位置检测装置

第4章 数控检测装置4.1数控检测装置的概述检测元件是闭环、半闭环伺服系统的重要组成部分。在闭环数控系统中，必须利用位置检测装置把机床运动部件的实际位移量随时检测出来，与给定的控制值(指令信号)进行比较，从而控制驱动元件准确运转，使工作台(或刀具)按规定的轨迹和坐标移动。因此，位置检测装置是数控机床的关键部件之一，它的精度直接影响数控机床的定位精度和加工精度。为此，对位置检测装置提出如下要求： (1)高可靠性和高抗干扰性； (2)满足精度和速度要求； (3)使用、维护方便，适合机床的运行环境； (4)成本低，寿命长。 对于不同类型的数控机床，因工作条件和检测要求不同，可以采用不同的检测方式。4.1.1对位置检测装置的要求在数控机床中，数控装置是依靠指令值与位置检测装置的反馈值进行比较，以此来控制工作台运动的。位置检测装置是CNC系统的重要组成部分。在闭环系统中，它的主要作用是检测位移量，并将检测的反馈信号和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，直到偏差为零为止。为了提高数控机床的加工精度，必须提高测量元件和测量系统的精度，不同的数控机床对测量元件和测量系统的精度要求、允许的最高移动速度各不相同。现在检测元件与系统的最高水平是：被检测部件的最高移动速度至240m/min时，其检测位移的分辨率(能检测的最小位移量)可达1m，相当于24m/min时可达0.1m。最高分辨率可达0.01m。因此，研制和选用性能优越的检测装置是很重要的。 。 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，能满足精度和速度的要求； (3)使用维护方便，适应机床工作环境； (4)成本低；(5)易于实现高速的动态测量。4.1.2检测装置的分类按工作条件和测量要求的不同，测量方式亦有不同的划分方法，位置检测装置分类如表41所示。表4l位置检测装置分类位置检测装置按检测信号的类型分类数字式测量光栅，光电码盘，接触式码盘模拟式测量旋转变压器，感应同步器，磁栅按测量装置编码方式分类增量式测量光栅，增量式光电码盘绝对式测量接触式码盘，绝对式光电码盘按检测方式分类直接测量光栅，感应同步器，编码盘(测回转运动)间接测量编码盘，旋转变压器数控机床伺服系统中采用的位置检测装置基本分为直线型和旋转型两大类。直线型位置检测装置主要用来检测运动部件的直线位移量；旋转型位置检测装置主要用来检测回转部件的转动位移量。常用的位置检测装置如图41所示。图41 常用的位置检测装置除以上位置检测装置以外，伺服系统中往往还包括检测速度的元件，用以检测和调节电机的转速。常用的测速元件是测速发动机。4.2旋转变压器旋转变压器是一种常用的转角检测元件，由于它结构简单，工作可靠，且其精度能满足一般的检测要求，因此被广泛应用在数控机床上。 旋转变压器的结构和两相绕线式异步电动机的结构相似，可分为定子和转子两大部分。定子和转子的铁芯由铁镍软磁合金或硅钢薄板冲成的槽状芯片叠成。它们的绕组分别嵌入各自的槽状铁芯内。定子绕组通过固定在壳体上的接线柱直接引出。转子绕组有两种不同的引出方式。根据转子绕组两种不同的引出方式，旋转变压器分为有刷式和无刷式两种结构形式。有刷式旋转变压器，如图42所示，它的转子绕组通过滑环和电刷直接引出，其特点是结构简单，体积小，但因电刷与滑环是机械滑动接触的，所以旋转变压器的可靠性差，寿命也较短。而无刷式旋转变压器却避免了上述缺陷，在此仅介绍无刷式旋转变压器。图42有刷式旋转变压器l-转子绕组；2-钉子绕组；3-转子；4-整流子；5-电刷；6-接线柱1、旋转变压器的结构和工作原理旋转变压器又称为分解器，是一种控制用的微型旋转式的交流电动机，它将机械转角变换成与该转角呈某一函数关系的电信号的一种间接测量装置。在结构上与两相线绕式异步电动机相似，由定子和转子组成。图43所示是一种无刷旋转变压器的结构，左边为分解器，右边为变压器。变压器的作用是将分解器转子绕组上的感应电动势传输出来，这样就省掉了电刷和滑环。分解器定子绕组为旋转变压器的原边，分解器转子绕组为旋转变压器的副边，励磁电压接到原边，励磁频率通常为400Hz、500Hz、1000 Hz、5000 Hz。旋转变压器结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，维护方便，输出信号的幅度大，抗干扰性强，工作可靠。由于旋转变压器上述特点，可完全替代光电编码器，被广泛应用在伺服控制系统、机器人系统、机械工具、汽车、电力、冶金、纺织、印刷、航空航天、船舶、兵器、电子、矿山、油田、水利、化工、轻工和建筑等领域的角度、位置检测系统中。图43 无刷旋转变压器的结构图1-电动机轴；2-外壳；3-分解器定子；4-变压器定子绕组；5-变压器转子绕组；6-变压器转子；7-变压器定子；8-分解器转子；9-分解器定子绕组；10-分解器转子绕组旋转变压器是根据互感原理工作的。它保证了定子与转子之间空隙内的磁通分布呈正(余)弦规律，当定子绕组上加交流励磁电压(为交变电压，频率为24 kHz)时，通过互感在转子绕组中产生感应电动势，如图44所示。图44 两级旋转变压器的工作原理其输出电压的大小取决于定子与转子两个绕组轴线在空间的相对位置臼角。两者平行时互感最大，副边的感应电动势也最大；两者垂直时互感为零，感应电动势也为零。感应电动势随着转子偏转的角度呈正(余)弦变化，故有U2=KU1cos=KUmsinwtcoa式中：U2为转子绕组感应电势；U1为定子的励磁电压；Um为定子励磁电压的幅值；为两绕组轴线之间的夹角；K为变压比，即两个绕组匝数比N1N2。2、旋转变压器的应用使用旋转变压器作位置检测元件，有两种方法：鉴相型应用和鉴幅型应用。一般采用的是正弦、余弦旋转变压器，其定子和转子中各有互相垂直的两个绕组，如图45所示。图45 四级旋转变压器 (1)鉴相型应用 在这种状态下，旋转变压器的定子两相正交绕组即正弦绕组s和余弦绕组c中分别加上幅值相等、频率相同而相位相差90。的正弦交流电压，如图43所示，即Us=UmsinwtUc=Umcoswt因为此两相励磁电压会产生旋转磁场，所以在转子绕组中(另一绕组短接)感应电动势为U2=Ussin+Uccos上式可变换为U2=KUmsinwtsin+KUmcoswtcos=KUmcos(wt) 测量转子绕组输出电压的相位角咿，便可测得转子相对于定子的空间转角位置。在实际应用时，把对定子正弦绕组励磁的交流电压相位作为基准相位，与转子绕组输出电压相位作比较，来确定转子转角的位移。(2)鉴幅型应用 在这种应用中，定子两相绕组的励磁电压为频率相同、相位相同而幅值分别按正弦、余弦规律变化的交变电压，即Us =UmsinsinwtUc=Umcossinwt励磁电压频率为24 kHz。 定子励磁信号产生的合成磁通在转子绕组中产生感应电动势U2，其大小与转子和定子的相对位置m有关，并与励磁的幅值Umsin和Umcos有关，即U2=KUmsin(m)sinwt 如果m =，则U2=0。 从物理意义上理解，m =表示定子绕组合成磁通西与转子绕组的线圈平面平行，即没有磁力线穿过转子绕组线圈，故感应电动势为零。当中垂直于转子绕组线圈平面时，即m =90时，转子绕组中感应电动势最大。 在实际应用中，根据转子误差电压的大小，不断修改定子励磁信号的(即励磁幅值)，使其跟踪m的变化。当感应电动势U2的幅值KUmsin(m)为零时，说明臼角的大小就是被测角位移m的大小。4.3感应同步器 感应同步器是一种电磁式位置检测元件，按其结构特点一般分为直线式和旋转式两种。直线式感应同步器由定尺和滑尺组成；旋转式感应同步器由转子和定子组成。前者用于直线位移测量，后者用于角位移测量。它们的工作原理都与旋转变压器相似。感应同步器具有检测精度比较高、抗干扰性强、寿命长、维护方便、成本低、工艺性好等优点，广泛应用于数控机床及各类机床数显改造。本节仅以直线式感应同步器为例，对其结构特点和工作原理进行介绍。1、感应同步器的结构和工作原理直线式感应同步器用于直线位移的测量，其结构相当于一个展开的多极旋转变压器。它的主要部件包括定尺和滑尺，定尺安装在机床床身上，滑尺则安装于移动部件上，随工作台一起移动。两者平行放置，保持0.20.3mm的间隙，如图46所示。标准的感应同步器定尺长250mm，是单向、均匀、连续的感应绕组；滑尺长100mm，尺上有两组励磁绕组，一组叫正弦励磁绕组，如图46中A所示，一组叫余弦励磁绕组，如图46中B所示。定尺和滑尺绕组的节距相同，用表示。当正弦励磁绕组与定尺绕组对齐时，余弦励磁绕组与定尺绕组相差14节距。由于定尺绕组是均匀的，故表示滑尺上的两个绕组在空间位置上相差14节距。即2相位角。定尺和滑尺的基板采用与机床床身材料的热膨胀系数相近的低碳钢，上面有用光学腐蚀方法制成的铜箔锯齿形的印刷电路绕组，铜箔与基板之间有一层极薄的绝缘层。在定尺的铜绕组上面涂一层耐腐蚀的绝缘层，以保护尺面。在滑尺的绕组上面用绝缘的黏接剂粘贴一层铝箔，以防静电感应。感应同步器的工作原理与旋转变压器的工作原理相似。当励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化，感应同步器和旋转变压器就是利用这个特点进行测量的。所不同的是，旋转变压器是定子、转子间的旋转位移，而感应同步器是滑尺和定尺问的直线位移。图46感应同步器的结构示意图A-正弦励磁绕组；B-余弦励磁绕组图47感应同步器的工作原理图感应同步器的工作原理图如图47所示，它说明了定尺感应电压与定、滑尺绕组的相对位置的关系。若向滑尺上的正弦绕组通以交流励磁电压，则在定子绕组中产生励磁电流，因而绕组周围产生了旋转磁场。这时，如果滑尺处于图中A点位置，即滑尺绕组与定尺绕组完全对应重合，则定尺上的感应电压最大。随着滑尺相对定尺做平行移动，感应电压逐渐减小。当滑尺移动至图中B点位置时，即与定尺绕组刚好错开14节距时，感应电压为零。再继续移至12节距处，即图中C点位置时，为最大的负值电压(即感应电压的幅值与A点相同但极性相反)。再移至34节距，即图中D的位置时，感应电压又变为零。当移动到一个节距位置即图中E点，又恢复初始状态，即与A点情况相同。显然，在定尺和滑尺的相对位移中，感应电压呈周期性变化，其波形为余弦函数。在滑尺移动一个节距的过程中，感应电压变化了一个余弦周期。 同样，若在滑尺的余弦绕组中通以交流励磁电压，也能得出定尺绕组中感应电压与两尺相对位移臼的关系曲线，它们之间为正弦函数关系。2、感应同步器的应用根据励磁绕组中励磁供电方式的不同，感应同步器可分为鉴相工作方式和鉴幅工作方式。鉴相工作方式即将正弦绕组和余弦绕组分别通以频率相同、幅值相同但相位相差/2的交流励磁电压；鉴幅工作方式，则是将滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以相位相同、频率相同但幅值不同的交流励磁电压。(1)鉴相方式在这种工作方式下，将滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以幅值相同、频率相同、相位相差90。的交流电压，即Us=UmsinwtUc=Umcoswt励磁信号将在空间产生一个w为频率移动的行波。磁场切割定尺导片，并在其中感应出电势，该电势随着定尺与滑尺相对位置的不同而产生超前或滞后的相位差。按照叠加原理可以直接求出感应电势U0=KUmsinwtcosKUmcoswtsin=KUmsin(wt)在一个节距内，与滑尺移动距离是一一对应的，通过测量定尺感应电势相位，便可测出定尺相对滑尺的位移。(2)鉴幅方式在这种工作方式下，将滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以频率相同、相位相同，但幅值不同的交流电压，即Us=Umsin1sinwtUc=Umcos1sinwt式中的1相当于前式中的。此时，如果滑尺相对定尺移动一个距离d，其对应的相移为2，那么，在定尺上的感应电势为U0=KUmsin1sinwtcos2KUmcos1coswtsin2=KUmsin(12)由上式可知，若电气角1已知，则只要测出U0的幅值KUmsin(12)，便可间接地求出2。感应同步器直接对机床进行位移检测，无中间环节影响，所以精度高；其绕组在每个周期内的任何时间都可以给出仅与绝对位置相对应的单值电压信号，不受干扰的影响，所以工作可靠，抗干扰性强；定尺与滑尺之间无接触磨损，安装简单，维修方便，寿命长；通过拼接方法，可以增大测量距离的长度；其成本低，工艺性好。正因为其具有如此之多的优点，感应同步器在实践中应用非常广泛。4.3光栅光栅分为物理光栅和计量光栅。物理光栅刻线细密，主要用于光谱分析和光波波长的测定。计量光栅，比较而言，刻线较粗，但栅距也较小，一般在0.0040.25 mm之间，主要用于数字检测系统。光栅传感器为动态测量元件，按运动方式可分为长光栅和圆光栅。长光栅主要用来测量直线位移；圆光栅主要用来测量角度位移。根据光线在光栅中的运动路径可分为透射光栅和反射光栅。一般光栅传感器都是做成增量式的，也可以做成绝对值式的。目前，光栅传感器主要应用在高精度数控机床的伺服系统中，其精度仅次于激光式测量。 光栅是利用光的透射、衍射现象制成的光电检测元件，它主要由光栅尺(包括标尺光栅和指示光栅)和光栅读数头两部分组成，如图48所示。通常，标尺光栅固定在机床的运动部件(如工作台或丝杠)上，光栅读数头安装在机床的固定部件(如机床底座)上，两者随着工作台的移动而相对移动。在光栅读数头中，安装了一个指示光栅，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移动。在安装光栅时，要严格保证标尺光栅和指示光栅的平行度以及两者之问的间隙(一般取0.05 mm或0.1mm)要求。图48光栅读数头 光栅尺是用真空镀膜的方法光刻上均匀密集线纹的透明玻璃片或长条形金属镜面。对于长光栅，这些线纹相互平行，各线纹之间的距离相等，称此距离为栅距。对于圆光栅，这些线纹是等栅距角的向心条纹。栅距和栅距角是决定光栅光学性质的基本参数。常见的长光栅的线纹密度为25、50、100、250条/mm。对于圆光栅，若直径为70mm，一周内刻线达100768条；若直径为110 mm，一周内刻线达6001024条，甚至更高。同一个光栅元件，其标尺光栅和指示光栅的线纹密度必须相同。 光栅读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动电路组成，如图48所示。读数头的光源一般采用白炽灯泡。白炽灯泡发出的辐射光线，经过透镜后变成平行光束，照射在光栅尺上。光敏元件是一种将光强信号转换为电信号的光电转换元件，它接收透过光栅尺的光强信号，并将其转换成与之成比例的电压信号。由于光敏元件产生的电压信号一般比较微弱，在长距离传送时很容易被各种干扰信号所淹没、覆盖，造成传送失真。为了保证光敏元件输出的信号在传送中不失真，应首先将该电压信号进行功率和电压放大，然后再进行传送。驱动电路就是实现对光敏元件输出信号进行功率和电压放大的电路。 如果将指示光栅在其自身的平面内转过一个很小的角度，这样两块光栅的刻线相交，当平行光线垂直照射标尺光栅时，则在相交区域出现明暗交替、间隔相等的粗大条纹，称为莫尔条纹。由于两块光栅的刻线密度相等，即栅距相等，使产生的莫尔条纹的方向与光栅刻线方向大致垂直。其几何关系如图49所示。当很小时，莫尔条纹的节距为p=/图49光栅的工作原理这表明，莫尔条纹的节距是栅距的1倍。当标尺光栅移动时，莫尔条纹就沿与光栅移动方向垂直的方向移动。当光栅移动一个栅距时，莫尔条纹就相应准确地移动一个节距声，也就是说两者一一对应。因此，只要读出移过莫尔条纹的数目，就可知道光栅移过了多少个栅距。而栅距在制造光栅时是已知的，所以光栅的移动距离就可以通过光电检测系统对移过的莫尔条纹进行计数、处理后自动测量出来。 如果光栅的刻线为100条，即栅距为0.01mm时，人们是无法用肉眼来分辨的，但它的莫尔条纹却清晰可见。所以莫尔条纹是一种简单的放大机构，其放大倍数取决于两光栅刻线的交角，如=0.01 mm，p=5mm，则其放大倍数为1/=p/=500倍。这种放大特点是莫尔条纹系统的独具特性。莫尔条纹还具有平均误差的特性。光栅测量系统的组成示意图如图410所示。光栅移动,莫尔条纹两岸交替变化，光强度分布近似余弦曲线，由光电元件变为同频率电压信号，经光栅位移数字变换电路放大、整形、微分输出脉冲。每产生一个脉冲，就代表移动了一个栅距，通过对脉冲计数便可得到工作台的移动距离。图410 光栅测量系统组成示意图4.4光电脉冲编码器脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，把机械转角变成电脉冲，是一种常用的角位移传感器，同时也可作速度检测装置。脉冲编码器分为：光电式、接触式和电磁感应式。脉冲编码器是一种增量检测装置，它的型号是由每转发出的脉冲数来区分。2000P/r、2500 P/r和3000 P/r等。1、光电脉冲编码器的结构和工作原理光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为了判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90的两路脉冲信号。根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。图411 光电脉冲编码器的结构1-光源 2-圆光栅 3-指示光栅 4-光电池组5-机械部件 6-护罩 7-印刷电路板光电脉冲编码器的结构如图411所示。在一个圆盘的圆周上刻有相等间距线纹，分为透明和不透明的部分，称为圆光栅。圆光栅与工作轴一起旋转。与圆光栅相对平行地放置一个固定的扇形薄片，称为指示光栅，上面刻有相差l4节距的两个狭缝(在同一圆周上，称为辨向狭缝)。此外，还有一个零位狭缝(一转发出一个脉冲)。脉冲编码器通过十字连接头或键与伺服电动机相连，它的法兰盘固定在电动机端面上，罩上防护罩，构成一个完整的检测装置。 下面对光电编码器的工作原理进行介绍。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。光电元件接收这些明暗相问的光信号，并转换为交替变化的电信号，该信号为两路近似于正弦波的电流信号A和B，如图412所示。A和B信号相位相差90。，经放大和整形变成方波。通过光栅的两个电流信号，还有一个“一转脉冲”，称为Z相脉冲，该脉冲也是通过上述处理得来的。A脉冲用来产生机床的基准点。 脉冲编码器输出信号A、B、Z、等信号，这些信号作为位移测量脉冲，以及经过频率一电压变换作为速度反馈信号，进行速度调节。图412 脉冲编码器输出的波形2、光电脉冲编码器的应用在数控机床上，光电脉冲编码器常被用在数字比较的伺服系统中，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：一种是适合于有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；另一种是适合于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。应用一：适应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 应用二：适应有计数控制端和方向控制端的计数器，形成正走、反走计数脉冲和方向控制电平。 思考与练习1、数控机床对位置检测装置有何要求?如何对位置检测装置进行分类?2、简述旋转变压器的工作原理，并说明它的应用。3、简述感应同步器的工作原理，并说明它的应用。4、简述光栅的构成和工作原理。5、简述光电脉冲编码器的构成和工作原理。