应用实例二：霍尔转速表,应用三：霍尔式接近开关,图,10.13,霍尔角位移测量仪,1,磁极,2,霍尔器件,3,励磁线圈,图,10.14,霍尔转速表示意图,1,磁极,2,霍尔器件,3,齿轮,图,10.16,霍尔式接近开关示意图,应用实例四：光电式工件计数装置,应用实例五：光电式转速表,图,10.18,工件计数装置,a),示意图,b),输出波形,图,10.19,光电式转速表原理框图,放大整形电路,3.2,机械位移的测量,用于位移测量的传感器很多，因测量范围不同，所用的传感器是不同的。测量位移的方法很多，现已形成多种位移传感器，而且有向小型化、数字化、智能化方向开展的趋势。,小位移的检测通常用应变式，电感式，差动变压器式，电容式，霍尔式等传感器，精度可达0.5%1.0%，其中电感式和差动变压器式传感器测量范围要大一些，有些可达100mm。小位移传感器测微小位移，从几微米到几个毫米，如物体振动的振幅测量等。,大位移的测量常用感应同步器、光栅、磁栅、容栅、编码器等传感器，其特点是易实现数字化，精度高，抗干扰能力强，没有人为读数误差，安装方便，使用可靠等。这些传感器即可以测线位移，也可以测角位移，还可用来测长度等。,表,10.3,位移传感器一览表,类型,测量范围,准确度,直线性,特点,电阻式,滑线式线位移角位移,1,300mm*,0,360,0.1%,0.1%,0.1,0.1%,分辨率较好，可用于静态或动态测试。机械结构不牢固,变阻器线位移角位移,1,1000mm*,0,60,转,0.5%,0.5%,0.5,0.5%,结构牢固，寿命长，但分辨力差，电噪声大。,应变式,非粘贴,0.15%,应变,0.1%,1%,不牢固,半导体,0.25%,应变,2%,3%,满刻,20%,牢固，使用方便，需温度补偿和高绝缘电阻。,电感式,自感式变气隙型,0.2mm,1%,3%,只宜用于微小位移测量,螺管型,1.5,2mm,0.15%,1%,测量范围较前者宽，动态性能较差,差动变压器,0.08,75mm*,0.5%,0.5%,分辨率好，受到杂散磁场干扰时需屏蔽。,电涡流式,2.5,250mm*,1%,3%,3%,分辨率好，受被测物体材料、形状等影响。,电容式,变面积,0.001,100mm*,0.005%,1%,介电常数受环境湿度、温度的影响。,变间距,0.001,10mm*,1%,分辨率很好，只能在小范围内近似保持线性。,霍尔式,1.5mm,0.5%,结构简单，动态特性好,感应同步器,直线性,0.00,10000mm*,2.5m/250mm,模拟和数字混合测量系统，数字显示。（直线式感应同步器的分辨率可达,1m,旋转式,0,360,0.5,计量光栅,长光栅,0.001,10000mm*,(,还可接长,),3m/1m,同上，长光栅分辨率,0.1,1m,圆光栅,0,360,0.5,角秒,磁栅,长磁栅,0.001,10000mm*,5m/1m,测量时工作速度可达,12m/min,圆磁栅,0,360,1,角秒,角编码器,接触式,0,360,0.000001rad,分辨率好，可靠性高。,1光电位移传感器的应用,图10.20应用光电断续器控制电机旋转位置的原理框图。当启动开关闭合时，由于发光二极管发出的光通过光盘的透明部位，光敏元件有信号输出，逻辑电路输出控制信号使驱动电路工作，电机开始旋转，当光盘随电机转动到白色不透光区时，光电断续器停止信号输出，电机因而得不到驱动电压而停止转动。这种简单的原理只能使电机做定向运动，如再加其他控制电路，那么控制电机在被限制的范围内作双向运动。,图,10.20,光电断续器控制电机旋转位置的原理框图,2,光电式编码器的应用,图,10.21,中，光电式编码器安装在机床的主轴上，主轴每转发出固定